CN112075156B - 一种用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料的制备及应用 - Google Patents

一种用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料的制备及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料的制备及应用。该材料的制备是将至少两种有机相变储能材料高温复合得到低共熔物，然后将低共熔物与高分子保水材料混合，加入自来水搅拌均匀即得，使用时将该材料加入到土、沙、羊粪和牧草种子混合物中混匀，装入麻袋，放入风蚀坑中。本发明首先采用至少两种有机相变储能材料高温复合，得到低共熔物，用于减缓环境温度的骤降，从而达到调节温度的目的，为牧草发芽和生长提供适宜的温度，然后将有机相变储能材料复合成的低共熔物和高分子保水材料混合得到通过氢键连接的保水调温材料，有机相变储能材料复合成的低共熔物和高分子保水材料相互协调，共同作用，使得该材料具有优异的保水调温性能。

Description

一种用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料的制备及应用
技术领域
本发明属于荒漠化防治和草原生态修复技术领域，涉及一种用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料的制备及应用，该保水调温材料主要用于高寒干旱地区风蚀坑牧草种植。
背景技术
土壤风蚀作为土地沙漠化的主要过程之一，是我国干旱、半干旱地区以及部分半湿润地区严重的生态环境问题之一。风蚀坑是指在原有的沙质沉积物上由于风蚀作用而形成的凹地。它的出现往往是固定沙丘活化的明显标志，被视为这些地区响应于气候变化和人类活动的风沙动力过程最直接的地面反映。由于风蚀坑发育的沉积环境和地貌条件不同，其形态变化也非常明显，但基本上均可以划分为沙斑、碟状、碗状和槽型等四种形态，反应了风蚀坑的不同发育阶段，其深度也随之由几米到十几米变化不等。但在青藏高原东北缘共和盆地内发育的巨型风蚀坑其深度可达近50米。地形监测结果显示：青藏高原发育的风蚀坑类型齐全、形态巨大，特别在一些风沙沉积深厚的古沙丘区，最大的风蚀坑面积可超过100000 m2，坑体长近1000 m（含坑后积沙体）、宽180 m、深40 m，坑体朔源侵蚀明显，平均每年以近2~5 m的坍塌速度向外扩张，通过扰动、压埋和吞噬三种方式对草原进行破坏。而青藏高原东北部高寒干旱区的沙漠受低温、低压环境的影响，其自然环境有别于北方各大沙漠区的自然环境，这往往对沙丘的形成、固定及活动都会产生重要的控制作用。此外，相比低海拔地区的海岸和草原风蚀坑而言，高寒干旱区的巨型风蚀坑受地形和坡向影响，两侧坑壁（阴阳坡）的季节温差变化较大，通常会造成差异性的侵蚀和崩塌现象，一旦发生将持续下侵、扩大，治理难度非常大。与此同时，这一带的沙丘形成过程中往往伴随风雪和风沙多相流输送和沉积过程，植被生长缓慢，地表深受冻融过程的反复影响。
近年来，各种防风固沙措施层出不穷，一般草原风蚀坑生态恢复也不是十分困难，但是处于高寒干旱地区的风蚀坑，由于低温、干旱和风蚀坑内加速的大风（相当于狭管效应），牧草种子很难着地，即使着地也很难发芽，导致高寒干旱区草原风蚀坑治理非常困难。高寒干旱地区草原风蚀坑治理需要解决3个关键技术问题，第一要使牧草种子处于非流动环境；第二，提高牧草种子所处土壤微环境的温度；第三为牧草种子发芽和生长提供充足的水肥条件。这就要求土壤微环境能够升温（相变储能材料）、保温（储水和储能材料）及集水节水（提高土壤持水持肥性）功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料的制备及应用。
一、用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料的制备
本发明用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料的制备方法，是将至少两种有机相变储能材料于70~100℃下反应1~8 h，在45~55℃下超声85~95s，利用超声的强化传质分散作用使其动态均匀混合，自然降温后得到低共熔物；将低共熔物与含黄土的高分子保水材料以1:1~1:5的质量比充分混合，加入自来水于室温下搅拌1~5 h，即得用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料。其中，所述有机相变储能材料为硬脂酸、软脂酸、肉豆蔻酸、月桂酸、聚乙二醇、棕榈酸；所述至少两种有机相变储能材料的质量相同；所述含黄土的高分子保水材料是由高分子保水材料与黄土复配得到，其中黄土的质量分数为0.4~0.6%，黄土与高分子保水材料复配既能提高材料保水性，又能降低成本；所述高分子保水材料为2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸接枝共聚羧甲基纤维素、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸接枝共聚黄原胶、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸接枝共聚亚麻胶、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸接枝共聚沙蒿胶、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸接枝共聚田菁胶中的至少一种。
上述制备的低共熔物的相变温度为10~26 ℃，相变潜热为90~120 J/g，较大的相变潜热可以为材料提供稳定的热能。引入的高分子保水材料由于具有交联的三维网络结构并携带强的亲水性基团，在吸水后可以膨胀成水凝胶，既能吸收相变储能材料所释放的热量，维持土温稳定，又能缓慢释放水分供植被吸收利用，增加土壤饱和持水量，此外，高分子保水材料还具有良好防蒸发防渗漏功能。
二、用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料的应用
本发明用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料的应用，是将保水调温材料加入到土、沙、羊粪和牧草种子混合物中混匀，装入麻袋，放入风蚀坑中。其中，所述沙、土、羊粪的质量比为100:5:1；所述保水调温材料的加入量为土、沙、羊粪和牧草种子混合物质量的1.5~2.5%。沙土可以就地取材，来源广泛，成本低廉。
