聚丙烯酸钠对 3种土壤质地入渗特征的影响

董勤各,冯浩,庄文化

(1.中国科学院水利部水土保持研究所,712100,陕西杨凌;2.中国科学院研究生院,100049,北京;3.西北农林科技大学水土保持研究所,712100,陕西杨凌)

聚丙烯酸钠对 3种土壤质地入渗特征的影响

董勤各1,2,冯浩1,3†,庄文化1,2

(1.中国科学院水利部水土保持研究所,712100,陕西杨凌;2.中国科学院研究生院,100049,北京;3.西北农林科技大学水土保持研究所,712100,陕西杨凌)

采用一维垂直积水入渗法,分析聚丙烯酸钠在 4种质量分数(0、0.08%、0.20%与 0.50%)处理下对砂土、壤土和黏土水分入渗性能以及 Kostiakov入渗模型参数的影响。结果表明:聚丙烯酸钠与土壤质量比在 0.08%～0.50%范围内时,3种土壤质地入渗速率都随时间推移呈下降趋势,土壤入渗能力随聚丙烯酸钠质量分数的增大明显降低;聚丙烯酸钠显著抑制土壤入渗能力;入渗系数k随聚丙烯酸钠用量的增加而下降;入渗指数a值随聚丙烯酸钠用量的增加基本呈上升趋势;k/a值对聚丙烯酸钠的响应随聚丙烯酸钠质量分数的增加逐渐增强。

一维垂直积水入渗;入渗速率;聚丙烯酸钠;累积入渗量;入渗模型参数

土壤的入渗过程受供水能力和土壤本身性质的影响[1],土壤质地、土壤含水量和土壤结构等对土壤入渗能力和入渗预测模型的参数影响较大。而高分子保水剂具有改良土壤结构、增加土壤持水能力等功能,它作为一种新型的化学调控措施与手段被提出并用于改善土壤质地和土壤结构等,也越来越得到重视。目前研究应用较多的是树脂类保水剂,包括聚丙烯酰胺保水剂(PAM)、聚丙烯酸保水剂(PAA)等,它们是利用强吸水性树脂等材料制成的一种具有超高吸水保水能力的高分子聚合物,通过黏结土粒与自身溶涨来改良土壤结构,可以有效模拟许多天然团粒胶结物质。黄占斌等[2]发现土壤中添加高分子保水剂可以增强易分散微粒间的黏结力,形成较大团粒结构,特别是大于 1mm的团聚体。冯浩等[3]发现,聚丙烯酸、聚乙烯醇、脲醛树脂均能改良土壤结构,提高土壤水稳性团粒含量,增强土壤持水能力。庄文化等[4]通过室内试验发现,在0.01～1.50MPa水吸力下,土壤持水能力随聚丙烯酸钠(Sodium Polyacrylate)用量的增加而增加,砂土的作用效果比壤土和黏土更显著。黄占斌等[5]通过盆栽试验发现,保水剂的各种使用方法对玉米(Zea mays L.)株高都有促进作用,且主要在玉米生长中后期和周期性干旱条件下能促进玉米根系发育。 M.Agassi等[6]、R.D.Lentz等[7]研究发现 ,保水剂 PAM不会对土壤与地下水造成污染,还能减轻肥料、生化需氧量等对地下水的污染程度。杜太生等[8]认为,保水剂加入土壤中可减少水分的无效蒸发,减少深层渗漏,从而提高水分利用率。员学锋等[9]通过模拟试验发现,保水剂 PAM可有效降低土壤密度、增加土壤饱和含水量和田间持水量,但施用量过大时会降低土壤入渗能力。A.R.Sepaskhah等[10]在室内通过降雨模拟器喷洒含有不同质量分数保水剂 PAM的雨水来测定壤土条件下 USLE模型中各个抗蚀因子的变化情况,认为 PAM可以黏结表层土壤,有利于抑制土壤侵蚀。S.S.Kukal等[11]通过试验发现,土壤中加入 0.10%的聚乙烯醇可以使裸地土壤的抗蚀性达到对照草地水平。

