CN102229485B - 基于疏浚底泥的植生性基质及裸露坡面的生态修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明利用富营养河湖等水体的疏浚淤泥作为骨料，添加植物秸秆、草木灰、普通硅酸盐水泥、有机肥、缓释肥、保水剂等，均匀混合形成具有一定粘附性能的裸露坡面植物适生性基质。所述的植生性基质采用湿式喷浆工艺分两层进行基质喷浆，用于裸露山体坡面进行植物修复，可在短期内形成新的植被覆盖层。将疏浚底泥进行基质化利用，控制水土流失，不仅减少了坡面修复中对黏土资源的依赖和修复成本，而且以资源化方式解决了疏浚底泥的处置，具有较高的环境、生态和经济效益。

Description

基于疏浚底泥的植生性基质及裸露坡面的生态修复方法

技术领域

本发明属于环境生态修复及废弃物资源化利用领域，具体涉及一种基于富营养化水体疏浚淤泥的植生性基质，以及该基质应用于裸露坡面修复中植物基质的构建方法。

背景技术

由于矿物的探取、石料的开采和道路的修建等一系列开发利用活动，一些山体和陡坡形成了创面，其中大多以裸露坡面的形式存在或遗存。这些遗存的坡面不仅影响了自然景观，更重要的是破坏了地表生态系统的连续性、破坏了土著生物赖以生存的栖息地。另外，由于裸露增加岩石风化和的水土流失机会，这对于控制面源污染物（如磷）流失的地区，将加大了污染物产生的负荷和水土污染风险。

富营养化已是人类活动给地表水体带来的最大影响问题之一。人类对地表的营造，特别是矿山开采活动，使得地表形成裸露，其中对水土流失贡献最大的是裸露的坡面。已有研究发现，在我国巢湖流域北部，裸露坡面的所形成的颗粒物单位流失量是其他生态类型地表的4～1000倍。对于富磷地质区，由于磷矿或矿石的粗放式开采将会形成高磷含量颗粒物的大量流失，对汇水水体（如湖泊、水库等）的富营养化形成不容忽视的贡献。另外，对于泥石混杂的不稳定裸露山体，由于高落差水力冲刷和风力的侵蚀，所形成的水土流失严重时还可能导致山体的滑坡，对生命和财产安全造成潜在的威胁。在一些开采强度大的地区，山体的疮痍还会造成景观缺陷、小气候变迁等诸多负面效应。以上这些裸露坡面的负面问题都是与坡面上缺少适生的植物或植物覆盖程度有关，显然，如果对于这些裸露坡面采用适当的植物修复手段，将可一定程度上减少水土流失、改善生态景观。

裸露坡面缺乏植物生长，其最主要的原因就是缺乏适合植物生长的基质。植物能够生长必须依赖于其根部对土壤基质的着生以及吸收基质中的水分和营养物等提供植物组织生长。裸露坡面上一般没有严格意义上的植物生长基质，完全依赖自然作用（如大气干湿沉降）形成基质将极其漫长，因此需要人为植入或覆盖形成。

基质的人为来源大致有两种，即客土移入和人工配制覆盖。目前，绝大多数矿山复绿工程的基质都是取用修复区附近的客土，这些客土多为农田的耕作层土壤。对于那些未经人类耕作的客土则还需要添加泥炭和氮磷等物质以提高基质的肥力。由于土壤耕作层的形成需要投入人类相对长期的劳动，实际上土壤耕作层是累积了人类劳动的一种资源。虽然耕作层土壤可很好地修复了裸露坡面，但这可能会以降低耕地的质量作为代价。由于裸露坡面的生态修复对基质材料的需求量是极为可观的，这种对土壤耕作层资源侵占所形成的成本，无疑是该修复方法的瓶颈问题。

