CN101485282A - 岩质边坡生态防护绿化基质 - Google Patents
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Classifications
-
- Y02P60/216—
Landscapes
- Cultivation Of Plants (AREA)
- Pit Excavations, Shoring, Fill Or Stabilisation Of Slopes (AREA)
Abstract
本发明公开了一种岩质边坡生态防护绿化基质，由秸秆、牛粪、食用菌渣(食用菌生产后的废料)、污泥和有机质纤维等混合发酵的混合物及复合肥、土壤保水剂、粘结剂、凹凸棒粉、土壤消毒剂、pH调节剂均匀混合制备而成。采用本发明的岩质边坡生态防护绿化基质对裸露岩质边坡，废弃矿山和山体缺口进行喷播绿化，能在较短时间最大限度地恢复植被生态，达到绿化护坡之目的。本发明能提供植被生长所需的合理物理结构与营养成分，保证坡面的基材混合物与岩质边坡有足够的粘结力，以保证坡面的植被能在岩质边坡上很好的生长扎根；保证坡面基材混合物的稳定，抵抗雨水的侵蚀；能快速封闭坡面，与植物共同作用，防止坡面的风化剥落。
Description
技术领域：
本发明属于环境保护的生态恢复技术领域，特别涉及一种能够应用于干旱、半干旱地区，季节性干旱、雨量集中且量大地区的高陡岩质边坡的生态防护基质。
背景技术：
国外对岩质边坡的生态防护研究起步较早，日本在1973年就开发出了纤维土绿化工法(Fiber-soil Greening Method)，标志着岩体绿化工程的开始，这也是日本最早开发的厚层基材喷射工法，即通过在坡面喷附较厚一层结构类似于自然土壤且能够贮存水分和养分的植物生长所需的基层材料。
欧美国家在边坡生态治理上所采用的一般方法是先将边坡削缓，然后铺上约10cm左右的土层，再采用液压喷播(hydraulic mulching)、活枝捆垛(livefascine)、表面覆盖(mulching)秸秆和干草、枝条扦插(live cutting)、植物树桩(live staking)插种、石堆种植(vegetated riprap)，绿化墙(vegetatedwall)、框格绿化法、阶梯墙绿化法、带孔砖(或砌块)等方法，其生态恢复效果好，但造价高，而且不适用于高陡岩质边坡，不适合我国国情。
国内外绿化基材的选择及配比根据实际各不相同，而基材配比是生态护坡技术的核心，欧美、日本等发达国家根据各自所处地区的气候、水文等条件研发了合适的基材配比，例如日本研发的技术只适合降水量在1200mm以上温湿气候，在我国大部分地区不适用。我国自引进国外技术以来已经研发了几种适合我国一些地域气候、水文、土壤质地等条件的基材，如张俊云等开发的厚层基材(TBS)。
但是实际运用中存在许多问题，表现在以下几个方面：
(1)基材的成本偏高，影响生态护坡技术的运用和推广
生态护坡的基材是边坡绿化成功的关键。目前基材的配方材料许多采用国外进口材料，价格居高不下，配方材料的配比也机械地采用国外的固定模式。除此之外，这些进口材料对中国气候，植物种类的适宜情况也有待于进一步研究。实际上，基材中的一些材料完全可以用国产代替，而价格只有进口的1/4左右。
(2)基材的配方千篇一律，影响了生态护坡的效果和工程验收
目前实施的基材配方不能适应不同地带，地质工程条件，土壤类型和植被适应性等生态环境的要求，特别是其中的植物种类选择和配合优势群落的培育没有能够考虑气候条件，土壤类型，地质条件，坡度，坡向(阴坡或阳坡)等生态要素，往往达不到预期的理想效果。
(3)植生工程技术不能适应不同地质、岩石和土壤、坡度和坡形需要
施工单位实施过程中，施工技术单一，不能因地制宜、适应不同地质、岩石和土壤、坡度和坡形要求，施工质量不稳定，在一定程度上也影响边坡绿化的效果。
因此，为解决上述问题有必要研发一种新型基质，使其不但有良好的护坡效果，而且成本降低，资源丰富。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种岩质边坡生态防护绿化基质，该基质能够在干旱，半干旱地区，季节性干旱、雨量集中且量大地区，高陡岩质边坡条件下，提供植物长期生长所需的水分，养分，并且有很强的抗侵蚀性能。该基质与同类基质相比可节约成本10-20％。本发明充分利用林草资源，兼顾土壤类型，地质条件，坡度，坡向(阴坡或阳坡)等生态要素，因地制宜、适应不同地质、岩石和土壤、坡度和坡形要求，有利于公路沿线区域的环境质量和持续性发展，保护及恢复沿线区域的生态环境。
