廢舊聚丙烯纖維片材在預(yù)防土壤鹽堿化中的應(yīng)用

魏俊富，王 迪，鄒凱健，張 環(huán)，孔志云

（1.天津工業(yè)大學(xué) 省部共建分離膜與膜過程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；3.天津工業(yè)大學(xué) 紡織行業(yè)土壤治理用紡織材料實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；4.天津工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，天津 300387；5.天津工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387）

鹽堿土地是重要的潛在土地資源，全球范圍內(nèi)受到鹽漬化危害的土壤面積達(dá)到8.31億hm2[1]，且全球鹽堿地面積正以每年1%的速度增加。全球每天約有2 000 hm2土地受到鹽漬土的危害。我國是世界上第四大鹽堿地國家，鹽堿地面積約有3 600萬hm2，占全國土地面積的5%左右[2-3]。

鹽堿土壤形成的實(shí)質(zhì)是土壤中的鹽水向上遷移、水分蒸發(fā)后鹽分在地表積聚而形成的危害植物生長的土地退化類型[4]。水利改良是鹽堿地修復(fù)的主要方式之一，通過灌溉促使土壤鹽水向深層土壤遷移，能使根生區(qū)土壤形成一個(gè)良好的脫鹽區(qū)[5-6]。國內(nèi)外學(xué)者不斷完善灌溉與排水技術(shù)，世界范圍內(nèi)已經(jīng)有3.0×108hm2的耕地應(yīng)用上了灌溉排水技術(shù)[7-9]。

土壤中的毛細(xì)作用是水鹽運(yùn)移的主要途徑之一[10]。上下兩層土壤中出現(xiàn)透水性較差的夾層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生土壤毛細(xì)屏障，阻斷土壤水鹽的毛細(xì)遷移[3，11-16]。在土壤修復(fù)工作中，人工毛細(xì)屏障得到廣泛的研究，一些學(xué)者建議植物種植前在底土中鋪設(shè)植物秸稈、塑料板、粗砂、礫石層等作為土壤屏障以減弱水分蒸發(fā)，降低水鹽向地表的遷移，減少根生區(qū)土壤鹽分的積累[17-19]。

本研究采用室內(nèi)土柱試驗(yàn)的方法，利用廢舊聚丙烯纖維片材預(yù)防土壤鹽堿化的發(fā)生，探究不同聚丙烯纖維片材阻隔層對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響，對(duì)比3種聚丙烯纖維片材鋪設(shè)對(duì)土壤鹽分分布的影響，旨在尋找出一種預(yù)防土壤鹽堿化、保護(hù)修復(fù)后的鹽堿土壤的有效方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)用土取自天津市西青區(qū)，該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)性氣候，降雨量多集中在6—9月份，春季為返鹽的高峰季節(jié)[20]。取樣時(shí)間為2018年1月份，采樣深度為5～40 cm，土壤樣品為黃色壤土，平均容重（環(huán)刀法）為1.54 g/cm3，表層土壤平均含水率為12.5%。提取土壤溶液上清液（土水比1∶5），用電導(dǎo)率儀測定土壤電導(dǎo)率為0.405 mS/cm。土壤的預(yù)處理是將土壤放置于通風(fēng)干燥室內(nèi)陰干15 d左右。將干燥后的土壤人工磨碎，除去雜物后過2 mm篩后備用。本實(shí)驗(yàn)采用3種不同二維聚丙烯材料，分別為聚丙烯非織造布（PPN）和2種克重不同的聚丙烯扁平絲材料（H-PPF、LPPF），各種材料物理性質(zhì)如表1所示。

表1 各種聚丙烯材料的物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of variouspolypropylene materials

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

土柱選用長50 cm、直徑16 cm的硬質(zhì)PVC塑料管。首先在土柱下層利用100目的尼龍網(wǎng)以及石礫制成反濾層，再將經(jīng)預(yù)處理后的供試土壤攪拌均勻，填充土柱時(shí)根據(jù)田間土壤實(shí)際密度分層填充，控制模擬土柱的土壤密度為1.32g/cm3。圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

圖1中，土柱填充20 cm時(shí)鋪設(shè)4種隔離層，之后再將50 cm土柱填完整。土柱進(jìn)行4種方式處理，未進(jìn)行任何鋪設(shè)作為對(duì)照（C0）、鋪設(shè)聚丙烯非織造布（PPN）、鋪設(shè)較厚聚丙烯編織袋（H-PPF）、鋪設(shè)較薄聚丙烯編織袋（L-PPF），編織袋材料如圖2所示。土柱填充完畢后置于高濃度鹽水中進(jìn)行浸泡，模擬地下水自運(yùn)輸狀態(tài)。

