袁进科， 陈 杰

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， 四川 成都 610059)

当前，美国、澳大利亚、英国等发达国家已将生态环境问题提升到了国家战略规划高度[1-2]。其中生态环境问题包括水土流失、污染、沙化、生物多样性减少等，主要是水土流失问题[3-4]。中国是世界上水土流失最严重国家之一，全国水土流失面积达2.74×106km2，占国土面积的28.5%[5]。并且由于地震引发的次生地质灾害也极易引起水土流失，比如在汶川大地震震后3 a内地震灾区较震前新增水土流失面积达到1.48×104km2，增幅达11%，其中重灾区的增幅更达到30%[6]。2017年8月8日，四川省九寨沟发生的7级地震引发地质灾害1 000余处，在遇到连续降雨的时候也极易引起水土流失。防治水土流失危害的措施主要包括植物固沙措施、工程固沙措施和化学固沙措施等3大类[7]。其中工程固沙和植物固沙技术比较成熟，但这些防治技术存在高成本、低效益、劳动强度大、施工进度慢等问题[8]。在这3大类基础上，为了达到既防止水土流失还可以恢复生态、改善环境的同时还能追求高效、廉价及快速，发展了“化学—生物”固沙综合技术。“化学—生物”固沙技术利用固沙剂与植物生长的适宜性更好地发挥固沙作用，具有高效廉价、快速方便、环境协调的特点[9]。通过“化学—生物”固沙技术在为植物创造良好生长环境的同时，能逐渐改善生态环境，形成自然生态圈[10]。訾言勤等[11]利用高岭土和聚丙烯酰胺(PAM)制备的固沙剂具有吸水保水性，抗旱助长性。夏海江[12]针对沙土的抗风蚀性能做了简易风洞试验，研究结果表明聚丙烯酰胺类胶凝材料可以改善沙土的抗风蚀能。王银梅等[13]针对沙土类地层特点研究了SH固沙剂的固沙性能，固沙效果优异且可控，耐久性能优良。王勇等[14]研究了新型固沙植被多功能高分子复合材料，与沙土混合吸水后形成团粒结构，改善沙土结构的物理性状。谭雪琴等[15]研究了以聚乙烯醇为原料制备的固沙剂，固沙效果稳定，并提升了分子链间的作用力，但该固沙剂的固沙强度不高。梁止水等[16]通过改性水溶聚氨酷(W-OHC)固沙后的渗透性、固沙层的强度以及保水性等方面研究，大大提高了沙粒间的胶结力。申闫春等[17]研制了丙烯酰胺改性羟丙基纤维素钠的固沙剂，固沙保水效果较好。本研究采用化学固沙与生物固沙相结合的综合防治技术，以九寨沟地震震后松散的沙土边坡为研究对象，利用羧甲基纤维素钠(CMC)材料为基础并结合聚丙烯酰胺(PAM)材料研发的改性纤维素类固沙剂(GCMC)为固沙材料，分别采用九寨沟不同类型草本植物和不同配比固沙材料进行草本植物出苗率及幼苗生长状况的研究，对GCMC固沙材料内部的基质吸力进行分析，探讨不同配比方式的固沙材料试验的植物相容性机理，以期为后续进行现场固沙植草模拟试验提供科学数据，进一步为九寨沟地震受损边坡植被恢复提供研究基础。

1 研究区概况

2017年8月8日在四川省九寨沟发生7.0级地震，是继2008年汶川大地震和2013年芦山地震之后，四川省发生的又一次7.0级以上的强震。地震引发的地质灾害一千余处，主要以中小型浅层滑坡和崩塌为主。这类地质灾害产生了大量的松散颗粒物质，在遇到降雨的时候极易引起坡表水土流失。研究区内的斜坡坡度集中在30°～40°之间，降雨作用到斜坡坡表的接触面积较大，从而易于形成地表径流，对坡面造成直接冲刷，造成坡面水土流失的加剧。

2 材料与方法

2.1 改性纤维素类固沙材料作用机理

试验所用改性纤维素类固沙剂(GCMC)由CMC和PAM两种有机高分子材料组成，配制成1.1%的浓度，呈液态，pH值为6～7，密度为1.01 g/cm3，黏度为78 m Pa·s，无毒无公害，具有吸附能力强、持水性良好等优点，属于绿色环保化学品[18]。GCMC固沙剂中羟基和羧甲基(-CH2COONa)等官能团中的氢键与沙土颗粒表面的Si-OH、Mg2+，Ca2+等游离的阳离子通过交联、吸附发生络合反应形成结构体分布在固/液界面上。GCMC固沙剂分子链上丰富的羧基和羟基使其易形成不溶于水的水凝胶，同时胶体三维网状结构对离子具有保蓄能力，且具有很大的内外表面积，这些性质决定了GCMC固沙剂具有较高的离子交换量和很强的吸附能力。

