Effect of cement and straw fiber on water retention of vegetation substrate of Yellow River sediment
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摘要:
针对黄河底泥资源化利用的难题，利用植生基材的人工护坡工程手段，进行沿岸城市矿山排土场的生态修复，旨在提高黄河底泥基植生基材的保水性。采用黄河底泥替代自然土壤，普通硅酸盐水泥为主要胶结材料，在此基础上添加不同含量的稻草纤维制备生态基材，并进行了累积失水量，保水性，孔隙率特征和不同孔隙类型测定试验，利用扫描电镜、X射线衍射仪进行了微观检测，系统分析了不同水泥和稻草纤维含量对黄河底泥基植生基材保水性的影响及作用机制。结果表明∶在稻草纤维添加量为6%，水泥添加比例为6%时，黄河底泥基植生基材出现最大保水量为66.1 g，土壤毛管孔隙75.94%，总孔隙率79.68%，显著提高了黄河底泥基植生基材的保水量。建议进行沙质土壤改良，生态修复工程，使用质量比（底泥∶生态剂∶有机肥∶稻草纤维∶水泥=100∶6∶6∶6∶6）进行施工，该成果适用于水土资源短缺的边坡生态修复。稻草纤维和水泥对黄河底泥基植生基材的保水机理主要包括：稻草纤维的物理填充作用，两者各自的化学胶结作用以及水泥和稻草纤维的协同作用。利用黄河底泥制备的植生基材具有制造成本低、环境友好等特点，并且可以实现黄河底泥资源化高效利用，研究成果可推广到河流域其他涉及清淤的湖库区，对流域生态保护修复具有重要作用。
Abstract:In response to the challenge of utilising Yellow River sediment resources, artificial slope protection engineering techniques using vegetation substrates were employed to restore the ecology of coastal urban mine tailings ponds, with the aim of improving the water retention properties of vegetation substrates based on Yellow River sediment. Yellow River sediment was used to replace the natural soil, ordinary silicate cement was used as the main binder material, and different contents of straw fibre were added to prepare ecological substrate on this basis, and the cumulative water loss, water retention capacity, pore volume, porosity characteristics and different pore types were determined and tested, and microscopic using scanning electron microscope and X-ray diffractometer were detection, and systematically analysed the effects of different cement and straw fibre contents on the water retention of the vegetation substrate and the mechanism of action. The results showed that: at 6% straw fibre addition and 6% cement addition ratio, the vegetation substrate based on Yellow River sediment appeared to have a maximum water retention of 66.1 g, 75.94% soil capillary porosity, and 79.68% total porosity, which significantly improved the water retention of the vegetation substrate. It is recommended to carry out sandy soil improvement and ecological restoration works using the mass ratio (sediment∶amendment of habitat material∶organic fertilizer∶straw fibre∶cement = 100∶6∶6∶6∶6), and the results are suitable for ecological restoration of slopes with shortage of soil and water resources. The water retention mechanism of straw fibre and cement on vegetation substrate mainly includes the physical filling effect of straw fibre, the respective chemical cementing effect of both and the synergistic effect of cement and straw fibre. The vegetation substrate based on Yellow River sediment has the characteristics of low manufacturing cost and environmental friendliness, and it can realise the resourceful and efficient use of Yellow River sediment, and the research results can be promoted to other lake and reservoir areas involving dredging in the river basin, which is important for the ecological protection and restoration of the basin.
