CN1327028A - 快速治理沙漠化土壤的固沙剂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种含诸如聚丙烯酰胺等水溶性高分子聚合物和膨润土的固沙剂,该固沙剂可以快速治理沙漠及沙漠化土壤,经过本发明固沙剂治理的沙漠化土壤的持水能力成倍提高,可以大幅度提高植树、植草的成活率。

Description

快速治理沙漠化土壤的固沙剂

本发明涉及快速治理沙漠化土壤的固沙剂，具体讲涉及含高分子聚合材料和无机填料的固沙剂。

沙漠及沙漠化土壤经成百上千年扩张在地球上规模巨大，与此同时人类与之抗争的活动始终没有停止过，然而沙漠仍在向前推进。因此要想有效地治理沙漠化土壤，必须摆脱常规方式的束缚，有必要使用全新的技术手段与材料。

植被的破坏、过渡开垦以及过渡放牧已经成为沙漠化的主要原因，土地沙漠化已经成为一个全球化的问题，我国荒漠化土地以每年2460平方公里的速度扩大。而改变干旱、半干旱地区沙漠化倾向的根本出路在于快速大面积增加沙质土壤表层的含水量、生成土壤的团粒结构，营造出植被与土壤微生物的生成条件，使有限的降水量充分地变成绿色。

本发明人深入分析了沙漠化土壤内在的基本矛盾、研究了沙漠化土壤的基本特性、总结了沙性土壤稳定的基本条件，通过大量实验惊奇发现一些新的高分子材料及其辅料可以快速地稳定住流沙，并在瞬间优化植被的生存条件。

沙漠及沙漠化土壤内包容了我们巨大的国土资源。同时它也是未开发的地表能源储备。据测算荒漠化地区约占我们国土面积的1/4以上，其中主要是沙漠。这么大的区域仅仅每天接受太阳能量就是一个巨大数字，更何况还有土壤、风、水等其它能量。在正常情况下，这些能量中的一大部分被生物圈吸收、利用、转化贮存。然而在沙漠化地区，地表涌动着如此巨大的能量团，并长期处于非稳定的无序的吸必和释放状态，其产生的破坏力显而易见。

沙漠化土壤改造的基本思路是，将处于无序状态的太阳能、土壤能、水能、风能约束起来，使其有序地贮存、释放。地表植被的繁衍是有序的能量转化、贮存。沙漠中过去与现在生长的植物，说明沙漠中的能量可以植被生长的形式在这里进行转化。只要植被覆盖率达到一定的程度沙漠自然会稳定。但是若想恢复过去的繁盛，首先必须恢复昔日的土壤、水等基础条件。依靠传统的绿化方式和技术手段，显然很难在短时期内、在大范围内做到这一点。因此，对沙漠化土壤的快速治理必须脱也传统思路的巢臼，深入地研究土壤沙漠化的全过程，找出土壤向沙漠化转变的关键。

地下水位以上纯净的沙层持水性极差，一般其持水度不高于1.6％。干燥的沙在风力作用下具有流动性。沙漠化土壤由于风力的分选，使得其表层级配变差。这是在风力扬尘的作用下，细小的颗粒会形成飘尘随风而去。导致它往往缺少很多过度性的颗粒，形成了很高的孔隙度，在降雨后极短的时间内，地表水分就会渗入地下，同时仅存的薄膜水也会被迅速地蒸发干。沙漠性土壤的约束，主要依靠表层水及其涵养的植被。只要具有一定的含水量或含有一定比例的腐殖质地表沙就会趋于稳定。这主要是由于水分是稳定的土壤的重要组成部分，它是植物与土壤微生物生存的基本条件。

沙漠化土壤之所以曾经养育了繁茂的地表植被，是由于历史所筛选出的植物群落、腐殖质及其植物的根系，在土壤中自造了储水空间，并用其一代代的生命维持着它存在。

通过进一步地研究可以发现，作为无机质矿物的砂粒，其表面正电核活跃。因而越干燥纯净的沙，沙粒间的排斥力越大。这就使其自身具备了跃动的条件。因此当受到风力作用时，其能够轻而易举地进行运动。提供了宽厚的基础条件和出发点。

