牟帥， 胡磊， 尹應(yīng)武，，張文軍， 彭云貴， 劉澤涵， 鄭文德

1.北京紫光英力化工技術(shù)有限公司，北京 100085；2.西南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400715；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，呼和浩特 010013

全球沙漠化問(wèn)題日益嚴(yán)重，中國(guó)作為沙漠化較快的國(guó)家之一，沙化土地面積約占全國(guó)陸地總面積的13%，近幾年沙漠化直接造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)540億元，嚴(yán)重制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[1-2].目前國(guó)內(nèi)外固沙技術(shù)主要有機(jī)械固沙、生物固沙和化學(xué)固沙三大類(lèi).機(jī)械治沙雖有一定效果，但難以持久，需要生物治沙配合，常用草方格成本為1.9萬(wàn)～2.9萬(wàn)元/hm2，高成本制約了推廣；采用防風(fēng)固沙人工林在年降水量為100～200 mm的地區(qū)其治理成本為0.2萬(wàn)～0.8萬(wàn)元/hm2，在降水量小于50 mm的地區(qū)更是高達(dá)4.2萬(wàn)～5.8萬(wàn)元/hm2[3]；生物固沙周期較長(zhǎng)，沙流動(dòng)和缺水缺養(yǎng)分導(dǎo)致生長(zhǎng)困難和治沙成本高；使用改性水溶性聚氨酯、聚丙烯酰胺和改性醋酸乙烯酯高分子聚合物等合成高分子材料的傳統(tǒng)化學(xué)固沙方法，存在環(huán)境污染、不可持續(xù)、養(yǎng)分不足和生產(chǎn)成本高等系列應(yīng)用難題[4].本課題組曾以葵花稈、葡萄枝、玉米稈和竹子等生物質(zhì)為原料，通過(guò)在三氧化硫/二氯乙烷體系的高效磺化合成了生物基磺酸鈣鹽，該產(chǎn)品具有促進(jìn)土壤修復(fù)和保水、提高土壤和沙子的肥力、結(jié)皮固沙的優(yōu)異特性[5].研究發(fā)現(xiàn)，以葵花稈為原料合成的磺酸鈣鹽很容易在噴施的沙土表面形成固結(jié)層(結(jié)皮)，能抵抗風(fēng)蝕，室外連續(xù)跟蹤8 d的保水率仍高達(dá)35%～40%，保水效果可達(dá)到聚丙烯酰胺的一半，沙土中的微生物豐度顯著提高，可以低成本、快速實(shí)現(xiàn)沙漠和鹽堿地的生態(tài)修復(fù)[6].李娜等[7]通過(guò)鹽堿地盆栽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生物基磺酸鈣鹽能降低土壤全鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)，提高鹽堿地油葵的生長(zhǎng).同時(shí)將生物基磺酸鈣鹽作為主要成分制作一種低成本和營(yíng)養(yǎng)增強(qiáng)型的食用菌新型營(yíng)養(yǎng)液，用于糙皮側(cè)耳(平菇)液體培養(yǎng)和栽培[8].陳亞蘭等[9]采用生物基磺酸鈣鹽研究沙漠沙土的改良作用，表明添加2%生物基磺酸鈣鹽，土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷含量和土壤持水量均顯著增加.在前期工作的基礎(chǔ)上，本研究利用檸條和沙柳等沙區(qū)的優(yōu)勢(shì)植物，因地制宜地開(kāi)發(fā)了高價(jià)值綠色生態(tài)的沙漠修復(fù)產(chǎn)品.