另一种方法人工配制法，就是通过人工的方法获得具有耕作层土壤性质的基质。由于裸露坡面多为裸石、土石混杂，再加上营养含量相对贫瘠，因此这种适合植物生长的基质，必须能够适合植物根部着生、提供营养和水分，以及对裸露坡面具有一定粘附性能。实际上，在矿山复绿和坡面修复中，如何考虑资源节约问题，如何找到替代土壤耕作层的方法一直是人们解决这一瓶颈问题的主要努力方向。先后出现了采用市政污泥用于修复基质有机质的案例等，但多因市政污泥含有有毒有害物质而造成环境的二次污染等问题，并未得到实际应用。

另一方面，富营养化使得一些水体（如池塘、河道、湖泊和水库等）产生水质恶化现象。很长一段时间，人们都是通过罱泥的方法将这些肥水水体中的底泥取出，一方面以获取富含营养物的底泥作为施用于农田的肥料；另一方面则也改善了水体水质。但由于化肥的使用，这种罱泥活动已逐渐停止，底泥在水底越积越厚，进而因氮磷从底泥中释放，促进了水体富营养化。自20世纪70年代中期起，为水质改善目的，美日等国开始了对污染湖泊、水库和河道采用疏浚的方式进行大规模整治，其中针对富营养化水体而实施的底泥疏浚工程数量最多。我国大约自20世纪90年代起开展富营养化湖泊和河流的疏浚工程，1998～2010年间，疏浚的富含营养物的底泥量达到近1亿多m³，其中来自湖泊的污染底泥约7000多万m³，已成为世界上环保疏浚量最大的国家。

在底泥的处理和处置方面，由于弃用和造林造地，不仅占用沿湖土地多，而且使得土地的价值降低。也有利用水泥、粉煤灰、石膏配合疏浚底泥制作固化材料的资源化方法。然而固化处理价格昂贵，2009年太湖地区处理1m³疏浚底泥就需要40元，超过疏浚1m³的费用，使得这种方法难以在一般地区推广。从富营养化湖泊疏浚底泥的特性来看，其之所以污染，主要是因为其中氮、磷等生源要素含量较高，而有毒有害物质（如重金属和持久性有机污染物）含量实际都相对较低，处于可接受的环境风险水平。富营养化水体的底泥中除有机质含量一般低于耕作层土壤外，其氮磷含量均接近后者，在一些重富营养化河口和湖湾，速效氮磷的含量甚至超过表层土壤。显然，富营养化水体底泥中较高的营养物质含量为其基质化开发提供了极大的可能。

底泥多为以粉砂和粘土为主的岩性材料，系来自流域的土壤流失，因此其主要物理性质与土壤相近。另一方面，由于长期与富营养化水体接触和对水体中营养物的吸收以至达到平衡，使其本身也富含营养物，因此利用上述性质，可对疏浚底泥进行土质化改造，为养分贫瘠的裸露坡面提供植物生长的适生性基质。除此之外，依据土质的干湿程度和坡面的陡峭程度不同，植物对基质的涵水性和在裸露面上的粘附性也有一定要求。一定的辅材是基质化所需要的，添加辅材可使得基质具有抗剪切力，适当的孔隙率和含水性，提供必要的碳源及调节系统pH以适应植物生长等等。

本发明正是基于疏浚底泥具有类似土壤的特征，充分利用其具有的高氮磷肥力，以及可以添加辅助材料使其植物的适生性得到改良的特点，将疏浚底泥资源化利用，将其改造成裸露坡面的植生性基质。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于疏浚底泥的植生粘附基质及其在裸露坡面生态修复中的应用，一方面为裸露的山体坡面生态修复提供一种成本较为低廉、材料易得、制作方法简单的植生性基质，另一方面本发明同时是一种疏浚底泥的资源化利用方法，能解决疏浚底泥处理处置中存在的诸多问题。

