一种快速固沙、促生·保生、节水的荒漠化地区生态修复方法

摘要

一种快速固沙、促生·保生、节水的荒漠化地区生态修复方法，针对干旱、半干旱地区，尤其是年降水率低于150mm，干燥度小于0.05，风速大于10m/s，日温差大，风沙流动严重的地区，将基于亲水性聚氨酯树脂的化学固沙材料与感温型吸水树脂融合，在沙土表层形成固沙植生层。化学固沙材料将松散的沙粒快速固结，在沙土表层形成固沙植生层，固沙植生层中植入的感温型吸水树脂大大提高其保水性、环境水分自身调控性、利用效率及其抗干旱能力，从而提高植物促生·保生效果，提高植被在干旱环境中的存活率和生长量，化学固沙与生物固沙实现更好的融合。该方法具有成本低、施工简单、快速、高效的特点，适合在偏远的荒漠化地区使用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种荒漠化地区生态修复方法，特别是涉及一种快速固沙、促生?保生、有效节水的荒漠化地区生态修复方法，针对日温差大、干旱、风沙流动严重的荒漠化地区，可以快速固定沙土，有效利用周围环境的水分，实现环境水分自我调控，提高保水?促生?保生性，为植被生长，尤其是生长初期提供适宜的水分，从而大大改善了植被的生长环境，提高植被的生长效果，加快荒漠化地区生态系统的修复。

背景技术

我国是世界上荒漠化土地面积较大、危害最严重的国家之一，据国家林业总局估计（1997年），我国荒漠化土地为262.2万平方公里，约占全国土地面积的30％。荒漠化土地分为：潜在荒漠化土地、正在发展中的荒漠化土地、强烈发展中的荒漠化土地和严重荒漠化土地四种类型。

我国北部风沙危害频繁。多年来，各级政府对风沙危害的防治给予了较充分的重视，从60年代初至今，先后在一些风沙危害的典型地段、交通干线附近，如宁夏的沙坡头等地，进行了重点的沙害治理，主要采用植物固沙，探索固沙植物的选用及合理配置，扼制了当地风沙危害的蔓延，提出了各种沙害的预防和整治模式，取得了很大的成就。“三北防护林”体系是1978年由国务院批准的一项重大生态环境保护和防沙、治沙工程，目前该工程仍在分阶段进行。“三北防护林”体系的建立，对我国沙漠化的防治、生态环境的改善，都起着非常重要的作用。

化学固沙是近年来发展较快的固沙方法，始于20世纪30年代中期，由美国和前苏联提出并开始研究，到50年代有了较大发展，20世纪60年代起，我国出现了化学固沙的研究与试验，至今已有50余年的发展历史，取得一定的效果，但大多数化学固沙材料易对环境造成污染。

尽管如此，我国荒漠化现状还是呈局部得到有效治理，整体扩大的态势，因而急需开发快速高效的固沙植生新型方法。

基于亲水性聚氨酯树脂的化学固沙材料以水为固化剂，环境亲和性高，安全性好，在水中可均匀乳化，快速固化，形成抱水性好的弹性凝胶体，在沙的表层形成有较好的透气、保水、保肥和抗风蚀等特性的固沙植生层（中国发明专利ZL200810135883.1、201110263993.8和日本发明专利特许第4824644号）。而且通过复合不同种类和浓度的紫外线稳定剂可控制其降解周期在半年~30年（中国发明专利CN102120933A；日本发明专利JP2009-27933），从而为植物生长提供适宜稳定的环境。在植物生长初期需要不断补充水分才能维持植物存活和正常生长，但是在干旱、半干旱地区，尤其是降水量低于150mm，干燥度小于0.05（极干旱地区），风速大于10m/s的荒漠化地区，水分蒸发量较大，将大大降低其化学固沙与生物固沙的综合治理效果。

因此，在干旱、半干旱地区，植被生长需要补充大量的水分，尤其是在生长初期，对水分依赖性较高，荒漠化地区生态修复中需要提高固沙植生层的保水性、环境水分自身调控性和利用效率及其抗干旱能力，从而提高植物促生?保生的成长植被效果，化学固沙与生物固沙实现更好的融合。因此需要在原有固沙-植生方法的基础上开发一种可以充分、有效的利用周围环境有限的水分，提高保水性和植被生长性的新的荒漠化地区生态修复方法。