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0. 引 言
黄河是世界上最大的沙质河流之一，数据显示黄河在1952—2015年年均产沙6.61亿t[1]，如此大量的沉积物对可持续环境发展构成了相当大的挑战，特别是在靠近河流的城市，如乌海。将底泥改良成种植土壤，不但可以解决底泥的资源化利用，周边区域表土资源的严重短缺问题，而且可以解决乌海区域的生态环境修复问题。
目前黄河底泥具有颗粒松散、孔隙结构弱等特点，导致保水能力较弱，难以资源化利用[2]。前人针对上述问题已在以下方面取得了不错的研究进展：改良土壤结构[3]；添加改良剂或保水剂，从而改良土壤配比[4]；施加肥料[5]；进行覆盖，减少散发等。同时也发现土壤结构改良具有时间周期长，短期内难以看到明显效果，技术难度高等特点。改良剂一般成本较高，效果会随时间推移而减弱，需要定期补充，不易降解。改良剂严重影响土壤生态平衡等问题。覆盖物具有一次使用性，并且覆盖物可能导致土壤透气性降低，影响植物根系发育和微生物活动。总体来说，提高砂质土壤保水性需要综合考虑可持续性、经济性、生态友好性以及实施的难易程度等因素，这突出表明提高土壤保水性需要采取创新性和前瞻性的方法。
近年来，有研究表明：将种植土与水泥、有机物和生态剂混合形成植生基材可促进植物生长，在生态修复、增强土壤保水性、加速植被重建等方面显示出了巨大潜力。三峡大学制定了多项植生基材生态应用技术标准，在全国各省均有体现。然而，在寒旱地区，资源化利用黄河底泥进行矿山生态修复提出了独特的挑战。前人的研究主要集中在植生基材的物理属性上，例如其力学特性和土壤肥力[6-8]，对于植生基材保水性提升手段和作用机制方面的研究较为欠缺。LI等[9]研究表明：在中国宁夏表层土壤中掺入低至2%的木屑可以有效地捕获和保留更多的降水，提高土壤的保水性。LIU等[7]研究表明：生物炭可以有效改变沙性植生基材的透水系数和持水能力。稻草纤维是世界上常见且储量丰富的农业废弃物[10]，是一种可再生资源，但是目前主要处理方式为丢弃和焚烧。这造成了资源的大量浪费，同时稻草纤维燃烧产生的有害气体造成了严重的空气污染。因此资源化利用稻草纤维也具有重要意义。然而稻草纤维和水泥协同作用影响植生基材保水机理还不清楚，但这对于进一步提升植生基材保水性是至关重要的。
基于以上问题，本文旨在明确稻草纤维和水泥不同梯度下对黄河底泥基植生基材保水性能的具体影响，通过累积失水量、保水性、宏观孔隙特征和微观孔隙特征指标的测定，试验性的确定最优配合比，利用扫描电镜、X射线衍射进行表征，阐述植生基材的保水机理，且提供了在寒旱地区内资源化利用黄河底泥进行生态修复的成功案例。解决这一问题对于在生态恢复项目中有效应用植生基材，以及在具有挑战性的气候条件下提高我们对可持续建筑材料的理解至关重要，且为全球类似的生态修复工作提供有价值的见解。
1. 试验材料和方法
1.1 试验材料
研究严格遵循行业标准《水电工程陡坡植被混凝土生态修复技术规范》[11]，植生基材（图1）组成材料包括黄河底泥、水泥、生态改良剂、有机质及有机肥。底泥取自内蒙古自治区乌海湖（106°36'—107°05'E, 39°15'—39°52'N），是一种粉质砂土，在使用前需要细致筛选，剔除了其中的碎石、凋落物等杂质，并进行自然晾干以备后续试验使用。对于底泥中黏粒成分含量的测定，依据《土工实验方法标准》进行，经测试黏粒成分所占比例约为5.3%，具体结果见表1。水泥为P.O 42.5等级的普通硅酸盐水泥，详细性质见表2[12]，以其良好的黏接性能为植生基材提供稳固性。生态改良剂和稻草纤维（表3）采自湖北宜昌（110°15'—112°04'E, 29°56'—31°34'N），其中生态改良剂由三峡大学供应（专利号：01138343.7）。该生态改良剂[13]富含大量固氮、解磷、解钾等功能微生物，能够有效激活基材并为其提供充足的动力，同时，它能在不显著削弱基材强度的前提下，调节水泥水化过程中产生的碱性环境，使之更适宜植物与功能性微生物的生存与繁衍。有机质部分则选用稻草纤维作为来源，旨在增加营养物质含量并改善混凝土内部孔隙结构，从而优化整体性能。
