CN111955309A - 一种用于边坡生态修复的人工海绵基质及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于边坡生态修复的人工海绵基质及施工方法。具体公开了一种用于边坡生态修复的人工海绵基质及施工方法，包括以下重量份数的组分：过筛土壤70~99重量份，海绵1‑30重量份，聚合物喷播辅助材料0.5~2重量份，植物纤维0~10重量份，复合肥0.5~2重量份，缓控释肥0~2重量份，泥炭土0~5重量份，混合种子0.1~0.2重量份。本申请的上述组合物喷播之后能够提高土壤的透气性、粘结性、保水性以及抗雨水冲刷性能，能够促进植物的发芽与生长，且性能环保。

Description

一种用于边坡生态修复的人工海绵基质及施工方法

技术领域

本发明涉及边坡生态恢复技术领域，具体而言，涉及一种用于边坡生态修复的人工海绵基质，以及一种施工方法。

背景技术

随着我国的经济发展，中国已进入基础设施建设的高峰期，在公路、铁路、矿山、水利、房建等工程建设中，经常伴有大量的土石方开挖、弃置，而这些土石方开挖、弃置使得大面积地面裸露，植被破坏，不仅破坏了地表原有植被，还导致了严重的水土流失和生态环境失衡。为保证这类边坡的防护与稳定，边坡防护常采用浆砌石挡土墙、灰浆抹面、混凝土等传统工程措施，虽然解决了边坡防护问题，但不能恢复边坡植被，这就带来了诸如热岛效应、食物链破坏、视觉污染等问题，不能满足生态护坡的要求。随着国家财力的增加和全社会环保意识的增强，以及环境友好、循环经济等理念的提出和推广，国家对于环境保护及治理、生态恢复等方面都加大了力度。

国内外对各种边坡防护、恢复技术和恢复材料进行了大量的研究和尝试，在传统防护技术的基础上，结合生物学、土壤学、材料学等学科知识，开发出了一系列坡面防护新材料和新技术，如植生袋柔性护坡、植生铺卷、厚层基材喷射法、客土喷播、无土混合纤维植被恢复、植被生态恢复喷播、生态袋、植被纤维毯等不同技术。客土喷播以其操作简单，成本低的特点，还是目前恢复的主要手段，但是客土喷播也存在这保水、抗冲刷性差等问题，有待进一步解决。近年来植生混凝土技术逐渐在边坡生态修复中被大量应用。

植生混凝土解决了边坡的粘结性与抗冲刷性问题，也调整其中混凝土的PH值，使得酸碱性适合植物的生长。但目前还是对植物的生长有一定的影响，且在保水性能上面还存在欠缺，对于缺水的地带有很大的局限性。

因而，如何能同时提高土壤的透气性、粘结性、保水性以及抗雨水冲刷性便成为了一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于边坡生态修复的人工海绵基质及施工方法，以解决现有技术中同时兼顾植物生长基质中的透气性、粘结性、保水性以及抗冲刷性的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于边坡生态修复的人工海绵基质及施工方法，包括以下重量份数的组分：过筛土壤70~99重量份，海绵1-30重量份，聚合物喷播辅助材料0.5~2重量份，植物纤维0~10重量份，复合肥0.5~2重量份，缓控释肥0~2重量份，泥炭土0~5重量份，混合种子0.1~0.2重量份。

进一步优选地，所述过筛土壤粒径小于10mm；所述海绵粒径小于20mm。

进一步优选地，所述植物纤维为草根、稻草、谷壳、椰丝、竹纤维、木纤维、麻纤维中的一种或多种。

进一步优选地，所述海绵为可降解海绵、发泡塑料聚合物海绵中的一种或多种。

进一步优选地，植物纤维为草根、稻草、谷壳、椰丝、竹纤维、木纤维、麻纤维中的一种或多种。

进一步优选地，所述可降解海绵为纤维素海绵，所述海绵采用的是回收海绵。

进一步地，聚合物喷播辅助材料采用的是专利名称：“一种用于边坡生态修复的聚合物喷播辅助材料、喷播材料及施工方法”，专利申请号：201910992727.5中所述材料。

