CN110754326B - 一种人工草炭的制备方法及应用其制备的原位生态恢复喷播基质 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种人工草炭的制备方法及应用其制备的原位生态恢复喷播基质，涉及生态修复技术领域，本发明提供的人工草炭是通过向已杀菌降解处理后的破碎枝干加入氮素，得到基本料；将目标喷播区域中的林下枯落物和腐殖化表土与基本料混合，并调节含水量，得到发酵基本料；腐解所述发酵基本料后，得到；将其与目标喷播区域的原土、粘接剂和保水剂混合，即可得到喷播基质，本发明提供的人工草炭可以替代自然草炭，成本低，效果好，尤其是制备的喷播基质喷播效率高，植物生活率高。

Description

一种人工草炭的制备方法及应用其制备的原位生态恢复喷播 基质

技术领域

本发明属于生态修复领域，尤其涉及一种人工草炭和利用人工草炭制备的原位生态恢复喷播基质。

背景技术

喷播是一种适用于风化程度较高的岩土边坡和土夹石边坡绿化的新型技术。它利用喷射机将草种、保水剂等有机基材喷射到坡面上，有机材料在压力的作用下与坡面紧密结合，形成一层可供植物生长发育的基质层。喷播特别适用于公路铁路、铁路、河道边坡的护坡绿化，如果是风化岩、土壤较少的软岩及土壤硬度较大的土壤边坡，对于坡度大，石质成片的坡面可借鉴锚杆钢筋喷锚的工，通过打锚杆、挂镀锌铁网后再喷播，同样可以达到绿化美化的目的。

然而喷播基材是保证喷播成功的重要因素。由于喷播用的土壤一般采用当地的生土，养分含量低，透气性差，因此，一般会加入草炭来增加养分并调节土壤的结构。但草炭是一种不可再生资源，是森林生长和湿地存在的根本，是宝贵的林地资源，一旦遭到破坏将难以恢复，目前国内已经禁止草炭的开采。而国外的草炭价格高，大量用于喷播也必定会造成成本的上升。同时，当前的生态恢复中越来越重视乡土树种的使用，而乡土树种一般存在产业化程度较低，种子较少，而用喷播恢复往往会面临因为土壤性状(理化性质、微生物群落等)差异较大，并导致种子成活率低，不利于乡土树种对生态的恢复。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种人工草炭，以及利用该人工草炭制备的低成本、高喷播效率、高植物成活率高的原位生态恢复喷播基质。本发明利用废弃的枝干成功制得理化性质和肥力状况与自然草炭较为相似的工草炭，不仅方法简单，而且能够实现废弃枝干的再利用，解决目前废弃枝干量大，难以及时处理的问题；此外，采用本发明提供的人工草炭制备的原位生态恢复喷播基质不仅喷播效率高，而且由于其具有网状结构，因此透气性好，植物的成活率高；可见，采用本发明提供的人工草炭替代自然草炭制备喷播基质不仅性能佳，还解决了自然草炭不可再生的困境，方法简单，成本低廉，普适性广。

