一种杂多化合物/PVA复合物在砂土保水中的应用

技术领域

本发明属于土壤退化地生态修复技术领域，具体涉及一种杂多化合物/PVA复合物在砂土保水中的应用。

背景技术

我国是世界上主要的干旱国家之一，干旱-半干旱区的年降水量低，区域生态系统格外脆弱，土地退化现象严重。干旱-半干旱区的土地修复是我国一系列生态工程的重点实施项目之一。然而，该区域的土地修复情况仍不够理想，特别是针对干旱地区的土壤修复，面临着巨大的挑战。

干旱地区的土壤，例如棕漠土，是典型的荒漠地区地带性土壤，分布于我国的甘肃河西走廊中、西段祁连山山前平原、内蒙古鄂尔多斯高原西北部、新疆准噶尔盆地南部、天山南北两麓上前倾斜平原及噶顺戈壁、将军戈壁等地。这些区域极度干旱，有的年份甚至终年无雨，干燥度>4，土壤水分以蒸发为主。除了严重缺水，还有一个导致土壤修复困难的原因。这部分区域地处于干旱强风地带，就地风化形成的细土物质常被风吹走，残留地表的多为粗砾和砾幂。强风天气进一步导致土壤水分快速流失，由于干旱缺水，地表植物生长缓慢，以肉质、深根、耐旱的半灌木和灌木种属为主，常呈单株或小丛状分布。干旱地区的植被覆盖率极低，植株残体矿化快，因而土壤有机质积累很弱，腐殖质层不明显。

气候变化和人类活动影响下的土地退化是一项十分严峻的全球性环境问题。修复退化的土地，对于可持续的生态系统管理和社会经济发展决策至关重要。针对干旱地区的土壤修复所面临的一个亟待解决的问题主要集中于提高砂土质土壤的保水保肥性。目前，提高风砂土保水、保肥能力的改良剂主要有天然改良剂如膨润土、合成改良剂和生物改良剂。天然改良剂包括膨润土、作物秸秆、禽畜粪便等，合成改良剂有聚丙烯酰胺、聚乙二醇、脲醛树脂、聚乙烯醇树脂等，生物改良剂包括微生物、蚯蚓等。很明显这些改良剂在实际应用中存在一些理论和技术问题，如施用量大、施用时间长而持续时间短，此外还有施用方式等问题，因而限制了这些改良剂在大面积推广中的应用。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种杂多化合物/PVA复合物在砂土保水中的应用。

本发明采用Standberg型杂多化合物或其衍生物水溶液与高分子聚乙烯醇(PVA)水溶液通过物理混合得到可用于砂土保水的杂多化合物/PVA复合物。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种杂多化合物/PVA复合物在砂土保水中的应用，所述杂多化合物/PVA复合物由Standberg型杂多化合物和/或其衍生物、PVA和水复配而成的胶状物，其中Standberg型杂多化合物和/或其衍生物占PVA干重的20～60％，PVA和水的质量比为1：7～21。

优选地，所述Standberg型杂多化合物和/或其衍生物占PVA干重的40～60％，PVA和水的质量比为1：10～21。

优选地，所述Standberg型杂多化合物为无机多金属氧酸盐，其结构中阴离子分子式为[X

优选地，所述Standberg型杂多化合物衍生物为Standberg型杂多化合物阴离子中的部分杂原子和/或氧原子被有机配体取代后形成的一种有机-无机杂化化合物，有机配体取代基为-HPO

更优选地，所述Standberg型杂多化合物或其衍生物为K

优选地，所述Standberg型杂多化合物的合成方法参考文献(Kwak W,Pope M T,Scully T F.Stable organic derivatives of heteropoly anions,pentamolybdobisphosphonates.J Am Chem Soc,1975,97:5735-5738)，以(NH

优选地，所述Standberg型杂多化合物衍生物的合成方法参考文献(Kwak W,PopeM T,Scully T F.Stable organic derivatives of heteropoly anions,pentamolybdobisphosphonates.J Am Chem Soc,1975,97:5735-5738)，以(NH

优选地，所述PVA的平均分子量为100000～150000，醇解度≥98％；更优选为PVA-124，平均分子量为105000，醇解度≥98％。

优选地，所述杂多化合物/PVA复合物为Standberg型杂多化合物和/或其衍生物水溶液与PVA水溶液按照体积比1：1～1：9.5复配而成的胶状物，其中Standberg型杂多化合物和/或其衍生物水溶液的0.12～0.4g/mL，PVA水溶液中PVA的质量百分占比为5～15％。