檸條(小葉錦雞兒)是一種原生豆科灌木，具有極強(qiáng)的耐旱性，在北方沙漠地區(qū)被用于防風(fēng)固沙、保持水土[10].研究表明，檸條有機(jī)碳可達(dá)到453.90 g/kg，粗蛋白可達(dá)到11.21%～36.27%，是玉米的2～4倍，營(yíng)養(yǎng)成分與苜蓿相當(dāng)[11-12].沙柳同樣是耐旱、抗逆性強(qiáng)、易繁殖的作物，是“三北防護(hù)林”首選的植物品種.沙柳的粗蛋白養(yǎng)分達(dá)到6.30%～10.07%，粗纖維可達(dá)45.7%，均比作物秸稈和竹木等蛋白質(zhì)含量高得多，富含磷元素及鉀元素[13].另一方面，我國(guó)的水泥年產(chǎn)量已達(dá)到了23億t，占全球的55%，市場(chǎng)價(jià)格在300～500元/t[14-15].水泥是廉價(jià)、量大、易得、產(chǎn)能過(guò)剩的無(wú)機(jī)原料，鈣元素含量高具有強(qiáng)堿性，并含有硅、鋁、鉀、鐵、鎂等植物需要并可溶出的中微量元素.此外，西北地區(qū)煤化工及有色金屬硫化物礦副產(chǎn)的大量硫磺、石膏及二氧化硫和三氧化硫等過(guò)剩硫化物也需要開(kāi)辟大量消納的渠道.因此，因地制宜地利用西部地區(qū)檸條、沙柳和秸稈等豐富廢棄生物質(zhì)資源，過(guò)剩的硫化物資源及廉價(jià)水泥等原料開(kāi)發(fā)水溶性生物基產(chǎn)業(yè)鏈，對(duì)于建立綠色可持續(xù)的原料保障體系及大規(guī)模、低成本生產(chǎn)高性能和全營(yíng)養(yǎng)保水固沙供營(yíng)養(yǎng)性能優(yōu)異的沙漠及各種土壤生態(tài)修復(fù)產(chǎn)品，對(duì)于西部生態(tài)修復(fù)和生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義重大[16].

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水溶性生物基磺酸鈣鹽的合成：稱(chēng)100 g在150 ℃左右烘干25 min以上的300目的檸條或沙柳粉料，將其放入三頸瓶中，按生物質(zhì)原料與三氧化硫的質(zhì)量比為1∶1的比例，慢慢加入360 mL濃度為3 mol/L的SO3/DCE混合溶液，攪拌，控制反應(yīng)溫度不高于40 ℃，反應(yīng)2 h后，停止反應(yīng).過(guò)濾或抽濾回收溶劑，將固體殘余物緩慢加入36 g水泥和400 g水的混合液中，控制液體溫度不超過(guò)40 ℃，調(diào)節(jié)pH值至6～8，過(guò)濾、洗滌除去固體殘?jiān)喜V液及洗滌液，即可得到以水溶性生物基磺酸鈣為主要成分的液體產(chǎn)品(植物原料的轉(zhuǎn)化率60%左右)和可以作為有機(jī)營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的殘?jiān)?測(cè)定液體產(chǎn)物的固含量后的生物基磺酸鈣樣品，直接進(jìn)行性能評(píng)價(jià).

室外試驗(yàn)于2019年5月至2020年4月在北京光華創(chuàng)業(yè)園園區(qū)內(nèi)進(jìn)行(經(jīng)度：116°19′39″，緯度：40°2′31.85″)，該地區(qū)屬于溫帶季風(fēng)性氣候，全年平均溫度10～12 ℃，年降水量644 mm.供試沙土取自?xún)?nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟沙產(chǎn)業(yè)園內(nèi)；檸條及沙柳為內(nèi)蒙古和寧夏地區(qū)沙生植物，取自?xún)?nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟沙產(chǎn)業(yè)園；水泥及聚丙烯酰胺(陰離子型)為市售產(chǎn)品.試驗(yàn)分別于恒溫培養(yǎng)箱、盆栽和戶(hù)外3種典型環(huán)境中，噴施按本研究所述通用方法生產(chǎn)的檸條水泥磺酸鈣鹽、沙柳水泥磺酸鈣鹽(無(wú)特殊說(shuō)明，本文簡(jiǎn)稱(chēng)檸條磺酸鈣鹽、沙柳磺酸鈣鹽)，以清水為對(duì)照.