表 1 底泥的基本性质Table 1. Basic properties of sediment类别 比重 pH SOM/（g·kg−1） TN/（g·kg−1） TP/（g·kg−1） TK/（g·kg−1） 粉质砂土 2.66 8.54 1.42 0.21 0.33 1.95 表 2 P.O 42.5 水泥化学成分Table 2. Chemical composition of P.O42.5 cement化学成分 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO3 MgO Na2O 质量分数/% 61.13 20.23 5.24 2.89 2.5 2.08 0.77 化学成分 脂蜡质 水溶物 果胶 半纤维素 木质素 纤维素 质量分数/% 8.98 8.56 0.42 20.93 20.73 40.40 1.2 试验设计
为了实现黄河底泥经济、高效的资源化利用，本研究将黄河底泥的质量分数设定为100%，而在表4中列举的其他各组材料质量分数，均是相对于底泥的质量比例进行计算。然而，考虑到生态修复的可持续性的需求，因为黄河底泥营养成分较低，且后期没有其他营养补给，所以有机质应持续、缓慢释放，故本次试验设定了生态改良剂的质量分数梯度为6%。将黄河底泥基植生基材按照表4拌合后进行后续试验，稻草纤维设置5个梯度，水泥设置3个梯度，为了保证试验的科学性，试验设置6个平行试验组，共进行15×6=90组试验。
表 4 植生基材各组分质量分数Table 4. Mass percentage of each component of planting substrate组分 底泥 有机肥 稻草纤维 水泥 生态改良剂 质量分数/% 100 6 0/2/4/6/8 2/4/6 6 1.3 测试指标
1.3.1 土壤保水性试验
植生基材的保水量用蒸发量表示[14]，将饱和后的植生基材试块放在培养箱中，设置为恒温80 ℃进行静置，每隔4 h称重1次，一直称量到恒重为止，计算式（1）如下：
累积蒸发量：
$$ R=\sum _{1}^{i}{R}_{i} $$ (1) 保水性式（2）如下：
$$ B=\frac{{R}_{1}-\displaystyle\sum _{1}^{n}{R}_{i}}{{R}_{1}} $$ (2) 式中：$ {R}_{i} $为第i次称重的蒸发水量，g；1≤$ i $≤n；R为累积蒸发量，g；$ B $为保水性，%。
将制备的环刀（ø61.8 mm×40 mm，容积120 cm3）样品放入真空饱和器内进行充分饱和，24 h后取出。用滤纸擦去表面浮水后放置到烘箱内静置，温度设置为恒温80 ℃，每隔4 h称重1次，记录环刀质量并计算累计失水量，一直称量到恒重为止，失水质量总和即为土壤保水量。
1.3.2 土壤孔隙特征测试
本试验使用烘干法测定各试验的容重[14]，即环刀(ø50.46 mm×50 mm，容积100 cm3)单位容积内土壤烘干基质量。采用环刀法测定土壤孔隙率：首先将新鲜环刀样称重为m1；然后将充满土壤的环刀揭去上盖，在有孔一侧垫上单层滤纸，朝下放置平底容器内，并对容器中注入略低于环刀口的清水，使环刀充分吸湿水分达12 h以上，记录质量m2；随后将环刀（孔盖朝下）置于装满干燥石英砂托盘中2 h并称重m3；称量环刀与烘干质量m4，环刀自身的质量m0。
土壤容重：
$$ {D}_{{\mathrm{B}}}=\frac{{m}_{4}-{m}_{0}}{V} $$ (3) 土壤非毛管孔隙率：
$$ {P}_{\rm{NC}}={(P}_{\rm{MWC}}-{P}_{\rm{CWC}}) {D}_{\rm{B}}\times 100\% $$ (4) 其中：
$$ {P}_{{\mathrm{MWC}}}=\frac{{m}_{2}-{m}_{4}}{{m}_{4}-{m}_{0}}\times 100\% $$ (5) $$ {P}_{{\mathrm{CWC}}}=\frac{{m}_{3}-{m}_{4}}{{m}_{4}-{m}_{0}}\times 100\% $$ (6) 毛管孔隙率：
$$ {P}_{\rm{C}}={P}_{\rm{CWC}} {D}_{\rm{B}}\times 100\% $$ (7) 土壤总孔隙率：
$$ {P}_{\rm{t}}={P}_{\rm{NC}}+{P}_{\rm{C}} $$ (8) 1.3.3 核磁成像及不同孔隙类别测试
为了直观看出植生基材中的保水量变化，且进一步验证不同形态大小的孔隙变化，对植生基材样品中保水性能的影响，利用核磁进行试验[15]。用规格为ø45 mm×20 mm的聚四氟乙烯环刀取代不锈钢环刀制样，把制备好的环刀试样装入饱和器中进行充分饱和处理，然后将饱和后的试样放置于检测管内，最后将装有待测样品的试管水平放置于核磁共振微观分析仪（MesoMR12-060H-1）的检测区域内。采用CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill, CPMG)脉冲序列技术，捕捉并记录样品产生的核磁共振信号，数据收集后被导入专门的核磁共振信号反演软件，运用同时迭代重建技术（Simultaneous Iterative Reconstruction Technique, SIRT），进行解析和计算，分析图像中样品内部孔隙的不同弛豫时间特征，从而区分并量化样品中不同孔隙的相对数量。