为实现本发明的技术目的，本发明首先提供一种人工草炭的制备方法，包括：

向已杀菌降解处理后的破碎枝干加入氮素，得到基本料；

将目标喷播区域中的林下枯落物和腐殖化表土与基本料混合，并调节含水量，得到发酵基本料；

腐解所述发酵基本料，得到人工草炭。

需要说明的是，本发明所称的枝干包括但不限于植物体上的自然掉落或人为修剪的任意部分的带有树叶的树枝，所述树枝可以是主枝或侧枝，也可以是树的主干。

其中，所述破碎枝干中树叶的长度小于8cm，枝条的长度小于4cm。

优选的，所述树叶的长度小于3-6cm，枝条的长度小于1-3cm。

进一步优选的，所述的长度小于5cm，枝条的长度小于1cm。

其中，所述枝干中树叶和数枝的体积混合比例为1：1-3。

其中，所述杀菌降解处理是利用石灰水对枝干进行浸泡。

其中，所述石灰水为氢氧化钙的含量为1.8-2.5wt％的水溶液。

优选的，所述石灰水中氢氧化钙的含量为2wt％。

其中，所述浸泡时间为2-6h，优选的所述浸泡时间为6h。

其中，所述利用石灰水对枝干浸泡后，还包括将浸泡后的枝干放置2h以上。

本发明通过将枝干在石灰水中浸泡，一方面可以有效杀灭枝干中的病菌和虫卵；另一方面可以破坏纤维素、半纤维素、木质素之间的酯键，促进枝干中，尤其是枝条中纤维素、半纤维素、木质素的降解，有利于微生物对枝干的充分利用。此外，降解后产生的钙离子，增加了人工草炭中钙肥含量，肥力增加，而且，酯键破坏后产生的H离子可以作为后续反应的pH缓冲剂，中和后续反应产生的酸，为微生物的生长提供更有利的酸碱环境。

其中，所述氮素为含有氮元素的有机肥或无机肥。

优选的，所述氮素为尿素或碳铵。

其中，尿素添加量一般为3～6kg/m³，碳铵的添加量为8～15kg/m³，即，每立米的粉碎枝干中，加入尿素的量为3-6kg，加入碳铵的量为8～15kg。

其中，所述林下腐殖化表土(腐殖化表土的含量应在30％以上)的使用比例是粉碎枝干总体积的1％～5％。

其中，所述基本料中林下枯落物和腐殖化表土的含量为1％～5％。

本发明将目标喷播区域中林下枯落物以及腐殖化表土加入基本料中可以使人工草炭的菌群更接近目标区域的原始菌群状态，解决微生物菌群与当地土壤菌群不适应导致的植物成活率降低的问题。

其中，所述调节含水量采用常规方法，例如通过加水增加发酵基本料中的含水量，或通过自然晾晒降低发酵基本料中的含水量。

其中，所述发酵基本料中的含水量为50-70％。

优选的，所述发酵基本料中的含水量为60％。

其中，所述腐解发酵基本料是升温发酵基本料后，进行多次翻堆，自然降温后，堆置发酵。

具体的，所述腐解发酵基本料是发酵基本料升温到55℃后每隔2天翻堆一次，并在温度每达到65℃翻堆一次，遵循“温不等时，时不等温”的原则，并保持55℃以上的温度7天以上，降温后应继续堆置30天，通过无氧发酵来促进后腐熟。

本发明方法制备的人工草炭呈黑褐色，质地松软，碳氮比≤20，发芽指数≥85％，有害物质含量符合NY525-2012《有机肥料》的要求。

为实现本发明的技术目的，本发明还提供一种人工草炭，其采用上述方法制备而成。

为实现本发明的技术目的，本发明提供一种原位生态恢复喷播基质，其包括采用上述方法提供的人工草炭。

其中，所述原位生态恢复喷播基质还包括目标喷播区域的原土、粘接剂和保水剂。

其中，所述人工草炭、原土的重量份比为10～40：60～90。

其中，所述粘结剂的加入量为100～200g/m³，即每平方米的原位生态恢复喷播基质中加入100～200g的粘结剂。

其中，所述粘结剂为市售的任意一种用于农业的粘结剂，例如：聚丙烯酰胺，瓜尔豆胶，优选瓜尔豆胶。

其中，所述保水剂的加入量为150～300g/m³，即每平方米的原位生态恢复喷播基质中加入150～300g的保水剂。

其中，所述保水剂为市售的任意一种用于农业的保水剂，例如高吸水性树脂。

为实现本发明的技术目的，本发明再提供一种原位生态恢复喷播基质的制备方法，通过将人工草炭、原土、粘结剂和保水剂搅拌混合均匀即可得到。

有益效果：

1、本发明利用枝干制备得到呈黑褐色，质地松软的人工草炭，通过对枝干进行纤维素等结构的降解，然后加入氮素、目标喷播区域的林下枯落物和腐殖表土后进行腐解即可，方法简单，而且制得的人工草炭的碳氮比≤20，发芽指数≥85％，有害物质含量符合NY525-2012《有机肥料》的要求。