本发明中，混合种子重量份数组成为：草本植物种子20~80重量份，灌木植物种子20~80重量份，乔木植物种子10~40重量份。

本发明采用的另一个技术方案是：一种用于边坡生态修复的人工海绵基质的施工方法，包括以下步骤：

按照上述步骤中所述要求与配比将各物质按照以下步骤进行施工，

进一步地，准备好加入水的喷播机，将所述聚合物喷播辅助材料加入到喷播机中，进行搅拌2~10min；

进一步地，再将海绵加入到喷播机中，进行搅拌1~5min；

进一步地，再将所述过筛土壤加入喷播机中，并搅拌1~10min；

进一步地，其次再将所述的植物纤维、复合肥、缓控释肥、泥炭土、混合种子加入到喷播机中，并搅拌1~10min；

进一步地，喷播，对修整后的坡面进行喷播，喷播层厚度为2~8cm。

优选地，所述喷播机中加入水重量为所述喷播剂容积的1/2~3/4。

进一步地，所述的边坡生态修复的人工海绵基质在边坡生态恢复中的应用。

应用本发明的技术方案，与市面上的边坡生态修复相对比，有着以下优点：

使用范围广，对地形要求少，透气性、保水性好，可用于边坡，减少泥土的用量；

施工效率高，工艺简单，易操作，性价比高；

优良的性能，具有优异的粘结性能，能够很好的附着于不同的基质面。优异的保水保肥性，相对于没有加海绵的基质对比，其前期保水保肥为无海绵基质的2倍多。优异的抗水冲刷与水解性，在水中连续浸泡两个月而不发生水解依旧保持原有形状。良好环保性能，对环境与植物的发芽生长无影响。优良的透气性，快速吸水性能，海绵的孔隙结果在较短的时间雨水条件下能够快速的吸水储水，能够加强植物的呼吸，有利于植物的生长。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。

如背景技术部分提到的，目前恢复的主要手段为客土喷播，客土喷播操作简单，成本低的特点，但是客土喷播也存在着保水、抗冲刷性差等问题，有待进一步解决。近年来植生混凝土技术逐渐在边坡生态修复中被大量应用。但是植生混凝土同样存在保水性差的特点，为改善这一状况，在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种用于边坡生态修复的人工海绵基质及施工方法，包括以下重量份数的组分：过筛土壤70~99重量份，海绵1-30重量份，聚合物喷播辅助材料0.5~2重量份，植物纤维0~10重量份，复合肥0.5~2重量份，缓控释肥0~2重量份，泥炭土0~5重量份，混合种子0.1~0.2重量份。

本申请的上述过筛土壤粒径中，优选粒径小于10mm；上述海绵粒径中，优选粒径小于20mm。由于客土喷播机的管径较小，此粒径是为了防止喷播时造成管道的堵塞，同时物质之间也能够起到很好的粘接作用。

进一步优选的，所述植物纤维为草根、稻草、谷壳、椰丝、竹纤维、木纤维、麻纤维中的一种或多种。植物纤维采用回收原料制成，经过清洗、粉碎、高温、蒸煮、干燥等工艺，制成标准的尺寸和质地，得到形态均匀的植物纤维。植物纤维的加入，增强了聚合物喷播材料的抗裂性，也增加了聚合物喷播材料的力学强度，降解后有利于改善土壤结构，增加有机质含量，为植物后期生长提供养分。根据实际的施工环境来选择加入0~10重量份的植物纤维，如果本地土壤中含有机质较多，可以不用加入植物纤维，以此降低聚合物喷播材料的成本，也可减少施工工序，降低施工成本。如果施工边坡坡度大，则多增加一些植物纤维的使用量，起到增加强度的作用。植物纤维的量不能过多加，多加了之后，会影响聚合物喷播材料的强度，以及增加原料与喷播成本。

优选地，海绵为可降解海绵、发泡塑料聚合物海绵中的一种或多种，可降解海绵为纤维素海绵，海绵采用的是回收海绵。为了降低成本，海绵采用回收海绵经过破碎到相应规格以下得到。根据实际的要求选择可降解海绵或者发泡塑料聚合物海绵，优选可降解海绵，有利于环境。海绵为多孔结构，加入到基质当中，起到了支撑的作用，加入之后，无论潮湿状态，还是干燥状态，海绵都能起到支撑结构，不会使得基质失水造成收缩，减少基质的厚度。同时，海绵还具有非常好的吸水与保水性能，能够给植物生长提供很好的透气、保水、保肥功能。

本实施例中海绵的重量份为1~30份，加入海绵越多，后期基质收缩率越小，相应的吸水会越多，保水效果也会更好。但是加入过多会造成吸水过多，造成基质过重剥落的情况，所以一般根据施工当地情况进行选择，最高不超过30重量份。

需说明的是，由于成本的限制，一般回收的海绵中，包含着各种密度的海绵。经过我们的实验表明，回收海绵的密度与硬度会对基质的整体强度与保水性能有一定的影响。在抗收缩性、保水、保肥等性能方面还是会优于未加入海绵的基质。实验结果表明中密度与低密度的海绵效果最好，一般尽量避免使用高密度海绵。