更优选地，所述杂多化合物/PVA复合物为Standberg型杂多化合物和/或其衍生物水溶液与PVA水溶液的体积比为1：9～9.5复配而成的胶状物。

更优选地，所述PVA水溶液中PVA的质量百分占比为5～10％；所述Standberg型杂多化合物和/或其衍生物水溶液的0.3～0.4g/mL。

更优选地，所述杂多化合物/PVA复合物由Standberg型杂多化合物和/或其衍生物水溶液与PVA水溶液在室温下混合均匀后陈化2～4周所得。

优选地，所述杂多化合物/PVA复合物在砂土保水中的应用，具体为将杂多化合物/PVA复合物和沙土按照质量比1：10～1：20的比例混合均匀。

本发明的技术原理：高醇解度的PVA是一种富羟基高分子，具有良好的水溶性和黏附性，易黏附于沙砾之上，为沙砾提供保水保肥层。然而在干燥强风环境中，PVA容易脱水并从沙砾表面脱落，难以发挥其功能。本发明利用Standberg型杂多化合物及其衍生物调节PVA的分子间氢键和分子间缠结，改善PVA的物理性质，使PVA溶胶从牛顿流体变为非牛顿流体。Standberg型杂多化合物及其衍生物稳定了PVA与水分子之间的氢键，使PVA在干燥强风环境中也可以实现对砂土的长时间保水保肥功效。在高温通风环境中单次使用本发明所提供的保水改良材料48小时后，砂土的含水量仍然可达1.5％，为绝境中的生物提供了一线生机。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本发明原料PVA可被微生物作为碳源所利用，其分解产物之一则为水，可被生物利用；Standberg型杂多化合物及其衍生物为一种配位金属氧簇合物，富含N、P、K、Mo等元素，均为生物必需元素；这些材料用于土壤修复不会带来二次污染。

(2)本发明所述杂多化合物/PVA复合物具有固沙的功能；干旱地区一般地表植被稀疏，易遭受强风天气，表层细土易被吹散形成流动性风沙土或半固定风沙土；本发明杂多化合物/PVA复合物黏附能力强，能将细散沙粒粘接固定。

(3)本发明杂多化合物/PVA复合物在逐渐脱水过程中形成多孔结构，不会引起土壤通气透水性能变差，不会造成土壤板结等问题。

(4)本发明杂多化合物/PVA复合物使用方便并可重复使用；本发明杂多化合物/PVA复合物可强力附着于沙砾表面，完成一个保水周期后，充分灌溉可再次吸水并用于下一个保水周期。

附图说明

图1为Standberg型杂多化合物及其衍生物阴离子的多面体结构图。

图2为实施例1制备的Standberg型杂多化合物的红外光谱图。

图3为实施例2制备的Standberg型杂多化合物衍生物的红外光谱图。

图4为实施例3制备的Standberg型杂多化合物的紫外-可见光吸收光谱图。

图5为实施例4制备的Standberg型杂多化合物的紫外-可见光吸收光谱图。

图6为实施例1-4制备的砂土保水改良材料的剥离强度曲线。

图7为实施例1制备的砂土改良材料在失水后形成了多孔结构的扫描电镜图。

图8为实施例2制备的砂土改良材料在失水后形成了多孔结构的扫描电镜图。

图9为实施例3制备的砂土改良材料在失水后形成了多孔结构的扫描电镜图。

图10为实施例4制备的砂土改良材料在失水后形成了多孔结构的扫描电镜图。

图11为实施例1-4制备的砂土改良材料的循环保水效果。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

参考文献方法制备Standberg型杂多化合物(NH

实施例2

参考文献方法制备Standberg型杂多化合物K

实施例3

参考文献方法制备Standberg型杂多化合物K

实施例4

参考文献方法制备Standberg型杂多化合物(NH

实施例5

以实施例1-4制备的砂土保水改良材料杂多化合物/PVA复合物为例具体说明其保水保肥的作用。

首先，采用室内土柱淋溶试验来测试所述砂土保水改良材料杂多化合物/PVA复合物的保水性能。供测试的砂土取自内蒙古乌海市乌兰布和沙漠，将试验所用的砂土风干后分为6组。其中一组砂土作为空白对照，另外四组砂土分别与实施例1-4制备的砂土保水改良材料杂多化合物/PVA复合物按质量比20：1的比例混合均匀作为实验组，最后一组砂土与盆栽粘土按质量比10：1的比例混合均匀的混合砂土作为对照组。测试所用的柱管为长60cm、内径10cm的PVC管。向PVC管的底部铺垫80目的细纱布，然后将试验所用的砂土样品均匀填装于PVC管中，每管装入40cm高的砂土或混合砂土。每根PVC管由顶部灌注磷酸二铵溶液(2mmol/L)，总共有1L磷酸二铵溶液流经PVC管中土壤式样，每隔10分钟测定一次磷酸二铵溶液的通过体积，当85％以上体积的磷酸二铵溶液流出后记录渗透时间(表1)。空白对照组由于砂土组成全部为沙粒，溶液通过速度快，总渗透时间为30分钟，总渗透量也最大，达到975.57mL，说明在短短半小时水分急剧流失。实验组采用了实施例1-4制备的砂土保水改良材料后，砂土的总渗透时间都大大延长，分别为150、120、180、150分钟。盆栽粘土经常用来改良土壤品质。参考对照组的结果可见，盆栽粘土也可以延长总渗透时间到90分钟，具有一定的保水能力。总的来说，对比总渗透时间的结果，实施例1-4制备的砂土保水改良材料均能明显降低渗透速率，有效改善土壤保水性。