记录放入风蚀坑的麻袋第1天、第2天、第10天、第50天时种子的萌发情况，分别如图1、2、3、4所示，可以看到在3 ~ 13 ℃的环境温度中，虽然会历经风雪天气和地表冻融过程，但麻袋中的牧草种子10~15天就可发芽。麻袋中的土、沙、羊粪、牧草种子混合物中加入保水调温材料后，持水率可提高25~40%，麻袋内部温度比附近沙中温度平均高1~2 ℃。
综上所述，本发明首先采用至少两种有机相变储能材料高温复合，得到低共熔物，用于减缓环境温度的骤降，从而达到调节温度的目的，为牧草发芽和生长提供适宜的温度，然后将有机相变储能材料复合成的低共熔物和高分子保水材料混合得到通过氢键连接的保水调温材料，有机相变储能材料复合成的低共熔物和高分子保水材料相互协调，共同作用，使得该材料具有优异的保水调温性能。且本发明具有制备方法简单、环境友好及成本低廉等优势，该材料在高寒干旱地区风蚀坑牧草种植和草原生态修复中，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明保水调温材料放置在风蚀坑中第1天的照片。
图2为本发明保水调温材料放置在风蚀坑中第2天的照片。
图3为本发明保水调温材料放置在风蚀坑中第10天的照片。
图4为本发明保水调温材料放置在风蚀坑中第30天的照片。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料的制备及应用作进一步说明。
实施例1
分别称取5 g棕榈酸、5 g软脂酸和5 g硬脂酸，在恒温箱中80 ℃恒温2 h。之后迅速转移至水浴温度为50 ℃的超声波清洗器中超声90 s，自然降温后得到低共熔物。之后，按低共熔物与含黄土2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸接枝共聚羧甲基纤维素为1:1的质量比充分混合，加入自来水在室温下机械搅拌2 h，得到保水调温材料。
将上述保水调温材料加入到由当地草甸土、沙、羊粪和3种本土草籽（披碱草、菵草、赖草、白草及青海鹅观草中的3种）的混合物中（沙:土:羊粪=100:5:1，保水调温材料的加入量为混合物质量的1.5%），混合均匀后，装入80 cm•100 cm麻袋，将麻袋放置在风蚀坑中，麻袋间距2 m，每3个麻袋呈三角形排布。麻袋中的土、沙、羊粪、牧草种子混合物中加入保水调温材料后，持水率提高30%，麻袋内部温度比附近沙中温度平均高1~2 ℃，在3 ~ 13℃环境温度中，经过12天3种本地牧草发芽，而种植在麻袋附近风蚀坑沙中的相同草籽则没有发芽。
实施例2
分别称取5 g月桂酸、5 g聚乙二醇，在恒温箱中80 ℃恒温3 h。之后迅速转移至水浴温度为50 ℃的超声波清洗器中超声90 s，自然降温后得到低共熔物。之后，按低共熔物与含黄土2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸接枝共聚黄原胶为1:2的质量比充分混合，加入自来水在室温下机械搅拌3 h，得到保水调温材料。
将上述保水调温材料加入到由当地草甸土、沙、羊粪和3种本土草籽（披碱草、菵草、赖草、白草及青海鹅观草中的3种）组成的混合物中（沙:土:羊粪=100:5:1，保水调温材料的加入量为混合物质量的2.5%），混合均匀后，将得到的最终样品装入80 cm•100 cm麻袋，将麻袋放置在风蚀坑中，麻袋间距2 m，每3个麻袋呈三角形排布。麻袋中的土、沙、羊粪、牧草种子混合物中加入保水调温材料后，持水率可提高33%，麻袋内部温度比附近沙中温度平均高2 ℃，在3~13 ℃的环境温度中，经过10天3种本地牧草种子发芽，而种植在麻袋附近风蚀坑沙中的相同草籽则没有发芽。
实施例3
分别称取5 g棕榈酸、5 g肉豆蔻酸，在恒温箱中100 ℃恒温5 h。之后迅速转移至水浴温度为50 ℃的超声波清洗器中超声90 s，自然降温后得到低共熔物。之后，按低共熔物与含黄土2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸接枝共聚亚麻胶为1:3的质量比充分混合，加入自来水在室温下机械搅拌1 h，得到保水调温材料。
将上述保水调温材料加入到由当地草甸土、沙、羊粪和3种本土草籽（披碱草、菵草、赖草、白草及青海鹅观草中的3种）组成的混合物中（沙:土:羊粪=100:5:1，保水调温材料的加入量为混合物质量的2.5%），混合均匀后，将得到的最终样品装入80 cm•100 cm麻袋，将麻袋放置在风蚀坑中，麻袋间距2 m，每3个麻袋呈三角形排布。麻袋中的土、沙、羊粪、牧草种子混合物中加入保水调温材料后，持水率可提高37%，麻袋内部温度比附近沙中温度平均高2 ℃，在3~13 ℃的环境温度中，经过10天3种本地牧草发芽，而种植在麻袋附近风蚀坑沙中的相同草籽则没有发芽。
实施例4
分别称取5 g聚乙二醇、5 g软脂酸和5 g月桂酸，在恒温箱中70 ℃恒温2 h。之后迅速转移至水浴温度为50 ℃的超声波清洗器中超声90 s，自然降温后得到低共熔物。之后，按低共熔物与含黄土2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸接枝共聚沙蒿胶为1:4的质量比充分混合，加入自来水在室温下机械搅拌4 h，得到保水调温材料。
将上述保水调温材料加入到由当地草甸土、沙、羊粪和3种本土草籽（披碱草、菵草、赖草、白草及青海鹅观草中的3种）组成的混合物中（沙:土:羊粪=100:5:1，保水调温材料的加入量为混合物质量的2.5%），混合均匀后，装入80 cm•100 cm麻袋中，将麻袋放置在风蚀坑中，麻袋间距2 m，每3个麻袋呈三角形排布。麻袋中的土、沙、羊粪、牧草种子混合物中加入保水调温材料后，持水率可提高35%，麻袋内部温度比附近沙中温度平均高1~2 ℃，在3 ~ 13 ℃的环境温度中，经过10天3种本地牧草种子发芽，而种植在麻袋附近风蚀坑沙中的相同草籽则没有发芽。
实施例5
分别称取5 g肉豆蔻酸、5 g硬脂酸和5 g月桂酸，在恒温箱中80 ℃恒温7 h。之后迅速转移至水浴温度为50 ℃的超声波清洗器中超声90 s，自然降温后得到低共熔物。之后，按低共熔物与含黄土2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸接枝共聚田菁胶为1:2的质量比分混合，加入自来水在室温下机械搅拌2 h。
将上述保水调温材料加入到由当地草甸土、沙、羊粪和3种本土草籽（披碱草、菵草、赖草、白草及青海鹅观草中的3种）组成的混合物中（沙:土:羊粪=100:5:1，保水调温材料的加入量为混合物质量的1.5%）。混合均匀后，装入80 cm•100 cm麻袋，将麻袋放置在风蚀坑中，麻袋间距2 m，每3个麻袋呈三角形排布。麻袋中的土、沙、羊粪、牧草种子混合物中加入保水调温材料后，持水率可提高25%，麻袋内部温度比附近沙中温度平均高1~2 ℃，在3~ 13 ℃的环境温度中，经过15天3种本地牧草发芽，而种植在麻袋附近风蚀坑沙中的相同草籽则没有发芽。

