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土壤水分是连接地表水与地下水的纽带,在水资源的形成、转化及消化过程中有重要作用。近年来,由全球变暖引起的土壤含水量减少,预计将影响全球的植物群落[1]。许多土壤和水的保护措施已经实施,以减少水土流失,防止土地退化。土壤和水的养护不仅可以减少土壤和水的亏损,也改变了这部分土地表面,影响生态系统的结构和职能[2]。所以,如何提高林分的水源涵养功能,防止水土流失,保护生态环境已成为人们非常关注的问题。土壤含水率的测量是很困难且费时的一个过程[3]。一些研究者已经在广泛的空间范围和时间尺度上观察土壤含水率的稳定性[4]。每场降雨中,都有部分水沿着土壤内的空隙渗入到土壤内部形成土壤水,然后形成壤中流[5]。壤中流是坡地径流的重要组成部分,对流域径流产生、养分流失,水土流失等有重要影响[6]。壤中流对重力侵蚀起到了促发作用,与以往研究表明的长江流域坡面以面蚀为主的结论有所不同,甚至有壤中流促发的侵蚀量要远远高于片蚀、沟蚀等坡面侵蚀形式。壤中流受地形、土层厚度、土地利用等多种因素的影响,已对壤中流的产生机制[7]、优先路径[8-9]、临界性和非线性[10],以及壤中流的影响因子[11]进行了广泛的研究。土壤含水率的时间动态变化和深度变化受降雨过程的严重影响[12],降雨后土壤表层水分发生剧烈变化,表层水分含量迅速增加,在蒸散和下渗作用下表层土壤含水率缓慢减小[13],继而影响深层土壤含水率,随着深度的加深,土壤含水率对降雨的响应程度也减小。降雨时浅层次有优势流现象出现, 受到土壤结构影响和降雨量大小控制[14]。目前,林地土壤水文特征研究以蓄满稳渗特征为主,缺乏林地野外土壤水分变异规律以及对降雨响应实际特征研究。很多研究是在饱和供水坡度为零条件下总结出的规律,与野外坡面自然降水条件差异巨大。林地坡面与以上研究模拟条件相比更加复杂。因此,开展林地坡面自然降雨状态下的土壤水分响应变异过程,对于揭示森林水源涵养功能与机制,具有实际的理论指导意义。
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实验区在南京市东善桥林场铜山分场,31°35′~31° 39′ N,118°50′~118°52′E,年均气温为15.1 ℃,年降水量为1 100 mm,年日照2 199 h,无霜期229 d。试验地选择45年生的麻栎Quercus acutissima林,郁闭度为0.8,密度425株·hm-2,平均树高16.8 m,平均胸径24.3 cm,平均冠幅9.7 m。林地面坡度为18°,坡长62 m,土壤为黄棕壤。
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采用ECH2O土壤含水率监测系统,ECH2O传感器通过测量土壤的介电常数来计算土壤体积含水率。本研究着眼于土壤表层5,15,30,40,60,100 cm等6个层次土壤含水率在不同降雨强度条件下的变化特征。在监测点坡面上坡不同郁闭度50%,80%,100%各设置雨量计1个,设置集水槽3个·郁闭度-1(200 cm×20 cm×20 cm),集水槽附近除去周围过高的草本植被,使其低于径流槽,将降雨导入称重式自动排液式穿透雨测定系统,最后根据集水槽的面积以及3个集水槽的收集到的穿透雨量换算出林内雨量,降雨量结合雨量筒数据取平均值。于2012年6月29号到12月9号以半时监测1次的频率对观测地的土壤水分进行监测。实验选用翻斗式雨量计远程信息传输系统,1.0 mm降雨量通过卫星平台远程发送信息1次。
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环刀规格直径5 cm,选定麻栎林代表性的测定地点,采用环刀法取5,15,30,40,60,100 cm等层次原状土后,用水浸泡一定时间使其达到水饱和称量(M1),放入烘干箱烘干至恒量(M2),即可算出各层次的最大体积含水率。最大体积含水率(%)=[(M1-M2)/(1×V)]×100。
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土壤中侧向流动的径流成为侧向流,因为无地表径流产生,所以侧向流近似为单位时间、单位体积下土壤含水量变化量与实际降雨量的差值。Iin=ΔW-P。其中:Iin为侧向流,mm;ΔW为含水率变化量所需要的降雨量,mm;P为实测降雨量,mm。
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以时刻为横坐标,以降雨强度(mm·h-1)和土壤瞬时体积含水率(%)为纵坐标,得到5,15,30,40,60,100 cm等6个不同土壤层次土壤含水率对小雨(24 h内降雨量不超过10 mm)、中雨(24 h内降雨量为10~25 mm)、大雨(24 h内降雨量为25~60 mm)的响应变化曲线。
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以2012年10月26日为例(图 1),在降雨之前,初始含水率最大和最小的土壤层次分别是30 cm(11.53%)和60 cm(6.67%)。累计降雨量6.8 mm时,5 cm,15 cm,30 cm等3个层次的土壤含水率曲线发生了明显的变化,40 cm,60 cm,100 cm等3个层次的土壤含水率无响应,15 cm和30 cm土壤层次含水率曲线同时达到最高峰,而5 cm土壤层次含水率曲线达到最高峰的时间滞后2 h。有响应的土壤层次中,土壤含水率变化量最大和最小的层次分别是30 cm(2.90%)和5 cm(1.48%);土壤含水率上升速率最大和最小的分别是30 cm(1.45%·h-1)和5 cm(0.37%·h-1)。降雨结束,15 cm和30 cm层次土壤含水率曲线有明显的下降过程,而5 cm层次的土壤含水率曲线无响应。降雨开始,0~30 cm层次土壤含水率表现出随深度增加变化梯度增大趋势,响应曲线表现出土壤水在垂直表面非饱和入渗,侧渗壤中流集中于15~30 cm土壤层次,40~100 cm无响应特征。
