可持续的重用疏浚土作为衬底材料通过与聚丙烯酰胺改善,稻草,高吸水性树脂聚合物

文摘

每年,相当数量的疏浚土产生的通道疏浚操作。然而,有相对较少的证据关于可持续疏浚土的重用。在这项研究中,一种改进基材主要由疏浚土开发检查三种衬底的影响修正土壤的营养含量,物理特性,和保水能力,以及高羊茅的发芽率。正交组合的三个控制基质盆栽试验使用聚丙烯酰胺(PAM)、稻草,高吸水性聚合物(SAP)在应用程序和利率为0.5,1、1.5、2、2.5 g / kg;15、20、25、30、35克/公斤;和0、3、6、9和12克/公斤,分别。结果表明,PAM的充分应用可能提高保水能力和可用N保留疏浚土的能力。PAM抑制高羊茅种子萌发明显当浓度超过0.5克/公斤(< 0.05)。稻草的加入显著提高疏浚土壤营养含量和高羊茅的发芽率(< 0.05)。增加SAP显著减少疏浚土的体积密度(< 0.05)。测试组最低是48.20%低于CK。本研究为疏浚土的可持续重用提供了新颖的想法和作为指导未来研究旨在增加external-soil喷播技术的有效性。

1。介绍

疏浚土是松散的沉积物混合粒子组成的粘土,淤泥,和沙子产生的侵蚀和风化的土壤、岩石、和有机材料,以及人类活动(1]。沉积物沉积在不同水源造成交通和运输问题由于河流变浅。这些疏浚土,被认为是浪费材料,沉积在海洋或陆地上。例如,到2015年,将超过140亿吨³疏浚土的疏浚每年从中国主要河流和商业港口(2]。疏浚土通常归类为废料倾倒在海洋或存储的院子里3,4),尽管这些材料应该被重用。

几项研究都集中在挖掘土壤作为路面材料的重用,如路基、底基层选定材料,和基础课程(5,6]。不过多数疏浚土的细粒度的材料,如泥浆和粘土、高孔隙比、高压缩性、低强度、低承载力,有机质的存在(1]。提高疏浚土作为基质材料有可能成功地转换成宝贵的土地资源。衬底材料,一种新颖的产品,改善水保护、保温,成本低,易于维护,研究了作为一个有前途的边坡材料(7- - - - - -9]。

是至关重要的筛选和确定合适的修改可以用来提高疏浚土满足工程需求。土壤可能修改与阴离子聚丙烯酰胺(PAM)等物质,通常会产生大量的物理影响相对较少数量的材料(10- - - - - -12]。众多形式的阴离子型PAM作为农业土壤调节剂产生应用程序在多个地点在全球范围内,包括控制渗透,径流和土壤侵蚀,以及,减少养分损失从土壤中由于灌溉13,14]。最近的研究使用阴离子型PAM提高疏浚沉积物主要集中在使用它与粉混凝土提高强度和减少疏浚沉积物的含水量15- - - - - -17]。然而,研究了PAM的影响在疏浚土植被生长和营养保留。此外,尽管许多研究了PAM的有效性,有一个缺乏定量信息详细PAM的协同效应和其他修改,如稻草和其他水潴留代理、疏浚土。

超过一个世纪,居民在许多小城镇在中国和韩国结合稻草和泥土建造村墙(18]。稻草现在广泛使用在农业和环境。稻草正成为农业和环境的解决方案提高作物生长,增强土壤团聚体和土壤有机碳(19,20.]。一些研究发现,在自然环境中,微生物降解稻草来生成N和有限公司₂。这些化合物反应生成MgCO硫酸镁在稻草₃和(NH₄)₂所以₄植物所需的营养,降低水稻秸秆堆肥的pH值(21,22]。因此,我们选择了稻草在这项研究中探索其协同作用的效果与其他基质改善营养含量和减少挖掘土壤的pH值。