发明内容

本发明的目的是在现有的基于有亲水性聚氨酯的化学固沙-植生方法的基础上，通过在固沙植生层中植入感温型吸水树脂将化学固沙与生物固沙更有效的融合，提供一种针对干旱、半干旱地区的快速、有效的荒漠化生态修复的新方法，实现快速固沙，有效利用周围环境的水分，实现环境水分自身调控性，提高植被在干旱环境中的存活率和生长量，加快荒漠化地区生态系统的修复。

本发明采用如下技术方案：

一种快速固沙、促生?保生、节水的荒漠化地区生态修复方法，包括如下步骤：

1) 在沙土表层播撒植生用绿化物，适宜翻搅；

2）平整并压实上述播撒植生用绿化物的沙土表层，喷洒适当水分；

3）按比例称量亲水性聚氨酯树脂化学固沙材料、感温型吸水树脂和水，搅拌混合均匀，形成固沙复合液；

4）按一定的喷洒量向沙土表层喷洒固沙复合液，在沙土表层形成固沙植生层。

所述的亲水性聚氨酯树脂化学固沙材料具有如下结构式： 

分子量为4,000~600,000。

所述的亲水性聚氨酯树脂化学固沙材料（以下用W-OH代替，日本JCK株式会社生产），遇水均匀乳化分散，2~5%浓度的W-OH水溶液可以在2~20分钟快速固化，形成保水性好的弹性凝胶体，该凝胶体与沙土颗粒有很好粘结性，可以将松散的沙粒连接成一个整体，提高沙粒的整体抗风蚀性、保水、保温、保肥、保墒性。而且由于W-OH水溶液固化前没有粘度，所以渗透性良好，均匀分散在沙粒表面，2~20分钟快速固化，形成多孔结构的固结层，从而起到化学固沙的效果。同时该固结层具有上述多种植生性，可以促进植物的生长。W-OH的使用浓度为2~5%，最好是3%浓度，浓度低于2%时，W-OH水溶液的固化体强度较低，形成的固结层力学性能和抗风蚀性能较低，达不到固沙的效果。5%浓度以上，W-OH水溶液固化体强度过高，形成的固结层硬度性能太高，山中式硬度超过28mm，植物根系很难延伸，不利于植物生长，而且使用浓度高势必造成荒漠化治理成本增加。3%浓度的W-OH水溶液形成的固结层既具有较好的力学性能和抗风蚀性，同时又有合适的植生性，经济性良好。

所述的感温型吸水树脂选自N-异丙基丙烯酰胺、N-异丁基丙烯酰胺、N-甲基-N-乙基丙烯酰胺、N-异丙基-N-乙基丙烯酰胺、N，N-二乙基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺中一种以上单体的聚合物，分子量为6000~100,000。优选所述的感温型吸水树脂最大吸水量800~1200倍，吸/放水循环周期在1000次以上。感温型吸水树脂是一种有特殊结构的水溶性功能性高分子吸水树脂，能在低温下吸收水分，高温下释放水分。譬如在降水、夜晚或是冬季，水分蒸发量较小，土壤中水分含量相对较高时，感温型吸水树脂会吸收多余水分，并将水分储存起来；而在干燥、高温条件下，水分蒸发大时，可以将吸收的水分释放出来供植物生长需要。因此它可以根据周围环境的变化，自发调节吸、放水的过程，以达到控制土壤水分含量和促进植物生长的目的。感温点是决定感温型吸水树脂吸、放水的转折点，当环境温度低于感温点时，感温型吸水树脂吸收水分；相反，当环境温度高于感温点时，感温型吸水树脂释放水分。因此感温点是决定感温型吸水树脂功效的关键因素。可以根据环境状况和植树生长的实际情况，选择合适感温点的感温型吸水树脂是应用该功能材料的重要步骤。本发明方法中，感温点可以通过改变感温型吸水树脂组成和结构调节控制在20~40℃。