对于保水剂材料,目前的研究涉及聚丙烯酰胺的较多,而对高分子聚丙烯酸钠的研究较少,尤其对其影响土壤入渗特征方面的研究更少。笔者通过室内模拟试验来研究聚丙烯酸钠对砂土、壤土和黏土入渗性能以及 Kostiakov入渗模型参数变化情况的影响,以了解聚丙烯酸钠作用于土壤入渗的效果,为其未来在保水保土方面的应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用陕西杨凌郊区节水园、法喜村、岭后村典型代表性土壤 10～30 cm耕层土作为试验土壤,土壤类型属黄壤土类,其主要的土壤物理性状见表 1。

表 1 供试土壤的物理性状Tab.1 Physical characteristics of samp les

聚丙烯酸钠由西北工业大学生产并提供,相对分子质量为 1 500万 ～2 000万,无色无味,水溶性直链高分子聚合物,遇水易膨胀,吸湿性极强,缓慢溶于水后形成极黏稠的透明液体,直径为 0.2mm左右,是一种球状半透明晶体颗粒。聚丙烯酸钠的分子结构式见图 1。

图 1 聚丙烯酸钠分子结构式Fig.1 Molecular formula of sodium polyacrylate

1.2 试验设计与方法

采用 2因素完全设计,方案如下:1)土壤类型(砂土、壤土、黏土);2)聚丙烯酸钠与土壤质量比例m分别为 0、0.08%、0.20%、0.50%。试验前清除所选取土样中的植物根系,将土样自然风干(含水率控制在 1.80%左右)后过 2mm筛备用。

采用垂直一维积水入渗法[12-14]测定土壤的入渗速率。试验装置由土柱和马氏瓶组成,土柱由内径 10 cm、高 15 cm的 PVC管制成;马氏瓶由统一型号的有机玻璃管改装,内径 10 cm,管内水柱高 30 cm左右,外壁标定马氏瓶内水柱下降情况。砂土、壤土、黏土的装土密度分别为 1.53、1.15、1.25 g/cm3。在装入土样前,管壁内侧均匀涂抹一薄层凡士林,然后分 5层(2 cm/层)装入土柱中,每次装入的土壤表面必须打毛,以避免上下土层之间出现结构和水动力学特性突变等不必要的内边界现象[1]。马氏瓶供水水头控制在 2 cm左右,同时记录马氏瓶内水位下降高度。整个试验过程中实验室内温度为(25±1)℃。试验重复 5次,结果取平均值。

1.3 试验数据处理

根据试验设计和测得数据,按如下公式计算土壤入渗速率

式中:f(t)i为第 i时刻的土壤入渗率,cm/min;hi,hi-1为第 i和第 i-1时刻的马氏瓶水位高度,cm;A1为马氏瓶的断面面积,cm2;A2为土柱的断面面积,cm2;Δti为第 i时刻和第 i-1时刻的时间差,min。

2 结果与分析

2.1 聚丙烯酸钠对不同土壤入渗性能的影响

2.1.1 聚丙烯酸钠对不同土壤入渗速率的影响通过砂土、壤土和黏土室内模拟试验,得出不同聚丙烯酸钠质量分数下土壤入渗速率(IR)随时间(t)的变化规律(图 2)。土壤入渗速率有如下变化趋势:初始入渗阶段,水分入渗非常迅速,入渗速率和变化率都很大,此阶段水分主要受分子力作用,入渗速率的变化与初始含水量关系比较密切,而聚丙烯酸钠所起到的作用还很小;然后随着土壤含水量的增加,入渗速率逐渐降低,这是由于聚丙烯酸钠分子溶胀黏结,改变了土壤结构,使得土壤孔隙状况发生变化,强化了毛管力作用,土壤蓄持水分能力增强;随着入渗过程的进行,聚丙烯酸钠黏结土壤颗粒与蓄持水分能力趋于稳定,分子力不再起作用,毛管力也非常微弱,主要受重力作用影响[15],此时进入稳渗阶段。