最后,一个常见的水的吸收剂吸收,高吸水性聚合物(SAP),已被应用在农业节水剂(23]。它已经表明,在土壤中加入一个高吸水性聚合物改善其物理性能,导致增强的渗透和减少蒸发和土壤侵蚀在灌溉24,25]。当聚合物混合到土壤,假设他们保留大量的水和养分,可以被植物根系吸收,提高种子萌发和崛起,以及作物生长和产量(26- - - - - -28]。因此,SAP可能被利用在农业和环境保护作为一种高效的水和肥料保留代理。总之,PAM、稻草和SAP典型疏浚土壤调节剂,使他们一个合适的和实用的选择。

本研究的目标是(1)调查不同的应用程序的影响的各种衬底修正案(PAM、SAP和稻草)营养内容(土壤有机质;可推断出的N, P, K)疏浚土,(2)探讨不同基质的影响修正挖掘土壤的保水性和物理性质,和(3)评估各种基质的影响修正的出现率高羊茅在疏浚土。

2。材料和方法

2.1。材料

疏浚土得到的堆填区Xiaoxing村(32°4′49“N, 119°34 34 e′),镇江,中国,京杭大运河附近。衬底材料如下:(1)阴离子型PAM,兴帮环保科技有限公司所提供的有限公司,义乌,中国,800万年高分子量和水解度23.5%;(2)稻草撞块1 - 2厘米;和(3)高吸水性聚合物(SAP),撑起化学工程和科技有限公司提供的有限公司,上海,中国由一个suspension-polymerized和共价交联丙烯酰胺/丙烯酸共聚物。表1显示选中的衬底材料的基本性质和土壤。

2.2。实验设计

盆栽实验进行了在镇江江苏科技大学(32°6′42“N, 119°21′8 e),江苏,中国,从2020年5月至8月。这个站点的年平均温度为15.4°C,年平均降水量817毫米,年平均蒸发是∼1423毫米。锅(12厘米深,顶部直径16厘米,底部直径和13厘米)是实验前用自来水洗净。

正交设计法优化配方的衬底材料以及评估材料属性和各种因素的影响程度。根据以前报道的水和肥料保护上述基板(8,14,29日),剂量梯度土壤PAM的决心是A1 (0.5 g / kg), A2(1克/公斤),A3 (1.5 g / kg), A4 (2 g / kg),和A5(2.5克/公斤);稻草是控制B1(15克/公斤),B2(20克/公斤),B3(25克/公斤),B4(30克/公斤),和B5(35克/公斤);和SAP C1 (0 g / kg), C2 (3 g / kg), C3(6克/公斤),C4(9克/公斤),和C5(12克/公斤)。根据变量的范围,为每个因素五水平选择,因此,五级表被选中。变量之间的相互作用被忽视,只有四个因素被选中。实验是适当的表l₂₅(5³)。在表2正交试验的因素和水平列出。

有25个治疗,每个都有三个平行,CK作为空白对照组(表2)。每组78高羊茅种子的罐子。每个锅充满了1000克的挖掘土壤和多种底物不同程度的修改。

从野外采集土壤样本第一次渗用2毫米的自然干燥和筛,在锅中混合基质材料。容器就充满了500克的水和左站24 h,之前再次浇水,土壤饱和,和二十种子植入。2020年5月到2020年6月,种子培养在苗圃花园(图1)。在这段时间里,幼苗浇灌每两天,饱和含水量保持在70%。

2.3。土壤采样和分析

核心方法(5厘米高度×5.46厘米直径)被用来估计体积密度、总孔隙度和饱和水能力。H₂所以₄- k₂Cr₂O₇氧化法是起诉来测量土壤有机C [30.]。2摩尔/ L氯化钾溶液被用来提取NH后可抽出的n^{4 +}对土壤胶体被K所取代⁺,它与次氯酸盐和苯酚反应在强碱性介质形成水溶性染料靛酚蓝。水溶性染料靛酚蓝的颜色深度是与N含量成正比。NaHCO₃起诉中提取可榨出的P (31日]。可推断出的K后,原子吸收光谱法测定提取1 mol / L NH₄OAc (pH值7.0)解决方案(32]。幼苗的数量记录日常和高羊茅出现率估计基于28日天幼苗的数量。对于每一个土壤样本,三个复制决定为每个土壤性质进行。