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以2012年8月29号为例(图 2),在降雨之前,初始含水率最大和最小的土壤层次分别是15 cm(17.57%),60 cm(8.50%)。在累计降雨量在11.8 mm时,5,15,30,40,60 cm等5个土壤层次土壤含水率都有明显的变化特征。5 cm,15 cm,30 cm等3个土壤层次土壤含水率同时达到最高峰,40 cm层次土壤达到最高峰滞后2 h,60 cm层次土壤含水率缓慢上升。有响应的土壤层次中,土壤含水率变化量最大和最小的层次分别是15 cm(5.72%)和60 cm(1.037%);土壤含水率上升速率最大和最小的分别是15 cm(5.72%·h-1)和60cm(0.52%·h-1)。在达到最高峰之后,5 cm和15 cm层次土壤含水率有显著下降趋势,30 cm和40 cm层次土壤含水率则趋于稳定,60 cm和100 cm层次土壤含水率有很缓慢的上升趋势。中雨开始时,0~15 cm层次的土壤含水率表现出高速增长趋势,曲线显示垂直表面非饱和入渗和测渗集中于0~30 cm土壤层次垂直面上。
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以2012年8月21日为例(图 3),在降雨之前,初始含水率最大和最小的分别是15 cm(15.65%),60 cm(7.24%)。第1次降雨,曲线达到最高峰累计降雨量36.8 mm,各层次土壤含水率曲线出现明显上升,降雨3.0 h时5,15,30,100 cm等4个层次土壤含水率达到最大值,降雨3.5 h时60 cm层次土壤含水率达到最大值,降雨4.5 h时40 cm层次土壤含水率达到最大值,峰值最大和最小的是15 cm(23.4%)和60 cm(9.87%),土壤含水率变化量最大和最小的分别是100 cm(9.79%)和60 cm(2.63%);土壤含水率上升速率最大和最小的分别是100 cm(4.39%·h-1)和60 cm(0.87%·h-1)。
图 3 2012年8月21日大雨条件下6个土壤层次土壤含水率对降雨的响应
Figure 3. Rsponse of VSWC at 6 depths to rainfall intensity on the day 21st, Aug., 2012 for storm rainfall event
第1次降雨缓慢结束,5 cm,15 cm,100 cm等3个层次土壤含水率曲线有明显的下降过程,30 cm,40 cm,60 cm等3个层次土壤含水率曲线趋于稳定。第2次降雨,曲线达到最高峰累计雨量18.0 mm,5,15,30,40 cm等4个层次土壤含水率曲线同时达到最高峰,第2次降雨结束后,5,15,30,40 cm曲线呈下降趋势,而60和100 cm层次土壤含水率曲线呈上升趋势,60,100 cm层次土壤含水率曲线达到最高峰,相对滞后1.0~2.0 h,峰值最大和最小的分别是15 cm(26.24%)和60 cm(9.87%);土壤含水率变化量最大和最小的分别是15 cm(10.59%)和60 cm(5.39%);退水速率最大和最小的分别是5 cm(3.78%·h-1)和40 cm(0.63%·h-1)。
表 1为各个层次最大体积含水率。由图 3降雨过程中在各上层土壤远未达到最大体积含水率时,下层土壤含水率有明显的变化特征,表明是土壤水是非饱和下渗,在上层土壤没有达到土壤饱和含水率,存在土壤水下渗过程。
表 1 麻栎林各层次土壤的最大体积含水率
Table 1. Measurd max VSWC at 10 depths under oak forest
麻栎林土壤层次深度/cm 理论最大体积含水率/% 麻栎林土壤层次深度/cm 降雨过程实际最大体积含率/% 0~10 45.9 50~60 35.8 10~20 41.2 60~70 32.7 20~30 40.6 70~80 30.4 30~40 38.9 80~90 27.5 40~50 37.5 90~100 25.3 -
以时刻为横坐标,雨量(mm)为纵坐标,得到5,15,30,40,60,100 cm等6个层次土壤含水率变化理论所需雨量、实际观测点降雨量随时间的变化曲线,理论所需雨量减去实际观测降雨量等于侧向流,按照1.4节公式Iin=ΔW-P计算得到图 4~6不同级别降雨不同层次土壤侧向流响应过程。
图 4 2012年10月26日小雨情况下6个层次侧向流随时间的变化曲线
Figure 4. Response of lateral flow at 6 depths to rainfall intensity on the day 26th, oct., 2012 for small rainfall event
图 5 2012年8月29日中雨情况下6个层次侧向流随时间的变化曲线
Figure 5. Response of lateral flow at 6 depths to rainfall intensity on the day 29th, Aug., 2012 for middle rainfall event
图 6 2012年8月21日大雨情况下6个层次侧向流随时间的变化曲线
Figure 6. Response of lateral flow at 6 depths to rainfall intensity on the day 21st, Aug., 2012 for storm rainfall event
对土壤入渗有一定影响的因素很多,如降雨强度的大小[15],在图 4降雨量极小时,60~100 cm层次的土壤含水率变化微小,看不到明显的曲线特征,而5~40 cm的土壤含水率变化与降雨过程有良好的同步性,此层次显著地出现了侧向流。图 5~6中,中雨和大雨时,0~100 cm层次的土壤含水率变化与降雨过程有一个很明显的响应曲线特征,侧向流对降雨的响应很显著。
