固沙技术

固沙技术（通用7篇）

固沙技术 篇1

樟子松 (Pinussylvestris var.mongolica) 为松科松属植物, 常绿乔木, 高达30m, 胸径70cm, 是欧洲赤松分布至远东的一个地理变种。天然分布在我国黑龙江省大兴安岭山地及海拉尔一带沙地。樟子松是良好的建筑用材, 可供造船、桥梁、桩木、车辆、电杆、家具及木纤维工业原料等用。树干可采割松脂, 提取松香和松节油;树皮可提取栲胶;针叶可以提取优质芳香油。是重要的用材树种, 可作为经济树种加以发展。樟子松树干通直, 树干上部的皮红褐色, 适合做孤植树, 行道树及四旁绿化树种。樟子松是三北地区营造防护林、用材林的主要针叶树种。优良环保树种。根据多年的科研及生产实际, 此文就樟子松的植物学特性、生态习性、育苗技术、应用等方面做了较为详尽的介绍, 为樟子松的推广和应用提供了科学依据和操作规程。

1 植物学特性及生态习性

常绿乔木, 高达30m, 胸径70cm。树干通直。树干下部的皮灰褐色或黑褐色, 裂成薄片脱落。上部虎皮色, 光滑, 一年生枝淡黄褐色, 无毛。冬芽淡黄色, 有树脂。针叶2针1束, 硬直, 稍扁, 微扭曲, 长4~9cm, 宽1.5~2mm。树脂管较大, 6~17个边生, 叶鞘宿存, 黑褐色。花期5月份。幼果下垂, 球果园锥状卵形, 果熟期10月份, 黄绿色, 宿存, 翌年5~6月开裂。种子黑褐色, 长约5mm, 种翅长7~10mm。

樟子松适应性强, 在其它树种不能正常生长的干旱瘠薄的沙地上能茁壮生长。根系发达, 抗风沙, 在沙地其根系随着风蚀而向地下深扎, 并形成支柱根, 以防风倒。枝叶繁茂, 防风阻沙作用强, 喜光树种, 全光条件下天然更新良好。樟子松适生于严寒干旱气候, 能够忍耐-40℃以下的低温和干燥瘠薄的土壤。在风积沙土、砾质粗沙土、黑钙土、栗钙土、淋溶黑土、白浆土上均能生长, 不宜在盐碱地及排水不良的重粘土上栽植。生长快, 寿命长, 具有一定抗二氧化碳, 二氧化硫能力, 抗灰尘能力强。

2 露地播种育苗

2.1 种子调制。

樟子松可以用种子繁殖, 全光育苗。樟子松种子在9月中、下旬成熟, 即可采集。采种最好在春、秋两季。因冬季气候严寒, 不便组织采种工作, 而且这种樟子松枝条脆弱, 容易损伤母树和发生事故。摘取球果时, 要特别注意保护母树, 不要折断枝条。尤其着生在新枝梢的1龄幼果极易碰掉。球果坚硬, 短期不易开裂, 须进行露天日晒或在干燥室调制, 干燥室内搭木架, 在架上安放数层铁丝网筛子, 底层离地面高80cm, 各层间隔60cm, 每层筛子摊放1~2层球果, 室内温度经常保持45℃, 最高不要超过55℃。经过3~4d, 就有70~80%的球果开裂。脱落的种子收集后, 再将未开裂的球果放入25~30℃温水中浸5~10min, 再放在架上干燥, 使之完全开裂, 经过第二次干燥后仍未开裂和开裂不完全的球果, 挑出再浸水和干燥, 直至全部裂开, 共需5~8d, 处理出来的种子要去掉种翅, 除去夹杂物, 使种子纯度达到90%以上。2.2种子低温层积催芽。樟子松播种前, 须经催芽处理, 使种子出芽迅速, 整齐、早日生根, 并能增强抗病能力。催芽处理的方法:将种子用0.3%高锰酸钾溶液浸种几分钟灭菌, 取出用清水洗净, 再用约30℃温水浸泡一昼夜, 捞出种子稍晾干, 将种子与河沙按体积1∶2混拌, 保持含水量为饱和持水量的60%, 种、沙温度为15~20℃, 每天翻动一、二次, 催芽10多天, 裂嘴达5%时即可播种。如系陈种子, 浸种时间可长些。如地冻或土湿不能播种, 应将种子放入窖内, 降低温度, 控制发芽。种子千粒重5.5~6g, 发芽率65%, 10m2种量为150g, 当年留苗密度为500株/m2。2.3精细整地施足底肥。樟子松对土壤肥力要求不高, 但对水热条件、通气条件要求严格。播种地要在秋季进行翻耕, 同时施入基肥量的40%, 耙碎土块, 翌春经过重复耙地后, 作床时施入总基肥量的60%。床高15cm, 宽100cm, 长度不限, 要求床平正, 床内无土块。在降雨量少, 旱风又大, 蒸发旺盛地区, 可用低床。播种地应以基肥为主, 基肥与追肥相结合;迟效肥与速效肥相结合;有机肥料与无机肥料相结合的原则, 采取分期分层的方法进行施肥。一般情况下施厩肥或草炭, 但在沙地可用河泥, 以利保水和调节地表温度。育苗地应选在表土疏松、排水良好、地下水在1.5~2.0m处, PH值6.0~7.0的沙壤土, 切忌在盐碱或粘重土壤上播种育苗。精细整地, 每667m2施充分腐熟有机肥1500~2000kg, 掺入50kg磷酸二氨, 充分搅拌。2.4春季露地播种。春季播种, 在立枯病严重地区, 于播种前要进行土壤消毒。每平方米用40~60ml的工业用硫酸, 加水6L或稍多, 灌溉床面, 要灌匀, 使土层湿润3cm, 经一周后播种。播种量一级种子每667m23.5kg;二级种子4kg;三级种子5kg。宽幅播种, 适应樟子松幼苗喜群生的特性。当表层土壤平均温度达9℃以上可以播种, 大庆地区以4月20日为宜。覆土厚为0.5~1cm, 要均匀。覆土后镇压, 减少水分蒸发, 播种后灌水, 经常保持水土湿润。在播种后的覆土面上, 喷灌除草醚 (按有效量) 每平方米0.5~1g灭草。在干旱地区或沙地, 要覆草, 以保持水分和控制床面温度。2.5苗期管理。一般情况, 播种后15~20d苗木出齐。出苗后为防止立枯病, 每周喷一次0.5~1.0%的波尔多液, 至6月下旬为止。在高生长速生期结束前, 要注意灌溉, 前期要掌握量少次多的原则, 既供苗木所需水分, 又调节床面温度, 减轻日灼;雨季来临后, 视降水多少, 以定灌溉与否;生长后期, 应降低土壤温度, 以免苗木徒长, 影响越冬。7~8月幼苗生长旺期, 根系伸长, 气温高, 苗木蒸腾大, 必须供给充足水分, 为促进苗木木质化8月下旬以后除久不降雨外, 一般不灌水, 防寒前灌透水。为了防止土壤冻结期间苗木失水, 尤其要防止春季苗木地上部分开始萌动, 而土未解冻根不能吸水, 造成生理干旱, 应在秋季土壤将要冻结前, 将步道土打碎, 覆盖苗床, 以全部埋盖为度。翌春4月上、中旬化冻即可撤除。

3 容器育苗

3.1 营养土配制。

一般仍采用天然土壤, 有条件, 沙土70%, 腐熟马粪30%。3.2装苗。装袋时, 应取一株装一株, 对暂时不能立即装的, 要将根系用湿润的土壤埋好;把单株苗木提起悬空放进袋中央, 使根系舒展, 随后填土到苗木根茎交界处2cm位置, 敦实。3.3成活期加强水管理。3.4中耕除草。

3.5 2~4a容器苗就可移植或造林。

4 大苗栽培技术

4.1 栽植深浅适宜, 防止栽植过深, 樟子松怕深埋。

4.2 5月7日-6月10日速生期加强水肥管理。4.3中耕除草。4.4樟子松喜酸性土壤, 多施酸性肥, 进行土壤改良。4.5苗期常出现松立枯病。每周喷一次0.5~1.0%的波尔多液或克枯星防治, 至6月下旬为止。

5 应用

5.1 园林绿化树种。

5.1.1观赏特性。4月24日就返青, 特适合5月1日劳动节赏青。5月7日-6月10日速生期中各生长点伸长生长, 好象满树绿烛, 非常壮观, 美丽。四季常青。5.1.2园林用途。樟子松树干通直, 树干上部的皮红褐色, 适合做孤植树, 行道树及四旁绿化树种。深根系, 喜光, 故和其它耐阴浅根性树种分层次栽种效果极好。樟子松是三北地区营造防护林、用材林的主要针叶树种。优良环保树种。防风固沙作用显著, 樟子松是我国东北内蒙古大兴安岭山地及西部, 南部沙荒地带重要山地造林和固沙造林树种, 也可以作为华北北部高山及沙丘地带的造林树种及园林绿化树种。5.2经济树种。其木材是良好的建筑用材, 并可供造船、桥梁、桩木、车辆、电杆、家具及木纤维工业原料等用。树干可采割松脂, 提取松香和松节油;树皮可提取栲胶;针叶可以提取优质芳香油。

摘要：樟子松系适于我国东北地区园林绿化、固沙造林为数不多的常绿针叶树种。根据多年的科研及生产实际, 就樟子松的植物学特性、生态习性、育苗技术、应用等方面做了较为详尽的介绍, 为樟子松的推广和应用提供了科学依据和操作规程。

关键词：樟子松,园林,育苗,技术,大庆市

参考文献

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[3]顾万春.树木遗传育种学[M].北京:中国林业出版社, 1996.