1.2 樣品的吸水保水性能分析

1.2.1 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽固體負(fù)載于濾紙上的吸水性能分析

分別稱(chēng)取一定質(zhì)量(折合固體約1 g)的檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽溶液于培養(yǎng)皿中，將烘干的濾紙置于培養(yǎng)皿中，使其飽和吸附待評(píng)價(jià)的液體和清水樣品.置于在90 ℃烘箱中烘至恒定質(zhì)量，稱(chēng)量測(cè)算實(shí)際磺酸鈣鹽固體質(zhì)量.將吸附生物基磺酸鈣鹽經(jīng)干燥的0.98 g濾紙及培養(yǎng)皿置于室外，定期用電子天平測(cè)量質(zhì)量，根據(jù)吸收水量的變化考察負(fù)載檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽樣品的濾紙的吸水情況，并與只吸附清水的濾紙的吸水情況進(jìn)行對(duì)照.

1.2.2 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽溶液噴灑到沙子表面后在加熱保水性能分析

稱(chēng)130 g烘干后的沙子置于表面皿中，按沙子質(zhì)量的0.5%，1.0%和2.0 %稱(chēng)取對(duì)應(yīng)折固質(zhì)量的檸條或沙柳磺酸鈣鹽并溶于總計(jì)26 g水中(水量為沙子最大持水量，即20%，檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽溶液中包含的水已算入其中)，均勻噴灑在沙子表面，用電子天平稱(chēng)量，獲得初始質(zhì)量.放置于50 ℃恒溫箱中，每隔1 h測(cè)質(zhì)量一次，計(jì)算保水率，以此評(píng)價(jià)磺酸鈣鹽產(chǎn)品的保水效果(添加量參見(jiàn)表2).

表2 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽的保水效果評(píng)價(jià)

1.2.3 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽噴灑到沙子表面在室外環(huán)境下的保水吸水性能分析

稱(chēng)400 g烘干后的沙子于小花盆(表面積S=0.007 85 m2)中，按75 g/m2，150 g/m2，225 g/m2稱(chēng)取相應(yīng)質(zhì)量的檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽將其溶于總計(jì)80 g水中(檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽溶液中包含的水已算入其中)，將該溶液均勻噴灑在沙子表面，用電子天平測(cè)量質(zhì)量，獲得初始質(zhì)量.放置于室外大氣中(圖1)，定時(shí)測(cè)質(zhì)量并記錄溫度，計(jì)算保水率，觀(guān)察檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽在室外的保水吸水情況，試驗(yàn)方案參見(jiàn)表3.

表3 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽在室外大氣環(huán)境中的保水性能測(cè)試

圖1 部分室外保水吸水樣品照片

1.2.4 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽在室外土坑中的保水效果評(píng)價(jià)

準(zhǔn)確稱(chēng)取2.5 kg烘干至恒定質(zhì)量的沙子放置于直徑為30 cm，深15 cm的土坑中，在最大持水量20%，即1 kg水的前提下，按表面積0.070 65 m2，以150 g/m2的磺酸鈣鹽添加量，分別往土坑中均勻噴灑檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽，并以等量的清水和聚丙烯酰胺作為對(duì)照組.定期用取土器鉆取10 cm深的沙子，烘干測(cè)沙子或土壤的含水率，沙子或土壤含水率=(所取沙或土質(zhì)量-烘干后沙或土質(zhì)量)/所取沙或土絕對(duì)干燥質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)方案參見(jiàn)表4.

表4 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽在室外的保水性

1.2.5 土壤理化性質(zhì)及細(xì)菌數(shù)量測(cè)試方法

采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)定結(jié)皮厚度，YYW-Ⅱ電動(dòng)石灰土無(wú)側(cè)限壓力試驗(yàn)儀進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)定.細(xì)菌數(shù)量采用涂布平板法，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測(cè)定.

風(fēng)蝕試驗(yàn)測(cè)定由風(fēng)機(jī)和便攜式風(fēng)速儀系統(tǒng)完成.將裝有結(jié)皮后的沙子或土壤的小花盆擺放在風(fēng)機(jī)前端，分別以8，16，20 m/s的凈風(fēng)速直吹固結(jié)沙層，采用稱(chēng)質(zhì)量法測(cè)定各風(fēng)速下沙盤(pán)的風(fēng)蝕情況，在風(fēng)速8 m/s下吹20 min，16 m/s下吹10 min，20 m/s下吹5 min.