从聚丙烯酸钠不同质量分数对 3种土壤入渗能力的影响来看,在同一时间点上,随着聚丙烯酸钠质量分数的增加,土壤入渗速率下降;在入渗过程中,聚丙烯酸钠质量分数越大,入渗速率曲线越趋于平缓。图 2(a)反映的是聚丙烯酸钠不同质量分数下砂土入渗速率变化情况,可知,聚丙烯酸钠质量分数为 0和 0.50%时的土壤入渗速率高于聚丙烯酸钠质量分数为 0.08%和 0.20%的,而聚丙烯酸钠质量分数为 0.08%和 0.20%的入渗速率则相差不大。图 2(b)反映的是聚丙烯酸钠不同质量分数下壤土的土壤入渗速率变化情况,可知,聚丙烯酸钠质量分数为 0.08%和 0.20%的土壤入渗速率在初渗阶段低于聚丙烯酸钠质量分数为 0的,其后入渗速率曲线与聚丙烯酸钠质量分数为 0的基本吻合;而当聚丙烯酸钠质量分数为 0.50%时,土壤入渗速率则显著降低。图 2(c)反映的是不同聚丙烯酸钠质量分数下黏土入渗速率变化情况,可知,在初渗阶段,质量分数为 0.08%的黏土土壤入渗速率高于聚丙烯酸钠质量分数为 0的,而质量分数为 0.20%和 0.50%的则低于质量分数为 0的,这是因为聚丙烯酸钠质量分数过大时,高分子在土壤表层过度黏结土粒,抑制了水分的渗透所造成的[9]。?

图 2 聚丙烯酸钠不同质量分数对土壤入渗速率变化的影响Fig.2 Effectof different concentration of sodium polyacrylate on changing of IR of different soils

由图 2可知,不同聚丙烯酸钠质量分数下,3种土壤的入渗性能是一个动态变化过程,在使用聚丙烯酸钠时可根据具体情况确定使用量。作为土壤改良剂时,宜施用于耕层底部,能有效抑制土壤水分渗漏,增加土壤水分的有效使用;作为集水材料时,增加聚丙烯酸钠用量能够减少土壤水分的下渗,从而有效蓄积降水,这是因为聚丙烯酸钠高分子内许多阴离子基团的离子现象可以使分子链增长,表现黏度增大而形成高黏性溶液,当用量加大时,聚丙烯酸钠分子溶于水形成极黏稠的液体并渗入到土壤孔隙中,影响土壤结构和孔隙分布,最终抑制水分渗漏。

2.1.2 聚丙烯酸钠对不同土壤累积入渗量的影响图 3为不同聚丙烯酸钠质量分数下 3种土壤的累积入渗量柱状图。由试验结果可知,稳渗发生在 80 min处,故以此为分界点,求取 80m in内的土壤累积入渗量。聚丙烯酸钠质量分数为 0的砂土累积入渗量为 4.17 cm,与之相比,聚丙烯酸钠质量分数为0.08%、0.20%和 0.50%的土壤累积入渗量降幅分别达 57.79%、72.18%和 85.85%;聚丙烯酸钠质量分数为 0的壤土累积入渗量为5.68 cm,而质量分数为 0.08%、0.20%和 0.50%的累积入渗量降幅分别达 15.34%、20.42%和 64.37%;聚丙烯酸钠质量分数为 0的黏土累积入渗量为 3.31 cm,而质量分数为 0.08%、0.20%和 0.50%的累积入渗量降幅分别达 18.31%、55.58%和 82.17%。由此可以看出:施用聚丙烯酸钠后,砂土的累积入渗量变化幅度最大,都在 50%以上;黏土累积入渗量的降低幅度次之,且随着聚丙烯酸钠质量分数的增加呈均匀下降趋势;壤土累积入渗量变化幅度最小,主要表现在0.08%和 0.20%2个水平上。上述现象说明,聚丙烯酸钠质量分数在 0.08～0.50%时的聚丙烯酸钠能够抑制土壤渗漏,且抑制渗漏能力随着聚丙烯酸钠用量的加大而增强。对土壤累积入渗量数据进行统计分析的结果见表 2,可以认为,不同质量分数的聚丙烯酸钠影响土壤入渗能力的差异极显著,3种不同质地间的土壤入渗能力差异也极显著。同时由图 2可以看出,土壤累积入渗量的不同与各处理前30min内土壤入渗速率的差异有关。