圖2 聚丙烯材料Fig.2 Polypropylene material

1.3 測試方法

土壤含鹽量地的測定∶以土壤浸出液（水土比為5∶1）表示土壤的含鹽量。取經(jīng)過風(fēng)干后的樣品，粉碎過篩后用超純水制備水土比為5∶1土壤浸提液，用梅特勒電導(dǎo)率儀FE30測定土壤電導(dǎo)率。測試頻率為7、21、42、63、260、360、460、560 d。為避免實(shí)驗(yàn)誤差，每個(gè)處理樣品重復(fù)3次。

土壤水分的測定：采用差重法測量土壤含水量，取土壤樣品置于鋁盒中置于105℃鼓風(fēng)烘箱中，加熱至恒重，測量土壤的含水量。另取一批土壤裝置，采用探頭式土壤水分儀測定土壤的含水量，以便于土柱水分變化的長期觀測。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚丙烯材料鋪設(shè)對(duì)土壤含鹽量的影響

土壤的總含鹽量是量化土壤鹽堿化的指標(biāo)之一，土壤提取液（水土比為5∶1）的電導(dǎo)率與土壤鹽堿存在良好的線性關(guān)系。本研究所用土壤提取液電導(dǎo)率的背景值為0.405 mS/cm，以聚丙烯材料為填充材料。圖3所示為不同填充材料下土壤提取液的電導(dǎo)率變化。

圖3 不同填充材料下土壤提取液的電導(dǎo)率變化Fig.3 Change of conductivity of soil extract with different filling materials

由圖3（b）可知，4種不同的處理措施中土柱下層土壤的電導(dǎo)率變化的趨勢相同，隨著浸泡時(shí)間的增加逐漸增加至平衡狀態(tài)，當(dāng)浸泡天數(shù)為42 d時(shí)，下層土壤含鹽量達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)土壤提取液電導(dǎo)率為4.25 mS/cm左右。浸泡天數(shù)超過42 d后，土壤的含鹽量變化較小。由圖可知，聚丙烯材料的鋪設(shè)不影響下層土壤毛細(xì)孔徑中的水鹽運(yùn)移。

從圖3（a）可知，以聚丙烯非織造布為阻隔材料時(shí)，土柱上層土壤電導(dǎo)率的值無明顯變化穩(wěn)定在背景值左右，但是電導(dǎo)率值有微量增加，可能是由于大氣中粉塵中所攜帶的易容性鹽離子，在土柱表層沉積所導(dǎo)致。以厚度不同的2種聚丙烯編織袋為阻隔材料時(shí)，在土柱浸泡前7 d的時(shí)間內(nèi)，對(duì)于土壤水鹽的運(yùn)移有一定的影響，上層土柱電導(dǎo)率上升至0.51 mS/cm，對(duì)照組上層土壤電導(dǎo)率上升至0.82 mS/cm。7 d之后聚丙烯扁平絲編織材料阻隔效果逐漸消失在42 d時(shí)與對(duì)照組上層土壤電導(dǎo)率相似達(dá)到8.7 mS/cm左右，聚丙烯編織袋的阻隔效果消失。聚丙烯編織袋的孔徑在185.6μm以上，在7 d后隨著上下層土壤毛細(xì)孔徑逐漸形成，在土柱內(nèi)上下層土柱間形成了連續(xù)的水鹽運(yùn)移機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明聚丙烯非織造布對(duì)土壤運(yùn)移有阻隔作用且在2 a時(shí)間內(nèi)效果穩(wěn)定，孔徑較大的聚丙烯編織袋難以有效阻隔土壤水鹽運(yùn)移。

2.2 聚丙烯材料的鋪設(shè)對(duì)土壤中水分分布的影響

2.2 .1 聚丙烯材料鋪設(shè)對(duì)土壤含水量的影響

在鹽堿地的修復(fù)歷史中，科研工作者總結(jié)出“鹽隨水來，鹽隨水去”的運(yùn)移規(guī)律，土壤水分的變化規(guī)律是土壤鹽分變化的決定性因素。實(shí)驗(yàn)中土柱填充的土壤含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%左右。不同填充材料下的土壤含水量如圖4所示。