2、由于本发明采用了一定比例的枝干作为人工草炭的原料，因此，将其作为喷播基质的成分时，可以提供一定的纤维网状结构，使喷播基质的透气性更佳，利于植物的生长。

3、由于本发明采用了目标区域的枯落物和腐殖土作为人工草炭的成分，因此本发明制备的人工草炭更接近目标区域的原始状态，尤其是微生物菌群更解接近目标区域，利用其制备的喷播基质能够促进当地植物种的生长，解决了现有喷播基质存在的微生物菌群与当地土壤菌群并不适应的，造成植物成活率的下降的问题。

4、本发明方法采用任一一种土质的原土均可成功获得喷播效率高、植物成活率高的喷播基质，因此本发明方法制备的喷播基质适用于各种土质的原位生态恢复喷播，低成本，广适性好。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性而非限制性，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1人工草炭的制备

1、枝干的获得与粉碎

采集公路修剪产生的枝干，将树枝和树叶分离后，将树叶粉碎到5cm，树枝粉碎到2cm，然后将枝条和树叶按照1：3的体积比例进行混合。

分离和粉碎方式可以采用常规使用的任意一种方法，例如采用机械的方式进行分离和粉碎。

需要说明的是，将树叶粉碎到2-8cm范围内的任一值，枝条粉碎到0.5-4cm范围内的任一值，枝条和树叶按照1：1-3的体积比例范围内容的任一值均可以实现本发明的技术目的。

2、基本料的获得

2.1石灰水的配制

配制氢氧化钙的含量为2wt％的石灰水，配制方法采用常规方法，氢氧化钙为市售化学纯产品。

需要说明的是，石灰水中氢氧化钙的含量为在1.8-2.5wt％范围内都可以实现本发明的技术目的。

2.2枝干的浸泡

将粉碎的枝干放入石灰水中浸泡4h后捞出，放置2h。

本发明利用石灰水浸泡粉碎的枝干，一方面可以有效杀灭枝干中的病菌和虫卵；另一方面可以打开纤维素、半纤维素、木质素之间对碱不稳定的酯键，促进枝干中纤维素、半纤维素、木质素的分解；还可以中和后续的发酵反应产生的酸；又可增加人工草炭中的钙元素含量。

2.3基本料的制备

向经过浸泡处理的枝干中加入尿素，尿素的添加量为枝干干重的3％～4％，一般可按照3～6kg/m³进行添加。

本发明通过向枝干中加入尿素，不仅可以调节人工草炭中的碳氮比，进而为微生物的生长提供良好的环境；还可以利用微生物的生长对枝干中不能通过石灰水完全降解的成分实现生物降解，提高枝干利用率的同时，还能缓慢持续地为微生物提供养分、增加土壤的肥力，其中，枝干的比例中，保持树叶比例大于树枝比例即可，具体的实际操作过程中，本领域技术人员可以根据人工草炭肥效快慢的需求对枝干的比例进行调整，例如如果需要人工草炭长期稳定的一定的肥效，可以增加树枝的含量，如果需要人工草炭尽快的发生效果，可以减少树枝的含量。

3、发酵基本料的制备

采集目标喷播区域中的枯落物和腐殖化表土，并将其与基本料进行混合，然后加水，混合后，得到发酵基本料。

进一步的，枯落物和腐殖化表土的用量为粉碎枝干总体积的1％～5％；得到的发酵基本料的含水量在60％左右。

本发明将目标喷播区域中的枯落物和腐殖化表土作为发酵基本料的一部分，使目标喷播区域中的菌株接种到发酵基本料中进行培养和繁殖，以便制备的人工草炭与目标喷播区域的菌群更接近，解决现有技术中由于人工草炭的菌群与当地菌群不适应导致的植物生长不佳的问题。

本发明以石灰水处理的碎枝干和尿素作为发酵基本料的成分之一，可以使目标喷播区域的菌群具有足够的碳元素和氮元素，成为菌群较佳的培养基，为了不改变菌群的特性，本发明还将目标喷播区域的林下枯落物作为发酵基本料之一，防止出现菌群发生过多变化导致不能与目标喷播区域的菌群适应的问题。

