一种缓渗沙体及其制备方法和应用与流程

本发明涉及沙漠化治理领域，尤其涉及一种缓渗沙体及其制备方法和应用。

背景技术：

荒漠化是全世界共同面对的重大环境问题之一。据统计，全球荒漠化土地面积约为3600万平方公里，几乎等于俄罗斯、中国和美国国土面积的总和，约占地球陆地面积的1/4。全世界100多个国家和地区共有约12亿人口受到荒漠化的直接威胁，每年由于荒漠化造成的经济损失高达423亿美元，而且受全球气候变化和人类活动的影响，荒漠化仍以5至7万km²/年的速度继续扩张，近20年来，每年荒漠化吞噬掉的土地面积相当于美国可耕地面积的总和。土地荒漠化引发了沙漠地区居民流离失所、人民生活日益贫困、经济社会发展严重滞后等一系列问题，迫使人类社会面临严峻挑战。

中国是世界上沙漠化最严重、水资源最匮乏的国家之一，据统计资料显示，全国荒漠化面积达262.2万平方公里，其中沙化土地面积173.0万平方公里，分别为我国国土总面积的27.0％和18.0％，涉及西北大部、华北北部和东北西部的18个省区市，有4亿人口常年饱受风沙危害。到2020年，我国计划对50.0％以上可治理的沙化土地实施治理，到2050年实现可治理的沙化土地全部治理完毕。

沙漠化治理现已成为全球聚焦热点。目前常见的治理方法主要有：工程治沙、化学固沙和植物治沙。工程治沙是通过建立草方格、石方格、塑料方格等沙障和挡风墙、沙栅栏等障碍物来减弱流沙的移动；化学固沙是指在风沙危害地区，利用化学材料与工艺，对易产生沙害的沙丘或沙质地表建造一层能够防止风力吹扬又具有保持水分和改良沙地性质的固结层；植物治沙是利用能适应流沙环境的植物来恢复和建立沙漠植被层。不过从实施后的效果来看，上述方法均不能有效促进沙体逐步进入类土壤环境的正向循环。

cn103650692a公开了一种适合高风蚀、水蚀地区的沙地改良方法，步骤如下：将各种富含细菌的污泥，各种富含放线菌和真菌的陈腐秸秆或森林凋落物粉末或林地土壤，以及有机絮凝剂分别常温干燥后混合形成混合物，保存；将当地粘土矿物、风化煤或腐殖土，以及混合物加水充分搅拌，再掺加交联剂的水溶液进行常温交联，形成絮凝状混合物，最后破碎成为微生物/微生物培养基团簇的颗粒；将微生物/微生物培养基团簇颗粒、植物秸秆、含固氮菌的土壤混合，与沙地一起翻耕，每亩沙地泼洒5-50公斤的淀粉或糖蜜的水溶液进行微生物复壮激活即可，但该发明无法解决植物发芽幼苗期的防风问题。cn103304313a公开了一种缓释有机肥的制备，有机肥由有机肥和所述的保水缓控释载体组成，以干重计所述保水缓控释载体占所述有机肥重量的2-8％，所述保水缓控释有机肥由丙烯酸和/或丙烯酸衍生物，与含有纤维素的烟梗渣以接枝的方式形成聚合物而成，所述丙烯酸衍生物包括丙烯酰胺或丙烯酸钠，该发明仅仅提供了一种有机肥，在沙漠治理过程中仍面临诸多难题。cn103348831a公开了一种改性沙体，由能溶于水的固态有机物质溶于水形成具有粘结性及粘附性的溶液与沙拌合后形成；水分蒸发后，其中的能溶于水的固态有机物质能够粘结沙粒且遇水后能够再次溶解于水中而形成具有粘结性和粘附性的溶液而粘连沙粒。cn104322312a公开了一种沙漠地区固沙植生结构，包括：固化层，所述固化层至少包括固沙剂，将所述固沙剂成型于松散的沙丘表面形成胶结物，获得所述固化层；水肥保持层，所述水肥保持层至少包括粘土、肥料、保水剂和固沙剂；将所述粘土、肥料、保水剂和固沙剂混合后成型于所述固化层上形成所述水肥保持层；多孔生长层，所述多孔生长层至少包括砾石、秸秆纤维和固沙剂；将所述砾石、秸秆纤维和固沙剂混合后成型于所述水肥保持层上形成所述多孔生长层。cn101313645公开了一种用于沙漠土壤改良的活性基质——植物系统技术，所采用的技术方案是：首先收集周边地区的农业作物秸秆等农业废物，通过微生物预处理——真菌(蘑菇)处理——蚯蚓处理过程，将秸秆转化为活性基质，然后利用活性基质在沙漠土壤中种植植物，产出的植物生物量部分或全部就地预处理后返回植物种植基质中，建立活性基质—植物—活性基质循环系统，但该发明仅提供了活性基质，方案过于简略，效果不佳。