由图 4~6显示:麻栎林土壤5,15,30,40,60,100 cm等6个层次土壤含水变化量变化随降雨量增大而变化显著,而在小雨和中雨时侧向流较小,但在大雨情况下侧向流呈高速增长特征。反映了土壤垂直方向上有侧向流的侵入使土壤含水率变化的加剧,小雨过程中产生最大侧向流2.1 mm,中雨过程中产生最大侧向流2.4 mm,大雨过程中产生最大侧向流28.7 mm。
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降雨入渗是坡地水文循环的中心环节,入渗过程也是水文循环的最重要的组成部分之一[16],水分入渗影响了降雨地表径流、壤中流、地下水的在分配,一直以来是土壤侵蚀、非点源污染、水资源管理等科学研究的重点内容[17]。研究表明入渗的直接测量是费力费时昂贵的,而且往往涉及大量的空间和时间变化[17],所以弄清楚一场降雨的入渗过程是非常不易的。
本试验结果与鲍彪等[18]在晋西黄土区刺槐Robinia pseudoacacia林地的研究不同,由于麻栎林根系发达和坡面的复杂性在小雨和大雨时南京城郊麻栎林土壤含水率只出现上升期和退水期,没有出现平台期。麻栎林土壤初始含水率普遍出现15 cm土壤层次高,而60 cm土壤层次低的现象。随着雨量的增大,15 cm土壤层次达到最大土壤含水率,上升的速率快。土壤含水率从降雨前到降雨后呈现低-高-缓慢下降的变化趋势,一般其变异程度随着深度的增加而逐渐减小[14],但在此次研究中发现,大雨时100 cm土壤层次土壤含水率的变异程度就比40 cm和60 cm土壤层次高,这可能是由于浅层含量较高的土壤水分随着时间变化水分垂直向下再分布所致。在降雨过程中深层次的土壤含水率变化表现出很明显的滞后关系。研究表明:各层次土壤含水率对降雨强度的响应很明显,随着深度的增大,土壤含水率对降雨的响应程度也逐渐降低。
本研究表明:降雨过程中土壤层次不是达到最大含水率而开始下渗,土壤水是非饱和下渗,在上一土壤层次未达到饱和含水率的情况下就开始下渗。每场降雨垂直面上都有不同程度的侧向流流入,造成垂直面上的土壤含水率变化所需降雨量大于实际观测降雨量。
Bodman等[19]在考察匀质土层下渗过程中土壤水分坡面变化时发现,土壤下渗以表面饱和到水分传递带、湿润带、湿润锋,逐层次下渗。这些是在平面表层水分积水5 cm条件下的土壤渗透过程,和自然降雨过程条件差别巨大。由于林地土壤孔隙特征表现优先流、侧向流、垂直入渗并存的混合流特征,导致林地土壤非饱和入渗在0~100 cm具有普遍性,和以往特定条件下的入渗特征具有显著不同的规律性,表现为小雨—中雨为无饱和界面,大雨以深层次(100~60 cm)逐渐饱和过程,饱和带上方全部为水分传递带。
裸地或者林下裸露地,由于无地表覆盖,容易发生击溅侵蚀,结果导致裸露土壤泥浆溅散、孔隙堵塞,土壤失去渗透储水功能,产生地表径流和土壤侵蚀,土壤入渗为饱和入渗特征。林地发挥水源涵养功能的机制与裸地不同,林地地表覆盖阻断了击溅侵蚀的发生,土壤不会失去渗透储水功能,难以产生地表径流和土壤侵蚀,降雨过程实际小于表层土壤入渗能力,从而表现出极大不同的非饱和入渗特征。
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从小雨到大雨,降雨量均小于观测点土壤实际蓄水量,无地表径流产生,入渗均表现为非饱和入渗。土壤含水率与降雨强度呈良好的线性关系。
不同土壤层次土壤含水率对降雨响应表现出随降雨量不同差异显著。降雨强度为0~4.0 mm·h-1,土壤含水率自表层到30 cm变异幅度增大;降雨强度为12.0~30.0 mm·h-1,土壤含水率自表层到60 cm层次变异幅度降低特征,而100 cm层次土壤含水率却上升明显。
5 cm和15 cm土壤层次土壤含水率变化趋势与降雨量变化趋势有着良好的同步性,随着土壤层次的加深,土壤含水率变化趋势与降雨量同步性逐渐下降。浅层次土壤含水率对降雨响应明显,随时间深层次土壤含水率过程曲线形状与降雨过程有一定的平移和延长,中层次土壤含水率同时受降雨入渗和地下水位变动影响,深层次土壤含水率主要受地下水位变动控制。
Lateral water flow and volumetric water content with rainfall for soils in a suburban Quercus acutissima forest in Nanjing
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摘要: 为了研究森林涵养水源机制, 选择南京城郊麻栎Quercus acutissima林, 采用ECH2O土壤含水率检测系统在坡面0~100 cm深土壤5, 15, 30, 40, 60, 100 cm等6个深度层次进行土壤水分定位监测, 分析了小雨、中雨、大雨条件下南京城郊麻栎林地各层次土壤水分变异过程, 分析各土壤层次体积含水率的变化过程对降雨强度响应曲线, 得到5 cm和15 cm层次土壤水分变化与降雨量变化有良好的同步性, 在降雨量6.8 mm, 11.8 mm和36.8 mm时5 cm和15 cm层次的土壤体积含水量变化量分别是1.48%和2.10%, 5.21%和5.72%, 7.55%和7.85%;随着土壤层次的加深土壤含水率变化趋势与降雨量同步性逐渐下降, 在中雨和大雨中土壤含水量的峰值会延迟1~2小时, 在小雨下无变化。在降雨强度0~4.0 mm·hm-1, 土壤含水率自表层到30 cm变异幅度增大, 5 cm, 15 cm和30 cm层次土壤体积含水量变化量分别是1.48%, 2.10%和2.90%;降雨强度12~30 mm·hm-1, 土壤含水率自表层到60 cm层次变异幅度降低特征, 5, 15, 30, 40和60 cm的土壤体积含水量变化量分别是8.01%, 7.85%, 6.39%, 5.96%和2.63%, 而100 cm层次土壤含水率却变异幅度显著土壤体积含水量变化量达到8.97%。