沙打旺固沙效果试验 篇2

沙打旺具有很强抗逆性和顽强的抗沙能力, 在风沙吹打下仍能生长良好, 故得名沙打旺或沙大王。沙打旺茎叶强壮, 被风沙吹打后即使被损伤, 或被风沙浅埋数日, 以及被大风吹出部分裸露地面的根, 都能继续生长。沙打旺这种顽强护沙的能力, 被誉为重要的防沙固沙先锋植物。它的根系能从深层土壤中吸收水分和养料, 能耐贫瘠和干旱的土壤。据观察, 生长在贫瘠干燥、退化草地上的沙打旺, 70d无雨情况下仍能生长良好。此试验是为合理利用这一牧草资源, 以求治理试验区域的沙化草场的有效方法。

1 试验小区设置

试验小区设在齐齐哈尔市梅里斯区卧牛吐镇岗子村南沙岗草原。该区属中温带大陆性季风气候, 春季多风少雨, 夏季湿润多雨, 秋季晴朗多霜冻, 冬季寒冷而干燥;年平均气温3.2℃, 降水集中, 年降雨量415mm, 日照时数为2861.9h;无霜期为136d, 昼夜温差大, 利于作物碳水化合物和蛋白质的合成, 光热资源充足。

试验小区面积为3.5km2, 周围土壤为沙壤土, 试验小区属于沙丘。实施试验之前, 地表大部份露, 零星地块生长有寸草苔及蒿类杂草, 大风时, 以沙丘为中心黄沙向周边草原漫延。

2 试验方法

在播种前要对沙打旺种子进行发芽试验, 要求发率在80%以上, 每亩用种量为1.5kg, 播种前将草种与土按1:3比例均匀搅拌, 拌种土要求腐熟肥土或肥力较高的土壤。利用24行播种机采用30cm条播, 播种时, 时刻注意播种量的调节, 播种深度1.5~2cm, 播后镇压。为保证沙打旺能够正常出苗, 播种期选择在夏季, 根据天气预报情况在雨前播种, 于2007年6月15日播种。6月28日基本苗齐, 由于气候干旱, 加上沙丘地不保水, 当年长势较弱, 植株低矮, 分枝较少, 不能刈割利用。第2年4月28日进行越冬率调查, 6月10日进行虫害防治, 防治草地螟虫害喷施4.5%高效氯氰菊酯, 每亩用量为50m L, 加水35kg喷雾。7月15日刈割一次, 留茬高度10cm。第3年4月25日进行越冬率测定, 7月8日刈割第一次, 留茬高度8cm, 8月20日刈割第二次, 留茬高度10cm。

3 试验结果与分析

播种当年, 6月28日调查平均每平方米出苗4.1株, 亩保苗数约为2750株, 根据播种量每亩1.5kg的标准计算, 亩保苗应为3500~4000株。分析原因主要是播种后下了一场雨, 由于沙地不保水, 后期干旱, 所以导致出苗率低。当年沙打旺的分枝极少, 长势不旺。第2年4月28日进行返青情况即越冬率调查, 沙打旺越冬率为90%, 但夏季沙打旺长势较好, 由于齐齐哈尔地区发生草地螟虫害, 6月10日进行草地螟灭治, 防治效果好, 没有对其生长产生影响。7月15日刈割, 亩产鲜草685kg。第3年4月25日调查越冬率为99%, 后期牧草长势旺盛, 分枝多, 7月8日进行第一次刈割, 亩产鲜草750kg, 8月20日进行第二次刈割, 亩产鲜草862kg。第3年调查地下根最深1.5m, 根上着生着大量根瘤, 侧根发达, 主要分布在15~30cm的土层中, 根幅1.2~1.6cm, 根毛不多, 株高平均为1.2~1.5cm。

石膏基固沙材料耐候性能研究 篇3

化学固沙是近几十年来新兴起的一种沙漠治理方法[1,2],其原理就是利用化学材料与工艺,在流沙表面建造既能防止风力吹蚀又具有保持水分和改良沙地性质的固结层,以达到控制和改善沙化环境的目的[3,4]。Albusoda等[5]以水泥窑粉尘为原料制备的固沙材料在稳定流沙方面具有明显效果。杨明坤等[6]合成了以羧甲基纤维素钠为主接枝的丙烯酰胺环保固沙剂,该固沙剂具有优良的吸水保水性能且链上的羰基可与沙土中的无机离子发生络合反应,有效提高材料的粘合性能和成膜性能。杨万泰等[7]研制出丙烯酸/全氟辛基甲基丙烯酸酯共聚物,有效地解决了化学固沙剂固沙层水渗透率低和吸水率高的问题。然而沙漠地区的气候特点是晴天多、日照强、昼夜温差大、大风频发,因此十分有必要研究固沙材料的耐候性能。

本研究以实验室自主研制的石膏基固沙材料为对象,通过冻融试验、耐水试验、老化试验、抗风蚀以及野外试验综合评价了石膏基固沙材料的耐候性能,以期为该固沙材料的工程应用提供技术支撑。

1 实验

1.1 实验原料

石膏,青海省互助青湖建材厂产,白色粉末,主要物相组成为CaSO4·0.5H2O,密度为2.34g/cm3,粒度为0.17mm。其化学组成和X射线衍射图分别见表1和图1。膨润土,甘肃金昌红泉膨润土有限公司产;聚丙烯酰胺,分析纯,任丘市浩升化工有限公司产;十二烷基硫酸钠(SDS),分析纯,天津市巴斯夫化工有限公司产;沙粒,取自青海省海晏县青海湖沙岛;木屑,取自青海西宁某木材公司。

1.2 保水剂制备

在机械搅拌作用下,将一定量过200目筛的膨润土缓慢加入蒸馏水中,超声分散0.5h制得膨润土悬浮液。将蒸馏水加热到40℃左右,在高速搅拌下将聚丙烯酰胺粉末缓慢加入水中,持续搅拌1h至其完全溶解,陈化12h制得聚丙烯酰胺溶液。采用溶液共混法将前面所制两种溶液混合并机械搅拌0.5h制得混合胶液。将混合胶液在80℃烘箱中干燥、粉碎,即得到复合吸水保水材料。

1.3 固沙材料制备

将石膏与沙粒、保水剂、木屑、十二烷基硫酸钠混合[8],按标准扩散度用水量加水,搅拌均匀后在40mm×40mm×160mm标准试模中自然养护成型,终凝2h后脱模。在实验室条件下养护至第3天后,将试样放入温度为42℃的烘箱内烘干至恒重,冷却后备用。

1.4 风蚀试验方法

(1)在实验段上平铺足够的沙源,使风沙流浓度在各级风力下接近饱和状态。

(2)将风干后的试样置于风洞底架上,使试样面与风沙流形成一定夹角,分别在不同坡度下(0°、15°、30°)测定其风蚀量。

(3)在不同风速(7m/s、10m/s、20m/s)下测其风蚀量,测试时间为:7m/s和10m/s风速下吹蚀15min,20m/s风速下吹蚀10min。

(4)4个样品为1组,对每组试验样品测定一定风速作用下的风蚀强度,风蚀强度以风蚀率E(g/(min·m2))表示,用天平分别称量风蚀前后的质量,从而得出风蚀量。

2 结果与讨论

2.1 冻融性能分析

结合我国高寒沙漠地区的气候特点,冻结和融化温度分别选定为-20℃和15℃。将按1.3方法制备的固沙材料在水中浸泡1天,然后取出放入-20℃的高低温试验箱中冻结12h,取出在15℃高低温箱中解冻12h,即为一个冻融循环。图2为冻融循环次数对抗压强度的影响。由图2可以看出,随着冻融循环次数的不断增加,固沙材料的抗压强度逐渐降低,经历20次循环后,固沙材料强度为1.56 MPa,仍然满足现场固沙要求。严寒地区的冻融交替,主要是由于水在孔隙中结冰时,体积约增加9%,固沙体孔隙中渗入的水结冰会使孔壁承受很大的膨胀应力,如其超过固沙体的抗拉强度就会引起微裂纹等不可逆的结构变化,在冰融化后不能完全复原,所产生的膨胀仍有部分残留,孔隙变大。这样孔隙率更大,会渗入更多的水,再次冻融时,原先形成的裂缝又由于结冰而扩大,如此经过反复的冻融破坏,裂缝将会越来越大,导致破裂[9]。由于合理添加了木屑、十二烷基硫酸钠等造孔剂,此固沙材料中空隙分布较多[8],因此具有良好的抗冻融性。

