水溶性固沙剂对沙地土壤蒸发的影响

摘要：为探究不同水溶性固沙剂对土壤水分蒸发的影响，选取沙蒿胶、亚麻籽胶、刺槐豆胶、生物基磺酸盐4种水溶性固沙剂，每种材料设计10、20、30、40、50 g·m−2 5种用量，以未添加固沙剂为对照（CK），通过室内模拟蒸发试验，测定不同种类、不同添加量固沙剂蒸发强度，分析其差异。结果表明，4种固沙剂保水作用依次为刺槐豆胶、亚麻籽胶、沙蒿胶、生物基磺酸盐，并且刺槐豆胶显著优于生物基磺酸盐；4种固沙剂添加量为40和50 g·m−2时保水作用均显著高于CK（Plt;0.05）；4种固沙剂对5—10 cm土层土壤均有较强保水效果。综上可知，水溶性固沙剂具有良好的保水作用，其中刺槐豆胶表现最优。研究结果可为水溶性固沙剂的应用提供理论依据。

关键词：固沙剂；沙土；蒸发；含水量doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0200

中图分类号：S157.2 文献标志码：A 文章编号：10080864（2024）12013807

当前，人类频繁活动导致生态环境破坏，沙漠化面积不断扩大，这已成为影响人类社会发展的重要环境问题。中国作为世界上沙漠化严重的国家之一，截至2019 年底，全国荒漠化土地面积257.37 万km2，沙化土地面积168.78 万km2，近年来，我国日渐重视沙漠化防治，其根本在于植被恢复，关键因素是水分[1-3]。

国内外关于荒漠化防治已有很多研究，常用的方法有工程固沙、生物固沙、化学固沙。工程固沙主要通过机械手段建立沙障阻滞风沙前移，成本较低，但防护高度有限，易被流沙掩埋[4]；传统生物固沙主要通过栽种抗旱抗盐碱植物固沙，防护年限长，是最根本的固沙方法，但苗木成活率低，成本较高，约为工程固沙的3～5倍[5-10]。化学固沙技术是通过在沙粒表面喷洒固沙剂形成固结层，常见固沙剂有无机胶凝材料、有机胶凝材料、有机-无机复合材料[5]。施用固沙剂是提高土壤抗风蚀能力的有效途径之一，新型生物基固沙的最终目标逐渐改良风沙土特征并提高自我修复能力，和传统生物固沙技术相比，对材料有着更高的要求标准，在使用固沙材料后既要保持沙粒的通透性，又要具备保水性，还要让植物能顺利生长，逐渐改善生态环境，最终形成自然生物圈。土壤水分蒸发是土壤水分循环的重要组成部分，也是土壤干旱的的重要原因，因此，有效抑制土壤水分蒸发是沙化土地治理的重要举措。冯恩科[11]对生物胶-黄土复合材料进行研究发现，经过固沙剂处理的沙样具有较强保水性能。韩洪峰[12]对生物胶-聚丙烯酸复合材料进行研究也发现，其具备较高吸水性和保水性。本研究选取3 种水溶性植物基籽胶沙蒿胶、亚麻籽胶和刺槐豆胶，1 种生物基磺酸盐作为研究对象，在室内开展保水试验，测定施用不同用量水溶性固沙剂后土壤水分蒸发差异，探究水溶性固沙材料的保水性能，明确其固沙效果，以期为沙化土地防治新技术新方法提供思路与理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

蒸发试验在内蒙古自治区林业科学研究院实验室进行，位于内蒙古呼和浩特市，坐标40°80′N、111°70′E，海拔1 056 m。图1为蒸发试验持续25 d的温度和湿度变化情况，25 d温度变化范围在23～26 ℃，较为稳定，湿度变化范围在10%～21%，温度和湿度对蒸发影响较小。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 选取沙蒿胶（S）、亚麻籽胶（Y）、刺槐豆胶（C）和生物基磺酸盐（G）共4种水溶性固沙剂，每种固沙剂设计10、20、30、40、50 g·m−25种用量，添加沙蒿胶10 g·m−2记作S10，添加沙蒿胶20 g·m−2记作S20，依此类推，添加生物基磺酸盐50 g·m−2记作G50，共计20种处理。

土柱制作：从流动沙丘表面0—20 cm处取风沙土，充分风干并过2 mm筛去除杂质，将筛好的沙土填装土柱，土柱为内径11 cm，高15 cm 的PVC管，下底盖为垫好滤纸的网盖。灌装时保证每根土柱内高度相同，设定为10 cm。灌装完毕后，放置实验室待测。将不同添加量的固沙剂分别混于定量沙土中，搅拌均匀，撒于灌装好的土柱土壤表层，厚度为3 mm，以未掺固沙剂的土柱为对照（CK）。每根土柱表面均匀喷洒相同量的水，直至风干至恒重，使其表面形成硬壳。每种处理设置3次重复。