本发明的植生性基质，是将营养物富集的湖泊、水库和河道的疏浚底泥作为主要成份，添加一定比例的植物秸秆、硅酸盐水泥和草木灰混合而成，是一种粘附性好、可应用于山体裸露坡面生态修复的植生性基质。疏浚底泥本身已富含氮、磷等营养元素，加入易分解的作物秸秆和草木灰，以提供疏浚底泥中相对缺乏的有机碳和钾等植物所需量元素，满足植物发芽和生长所需的营养供给。同时，采用秸秆还可使相对密实的疏浚底泥的孔隙率增加，在其分解过程中产生的有机酸可以一定程度改善硅酸盐水泥造成的基质pH偏高问题。在实际应用中，还可以同时加入少量有机肥或缓释肥、保水剂等材料，加入少量有机肥/缓释肥和保水剂，将使得所施肥及肥效和水分的供应得以延长，利于植物的萌发和生长。

实现本发明采用如下的技术方案：

一种基于疏浚底泥的植生性基质，其特征在于：采用疏浚底泥作为骨料，包含植物秸秆、草木灰和硅酸盐水泥。

所述的植生性基质还可以包含有机肥或缓释肥。

所述的植生性基质还可以包含保水剂。

本发明提出的基于疏浚底泥的坡面植生性粘附基质，为多种材料按一定比例均匀混合而成的组合物，具体包括如下组分（百分数为体积百分比）：

疏浚底泥60~70%

植物秸秆 10~20%

草木灰 5~10%

硅酸盐水泥5~10%

有机肥或缓释肥 0~10%

保水剂 0~150g/m³。

本发明所述的坡面植生粘附基质是由各组分按比例均匀混合而成。基质混合过程中是否添加水份取决于坡面修复实施工艺。

所述的疏浚底泥为来自于富营养状态的淡水湖泊、水库或河道的底泥，这些底泥多以粉砂和粘土为主，可进行土质化改造，且含有较高含量的氮磷等营养物而满足植物对基质中氮磷吸收的需要。

本发明采用的疏浚底泥在使用前宜首先测定营养盐、有毒有害物质的含量。有毒有害物质含量符合环境要求的疏浚底泥方可用于本发明的基质配比。为达到均匀混合的目的，疏浚底泥于排放堆场采集后可先进行风干，含水率≤15%，后通过土壤破碎机等设备进行机械破碎，破碎后的疏浚底泥颗粒粒径宜小于4 mm。

所述的植物秸秆可为稻草秸秆、小麦秸秆及其它农作物植物残体。植物秸秆在基质配比中的作用有：（1）在坡面修复的初期，通过宏观层面的架桥连结作用，提高植生基质的抗剪切力，减轻其因各配比组分颗粒松散而易受侵蚀的风险；（2）为植物的种子萌发和植株生长提供必要的孔隙率，并能够保持较适宜的基质含水率，添加10%秸杆后可使基质含水率较稳定地保持在30%左右，而仅使用疏浚底泥和/或水泥配比的基质其含水率极易降至20%以下；（3）为植物生长、土壤微生态系统提供必要的有机碳源；（4）秸秆降解过程中产生的有机酸可缓解修复初期添加硅酸盐水泥粘结剂所导致的pH偏高现象。如表1所示，添加植物秸秆可有效降低基质的pH，含10%水泥基质的pH值从开始的8.5左右在15日内降至7.2左右。进行基质配制时，宜将植物秸秆破碎成约3 cm长的片段。

 表1 不同添加物对基质pH值影响             

所述的草木灰为植物燃烧后的残余物，因此它含有植物所需的各种矿质元素，尤以钾含量最为丰富，一般在6% - 12%，并且90%以上以水溶性碳酸盐形式（K₂CO₃）存在，其营养效用优于等钾量的化学肥料。草木灰亦能促进植物的发芽和生根，并对土壤中病虫病菌具有防治作用。草木灰可采集自秸秆和废弃树枝的焚烧灰烬等，密封保存。

所述的硅酸盐水泥是为提高植生基质粘附性，增大植生基质抗剪切力而选用的一种粘结剂。在使用中视裸露坡面的倾斜程度而调节其比例，但最大体积比不宜超过10%。

所述的植生性基质可以添加营养调节剂，采用有机肥或缓释肥，用以调节疏浚底泥基质的理化性质。在确定有机肥/缓释肥的使用比例时应首先测定前述疏浚底泥中速效氮、磷、钾的含量，从而达到测土配方施肥。