在核磁共振技术中，主磁场施加到测试试样上，其内不同赋存状态的氢核质子在刚开始的那一刻的横向磁化矢量是最大的，而后开始衰减至最大值的37%时所经历的时间为T2[16]，横向弛豫时间T2越大表征的是大孔隙结构，T2越小对应的是小孔隙组分。
由于液态水的横向弛豫时间T2可以反映水分赋存位置的结构特征：
$$ \frac{1}{{T}_{2}}={\rho }_{2}{\left(\frac{S}{V}\right)}_{{\mathrm{pore}}} $$ (9) 假定非饱和土中孔隙形状为球形，则：
$$ \frac{1}{{T}_{2}}={\rho }_{2}{\left(\frac{S}{V}\right)}_{{\mathrm{pore}}}={\rho }_{2}\frac{3}{r} $$ (10) 其中，S为特征孔隙的表面积，m2；V为特征孔隙的表面积和体积，m3；r为孔隙半径，m；$ {\rho }_{2} $为与土质有关的常数。
1.3.4 土壤微观组织成分表征
为了分析黄河底泥基植生基材的保水机理，将植生基材土块进行自然晾干后，选择有代表性的试块送至三峡大学检测中心进行试验，研究利用扫描电镜(JSM-7500F)拍摄植生基材试样的SEM图像。选择有代表性的土样断面，经过喷金处理后放入SEM电镜试验仓，然后选择合适的放大倍率和具有代表性的视域进行拍摄。
XRD测试仪器采用X射线衍射仪(德国Bruker AxS D8 DISCOVER)，取少量自然风干的植生基材粉末放置在XRD衍射仪的载物台上进行试验。XRD衍射仪的参数为：试验测量范围5°～90°，步长为0.02°，靶材为Cu靶，设备所用射线为Cu Ka射线(λ射线波长为1.54 nm)，4.0°索拉狭缝，发生器管电压为40 kV、管电流为40 mA。
1.4 数据分析
在本研究中，采用SPSS软件对数据进行统计分析，针对不同配合比下植生基材的各项性能指标进行均值和标准差计算，包括植生基材的累积失水量，保水性，孔隙特性，以及关键的T2图谱特征。在对数据进行了严格的方差齐性检验和正态性验证后，本研究决定运用单因素方差分析(One-Way ANOVA)这一统计手段，旨在深入探究各组别之间的潜在统计学差异。为进一步精确区分并确认不同处理条件下是否存在显著的差异性表现，利用Duncan多重比较检验(Duncan’s Multiple Range Test)作为补充和验证方法，并设定显著性水平为a=0.05，以此确保所得出的所有结论均具有严谨的统计学依据与高度可信度。并且利用Origin 2023进行绘图。
2. 结果与分析
2.1 植生基材的累积失水量和保水量
图2a—图2c分别为水泥添加的质量分数为2%、4%、6%时，不同稻草纤维含量下的植生基材失水量变化规律图。分析图2可知：稻草纤维和水泥的添加可以显著改变植生基材的累积失水量。当水泥添加量一定时，稻草纤维含量多的组别在0～12 h失水较快，于24 h后，失水减慢，失水累积量增加较慢。并且稻草纤维添加质量分数为0植生基材组别，累积失水曲线明显低于其他组别。当水泥添加量在6%，稻草纤维为6%时，达到最大累积值为66.1 g。
图3为不同稻草纤维和水泥添加量的植生基材的保水量变化规律图，观察图3发现：一定阈值的水泥和稻草纤维的含量增加可以显著提高植生基材的保水性。当稻草纤维添加比例为0、2%、8%时，随着水泥添加比例的增加，累积保水量呈现递减趋势，但是在稻草纤维为6%时，呈现相反趋势。当稻草纤维添加比例为4%时，随着水泥添加比例的增加，累积保水量从0.31减少到0.27后，再增加到0.29，呈现先减少后增加的趋势。随着稻草纤维比例的增加，在水泥为2%，4%时，保水量整体大致呈现递增的趋势。在水泥为6%时，保水量呈现先增加后减少的趋势，在稻草纤维添加比例为6%时，出现极大值为0.41。
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图 3 不同配合比下植生基材的保水性注：不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05)Figure 3. Water retention capacity diagram of planting substrate under different mix ratios2.2 植生基材的孔隙率测试