图 3 不同土壤 80min内土壤累积入渗量Fig.3 Cumulative infiltration capacity of different soil in 80min

由非饱和土壤达西定律可知,土壤水分入渗量与土壤水力传导度和土水势梯度有关。而土壤水力传导度又与土壤质地、结构、含水量和基质势有关[16]。在土壤质地、土壤干密度、含水率基本相近的情况下,土壤水力传导度主要取决于土壤结构状况和土壤基质势大小。庄文化等[17]通过大田试验发现,聚丙烯酸钠处理下,＞0.25mm水稳性团聚体含量显著地高于未施用聚丙烯酸钠处理的。员学锋等[9]通过室内试验发现,保水剂聚丙烯酰胺可以改变土壤微结构。J.A.Kristian等[18]认为,土壤改良剂可以使土壤孔隙度特别是毛管孔隙度增大。据此推断,聚丙烯酸钠可能是通过对土壤团粒大小、孔隙分布状况的影响来作用于土壤水力传导度的。

表 2 不同聚丙烯酸钠质量分数及不同土壤间的方差分析Tab.2 Variance ofanalysis between different concentration of sodium polyacrylate and different soil textures

2.2 聚丙烯酸钠不同质量分数对土壤入渗模型参数的影响

土壤入渗速率随时间的变化关系可以按Kostiakov入渗模型[16]进行数学拟合,公式为

式中:f(t)为土壤入渗速率,cm/min;k为土壤入渗系数,相当于风干土吸水系数;a为土壤入渗指数,随土壤性质而变化的参数,t为入渗时间,min。

分别对不同聚丙烯酸钠质量分数下的 3种土壤入渗速率实测结果进行拟合,得出相应的入渗系数k和入渗指数 a,相关系数都在 0.95以上,相关程度很高,结果见表 3。从图 2的入渗速率曲线和表 3的拟合结果可以看出,随着聚丙烯酸钠用量的增加,3种土壤的入渗速率均有减小趋势,且 a值越大,入渗速率随时间减小的越快,a值越小,入渗速率随时间减小的越慢。

2.2.1 聚丙烯酸钠不同质量分数对土壤入渗系数k的影响 由图 4(a)可知,按 Kostiakov入渗模型拟合后生成的入渗系数 k值随聚丙烯酸钠质量分数的增加呈下降趋势。在未施用聚丙烯酸钠时,砂土、壤土和黏土的 k值差异较大,分别为 0.409、0.785和0.255,但随着聚丙烯酸钠质量分数的增加,3种土壤的 k值存在接近的趋势。