本发明的技术方案如下：
岩质边坡生态防护绿化基质，其特征在于：所述的岩质边坡生态防护绿化基质是由复合基质和调节剂组成，所述的复合基质各成分质量配比为：食用菌废渣10％-60％、牛粪15％-57％、秸秆末15％-55％、污泥5％-40％，上述各成分均以干基计算；所述的调节剂各成分质量百分数是以所述的复合基质总重为基准：土壤保水剂0.1％-1.5％、聚乙烯醇0.1％-1.5％、凹凸棒粉1％-18％、控释有机无机复合肥1％-5％、土壤消毒剂0.3％-1％、pH调节剂0.2％-2％、有机肥1％-8.5％。
所述的岩质边坡生态防护绿化基质，其特征在于：所述的岩质边坡生态防护绿化基质是由复合基质和调节剂组成，所述的复合基质各成分质量配比为：食用菌废渣10％-60％、牛粪15％-57％、秸秆末15％-55％、污泥5％-40％，上述各成分均以干基计算；所述的调节剂各成分质量百分数是以所述的复合基质总重为基准：土壤保水剂0.1％-1.5％、聚乙烯醇0.1％-1.5％、凹凸棒粉1％-18％、控释有机无机复合肥1％-5％、土壤消毒剂0.3％-1％、pH调节剂0.2％-2％、有机肥1％-8.5％。
所述的岩质边坡生态防护绿化基质，其特征在于：所述的复合基质各成分混合发酵后应用，所述的岩质边坡生态防护绿化基质其体积为绿化种植土的15％-55％。
所述的岩质边坡生态防护绿化基质，其特征在于：所述的土壤保水剂吸水倍数在300～500倍，控释有机无机复合肥控释效果持续在3个月以上，pH调节剂为熟石灰或过磷酸钙。
所述的岩质边坡生态防护绿化基质，其特征在于：所述的聚乙烯醇和凹凸棒粉组成粘接剂，其中凹凸棒粉为60目～200目。
不同基质配比材料不同，以及实际边坡的地理、地质、气象条件的不同，生态基材的性质和功能也就不同，所以对于实际工程，所采用的基材就要因地适宜。本发明的生态防护绿化基质兼顾了多种生态工程条件，总体来说，具有以下功能：
(1)提供植被生长所需的合理物理结构；
(2)保证坡面的基材混合物与岩质边坡有足够的粘结力，以保证坡面的植被能在岩质边坡上很好的生长扎根；
(3)提供植物长期生长所需平衡养分与水分；
(4)保证坡面基材混合物的稳定，抵抗雨水的侵蚀；
(5)能快速封闭坡面，与植物共同作用，防止坡面的风化剥落。
(6)喷射后的基材在要求的时间内必须具有一定的强度，保持自身的稳定，如有可能的话，还应尽量增加边坡的稳定性；
(7)基材的pH值保持在植物最适宜的生长发育的范围内；
(8)尽量做到就地取材，以减少护坡费用。
由于坡面环境恶劣，后期养护困难，因此护坡植物种类的选择应遵循一下原则：
(1)适应当地的气候条件；
(2)适应当地的土壤条件(水分、pH值、土壤性质等)；
(3)抗逆性强(包括抗早性、抗寒性、抗贫膺等)；
(4)能迅速生长，短期内覆盖坡面；
(5)适应粗放管理，能产生适量种子，且种子成本低；
(6)为使植物群落稳定，多采用混播设计，一般应包括禾本科和豆科的植物种搭配。
本发明以土壤学，生态学，环境学和植物营养学等为指导，通过实验证明本发明上述绿化基质的功能，可以应用于以下条件的边坡：干旱半干旱地区的各类质地的边坡，季节性干旱、雨量集中且量大地区的高陡岩质边坡尤为适用。
本发明所述的岩质边坡护坡基材以农林废弃物秸秆、牛粪、菌渣和城市污泥等废弃物为原料的厚层喷播基材，使废弃物资源化，既减少了污染又增加了生态经济效益，与现有基材相比可节约成本30％左右。
采用本发明的岩质边坡生态防护绿化基质对裸露岩质边坡，废弃矿山和山体缺口进行喷播绿化，能在较短时间最大限度地恢复植被生态，达到绿化护坡之目的。使用秸秆、牛粪、菌渣、污泥和有机质纤维等混合发酵的混合物替代草炭土，添加凹凸棒粉可以减少粘结剂的用量，能使喷播基材成本下降10-20％，而且使众多的裸露边坡、废弃矿山和山体缺口重建植被、恢复生态，从而获得巨大的生态效益和社会效益。将农村秸秆、城市污泥、工厂企业的牛粪菌渣等用于边坡绿化基材的加工原料，既促进了废弃物的资源化开发利用，又避免了由于秸秆焚烧造成的大气污染，牛粪菌渣的占地堆放污染，污泥直接填埋造成二次污染，污泥发酵堆肥农用的面源污染，促进了生态环境的保护。
具体实施方式
一、岩质边坡生态防护绿化基质：