图4为不同配合比下植生基材的孔隙特征指标变化规律图，计算方法如式（3）—式（8）所示。从图4可以看出：稻草纤维和水泥的协同作用使得土壤非毛管孔隙率、土壤毛管孔隙率、总孔隙率整体先增加后减少，容重不断降低。观察不同配合比下植生基材的土壤非毛管孔隙率变化规律图4a发现：在水泥添加量较少时（2%），随着稻草纤维的增加，土壤非毛管孔隙率呈现递增趋势。但是在水泥添加为6%时，随着稻草纤维的增加，土壤非毛管孔隙率先增加后减少。这可能由于水泥和稻草纤维作用，植生基材形成大的团聚体，减少了土壤非毛管孔隙率数量。图4b为不同配合比下植生基材的土壤毛管孔隙率变化，发现：在水泥添加量为2%和4%时，随着稻草纤维的增加，土壤毛管孔隙率大致呈现递增趋势。但在水泥添加量为6%时，随着稻草纤维的增加，土壤毛管孔隙率大致呈现先增加后减少的趋势。并在稻草纤维添加量为6%时，出现极大值为75.94%。由不同配合比下植生基材的土壤容重变化规律图4c可知，随着稻草纤维的增加，土壤容重整体呈现递减趋势。在不同配合比下植生基材的土壤总孔隙率变化规律图4d中发现：在水泥添加的质量分数为6%时，随着稻草纤维添加比例增加，总孔隙率呈现先增加后减少的趋势，在稻草纤维添加比例为6%，水泥添加比例为6%的组别出现极大值（79.68%）。
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图 4 不同配合比下植生基材的孔隙结构特征Figure 4. Pore structure characteristics of planting substrate under different mix ratios2.2.1 对T2谱进行分析
1）T2图谱。核磁共振的T2图谱反映了试样内部孔隙尺寸的分布，T2弛豫时间越长，孔隙半径越大，T2弛豫时间越短，孔隙半径越小。图5a—图5c分别为水泥添加质量分数为2%、4%、6%时，不同稻草纤维含量下的植生基材T2谱分布图。由图5可知：除了稻草纤维的质量分数为0的植生基材组别，其他组别的T2图谱均为“双峰”结构。对T2图谱的覆盖面积进行统计，随着稻草纤维含量的增加，T2图谱覆盖面积整体呈现上升趋势。随着稻草纤维含量的增加，最大峰谱整体向右移动，表明稻草纤维的添加会显著改变植生基材的土壤孔隙大小，从而影响土壤结构特征。当稻草纤维添加量为固定值时，随着水泥的添加，最大峰值整体呈现下降趋势。对同一水泥含量的组别进行分析，发现在稻草纤维添加百分比为4%的组别出现最大峰值的极大值，在稻草纤维添加量为0的组别出现最大峰值的极小值。
2）成像。图6为植生基材的核磁成像结果变化图。图6中彩色部分代表水分子所在位置，颜色越亮，面积越大，表明水分子越多。植生基材中含水量越多，孔隙也就越多。分析图6发现：随着稻草纤维的增加，植生基材的亮度和面积逐渐增加，因此含水量明显增加，孔隙数量也显著增加。但是水泥影响规律并不显著。图6c亮度和面积明显大于图6b，且明显大于图6a，图6f亮度明显大于图6e，且明显大于图6d，在图6c植生基材组别内水分子亮度最大，面积最广。
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图 6 不同配合比下植生基材的核磁成像Figure 6. Nuclear magnetic imaging of planting substrate under different mix ratios2.2.2 土壤不同类型孔隙变化
图7为稻草纤维和水泥不同含量下的植生基材孔隙类型占比变化规律。根据历史文献[15,17-18]，对沙质土壤T2图谱进行划分：0.1～10.0 ms为小孔隙，10～100 ms为中孔隙，＞100 ms为大孔隙，同时统计各区间的占比。从图7可以明显看出：稻草纤维和水泥的添加可以显著增加大孔隙数量。随着水泥含量的增加，小、中孔隙均值先增加后减少。大孔隙均值不断增加，水泥从4%到6%的大孔隙均值增长幅度显著高于从2%到4%的增长幅度。
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图 7 孔隙占比统计注：不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05)Figure 7. Statistical diagram of pore proportion3. 讨 论