目前我国分布的沙漠化地区，在几十年—一、两千年前，几乎都经历过植被繁盛的时代。因此形成大范围植被消亡的原因，只在于表层土壤的结构与环境的变化。通常，沙性土壤稳定的根本微生原因，不仅仅在于降水，还在于土壤中存在着一定比例的腐殖质，以及是外来有机质经过土壤微生物的作用而形成的胶体。这种胶体一般带有负电荷。其构成的阴离子基团及植物根系表面负电核与砂粒表面的正电核，发生电性中和作用，使其与沙粒紧密地桥联键合，从而极大的增强了沙粒乃至沙性土壤的整体稳定性。同时植被根系与腐殖质形成的有机分子链，还可以在沙粒之间形成网状构造，从而极大地提高了沙性土壤表层的持水度。形成了可以满足植物生长需求的储水空间。因此每次降水后将充足的水分储存在沙层上部。不同的植物群落能够维持着这一个储水空间的结构与厚度。这些是沙性土壤稳定的基本条件。一旦地表植被破坏，表层沙粒间逐渐失去了有机分子链的维系，这一储水层会随之逐渐消失。

人类利用植被控制流沙以祈制止沙漠侵吞土地业已取得成效，在如CN1060489A中国专利中利用含硫酸钠、硅酸钠、等无机元素和C12H22O11等元素的沙漠固化生长液以在沙漠表层形成坚硬的高密度微孔薄壳；CN1058037A中国专利中披露了包括无机盐和有机盐的固沙剂，其中还提及了在过去人们利用聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等高分子材料作固沙剂；CN1209449A中国专利中披露了包括水玻璃、有机高分子化合物溶液(如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、纤维素等)、纸浆废液的固沙用的液体粘结剂。

本发明人经过长期研究发现在土壤中添加含适量的阴离子高分子聚合物和无机填料的固沙剂，即可有效地改变沙漠化土壤的两大缺陷(1)土壤表层持水能力差；(2)颗粒间结构力低。

本发明的目的是提供一种快速治理沙漠化土壤的固沙剂，特别是提供一种含无毒无害的、随着分子的老化而解体后可被植物根系及有机质取代的高分子聚合物和无机添加剂的固沙剂。

诸如一般常用作增稠剂或悬浮剂的水溶性高分子聚合物聚丙烯酰胺等具有很长的分子链，其遇水后还可以溶涨几百倍。阴离子高分子链在遇到沙质土壤颗粒后，受正、负电核引力的驱使，迅速地相互吸附生成絮状链体。这是由于它们遇到阳离子后发生了交联，由线型聚合物变为体型聚合物造成的，这时的高分子链不再溶于水。沙性土壤中含有大量的Fe、Mg、Ca等高价阳离子。同时，沙粒的主要成分SiO₂遇水后，随着pH值的变化同样可以带有正电荷。因此高分子聚合物与沙性土壤的聚合反应、絮凝作用既迅速又广泛。然而，由于沙漠化土壤的风力分选作用使得土壤级配不合理，往往缺失过渡性的小颗粒，因此，在没有无机添加剂参予的情况下，其效果不能充分发挥，诸如膨润土一类无机添加剂在这一过程中使分子链迅速变粗，这无疑会提高分子链的稳定性，同时也提高了土壤的持水力。诸如膨润土一类无机填料在吸附水时体积同时增大，有的能吸附本身重量五倍的水，而体积膨胀至干体积的十五倍。烘干后，可加水再使膨胀，往复处理，并不影响其性能。

适用于本发明的固沙剂的高分子化合物为水溶性高分子材料，其分子链必须具有足够的长度，一般不低于400百万单位，优选800—1000单位。当高分子溶液的浓度较稀时，吸附在一个质点表面的高分子长链，可以同时吸附在另一个质点表面上，通过建立这种架桥将两个或多个质点联在一起成絮凝。适用于本发明的固沙剂的聚合物为溶于水的线性高分子聚合物，投入沙层表面遇水后其首先开始溶涨，而后随着水流地下渗流，在渗流的路程中，其分子链表面离子与沙粒表面的离子发生交联，这时由线型聚合物，使土壤中的细小颗粒形成絮凝，在较大的沙粒之间构成了连接网络，这时它不再溶于水，从而人为地为土壤构筑了一张稳定沙粒的网。

诸如聚丙烯酰胺等水溶性高分子聚合物干粉末遇水后会迅速吸收水分发生溶涨以致于可以溶涨到其原来质量的250倍。膨润土一类无机填料在吸附水时体积同时增大，有的能吸附本身重量五倍的水，而体积膨胀至干体积的十五倍。本发明的固沙剂利用这些水溶性高分子聚合物和膨润土一类无机填料还能够长期保持溶胶状态并可重复进行多次地吸水、释水过程，在大型植物的根部附近构。