所述的方法中，固沙复合液中感温型吸水树脂的重量百分比浓度是0.1~1%，最好是0.5%。浓度低于0.1%时，因为固结层中感温型吸水树脂含量太少，吸/放水能力比较低，保水和水分利用效果不明显。随着感温型吸水树脂使用浓度的增大，吸/放水能力增强；当浓度超过1%时，吸/放水能力增大不明显，而且使用成本增大。所以，从综合效果和使用成本考虑，本发明推荐0.5%是最合适的使用浓度。

本发明将感温型吸水树脂植入固沙植生层，可以大大提高其保水性、环境水分调控性和利用效率，以及抗干旱能力，从而提高植物促生?保生的成长植被效果，化学固沙与生物固沙实现更好的融合。

所述的W-OH化学固沙材料和感温型吸水树脂均是水溶性的，水既是W-OH固沙材料和感温型吸水树脂的溶剂，也是固化剂。而且水的适合范围较广，中性、酸性或碱性的水（pH在3~12），淡水以及盐湖水、海水（盐度为0~3.5%）均可以使用。 

固沙复合液的施工喷洒量为2~8 L/m²，较好是3~6 L/m²，最好是3~4 L/m²，形成固沙植生层的厚度在5~50mm，孔隙率在10~25%。如果喷洒量小于2 L/m²，则形成固沙植生层的厚度太低，抵抗风蚀性较差，容易被破坏，不能很好的固定沙土，为植被提供稳定的环境，而且吸/放水性能差，不能充分利用周围环境的水分供植物生长所需，不利于高旱、强风蚀地区植被的生长。但是如果喷洒量大于8 L/m²，则形成固沙植生层的厚度较大，孔隙率较低，对植被根系发芽生长影响较大，造成植被的发芽率、生长率降低，很难实现高干旱、强风蚀地区的植生，而且喷洒量大势必造成治理成本的提高，不利于大规模的推广应用。

所述的植生用绿化物包括有很好耐候性、耐盐性和耐旱性的植物种子，还包含水和肥料以及保肥剂等。根据不同的工况条件，植生用绿化物可包括多种不同成分，如最好含有一定量的肥料，以便促进种子的发芽和植物的初期生长性能。此外，植生用绿化物中还包含一定量的水。由于多孔质固结层具有良好的保水性，可以将多余的水分储存起来，待缺水时释放出来，为植物提供必要的发芽和初期生长条件。植生用绿化物中所含的肥料可以为动物（牛、羊等）粪便、化肥等。植生用绿化物中所包含的种子选择具有耐候性、耐盐和耐干燥性能的植物种子，如缄茅草、披肩草、冷地早熟禾、沙蒿、柠条和/或中华羊茅等。

植生用绿化物中，最好含有一定量的具有保肥功能的材料（保肥剂）。当地动物（牛、羊）的粪便充分搅拌形成的液状物便可以作为保肥材料。特别是牛粪，含有大量纤维状物质，具有比较好的固沙和植生效果。

本发明通过融合感温型吸水树脂和W-OH将化学固沙与可持续生物固沙更好的融合，大大地提高固沙植生层的保水性和利用周围环境有限水分的能力，从而提高了植被的存活率和生长量，尤其在生长初期，植物生长需要大量的水分。基于W-OH化学固沙可以快速将松散的沙粒连接成一个整体，形成多孔透气的固结层，提高沙粒的抗风蚀性，同时为植被生长提供适宜稳定的环境。感性型吸水树脂随着固沙植生层和周围环境温度变化以及水分量的变化，自动调节吸/放水，充分利用周围环境的有限水分，满足植物的生长需求。即便是在降水量低于150mm，干燥度小于0.05，风速大于10m/s的荒漠化地区，植被仍然有很好的存活率和生长量，大大提高了该方法在干旱、半干旱地区的荒漠化防治效果。 

与现有的固沙植生方法相比，本发明具有以下优点：

1. 本发明所述的快速固沙、促生?保生、节水的荒漠化地区生态修复新方法，通过感温型吸水树脂将W-OH化学固沙与可持续生物固沙更好的融合，大大提高了干旱、半干旱、强风蚀的荒漠化地区植被的生长性能，加快实现荒漠化地区生态系统的修复；

