CN1994047A - 固沙和绿化一体化的流动或半流动沙丘生态恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固沙和绿化一体化的流动或半流动沙丘生态恢复方法，包括下列步骤：(1)根据气候条件和土壤参数选择适宜的作业区；(2)依据乔、灌、草立体配制的模式，选择适宜的沙生植物品种；(3)将选择的各种沙生植物种籽播种在作业区，其中一年生草本植物、半灌木和木本灌木按比例混合撒播在沙丘表面，乔木树种用于沙丘底部水分条件相对较好的地区，组成防护林带；(4)在作业区表面喷施木质素固沙材料水溶液。所述木质素固沙材料为“木质素－尿醛－木质素”交联产物，并含有固化剂，其中木质素已经过醛类化合物改性为羟甲(乙)基化木质素。本方法成本低，见效快，可迅速改善“沙进人退”地区的生态环境，同时还实现了造纸制浆废液的资源化利用。

Description

固沙和绿化一体化的流动或半流动沙丘生态恢复方法

技术领域

本发明涉及一种治沙方法，具体地讲是一种固沙和绿化一体化的流动或半流动沙丘生态恢复方法。

背景技术

目前国内外流行的治沙方法有工程治沙、化学治沙和生物治沙等，本发明专利介绍的治沙技术实际上是兼有生物、化学、和工程治沙的成分，但取其长处，避其不足。

国内外对化学固沙做了大量的研究开发工作，在实际应用中也取得了较好的固沙效果。国际上已开发了六十余种用于荒漠化防治的化学产品，通常采用的有乳化沥青或乳化原油、合成树脂或有机胶乳、无机胶乳、高分子聚合物、纤维层覆盖等，伊朗、沙特阿拉伯等国均曾进行喷洒化学固沙剂的试验。国内使用较多的化学固沙剂有乳化原油、乳化沥青、高矿化度盐水、改性聚乙烯醇、硅酸盐、改性硅酸盐、有机或无机高分子聚合物等。这些产品固沙效果普遍很好，但主要问题是固沙成本高、很难生物降解，特别是难以与植物固沙措施相结合。挪威Borregrd LignoTech公司报道木材木质素磺酸盐可直接用于固沙、防止道路扬尘、加固路基等，但由于木质素磺酸盐是水溶性的，未经改性，其固沙强度及抗雨蚀能力较差，效果不佳。美国Minnesota大学利用木质素中羟基与甲苯-2，4-二异氰酸酯(TDI)进行加成聚合反应制成聚氨酯树脂，可在自然界中被微生物降解。报道称，该树脂可用100％烷基化的硫酸盐木质素制备，该研究尚处于实验室阶段，制备成本高，难以应用于大面积固沙作业。

国内普遍使用的“草方格”治沙是生物治沙与工程治沙相结合的典范，曾被联合国发展署(UNDP)充分肯定并高度评价。但缺点是治沙周期太长，效果缓慢，一般需5-8年才能见到效果。另一方面，随着我国经济的高速发展和劳动力价格的不断攀升，这种劳动力密集型的治沙措施花费的成本越来越高，上世纪80年代一个劳动力每天3-5元，现在已到50-80元，完成一亩地面积的固沙作业，成本在600-800元左右。典型的工程固沙成本更高。除非是国家的重要交通干线、或国防、基础设施等，且有大量资金投入时，才能采用这种方法。对于不断扩展的大面积“沙进人退”地区的流动沙丘，则必须选择成效快，投资少的经济高效型治沙方案。

发明内容

为克服现有技术上述的缺陷，本发明提供了一种固沙和绿化一体化的流动或半流动沙丘生态恢复方法，该方法成本低，见效快，可迅速改善沙漠化地区的生态环境。

本发明实现上述目的的技术方案是：一种固沙和绿化一体化的流动或半流动沙丘生态恢复方法，包括下列步骤：

(1)根据气候条件和土壤参数选择适宜的作业区；

(2)依据乔、灌、草立体配制的模式，选择适宜的沙生植物品种；

(3)将选择的各种沙生植物种籽均匀混合后撒播在沙丘表面上，耙盖，其中一年生草本植物、半灌木和木本灌木按比例混合撒播在沙丘表面，乔木树种用于沙丘底部水分条件相对较好的地区，组成防护林带；