2.2 耐老化性能分析

沙漠气候的特点之一是晴天多、日照强,年平均晴天日数约占75%。针对日照时间长,紫外线强度较大,加上我国沙漠多分布在高原地区,空气较稀薄,进一步加强了紫外线对地面的辐射强度,故试验采用紫外光老化法。试验采用紫外光连续辐照,照射通常为白天,除意外停电外一般不间断。测定连续辐射100h、200h、300h、500h后材料强度损失、质量损失、外观形貌,图3为老化试验结果———辐射时间与抗压强度及强度损失率的关系图。从图3中可以看出,随着紫外辐射时间延长,固沙材料抗压强度逐渐降低,连续辐射500h后材料抗压强度为2.62MPa,仍然能满足现场固沙要求。由于石膏基固沙材料以无机材料为主,其耐老化性能较好,即使在紫外光照下连续辐射外观仍然没有变化。试验中材料表面温度约50℃,可能部分石膏晶体会脱水,另外材料中添加的部分有机保水剂在紫外光下分解,小范围内改变了材料内部结构,因此在紫外光连续照射下材料抗压强度略有下降。

2.3 抗风蚀试验

青海高寒干旱,位于西风带范围内,全年盛行高空西风,风力强大,柴达木盆地、共和盆地、青海湖盆地以及青南高原的大部分地区尤多西风和西北风,风力可对地表物质进行侵蚀,所以进行抗风蚀实验。图4为抗风蚀试验结果———风速与风蚀量及风蚀率的关系。从图4可以看出,随着风速和坡度的增大,风蚀量和风蚀率都增加,但风蚀率较小,外形无变化。石膏基材料中加入沙粒和木屑,使得石膏之间的粘结力较强,在风沙的侵蚀下整体的耐风蚀能力较强。

2.4 野外试验

在青海大学理工试验楼顶层制作一个小型治沙示范区模型,定期观测固沙固结层强度及形貌变化。图5为野外试验结果———时间与抗压强度及强度损失率的关系。从图5可以看出,固沙固结层在野外经历4个月风吹日晒(8月-11月是青海气候中最典型的几个月,经历了夏天的高温与雨季再到秋冬的寒冷与大风),然而外观形貌并无变化,说明固沙材料具有良好的抗风蚀性能。固结层的强度降低再升高是由于8月、9月正处于青海的雨季,降雨较多使固沙固结层在经历多次吸水蒸干后强度有所下降,10月份后天气趋于干燥固结层中水分不断减少从而强度有所上升。

3 结论

(1)该固沙材料在经历20次连续冻融循环后强度仍有1.56 MPa,在经历500h连续紫外辐射后外观无变化,强度损失只有22.94%,4个月风吹日晒后外观无变化,强度仍然满足现场固沙要求。

(2)风沙流的直接冲击和磨蚀是固沙材料侵蚀的主要因素,随着风沙流速度与坡度加大,风蚀量也增大,风蚀率最高值为0.2016g/(min·m2)。

(3)试样面与风沙流夹角会直接影响风蚀量,在相同速度风沙流作用下,同种材料的风蚀量随着坡度的增大而增大,坡度为30°时,风蚀量相对最大。个别试样在实验中出现差异,主要与试样风蚀过程中放置位置有关。

摘要：以石膏基固沙材料为研究对象,对其固结层的抗冻融、耐老化、抗风蚀、野外应用进行了试验研究。结果表明:该材料在经历20次连续冻融循环后强度仍有1.56 MPa,在经历500h连续紫外辐射后外观无变化,强度损失只有22.94%;随着风速和坡度的增加,风蚀量增大,风蚀率最高值为0.2016g/(min·m2),相对较小;4个月风吹日晒后外观无变化。该固沙材料具有良好的耐候性能,在沙漠治理方面具有广阔应用前景。

关键词：石膏基固沙材料,耐候性,抗冻融,耐老化,抗风蚀,野外试验

参考文献

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薄膜生态固沙方案的初步研究 篇4

我国是世界上荒漠及荒漠化土地分布较广的国家, 已经荒漠化的土地面积17.6万平方公里, 另有潜在荒漠化危险的土地面积15.8万平方公里。从总体上看, 我国土地荒漠化仍在加速扩展和蔓延。若将其与沙漠和戈壁合计, 则有153.3万平方公里, 几乎占全国土地面积的16%。

因此我们需要运用多种科学技术方法延缓荒漠化进程, 改造荒漠地区。

目前一些具体的治沙方法有: (1) 植物固沙, 这是控制流沙最根本且经济有效的措施。固沙植物能为沙区人畜提供燃料和饲料, 同时, 又可以恢复和改善生态环境。其内容主要包括:建立人工植被或恢复天然植被;营造大型防沙阻沙林带, 以阻截流沙对绿洲、交通线、城镇居民点的侵袭;营造防护林网, 控制耕地风蚀和牧场退化;保护封育天然植被, 防止固定半固定沙丘和沙质的沙漠化危害。 (2) 工程治沙, 治理流沙时, 采用柴草、粘土、卵石、网板等材料设置障碍物或铺压遮蔽, 借以阻沙固沙;利用地形地物设置屏障, 改变大风方向, 输导流沙定向吹移;采取一定的工程措施, 机械地进行干扰控制, 以固定阻挡、输导搬运流沙, 定向塑造风沙地貌, 改变沙地条件, 转害为利。 (3) 化学固沙, 在流动沙地上通过喷洒化学胶结物质, 使其在沙地表面形成有一定强度的保护壳, 隔开气流对沙面的直接作用, 提高沙面抗风蚀性能, 达到固定流沙的目的。

但这些治沙的方法都没有从根本上解决沙漠化的问题, 土地沙漠化的速度仍远大于治沙速度。要防治风沙, 我们还需要更有效的方法。

目前, 治理沙漠遇到的最大问题就是水的供应问题, 没有充足的水分供给, 即使短期内固定住了沙, 植物还是无法正常生长。无数失败的经验告诉我们, 只有解决沙漠植物生长的供水问题, 才能从长远上征服沙漠。

在这种背景下, 为防止沙漠化进一步扩大, 我们提出了一种全新的薄膜生态固沙方案, 这种方法在能实现在半沙漠地区逐步建立绿化带, 形成有效地防沙林, 从而防止沙漠进一步扩大。

2 设计原理

沙漠化不断扩大的主要原因是沙随风走, 沙子在风的吹动下不断迁徙, 导致沙漠逐渐向外扩张。若在沙漠边缘即将与绿洲交界处的过渡带上覆盖地膜, 以阻断沙子和风之间的联系, 防止风将地上的沙子卷起, 起到类似于草皮的护沙作用。薄膜的四个边界均需要压紧, 避免其被风掀起, 这样可以短期内固定住风沙。

薄膜我我们采用低压高密度聚乙烯地膜。这种低压膜是利用比重较大的低压高密度聚乙烯树脂为原料吹塑而成。这种地膜的强度大、韧性强、耐热性、耐久性好, 不易破裂。厚度可以由0.015~0.02毫米降低到0.003~0.005毫米, 比一般地膜薄2/3。同等重量的这种地膜覆盖面积比一般地膜多近2倍, 每公顷只需地膜37.5~45千克, 比一般高压膜减少50%~60%, 可用于粮食作物覆盖栽培。但这种地膜的柔软性和横向拉力不如一般地膜, 铺膜时不容易紧贴地面。

在地膜上放置锥形营养袋, 每个营养袋作为一个植物生长单元, 如图所示:

锥形营养袋高35~40cm, 地面直径35cm左右。每两个营养袋之间前后左右各相距1.3米;营养袋内为混有少量肥料的土壤, 内含柠条或梭梭的植物壮苗。含同种植物的营养袋呈“品”状分布。袋口留直径5厘米的出口, 为种子萌发提供足够的空气, 同时相对小的袋口可以减小水分的蒸发;营养袋底部封闭不透水, 防止水分下渗, 保证植物生长的足够水分, 不需要经常补水。

营养袋同样采用低压高密度聚乙烯材料制成, 既经济又环保。但是最好在生产过程中加深色色素, 保证植物根部不被光线照射到。

营养袋中的土壤土质成分如左图所示, 下层我们使用含水充足的土壤, 上面覆盖一层沙粒, 防止阳光直射土壤造成蒸发旺盛, 水分大量流失。并且上层沙粒不会影响植物的生长发育。

在薄膜上放置营养袋的地方留出直径18厘米左右的孔, 用营养袋底部压住;当植物根系撑破营养袋时, 方便其继续向下延伸扎根沙漠。

各个营养袋之间用绳互相连接固定, 形成一个庞大的整体, 护沙薄膜的四周用固定桩固定住, 并将绳子的末端也牢系在桩上, 使其难以被风沙撼动, 保证它们的稳定性, 同时也更好的固定住下方的护沙薄膜。另外, 我们将柠条和梭梭这两种植物相间种植, 避免将来种内竞争造成的不良后果。如下图所示。