3.1 植生基材保水性能的影响分析
植生基材质量分数为0稻草纤维的组别，累积失水量显著低于其他组别（图2），保水量平均值最低（图3），这是因为水泥遇水硬化后会形成紧密的结构，这种结构的孔隙率极低，基本上不具有良好的毛细管效应和保水性。稻草纤维添加显著影响土壤孔隙（图3、图4）。这是因为纤维容易在骨料和水泥浆体之间形成较优的交错连接，增强了水流在这之间的流通率，因此，在水泥界面过度区域会形成较多的孔隙[19]。但是累积失水量和土壤毛管孔隙在水泥添加比例为6%（图2），稻草纤维添加比例为6%的组别出现峰值（图4b）。根据文献[20]可知，添加稻草纤维可以促进土壤孔隙增大，但是土壤的中小孔隙增加，有助于提高土壤的保水性。所以当稻草纤维的含量不断增加时，保水性出现下降趋势，这是植生基材中的大孔隙增加造成的。稻草纤维少量增加时候，稻草纤维处于“无序”状态分散于混凝土中时，纤维周围被水泥浆及骨料包裹，孔隙减少。当其处于“有序”的集中状态时，纤维间彼此相接处的密集度增高，被水泥浆及骨料包裹的范围减少，孔隙数量在一定程度得到提高[21]。但是当水泥添加量较多，稻草纤维不断添加增加，部分稻草纤维矿化产成腐植质，水泥进行水化，胶结作用增强，促进了大尺度团聚体的形成。这种团聚体不仅能增加混凝土内部的大孔隙数量。图7中，随着稻草纤维和水泥含量的增加，中、小孔隙平均值先增加后降低，大孔隙平均值不断增加也验证了这个结论。这与SU等[22]的研究结论相一致。
试验发现：在稻草纤维添加量为6%，水泥添加比例为6%时，黄河底泥植生基材出现最大保水量（66.1 g），土壤毛管孔隙率（75.94%），总孔隙率（79.68%）。因此进行沙质土壤改良，生态修复工程，推荐使用质量比（底泥∶生态剂∶有机肥∶稻草纤维∶水泥=100∶6∶6∶6∶6）进行施工。
3.2 植生基材保水机理分析
根据上文结果可知：由于稻草纤维和水泥的相互作用导致植生基材的保水性发生了变化，表现为：水泥一定时，一定阈值的稻草纤维添加，容重减少，中小孔隙增加，保水量得到提高。为了解释稻草纤维和水泥协同作用植生基材的保水机理，本试验利用扫描电镜（SEM）和X射线衍射仪进行分析。
3.2.1 细微观特征及生成物成分
为了探究稻草纤维和水泥含量变化对植生基材保水性的影响，通过扫描电子显微镜对6组具有代表性试样的土壤微观结构进行观察。图8和图9为植生基材放大1 000和10 000倍的SEM图。由图8可知，随着稻草纤维含量的增加，植生基材的孔隙数量明显增加。但是在同一稻草纤维含量下，随着水泥含量增加，植生基材孔隙周围出现较多的颗粒状胶结物堵塞了孔隙。分析图9可知，当稻草纤维添加质量分数为0时，植生基材组图9a、图9d组之间连接紧密，缝隙较少。随着稻草纤维含量增加，稻草纤维缠绕在胶结物内部，改变了胶结物的大小，先后出现大颗粒及块状胶结物填充在植生基材缝隙交界处，增加了孔隙数量。研究结果也进一步表明，孔隙数量的增加与植生基材中胶凝物含量密切相关。
为了进一步分析这些胶结物的物质组成及生成机理，采用X射线衍射进行分析。植生基材的物质生长如图10所示。当没有稻草纤维添加时，随着水泥梯度的增加，SiO2显著增加。当水泥梯度一定时，随着稻草纤维的增加，SiO2、CaCO3、C−S−H的峰值先增加后降低。这表明稻草纤维比例增加后，秸秆纤维中存在一些化学成分阻碍水泥的水化过程，对于水泥的固化效果有着一定的影响。秸秆纤维中的半纤维素主要由阿拉伯糖基−葡萄糖醛酸基−木聚糖组成，在水泥水化的碱性条件下半纤维素会发生水解反应生成水溶性的单糖，这种单糖物质在水泥的水化过程当中会与水化产物中的Ca2+反应生成包覆于水泥颗粒表面的难溶性物质糖酸钙，这种单糖会随着反应进行而持续析出，生成的糖酸钙在水泥颗粒表面形成愈发致密厚实的膜结构，使得水泥颗粒与水分子接触面积变小，进而减缓了水泥的固化过程[23-24]。
3.2.2 保水机理分析
综合上述分析，资源化利用黄河底泥，稻草纤维和水泥协同作用植生基材，提高保水性的机理主要有以下几个方面：
1）稻草纤维的吸水性及物理填充作用。稻草纤维本身具有较强的吸水性[25]，且纤维细胞之间填充的木质素、半纤维素等物质相对较少，具有较弱的胶合性，因此稻草在干燥后易于分离，不会紧密黏合在一起。稻草纤维长度各异且方向随机，这种不规则排列使得纤维堆叠起来时不能形成紧密有序的结构，而是相互之间留有一定的空隙，形成蓬松结构，如同天然的“骨架”嵌入土壤中，阻止了土壤颗粒过于紧密堆积，增加了孔隙空间（图11c）。因此，适量添加稻草纤维，会增加植生基材的孔隙数量，提升土壤保水能力。