2.4。统计分析

数据分析使用单向方差分析20(方差分析)在IBM SPSS软件,主要和次要的因素,以及它们的最佳组合,确定使用范围分析。起源8.0是用来进行统计映射。

3所示。盆栽试验结果

3.1。土壤养分含量

有机C,可抽出的N,可推断出的P和K可榨出的土壤养分含量的重要组件。图2表明,所有治疗不同的修正案增加了有机C,可抽出的N,可推断出的P,和疏浚土可抽出的K含量,虽然增加的大小不同的治疗方法。图2(一个)表明,所有治疗各种基质增加有机C CK组相比,表明三种基质的结合可能帮助增加土壤有机C在疏浚。治疗23号表现最好的衬底材料,增加有机C约7.86克/公斤,占234.47%的CK组。治疗23号表现疏浚土的贫困,增加有机C含量4.50毫克/公斤,与CK组相比增加了70.51%。这导致显著增加疏浚土的有机C含量在不同基质组合使用。如图2 (b),所有治疗各种基质改良的可抽出的N内容基材相比,CK组。在所有的治疗方法、治疗19号生产最大的N内容修改疏浚土,测量123毫克/公斤,比CK高217.58%。此外,治疗至少8号已经改进疏浚土,用N含量为66.04毫克/公斤,比CK组增加了6.35%。各种基质的可推断出的P内容修改疏浚土图所示2 (c)。治疗10号最高性能的衬底材料,增加可榨出的P约197.27毫克/公斤,占234.47%的CK组。在疏浚土、治疗18号表现最穷的增加可榨出的P(59.7毫克/公斤,CK组相比增加了6.35%。图2 (d)显示了不同基质的可抽出的K浓度的变化修改疏浚土。治疗16号在1032.52毫克/公斤,表现最好的在所有基质材料,可推断出的P增加468.13%,而治疗21号在244.83毫克/公斤,表现最糟糕的,与CK相比提高了38.98%可榨出的P组。

3.2。物理性质和土壤保水能力

数据3和4显示,土壤容重、总孔隙度和饱和含水量不同的治疗后,指出所有基质复合治疗的物理性质和土壤保水性的影响。除此之外,这也表明,三种基质的组合可以帮助提高疏浚土的物理性质和水潴留。图3表明CK组相比,治疗与不同基质减少了体积密度。治疗5号获得土壤容重最低的0.72克/厘米³在疏浚土,这是48.20%低于CK。此外,治疗8号展示了最小程度的改进疏浚土的体积密度1.23克/立方厘米,与CK组相比下降11.51%。图3表明,除了1号,9号和20号治疗,整体孔隙度的基材是CK组相比显著提高。治疗5号表现最好的衬底材料,总孔隙度增加66.89%,占29.73%的CK组。图4显示了所有治疗与不同的基质改良基质材料的饱和持水量和田间持水量与CK组相比,表明三个底物结合也许有助于提高土壤保水能力衬底材料。治疗5号表现最好的在所有的衬底材料,增加饱和持水量和田间持水量118.97%和124.50%,分别比CK组。

3.3。高羊茅的发芽率

图5显示了高羊茅的出现率与不同的治疗方法,指出所有基质复合治疗提高发芽率,结合三种基质可能有助于提高高羊茅的发芽率疏浚土。治疗23号超过所有其他衬底材料,提高发芽率高羊茅的疏浚土400%与CK相比。

4所示。对正交试验的分析

4.1。范围分析

可推断出的P 23号的实验,例如,最大,实验结果如图所示1。然而,每个治疗对不同的指标有不同的影响。应该进行深入研究以确定最优水平组合,对不同指标的影响。如表所示3实验结果的平均值在每个水平表示k1,k2,k3,k4,k5。理论上最优组合实验结果的平均值是最大值。范围被定义为不同目标的最大和最小的平均,并表示R。的价值R反映了对目标变量的影响程度。图中给出了每个因素的趋势曲线S1。