3 创新特色

传统的沙漠治理技术如植物固沙、工程治沙、化学固沙、旱地节水、退化地开发等并不能完全解决土地沙漠化的问题, 而且往往会因为风沙过大或水供应问题得不到解决而不见成效。就目前局势来看, 沙漠化的速度远远大于沙漠治理的速度。薄膜生态固沙方案, 便是针对这些问题, 结合了以上几项技术的优点, 并在技术上有所创新, 是治理沙漠, 遏止沙漠蔓延的一种有效方法。

这项技术采用的低压高密度聚乙烯地膜作为护沙薄膜, 不仅可以固沙, 而且可以被红柳等耐旱植物的根系穿过, 使这类植物能够扎根于沙漠。另外, 地膜是由有机高分子材料制成, 可以在短期内自然降解, 并最终成为促进植物生长的有机肥。在该薄膜上面放置相当数量的植物生长单元, 有效防止了风沙对薄膜的破坏影响, 对生态基上植物的固定生长有重要作用。

植物生长单元中的土壤盛于锥形营养袋中, 有效地减小了土壤中水分的下渗作用和蒸发作用, 从而减少了水分的流失, 这就解决了治理沙漠中的供水困难问题, 这与旱地节水的方法相比, 既节约了成本, 又减少了工作量, 效果也更显著。

有机高分子薄膜上面种植多种耐旱植物如 (柠条、梭梭) , 运用生物学的方法, 将它们相间种植, 并保持一个合理的种植密度, 这样不仅减小了同种生物种群的种内竞争, 有利于植物的快速成长, 而且对沙漠生物多样性的提高很大的帮助。

4 应用前景

当前我国国土利用和整治中防沙治沙的任务非常紧迫。进一步应用现代科学技术改造荒漠, 防止沙漠化, 实现可持续发展, 是我们当前面临的重要任务。在沙害治理体系中, 随着薄膜生态基固沙方案的进一步深化研究和应用, 特别是将薄膜生态固沙方案的工程化应用以及与传统生物治沙技术结合的深化研究, 采取封育、人工造林、生物沙障等综合措施, 形成多层次的人工植被覆盖, 这对于加强防护体系的整体稳定性, 提高固沙和抵御风蚀及沙尘暴的效果具有重要的实践意义和创新意义。

薄膜生态固沙方案与传统生物固沙措施相结合, 具有互相促进, 和互相弥补的作用, 可以大大提高固沙效果, 是一种有效的治沙新技术。薄膜生态固沙作为一种新型的防沙治沙手段, 在治理沙漠化的进程中还需要通过科学研究和生产实践继续完善。薄膜生态固沙方案丰富了我国防沙治沙的技术理论, 提高了综合治沙的技术水平和生态效益。利用薄膜生态固沙方案, 对于荒漠化地区生态环境的恢复与重建不仅必要而且可行, 必将在沙漠化的治理中有着广阔的应用前景。

摘要：目前我国土地沙漠化十分严重, 并且有愈演愈烈趋势, 但是传统固沙方法不能从根本上解决沙漠化问题, 土地沙漠化的速度仍远大于治沙速度。本文提出了一种全新的薄膜生态固沙方案, 这种方法在能实现在半沙漠地区逐步建立绿化带, 形成有效的防沙林, 从而防止沙漠进一步扩大。

关键词：沙漠化,薄膜固沙,生态,聚乙烯地膜

参考文献

[1]常兆丰.河西走廊50年治沙措施应用中出现的问题及未来思路[J].中国沙漠, 2001, 21.

固沙技术 篇5

我国是世界上受沙化危害最严重的国家之一。八大沙漠、四大沙地是我国主要的沙源地,据《中国荒漠化灾害的经济损失评估》,每年沙化造成的直接经济损失达500～600亿元,相当于西北数省的财政收入的数倍。防沙、治沙、开发和利用沙漠资源最重要、最突出的问题是车辆通过性能。长期以来,各国学者从不同角度,采用不同方法相继对车辆特性与地面之间的相互关系进行了非常广泛的研究,主要有以下几种方法:经验法、模型试验法和半经验法,这几种方法虽然都有其局限性,但半经验法在汽车地面力学领域目前应用还比较广[1]。本文采用半经验法和朗金被动土压力理论相结合进行数值模拟分析。

防风固沙草方格铺设机器人研究是国家863计划项目,而CFGR-100型机器人的研制成功开辟了防风固沙新方法,填补了该领域国际空白。而将利用半经验和朗金被动土压力理论推导轮胎行驶阻力和草方格铺设机插刀推沙阻力的计算公式在国内还是首次提出的。本文以内蒙古浑善达克沙漠为样地,从理论上计算出CFGR-100型防风固沙草方格铺设机器人行驶时的切线牵引力和行驶阻力,从而可以预测该机器人能否在沙漠中行走作业。

1 CFGR-100型草方格铺设机器人总体结构

CFGR-100型机器人由牵引式轮式车辆、纵向铺草机械部分和横向插草机械部分组成,在计算机(中央控制器)控制协调下,安装在草方格铺设机上的纵向和横向铺草机构连续完成沙地上的总宽为3m、每格为1m×1m的草方格沙障铺设作业,从而达到防风固沙的目的。

该机器人总体结构示意图,如图1所示。牵引车选择国产的WTC5120TSM沙漠车,这是一种用于沙漠地区和砾石地区进行物理勘探作业的高速、高通过性中重型越野车,四轮驱动,主要技术性能如表1所示[2]。

1.牵引车工2.纵向铺草机构3.草方格铺设机4.横向铺草机构

防风固沙草方格铺设机采用平衡梁式悬架、18-20型沙漠轮胎,具有条形花纹,侧向稳定性好,接地面积大,接地比压小。其主要技术性能,如表2所示。

2 机器人—地面系统受力分析

牵引车以最低挡、全轮驱动方式匀速行驶,并使机器人保持1.8km/h左右的速度均匀铺草。

2.1 切线牵引力

机器人的整机牵引力由WTC5120TSM牵引车4个驱动轮产生的切线牵引力组成。

由沙土剪切试验所求得的剪应力τ与位移j之间的关系曲线可知,本文研究的沙土近似为渐近型塑性土壤,可用库仑公式表达为[3]

式中c—土壤内聚力(kPa);

ϕ—土壤内摩擦角(°);

p—接地比压力(kPa);

j0—土壤剪切变形模量(cm);

δ—滑转率(%);

x—轮胎接地面积前缘与某接地微元面积之间的距离(cm)。

将剪应力τ对整个轮胎的接地面积进行积分,并考虑轮胎花纹高度的影响,可得出单个驱动轮上产生的切线牵引力。

双轴车辆由于前、后轮上的垂直载荷、接地面积等都不相同,需分别求出前、后轮上的切线牵引力再相加得整机切线牵引力。前轮切线牵引力为

后轮切线牵引力为

牵引车总的切线牵引力:

式中b—轮胎宽度(cm);

δ—轮胎的滑转率(%);

W—牵引车质量(kN);

λ—后轮质量分配系数,本文取λ=0.66;

1l,l2—分别为前、后轮胎接地长度(cm);

j0—土壤剪切变形模量(cm);

h—轮胎花纹高度(cm)。

前、后轮胎接地长度计算公式为

式中0r—轮胎自由半径(cm);

rk—轮胎滚动半径(cm);

zi—分别为前、后轮轮辙深度(cm),i=,12。

2.2 行驶阻力

机器人在沙漠中以匀低速行驶时,存在着各种阻力,这些阻力由驱动轮上所产生的切线牵引力来克服。在沙漠中低速稳定行驶时,总行驶阻力为

式中fP—车轮压实阻力;

PR—车轮推沙阻力;

Ph—横向铺草机构插刀推沙阻力;

zP—纵向铺草机构滚轮压草阻力。

2.2.1 车轮压实阻力

车辆低速行驶时,可以忽略轮胎滑转对下陷量的影响。根据轮辙形成理论,可采用Bekker公式表达土壤的压力p—沉陷z的关系[1,4],即

则形成每条轮辙所引起的压实阻力为

式中k—土壤变形模量(kN/mn+2);

n—土壤变形指数,无量纲;

b—车轮宽度(cm);

z—轮辙深度(cm);

pi—轮胎充气压力(kPa);

cp—轮胎胎壁刚度(kPa)。

只要测定车轮每次通过前的土壤参数k和n值,利用式(8)就可计算出每个车轮通过时的压实阻力,全部车轮对沙土的压实阻力之和即为整机的压实阻力。本机器人的牵引车和草方格铺设机轮距相同,轮辙重叠,可减少沙土压实阻力[5,6]。

2.2.2 车轮推沙阻力

对于沙性土壤而言(c=0),车轮的推沙阻力可用Bekker建议的公式计算[1],即

式中Nc,Nγ—太沙基承载能力系数,可查表求得[4];

γ—沙土密度(kN/cm3);

D—车轮直径(cm)。

只要测定车轮每次通过前的土壤参数c和ϕ值,利用式(9)就可计算出每个车轮通过时的推沙阻力,全部车轮推沙阻力之和即为整机的推沙阻力。

2.2.3 横向铺草机构插刀推沙阻力

横向插刀入出土时,由于机器人在匀速前进,插刀会对前方沙土产生推动作用。推沙阻力可用朗金(Rankine)被动土压力理论求解[7],对砂性土(c=0),沙土对横向插刀的最大水平反作用力即推沙阻力为