2）稻草纤维和水泥各自的化学作用。当水泥与水混合时，水泥的主要成分硅酸盐水泥熟料（包括硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙等矿物）会与水发生一系列复杂的化学反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙等多种水化产物[22,26]。这些水化产物具有极高的比表面积和黏结性。可以与周围的颗粒进行团聚，形成孔隙。但是随着稻草纤维的增加，会阻碍水泥水化，胶结作用减弱。由于水分和水泥水化会放出热量，部分稻草纤维会进行矿化，分解成腐植质，因为土壤腐植质有许多负电荷，可以吸附带正电荷的土壤颗粒[27]，并通过静电重力将它们聚集在一起。腐植质中含有羧基和酚羟基，可以与其他土壤颗粒以及自身官能团之间形成氢键，进一步加强颗粒间的连接，形成团聚体，增加土壤孔隙。
3）水泥和稻草纤维的协同作用。稻草纤维在自然状态下常常呈现出丝状形态，当将其拌合到植生基材的土壤当中时，这些纤维可以均匀地分布在土壤颗粒之间，利用水泥的水化产物进行胶结，极容易团聚成大的土壤颗粒[28]，增加土壤孔隙。且稻草纤维其独特的蓬松结构使得其在植生基材中发挥支撑和形成骨架的作用。当水泥与水接触发生水化反应时，会生成一系列水化产物，逐渐形成坚硬的硬化壳。这一过程中，稻草纤维因其自身化学性质稳定，不参与水化反应，而是作为惰性填充物存在于水泥基体之中。水泥浆体在硬化过程中会紧紧包裹住稻草纤维，但并不会完全填充其内部的空隙，而是保留了稻草纤维原有的蓬松结构（图11）。因此，即使在水泥固化后，稻草纤维依然能够以其原有的形态，存在于植生基材内部，为混凝土增添了中小孔隙的空间。这些微孔可以吸附并储存水分，减缓水分蒸发速率，有助于提高维持植生基材保水能力，这对于干旱条件下植物的存活与生长尤为重要。
3.3 植生基材工程应用推广探索
进行乌海矿区的生态修复，提高黄河底泥植生基材材料的保水性具有重要的实际的工程意义。因此分析在不同水泥和稻草纤维梯度下植生基材的保水性。并且调研发现[2]：乌海地区土壤保水性弱的主要原因是土壤质地差，土壤有机质含量低，缺乏植物覆盖。分析试验结果可知，稻草纤维和水泥的协同作用显著提高植生基材的保水性，这表明稻草纤维和水泥可以改良湖泊底泥型植生基材的土壤质地和孔隙结构，从而提高土壤保水性。且土壤结构也会影响土壤肥力保持和释放，有助于植物生长，因此，在生态修复的应用中应采用适量的稻草纤维和水泥来改善土壤保水性具有可行性。
进行黄河底泥改良，提高保水性，进行生态修复，应坚持经济原则。对黄河底泥植生基材推荐配合比的材料进行计算，发现每平方米为110.29元。加上人工等费用，每平方米不足150元（表5）。目前植生基材的成本约为每平方米200元[7]，大大减少了施工成本。这是因为占比最大的底泥造价低廉，且给植物供给营养的有机质由稻草纤维提供。本试验成果可以推广到需要利用砂质土壤进行生态修复的地区，配合比要根据改良土壤的肥力和需求进行调整，土壤质量较好，可以减少有机质的含量。
表 5 黄河底泥基植生基材材料成本Table 5. Material cost of planting substrate of Yellow River bottom sediment组别 底泥 生态改良剂 稻草纤维 有机肥 水泥 单价/（元·kg−1） 0.100 7.200 0.150 0.545 0.600 体积/m3 180.0 10.8 14.4 10.8 10.8 价格/元 18.000 77.760 2.160 5.886 6.480 总价/元 110.29 110.29 110.29 110.29 110.29 注：厚度为10 cm；底泥密度为1 800 kg/m3。 本研究验证了稻草纤维和水泥协同作用增强黄河底泥基植生基材保水性的可行性；但同时也注意到了提高黄河底泥基植生基材含水量持久性的必要性。这将是我们后续研究的重点，其重点在于提高稻草纤维和水泥协同作用下黄河底泥基植生基材含水量长期稳定地保持能力。
4. 结 论
1）在稻草纤维添加比例为6%，水泥添加比例为6%时，黄河底泥植生基材出现最大保水量为66.1 g，土壤毛管孔隙75.94%，总孔隙率79.68%，显著增加了植生基材的保水量。
2）稻草纤维和水泥的协同作用显著提高了植生基材的保水性，建议进行沙质土壤改良，生态修复工程，使用质量比（底泥∶生态剂∶有机肥∶稻草纤维∶水泥=100∶6∶6∶6∶6）进行施工。
3）稻草纤维和水泥对植生基材的保水机理主要包括：稻草纤维的物理填充作用，两者各自的化学胶结作用以及水泥和稻草纤维的协同作用。