圖4 不同填充材料下的土壤含水量Fig.4 Water content of soil with different filling materials

由圖4可知，聚丙烯非織造材料作為阻隔材料的土柱上下層土壤水含量差別較大，上層土壤含水量維持在7%左右，含水量略有增加可能是土柱內(nèi)水蒸氣的流動(dòng)導(dǎo)致；土柱下層的土壤含水量在浸泡的42 d內(nèi)逐漸增加至穩(wěn)定值含水量約為35%左右。聚丙烯編織的土柱的上下層土壤含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)和對(duì)照組上下層土壤含水量增速類似，土柱上下層土壤含水量逐漸增加至以平衡值后穩(wěn)定，上層土壤含水量較下層土壤含水量較高，主要原因是土壤田間持水量與土壤的孔隙率相關(guān)，下層土壤受到擠壓，降低了土壤持水量。

由圖3、圖4可知，土壤水分的變化與土壤鹽分增加規(guī)律相似，與科研工作者所總結(jié)的規(guī)律相同。聚丙烯扁平絲材料作為阻隔土壤的材料，由于孔徑較大導(dǎo)致水分向上轉(zhuǎn)移，從而難以有效預(yù)防土壤鹽堿化。

2.2 .2 聚丙烯非織造布鋪設(shè)對(duì)土壤含水量的長期影響

由圖4可知聚丙烯非織造布由于其自身的孔徑較小和疏水性，能夠阻斷土壤水分的運(yùn)輸，對(duì)比圖3可知土壤水分和鹽分的累計(jì)具有相似的規(guī)律。為了探究聚丙烯非織造布在土壤應(yīng)用過程中的長期性能，本研究將土柱浸泡時(shí)間延伸至560 d，其土壤水分運(yùn)移規(guī)律如圖5所示。

圖5 聚丙烯非織造布處理土柱不同部位間土壤含水量的對(duì)比Fig.5 Comparison of water content of soil at different parts of soil column treated by polypropylenenonwovens

由圖5可知，聚丙烯非織造布作為土壤阻隔材料的土柱在浸泡周期內(nèi)，上下兩層持水能力相差較大，能較好地預(yù)防土柱上層土壤鹽堿化。對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組下層土壤的含水量變化規(guī)律相似，在穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)上下浮動(dòng)，2組下層土壤含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)維持在42%左右。實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組上層土壤的含水量相差較大，實(shí)驗(yàn)組上層土壤含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在15%以下，對(duì)照組土壤含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)則在42%左右，土壤含水量上下浮動(dòng)較大，其原因主要是受氣候因素的影響。

2.3 聚丙烯材料鋪設(shè)對(duì)土壤生產(chǎn)力的影響

在560 d的土柱浸泡處理后，對(duì)上層土壤灌溉補(bǔ)水至田間持水量后，種植農(nóng)作物（以小麥為例）。種植結(jié)果如下：對(duì)照組土壤小麥出芽率為0，原土小麥出芽率為90%，實(shí)驗(yàn)組上層土壤小麥生長狀況良好，小麥出芽率為85%，且與原土植物生長周期相似，株高類似。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚丙烯材料的鋪設(shè)對(duì)土壤生產(chǎn)力的影響較小。

3 結(jié)論

（1）聚丙烯非織造布能夠形成土壤毛細(xì)屏障阻隔土壤水鹽通過土壤毛細(xì)運(yùn)輸。試驗(yàn)周期內(nèi)，鋪設(shè)聚丙烯非織造布土柱上層土壤電導(dǎo)率為0.61 mS/cm，與對(duì)照組表層土壤電導(dǎo)率31.8 mS/cm相比，能有效預(yù)防土壤鹽堿化，對(duì)修復(fù)后土壤的理化性質(zhì)具有保護(hù)作用，而且能夠長期使用。

（2）聚丙烯非織造布能夠形成土壤毛細(xì)屏障阻隔土壤水鹽通過毛細(xì)運(yùn)輸，能有效預(yù)防土壤鹽堿化，對(duì)修復(fù)后土壤的理化性質(zhì)具有保護(hù)作用，而且能夠長期使用。

（3）聚丙烯材料在土壤中形成土壤毛細(xì)屏障，與其自身的理化性質(zhì)有關(guān)，起主導(dǎo)作用的是材料的疏水性和材料的針織密度，同一材料的聚丙烯無紡布由于材料的孔徑較大，難以形成土壤毛細(xì)屏障，不能有效預(yù)防土壤鹽堿化。

（4）長期鋪設(shè)聚丙烯非織造布的土柱內(nèi)土壤的生產(chǎn)力沒有顯著的變化，實(shí)驗(yàn)組上層土壤的植物生長狀況與原土的的植物生長狀況類似。