4、腐解处理

当发酵基本料的温度达到55℃后，每隔2天翻堆一次，实时监测发酵基本料的温度，每当发酵基本料温度达到65℃时翻堆一次，防止温度过高，使菌群保持良好的生长，遵循“温不等时，时不等温”的原则，并保持55℃以上的温度7～15天，然后当自然降温后，继续堆置30天左右，通过无氧发酵来促进后腐熟，得到人工草炭。

实施例2人工草炭的制备

1、枝干的获得与粉碎

采集公路修剪产生的枝干，将树枝和树叶分离后，将树叶粉碎到4cm，树枝粉碎到1cm，然后将枝条和树叶按照1：2的体积比例进行混合。

2、基本料的获得

2.1石灰水的配制

配制氢氧化钙的含量为2.5wt％的石灰水，配制方法采用常规方法，氢氧化钙为市售化学纯产品。

2.2枝干的浸泡

将粉碎的枝干放入石灰水中浸泡6h后捞出，放置3h。

2.3基本料的制备

向经过浸泡处理的枝干中加入尿素，尿素的添加量为枝干干重的3％～4％，一般可按照3～6kg/m³进行添加。

3、发酵基本料的制备

采集目标喷播区域中的枯落物和腐殖化表土，并将其与基本料进行混合，然后加水，混合后，得到发酵基本料。

进一步的，枯落物和腐殖化表土的用量为堆肥物料总体积的3％～5％；得到的发酵基本料的含水量在60％。

4、腐解处理

当发酵基本料的温度达到55℃后，每隔2天翻堆一次，实时监测发酵基本料的温度，每当发酵基本料温度达到65℃时翻堆一次，防止温度过高，使菌群保持良好的生长，遵循“温不等时，时不等温”的原则，并保持55℃以上的温度7～15天，然后当自然降温后，继续堆置30天左右，通过无氧发酵来促进后腐熟，得到人工草炭。

实施例3人工草炭的制备

1、枝干的获得与粉碎

采集公路修剪产生的枝干，将树枝和树叶分离后，将树叶粉碎到3cm，树枝粉碎到2cm，然后将枝条和树叶按照1：1的体积比例进行混合。

2、基本料的获得

2.1石灰水的配制

配制氢氧化钙的含量为1.8wt％的石灰水，配制方法采用常规方法，氢氧化钙为市售化学纯产品。

2.2枝干的浸泡

将粉碎的枝干放入石灰水中浸泡5h后捞出，放置2h。

2.3基本料的制备

向经过浸泡处理的枝干中加入尿素，尿素的添加量为枝干干重的3％～4％，一般可按照3～6kg/m³进行添加。

3、发酵基本料的制备

采集目标喷播区域中的枯落物和腐殖化表土，并将其与基本料进行混合，然后加水，混合后，得到发酵基本料。

进一步的，枯落物和腐殖化表土的用量为堆肥物料总体积的2％～4％；得到的发酵基本料的含水量在60％。

4、腐解处理

当发酵基本料的温度达到55℃后，每隔2天翻堆一次，实时监测发酵基本料的温度，每当发酵基本料温度达到65℃时翻堆一次，防止温度过高，使菌群保持良好的生长，遵循“温不等时，时不等温”的原则，并保持55℃以上的温度7～15天，然后当自然降温后，继续堆置30天左右，通过无氧发酵来促进后腐熟，得到人工草炭。

试验例1

观察并检测实施例1-3制备的人工草炭，检测方法采用NY525-2012《有机肥料》标准对本发明制备的人工草炭的理化性质进行检测，并以市售的天然草炭做对比。

观察结果显示：实施例1-3制得的人工草炭均呈棕色或黑色，质地松软，易于散碎，与自然草炭类似。

检测结果显示，实施例1-3制得的有机质含量均在50％以上(天然草炭在30或50％以上)，比重在0.4～0.7之间，pH在7.5～8.5之间，包括其他指标检测结果如表1所示。

表1 人工草炭营养成分与天然草炭检测结果对比

表2 人工草炭理化性质检测结果

根据表1-2的检测结果可知，本发明制备的人工草炭总养分含量、氮磷钾含量均高于市售的天然草炭，而且作为判断是否有生理毒性的重要指标种子发芽指数同样高于自然草炭的水平，此外，本发明制备的人工草炭的pH值偏中性，使用方便，可见，本发明提供的以包括树枝成分制成的人工草炭不仅可以作为肥料使用，还可以作为天然草炭的替代物使用。