表3显示了基材的影响程度与三种不同基质不同的指标。每个因素的影响程度的顺序在有机C和P可推断出的内容是稻草> SAP > PAM。三种基质的最佳组合为有机C A2B5C5,而可榨出的P是A1B3C1的最佳组合。此外,表3显示每个因素的影响程度的顺序可抽出的N和K含量是稻草> PAM > SAP,虽然A5B5C2和A2B1C5是最好的组合三种基质可抽出的N和K可抽出的,分别。

每个因素的顺序对体积密度的影响,总孔隙度、饱和持水量是SAP > PAM >稻草。最优组合的三种基质容重A5B5C5,而总孔隙度和饱和水能力的最佳组合是A5B4C5。

根据分析(表范围3),每个因素的影响程度的顺序PAM >稻草> SAP。A1B5C2是这三个勇士的最优组合基质对提高高羊茅的发芽率疏浚土。

4.2。方差分析

方差分析显示范围的顺序影响目标凭直觉。然而,它不能区分变量水平不同造成的波动和波动引起的实验误差。它也没有提供一个标准的标准判断一个变量的影响是明显的。方差分析是需要解决的问题。

主效应分析的结果与单向方差分析(表4)表明,显著性水平的衬底材料与三种不同底物有机C,可抽出的N,可推断出的P,可抽出的K,容重、总孔隙度、饱和持水量,萌发率是不同的。表4表明,稻草和SAP内容衬底材料对有机C含量有显著影响(< 0.05),而并不影响有机C PAM内容内容(> 0.05)。可推断出的N含量显著影响秸秆和PAM内容(< 0.05),但不是由SAP内容(> 0.05)。可推断出的P含量显著影响秸秆基质材料(< 0.05),而帕姆或SAP内容并不影响P的内容(> 0.05)。草可榨出的含钾量(有很大的影响< 0.05),而PAM和SAP内容影响很小(> 0.05)。

此外,表4显示SAP内容在衬底材料对土壤容重的影响显著,总孔隙度、饱和持水量(< 0.05),而PAM内容并不影响土壤容重、总孔隙度、饱和水能力,或田间持水量(> 0.05)。方差分析(表4)进一步表明,发芽率高羊茅在疏浚土显著受到PAM、SAP和稻草内容在基材(< 0.05)。

5。讨论

5.1。不同的基质养分含量的影响

这项研究的结果表明,稻草对营养有重要影响的内容(有机C和可抽出的N, P, K)在疏浚土,这可能是由于在疏浚土稻草被微生物分解,这个过程可以提供植物所需的营养物质,如土壤有机质和可抽出的N, P, K (33]。过度稻草应用,另一方面,不能不断增加可用的P和K疏浚土(图S1)。这是因为不同类型的土壤活性有机碳贡献不同的土壤养分的可用性(34]。阿尔瓦雷斯等人发现,秸秆的分解中,低分子量有机酸和短链脂肪酸被释放,这与土壤腐殖化的有机物质在土壤微生物的作用,导致有机质的形式随时可氧化的碳。这部分的有机物质被证明是可抽出的N(呈极显著的正相关关系,< 0.01)显著负相关,可抽出的K (< 0.05)(35]。

与此同时,本研究的结果表明,土壤有机质呈正相关SAP内容(图S1)。SAP应用程序可能会导致土壤开发更多的毛孔和留住水(36),使秸秆分解和转换条件(37,38]。刘等人进行了盆栽试验来确定SAP对养分吸收和积累的影响抗旱性幼苗。结果表明,联合应用SAP和化肥土壤中的N和K的数量增加了7.15%和10.04%,分别比单一肥料的应用程序(39]。