2. 本发明所述的W-OH化学固沙材料和感温型吸水树脂均是水溶性，以水为溶剂和固化剂，具有无毒、安全环保、环境亲和性高等特点；

3. 本发明所述的感温型吸水树脂可以在水分比较富余、温度低、蒸发量小的环境中，吸收水分，储藏起来，待水分紧缺、温度高、蒸发量大时释放出来供植物生长必需，具有自我调控性，可以高效利用环境中有限的水分，实现环境水分自动调控，尤其是在植物生长的初期，对水分依赖性较大，可以大大提高植被的存活率和生长量；

4. 本发明所述的快速固沙、促生?保生、节水的荒漠化地区生态修复新方法施工方便，只需要将W-OH化学固沙材料、感温型吸水树脂和水混合喷洒，性价比高，适合在日温差大、干旱、风沙流动严重的沙漠地区大规模应用。

附图说明

图1  固沙植生层吸水示意图。

图2  固沙植生层释放水示意图；

其中，a:固沙植生层，b:沙粒，c:感温型吸水树脂(吸水时)，h:感温型吸水树脂(放水时)，d:沙粒表面W-OH固沙材料，e:沙土基层。

图3  保水性能评价结果。

具体实施方式

为了更好的说明本发明内容，下面结合具体实施方式详细描述本发明。本发明的保护范围并不限定于所描述的具体实例或具体实施形态，而是由权利要求加以限定的。凡不脱离本发明的目的和要旨，任何在权利要求书范围内组合和变化所形成的同类其他的实施形态都属于本发明所涉及的范围。

实施例1~4，比较例1~5均按以下方法进行：

1) 在10cm×10cm×20cm的木质容器中装入3000g沙（青海湖周边取样），在沙土表层播撒植生用绿化物300g（植生用绿化物组成如表1）；

2）平整上述播撒植生用绿化物的沙土表层，喷洒100g的水；

3）按比例称量W-OH化学固沙材料、感温型吸水树脂和水，搅拌混合，形成固沙复合液（固沙复合液的组成如表2）；

4）按一定的喷洒量快速喷洒固沙复合液，在沙土表层形成固沙植生层。

表1  植生用绿化物组成

实施例1~4，比较例1~5的试验数据如表2、表3。

 表2  固沙复合液组成

固沙、保水性和植生性评价试验：

空气湿度30~40%；温度设置为12小时35~40℃、12小时10~15℃为一个周期；每6个温度循环周期后在10~15℃时水分补给量为33g（按照年降水量200mm计算）。

（） 固沙效果

固沙效果：采用人工模拟风蚀试验，用电扇强风吹蚀固沙植生试验体，每10个温度循环周期后测试24小时，观察沙土表层是否有沙土移动或是风蚀破坏的发生，试验结果记录在表3中。

（）植生效果

种子发芽时间是从第一天开始计算，直到达到最大发芽数的时间；种子发芽率为种子发芽数与种子数量之比；植被生长量为单位面积植被生长的质量；最终将植生效果分为良好、一般和不良三个等级进行综合评价，试验结果记录在表3中。

（）保水效果

每6个温度循环周期后，分别在35~40℃和10~15℃温度下，在深2cm和5cm处取集沙土样，称取试样质量为m₀，完全干燥恒重时质量为m₁，则含水率ω%=(m₀-m₁)÷m₀×100%，用两个深度的平均值反应固沙植生层的保水性，土壤含水率变化见图3。由图3可知，经过60天的实验观察，使用W-OH和感温型吸水树脂的固沙植生层保水性能好，植物可有效利用环境的水分满足生长需要，只使用W-OH或者感温型吸水树脂的固沙植生层有一定的保水性，但明显比使用W-OH和感温型吸水树脂的固沙植生层的保水性差，没有喷洒W-OH和感温型吸水树脂的试验体水分蒸发最快，无法满足植物生长要求。

表3  试验结果

发芽情况良好（◎）；发芽情况一般（○）；发芽情况差（●）；生长情况良好（☆）；生长情况一般（◇）；生长情况差（▲）。