1.2.2 蒸发试验 把灌装完毕的土柱使用精度0.01 g电子天平分别称重并记录数据，然后将土柱沉浸在深度为15 cm的水盆内，吸水24 h后放置在带孔置物架进行控水，每日同一时间分别称量每个土柱的质量，进行数据记录，直至其质量基本保持不变，此时蒸发试验完成。蒸发试验结束后，取0—2、2—5、5—10 cm土层，测定含水量，计算公式如下。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 进行数据整理，采用SAS 9.1软件进行单因素方差分析（ANOVA），采用Origin 2017进行制图。

2 结果与分析

2.1 水溶性固沙剂处理下蒸发量变化特征分析

2.1.1 不同水溶性固沙剂处理日蒸发量变化特征 由图2可知，不同水溶性固沙剂处理的日蒸发量整体上呈现下降趋势，可划分为3个阶段，第1阶段日蒸发量高且相对稳定，第2阶段日蒸发量急剧下降，第3阶段日蒸发量小且趋于稳定。在1～13 d，日蒸发量由大到小均表现为CKgt;Sgt;Ggt;Ygt;C；在14～25 d，日蒸发量由大到小均表现为Cgt;Ygt;Ggt;Sgt;CK，与1～13 d正好相反。由以上可知，刺槐豆胶（C）具有较好的蒸发抑制作用。

2.1.2 不同添加量的水溶性固沙剂对日蒸发量的影响 经过25 d的蒸发试验，施用不同添加量S、Y、C、G的日蒸发量随蒸发时间变化规律见图3，日蒸发量整体呈现下降趋势，最后逐渐趋于平缓；日蒸发量整体呈现2种方式，前期蒸发量较大时，较早出现下降拐点并逐渐趋于平缓，前期蒸发量次之时，较晚出现下降拐点并逐渐趋于平缓。

沙蒿胶（S）各添加量处理的日蒸发量变化无明显规律，在1～13 d时日蒸发量整体偏高，大于1.5 kg·m−2；在14～17 d时日蒸发量有明显下降趋势；从第18天到蒸发试验结束，日蒸发量基本趋于稳定，小于0.5 kg·m−2，维持较小蒸发量。

亚麻籽胶（Y）各添加量处理在1～3 d 时，CK日蒸发量高于其他处理，各添加量之间无明显变化规律；在4～13 d时，CK、Y10、Y20、Y30处理下日蒸发量大于Y40 和Y50 处理；在14～25 d 时，Y40和Y50处理下日蒸发量大于CK、Y10、Y20、Y30处理。CK、Y10、Y20、Y30处理在1～13 d日蒸发量整体偏高，均大于1.5 kg·m−2，之后蒸发量逐渐减小，到18 d时日蒸发量小于0.5 kg·m−2并维持较小蒸发量直到试验结束；Y40和Y50处理在1～16 d时日蒸发量高于1.5 kg·m−2，之后蒸发量逐渐减小，到20 d时日蒸发量小于0.5 kg·m−2并维持较小蒸发量直到试验结束。以上结果表明，Y40和Y50处理的保水性优于其他处理。

刺槐豆胶（C）各添加量处理在1～12 d时，CK日蒸发量基本高于其他添加量处理；在蒸发2～13d 时，日蒸发量由大到小依次为C10、C20、C30、C40、C50，之后C10、C20、C30、C40处理日蒸发量依次逐渐降低；在16～25 d时，Y40和Y50处理下日蒸发量大于其他处理。在1～13 d时CK、1～14 d时C10、1～16 d时C20和C30、1～18 d时C40和C50处理下的日蒸发量均高于1.5 kg·m−2，之后蒸发量逐渐减小，到17 d时CK、18 d时C10、20天时C20和C30、23 d时C40和C50添加量处理的日蒸发量均小于0.5 kg·m−2并维持较小蒸发量直到试验结束。不同添加量刺槐豆胶作用下，日蒸发量具有一定梯度性，整体保水性表现为C50 最佳，CK最弱。

生物基磺酸盐（G）各添加量处理在蒸发1～13 d时CK、G10、G20、G30和蒸发1～14 d时G40、G50处理下日蒸发量均高于1.5 kg·m−2，之后蒸发量逐渐减小；14～16 d时日蒸发量均迅速降低，到17 d时各添加量处理下日蒸发量均小于0.5 kg·m−2并维持较小蒸发量直到试验结束。综上可知，刺槐豆胶保水作用优于亚麻籽胶、沙蒿胶、生物基磺酸盐。