在2011-2012年中研究的3场降雨量为6.8 mm, 16.2 mm和36 mm中, 在降雨强度0~60.0 mm·hm-1区间, 0~60 cm层次土壤水含水率的增加量显著高于降雨量, 无地表径流发生, 最大侧向流分别为2.1 mm·hm-1, 2.4 mm·hm-1和28.7 mm·hm-1, 呈非饱和下渗现象。研究了在小、中、大降雨强度下, 0~1.00 m深度土壤垂直坡面上各层次侧向流对降雨强度响应的变化曲线, 揭示了林地侧向流对各层土壤含水率变化的影响规律。Abstract: Infiltration in forest which is not well understand till now may be quite different from that on the bare land. In order to study water conservation mechanisms and soil water infiltration law for a forest, an ECH2O soil moisture content detection system was used to measure the volumetric soil water content (VSWC) at six soil depths:5, 15, 30, 40, 60, and 100 cm, for a Quercus acutissima forest in the suburbs of Nanjing, China. VSWC with light, moderate, and heavy rainfall conditions was analyzed along with the VSWC curves of different soil depths. Also, the response of the VSWC increasing rate and its peak value as well as the peak value time to rainfall were analyzed. The response curve of lateral flow to precipitation intensity at each soil depth level between 0-100 cm was studied and the affect for the law of lateral flow on variation of VSWC at each soil depth was determined. Results showed that the VSWC at 5 cm and 15 cm levels changed synchronously with rainfall, at rainfall of 6.8 mm, 11.8 mm, 36.8 mm whose variation of VSWC are 1.48% and 2.10%, 5.21% and 5.72%, 7.55% and 7.85% respectively. And as the soil level deepened, the changing synchronicity between the VSWC and rainfall declined gradually because peak VSWC was 1-2 h lateral at middle rainfall to storm while showing no change at small rainfall. At a rainfall intensity of 0-4.0 mm·hm-1 the varying amplitude for VSWC increased from the surface to 30 cm soil depth, with the variation of VSWC at 5 cm, 10 cm, 30 cm soil depth being 1.48%, 2.10%, 2.90% respectively; at 12.0-30.0 mm·hm-1 varying amplitude for VSWC decreased from the surface to 60 cm soil depth, whose variation of VSWC are 8.01%, 7.85%, 6.39%, 5.96%, 2.63% respectively, but greatly increased at 100 cm soil depth, that is 8.97%. For selected 3 precipitation events of 6.8 mm, 16.2 mm, 36.0 mm, from 2011 to 2012, when rainfall intensity was less than 60 mm·hm-1, the precipitation needed to increase soil water content during precipitation was much higher than actual rainfall without any happening of surface runoff, of which the biggest lateral water flow was 2.1 mm·hm-1, 2.4 mm·hm-1 and 28.7 mm·hm-1 respectively. Thus, a phenomena of non-saturated water infiltration in forest soil occurred.