本发明的固沙剂中的聚丙烯酰胺和膨润土的重量比一般为1∶0.5—10。

本发明的固沙剂中的聚丙烯酰胺和膨润土的优选重量比为1∶3—5。

本发明的固沙剂中的聚丙烯酰胺和膨润土的最优选重量比为1∶3。

实施例

于规格为2M²的三块实验区(A、B、C)上，在相同条件下的土壤上分别覆盖0.3M厚的一层风干的沙层。每试验区干沙的表面按每平方米沙撒入含7克聚丙烯酰胺和3.5克膨润土的固沙剂(A区)；含7克聚丙烯酰胺和21克膨润土的固沙剂(B区)；含7克聚丙烯酰胺和70克膨润土的固沙剂(C区)。而另一实验区(D)则维持原来的干沙不变以作对比。然后在同样的条件下，分别用同样量的水同时对两块实验区进行灌溉，均匀浇灌、浇透。在白天温度为摄氏20—25度，夜间温度为摄氏10—15度的室外经过两周自然渗透和蒸发，通过观察和分次取土得出以下结果：

(1)加有固沙剂的试区A、B、C，在实验的过程中，第5天后表层风干逐渐干硬固结，虽然强度很低，但是已经不再具有活动性，试区A直至第天时其固结强度仍保持在0.02-0.05Mpa左右；试区B直至第天时其固结强度仍保持在0.02-0.05Mpa左右；试区C直至第天时其固结强度仍保持在0.02-0.05Mpa左右

(2)未加固沙剂的对比试区D，随着实验的进行，第5天时发现表层干沙出现后结构松散，恢复了原来河沙的可流动状态；

(3)风干的原沙样(1)、未加固沙剂的试样(2)、试区A的试样(3)，试区B的试样(4)、试区C的试样(5)，同时分别在A、B、C、D区进行饱合灌溉，九天、十四天后取样称重结果如下：

时间(天)	1(g)	2(g)	3(g)	4(g)	5(g)	备注
							9	114	117	127	128	132	河沙
14	114	116	122	124	126

实验表明：A区的试样在14天后能固水5克，在14天后能固水4克。B区的试样在14天后能固水6克。原沙样在14天后水分已全部蒸发，未加固沙剂的试块在14天后也基本全部蒸发。结束两个月后，将A、B、C区表层固结的沙全部粉碎，重新浇水观察，掺加过本发明固沙剂的沙样重复了上述情形，因此证明在投入一定量的固沙剂后，土壤可在一段时期内，借助于本发明的固沙剂材料反复为植物生长储存水分，同时还建立了稳定的表层土壤。

经上述实施利可以看出：在沙质土壤的表层掺加少量本发明固沙剂以后，(1).可以在一定的时间以内控制住地表沙的流动性；(2).沙质土壤的整体持水能力成倍增长；(3).这种持水性可以随着降水频率的节奏，重复为植物根系贮存水分；(4)即使通过对本发明固沙剂撒于沙后形成的新的土壤进行直观目测也可以观察到，沙粒间的絮状结构已经形成；(5)流沙经过本发明的固沙剂治理后，在长期干旱的情况下表层会形成一层风干壳，其强度约为0.01-0.03Mpa。

经过本发明方法治理的沙漠化土壤的持水能力成倍提高，可以大幅度提高植树、植草的成活率。沙性土壤含水量的提高，还可以扩展植物的选种范围，并充分利用了沙漠化地区有限的降水资源。经过改造的沙漠化土壤可以在一定时期内固化表层沙土，阻止沙土暴对地表土壤的剥蚀。本发明的技术方案可以广泛运用于铁路、公路、油田以及沙漠化地区的大型工程项目和村镇的减灾防护。

本领域技术人员阅读本说明书后，可以对说明书中的技术方案进行种种变化，但这些变化均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1、一种治理沙漠和沙漠化土壤的固沙剂，其特征在于该固沙剂含水溶性高分子聚合物和膨润土。

2、根据权利要求1的固沙剂，其特征在于所述水溶性高分子聚合物为聚丙烯酰胺。

3.根据权利要求1的固沙剂，其特征在于该固沙剂含水溶性高分子聚合物和膨润土的重量比为1∶0.5—10。

4.根据权利要求1的固沙剂，其特征在于聚丙烯酰胺和膨润土的重量比为1∶0.5—10。

5.根据权利要求4的固沙剂，其特征在于聚丙烯酰胺和膨润土的重量比为1∶3。