本实施例中，聚合物喷播辅助材料采用的是专利名称：“一种用于边坡生态修复的聚合物喷播辅助材料、喷播材料及施工方法”，专利申请号：201910992727.5中所述材料。此聚合物喷播辅助材料起到一定的粘接作用，能够将海绵与其它基质有效的进行粘接作用，防止由于雨水作用将海绵基质冲散，造成水土流失。

需说明的是，加入聚合物喷播辅助材料的量，按照施工地的降雨量与坡度来进行调整，如果该地区降雨量大或者坡度陡，需要加入1~2份的聚合物喷播辅助材料。如果该地区降雨量小或者坡度平缓，则可加入0.5~1份的聚合物喷播辅助材料。在某些特殊的极端条件下，也可以不加聚合物喷播辅助材料，或加大聚合物喷播辅助材料超过2重量份。

本发明中，混合种子重量份数组成为：草本植物种子20~80重量份，灌木植物种子20~80重量份，乔木植物种子10~40重量份。多种植物组合，有利于恢复生态系统的多样化。

泥炭土，市售，优选用量在0~5重量份，是在某些河湖沉积低平原及山间谷地中，由于长期积水，水生植被茂密，在缺氧情况下，大量分解不充分的植物残体积累并形成泥炭层的土壤。质轻、持水、保肥、有利于微生物活动，增强生物性能，营养丰富，即是栽培基质，又是良好的土壤调解剂，并含有很高的有机质，腐殖酸及营养成分。根据本地土壤与环境进行选择添加，超出添加量，会增加人工海绵基质的成本。

缓控释肥，市售，优选重量为0~2重量份，又称缓效肥料，其中含有养分的化合物在土壤中释放速度缓慢或者养分释放速度可以得到一定程度的控制以作作物持续吸收利用，使用缓控释肥的目的可以减少肥料养分特别是氮素在土壤中的损失，减少施肥作业次数，节省劳力和费用，避免发生由于过量施肥而引起的对种子或幼苗的伤害。根据施工环境进行选择，如果当地气候差，且土壤贫瘠，则选择2重量份，用量过多造成成本浪费，且植物生长效果也不会很明显。

复合肥，市售，优选0.5~2重量份，增加土壤中的矿物质元素，提高地力，只需施入早期幼苗所需的肥料即可，例如可以使用氮磷钾复合肥。能够快速的提供植物生长所需的养分，加入过少起不到效果，加入过多的，会增加成本与抑制植物生长。

需说明的是，在上述配方中，也可以加入保水剂，但是海绵本身就具有很强的吸水保水性能，故只有在比较极端的施工环境下才添加保水剂。

在上述组合物中的辅料，可以是上述任意一种，也可以是多种的组合。

在本申请另一种典型的实施方式中，还包括另一个技术方案是：一种用于边坡生态修复的人工海绵基质的施工方法，包括以下步骤：

按照上述步骤中所述要求与配比将各物质按照以下步骤进行施工，

进一步地，准备好加入水的喷播机，将所述聚合物喷播辅助材料加入到喷播机中，进行搅拌2~10min；

进一步地，再将海绵加入到喷播机中，进行搅拌1~5min；

进一步地，再将所述过筛土壤加入喷播机中，并搅拌1~10min；

进一步地，其次再将所述的植物纤维、复合肥、缓控释肥、泥炭土、混合种子加入到喷播机中，并搅拌1~10min；

进一步地，喷播，对修整后的坡面进行喷播，喷播层厚度为2~8cm。

优选地，所述喷播机中加入水重量为所述喷播剂容积的1/2~3/4，加入水量根据聚合物喷播辅助材料与加入海绵进行调整，两者加入越多，则相应的加入水量也越多。

进一步地，所述的边坡生态修复的人工海绵基质在边坡生态恢复中的应用。

需要说明的是，上述施工方法中，搅拌时间根据实际情况来定，搅拌均匀即可。

应用本发明的技术方案，与市面上的边坡生态修复相对比，有着以下优点：

使用范围广，对地形要求少，透气性、保水性好，可用于边坡，减少泥土的用量；

施工效率高，工艺简单，易操作，性价比高。

下面将结合具体的实施例来进一步说明本申请的有益效果。

需要说明的是，以下实施例与对比例中，除具体实施例外所使用的过筛土壤统一为通过10目网过筛的湖南郴州本地泥土，经过80℃，热风烘干2h得到的；植物纤维采用木纤维；海绵统一采用中密度海绵，破碎海绵粒径小于20mm；混合种子中包括如下高羊茅10重量份，黑麦草10重量份，波斯菊2重量份，狗牙根10重量份，宽叶草5重量份，野花组合1重量份，白三叶20重量份，紫花苜蓿50重量份，紫穗槐20重量份，黄花槐20重量份，多花木兰30重量份，刺槐20重量份。