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Key words:
- forest hydrology /
- Quercus acutissima forest /
- VSWC /
- rainfall intensity /
- lateral flow
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随着环境保护要求的不断提高,环保型木材防腐剂越来越受到重视,此类防腐剂多以高效低毒的有机农药为主成分,配合其他助剂制备成有机型或水基型防腐剂[1-2]。三唑类杀菌剂,如丙环唑、戊唑醇、环丙唑醇、氟环唑和苯醚甲环唑等,既可以单独使用,又可以与铜制剂复配[3-4],是目前常用的木材防腐剂;这些三唑类杀菌剂杀菌谱不尽相同,作用机制也有所差异,应用较广泛的是丙环唑和戊唑醇[5-6]。常见的木材防霉剂有异噻唑啉酮类如卡松、1,2-苯并异噻唑-3-酮(BIT)、4,5-二氯-2-正辛基-3-异噻唑啉酮(DCOI)等,有机碘类如碘丙炔醇丁基氨甲酸酯(IPBC),三唑类等[7],杀菌谱也不尽相同;常用的仓储水果防霉剂如溴菌腈和抑霉唑[8-9],防霉活性较高,但较少应用于木材防霉。菊酯类杀虫剂是常见的防治白蚁的药剂,具有用量少、成本较低、废弃物易回收、环境相对友好等优点;高效氯氟氰菊酯在菊酯类杀虫剂中活性较高、稳定性较强、耐雨水冲刷性能较好。因含有大量羟基等亲水基团[10],木材变色、发霉、腐朽、变形等问题频发,品质降低[11-13],常用亚麻油、桐油、豆油、核桃油等含甘油三脂肪酸酯的植物油[14]和沥青、石蜡等含长链烷烃的矿物油用作木材防水;现代工业多将植物油与动植物蜡等复配成木蜡油[15],用作木材的表面防水处理剂。如马红霞等[16]使用56号石蜡制备木材防水剂,当石蜡质量浓度为5%时,防水效率可达54%;由此可见,石蜡可作为良好的木材防水剂。液体石蜡是经原油分馏得到的无色无味的液态烃类混合物,室温下为液态,用作防水剂时可省去加热融化环节,节约了能源和时间。木材在使用过程中需要多重保护,如防腐、防霉、防虫和防水等,存在工序繁琐、成本高昂等问题,为满足木材不同生物危害防治需要,本研究拟制备一种同时具有防腐、防霉、防虫和防水多项功能的水基型有机木材保护复合制剂,通过室内抑菌圈法筛选不同杀菌剂的抑菌活性,从中挑选活性较好、杀菌谱互补的防腐成分与防霉成分进行复配,并筛选两者的最佳配比;将其与杀虫成分和防水成分复配,制备成可以兑水自动乳化的乳油制剂。制备的复合制剂稳定性好,兼具防水、防腐、防霉、防白蚁等性能,同时处理工序简单,可达到常规生物危害防治要求的目的,为木材保护提供参考。
1. 材料与方法
1.1 试验材料
1.1.1 杀菌剂、杀虫剂和防水剂
杀菌剂包括氟环唑(FCZ)、戊唑醇(TEB)、丙环唑(PPZ)、苯醚甲环唑(DCZ)、碘丙炔醇丁基氨甲酸酯(IPBC)、溴菌腈(BMN)、抑霉唑(IMZ)。杀虫剂为高效氯氟氰菊酯(CLT)。防水剂为液体石蜡(化妆品级)。以上试剂购自上海麦克林生化科技有限公司。
1.1.2 测试菌种
木材腐朽菌有褐腐菌密粘褶菌Gloeophyllun trabeum、白腐菌彩绒革盖菌Coriolus versicolor。木材混合霉菌有黑曲霉Aspergillus sp.、木霉Trichoderma sp.、青霉Penicillium sp.。木材变色菌可可球二孢Botryodiplodia theobromae。所有菌株均为实验室保存的生物测试标准用菌株。
测试树种为辐射松Pinus radiata。
1.2 试验方法
预实验通过满细胞法确定辐射松边材吸液(水)量为750~850 kg·m−3;根据三唑类药剂防腐有效载药量(200.0~400.0 g·m−3)[17],换算药剂质量浓度为150.0~300.0 mg·L−1,确定试验用药质量浓度为200.0 mg·L−1。
1.2.1 防腐、防霉成分及配比筛选
通过室内抑菌效果普筛挑选出效果较好且杀菌谱互补的杀菌剂作为防腐和防霉成分。将挑选出的防腐和防霉成分按照不同配比混合进行复配,再次测试室内抑菌效果,确定效果较好的复配比例作为药剂配伍。
1.2.2 室内抑菌圈测试
参照《中华人民共和国药典》的“抗生素微生物检定法”测试抑菌圈。将5种防腐剂(FCZ、TEB、PPZ、DCZ、IPBC)统一配制成质量分数为5.00%的乳油,分别加水稀释到200.0 mg·L−1;防霉剂IMZ配制为400.0 mg·L−1,BMN分别配制为400.0、600.0和800.0 mg·L−1。在各涂满真菌孢子液的马铃薯葡萄糖琼脂(PDA)培养基中,分别摆放4个装有0.3 mL待测药液的牛津杯。随着药液的扩散,培养基上的真菌菌丝会受到抑制形成抑菌圈,抑菌圈直径越大,说明药剂抑菌效果越好。
1.2.3 制剂性能测试
乳液稳定性测试。参照GB/T 1603—2001《农药乳液稳定性测定方法》,在100.0 mL室温标准硬水中慢慢加入不同体积样品,边加入边搅拌,加完后继续搅拌30 s;然后在30 ℃恒温水浴中静置1 h,观察不同稀释倍数下样品乳状液分离情况。无浮油、沉淀或沉油则视为乳液稳定性合格。