2.2 试验材料

改性纤维素类固沙剂(GCMC)与沙土按照不同的质量配比形成固沙材料。所选用的沙土取自九寨沟发生水土流失的松散斜坡坡表，将沙土风干以后得到沙土颗粒的粒径分布(见表1)，其中颗粒粒径主要集中在1.5～0.5 mm之间。

表1 试验沙土的粒径级配

2.3 试验仪器

本次试验中材料基质吸力测试采用的是TEN土壤张力计，测试范围0～100 kPa。

2.4 植物选择

试验用的草本植物为5种，分别是灯笼草(Physalisalkekengi)，金线草(Rubiamembranacea)，茜草(Rubiacordifolia)，唐松草(Thalictrumaquilegifolium)和夏枯草(Prunellavulgaris)，均选自于九寨沟景区内的代表性草本植物[19]。其中灯笼草为唇形科风轮菜属植物，直立多年生草本，适宜发芽温度在20～22 ℃；金线草为蓼科植物，适宜发芽温度在2～23 ℃；茜草为多年生草质攀援藤木，唐松草和夏枯草均为多年生草本植物，这3种植物适宜发芽温度在25 ℃。

2.5 试验方法

试验于2019年7月开始进行，室温控制在22～25 ℃。选用40 cm×30 cm×15 cm的塑料盘，每个塑料盘重200 g，并在盘内放入3 000 g沙土后摊平，厚度约7 cm(见图1)。结合在前期试验过程中，固沙剂与沙土采用了1∶1[20]和1∶3[21]的液固质量比进行了强度和耐水性试验，固沙效果显著。因此结合前期试验，首先将改性纤维素类固沙剂与沙土按照1∶2和1∶3的液固质量比分别配制成固沙材料，呈塑性状态，然后按照不同液固质量比配制的固沙材料分成两个试验区(A区和B区)，每个试验区均有5个塑料盘，再分别选取5种植物种子各20粒分别均匀撒在5个塑料盘内的沙土表面，每个塑料盘内代表1种植物，均匀分布20粒植物种子，5种植物共100粒种子。最后将拌和好的1∶2液固比的固沙材料约1 cm厚覆盖在A区塑料盘沙土上，1∶3液固比的固沙材料约1 cm厚覆盖在B区塑料盘沙土上，形成约1 cm厚的固沙结构层(见图2)，将张力计插入到固沙材料中以观测材料的基质吸力变化。沙土的含水率约为17.64%，室温中温度在22 ℃左右。试验时间60 d，每隔3 d往每个塑料盘内均匀喷洒50 ml自来水，记录植物生长情况。

图1 试验选取的沙土

图2 铺设的固沙材料

3 结果与分析

3.1 固沙材料基质吸力分析

植物的生长离不开水，土体持水能力也是边坡稳定性评价时重点考虑的因素。因此固沙材料不仅要有较强的防水流冲刷能力，而且还要有一定保水性可以给植物根系提供水分。材料的吸水能力通过基质吸力表示，在相同含水量下，水吸力越小说明保持的水分越多，表征其对沙土体改良的作用就越好。

从图3可以看出，液固质量比为1∶2的固沙材料基质吸力明显大于1∶3液固质量比，同时1∶2液固质量比的固沙材料从第3 d开始就表现出吸水特征，说明1∶2液固质量比的固沙材料持水能力差、含水率低，所以表现出更强的吸水特征。田间作物适宜的土壤吸力大多在90 kPa以内[22]。通过试验，两种液固质量比的固沙材料基质吸力最终稳定在80 kPa和75 kPa，可以给植物根系生长提供稳定的供水环境，避免因吸力过大从而掠夺植物根系生长所需的水分。并且1∶3液固质量比的固沙材料基质吸力更小，说明1∶3比例的固沙材料含水率更高，可以给植物提供更多的水分。

图3 不同液固质量比固沙材料基质吸力随时间变化特征

3.2 植物出苗率分析

不同草种的出苗率试验结果见表2。从两种试验区的植物出苗率分布可以看出，灯笼草和唐松草均有出苗，说明这两种植物适宜生长，而金线草、茜草和夏枯草在两种试验区内均未见出苗。其中A试验区的植物出苗率整体比B试验区植物出苗率高，A区灯笼草出苗率和B区一样，均为5%；A区唐松草出苗率为30%,B区为10%。

植物的出苗率跟土体的强度、孔隙率、含水率以及团粒结构有很大关系[23]。由于改性纤维素类固沙剂(GCMC)配制的固沙材料具有一定的强度，并且胶结程度较高。由表2可以看出，金线草、茜草和夏枯草这3类植物种子没有出苗。而灯笼草和唐松草发育较好，唐松草出苗率可以达到30%，并且从灯笼草和唐松草根系和株苗的尺寸可以看出两者与固沙材料相容性好。