所述的保水剂可以为PVA(聚乙烯醇)、MC(甲基纤维素)、CMC( 羧甲基纤维素钠 )等具有保水性的聚合物、丙烯系吸水性高分子聚合物或者无机系的珍珠岩、蒙脱土（高岭土）、蛭石等物质。优选具高效保水的高分子聚合材料，可以吸收超过自身体积300倍以上的水份并缓慢释放，可降解，使用寿命平均在2年左右。在此时间后由于基质植生性功能已建立，保水作用可自行完成。

若采用多层喷播方式进行坡面植生修复，可仅在最上面播种层使用的基质中添加植物种子。对于厚度为5cm左右的播种层，植物种子的添加量通常为700g/m³。所述的植物种子主要为禾本科植物，对于坡度在45°以下的裸露坡面，可以是低矮型的半灌木或小灌木。宜以一种植物为主，搭配多种其它植物种类，以形成一种覆盖度高、根系发育繁茂、生长季节互补、生物多样性好的群落结构。为杜绝物种入侵，应选取土著品种。本发明推荐的植物种子为狗牙根、结缕草等禾本科植物，也可选用胡枝子、草木樨、决明、马棘等豆科植物，或是进行混播。

本发明还涉及所述的植生性基质在裸露坡面生态修复中的应用，即一种裸露坡面生态修复的方法，其特征在于：采用湿式喷浆工艺在裸露坡面进行植生性基质喷浆作业，基质喷浆分两层进行，其中第一层喷浆基质中不添加植物种子，厚度不小于5cm，为植物根系生长的营养基质；第二层喷浆基质厚度约5cm，为植物播种层，在基质中加入植物种子。

具体而言，所述的方法包括以下步骤：

（1）坡面平整：清理裸露坡面残留的碎石、杂物，机械整理后压实成较为平整或虽有起伏但适合构建基质层的坡面。

（2）固着金属丝网：在整理完毕的坡面上，铺设镀锌铁丝网，铁丝网通过铁制锚杆进行固定。

（3）疏浚底泥准备：疏浚底泥于排放堆场风干后，通过土壤破碎机进行机械破碎。

（4）底层基质喷覆：将基质组分按照比例置于搅拌机内充分混匀，利用湿式喷浆系统喷射至坡面，形成一层潮湿的粘附基质层。

（5）三维植被网铺设：第一层粘附基质表面稍干后，在第一层基质层上方铺设三维植被网，三维植被网通过开叉竹签固定。

（6）表层基质喷覆：将基质组分按照比例置于搅拌机内，加入植物种子后充分搅拌混合均匀，利用湿式喷浆系统将基质喷射至三维植被网孔内，直至基质完全填充三维植被网孔，形成植被播种层。

根据上述方法施工完毕后，宜进行早期生长维护。前期需在基质表面的播种层上部覆盖大孔径遮阳网进行遮盖保护，并及时进行喷雾灌溉，保护种子在适宜的水分和光照条件下出苗。出苗后待植物生长稳定，将遮阳网撤除，清除掉杂草。

本发明利用富营养河湖等水体的疏浚淤泥作为骨料，添加植物秸秆、草木灰、普通硅酸盐水泥、有机肥/缓释肥、保水剂等，均匀混合形成具有一定粘附性能的坡面植物适生性基质，可用于裸露山体坡面进行植物修复。利用该基质进行山体坡面修复，可在短期内使被破坏的裸露山体创面形成新的植被覆盖层，植被覆盖层稳定性好，不易雨水侵蚀。将疏浚底泥进行基质化利用，不仅减少了坡面修复中对黏土资源的依赖和修复成本，而且还以资源化方式解决了富营养化水体疏浚底泥的处置，控制了水土流失，尤其对于距离疏浚工程堆场不远的裸露山体坡面的修复，本发明的效果将更为突出，具有较高的环境、生态和经济效益。