防水性能测试。将含液体石蜡质量分数为40.00%的复合制剂分别兑水,稀释液体石蜡质量分数为2.00%、4.00%、8.00%,满细胞法处理试块。辐射松边材尺寸为50 mm×20 mm×10 mm,每组8块试块,室温平衡21 d后称质量,然后蒸馏水浸泡30 min,取出试块,称质量,参照GB/T 1934.1—2009《木材吸水性测定方法》计算吸水率;测量弦向尺寸变化,参照GB/T 29901—2013《木材防水剂的防水效率测试方法》计算防水效率。
室内防腐性能测试。参照GB/T 13942.1—2009《木材耐久性能第1部分:天然耐腐性实验室试验方法》进行。将待测制剂分别兑水稀释5、10、20倍备用,辐射松边材尺寸为20 mm×20 mm×10 mm,每组6块试块,经真空−0.09 MPa处理10 min,常压浸渍10 min,参照标准测试防腐性能。试块质量损失率<10%,属于Ⅰ级强耐腐;质量损失率为11%~24%,属于Ⅱ级耐腐;质量损失率为25%~44%,属于Ⅲ级稍耐腐;质量损失率>45%,属于Ⅳ级不耐腐。
室内防霉性能测试。参照GB/T 18261—2013《防霉剂对木材霉菌及变色菌防治效力的试验方法》进行。将待测制剂分别兑水稀释5、10、20倍,辐射松边材尺寸为50 mm×20 mm×10 mm,每组8块试块,参照标准方法处理试块,测试防霉性能。试块表面无菌丝、霉点时,定义侵染值为0;试块表面感染面积<1/4,定义为1;试块表面感染面积1/4~1/2,定义为2;试块表面感染面积1/2~3/4,定义为3;试块表面感染面积>3/4,定义为4。
室内防白蚁测试。参照GB/T 18260—2015《木材防腐剂对白蚁毒效实验室试验方法》进行。将待测制剂分别兑水稀释5、10、20倍,辐射松边材尺寸为20 mm×20 mm×10 mm,每组5块试块,参照标准方法处理试块,测试室内防白蚁性能。试块蚁蛀程度为完好无损,定义试样完好等级为10;微痕蛀蚀,定义为9.5;轻微蛀蚀,截面面积<3%的蛀蚀,定义为9;中等蛀蚀,截面面积3%~10%的蛀蚀,定义为8;中等蛀蚀,截面面积10%~30%的蛀蚀,定义为7;严重蛀蚀,截面面积30%~50%的蛀蚀,定义为6;非常严重蛀蚀,截面面积50%~75%的蛀蚀,定义为4;试块几乎完全被蛀毁,定义完好等级为0。
2. 结果与分析
2.1 有效成分筛选
从表1可以看出:5种防腐剂(FCZ、TEB、PPZ、DCZ和 IPBC)对木材腐朽菌(彩绒革盖菌和密粘褶菌)均具有较好的抑制效果,但FCZ、TEB和PPZ对变色菌(可可球二孢)和混合霉菌几乎没有抑制作用,只有DCZ对可可球二孢有抑制效果,因此优选DCZ作为防腐成分。IPBC和IMZ对所测试菌种均有较好的抑制效果,BMN和IMZ虽然对混合霉菌和变色菌有抑制作用,但抑菌圈均小于IPBC。因此,优先IPBC作为防霉成分。
表 1 各杀菌剂的室内抑菌效果Table 1 Result of inhibition zones test by bactericide杀菌剂 质量浓度/
(mg·L−1)抑菌圈大小/mm 彩绒革
盖菌密粘
褶菌可可球
二孢混合
霉菌FCZ 200.0 >45.0 >45.0 0 0 TEB 200.0 >45.0 >45.0 0 0 PPZ 200.0 >45.0 >45.0 0 0 DCZ 200.0 >45.0 >45.0 11.4 0 IPBC 200.0 >45.0 >45.0 34.6 21.9 BMN 800.0 37.2 35.4 12.8 10.6 600.0 38.1 29.0 9.0 9.4 400.0 26.8 31.8 8.3 7.1 IMZ 400.0 39.2 41.6 26.9 12.7 将DCZ和IPBC按质量比1∶1、1∶3、3∶1的比例配制混合药剂,测试DCZ+IPBC复配药剂对腐朽菌和霉菌的抑制效果;将其他3种三唑类防腐药剂(FCZ、TEB和PPZ)与IPBC按照质量比1∶1配制复配药剂,作为对照测试抑菌效果。由表2可以看出:DCZ+IPBC复配药剂对木材腐朽菌、变色菌和混合霉菌的抑制效果较好,其中按照1∶1比例复配的药剂效果最高。相其他三唑类与IPBC的复配药剂,抑菌效果亦有所提高。由此确认防腐/防霉复配药剂,DCZ和IPBC按照1∶1进行配制。
表 2 不同三唑类药剂与IPBC复配的抑菌效果Table 2 Result of inhibition zones test by compounded of different preservatives组分 质量浓度/
(mg·L−1)抑菌圈大小/mm 彩绒革
盖菌密粘
褶菌可可球
二孢混合