实施例4壤土喷播基质的制备

选定壤土土质的边坡作为目标喷播区域，采集土质为壤土的目标喷播区域的原土，将实施例1-3制备的人工草炭以及瓜尔豆胶、高吸水性树脂与原土混合，人工草炭、原土的使用比例为20～25：75～80，粘结剂的加入量为200g/m³，保水剂的加入量为150g/m³。

实施例5沙土喷播基质的制备

除选定沙土土质的边坡作为目标喷播区域，采集土质为沙土的目标喷播区域的原土，人工草炭、原土的使用比例为30-40：60-70，粘结剂的加入量为300g/m³，保水剂的加入量为300g/m³外，其他均与实施例4相同。

实施例6粘土喷播基质的制备

除选定粘土土质的边坡作为目标喷播区域，采集土质为粘土的目标喷播区域的原土，人工草炭、原土的使用比例为22-32：68-88，粘结剂的加入量为150g/m³，保水剂的加入量为290g/m³以及向原土中按照2～3kg/m³加入膨化珍珠岩以调节原土的孔隙结构，然后在与其他成分混合制备粘土喷播基质外，其他均与实施例4相同。

需要说明的是，本发明使用的瓜尔豆胶还可以使用市售的任意一种能够用于农业的粘结剂替代，本发明使用高吸水性树脂还可以使用市售的任意一种用于农业的保水剂替代，g/m³单位是指每个单位体积的破碎枝干中使用试剂重量。

试验例2

本发明对实施例4-6制备的喷播基质进行土壤结构及理化性质进行检测，检测结果图表3所示：

表3 喷播基质理化性质检测

测试项目	单位	壤土	沙土	粘土
					容重	g/cm<sup>3</sup>	0.98-1.33	0.95-1.30	1-1.45
总孔隙度	V/V％	44-61	44-58	41-58
					毛管孔隙度	V/V％	33-47	30-45	31-48
非毛管孔隙度	V/V％	7-16	9-17	6-12
					田间持水量	V/V％	30-44	28-43	29-46
饱和导水率	mm/min	0.3-0.83	0.51-1.11	0.2-0.75
					pH	-	7.87-7.94	8.08-8.24	7.92-8.15
全氮	wt％	0.1653-0.1824	0.1937-0.2735	0.1864-0.2678
					有机质	g/kg	62.96-75.62	74.47-80.49	71.25-78.91
有效磷	mg/kg	16.48-18.3	18.62-21.71	17.06-19.54
					速效钾	mg/kg	148.61-194.95	165.84-200.57	160.29-208.09

根据表3的检测结果可知，本发明提供喷播基质的容重均在1.4以下，可见喷播基质中的有机质较多，结构好，比较适合植物生长；而总孔隙度在40-61％、毛管孔隙度在30-48％、非毛管孔隙度在6-17％之间，可见，喷播基质的通气性较好，均能达到适宜植物生长发育的水平，此外，田间持水量在28-46％之间，饱和导水率在0.2-1.11mm/min之间，喷播基质的保水性佳，有利于边坡保持土壤中的水分，有利于喷播目标区域中的植物生长。

尤其是，即便使用沙土土质的原土制得的喷播基质，其基质结构也达到了适合植物生长的土壤水平，改善了沙土区域的边坡情况，有助于沙土边坡的保水能力，有助于植被恢复。

而且，使用粘土土质的原土制得喷播基质，其孔隙度等指标升高到适宜植物生长的水平，其田间持水量较粘土有所降低，透气性增加，有助于粘土喷播区域表土的空气交换，有助于边坡植被的生长。