表1渗透时间和总渗透量对比结果

上述土壤样品在经过4小时后，从PVC管倒出，每组分别取1g×3份样品，分别放入样品瓶中测试其含水量。然后将土壤样品分别置于纸盒中，铺平，土层厚度约5cm。接着将纸盒放置于鼓风干燥箱中，40℃鼓风干燥，并于第24小时和第48小时，分别取样测量底层含水量。如表2所示，空白对照组砂土在温热且空气流通环境中，水分流失殆尽，底层土壤24小时含水量不足2％，48小时更是接近0。盆栽粘土改良的土壤其底层土壤24小时含水量为2.61％，而到了48小时含水量仅为0.67％。实验组采用了实施例1-4制备的砂土保水改良材料后，底层土壤24小时含水量都在5％以上，48小时含水量都在1.5％以上，其中实施例3制备的砂土保水改良材料改良砂土的48小时含水量仍然达到5.73％。以上结果说明，实施例1-4制备的砂土保水改良材料均能明显降低高温通风环境中土壤水分流失的速率，有效改善土壤保水性。

表2土壤样品含水量变化对比结果

将前述被磷酸二铵溶液充分浸润的土壤样品，分别分成两份，其中一份用KCl浸提-靛酚蓝比色法来测每份土壤样品中的铵态氮含量，另外一份用NaHCO

表3土壤样品淋出铵态氮含量和淋出有效磷含量对比结果

由前面的实验结果可以看出，实施例1-4制备的砂土改良材料具有突出的保水能力，比盆栽粘土的保水能力更胜一筹。在常规土壤改良实施方案中，通常向退化土壤中掺入黏土以提高其保水保肥能力。在实验测试中，黏土施用量越多保水保肥能力的改良效果越好，而在实际的砂土改良中，由于砂土地的实地环境比较恶劣，黏土要么因为颗粒较小易被强风吹散，要么因高吸附能力和小粒间空隙易造成土壤板结，致使通气透水性能差，改良效果反而不尽如人意。将实施例1-4制备的砂土改良材料铺膜于大理石板后，测膜的剥离强度，如图6所示，膜的剥离强度都高于透明胶带，说明砂土改良材料能够耐受强风天气，不会飘散空中造成空气颗粒污染。失水前的实施例1-4制备的砂土改良材料复合物类似于胶水状态，逐渐失水后的形成了多孔的膜，其孔洞大小约1～5微米(图7～10)，空气、水、无机盐等小分子都能很容易通过，保持土壤一定的通气透水性。

大多数砂土改良剂还面临流失失效的问题，很难多次利用，需要经常补充施用才能达到砂土改良的效果。供测试的砂土取自内蒙古乌海市乌兰布和沙漠，将试验所用的砂土风干后分为5组，四组砂土分别与实施例1-4制备的砂土保水改良材料杂多化合物/PVA复合物按质量比20：1的比例混合均匀作为实验组，最后一组砂土与盆栽粘土按质量比10：1的比例混合均匀的混合砂土作为对照组，得到砂土改良材料处理的砂土。砂土改良材料处理的砂土经历40℃、48小时失水后，充分浇水冲淋后再次测试砂土改良材料的保水效果；然后进行第二次经历40℃、48小时失水和充分浇水冲淋后测量试砂土改良材料的保水效果；如此循环进行第三次、第四次经历40℃、48小时失水和充分浇水冲淋后测量试砂土改良材料的保水效果，结果如图11所示，浇水冲淋砂土很容易将盆栽粘土带走，该份土壤的水分渗透量逐渐增加，保水量逐渐降低。实施例1-4制备的砂土改良材料耐受冲淋的效果都比盆栽粘土好一些。尤其是实施例1制备的砂土改良材料，多次反复冲淋后，砂土的水分渗透量仍然相对较低，说明实施例1制备的砂土改良材料具有良好的长效保水效果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。