岩质边坡生态防护绿化基质，是由复合基质和调节剂组成，所述的复合基质各成分质量配比为：食用菌废渣10％-60％、牛粪15％-57％、秸秆(稻草)末15％-55％、污泥5％-40％，上述各成分均以干基计算；所述的调节剂各成分质量百分数是以所述的复合基质总重为基准：土壤保水剂0.1％-1.5％、聚乙烯醇0.1％-1.5％、凹凸棒粉1％-18％、控释有机无机复合肥1％-5％、土壤消毒剂0.3％-1％、pH调节剂0.2％-2％、有机肥1％-8.5％。土壤保水剂吸水倍数在300～500倍，控释有机无机复合肥控释效果持续在3个月以上，pH调节剂为熟石灰或过磷酸钙。聚乙烯醇和凹凸棒粉组成粘接剂，其中凹凸棒粉为60目～200目。
所述的复合基质制法如下：
(1)污泥含水率在40-50％最佳；牛粪含水率30-50％；稻草和食用菌渣粉碎0.5-3cm。
(2)将原料污泥、牛粪、秸秆、食用菌渣按质量比例混合，充分混匀，调节水分，使含水量至60％。水分过高可加秸秆或食用菌渣调节。
(3)根据温度变化判定堆肥发酵腐熟程度。当气温15℃以上，堆积3天后表面以下温度可达6070℃，温度达60℃以上保持5-8天，进行第一次翻混，第一次翻混后7-10天进行第二次翻混，再隔10天左右进行第三次翻混，三次后底层温度已经在30-40℃以下，含水量30％左右可以等待后熟，可以风干制成半成品——复合基质。
二、对岩质边坡生态防护绿化基质的实际应用功效进行试验研究
1.基质养分的长期监测
上壤理化性质参照《土壤农化分析》和森林土壤国标分析法进行测定：②有机质—硫酸-重铬酸钾氧化外加热法；全氮—半微量开氏法；碱解氮—扩散法；全磷—氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法；有效磷—碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法；有效钾—乙酸铵浸提—火焰光度法。
据《土壤学》对于农田土壤，当全氮含量大于0.2％则土壤为富含氮素，当有效磷含量大于20mg/kg时，一般不需要施用磷肥，当速效钾含量大于200mg/kg时，土壤为钾素丰富元素，有机质含量大于50mg/g即认为富含有机质土。由于公路边坡实行粗放管理，所以基材的养分一定要充足且有储备能不断补充。
六种基质和种植土的养分含量如表1：
表1 基质养分含量
| 基质 | 有机质含量(g/kg) | 全氮(g/kg) | 全磷(g/kg) | 全钾(g/kg) | 碱解氮(mg/kg) | 有效磷(mg/kg) | 速效钾(mg/kg) |
| 泥炭 | 371.55 | 12.62 | 0.96 | 13.89 | 779.32 | 38.35 | 298.71 |
| 牛粪 | 605.89 | 24.93 | 8.31 | 20.13 | 1412.18 | 1269.85 | 455.33 |
| 污泥 | 299.38 | 30.57 | 16.47 | 16.24 | 2097.85 | 3902.48 | 236.04 |
| 秸秆 | 519.72 | 18.32 | 2.01 | 14.62 | 504.35 | 248.28 | 315.78 |
| 生物 | 683 | 11.8 | 1.11 | 9.15 | 605.22 | 154.35 | 214.11 |
| 草炭 | |||||||
| 菌渣 | 670.33 | 16.71 | 2.86 | 20.33 | 1086.645 | 423 | 265.94 |
| 种植土 | 9.1 | 0.27 | 0.16 | 4.84 | 34.39 | 2.39 | 169.13 |
2.抗侵蚀实验
抗侵蚀性强，有足够的营养成分能满足植物生长的需要，植被就能迅速生长覆盖坡面以达到护坡目的，所以基材的抗侵蚀性是护坡成败的关键因素之一。
2.1 试验材料与方法
2.1.1 人工降雨实验装置设计
人工降雨实验装置采用自行设计的简易降雨装，简易降雨装置由水箱、水管、喷头、流量计及阀门等组成。水管中设有流量计然后节水龙头，调节流量计流速可模拟自然降雨的下落速度。喷头为专用喷头，可模拟直径为2～4mm的雨滴，喷头距地面高度2.5m，并可根据实际情况调整。降雨的雨强则通过水的流速与模拟降雨的面积来确定。本实验装置可模拟雨强为80～320mm/h的降雨。
降雨试验槽用钢板制作，规格为90cm×30cm×15cm，实验时内铺一层石板模拟岩质边坡。实验在安徽农业大学盆栽实验厂网室内进行。
2.1.2 实验基材混合物配比
实验所用基材混合物配比按照表2.