式中N(ϕ)—被动土压力系数,N(ϕ)=tg2(45+2ϕ);

z—插刀入土深度(cm)。

横向插刀共有3把,所以总的推沙阻力为

2.2.4 纵向铺草机构滚轮压草阻力

单个纵向滚轮在压草过程中产生的阻力主要是由刚性滚轮压实沙土和草帘组成,本文把草帘和刚性轮看作一个整体进行分析,此时压草宽度为刚性轮与草帘的宽度之和,可得纵向滚轮压草阻力为

式中b—滚轮与草帘的宽度之和(cm);

z—滚轮压草深度(cm)。

纵向铺草机构共有4个滚轮,则总的滚轮压草阻力为

2.3 通过能力评价指标

当沙土作用于整台车辆行走机构上的切线牵引力H大于整车行驶阻力ΣP时,车辆可以行驶,两者之差称为挂钩牵引力DP,可作为车辆通过能力的评价指标,即

工程上常用单位车重的挂钩牵引力即牵引性系数Π作为车辆通过能力的评价指标[1],即

DP或Π值越大,通过能力越强;其值为零时刚好能通过,为负时则不能通过。

3 仿真计算与结果分析

3.1 参数测定

3.1.1 土壤承压特性参数

土壤承压特性参数k和n由TE-3型土壤承压仪在沙漠中进行试验求得[7]。原始沙土:k0=1945kN/mn+2,0n=0.97;压实1次沙土:1k=3002kN/mn+2,1n=0.84;压实2次沙土:k2=3856kN/mn+2,2n=0.78;压实3次沙土:k3=4403kN/mn+2,3n=0.74。牵引车轮胎胎壁刚度取Pc1=Pc2=485.kPa,轮胎充气压力为Pi1=Pi2=100kPa;草方格铺设机轮胎胎壁刚度取Pc3=Pc4=45kPa,轮胎充气压力为Pi3=Pi4=150kPa。

3.1.2 土壤剪切特性参数

土壤剪切特性参数c,ϕ,0j由ZQB-1型轻便剪力仪在沙漠中进行试验求得[7]。其中,原始沙土:0c=0,ϕ0=26.6°,j01=0.52mm;压实1次沙土:1c=0,1ϕ=26.3°;j02=0.48mm。为简化计算,平均取c=0,ϕ=26.45°，

3.1.3 其它参数

试验时,沙漠含水量w=2.1%,沙土密度γ=1.63g/cm3。横向插刀入土深度和纵向滚轮压草深度均为15cm。纵向滚轮与草帘宽度之和取1.8cm。牵引车轮胎自由半径和滚动半径分别为:0r=83.8cm和kr=77.6cm;太沙基承载能力系数Nc和Nγ分别取34.0和17.5。其它参数如表1和表2所示。

3.2 仿真结果

将上述相关数据代入式(2)、式(5)和式(8)、式(13),可求得整机切线牵引力H与滑转率δ之间的关系曲线,以及整机总行驶阻力ΣP值。由式(14)和式(15)可求出相应的挂钩牵引力DP和牵引性系数Π。

整机总阻力ΣP、切线牵引力H与滑转率δ之间的关系曲线,如图2所示。由图2可见,切线牵引力随着滑转率的增加而增加,当滑转率趋近于0时,切线牵引力也趋近于0。当滑转率达到100%时,切线牵引力达到最大值37.5kN。整机总阻力为26.3kN,此时车辆滑转率为28.8%。仿真结果表明:CFGR-100型防风固沙草方格铺设机器人能够在浑善达克沙地行走作业。

4 现场试验

课题组在浑善达克沙地进行了实地试验,各项技术指标都达到了该机器人设计要求,机器人固沙实现了草方格与灌木黄柳等同时栽植;机器人在流动沙丘上固沙的草方格,大大降低了地面风速,除方格外围2m作业区有少量积沙现象,2m内的草方格既不起沙也不积沙。机器人固沙将为解决防沙治沙的难点与重点,在交通不便的少人、重度沙化区展现出广阔应用前景。

5 结论

1)CFGR-100型防风固沙草方格铺设机器人的沙漠通过能力与其行走机构接地压力密切相关,采用大型宽断面超低压轮胎,增大接地面积,可以显著降低接地压力,提高沙漠通过能力。

2)利用半经验方法推导和计算出了轮胎与沙土相互作用的阻力理论预测值,并考虑推土阻力和车轮重复通过时对行驶阻力的影响。利用朗金被动土压力理论推导了草方格铺设机横向插刀推沙阻力的计算公式和利用Bekker提出的承压特性模型推导了纵向滚轮压草阻力的计算公式。

3)计算表明,WTC5120TSM沙漠牵引车在内蒙古浑善达克沙漠中有较好的牵引性能,能够产生的最大切线牵引力为37.5kN,而整机阻力为26.3kN,此时牵引车驱动轮滑转率为28.8%,能够满足草方格铺设机的作业要求。因此,本文选用的WTC5120TSM沙漠车和草方格铺设机的18-20型轮胎是合理的。

4)对不同地区的沙土进行物理和力学性质进行研究,得出沙土的特性参数,利用本文的研究方法,就可以在理论上预测出该机器人是否满足该地区通过性的要求,以供用户购置时参考。

摘要：为了解决CFGR-100型防风固沙草方格铺设机器人在沙漠地区通过能力的问题,提出了切线牵引力和行驶阻力的计算公式,采用挂钩牵引力和牵引性系数作为通过能力的评价指标。试验结果表明,该机器人在沙漠中有较好的通过能力,能够满足草方格铺设作业的要求。

关键词：自动控制技术,防风固沙机器人,试验,沙漠,通过能力

参考文献

[1]庄继德.计算汽车地面力学[M].北京:机械工业出版社,2002.

[2]保定北奥石油物探特种车辆制造公司.WTC5120TSM沙漠车使用说明书[Z].保定:北奥石油物探特种车辆制造公司,2000.

[3]陆怀民,赵志国.工程车辆湿地通过能力的试验研究[J].车辆与动力技术,2003(3):11-14.

[4]张克健.车辆地面力学[M].北京:国防工业出版社,2002.

[5]刘聚德.车辆沙地通过性研究中几个关键问题的探讨[J].汽车工程,1996,18(2):103-107.

[6]魏东,洪涛.车轮重复通过时新疆沙漠沙土力学特性的试验研究[J].吉林工业大学学报,1997,27(2):1-6.

固沙技术 篇6

防风固沙, 顾名思义, 其包括了2 层含义, 地面以上无遮挡物所引起的风沙流动;地表无绿色植物、缺乏根系盘结, 在大雨冲刷后坡地所引起的砂石流失, 后者是我们水土保持工作防治的重点内容。坡地和大雨后的径流是水土流失的两大必备条件, 而径流调控正是水土保持工作的重中之重, 也是防治手段的精髓。尽管水土保持与其它学科有着极为密切的内容交叉和渗透, 但是其与周边学科最大的区别就在于能科学调控和合理利用坡面径流, 依照径流的调控理论来削弱水土流失的原动力, 在同等降雨条件下, 可有序聚集和分散坡面径流, 最终达到水土流失控制和水土资源保护的总体目标。为达到此目的, 我们不能仅局限于单一的技术治理和工程措施, 为保证较大范围区域内的协调统一, 我们需要对区域进一步细致划分, 结合区块的内容特点采用小流域综合治理措施来取得理想的治理效果, 进而使不同水土流失类型区的各项小流域治理措施优化配置, 形成符合水土流失规律和特点的预防体系。

水土治理是公益性事业, 是国家惠民的重大举措, 其与生态环境安全和国土资源整治开发密切相关。水土保持学科建立的初衷在于为国家土地资源保护、改良和合理利用水土资源提供有用之才, 通过人才支撑来合理配置整治资金, 花最少的钱发挥最佳的效果, 进而促进社会经济的可持续发展[1]。水土保持学科并不是孤立存在的, 其可从土壤学扩大到生物、地质、水文, 近年来又与环境科学、材料科学、工程科学、信息技术科学等学科相互融合, 与社会人文科学、大气及水环境、全球气象学等内容相互交叉。在现实水土保持防治方案的制定上, 我们不得不采用高新技术在防、治、管等三方面对水土进行综合监测, 在水土保持预防和监督上注入社会管理学内容来加强执法, 在监测和预报国家大型水体设施方面, 我们有必要采用卫星遥感技术, 在水土管理过程中, 还不时引入新的设备和材料进行设备更新, 另外, 一些植物的引种栽培对于防止水土也会起到事半功倍的效果。现今, 水土保持工作正在逐步演变为一个涉及工农业、资源环境业、社会经济业、人文地质业等在内的综合性事业。