(4)在作业区表面喷施木质素固沙材料水溶液。

所述一年生草本植物、半灌木和木本灌木按比例混合撒播在沙丘表面后依据常规方法进行耙盖。

所述木质素固沙材料优选“木质素-尿醛-木质素”交联产物，并含有固化剂，所述木质素已经过醛类化合物改性为羟甲(乙)基化木质素。

所述木质素固沙材料的制备方法包括下列各步骤：

(1)将含有木质素的造纸制浆废液浓缩；

(2)将浓缩后的造纸制浆废液和醛类化合物投入反应釜进行反应；

(3)在反应釜中加入尿素和醛类化合物进行反应；

(4)在反应釜中加入固化剂并混合。

所述造纸制浆废液采用以植物为原料、以碱法制浆或亚硫酸盐制浆产生的废液，对造纸制浆废液的浓缩主要采用蒸发方法，浓缩后的废液浓度为15～50％，所述反应釜采用带有搅拌机构的常压反应釜，所述醛类化合物采用甲醛、或乙醛、或甲醛和乙醛任意比例的混合物，所述固化剂采用氯化铵、无水乙二胺、对甲苯磺酸、顺丁烯二酸酐、双氰胺或乙二醇二乙酯，其添加量是固体固沙材料总重的0.5～2％。

所述固沙材料制备方法中步骤(2)的工艺参数范围控制在：木质素和醛类化合物的摩尔比为1∶(0.2～2)，温度为40～100℃，时间为1.5～5小时，初始pH值为8～12，所述固沙材料制备方法中步骤(3)的工艺参数范围控制在：改性木质素、尿素和醛类化合物的摩尔比为1∶(0.2～4)∶(0.2～4)，温度为60～120℃，时间为1～8小时，初始pH值为5～9。

所述固沙材料制备方法中浓缩后的造纸制浆废液浓度为25～35％，所述固沙材料制备方法中步骤(2)的工艺参数范围是：木质素和醛类化合物的摩尔比为1∶(0.5～1)，温度为50～60℃，时间为3～5小时，初始pH值为8～10，所述固沙材料制备方法中步骤(3)的工艺参数范围是：改性木质素、尿素和醛类化合物的摩尔比为1∶(0.5～1)∶(0.5～1)，温度80～100℃，时间2～4小时，初始pH值6～8。

选择适宜作业区所依据的气候条件包括：年降水量100-350mm，其中5-9月降水量不小于50mm，年平均温度6-15度，年最低温度在-20℃以上，年平均风速1-3.5米/秒，4-5月阵风小于21.0米/秒；

选择适宜作业区所依据的土壤参数包括：沙丘土壤物理性状要求沙粒均匀，粒径在0.05-0.25mm以上的细沙在80％以上，物理粘粒在1-2％左右，优选“沙进人退”的流动或半流动沙丘。

木质素水溶液的喷施浓度由作业时的风速V和沙丘迎风坡坡度β按下式确定：

S₁＝0.04(v/v_m)^1/2(β/β_m)^1/3，v＞0，β＞0

式中S₁为木质素喷洒浓度，V_m，β_m分别表示为作业区最大风速和坡度限制，V_m＝21.0m/s，β_m＝20°；

以(L/m²)为计量单位的木质素水溶液施用量按下式确定：

A_m＝1.0+A_d(β/β_m)^1/3

式中A_d＝2.50L/m²，β＞0为作业区实际坡度，β_m最大可作业坡度，我国北方沙漠化地区不大于20度。

可根据气候特点确定固沙作业时间：对中国西北地区，在4月下旬-5月上旬以后日平均温度逐渐大于10℃、大于21米/秒的阵风出现的概率逐渐减少、降雨概率不断增加的降雨相对集中时期为最佳时机，在宁夏北部地区选择在每年的4月下旬至5月上旬进行，在内蒙东部地区相应推后10-14天。