表2 人工模拟降雨实验基材混合物配比(体积比)
| 处理编号 | 基质 | 纤维 | 种植土 | 其他材料 |
| 1 | 20％复合基质 | 25％ | 50％ | 5％ |
| 2 | 20％泥炭土 | 25％ | 50％ | 5％ |
| 3 | 0 | 25％ | 70％ | 5％ |
2.1.3 实验控制参数
实验控制参数如下：
(1)降雨雨强：120mm/h。
(2)持续降雨时间：1h。
(3)供试体坡度：1∶1。
(4)实验时间：为基材混合物喷播后24h，7天、30天和60天。
2.1.4 实验步骤
(1)喷播基材，制作试件。将需测试的基材混合物按现场喷射的工序喷射到实验槽中，喷射厚度10cm，放置24h待测；
(2)降雨雨强的调节。调节流量控制阀门和降雨喷头的高度，调整雨强到实验设计的雨强；
(3)固定试件。把基材混合物供试体按要求坡度斜放在降雨装置的支撑架内并固定；
(4)降雨模拟。打开水箱阀门，开始降雨实验，径流水及流失的基材混合物盛入径流槽，并按每10min换径流桶；
(5)取样分析。将径流桶中水土混匀取样以备分析，当径流桶中水澄清后，然后倒去上部的清水，把剩余的基材混合物放入烘箱中烘干、称量并粉碎备分析计算。
2.1.5 测试项目与分析方法
记录从开始到产生径流的所用时间，当产生径流计时，并用塑料桶按照每10min时间间隔分别收集径流水样，测定径流量和泥沙流失量及其中养分流失量。同时采集降雨前后试验基材混合物的样品，风干以备分析。计算侵蚀模数；测定径流(水土混匀取样)中全氮、全磷、全钾和流失泥沙中氮、磷、钾的全量和有机质。
分析方法：
土壤分析采用以下方法：有机质—硫酸-重铬酸钾氧化外加热法；全氮—半微量开氏法；全磷—氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法；全钾—氢氧化钠熔融-火焰光度法；有效磷—碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法；速效钾—乙酸铵浸提—火焰光度法。
水样养分含量测定：全氮为碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，全磷为碱性过硫酸钾消解-钼锑抗比色法，全钾为火焰光度法。
2.2 实验结果与分析
根据记录的产流时间和每次历时60min模拟降雨流失土壤总重计算侵蚀模数见表3。
表3 降雨强度120mm时各处理的产流时间与侵蚀模数
| 项目 | 土壤对照 | 20％泥炭+土壤 | 20％复合基质+土壤 |
| 产流时间 | 1’59” | 2’20” | 2’30” |
| 侵蚀模数(g/h·m2) | 1075.57 | 818.04 | 789.48 |
在模拟降雨开始时，在相同条件下，降雨被试验样品吸收，从产流时间可以看出，土壤对照的产流时间最快，其他两处理产流时间相当，说明其他两个处理的吸水速率较大，侵蚀模数土壤对照为最高，说明纯粹的土壤处理比用基质处理的抗侵蚀效果要差很多。将每10min各处理的土壤侵蚀量进行比较可以得出喷播初期土壤的侵蚀量随降雨时间是逐渐减少的，处理1的侵蚀量最小，其次是处理2和处理3；对于喷播的客土其土壤流失量即为随时间的延伸流失量逐渐减少，最后趋于相对稳定的状态。
基材的抗侵蚀能力复合基质处理强于泥炭处理，抗侵蚀实验降雨120mm/h得到的侵蚀模数多功能复合基质处理为789.48g/h·m2，泥炭处理为818.04g/h·m2，土壤对照为1075.57g/h·m2。
随着时间的延伸，坡面植被的生长，基材混合物的侵蚀模数迅速减小，经过2个月当坡面植被完全覆盖后，在雨强为120mm/h的降雨条件下，基材混合物土壤对照的侵蚀模数仅为76.48g/(h·m2)，基材混合物复合基质处理和泥炭处理的侵蚀模数近乎为0，基材基本无流失。
3.收缩性实验