2 結(jié)果與分析

2.1 檸條磺酸鈣鹽及沙柳磺酸鈣鹽元素分析

檸條磺酸鈣鹽及沙柳磺酸鈣鹽元素分析結(jié)果列于表5.可以看出，沙柳磺酸鈣鹽碳元素含量高于檸條磺酸鈣鹽，檸條磺酸鈣鹽產(chǎn)品的氫、氮、硫的元素含量均高于沙柳磺酸鈣鹽，說(shuō)明其取代度和蛋白質(zhì)更高.用檸條和沙柳制備出的水溶性磺酸鈣鹽的平均取代度(DS)在0.71～0.78之間，元素分析結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽樣品的元素分析

2.2 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽的周期性蒸發(fā)-吸水自我調(diào)節(jié)平衡水分的特性

研究發(fā)現(xiàn)，檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽具有隨晝夜變化周期性吸水-脫水的特性.從圖2濾紙的狀態(tài)也可清楚地看到，每天9：00～17：00隨著溫度升高水分蒸發(fā)量增大，吸附檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽濾紙呈現(xiàn)失水卷曲狀態(tài)；從17：00到次日9：00隨著環(huán)境溫度降低，空氣濕度增加，負(fù)載磺酸鈣鹽的濾紙會(huì)吸水重新變平.表6結(jié)果進(jìn)一步表明，兩種磺酸鈣鹽樣品均可吸收大氣環(huán)境中的水分，并且檸條磺酸鈣鹽的吸水能力大于沙柳磺酸鈣鹽，檸條磺酸鈣鹽最高吸收自身質(zhì)量0.78倍量的水，這可能與其原料中蛋白質(zhì)含量較高有關(guān).磺酸鈣鹽能夠從大氣中捕捉水分的特性為嚴(yán)重缺水西北地區(qū)的生態(tài)修復(fù)和自然補(bǔ)水提供了新的可能，也可為發(fā)展葉面肥實(shí)施農(nóng)業(yè)節(jié)水工程提供價(jià)廉物美的綠色生態(tài)產(chǎn)品.

圖2 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽的蒸發(fā)-吸水

表6 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽室外環(huán)境吸水性能

2.3 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽在恒溫箱中的保水性能分析

圖3為檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽在不同噴施量和加熱條件下的保水率測(cè)定結(jié)果，可看出混合產(chǎn)物的保水性隨著噴施量的增加而增強(qiáng).

圖3 不同用量檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽在恒溫箱中(50 ℃)沙土的保水性能

當(dāng)檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽噴施量都為沙子質(zhì)量的2.0%時(shí)，在50 ℃恒溫箱中烘5 h后，保水率分別為62.54%和60.08%，而未添加組的保水率只有30.73%.10 h后，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的保水率分別降至29.58%和27.04%；施用量為1.0%的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的保水率為22.81%和13.42%，施用量0.5%的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的保水率為12.15%和6.88%，未添加組的保水率降到了2.12%.可見(jiàn)，檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽具有同樣出色的保水性能，其保水能力是對(duì)照組的3～6倍.

2.4 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽在室外大氣環(huán)境中的保水吸水性能分析

表7是檸條磺酸鈣鹽噴灑在沙子表面后置于室外陽(yáng)光照射環(huán)境下的持水情況.結(jié)果同樣證明檸條磺酸鈣鹽的保水效果隨施用量增加而增加.在室外82 h后，未添加組的含水量降至0.08%，而噴灑了75，150，225 g/m2的檸條磺酸鈣鹽持水量仍能保持0.94%，1.41%，1.94%，基本達(dá)到了沙生植物生長(zhǎng)的最低含水量要求.

表7 沙子表面不同噴施量的檸條磺酸鈣鹽的保水效果

表8是沙柳磺酸鈣鹽噴灑在沙子表面后置于室外大氣中的保水情況.數(shù)據(jù)表明，隨著沙柳磺酸鈣鹽施用量的增多，保水效果增強(qiáng).在室外82 h后，未添加組的水含量?jī)H有0.08%，而噴灑了75 g/m2，150 g/m2，225 g/m2的檸條磺酸鈣鹽含水量分別為0.89%，0.96%，1.46%.其中225 g/m2檸條磺酸鈣鹽含水量是未添加的18.25倍.