k值表征土壤入渗开始后第 1个单位时间(1 min)内单位面积上的平均入渗速度,是反映土壤入渗能力的一个重要指标,其值大小主要取决于入渗时土壤的结构状况。在土壤质地、土壤干密度和原始含水量都相近的条件下,k值的大小主要取决于土壤孔隙分布状况。当聚丙烯酸钠遇水溶解并同土粒相互作用,形成一定数量的絮团时,这些絮团对土壤水稳性团粒可能具有创建和稳定作用,而创建的水稳性团粒有可能改变土壤结构,对土壤孔隙分布状况产生影响。对于壤土,聚丙烯酸钠质量分数为 0时,土壤结构良好,中等孔隙(直径界于 30～100μm之间,利于水、肥、气的运转)可能较多,初期入渗能力强;当质量分数为 0.08%～0.50%时,土壤结构可能受到聚丙烯酸钠的作用,进而影响到孔隙的分布情况,以致土壤吸水排水缓慢,初渗能力相对下降。对于砂土,聚丙烯酸钠质量分数为 0时,大孔隙较多,致使初渗能力增强;聚丙烯酸钠质量分数为 0.08%和 0.20%时,土壤孔隙结构改变,吸水排水减缓,初渗能力相对下降。对于黏土,聚丙烯酸钠质量分数为 0时,土壤中细孔隙较多,不利于水分入渗,初渗能力一般;聚丙烯酸钠质量分数为 0.08%时,溶胀的聚丙烯酸钠分子黏结一定数量的土壤颗粒形成团聚体,可能导致土壤孔隙度变大,初渗能力相对较好;但当聚丙烯酸钠质量分数为 0.20%和0.50%时,过多的聚丙烯酸钠分子会形成黏稠液体堵塞孔隙,不利于水分入渗。

表 3 不同土壤的 Kostiakov入渗公式拟合结果Tab.3 Fitting results of Kostiakov infiltration model for various sodium polyacrylate-soil ratios and different soil textures

图 4 不同聚丙烯酸钠质量分数对 Kostiakov入渗模型参数的影响Fig.4 Influence of different concentration of sodium polyacrylate on the parameters of Kostiakov infiltration model

2.2.2 聚丙烯酸钠对入渗指数 a的影响 由图 4(b)可以看出,不同聚丙烯酸钠质量分数下不同土壤的 a值都随着聚丙烯酸钠质量分数的增加呈上升趋势,但聚丙烯酸钠质量分数为 0～0.20%时的 a值上升率要大于聚丙烯酸钠质量分数为 0.20%～0.50%时的。从物理意义来看,入渗指数 a值反映土壤入渗能力的衰减速度,其大小取决于土壤质地、土壤结构和初始含水量等。在土壤质地、初始含水量一定的情况下,a值的大小取决于由湿润引起的土壤结构的改变,这主要与最终入渗速率有关。由图 4(b)的现象可以推测,由于聚丙烯酸钠的施用,在水分入渗到土壤后,聚丙烯酸钠溶胀变成黏稠的液体,而该黏稠物质可能具有胶结作用,当入渗一段时间后,遇水溶胀的聚丙烯酸钠与土壤颗粒充分结合形成团粒物质,改变了土壤原有的结构和孔隙分布状况。另外,其中一部分黏稠物质可能渗入到孔隙中,影响到孔隙的吸水排水能力,并且随着聚丙烯酸钠质量分数的增加,黏稠物质增多,作用于孔隙的影响力就越强,导致土壤入渗速率和入渗能力衰减速度加快,反映在 a值上就表现为随聚丙烯酸钠质量分数的增加,a值越大。同时,根据图 3和图 4(b)可以看出,随着聚丙烯酸钠质量分数的增加,a值逐渐增大,而80min内的土壤累积入渗量则依次减小,这也表明a值可以反映土壤入渗能力的衰减速度。

2.2.3 拟合参数比值 k/a对土壤中不同聚丙烯酸钠质量分数的响应 k/a值反映入渗过程中土壤入渗速率的变化情况,表征入渗速率随时间变化的起伏程度。k/a值越小,说明入渗速率曲线起伏程度越大,变化越剧烈;k/a值越大,说明入渗速率曲线越平缓,变化幅度较小。对 k/a值进行分析,据此可以了解不同聚丙烯酸钠质量分数下的土壤水分入渗过程。从图 4(c)可知,3种土壤的 k/a值都随聚丙烯酸钠质量分数增加而下降,其中壤土的 k/a值下降幅度较大。从 k/a值对土壤中不同聚丙烯酸钠质量分数响应的角度来看,随着聚丙烯酸钠质量分数的增加,壤土的 k/a值对聚丙烯酸钠质量分数的响应程度越来越强烈;砂土的 k/a值对聚丙烯酸钠质量分数的响应程度由强烈趋于平缓;而黏土 k/a值对聚丙烯酸钠质量分数的响应则一直较弱;3种土壤的 k/a值在 0.50%时很接近。对图 3和图 4(c)的相关数据进行拟合,结果见表 4。可以发现,不同聚丙烯酸钠质量分数下,土壤累积入渗量(y)与 k/a值(x)之间有很好的线性关系,相关系数在 0.925～0.956之间,说明 k/a值能很好地反映土壤的入渗能力。