本研究证实PAM疏浚土可用N含量增加,因为它呈正相关,PAM内容(图S1)。这是因为N是一个可用水溶性材料,可以通过水流运输。阴离子聚丙烯酰胺分子吸附阳离子微粒在土壤中,形成较大的骨料,提高土壤孔隙度和渗透水和土壤保水能力,从而增加保留可用的N [40,41]。

5.2。不同基质对水潴留和物理性能的影响

本研究证实不同基质的修正案改善挖掘土壤的保水性,这与先前的研究一致的保水性基质材料(8,20.,42,43]。这项研究的结果表明,SAP保水性有显著影响,在疏浚的土壤物理性质。这种效应可以解释,因为SAP由交联高分子亲水部分的组织,能吸收和留住液体,和吸收水逐渐释放到土壤的土壤变干和植物根压增加。这种机制确保充足的水供应在植被生长(44,45]。白等人观察到SAP的体积随期间释放的水润湿/干燥周期。因此,更多的毛孔形成和土壤的容重降低,数量越大,效果越好(36]。根据本研究的发现,最优PAM剂量水潴留和疏浚土的物理特性为2.5 g / kg,和土壤容重与PAM含量负相关,而土壤总孔隙度和保水性呈正相关。这是因为当PAM分子接触到水分子,疏水基地可能转变向内由于疏水作用,导致颗粒结构不溶于水。水化水是由亲水集团和水分子之间的氢键。同时,PAM分子链与土壤颗粒形成一个三维的桥梁结构,它允许更大的絮体,改善土壤结构(46]。

5.3。不同基质对发芽率高羊茅的疏浚土

在这项研究中,三种基质的修正案显著提高高羊茅在疏浚土的发芽率。发现PAM含量高可以显著抑制高羊茅的萌发,PAM的最佳剂量为0.5 g / kg。这与以前的研究一致47]。在实验室盆栽试验,郑等人研究了0的影响,0.125,0.250,和0.5 g / kg PAM在种子萌发和幼苗生长Neyraudia reynaudiana。他们的研究结果表明,PAM里德可以促进种子萌发,缩短发芽时间,提高发芽率。然而,过多或过少导致的发芽率Neyraudia reynaudiana降低种子。这可能是由于过度使用PAM与水的种子,种子萌发的影响(48]。泰勒和Halfacre认为增长在polymer-treated抑郁Ligustrum的可能性的积累肥料盐凝胶引起的毒性(49]。多余的PAM先前的研究已经证明了影响植被的萌发。PAM对植物生长的影响,另一方面,是一个复杂的话题。机制的进一步研究PAM在植被生长和发育是必需的。

此外,本研究的结果显示稻草含量呈正相关,高羊茅在疏浚土发芽。这是与之前的调查结果一致(50]。秸秆分解生成大量的无机元素,腐殖质,和有机物质,这为高羊茅种子的发展提供养分,促进微生物的活动和种子萌发(51,52]。

本研究的结果表明,SAP显著影响高羊茅的出现率。然而,增加的SAP疏浚土不提高高羊茅的出现率(图S1),和最优SAP剂量是3克/公斤。这可能是由于SAP含量高导致可怜的体积密度,进而导致种子退化。

6。结论

本研究建立了一个有效的策略来提高疏浚土通过使用SAP, PAM和稻草。不同的修正案对疏浚土的影响不同。SAP已经被证明可以显著减少疏浚土的体积密度,同时增加其保水能力和总孔隙度(< 0.05)。然而,增加的SAP疏浚土没有一致性效应对高羊茅的出现率,和最优SAP剂量是3克/公斤。PAM可提高疏浚土的结构特性和提高其水容量和可用N保留。然而,过度的PAM的内容可能会显著抑制高羊茅发芽,发芽和PAM的最佳剂量高羊茅为0.5克/公斤。秸秆分解提高疏浚土的营养含量,为高羊茅生长提供营养,提高发芽率。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

补充材料

图S1:每个因素的趋势曲线。()(补充材料)

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