基材的收缩性是影响基材抗侵蚀性的重要因素之一，收缩性大，基材喷播后产生的裂缝大，抗侵蚀能力就弱。将基材和土壤对照按配比混合装盆，浇水浸透放置一周后取样，取样前在环刀上均匀涂上一层凡士林，取样烘干，测量基质的直径，数据见表4。
表4 收缩性实验数据表
编号 水平收缩率％
土壤对照 9.17
复合基质处理 5.93
泥炭对照 9.65
4.盆栽试验生物量及生物量测定
将基质和土壤按比例配好装盆浇水后，5天后草发芽，10天后在土壤对照、泥炭和混合基质中，草高约3cm。草生长过程中要防止病虫害。约15天左右草生虫，经及时喷药，草正常生长。30天后不同基质草的长势已有明显差别，60天后差别显著。混合基质平均株高大于8cm，覆盖率95％以上，泥炭处理基本相同，覆盖率90％以上，纯粹土壤对照覆盖率低于30％。
六个月后将地上的草刈割烘干称重见表5。
表5 各处理六个月后的生物量
| 处理类型 | 对照 | 泥炭处理 | 复合基质处理 |
| 生物量(g/m2) | 62.12 | 258.71 | 336.95 |
5.生态防护绿化基质应用及效果评价
在农业废弃物资源等调查、室内分析测定、盆栽试验、抗侵蚀模拟等基材配方改进试验和植物群落选配和优化等研究基础上，结合穿越山区高速公路工程建设期和各工程对生态护坡的要求，进行野外试验和示范。
2007年：甬台温高速公路台州段：进行了绿化基材的替代和生态护坡技术试验.
2007-2008年：在合铜黄高速的铜陵到汤口段：进行绿化基材的替代和植生工程的试验和示范。
2008年：在六潜高速潜山段进行绿化基材的替代和植生工程的试验和示范。
三次示范应用于喷播的复合基质达到表6的质量标准，使用前经分析测试均达标。
表6 喷播基材质量检测标准
甬台温高速公路台州段、合铜黄高速的铜陵到汤口段、六潜高速潜山段示范段分别在喷播后、六个月后进行验收，验收标准见表7。根据表7的验收标准进行测试分析，示范段均达到优良水平，仅有一个对照区是合格水平。
表7 岩质边坡护坡工程质量验收标准
Claims (5)
1、岩质边坡生态防护绿化基质，其特征在于：所述的岩质边坡生态防护绿化基质是由复合基质和调节剂组成，所述的复合基质各成分质量配比为：食用菌废渣10％-60％、牛粪15％-57％、秸秆末15％-55％、污泥5％-40％，上述各成分均以干基计算；所述的调节剂各成分质量百分数是以所述的复合基质总重为基准：土壤保水剂0.1％-1.5％、聚乙烯醇0.1％-1.5％、凹凸棒粉1％-18％、控释有机无机复合肥1％-5％、土壤消毒剂0.3％-1％、pH调节剂0.2％-2％、有机肥1％-8.5％。
2、根据权利要求1所述的岩质边坡生态防护绿化基质，其特征在于：所述的岩质边坡生态防护绿化基质是由复合基质和调节剂组成，所述的复合基质各成分质量配比为：食用菌废渣10％-60％、牛粪15％-57％、秸秆末15％-55％、污泥5％-40％，上述各成分均以干基计算；所述的调节剂各成分质量百分数是以所述的复合基质总重为基准：土壤保水剂0.1％-1.5％、聚乙烯醇0.1％-1.5％、凹凸棒粉1％-18％、控释有机无机复合肥1％-5％、土壤消毒剂0.3％-1％、pH调节剂0.2％-2％、有机肥1％-8.5％。
3、根据权利要求1所述的岩质边坡生态防护绿化基质，其特征在于：所述的复合基质各成分混合发酵后应用，所述的岩质边坡生态防护绿化基质其体积为绿化种植土的15％-55％。
4、根据权利要求1所述的岩质边坡生态防护绿化基质，其特征在于：所述的土壤保水剂吸水倍数在300～500倍，控释有机无机复合肥控释效果持续在3个月以上，pH调节剂为熟石灰或过磷酸钙。
5、根据权利要求1所述的岩质边坡生态防护绿化基质，其特征在于：所述的聚乙烯醇和凹凸棒粉组成粘接剂，其中凹凸棒粉为60目～200目。
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