附图说明

图1为本发明裸露坡面上生态修复基质层的分层结构示意图。

其中：1三维植物网，2播种层基质，3固网竹签，4底层基质，5金属丝网，6金属锚杆，7裸露坡面。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述，所述的实施方式有助于对本发明的理解和实施，并非构成对本发明的限制。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。

本发明的基于疏浚底泥的植生性基质，采用疏浚底泥作为基质的骨料，添加植物秸秆、草木灰、水泥、缓释肥/有机肥、保水剂等在常温下均匀混合而成，可应用于防止裸露和退化坡面水土流失的复绿和植物修复。

采用本发明的植生性基质进行坡面生态修复构建工程可采用各种护坡工艺完成，基质的适用性强，用途广。推荐使用的工艺为湿式喷浆方法，现结合湿式喷浆工艺的构建方法对本发明的基于疏浚底泥的坡面植生性基质及其应用的具体实施方式作进一步说明。

本发明推荐的湿式喷浆工艺采用湿式喷浆系统分两层进行基质喷浆。其中，第一层喷浆基质厚度不小于5cm，为植物根系生长的营养基质，该基质混合制备时不添加植物种子；第二层喷浆基质厚度约5cm，为植物播种层，在基质混合制备时需加入植物种子。

本发明推荐的坡面施工湿式喷浆系统由空气压缩机、混凝土喷射机、水泵及相关配套组件构成。其工作原理是：混合均匀的植生粘附基质由料斗输送进入混凝土喷射机后，经由空气压缩机送来的高压空气携带至喷浆管，在喷浆管出口前50cm处与水泵供给的高压水流混合成为含有一定水分的湿料，再继续经高压推出喷枪枪口，将植生性基质物料喷覆至坡体表面并粘附。

本发明推荐的一种基质配比如下：

疏浚底泥 65%

植物秸秆 10%

草木灰10%

普通硅酸盐水泥5%

有机肥 10%

保水剂 150g/m³。

本发明推荐的另一种基质配比如下：

疏浚底泥 65%

植物秸秆20%

草木灰 5%

普通硅酸盐水泥5%

缓释肥 5%

保水剂 150g/m³。

坡面修复时，播种层中，植生性基质所含植物种子的添加量通常为700g/m³。

本发明的坡面生态修复施工具体实施流程如下：

（1）坡面平整。首先将裸露坡面残留的碎石、杂物进行机械整理。整理后压实成较为平整或虽有起伏但适合构建基质层的坡面。

（2）固着金属丝网。在整理完毕的坡面，铺设4 cm×4 cm孔径的镀锌铁丝网，铁丝网通过50~100 cm长的铁制锚杆进行固定。锚杆间距在倾斜度大于45°时为50 cm，倾斜度小于45°时可为100 cm。

（3）疏浚底泥准备。为满足喷浆工艺的需求，疏浚底泥于排放堆场采集后可首先进行风干，含水量≤15%后通过土壤破碎机进行机械破碎。根据工艺需求，破碎后的底泥颗粒粒径宜小于4 mm。

（4）底层基质喷覆。将基质各组分，按照前述某一推荐配方的比例置于搅拌机内充分混匀，利用湿式喷浆系统喷射至坡面，形成一层潮湿的粘附基质层，厚度以覆盖超过镀锌铁丝网的厚度为佳，该层基质厚度一般约5 cm厚。

（5）三维植被网铺设。第一层粘附基质稍微风干后，在上方铺设以热塑性树脂为原料的三维植被网，三维植被网通过开叉竹签固定，竹签间隔为100 cm。

（6）表层基质喷覆。将护坡基质各组分并添加植物种子，按照前述某一推荐配方的比例置于搅拌机充分混匀，利用湿式喷浆系统将基质喷射至三维植被网孔内，直至基质完全填充三维植被网孔，形成一层约5 cm厚的植被播种层。