本研究验证了稻草纤维和水泥协同作用增强黄河底泥基植生基材保水性的可行性；但同时也注意到了提高黄河底泥基植生基材含水量持久性的必要性。这将是我们后续研究的重点，其重点在于提高稻草纤维和水泥协同作用下黄河底泥基植生基材含水量长期稳定的保持能力。
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图 3 不同配合比下植生基材的保水性
注：不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05)
Figure 3. Water retention capacity diagram of planting substrate under different mix ratios
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图 4 不同配合比下植生基材的孔隙结构特征
Figure 4. Pore structure characteristics of planting substrate under different mix ratios
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图 6 不同配合比下植生基材的核磁成像
Figure 6. Nuclear magnetic imaging of planting substrate under different mix ratios
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图 7 孔隙占比统计
注：不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05)
Figure 7. Statistical diagram of pore proportion
表 1 底泥的基本性质
Table 1 Basic properties of sediment
类别 比重 pH SOM/（g·kg−1） TN/（g·kg−1） TP/（g·kg−1） TK/（g·kg−1） 粉质砂土 2.66 8.54 1.42 0.21 0.33 1.95 
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表 2 P.O 42.5 水泥化学成分
Table 2 Chemical composition of P.O42.5 cement
化学成分 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO3 MgO Na2O 质量分数/% 61.13 20.23 5.24 2.89 2.5 2.08 0.77
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化学成分 脂蜡质 水溶物 果胶 半纤维素 木质素 纤维素 质量分数/% 8.98 8.56 0.42 20.93 20.73 40.40
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表 4 植生基材各组分质量分数
Table 4 Mass percentage of each component of planting substrate
组分 底泥 有机肥 稻草纤维 水泥 生态改良剂 质量分数/% 100 6 0/2/4/6/8 2/4/6 6
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表 5 黄河底泥基植生基材材料成本
Table 5 Material cost of planting substrate of Yellow River bottom sediment
组别 底泥 生态改良剂 稻草纤维 有机肥 水泥 单价/（元·kg−1） 0.100 7.200 0.150 0.545 0.600 体积/m3 180.0 10.8 14.4 10.8 10.8 价格/元 18.000 77.760 2.160 5.886 6.480 总价/元 110.29 110.29 110.29 110.29 110.29 注：厚度为10 cm；底泥密度为1 800 kg/m3。
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