一年生草本植物、半灌木和木本灌木的混合撒播比例为：一年生草本植物45-55％，半灌木25-35％，木本灌木15-25％。

本发明的有益效果是：由于采用木质素固沙材料进行固沙，该固沙材料可迅速有效地在流动沙丘表面形成“沙结皮”，具有较好的吸湿、保水功能，可减少地表水分的蒸发，并具有良好的抗风蚀和抗雨蚀性能，对动植物和环境无毒无害，可被自然界微生物降解，其中的木质素为腐殖质的原生体，喷施后可提高沙土中有机质的含量，可改良土壤，补充土壤中的木质素酸钠植物生长调节剂以及氮、钾等有利于植物生长的微量元素，可有效促进植物的生长；固沙时依据乔、灌、草立体配制的模式进行沙生植物播种，迅速恢复植被。根据近年的试验证实，采用木质素固沙材料的固沙成本在每亩160-180元之间，喷洒后6-24小时内可以使流动沙丘表面固定，在适宜的管理条件下，150天后荒坡可完全绿化，当年即可形成乔、灌、草合理配置的稳定固沙群落。另外，由于所用固沙材料的主要原料为造纸厂的制浆废液，不仅有效地降低了生产成本，而且实现了废弃物的资源化利用，避免了对环境的污染，绿化形成的植物可以再用于造纸工业，形成良性的循环。

具体实施方式

本发明的基本思路是在流动沙丘上撒播沙生植物种子后，喷洒木质素固沙材料水溶液。由于木质素固沙材料水溶液喷洒后不能被踏踩，喷洒设备龙头的扬程不小于25米，龙头喷压控制在0.2-0.5MPa。

应根据以下气候和土壤条件确定适宜作业区：

气候参数：年降水量100-350mm，其中5-9月降水量不小于50mm，年平均温度6-15度，年最低温度在-20℃以上，年平均风速1-3.5米/秒，4-5月阵风小于21.0米/秒。

土壤参数：木质素固沙材料最佳使用区是“沙进人退”的流动或半流动沙丘。沙丘土壤物理性状要求沙粒均匀，粒径在0.05-0.25mm以上的细沙在80％以上，物理粘粒在1-2％左右。

为保证植物的生长，0-30cm沙层有机质和主要营养元素含量应如下表：

样品	有机质(g/kg)	全氮N(％)	全磷P(g/kg)	全钾K(g/kg)	pH
						沙(土)主要化学特性	＞0.01	＞0.01	＞0.1	＞1.0	＜8.5

适宜木质素固沙材料喷洒作业的沙丘表面面积由下式计算：

$A=\underset{s}{\∫\∫}\frac{2}{3}\mathrm{dEds}$

式中dE为沙丘迎风坡弧线微小变化，ds为坡面长度，相对高程H应小于100米。作业在迎风坡面进行，在我国西北地区主要是西北坡或北坡，坡度β小于20度。利用木质素固沙材料固沙高度可达坡面2/3处，而传统方法的固沙高度小于1/2。

在土壤、气候条件确定以后，木质素水溶液的喷施浓度由作业时的风速V和沙丘迎风坡坡度β按下式确定：

S₁＝0.04(v/v_m)^1/2(β/β_m)^1/3，v＞0，β＞0

式中S₁为木质素喷洒浓度(0.04指4％)，V_m，β_m分别表示为作业区最大风速和坡度限制，V_m＝21.0m/s，β_m＝20°

以(L/m²)为计量单位的木质素水溶液施用量由下式确定：

A_m＝1.0+A_d(β/β_m)^1/3

式中，A_d＝2.50L/m²，β＞0，为作业区实际坡度，β_m最大可作业坡度，我国北方沙漠化地区不大于20度。

根据我国的气候特点，西北地区4月下旬-5月上旬以后日平均温度逐渐大于10℃，大于21米/秒的阵风出现的概率逐渐减少，降雨概率不断增加，之后降雨相对集中，此时是使用木质素固沙材料进行固沙绿化的最佳时机。在宁夏北部地区，固沙作业在每年的4月下旬至5月上旬进行，内蒙东部地区推后10-14天。