（7）早期生长维护。施工完毕后，前期需在土壤表面的播种层上部覆盖大孔径遮阳网进行遮盖保护，并及时进行喷雾灌溉，保护种子在适宜的水分和光照条件下出苗。出苗后待植物生长稳定，将遮阳网撤除，清除掉杂草。

本发明经裸露坡面进行实地验证，工程实施反映，采用疏浚底泥为骨料生产的植生性基质，用喷浆系统可以很好地被喷覆于裸露坡面，并能够在短期内使裸露坡面形成新生植被层，基质的稳定性好，不易受雨水侵蚀。修复1个月后，坡面的植物生长指标达到较为稳定的水平，分别为单位面积株数约70株、平均株高约8cm、覆盖度约70%（表2）。在1小时暴雨冲刷实验中，通过与稻壳定植块技术、耕作土的比较发现，仅使用疏浚底泥时累积冲刷流失量在1小时暴雨侵蚀下呈线性增长，而本发明的基于疏浚底泥的植生性基质三维植被网固定后在暴雨侵蚀30分钟时流失量减缓，并最终低于耕作土和稻壳定植块的流失量（表3）。

综上，本发明是一种成本相对较低、水土流失防护好、易于实施的退化坡面修复方式，并因主料采用的是高氮磷含量的废弃疏浚底泥，因此还具有疏浚淤泥资源化利用的生态环境效益。

表2 疏浚底泥基质化利用技术植物生长指标

 

 表3 暴雨下不同基质的累积冲刷流失量              单位：%

 

Claims (7)

1.一种基于疏浚底泥的植生性基质，其特征在于：采用疏浚底泥作为骨料，包含植物秸秆、草木灰、硅酸盐水泥、有机肥或缓释肥以及保水剂，所述的植生性基质包括如下组分：

疏浚底泥60~70%

植物秸秆 10~20%

草木灰 5~10%

硅酸盐水泥5~10%

有机肥或缓释肥 0~10%

保水剂 0~150g/m³

上述百分数为体积百分比。

2.根据权利要求1所述的植生性基质，其特征在于：所述的疏浚底泥为来自于富营养状态的淡水湖泊、水库或河道的底泥。

3.根据权利要求1所述的植生性基质，其特征在于：所述的疏浚底泥含水率≤15%，颗粒粒径小于4 mm。

4.根据权利要求1所述的植生性基质，其特征在于：所述的植物秸秆破碎成约3 cm长的片段。

5.一种利用权利要求1所述的植生性基质进行裸露坡面生态修复的方法，其特征在于：采用湿式喷浆工艺在裸露坡面进行植生性基质喷浆作业，基质喷浆分两层进行，其中第一层喷浆基质中不添加植物种子，厚度不小于5cm，为植物根系生长的营养基质；第二层喷浆基质厚度约5cm，为植物播种层，在基质中加入植物种子。

6.根据权利要求5所述的裸露坡面生态修复的方法，其特征在于所述的播种层中，植物种子的添加量为700g/m³。

7.根据权利要求5所述的裸露坡面生态修复的方法，其特征在于所述的方法包括以下步骤：

（1）坡面平整：清理裸露坡面残留的碎石、杂物，机械整理后压实成较为平整或虽有起伏但适合构建基质层的坡面；

（2）固着金属丝网：在整理完毕的坡面上，铺设镀锌铁丝网，铁丝网通过铁制锚杆进行固定；

（3）疏浚底泥准备：疏浚底泥于排放堆场风干后，通过土壤破碎机进行机械破碎；

（4）底层基质喷覆：将基质组分按照比例置于搅拌机内充分混匀，利用湿式喷浆系统喷射至坡面，形成一层潮湿的粘附基质层；

（5）三维植被网铺设：第一层粘附基质表面稍干后，在第一层基质层上方铺设三维植被网，三维植被网通过开叉竹签固定；

（6）表层基质喷覆：将基质组分按照比例置于搅拌机内，加入植物种子后充分搅拌混合均匀，利用湿式喷浆系统将基质喷射至三维植被网孔内，直至基质完全填充三维植被网孔，形成植被播种层。

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