霉菌DCZ 200.0 >45.0 >45.0 11.4 0 DCZ+IPBC 150.0+50.0 >45.0 >45.0 22.4 15.1 DCZ+IPBC 100.0+100.0 >45.0 >45.0 31.0 23.6 DCZ+IPBC 50.0+150.0 >45.0 >45.0 29.1 23.7 IPBC 200.0 >45.0 >45.0 30.6 21.9 FCZ+IPBC 100.0+100.0 >45.0 >45.0 25.7 21.8 PPZ+IPBC 100.0+100.0 >45.0 >45.0 25.8 22.5 TEB+IPBC 100.0+100.0 >45.0 >45.0 24.0 21.0 为探索CLT对白蚁的防治效果,设计含梯度载药量的辐射松边材室内抗白蚁效果测试,拟定辐射松边材载药量分别为5.0、10.0、15.0、20.0、30.0 g·m−3。由表3可知:试块中CLT载药量达10.9 g·m−3以上时,白蚁蛀蚀完好值>8.0,质量损失率<11%,而未添加药剂处理的对照木材,完好值仅4.6,质量损失率>40%。因此,设计的复合制剂中防虫成分的目标载药量为7.5~30.0 g·m−3。
表 3 不同CLT载药量木材的白蚁蛀蚀结果Table 3 Result of lab anti-termite test of cyhalothrin载药量/
(g·m−3)白蚁蛀蚀
完好值质量损
失率/%载药量/
(g·m−3)白蚁蛀蚀
完好值质量损
失率/%− 4.6 42.9±14.6 15.5 8.0 10.5±1.4 5.3 8.0 11.3±0.7 21.8 9.1 5.2±1.4 10.9 8.6 5.9±1.5 32.1 8.4 5.1±1.9 说明:−表示未添加药剂 综上,本研究设计制备了含苯醚甲环唑、碘丙炔醇丁基氨甲酸酯、高效氯氟氰菊酯、液体石蜡等多种有效成分的木材保护复合制剂,通过调试乳化剂和助溶剂的用量和配比,最终配制出稳定、均相、透明、入水可自乳化的乳油制剂。制剂制备时按比例称取原药和乳化剂,加入助溶剂,充分溶解混匀后加入液体石蜡,搅拌均匀即可。测试使用的制剂为乳油,组成成分质量分数为0.20%苯醚甲环唑、0.20%碘丙炔醇丁基氨甲酸酯、0.02%高效氯氟氰菊酯和40.00%液体石蜡。
2.2 制剂性能测试
2.2.1 乳液稳定性测试
制剂兑水稀释250倍,制剂呈乳白色,初入水时呈乳白色团雾状,可自动扩散,摇匀后呈均匀的乳状液,静置1 h未见分层、析油和沉淀,稳定性可保持3~4 h;过夜后破乳,药液表面有大量浮油,颠倒摇匀后可恢复乳液状,不影响正常使用。
2.2.2 防水性能测试
参照标准方法用该制剂处理辐射松边材,经水浸泡30 min后测试试块的吸水率和防水效率。由表4可知:未添加药剂处理的木材,吸水率为54.7%;随着制剂中石蜡质量分数升高,木材试块中石蜡含量相应增加,试块吸水率依次降低,从43.5%下降到26.6%,木材防水效率则随之增强,从44.4%提升到了77.8%。
表 4 防水剂处理后试块的防水性能Table 4 Efficiency of waterproof稀释
倍数制剂中液体石
蜡质量分数/%试块中液体石
蜡含量/(kg·m−3)吸水
率/%防水效
率/%5 8 49.1 26.6±7.4 77.8±19.1 10 4 19.4 35.0±17.3 68.9±22.1 20 2 10.5 43.5±15.1 44.4±20.6 − 0 0 54.7±5.8 0 说明:−表示未添加药剂 2.2.3 室内耐腐性能测试
由表5可知:未处理木材受白腐菌侵染后质量损失率达75.7%,受褐腐菌侵染质量损失率为19.4%,而所有处理试块质量损失率均低于6%,达到强耐腐。制剂稀释20倍后处理试块,试块中DCZ和IPBC载药量超过71.1 g·m−3,试块质量损失率可达1%,达到Ⅰ级强耐腐。值得注意的是,稀释20倍的药液处理后,试块质量损失率低于稀释5倍的药液,原因是高质量浓度制剂处理后,试块内含有大量的液体石蜡,在长达3个月的试验期内,液体石蜡自动扩散到培养基,试块质量损失增加。但取样现场也发现:高质量浓度制剂处理的试块无腐朽菌菌丝附着生长,说明添加防水剂实际进一步提升了制剂的防腐性能。
表 5 制剂处理后试块的室内耐腐性能Table 5 Result of lab sand block test on sapwood P. radiate稀释
倍数彩绒革盖菌 密粘褶菌 试块DCZ+IPBC
载药量/(g·m−3)质量损
失率/%试块DCZ+IPBC
载药量/(g·m−3)质量损
失率/%5 311.2+311.2 5.5±0.6 320.6+320.6 3.6±0.3 10 150.9+150.9 2.7±0.2 139.0+139.0 3.4±0.4 20 71.2+71.2 0.6±0.1 71.1+71.1 1.0±0.2 − 0 75.7±4.3 0 19.4±2.1 说明:−表示未添加药剂 2.2.4 室内防霉性能测试
参照标准方法用该制剂处理辐射松边材,测试室内防霉效果。由表6可知:未处理木材的霉菌和变色菌侵染值为4,该制剂稀释5倍时,试块表面的DCZ和IPBC含量均达0.165 g·m−2,处理试块变色菌和混合霉菌侵染值均为0,防治效果优良。在实际使用中可根据木材树种的天然耐腐性及所处环境适当增减制剂的用量,以达到理想的防霉效果。
表 6 室内防霉测试结果Table 6 Result of lab mildew proof test稀释
倍数可可球二孢 混合霉菌 DCZ+IPBC载药
量/(g·m−2)侵染值 DCZ+IPBC载药