表 4 不同聚丙烯酸钠质量分数下土壤的累积入渗量与k/a值关系拟合结果Tab.4 Fitting results of the relation between cumulative infiltration capacity and k/a for various sodium polyacrylate-soil ratios

3 结论

1)聚丙烯酸钠处理下,砂土、壤土、黏土的土壤入渗速率随时间推移呈下降趋势,尤其在入渗初期表现显著;随着聚丙烯酸钠质量分数的增大,3种土壤入渗能力都显著降低。

2)砂土累积入渗量最大降低幅度达 85.85%,而壤土和黏土的累积入渗量最大降幅分别达64.37%和 82.17%。

3)聚丙烯酸钠与土壤质量比在 0.08%～0.50%之间时可以显著地降低土壤入渗能力,能够有效抑制土壤水分渗漏。

4)入渗速率曲线符合 Kostiakov经验模型,且入渗速率随聚丙烯酸钠质量分数的增加呈幂函数趋势减小。入渗系数 k值随聚丙烯酸钠质量分数的增加基本呈下降趋势,入渗指数 a值随聚丙烯酸钠质量分数的增加则呈上升趋势,而 k/a值对聚丙烯酸钠质量分数的响应整体上逐渐增强,且可以一定程度上反映土壤的入渗能力。

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In fluence of sodium polyacrylate on infiltration characteristic of three soil textures

Dong Qinge1,2,Feng Hao1,3†,Zhuang Wenhua1,2

(1.Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry ofWater Resources,712100,Yangling,Shaanxi;2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences,100049,Beijing;3.Institute of Soil andWater Conservation,Northwest Sci-Tech University of Agriculture and Forestry,712100,Yangling,Shaanxi:China)

Based on the experiment of one-dimensional vertical infiltration in laboratory conditions,the effect of Sodium Polyacrylate on infiltration capacity of sandy,loamy,and clayey soil and infiltration parameters of Kostiakov infiltration equations were studied.Four concentrations of sodium polyacrylate(0,0.08%,0.20%,and 0.50%),on dry weightbasis,were added to these three soils.The results show that the concentration of sodium polyacrylate is controlled from 0.08%to 0.50%by weight,then the infiltration rate of these soils decrease with the time;the infiltration capacity significantly decrease with the increasing of sodium polyacrylate concentration;the infiltration capacity of three soils is restrained by sodium polyacrylate.The infiltration parameter k of soil decreases,while a ascenders with the increasing addition of sodium polyacrylate and the response of k/a on sodium polyacrylate gradually ascendeds with increasing sodium polyacrylate concentration.

one-dimensional vertical infiltration;infiltration rate;sodium polyacrylate;cumulative infiltration capacity;infiltration model parameter

2009-03-31

2009-11-03

项目名称:“十一五”863计划课题“降水资源转化利用技术”(2006AA 100204);新世纪优秀人才支持计划“降水 -土壤水 -作物水高效转化新技术”(01140602)

董勤各(1982—),男,硕士研究生。主要研究方向:水土资源高效利用。E-mail:agesb1@163.com

†责任作者简介:冯浩(1970—),男,研究员,博士生导师。主要研究方向:水土资源高效利用。E-mail:nercwsi@vip.sina.com

(责任编辑:宋如华)