固沙群落使用的乔灌草立体配制模式，使用的沙生植物品种包括：沙枣(Elaeagnusangustifolia L.)野生柽柳(Tamarix chinensis Lour.)，沙米(Agriophyllumsquarrosum(L.) Moq.)和沙蒿(Artemisia desertorum Spreng.)花棒(Hedysarumscoparium)、柠条(Caragana korshinskii Kom.)等。乔木树种主要用于沙丘底部水分条件相对较好的地区，组成防护林带，降低固沙区的风速。固沙群落的主体是草本植物和多年生半灌木和灌木树种，一年生草本植物的比例为45-55％、半灌木的比例为25-35％，而木本灌木为15-25％。种籽混合均匀后撒播，耙盖后按第一步确定的浓度和喷施量喷施木质素固沙材料水溶液。

为了使木本植物尽快发挥固沙功能，也可以使用花棒、柠条、沙棘(Hippophaerhamnoides L.)等的营养钵苗。一年生草本植物和多年生灌木、半灌木在固沙中各自发挥应有的作用，二者缺一不可。

在进行治理后，对固沙群落的野外生态学调查，测定群落地上、地下部分生物量，种群结构，植株数量、密度、叶面积指数、根径、冠幅，土壤物理、化学性状，以便评估固沙效果，并且不断总结经验，改进和完善固沙方案。

新型的木质素固沙材料是实施本发明的一个重要方面，这种固沙材料主要以植物纤维(草类原料、竹、木材)制浆废液为原料，经过滤、蒸发浓缩后进行化学改性，改性产物经喷雾干燥后制备木质素固沙材料。浓缩的制浆废液送至反应釜内，根据工艺要求添加改性所需的交联剂、固化剂等化学药品与浓缩液混合均匀，按常规方法调节反应体系的pH值，加热至规定温度并保温一定时间，即可完成木质素的交联改性，制成木质素固沙材料。如在沙化地区就近制作木质素固沙新材料，无需喷雾干燥，直接运输至治沙现场加水稀释后即可喷洒。如需远距离运输，则需经喷雾干燥制成干粉后运至治沙现场，如此可节约运输费用，延长产品使用期限。具体操作为：

首先，来自造纸蒸煮车间的浆料经提取洗涤后，提取废液经纤维过滤机除去纤维性物质后进入稀液槽，再用进料泵送入蒸发器进行蒸发浓缩，这是所述固沙材料制备方法中的步骤(1)。由于废液的粘度特性与制浆原料(稻草、麦草制浆废液粘度较高，芦苇、蔗渣、竹子等的制浆废液粘度相对较低)和蒸煮方法(亚硫酸盐法制浆废液粘度低于碱法制浆废液)有关，因此出蒸发装置的废液浓度应根据不同制浆原料废液的粘度特性而定，以反应条件下反应釜内物料流动性良好为宜。利用非木材原料(如禾草、竹子等)制浆废液制备木质素固沙材料的成本较低，但废液中含有较多的二氧化硅和碳水化合物降解产物，蒸发时容易结垢，为保证蒸发效率和设备稳定运行，应采取经常除垢措施。

经过浓缩后，造纸制浆废液和醛类化合物投入反应釜中进行所述固沙材料制备方法中步骤(2)的反应，主要是制浆废液与醛类化合物进行的木质素改性反应，其反应的本质是木质素的羟甲基化和/或羟乙基化。考虑到反应活性，所述固沙材料制备方法中步骤(2)和步骤(3)中的醛类化合物主要采用甲醛、或乙醛、或甲醛和乙醛任意比例的混合物。反应可在常压反应釜中进行，所述反应釜应带冷凝系统、温度控制、物料进出口和搅拌机构等，以便提供投料、温度控制和搅拌等各种条件。常用的工艺参数为：木质素和醛类化合物的摩尔比为1∶(0.2～2)，例如1∶0.2、1∶0.5、1∶0.7、1∶1、1∶2，温度40～100℃，时间1.5～5小时，pH值8～12，反应浓度15～50％(由于尿素、甲醛和/或乙醛的浓度很低，可忽略不计，实践中该浓度就是浓缩后的制浆废液浓度)，优选的工艺参数为：木质素和醛类化合物的摩尔比为1∶(0.5～1)，温度在50～60℃，时间3～5小时，pH值8～10，反应浓度25～35％。对于反应浓度的选择，应考虑各工序的总成本以及实际操作的可能性，更高或更低的浓度在理论上是可行的，但可能会造成操作上的不便或过高的生产成本。