以往, 人们对水土保持的关注仅停留在山区、丘陵区、风沙区以及与农田水利有关的区域, 但现阶段, 水土保持的研究领域正逐渐向非农领域以及平原地区延伸。21世纪, 国家在水土保持相关的各类基础设施建设、资源的合理开发以及城镇化进程扩张等方面均有所投入, 然而, 在城市的开发建设中, 人为造成的水土流失现象较为严重, 这就要求我们在开发建设各类项目的同时, 要提早做好水土流失的估算及预防工作, 由相关部门做好技术审批, 在可控范围内对施工后引起的流失现象做好综合治理。比如在平原流域进行矿业开采, 就必须要做好地表径流和降雨疏导、分流的防治工作, 通过拦截式工程有效预防水土流失, 同时针对边坡、矿渣以及弃土石场, 我们不仅需要考虑雨水的走向问题, 还要考虑到风蚀, 在治理措施上, 不仅要配套坚固的水土保持工程, 还要注重工程与植物的科学配伍, 搭配的美感时常给开发建设增加正面效益, 在发挥水土保护功能的同时, 给人们提供观赏、休憩的人文环境。

2防风固沙的技术措施

2.1 设置有效的沙障

主要的沙障模式有篱笆、草方格、黏土、立式及平铺等, 其中草方格沙障就是使用芦苇、稻草或麦草等材料, 在流动沙丘上扎成挡风墙以削弱风力的侵蚀, 同时有截留降雨的作用, 能有效提高沙层的含水量, 为沙生植物生长提供有利环境。黏土沙障就是将黏土在沙丘上堆成高20~30m的土埂, 间距为1~2 m, 走向与风向垂直, 黏土固沙因工程施工简单、固沙效果明显, 而广受亲睐, 但对黏土需求的数量较大。

2.2 在沙面上覆盖致密物

致密物我们可选择塑料薄膜进行, 就是将其覆盖于沙漠表层, 随后用岩石等重物压住, 这种方法可有效防治水分散失, 但塑料薄膜易被风刮起, 在丧失固沙和保水功能以后, 若监管不严, 则易造成二次污染。

2.3 植物治理

在沙漠地区栽种适宜的沙生植物以阻止沙漠扩张并逐步改良沙漠土地。沙生植物具有水分蒸腾少, 机械和输导组织发达等特点, 可抵御狂风侵袭并迅速将水分和养料输送到指定器官, 其细胞内经常保持较高的渗透压, 具有很强的持续吸水能力, 使植物不易失水, 能够适应干旱少雨的环境。在沙漠地区有计划地栽植沙生植物, 即在沙丘迎风坡上种植低矮的灌木或草本植物, 固住松散的沙粒, 在背风坡低洼地上种植高大的树木, 阻止沙丘移动。此外, 还可在沙漠边缘地带营造防风林以削弱沙漠地区的风力, 进而阻止沙漠扩张。防风林的效果与林带的高度有关, 树木越高、栽植越密, 其防风效果越好。植物治理的效果重点在于选择适宜的树种和科学的林带结构。

3植被在防风固沙方面所发挥的特殊作用

植被是人类生存环境的重要组分, 是进行自然与人为区划不可或缺的重要标识。目前, 植物治沙被认为是众多治沙措施中最经济、最有效、最持久的技术措施。固沙植物在风蚀防治中起着至关重要的作用, 而且植物构型特征对于防风固沙所起的效果亦有所不同。

王贵霞等[2]研究结果表明, 不同植被类型下的土壤侵蚀深度和侵蚀模数均低于裸地, 植被恢复措施对于土壤物理结构和蓄水性能均有明显改善效果, 农林间作模式具有较好的蓄水保土和改良土壤效应。香根草栽植能显著降低土壤容重, 增加土壤含水率, 减少土壤养分流失, 其蓄水率和保土率均可得到提高, 能够作为植被建设的首选物种[3]。刘平乐[4]在其报道中指出, 当地埂无植被时, 抗蚀能力差, 但当地埂有了良好的植被覆盖后, 可有效防止土壤冲刷, 进而起到较好的水土保持作用。沙蒿与油蒿广泛分布于我国沙漠地区, 是沙地植被的重要建群种和优势种, 马全林等[5]在其报道中指出, 比照沙蒿灌丛, 油蒿灌丛可作为更加理想的防风固沙植物, 其灌丛分枝数较多、分枝角度略小、生物量大且分布于近地表层。实践表明, 通过封育恢复天然植被[6], 是治理和控制土地沙漠化的一项最为有效的措施。

摘要：在防风固沙、保持水土及涵养水源等方面, 植被具有不可替代的优势作用。作为陆地表面盘根错节、具有生命的绿色自养生物, 植被是陆地生态系统平衡的维护者, 其通过汲取自然界中的CO2及阳光、在合成自身有机物的同时, 通过树冠遮挡、树根盘结等方式稳定飞尘、固住水土。现阶段, 随着城镇化的迅猛扩增, 绿地面积急剧减少, 水土流失现象比比皆是, 治理水土流失事关经济社会的持续、稳定发展, 而植被连片栽植正是抑制该趋势恶化的唯一途径。本文从防风固沙对水土保持的重要涵义入手, 逐一分析防风固沙的一般技术性措施, 最终提出植被在防风固沙方面所发挥的特殊作用, 为同领域技术人员提供技术资料。

关键词：植被,防风固沙,生态效应

参考文献

[1]高鹏, 张光灿, 刘霞.改造提升水土保持传统学科教学体系的实践与探索[J].高等农业教育, 2007 (8) :61-63.

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[4]刘平乐.地埂植被的水土保持作用和经济效益调查研究[J].甘肃科技, 2007, 23 (5) :210-211, 230.

[5]马全林, 卢琦, 张德魁.沙蒿与油蒿灌丛的防风阻沙作用[J].生态学杂志, 2012, 31 (7) :1639-1645.

固沙技术 篇7

土地荒漠化是地表植物遭到破坏后,威胁人类生存和影响社会发展的一个重要问题。沙漠化是土地荒漠化的主要类型,我国是世界上沙漠化最严重的国家之一。近年来,沙层暴的频繁出现,直接威胁着人们的生活环境,因此,防风固沙已被日益迫切地提出。沙漠化防治主要是通过各种方式对沙地进行固定。目前,沙漠化防治的主要措施根据其作用方式的不同,大致可以分为3大类:机械固沙、植物固沙和化学固沙。其中,机械固沙的主要方式是编织草方格,而植物固沙也称为生物固沙,包括建立人工植被或恢复天然植被、形成大型防沙阻沙固沙林带与防护林网,恢复和改善沙漠生态环境。由于这两种固沙方式都是手工操作,费时费工,操作极慢,而且造价极高,因而没有得到普遍的推广。

目前,高效、快速、方便的化学固沙已受到较大的关注。国外化学固沙的研究开始于20世纪30年代,到20世纪50年代有了较快速的发展。20世纪60年代起,国内就已开始了一些化学固沙试验和研究,近年中科院兰州沙漠所试验的聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯乙酸酯(PVAc)和聚丙烯酰胺(PAM)等固沙剂,都取得了一定的成效[1,2,3,4]。但很少有人对现有固沙材料的结构和其固沙性能进行系统的研究。本文旨在阐述现有固沙材料的结构与其固沙性能的内在关系。

1 化学固沙原理

沙粒的主要成分是由钙、钠、镁等阳离子组成的硅酸盐、碳酸盐、氧化物等无机矿物质,它们在沙土中的含量一般在95%以上[5]。化学固沙就是利用具有一定化学胶结性能的物质即固沙剂喷洒于松散的流沙表面,聚合物分子上的有效基团将主要与无机矿物质分子形成某种结合,并通过其分子长链的作用使多个沙土颗粒聚集形成团聚体,从而起到防风固沙的作用[6]。

具备足够的润湿性以能够与沙粒表面直接接触是化学固沙剂进行粘接的基本前提。要做到与沙粒表面充分接触,固沙剂的润湿性需要达到能够在沙粒表面进行润湿铺展的程度。沙粒的主要成分是SiO2、硅酸盐等无机盐类,属极性固体,天然具有亲水性,用于化学固沙的固沙剂大多都含有大量能与沙土颗粒结合的有效亲水基团,如羧基、羟基、氨基、磺酸基、季胺盐基等,按照这些基团的离子类型不同,可将它们分为阳离子、非离子和阴离子基团,相应地,含部分阴离子基团的固沙剂被称为阴离子型固沙剂,而只含非离子基团的固沙剂为非离子型固沙剂。一般认为,非离子基团主要通过氢键与土壤颗粒结合,阳离子基团则是与带负电的沙土颗粒通过静电引力结合,阴离子基团通过共用沙土颗粒上的多价金属阳离子相互结合[7]。

除了聚合物本身的性质外,沙土表面状况也会影响聚合物的作用效能。与聚合物和其他材料的粘接原理相同,固沙剂与沙土颗粒之间也是通过范德华力、氢键、化学键等分子间作用力连结在一起的[8]。这种作用力的大小不仅与固沙剂的性质有关,也与沙土颗粒的表面状态有关。固沙剂和沙粒表面的粘接与固沙剂在沙粒表面上的润湿程度有关,润湿程度越好,固沙剂与沙粒通过分子间力相互结合的机会越大,相互之间的连结越强。润湿程度又与固液界面张力有关,固液界面张力(γl-s)越小,越有利于润湿[9]。