应用实施例1壤土土壤喷播基质的应用

将实施例4的制备壤土喷播基质作为基质层和种子层按照常规喷播工艺(例如干喷)在已经挂网的边坡上分层喷播。

同时设置当地常用的喷播基质作为对照1，按照上述工艺喷播在已经挂网的边坡上。

其中，喷播坡面为45°，基质层喷播厚度为12cm，种子层喷播厚度为3cm。边坡上种植混合播种紫穗槐、荆条和黑麦草，其中，紫穗槐用量9g/m²，荆条用量7.5g/m²，黑麦草用量0.4g/m²。喷播完成后，坡面挂设无纺布，前期每天浇水养护2次，15天之后根据具体情况酌情减至一天1次或两天1次。观察记录植物生长状态，观察指标及检测结果如表4所示。

应用实施例2沙性土壤喷播基质的应用

除将实施例5的制备沙土喷播基质作为基质层和种子层外，其他均与应用实施例1相同，同时设置当地常用的喷播基质为对照2，观察指标及检测结果如表4所示。

应用实施例3粘性土壤喷播基质的应用

除将实施例6的制备粘土喷播基质作为基质层和种子层外，其他均与应用实施例1相同，同时设置当地常用的喷播基质为对照3，观察指标及检测结果如表4所示。

表4 植物生长状态及产量

根据表4的检测结果可知，利用本发明提供的喷播基质，植物生长状态及产量均优于对照。可见，即便利用树枝成分的人工草炭也可以作为喷播基质使用，效果已经达到目前常用的以树叶、芦苇为主要成分的喷播基质。因此，本发明提供的方法不仅可以利用树枝制备人工草炭，还可以利用树枝制备喷播基质，增加了使用树枝的用途，解决了园林修剪或其他情况下产生大量树枝难以广泛利用的情况。

此外，根据观察，本发明提供的喷播基质喷洒在边坡上后，具有良好的交织效果，覆盖表土效果明显，降低了种子流失的可能、而且提高种子发芽率，这主要是由于本发明提供的喷播基质能涵养水分，吸水及持水量大，释水缓慢均匀，能够增加土壤肥力，有机物含量高，还含有氮磷钾等植物生长所需的矿物质。

以上所述仅为帮助理解本发明的优选实例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种人工草炭的制备方法，其特征在于，包括：

通过向已进行杀菌降解处理后的破碎枝干中加入用于调节人工草炭中碳氮比的氮素，得到基本料；

获取目标喷播区域中的林下枯落物和腐殖化表土，并将所获取的目标喷播区域中的林下枯落物和腐殖化表土与所述基本料混合，以便使人工草炭的菌群更接近目标区域的原始菌群状态，避免人工草炭的微生物菌群与当地土壤菌群不适应导致的植物成活率降低；

调节目标喷播区域中的林下枯落物和腐殖化表土与所述基本料混合后的混合料的含水量，得到发酵基本料；

通过升温所述发酵基本料后，进行多次翻堆，自然降温后，堆置发酵，得到人工草炭。

2.如权利要求1所述的人工草炭的制备方法，其特征在于，所述破碎枝干包括带有树叶的树枝。

3.如权利要求1所述的人工草炭的制备方法，其特征在于，所述的杀菌降解处理是利用石灰水对破碎枝干进行浸泡，浸泡后将其放置2h以上。

4.如权利要求1所述的人工草炭的制备方法，其特征在于，所述氮素为含有氮元素的有机肥或无机肥，其中，氮素为尿素，所述尿素的添加量为枝干干重的3％～4％。

5.如权利要求1所述的人工草炭的制备方法，其特征在于，所述发酵基本料中林下枯落物和腐殖化表土的含量为1％～5％。

6.一种人工草炭，其采用权利要求1-5任一所述的方法制备得到。

7.一种将权利要求1-5任一所述的方法制备得到人工草炭用于原位生态恢复喷播基质的应用。

8.一种原位生态恢复喷播基质，其特征在于，包括权利要求1-5任一所述的方法制备得到人工草炭，还包括目标喷播区域的原土、粘结剂和保水剂；

其中，所述人工草炭与原土的重量份比为10～40：60～90；

其中，所述粘结剂的加入量为100～200g/m³；

其中，所述保水剂的加入量为150～300g/m³。

9.一种原位生态恢复喷播基质的制备方法，其特征在于，将权利要求1-5任一所述的方法制备得到人工草炭与目标喷播区域的原土、粘结剂和保水剂搅拌混合均匀得到。