所述固沙材料制备方法中步骤(3)主要是将羟甲基化和/或羟乙基化木质素再与尿素、醛类化合物进行交联反应，该交联反应需控制的工艺参数包括反应浓度、反应物摩尔比、温度、时间及pH值，各工艺参数的控制范围为：羟甲(乙)基化木质素、尿素和醛类化合物的摩尔比为1∶(0.2～4)∶(0.2～4)，例如：1∶0.2∶0.2、1∶0.7∶0.7、1∶1∶1、1∶0.2∶0.2、1∶2∶2、1∶4∶4，反应温度为60～120℃，反应时间1～8小时，反应初始pH值5～9。优选的工艺范围为：羟甲基化木质素或羟乙基化木质素与尿素、甲醛(或乙醛)的摩尔比为1∶(0.5～1)∶(0.5～1)，反应温度为80～100℃，反应时间2～4小时，反应初始pH值6～8，最终生成木质素-尿醛的交联产物。

所述固沙材料制备方法中步骤(3)的反应原理上类似于木质素磺酸盐制备胶粘剂，但所采用的木质素是经过预先羟甲(乙)基化改性的，与交联剂更容易发生交联反应。并且，通过调节反应物摩尔比、反应温度和时间等即可对目标产物的分子量和固结强度进行合理调控，适用于目前常用的全部化学制浆(亚硫酸盐法制浆和碱法制浆)废液的改性。

未经羟甲(乙)基化的木质素结构为：

经过羟甲(乙)基化的木质素结构为：

与尿素相比，木质素与醛类物质的聚合较慢。因此，所述固沙材料制备方法中步骤(3)的反应更多的是尿素与醛类物质反应形成尿醛树脂，但尿醛能进一步与羟甲基化的木质素脱水发生交联。因此合成产物中具有较多的“木质素-尿醛-木质素”交联产物。再加入0.5～2％(以固沙材料为基准)的固化剂(例如氯化铵、无水乙二胺、对甲苯磺酸、顺丁烯二酸酐、双氰胺、乙二醇二乙酯等)，即制成了水溶性、自然条件下可以固结的聚合物。将这种固沙材料喷施于沙丘表面，在6～24小时内即可与沙粒粘合，在沙丘表面形成固结层。这一固结层可有效地抵御风蚀，为植物创造稳定的生长环境，并有一定的吸水和保水功能，有利于沙生植物的生根、发芽和生物量积累。因此利用造纸制浆废液制备的木质素固沙材料的一个重要功能是可与植被恢复相结合，可用于沙漠化地区的生态环境建设。

Claims (10)

1.一种固沙和绿化一体化的流动或半流动沙丘生态恢复方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)根据气候条件和土壤参数选择适宜的作业区；

(2)依据乔、灌、草立体配制的模式，选择适宜的沙生植物品种；

(3)将选择的各种沙生植物种籽均匀混合后撒播在沙丘表面上，耙盖，其中一年生草本植物、半灌木和木本灌木按比例混合撒播在沙丘表面，乔木树种用于沙丘底部水分条件相对较好的地区，组成防护林带；

(4)在作业区表面喷施木质素固沙材料水溶液。

2.如权利要求1所述的固沙和绿化一体化的流动或半流动沙丘生态恢复方法，其特征在于：所述木质素固沙材料为“木质素—尿醛—木质素”交联产物，并含有固化剂，所述木质素已经过醛类化合物改性为羟甲(乙)基化木质素。