其它实验条件，除具体实施例外，其它实施例与对比例均为实验室设备进行操作。

以下实施例与对比例中，所加入水量为所述人工海绵基质重量的1倍

未注明的实验条件为通用实验条件，实验环境为统一实验环境。

实施例1~3

按照表1的原料配比形成实施例1~3的人工海绵基质，其余条件相同。

对比例1~3

按照表1的原料配比形成对比例1~3的人工海绵基质，其余条件相同。

表1：

注：上表1为人工海绵基质的配比表，表中的数值均表示重量kg。

对比实施例1至3及对比例1至3所制备的人工海绵基质进行性能检测。检测方法如下：PH值测定：《NYT1121.2-2006第二部分土壤PH值的测定》；保水率的测定：《NYT1121.3-2006附录A土壤自然含水量的测定》，为加速测试效果，采用取样的方式，在50℃的鼓风烘箱中进行测试；容重测试：《NYT1121.4-2006第四部分：土壤容重的测定》，以上实施例与对比例的测试主要对混合好的聚合物喷播材料进行测试；粘度测定：《GB/T 22427.7-2008》中规定进行测定；抗水解测试：将在50℃下鼓风烘干12h后的聚合物喷播材料放入水中进行水解能力测试，记录下水解时间；种子发芽与长势测试：在同等的实验环境下观察种子的发芽率与长势。

表2：

注：发芽率为7天时的发芽率；长势为7天时的长势情况，长势好用“Y”表示，长势一般用“N”表示；保水率为12小时在50℃的鼓风烘箱下的保水率。

从上述表2中可以看出本申请的实施例通过采用本申请的原料及配方，所制得的人工海绵基质中，加入了聚合物喷播辅助材料的都具备24h抗水解的性能。可见，相比现有技术中的客土喷播材料，本申请的实施例所制备的人工海绵基质不仅具有很好的粘结好、保水的优点，而且也从根本上解决了水解问题，解决了水土流失问题。

从上表2还可以看出，通过上述配方支撑的人工海绵基质，其PH值显中性偏弱酸性，这是由于郴州本地土壤为酸性土壤所致。聚合物喷播辅助材料与海绵为中性，对土壤的PH值不会造成影响。

对比上表2中，加入海绵对基质的容重没有太大的影响，说明海绵已经完全吸附泥浆跟水。从表1跟表2上可以看出，粘度跟加入的聚合物喷播辅助材料与海绵有关，加入海绵后粘度变大，说明海绵吸附水后，造成整体粘度提升。

从种子发芽率与长势来看，加入海绵能提高种子的发芽率，在保水、透气方面对植物发芽生长有一定的促进作用，能够形成促进种子发芽的有利土壤环境。

在保水率方面，对比实施例1~3与对比例1~3，可知，加入的聚合物喷播辅助材料对人工海绵基质的保水性有一定的提高。加入海绵对保水率有一定的提高，此实验为实验室取少量实验，在户外大批量使用的情况下，效果会更佳。

具体实施例

采用实施例1提供人工海绵基质，于2020年7月在河南南召采用人工海绵基质对矿山进行植被恢复试验。

南召县，河南省南阳市下辖县，位于河南省西南部，属于亚热带季风气候，冬夏长，春秋短，四季分明。年平均气温14.8℃。多年平均日照数为1850.5小时。年平均无霜期219天。年平均降水量868.8毫米，降水多集中在夏季，雨热同期。本地土壤为沙性土壤，土壤含沙较多，本地土壤经过测试PH值在6.94，盐度为1.86ppt超出《城市园林绿化工程施工及验收规范》中规定的小于1.2ppt，属于盐性土壤。