Claims (7)

1.一种用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料的制备方法，是将至少两种有机相变储能材料于70~100℃下反应1~8 h，超声使其在强化传质分散作用下动态均匀混合，自然降温后得到低共熔物；将低共熔物与含黄土的高分子保水材料以1:1~1:5的质量比充分混合，加入自来水于室温下搅拌，即得用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料；所述有机相变储能材料为硬脂酸、软脂酸、肉豆蔻酸、月桂酸、聚乙二醇、棕榈酸；
所述含黄土的高分子保水材料是由高分子保水材料与黄土复配得到，其中黄土的质量分数为0.4~0.6%；
所述高分子保水材料为2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸接枝共聚羧甲基纤维素、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸接枝共聚黄原胶、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸接枝共聚亚麻胶、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸接枝共聚沙蒿胶、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸接枝共聚田菁胶中的至少一种。
2.如权利要求1所述一种用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料的制备方法，其特征在于：所述至少两种有机相变储能材料的质量相同。
3.如权利要求1所述一种用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料的制备方法，其特征在于：所述超声是在45~55℃下超声85~95s。
4.如权利要求1所述一种用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料的制备方法，其特征在于：所述搅拌时间为1~5 h。
5.如权利要求1所述方法制备的用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料的应用，其特征在于：将保水调温材料加入到土、沙、羊粪和牧草种子混合物中混匀，装入麻袋，放入风蚀坑中。
6.如权利要求5所述用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料的应用，其特征在于：所述沙、土、羊粪的质量比为100:5:1。
7.如权利要求5所述用于风蚀坑牧草种植的保水调温材料的应用，其特征在于：所述保水调温材料的加入量为土、沙、羊粪和牧草种子混合物质量的1.5~2.5%。
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