表8 沙子表面噴灑不同量的沙柳磺酸鈣鹽在室外陽(yáng)光照射下的保水效果

當(dāng)沙子或土壤中的含水量基本穩(wěn)定后，進(jìn)一步觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，沙子持水量呈上下周期波動(dòng).圖4是沙子表面噴灑檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽后，大氣環(huán)境下室外陽(yáng)光照射下的水分變化圖.持續(xù)觀(guān)察結(jié)果表明，在室外自然狀況下長(zhǎng)時(shí)間放置，沙子表面噴灑磺酸鈣鹽結(jié)皮的沙子水分并非一直減少，同樣呈現(xiàn)上下周期波動(dòng)的趨勢(shì).在每天的9：00-17：00為水蒸發(fā)期，該階段檸條磺酸鈣鹽噴灑結(jié)皮的沙子最高含水率達(dá)到0.88%，沙柳磺酸鈣鹽噴灑結(jié)皮的沙子最高含水率達(dá)0.66%，均顯著高于對(duì)照，可以波動(dòng)維持水平衡.進(jìn)一步證明生物基大分子凝膠體具有從環(huán)境大氣中捕捉環(huán)境水分的能力.因此，優(yōu)良的保水和吸水性可能正是生物基大分子磺酸鈣鹽能夠促使植物和微生物在沙漠和鹽堿地中順利生長(zhǎng)的重要原因.

圖4 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽噴涂的沙子在室外大氣環(huán)境中的水分波動(dòng)圖

2.5 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽在室外土坑中保水分析

土壤含水率是作物生長(zhǎng)的最重要指標(biāo)[17]，為了進(jìn)一步考察生物基磺酸鈣鹽在大氣和土壤的自然環(huán)境中的保水-吸水能力，本研究還將噴灑結(jié)皮的檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽沙子和未添加生物基磺酸鈣鹽的沙子，置于室外土坑中，結(jié)果見(jiàn)圖5.經(jīng)過(guò)40 d室外自然放置，未添加生物基磺酸鈣鹽的空白組沙子含水率為0.33%，聚丙烯酰胺對(duì)照組沙子含水率為1.47%，噴灑了檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽實(shí)驗(yàn)組的沙子含水率分別為0.92%和1.05%.與未添加空白組相比，噴灑了檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽的實(shí)驗(yàn)組的沙子含水率提高了1.5～2倍；與聚丙烯酰胺組相比，噴灑了檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽的實(shí)驗(yàn)組的沙子含水率達(dá)到其53%～71%.由于聚丙烯酰胺的生產(chǎn)成本至少5倍于檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽.因此，生物基磺酸鈣鹽比聚丙烯酰胺更具生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、原料豐富、產(chǎn)品綠色安全、營(yíng)養(yǎng)全面的高性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì).

圖5 噴灑檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽結(jié)皮的沙子在室外土坑中自然環(huán)境下保水性

2.6 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽在沙土形成結(jié)皮后結(jié)皮厚度分析

檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽在沙子表面會(huì)形成結(jié)皮，結(jié)皮厚度如表9所示.結(jié)果顯示生物基磺酸鈣鹽的用量增加結(jié)皮厚度也增加，噴灑清水的空白組不結(jié)皮.檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽在75 g/m2的施用量下(前期沙漠生態(tài)修復(fù)的優(yōu)化用量為75～150 g/m2)就能形成穩(wěn)定的結(jié)皮.各種檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽在75 g/m2施用量下結(jié)皮厚度在3～4.5 mm之間，150 g/m2施用量下結(jié)皮厚度在4～5.5 mm之間，225 g/m2施用量下結(jié)皮厚度在6～9 mm之間.檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽在沙子表面形成的結(jié)皮厚度并無(wú)太大差異，均能起到固結(jié)沙子、防止水分蒸發(fā)的作用.