3.如权利要求2所述的固沙和绿化一体化治理的流动或半流动沙丘生态恢复方法，其特征在于：所述木质素固沙材料的制备方法包括下列各步骤：

(1)将含有木质素的造纸制浆废液浓缩；

(2)将浓缩后的造纸制浆废液和醛类化合物投入反应釜进行反应；

(3)在反应釜中加入尿素和醛类化合物进行反应；

(4)在反应釜中加入固化剂并混合。

4.如权利要求3所述的固沙和绿化一体化的流动或半流动沙丘生态恢复方法，其特征在于：所述造纸制浆废液采用以植物为原料、以碱法制浆或亚硫酸盐制浆产生的废液，对造纸制浆废液的浓缩主要采用蒸发方法，浓缩后的废液浓度为15～50％，所述反应釜采用带有搅拌机构的常压反应釜，所述醛类化合物采用甲醛、或乙醛、或甲醛和乙醛任意比例的混合物，所述固化剂采用氯化铵、无水乙二胺、对甲苯磺酸、顺丁烯二酸酐、双氰胺或乙二醇二乙酯，其添加量是固体固沙材料总重的0.5～2％。

5.如权利要求4所述的固沙和绿化一体化的流动或半流动沙丘生态恢复方法，其特征在于：所述固沙材料制备方法中步骤(2)的工艺参数范围控制在：木质素和醛类化合物的摩尔比为1∶(0.2～2)，温度为40～100℃，时间为1.5～5小时，初始pH值为8～12，所述固沙材料制备方法中步骤(3)的工艺参数范围控制在：改性木质素、尿素和醛类化合物的摩尔比为1∶(0.2～4)∶(0.2～4)，温度为60～120℃，时间为1～8小时，初始pH值为5～9。

6.如权利要求5所述的固沙和绿化一体化的流动或半流动沙丘生态恢复方法，其特征在于：所述固沙材料制备方法中浓缩后的制浆废液浓度为25～35％，所述固沙材料制备方法中步骤(2)的工艺参数范围是：木质素和醛类化合物的摩尔比为1∶(0.5～1)，温度为50～60℃，时间为3～5小时，初始pH值为8～10，所述固沙材料制备方法中步骤(3)的工艺参数范围是：改性木质素、尿素和醛类化合物的摩尔比为1∶(0.5～1)∶(0.5～1)，温度80～100℃，时间2～4小时，初始pH值6～8。

7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的固沙和绿化一体化的流动或半流动沙丘生态恢复方法，其特征在于：

选择适宜作业区所依据的气候条件包括：年降水量100-350mm，其中5-9月降水量不小于50mm，年平均温度6-15度，年最低温度在-20℃以上，年平均风速1-3.5米/秒，4-5月阵风小于21.0米/秒；

选择适宜作业区所依据的土壤参数包括：沙丘土壤物理性状要求沙粒均匀，粒径在0.05-0.25mm以上的细沙在80％以上，物理粘粒在1-2％左右，优选“沙进人退”的流动或半流动沙丘。

8.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的固沙和绿化一体化的流动或半流动沙丘生态恢复方法，其特征在于：

木质素水溶液的喷施浓度由作业时的风速V和沙丘迎风坡坡度β按下式确定：

S₁＝0.04(v/v_m)^1/2(β/β_m)^1/3，v＞0，β＞0

式中S₁为木质素喷洒浓度，V_m，β_m分别表示为作业区最大风速和坡度限制，V_m＝21.0m/s，β_m＝20°；

以(L/m²)为计量单位的木质素水溶液施用量按下式确定：

A_m＝1.0+A_d(β/β_m)^1/3

式中A_d＝2.50L/m²，β＞0为作业区实际坡度，β_m为最大可作业坡度，我国北方沙漠化地区不大于20度。

9.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的固沙和绿化一体化的流动或半流动沙丘生态恢复方法，其特征在于根据气候特点确定固沙作业时间：对中国西北地区，在4月下旬-5月上旬以后日平均温度逐渐大于10℃、大于21米/秒的阵风出现的概率逐渐减少、降雨概率不断增加的降雨相对集中时期为最佳时机，在宁夏北部地区选择在每年的4月下旬至5月上旬进行，在内蒙东部地区相应推后10-14天。

10.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的固沙和绿化一体化的流动或半流动沙丘生态恢复方法，其特征在于：一年生草本植物、半灌木和木本灌木的混合撒播比例为：一年生草本植物45-55％，半灌木25-35％，木本灌木15-25％。