与非离子型的固沙剂相比,阴离子型固沙剂上含有的羧基、磺酸基等有效基团可以降低固沙剂乳液的界面张力,有利于固沙剂乳液在沙土颗粒表面的润湿。

2 固沙材料的结构与固沙性能的关系

化学固沙材料十分丰富,产品很多,早期使用的固沙剂主要是石油产品,如乳化沥青,随着高分子化学工业及合成化学工业的发展,许多国家研制并生产了大量新型高分子及合成有机固沙材料。高分子材料所特有的结构与性能使它成为荒漠化治理的首选固沙材料。某些线形高分子可通过物理或化学作用结合在沙土颗粒上,使微细沙土颗粒通过这些大分子链相互连结起来,提高了对风蚀水蚀的抵抗力[10]。

在化学固沙中应用的高分子材料,根据来源不同大致分为石油产品类、合成高分子类、生物质资源类[11]。另外,高吸水树脂产品由于具有优良的吸水保水性能,也经常与固沙剂一起应用于沙漠综合治理[12]。

下面就常用的高分子固沙材料的结构与固沙性能作一概述。

2.1 石油产品类固沙剂

沥青乳液是石油产品类固沙剂的代表,是当前世界各国应用化学固沙最广泛的材料。它是将冷沥青加热到流动状态,然后经过机械力的作用使沥青能以一种细小的颗粒状态分散在含有一定量乳化剂的水溶液中,形成水包油(O/W)状的沥青乳液。在乳化的过程中,乳化剂分子中亲油基进入到水中后首先向沥青颗粒靠拢,然后插入到沥青颗粒中,同时乳化剂分子的亲水基则插入到了水中,这样就使得每个沥青颗粒的表面聚集了许多个乳化剂分子,把沥青颗粒包裹住,形成一层界面膜。在界面膜的外层排布的是乳化剂分子的亲水基,它能够以氢键的方式与水分子结合在一起,这样在界面膜的外层又形成了一层水合层,沥青乳液中的水相与沙土接触后,首先润湿沙土的表面,然后水相沿着毛细孔进入到沙土的内部。随着水相的移动,乳化剂分子也移动。乳化剂分子亲水基吸附在沙土表面的同时,亲油基也随之向沙土的表面靠近,这样沥青颗粒被拉向沙土的表面,沥青颗粒之间相互融合在一起使界面膜消失,沙土的表面完全被沥青包裹住,形成了一层沥青薄膜。被挤出的水分处在沥青薄膜之上,在空气中挥发掉,从而起到固沙的作用[13,14]。但是,乳化沥青在使用过程中由于环境因素,特别是在紫外线、氧气的长期作用下,老化现象极其严重。这是因为在大气中氧的作用下,乳化沥青中的碳、氮、硫元素发生氧化反应,使其羰基与亚砜基官能团含量增加,表现为乳化沥青中生成更多的酸、醛、酮以及亚砜等,使其产生老化现象。由于乳化沥青表层的老化产生的脆性,引起使用性能的下降,以至最后开裂被风掏蚀。反应历程如图1所示[15,16,17]。

氮的氧化:

硫的氧化:

2.2 合成高分子类固沙剂

合成高分子类固沙剂是20世纪60年代以来发展起来的新型化学固沙剂[18],从本质上看,属于水溶性或油溶性化学胶结物。

(1)SH固沙剂

SH固沙剂是一种成本低廉的新型高性能有机高分子化学固沙材料。目前,对于SH的化学结构仍然存在争论,但从化学结构分析,SH是一类含酚羟基、羧基、醇羟基等多种官能团的大分子芳香化合物[19]。由于SH为分子量在几万到几十万之间的聚合物,具有良好的粘接力和成膜性能。SH的主链为疏水的碳链,链上侧基为-COOH、-OH等亲水基团,所以其具有良好的亲水性能,而且具有螯合作用。沙子的主要成分是SiO2、硅酸盐类及其它盐类,沙粒表面还有少量的Si-OH、Ca2+、Mg2+等。当SH喷洒在沙粒表面后,SH含有的-OH或-COOH基团和沙粒表面的-OH基团可形成C-O···H-O氢键,即沙粒表面游离的羟基减少,氢键增加;同时SH还会和沙粒之间形成化学键合作用、螯合作用、物理吸附作用和絮凝作用。其中化学作用与螯合作用如图2所示[20,21,22]。

随着水分的蒸发,高分子链相互聚集形成薄膜,碳-碳链上的-COOH、-OH等可以与沙粒表面的Ca2+、Mg2+和Si-OH等发生络合作用,这种络合作用将使高分子链与Ca2+、Mg2+、Si4+等紧紧结合在一起,从而使沙粒与聚合物成为一个不溶性的、坚固的、网络状的整体,实质上就是沙子被包裹在高分子链之中。由于这些作用在水中的不可逆性,所以达到了固沙的目的,且在水中能继续保持固沙强度。

(2)PVAc固沙剂

PVAc固沙剂是以醋酸乙烯酯为单体,采用乳液聚合制备的高性能高分子化学固沙材料。然而,由于其耐热性差、耐水性及抗蠕变性欠佳等缺点,使其应用范围受到极大的限制[23],因此常采用共混、共聚、交联等改性手段来克服其缺点[24]。目前,彭雷等[25]将醋酸乙烯酯与丙烯酸丁酯共聚,由于BA具有一定的疏水性,可提高PVAc的耐水性能,同时,丙烯酸丁酯的引入,一方面增加了聚合物的分子量,使得聚合物的粘度有所提高,粘结性能提升,另一方面也增强了链的柔性,使得聚合物的韧性增强。由于BA的加入,聚合物体系中也生成了VAc-BA、BA-BA的聚合物,从而增强了PVAc与PBA的相容性,故稳定性提高。VAc-BA、BA-BA间的聚合物结构式如图3所示。

白龙等[26]通过VAc-BA共聚实验,研究了该共聚物的热稳定性,随着BA含量的不断增加,一方面由于BA长链侧基起到了空间位阻和保护作用,从而有效缓解了PVAc侧基的脱除反应,升高了聚合物的热分解温度,另一方面BA中的长链侧基也提高了聚合物的柔韧性,从而降低了聚合物的玻璃化温度。

在自然干燥条件下,PVAc-PBA具有良好的成膜性,这是由于线性共聚物分子的柔性所致,链上存在-COOC-极性基团,因此其既具有很高的内聚强度,又有很强的粘接力,对提高固结强度极为有利,链上的酯基也可与沙土中的无机离子发生络合作用,这进一步提高了固沙效果。

孟旭等[27]设计制备了阳离子P(VAc-BA-DMC)乳液,将其用于固沙得到良好的效果,其设计思想为阳离子乳液乳胶粒离子带有正电荷,可中和沙粒表面的负电荷形成离子键,从而减少沙粒间的相互排斥作用,促使沙粒结合在一起,这是阳离子型固沙剂静电粘接理论在固沙中的首次应用。

(3)PVA固沙剂

PVA固沙剂是以聚乙烯醇为主要基料的乳状液高分子环保固沙剂[28]。但是,由于其分子中含有大量的亲水基团羟基而导致亲水性大、耐水性差,极大地限制了该固沙剂的应用[29]。目前,可采用TDI交联[30]、硼砂改性[31]等方法来提高其耐水性能,但由于TDI具有刺激性气味及毒性,对环境造成污染;硼砂改性易形成凝胶,该过程很难得到控制,这些弊端使得该类固沙剂的使用受到限制。谭雪琴等[32]向PVA中掺入光敏剂重铬酸铵。由于重铬酸铵的掺入,减少了羟基,促进疏水结构的形成,提高了PVA的耐水性能,保证了固沙剂不会在水中溶解。同时,聚合物形成网络结构,增加了聚合物的刚性,使其固沙强度得以提高。聚合物结构如图4所示,其中M为光敏剂,其他链状结构为聚乙烯醇。PVA含有的-OH基团和沙粒表面的-OH基团可形成HO···H-O氢键,通过交叉链接形成庞大的空间体,将沙土颗粒包裹在空隙中,起到固沙作用。

(4)PAM固沙剂

PAM是一种常用的功能高分子沙土稳定材料,首先PAM足够大的分子量使其具有良好的粘接力,并且PAM大分子链上具有-CONH2极性基团,与水相互作用产生的粘聚作用能有效粘接较多的沙土颗粒。沙粒表面还有少量的Si-OH、Ca2+、Mg2+等,当PAM喷洒在沙粒表面后,PAM含有的-NH2基团和沙粒表面的-OH基团可形成H2N···H-O氢键。而且PAM分子链固定在不同的沙土颗粒表面上,各颗粒之间形成聚合物的桥,使颗粒形成聚集体[33]。陈渠昌等[34]采用室内风洞实验方法,研究了PAM对内蒙古西部干旱半干旱地区荒漠沙地的抗风蚀能力。当PAM用量为2g/m2时,可以抵御8~10m/s风速的风沙流,历时30min的吹蚀,试样未破坏;当PAM用量达4g/m2时,可以抵御10m/s风速的风沙流,历时30min的吹蚀,试样仍未破坏,使其起到了很好的固沙效果。