表9 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽噴施量對(duì)沙子結(jié)皮厚度的影響

2.7 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽在沙土形成結(jié)皮后結(jié)皮抗風(fēng)蝕能力分析

沙漠結(jié)皮及抗風(fēng)蝕是在沙漠治理中較為重要的兩個(gè)指標(biāo)，結(jié)皮厚度和抗風(fēng)蝕能力會(huì)影響最終固沙效果[16].表10是沙子在噴灑不同施用量的檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽后所形成的結(jié)皮的抗風(fēng)蝕情況.由表10可看出，檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽在75 g/m2的施用量下就已經(jīng)有了較好的抗風(fēng)蝕性.在20 m/s的凈風(fēng)風(fēng)速下吹5 min均未出現(xiàn)表皮層破裂的現(xiàn)象.當(dāng)檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽的施用量為30 g/m2時(shí)，凈風(fēng)風(fēng)速8 m/s下吹風(fēng)20 min，結(jié)皮層并未發(fā)生破裂，風(fēng)速達(dá)16 m/s和20 m/s時(shí)結(jié)皮層會(huì)慢慢被吹破裂，下層未結(jié)皮的沙子會(huì)逐漸被吹走；當(dāng)施用量為45 g/m2時(shí)，在風(fēng)速為8 m/s和16 m/s時(shí)，結(jié)皮層并未發(fā)生破裂，加大風(fēng)速至20 m/s結(jié)皮層會(huì)慢慢被吹壞，下層未結(jié)皮的沙子會(huì)被吹走；當(dāng)施用量為75 g/m2，150 g/m2時(shí)，在風(fēng)速20 m/s下風(fēng)吹5 min，結(jié)皮層并未發(fā)生破裂.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在沙子表面噴灑75 g/m2的檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽后，所形成的結(jié)皮就已經(jīng)能抗凈風(fēng)風(fēng)速20 m/s的風(fēng)蝕(相當(dāng)于折毀樹(shù)枝的大風(fēng))，說(shuō)明其具有較好的固定流沙的作用.

表10 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽施用量對(duì)沙子結(jié)皮抗風(fēng)蝕的影響

2.8 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽處理的室外土壤中細(xì)菌生長(zhǎng)狀況

微生物生長(zhǎng)狀況是土壤生態(tài)環(huán)境修復(fù)的重要考察內(nèi)容，菌群數(shù)量是土壤健康評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)之一[18].圖6顯示，通過(guò)定期采集沙土樣品，測(cè)試噴施了檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽的土壤菌群數(shù)量，結(jié)果證明有顯著影響.原始沙土由于缺水基本無(wú)細(xì)菌，用清水處理40 d后，菌群數(shù)量最高可到0.05×105cfu/g.噴灑了含檸條磺酸鈣鹽或沙柳磺酸鈣鹽后的沙土樣品40 d內(nèi)的菌群數(shù)量均高于未添加，并在第5 d就達(dá)到了最高值0.57×105cfu/g或0.30×105cfu/g，分別是未添加沙土樣的11.4倍和6倍，并在20～40 d期間，檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽的菌群數(shù)量均高于聚丙烯酰胺沙土樣，證明了其具有出色的生態(tài)修復(fù)及營(yíng)養(yǎng)源功能.

圖6 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽處理樣微生物生長(zhǎng)情況

2.9 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽處理后室外土坑有機(jī)質(zhì)變化情況

施用檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽的沙土有機(jī)質(zhì)變化見(jiàn)圖7，原始沙土有機(jī)質(zhì)含量為2.24 g/kg，第5 d時(shí)，檸條磺酸鈣鹽及沙柳磺酸鈣鹽、未添加均有上升趨勢(shì)，其中檸條磺酸鈣鹽有機(jī)質(zhì)含量為3.67 g/kg，沙柳磺酸鈣鹽有機(jī)質(zhì)含量為9.92 g/kg，兩種磺酸鈣鹽評(píng)價(jià)組在整個(gè)40 d內(nèi)均顯著高于空白組和起始含量，分別是空白組的1.50倍和4.05倍.第30 d后，兩種磺酸鈣鹽處理組的有機(jī)質(zhì)含量均高于聚丙烯酰胺處理，證明了其促進(jìn)了微生物繁殖及固碳作用，這與上述微生物豐度顯著增加的規(guī)律完全一致，可以相互印證.