2.1.3 不同添加量水溶性固沙剂对累积蒸发量的影响 由图4可知，累积蒸发量总体呈现先快后慢然后逐渐趋于平缓的增加趋势，蒸发25 d时，沙蒿胶（S）、生物基硫酸盐（G）、亚麻籽胶（Y）、刺槐豆胶（C）各添加量处理的累积蒸发量分别在34.48～36.76、33.99～35.85、33.88～35.61、34.00～35.73 kg·m−2。沙蒿胶（S）不同添加量处理下累积蒸发量动态变化无明显差异；1～13 d时，在不同刺槐豆（C）胶添加量下，累积蒸发量逐渐呈现较大差异；生物基磺酸盐（G）。亚麻籽胶（Y）累积蒸发量逐渐呈现较小差异性。刺槐豆胶（C）随添加量增加累积蒸发量逐渐减小，C50较CK有较大差异，说明高添加量具有蒸发抑制作用。

2.2 水溶性固沙剂土壤剩余含水量变化特征分析

2.2.1 不同水溶性固沙剂土壤剩余含水量变化特征 由图5可知，蒸发试验结束后，4种固沙剂土壤含水量均高于CK， 其中添加刺槐豆胶（C）的土壤含水量为0.46%，显著高于CK和生物基磺酸盐（G）处理（Plt;0.05），说明刺槐豆胶保水性最强。

2.2.2 不同添加量水溶性固沙剂对土壤含水量的影响 由图6可知，添加沙蒿胶（S）的土壤含水量随添加量增加而增加，S40和S50处理含水量显著高于CK和S10处理（Plt;0.05）；添加亚麻籽胶（Y）、刺槐豆胶（C）、生物基磺酸盐（G）处理的土壤含水量均表现为添加量为40 和50 g·m−2时显著高于其他处理（Plt;0.05），且添加量为50 g·m−2的土壤含水量大于40 g·m−2，但二者之间无显著差异（Pgt;0.05）。

2.2.3 不同水溶性固沙剂剩余土壤含水量的垂直分布 由图7可知，不同固沙剂处理下不同土层均表现为随土层深度增加含水量增加，CK各土层含水量之间无显著差异；沙蒿胶（S）、亚麻籽胶（Y）、刺槐豆胶（C）、生物基磺酸盐（G）处理5—10 cm土层含水量均显著高于0—2和2—5 cm（Plt;0.05），且0—2 和2—5 cm 土层含水量无显著差异；不同固沙剂之间0—2 cm土层含水量无显著差异，2—5和5—10 cm土层刺槐豆胶（C）处理的土壤含水量显著高于CK和生物基磺酸盐（G）处理（Plt;0.05），CK、S、Y、G处理之间无显著差异。

3 讨论

水溶性固沙剂绿色环保，处理和施工过程简便，能在沙面形成一层固结层外壳，可以有效抑制土壤吹蚀，防风固沙，具有一定的保水作用，利于植物生长。刺槐豆胶为白色或微黄色粉末，是以半乳糖和甘露糖残基为结构单元的多糖化合物，常在食品行业用作增稠剂、持水剂、黏合剂及胶凝剂等。沙蒿胶不仅具有较好的吸水性和保水性[13]，而且进入土壤后能够作为一种碳源，直接或间接被植物幼苗所利用，促进种子在干旱半干旱地区萌发及幼苗生长[1415]。亚麻籽胶吸水性较强，水溶性状态具有较高的粘度，是一种阴离子杂多糖，常用于食品行业，在固沙方面鲜有报道[16]。根据施用刺槐豆胶、沙蒿胶、亚麻籽胶、生物基磺酸盐4种不同固沙剂，对比研究4种固沙剂在保水作用上的性能。通过蒸发试验可知，4种固沙剂均较CK具有一定保水作用，固沙剂与沙粒充分混合混匀后，在水分作用下，固沙剂填充到沙粒孔隙中，产生黏结力，使沙粒相互胶结，形成固结层，添加量越大，固结层越抗压强度越大，日蒸发量越小，保水能力越强[17]。在4种水溶性固沙剂中，保水作用依次为刺槐豆胶gt;亚麻籽胶gt;沙蒿胶gt;生物基磺酸盐。刺槐豆胶表现最佳，日蒸发量最小，保水时间较长，可能原因为刺槐豆胶较其他3种胶具有良好的胶结性和较强的致密结构，能够有效减少水分散发的通道，进而降低水分蒸发；另外，刺槐豆胶可能具有一定的持水性，将部分水分截持在固结层中，故具有较好蒸发抑制作用，使土体内部保持较高含水量。4种固沙剂累积蒸发量随蒸发时间均逐渐趋于平缓，蒸发速率逐渐减小，刺槐豆胶不同添加量累积蒸发量差异较为明显，说明不同添加量对刺槐豆胶影响较显著。4种固沙剂不同添加量处理下，添加量越大，其抑制蒸发作用越强，相较CK，添加量为40和50 g·m-2 效果相近，蒸发抑制作用最强，同时保水作用也最强，并显著高于对照，保水层主要为5—10 cm土层，说明施用较高添加量固沙剂与保水作用具有正相关性，且添加量40 g·m-2时为最优选择，对深层土壤具有较强保水作用。

参 考 文 献

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