由于PAM还具有平面网格和立体网格结构,并极易溶于水,Lentz R D等[35]发现在几种土壤中施用PAM能增强土壤团聚体水稳性,提高土壤渗透率。唐泽军等[36]利用电子扫描显微镜,研究了在降雨情况下PAM对沙土团聚的影响,如图5所示。研究发现,在对照实验中,土壤表面结构中所见土壤颗粒几乎全是单粒级颗粒,没有发现团聚体结构;而在实验组中,均匀喷洒的PAM溶解后,形成的粘絮物质类似分子结构中的键,可以连接两个或多个沙土颗粒,形成稳定的团聚体结构。起着黏絮作用的PAM“键”在土壤表层中随处可见。

同时,PAM还具有吸水、保水作用。PAM本身具有三维空间网状结构,内部有许多亲水基(CONH2)和疏水基(-CH)。PAM在未接触水之前处于固态网束状态,当其与水接触后,疏水基可因疏水作用而转向内侧,形成不溶于水的粒状结构,亲水基团伸向外侧,通过氢键与水分子结合形成水合水,在分子表面形成厚度为0.5~0.6nm的水分子层,这就是水合作用。水合作用使PAM分子链网束展开,由于网状结构中含有一定数量的亲水离子,使三维结构网内外出现了离子浓度差,从而造成了网状结构内外产生渗透压,水分子便在渗透压的作用下进入三维结构内部,形成了网孔水,从而使得水分子的运动受到限制[37,38,39,40]。

(5)PAA固沙剂

丙烯酸与丙烯酰胺同属于丙烯酸类单体,PAA(聚丙烯酸)作为固沙剂时,分子结构上含有可以与沙土中Ca2+、Mg2+等结合的羧基。正是由于PAA的渗入,其上的羧基与沙粒表面的羟基形成氢键,使得沙粒与大分子链相互连接起来。当沙子被PAA作用之后就形成了一个整体,从而提高了对风蚀的抵抗力。沙漠中水分蒸发的特点是位于沙漠表层20cm左右的水分蒸发速率较大[41],但传统的PAA固沙剂固结的沙层坚硬,阻碍水向沙漠保水层的渗透,从而影响到植物的生长。所以采用PAA固沙剂固结的沙层仅有较好的固结效果,并不具有很好的渗水保水性,从而使得沙漠的降水大部分都被蒸发,降水的利用率差。人们利用分子设计的原理,以丙烯酸与其它单体共聚,以提高固结沙层的渗水性、降低沙层本身的吸水率。苏鹏等[42]将丙烯酸与全氟辛基甲基丙烯酸酯共聚,合成一种新的含氟共聚物,将其应用于PAA固结沙柱,可以在被PAA包裹的沙粒层再包覆一层含氟共聚物,由于此共聚物含有大量的氟基团,具有较强的疏水性,从而可以起到疏水的作用,使得降水快速地下渗到沙漠的保水层,并且同时可以降低沙层本身的吸水率,使得沙漠的降水能够最大限度地保存下来,以备沙漠植被吸收,提高了固沙剂的固沙效果。其固沙剂的作用原理图如图6所示。

(6)PU固沙剂

聚氨酯型固沙剂是由多元醇和异氰酸酯合成的一种带有活性异氰酸基(-NCO)的预聚体,其分子结构如图7所示。当聚氨酯固沙剂与水按一定比例进行稀释喷洒于沙土表面时,聚氨酯预聚体将与水进行快速的反应,首先生成不稳定的氨基甲酸,然后氨基甲酸分解成二胺和CO2,所生成的二胺会继续与预聚体发生反应生成聚脲,形成高分子聚合物,反应过程如图8所示。这种聚合物便会在沙土表面以及内部形成空间网络结构,随着水分的散失,聚合物会填充沙土中的孔隙并包裹沙土颗粒。由于PU固沙剂自身的粘结性,从而将沙土包裹在一起,在沙土和PU之间形成物理的或化学的联系。同时,聚氨酯固沙剂还具有空间网络结构的特点,并且其高分子链末端的活性基团(如羟基或羧基)可与沙土表面的Si-OH、Ca2+、Mg2+等产生物理和化学的作用,将沙土颗粒粘接成网络状的结构整体,在沙土表面形成一定厚度的固结层,提高沙土的抗风蚀能力,具有较好的固沙效果[43,44,45,46]。

2.3 生物质资源类固沙剂

木质素是一种复杂的、非结晶性的、三维网状结构的酚类高分子聚合物[47]。木质素类固沙材料是制浆废液中的木质素经化学改性制备而成的一种生物质资源类固沙剂[48]。自20世纪60年代起,前苏联就曾研究木质素磺酸盐在沙土稳定性中的应用,其分子结构式如图9所示[49]。木质素磺酸盐分子中存在着大量如酚羟基、醇羟基、羧基、羰基等活性基团,木质素磺酸盐喷洒在沙土表面后与沙土颗粒结合,通过静电引力、氢键和化学络合作用,在沙土颗粒之间产生架桥作用,同时由于其分子链的三维网络状结构将沙土颗粒包裹在一起,促进了沙土颗粒的聚集,从而使得表层沙粒彼此紧密结合在一起,并且分子链中含有刚性较大的苯环结构,因此形成具有一定强度的致密的固结层,达到固沙的目的[50]。

鲁小珍等以木质素作为固沙材料,对沙漠地区植被恢复情况进行了研究。 由于木质素中有机质含量超过80%[51,52,53],含有可促进植物生长的活性成分[54,55],喷洒木质素固沙材料1%~2%的浓度和2.5L/m2的剂量既可有效固沙,也可减缓水分蒸发,对植物的发芽、生长及生物量积累均起到了良好的作用[56]。

2.4 高分子吸水树脂

高分子吸水树脂是一种含强亲水性基团,并经过适度交联的功能高分子材料,具有很强吸水、保水作用[57]。目前,高分子吸水树脂已被广泛用作固沙材料。在沙土中加入高分子吸水树脂,可以大幅度提高沙子之间的粘结性,同时也可增加沙土的保水能力和有效水分含量。高吸水性树脂具有交联的三维网络结构,交联增加了产物的分子量,使得产物的粘结性能得到提高;胶结性能的提升,同时也增加了不同高分子链之间的交联性,成膜性能明显提高。此外,分子链上大量的吸水基团也可与沙粒中的无机离子发生络合作用,将明显增加固沙层的强度[58]。

詹发禄、柳明珠等[59,60]在丙烯酸待聚合液中加入磷酸氢二钠和尿素,制得了既具有吸水、保水能力,又具有肥效性且可缓释的高吸水性树脂,这种高吸水性树脂可用作固沙材料。由于它是一种轻度交联的、含有大量亲水基团的聚电解质,所以当其与水接触后,其亲水基团会发生解离,使得高分子链带有大量的负电荷。这些负电荷之间的同电排斥效应会使得高分子链伸展,从而使聚合物溶胀成凝胶,但由于分子链中交联结构的存在,其不能无限溶胀。因此,该材料表现出较强的保水性。另一方面,包埋在内的营养元素首先溶解,然后向凝胶粒子外边扩散,但溶胀的凝胶对营养元素的扩散具有一定的位阻和吸附效应,对尿素中的氮元素而言,它在固沙剂中主要以两种形式存在:一部分转换为酰胺基团键合在高分子侧链上,另一部分则以尿素的形式被包埋在PAA中。当PAA与水接触后形成凝胶,包埋在内的尿素首先被溶解,部分溶解尿素可以酰胺基团键合在PAA的侧链上;另一部分溶解的尿素随着水分子向凝胶外部扩散,但是由于溶胀的凝胶对尿素的扩散产生位阻效应,而且溶胀的凝胶可以吸附大量的尿素,从而延缓了尿素的溶出速度,使它对肥料具有比较好的缓释性,这样可以促进沙漠中植物的生长,增加了固沙效益。

关于高分子聚合物材料固沙,大多集中在宏观固沙特性的研究,就其本身结构的系统研究比较少,现就合成高分子类固沙剂的结构与性能的内在联系做了简单介绍。

3 结语

我国是世界上受土地沙漠化影响最严重的国家之一。沙漠化给生态环境和社会经济带来极大的危害,导致大面积可利用土地资源的丧失,影响工农业生产,严重制约着区域的可持续发展。沙漠化已成为全国性的重大生态环境和社会经济问题。开发低成本、高性能、环境友好的生态固沙材料是当务之急。

虽然在前期的固沙工作中,人们已取得了很多可喜的研究成果,但仍然存在着一些问题。目前常用的化学固沙材料在高盐碱沙地上容易粉化,固沙强度大幅度下降,固沙效果较不理想。解决这一问题就需要从固沙材料结构考虑:固沙材料本身与沙粒之间的粘接力;盐对固沙材料在沙粒上的解吸附力以及固沙材料分子链功能性端基的耐盐性等,从而制备出耐盐碱型的固沙材料。