圖7 檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽處理樣有機(jī)質(zhì)含量

3 討論

以檸條磺酸鈣鹽或沙柳粉料作為生物質(zhì)原料，再用水泥中和磺化生成的生物基磺酸，可得到大分子磺酸鈣混合產(chǎn)物水溶液，通過(guò)濾紙、沙土兩種介質(zhì)，試驗(yàn)在恒溫箱、室外大氣及室外土壤大氣3種典型環(huán)境中的保水和吸水特性的研究結(jié)果表明：無(wú)論是恒溫箱還是在室外大氣環(huán)境或土壤大氣環(huán)境中合成的生物基磺酸鈣鹽混合產(chǎn)物的保水吸水能力和有機(jī)質(zhì)含量都有很大提高，微生物菌群數(shù)量相比空白對(duì)照增加1～20倍，在室外環(huán)境下，磺酸鈣鹽產(chǎn)品具有寶貴的蒸發(fā)-吸水自動(dòng)維持水平衡的特性，在土壤中后期的保水性能、微生物豐度及有機(jī)物含量高于聚丙酰胺，性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)更突出.兩種磺酸鈣鹽在沙子表面可以形成3～9 mm結(jié)皮厚度，檸條磺酸鈣鹽的抗風(fēng)蝕能力最佳，在75 g/m2以上正常施肥噴灑量情況下，可抵御20 m/s的大風(fēng).

室外環(huán)境中沙土表面噴灑兩種磺酸鈣鹽40 d后，檢測(cè)的微生物數(shù)量從多到少依次為：檸條磺酸鈣鹽、沙柳磺酸鈣鹽、聚丙烯酰胺、未添加處理，顯然富含蛋白質(zhì)的生物基磺酸鈣鹽是很好的微生物營(yíng)養(yǎng)源，能提供更多微生物利用的組分[19]，從而顯著促進(jìn)微生物生長(zhǎng)繁殖，檸條蛋白質(zhì)含量高所以微生物豐度最高[20]；需要關(guān)注的是噴灑聚丙烯酰胺水溶液的沙土在后期的水分和微生物都呈下降趨勢(shì)，聚丙烯酰胺由于合成成本高、水溶性差、持久保水性差，在土壤生態(tài)修復(fù)方面顯然不及原料豐富、生產(chǎn)成本低和性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)明顯，并具有多功能性的生物基磺酸鈣鹽.值得一提的是，沙土中原始有機(jī)碳含量較低，在第40 d時(shí)檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽的有機(jī)質(zhì)含量大幅高于初始含量，為空白組的4.39和3.75倍.顯然，生物基磺酸鈣鹽發(fā)揮了營(yíng)養(yǎng)源和生物質(zhì)能源的作用.可改善微生物生態(tài)，促進(jìn)固碳固氮菌的繁殖，顯著增加沙土有機(jī)質(zhì)含量[21-22].檸條磺酸鈣鹽或沙柳及水泥為原料合成的生物基磺酸鈣鹽與前期由葵花桿、玉米秸稈等低蛋白質(zhì)含量的生物質(zhì)原料用石灰或氨水中和合成的混合鈣鹽或混合銨鹽保水吸水性能更為突出.

4 結(jié)論

本研究以中國(guó)西北部平茬產(chǎn)生的大量廢棄的檸條和沙柳等生物質(zhì)資源、工業(yè)副產(chǎn)的過(guò)剩三氧化硫及廉價(jià)水泥為原料，合成了蛋白質(zhì)含量更高及中微量營(yíng)養(yǎng)元素更均衡、保水吸水和抗風(fēng)蝕能力性能更佳、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)更高的檸條磺酸鈣鹽和沙柳磺酸鈣鹽，并發(fā)現(xiàn)了這一類(lèi)水溶性大分子生物基混合產(chǎn)物具有晝夜交替蒸發(fā)-吸水的水平衡調(diào)節(jié)功能，可以促進(jìn)微生物快速增長(zhǎng)，顯著增加土壤中的有機(jī)質(zhì).本研究結(jié)果對(duì)于促進(jìn)廢棄生物質(zhì)資源高效利用和生態(tài)修復(fù)，發(fā)展綠色產(chǎn)業(yè)，大幅降低生態(tài)修復(fù)成本，推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義.展示了生物基磺酸鈣鹽在生物質(zhì)資源的高附加值利用、“荒漠綠洲”工程、各種土壤的生態(tài)修復(fù)、高效生態(tài)固碳、提升土壤肥力，特別是在“碳中和”與生態(tài)修復(fù)途徑方面具有巨大的開(kāi)發(fā)潛力.