表2 不同植物种子出苗率分布特征

施用一定量的固沙材料改变了沙土的密实度，适宜的施用量可以促进作物根系的穿孔和生长[9]。植物种子主要是从固结层孔隙较大的地方出苗，而紧密的地方种子出苗难(见图4)，说明植物种子出苗不仅需要水分，还需要适宜的空间。从表2可以看出灯笼草的出苗率较低，只有5%，说明种子发芽难度较大。从出苗率分布看，唐松草>灯笼草>金线草、茜草、夏枯草。配制的固沙材料强度在850～915 kPa，孔隙率在41%～44%，渗透系数为1.1～2.5×10-6。虽然固沙材料固然胶结程度高、强度大，其抗水流冲刷的能力强，但是压实紧密的固结层也会压缩种子空间，使得植物出苗困难，所以适当配比的固沙材料不仅需要具有一定的抗水冲刷和保水能力，同时也需要给植被发育提供一定空间。同时化学固沙材料可吸附和固定沙层中的有机物离子，通过与植物进行离子交换作用提供给植物所需的营养物质[24]。从表2可以看出B区植物的幼苗存活时间都多于A区植物，其中唐松草多存活了6 d，灯笼草多存活了9 d，说明1∶3液固质量比的固沙材料含水率更高，可以给种子发芽提供更多的水分，存活时间更长。同时对比试验结果，植物种子总体上出苗率低于30%，存活时间小于40 d，说明在实验室条件下，光照以及通风受到了一定的限制，同时实验室内的电气设备也会近距离造成植物因环境变化太过明显而造成的生长不适。因此植物需要充足的光照和通风条件才能充分进行光合作用，同时也要免受电器设备造成的环境影响。

图4 紧密的固结层

3.3 幼苗生长特征分析

从表2显示A区和B区的灯笼草平均根径一致，均达到2 mm，同时从试验观察到灯笼草的叶片面积较大，达到130 mm2左右。根系的发达不仅有助于其从沙土里吸收水分和养分，而且较大的叶片也有助于其获得充足的阳光。植物就是利用自身发达的根系，在沙土内水平或垂直发展来吸收深层水分和营养，以供应给植物地上部分的蒸腾和生长发育的需要。

图5为A区和B区的唐松草根部和株苗特征，可以看出两者的根部长度尺寸相当，但是A区的根茎稍粗，达到1 mm。两者的株苗高度差不多，叶片面积也近似。从根系的形状来看，两者均属于向土壤深部延伸的主直根型。主直根型的特点是有一条明显的垂直主根，其上再发育有众多微细侧根，能很好的起到锚杆作用[25]。两者的株高相当，约25 mm，说明种子具有更强的生命力可以穿透固沙材料出苗。但是A区的株苗枯萎的时间早，存活时间短。结合图4及试验过程观察，A区和B区的种子出苗区域均位于固沙材料孔隙较大的位置，说明具有一定孔隙的固沙材料更适宜植物幼苗的生长。

图5 唐松草生长根苗特征

从灯笼草和唐松草的出苗率分布和根苗特征分析，GCMC固沙材料和灯笼草以及唐松草的相容性较好，植物根系主根发达，但是侧根明显偏弱。同时大部分地区(尤其是中国南方区域)沙生类植物生长所需要的土壤环境一般是弱酸性，沙土过酸或过碱都会危害植物[26]。改性纤维素类固沙剂的pH值为6～7，符合植物生长的弱酸性土壤环境条件，有利于植物的生长。并且GCMC固沙材料不仅具有一定结构强度可抗水流冲刷，而且还具有保水性，可促进植物生长。通过试验分析，九寨沟典型植物中灯笼草和唐松草与GCMC固沙材料相容性良好，在1∶2液固质量比时唐松草出苗率更高，在液固质量比1∶3时植物的存活时间更长。

4 结 论

自主研发的改性纤维素类固沙剂易在水中溶解分散形成胶状体，具有良好的持水性，属于绿色环保型固沙材料。固沙剂pH值在6～7之间，符合沙生植物生长的弱酸性土壤环境条件，有利于沙土中植物的生长。

液固质量比为1∶2的固沙材料基质吸力大于1∶3液固质量比，液固质量比为1∶3的固沙材料持水性好，可以给植物提供更多的水分。两种液固质量比的固沙材料基质吸力最终为80 kPa和75 kPa，可以给植物根系生长提供稳定的供水环境，避免了因吸力过大从而掠夺植物根系生长所需的水分。

选取的5种典型九寨沟植物中，灯笼草和唐松草在两种配比固沙材料中均有出苗，而金线草、茜草和夏枯草在两种试验区内均未见出苗。A试验区的植物出苗率整体比B试验区植物出苗率高，A区灯笼草出苗率和B区一样，均为5%；A区唐松草出苗率为30%、B区为10%。同时B区植物的生长时间都长于A区植物。

A区和B区的灯笼草平均根径一致，均达到2 mm。A区和B区的唐松草平均根长和平均株高近似，但A区的根径稍粗，达到1 mm。同时A区和B区的种子出苗区域均位于固沙材料孔隙较大的位置，说明具有一定孔隙的固沙材料更适宜植物幼苗的生长。