量/(g·m−2)侵染值 5 0.165+0.165 0 0.202+0.202 0 10 0.106+0.106 1.5 0.148+0.148 0.5 20 0.045+0.045 4.0 0.048+0.048 3.3 − 0 4.0 0 4.0 说明:−表示未添加药剂 2.2.5 室内抗白蚁测试
由表7可知:不同稀释倍数的制剂处理后,试块质量损失率均<3%,而未添加抗虫剂的对照试块,质量损失率为42.9%;制剂稀释5倍时,试块载药量达29.1 g·m−3,试块白蚁蛀蚀完好值为9.6;稀释20倍时,试块载药量为7.6 g·m−3, 试块白蚁蛀蚀完好值为8.9,而未处理木材的白蚁蛀蚀后完好值仅为4.7,质量损失率达42.9%,显示该制剂的防治白蚁效果优良。结合表3可知:相比单用高效氯氟氰菊酯时,复合制剂处理材在同等载药量下对白蚁的防治效果要好得多;当高效氯氟氰菊酯质量浓度为15.0、30.0 g·m−3时,该复合制剂防治白蚁的效果远远优于单剂,由此可知其他组分的加入起到了增效作用。
表 7 室内抗白蚁测试结果Table 7 Result of lab anti-termite test稀释
倍数木材中高效氯氟氰菊酯
载药量/(g·m−3)质量损
失率/%白蚁蛀蚀
完好值5 29.1 2.8±0.5 9.6 10 14.7 2.6±0.3 9.2 20 7.6 2.5±0.7 8.9 − 0 42.9±14.6 4.7 说明:−表示未添加药剂 3. 讨论
针对不同的木材败坏防治需求,本研究制备了一种具有防腐、防霉、防虫、防水多功能的复合制剂,类型为乳油,有效成分为苯醚甲环唑、碘丙炔醇丁基氨甲酸酯、高效氯氟氰菊酯和液体石蜡。
该制剂兑水稀释后呈乳液状,稳定性可保持3~4 h,符合GB/T 1603—2001 《农药乳液稳定性测定方法》的规定。石蜡作为常见的防水剂被广泛应用,多数所使用的时熔点较高的固体石蜡[18],而该制剂以液体石蜡为防水组分,优点是室温下即为液体,无需加热融化,缺点是液体石蜡密度较小,相较常规药剂,兑水稀释后稳定性差,药液兑水约 4 h 后就会分层破乳;不过,稍微搅拌即可恢复乳状,基本不影响正常使用。该制剂防水性能较好,然而应注意的是防水剂含量很大,大剂量液体石蜡的使用,存在一定的消防隐患,后期应配合表面阻燃处理。石蜡基防水剂的主要防水机制是通过石蜡的疏水作用[19],石蜡的使用同时增强了木材的尺寸稳定性[20],石蜡分子量较大,不易进入木材内部,因此需要将其乳化成细小的乳状液,然而,乳化剂的过量使用可能会有石蜡的疏水性降低的风险,需要在以后的开发中引起重视。结合室内耐腐试验菌丝生长状况可以发现:防水剂液体石蜡的加入,可以明显增加药剂的防腐性能,而木材中石蜡的含量很高,当木材与环境中土壤或者水体接触时,石蜡会从木材中自由扩散到环境中,可能会增加药剂流失的风险。
室内防霉测试结果来看,将制剂稀释 5 倍使用,即辐射松试块苯醚甲环唑和碘丙炔醇丁基氨甲酸酯载药量均为 0.165 g·m −2 时,混合霉菌的生长才能被完全抑制,这与李晓文等[21]的IPBC防霉效果结论一致。室内防霉测试所选的温湿度条件适合霉菌生长,且霉菌的孢子液人为接种,因此,通常可以通过室内防霉测试的药剂,在实际生产中的防霉效果也会很好。
室内防白蚁测试结果可知:制剂稀释 20 倍后,试块受白蚁蛀蚀程度仍较低,质量损失率较小,防蚁性能优异。同时,比较单独使用高效氯氟氰菊酯和添加防水剂后的防白蚁效果可以看出:防水剂的添加明显增加了药剂的防白蚁效果。分析原因可能是石蜡是一种化石能源,白蚁不喜食。
4. 结论
为满足木材不同生物危害防治需要,本研究制备出一种含石蜡水基型有机多功能木材防腐剂,可以一次处理基本满足木材常规保护的要求。该木材保护复合制剂同时具有防腐、防霉、防虫、防水多功能,剂型为乳油,质量分数分别为0.20%的苯醚甲环唑和碘丙炔醇丁基氨甲酸酯、0.02%的高效氯氟氰菊酯和40.00%的液体石蜡。
当环境中生物危害较轻时,可将该复合制剂稀释20倍使用,当生物危害较重时,可将复合制剂稀释5倍甚至直接使用。将制剂稀释5到10倍处理木材,即木材中液体石蜡为25.0~50.0 kg·m−3,苯醚甲环唑和碘丙炔醇丁基氨甲酸酯为150.0~300.0 g·m−3,高效氯氟氰菊酯载药量为15.0~30.0 g·m−3,可满足多大多数生物危害的防治需求。
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表 1 麻栎林各层次土壤的最大体积含水率
Table 1. Measurd max VSWC at 10 depths under oak forest
麻栎林土壤层次深度/cm 理论最大体积含水率/% 麻栎林土壤层次深度/cm 降雨过程实际最大体积含率/% 0~10 45.9 50~60 35.8 10~20 41.2 60~70 32.7 20~30 40.6 70~80 30.4 30~40 38.9 80~90 27.5 40~50 37.5 90~100 25.3 -
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