坡面状况：进行生态修复的矿山为岩石坡面，坡面坡度大于70度，有60%以上的坡面达到90度。试验坡面高度大约为30米，试验坡面面积大约为500㎡。

工艺流程：人工清坡→坡面锚杆施工→挂金属网→坡面辅助（加塞稻草与植生泡沫板）→底层种植基材喷射→面层种植基材喷射→养护。

人工清坡：坡面必须清除危岩，整理平顺。若有超、欠挖大于30cm者，必须凿顺或用浆砌片石嵌补。坡面应平整完毕且交验合格后，才能进行下一步的施工。

坡面锚杆施工：用φ49风枪钻孔，孔深比锚固深度深5cm，将孔中盐粉冲洗干净，插入锚杆，灌注M30水泥砂浆，使锚杆处于锚孔中心。

挂金属网：挂金属网时应拉紧网，网与锚杆用扎丝固定，并采用不同的木条垫块来调节，使金属网与坡面的距离保持在5～6cm。金属网采用机制镀锌铁丝网。

坡面辅助，加塞稻草与植生泡沫板，由于坡面坡度较大，所以做了一些辅助措施，用于坡面辅助，能更大限度的在坡面上留下泥土。

底层人工海绵基质喷射：采用的喷播机为绿化专用客土喷播机进行喷播，按照上述步骤进行加水加料，底层喷射时按照实施例1的配比，但是不加入混合种子，底层喷射厚度为6~8cm，将底层人工海绵基质均匀地喷上岩石表面，底层喷射方式一般需要层层覆盖，以达到设计厚度的要求，喷射同时应随时检查厚度以保证施工质量。

面层人工海绵基质喷射：采用的喷播机为绿化专用客土喷播机进行面层喷播，按照上述步骤进行加水加料，面层喷射时按照实施例1的配比，面层喷射按照实施例1的配比，面层喷射厚度约为2cm，将面层人工海绵基质均匀地喷上岩石表面，喷射同时应随时检查厚度以保证施工质量。

由于需要观察人工海绵基质的保水与抗冲刷效果，所以去除了盖无纺布这一环节。

养护：苗期及后期应及时进行洒水、病虫害防治、追肥、补种等养护措施。

恢复效果，喷播完15天后，幼苗比较整齐，植物高度在10cm左右，覆盖率达到90%以上，乔木与灌木长势良好。测试试验坡面与普通的客土喷播坡面，其土壤含水率比普通坡面高出35%的含水率。连续下雨，也未造成坡面土壤剥离掉落，达到预期的目标。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：施工效率高，工艺简单，易操作，性价比高；优良的性能，具有优异的粘结性能，能够很好的附着于不同的基质面。优异的保水保肥性，优异的抗水冲刷与水解性，在水中连续浸泡两个月而不发生水解依旧保持原有形状。良好环保性能，对环境与植物的发芽生长无影响。优良的透气性，基质收缩小，能给植物提供足够生长的基质厚度，能够加强植物的呼吸，有利于植物的生长。

采用本发明的技术方案，在边坡地段迅速实现了植物群落乡土化、演替自然化、植物景观与周边环境同一化的绿化效果，有效的解决了水土流失等问题，提高了边坡的稳定性，并生态修复了生态环境，解决不同环境下生态生态修复与水土流失严重、降雨量多与降雨量少之间的矛盾，应用前景广泛。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于边坡生态修复的人工海绵基质，其特征在于，包括以下重量份数的组分：

过筛土壤70~99重量份，海绵1-30重量份，聚合物喷播辅助材料0.5~2重量份，植物纤维0~10重量份，复合肥0.5~2重量份，缓控释肥0~2重量份，泥炭土0~5重量份，混合种子0.1~0.2重量份。

2.根据权利要求1所述的一种用于边坡生态修复的人工海绵基质，其特征在于，所述过筛土壤粒径小于10mm；所述海绵粒径小于20mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于边坡生态修复的人工海绵基质，其特征在于，所述植物纤维为草根、稻草、谷壳、椰丝、竹纤维、木纤维、麻纤维中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种用于边坡生态修复的人工海绵基质，其特征在于，所述海绵为可降解海绵、发泡塑料聚合物海绵中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的一种用于边坡生态修复的人工海绵基质，其特征在于，所述可降解海绵为纤维素海绵，所述海绵采用的是回收海绵。

6.一种用于边坡生态修复的人工海绵基质的施工方法，其特征在于，所述施工方法包括：

按照权利要求1至5中所述要求与配比将各物质按照以下步骤进行施工，

a.准备好加入水的喷播机，将所述聚合物喷播辅助材料加入到喷播机中，进行搅拌2~10min；

b.再将海绵加入到喷播机中，进行搅拌1~5min；

c.再将所述过筛土壤加入喷播机中，并搅拌1~10min；

d.其次再将所述的植物纤维、保水剂、复合肥、缓控释肥、泥炭土、混合种子加入到喷播机中，并搅拌1~10min；

e.喷播，对修整后的坡面进行喷播，喷播层厚度为2~8cm。

7.根据权利要求6所述的一种用于边坡生态修复的人工海绵基质的施工方法，其特征在于，所述喷播机中加入水重量为所述喷播剂容积的1/2~3/4。

8.权利要求1至7所述的人工海绵基质在边坡生态恢复中的应用。