综上所述，现有技术对于沙漠治理以及沙体改良以便促进植物生长的方案均存在各种缺点，治理效果不甚理想，因此，提供一种高效治理沙漠化的方法具有重大意义。

技术实现要素：

针对现有技术的不足及实际的需求，本发明提供一种缓渗沙体及其制备方法和应用，本发明通过制备复合蓄水材料、第一和第二植物纤维毯层，合理优化各层的组分和配比，并组装搭配成缓渗沙体，各层协同增效，达到高效蓄水固根育肥的作用，有助于沙体逐步进入类土壤环境的正向循环，利于植物在其中稳定生长，并进一步防风固沙，促进沙体改良，在沙漠化治理过程中发挥卓越性能。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种缓渗沙体，所述缓渗沙体自上而下包括：第一植物纤维毯层1、包含复合蓄水材料的沙层2和包含营养层301的第二植物纤维毯层3；

其中，所述营养层301包含纤维素和复合肥料，所述复合蓄水材料包含保水剂和复合肥料。

本发明中，发明人在充分调研沙漠治理的现状与难题后，基于沙漠种植植物过程中存在的风沙大、肥料少、沙子松散、水分缺失等问题，结合多领域多手段的方案，提出一种多层结构的缓渗沙体，制备高效的复合蓄水材料和植物纤维毯层，保水增肥固根，优化保水剂和复合肥料的配比，搭建固根的植物纤维，各层协同增效，全方位解决沙漠种植植物的诸多难题。

优选地，所述缓渗沙体的高度为25-35cm，例如可以是25cm、26cm、27cm、28cm、29cm、30cm、32cm、34cm或35cm，优选为28-32cm。

优选地，所述第二植物纤维毯层3自上而下包括：植物纤维层301、第一可降解垫纸层302、营养层303和第二可降解垫纸层304。

本发明中，所述第二植物纤维毯层3的作用：对沙土进行初期育肥；纤维素可初步形成一个封水层；此外，植物生长后期，椰棕纤维等对根系有稳固作用。

优选地，所述第二植物纤维毯层3的植物纤维层301包括稻草秸秆、麦草秸秆和椰丝的组合，稻草秸秆、麦草秸秆或椰丝中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是稻草秸秆、麦草秸秆和椰丝的组合，稻草秸秆和椰丝的组合或麦草秸秆和椰丝的组合，优选为麦草秸秆和椰丝的组合。

优选地，所述麦草秸秆和椰丝的重量比为(3-6):1，例如可以是3:1、4:1、5:1或6:1，优选为(4-5):1。

优选地，所述营养层303的纤维素包括食品级聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠、改性海藻粉中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是食品级聚丙烯酸钠和羟甲基纤维素钠的组合，食品级聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠和改性海藻粉的组合，改性海藻粉和羟甲基纤维素钠的组合或食品级聚丙烯酸钠和改性海藻粉的组合。

优选地，所述营养层303的复合肥料包括磷酸二铵、磷酸一铵、硝酸磷肥、硝酸钾和磷酸二氢钾中的至少两种的组合，例如可以是磷酸二铵和硝酸磷肥的组合，硝酸钾和硝酸二氢钾的组合或磷酸一铵和硝酸钾的组合，磷酸二铵、硝酸钾和磷酸二氢钾的组合。

优选地，所述纤维素的用量为每亩150-250kg，例如可以是150kg、160kg、180kg、190kg、200kg、210kg、240kg或250kg，优选为每亩180-200kg。

优选地，所述第一植物纤维毯层1自上而下包括第一麻网层101、植物纤维层102和第二麻网层103。

本发明中，所述第一植物纤维毯层1的作用：防风固沙，降低蒸腾，透气，降低表面温度，提高植物发芽率；后期秸秆持续降解，可提供肥力，促进微生物系统建立；椰丝等继续起到稳固防护作用。

优选地，所述第一植物纤维毯层1的植物纤维层102包括稻草秸秆、麦草秸秆或椰丝中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是稻草秸秆、麦草秸秆和椰丝的组合，稻草秸秆和椰丝的组合或麦草秸秆和椰丝的组合，优选为麦草秸秆和椰丝的组合。

优选地，所述植物纤维层102的麦秸秆和椰丝的比例为(4-7):5，例如可以是4:5、5:5、6:5或7:5，优选为(5-6):5。

优选地，所述复合蓄水材料按重量份数包括：6-10份的聚乙烯醇、10-15份的淀粉、6-12份的吸水材料、18-22份的复合肥料和2-3份的交联剂。

所述聚乙烯醇的重量份数例如可以是6份、7份、8份、9份或10份。

所述淀粉的重量份数例如可以是10份、11份、12份、13份、14份或15份。

所述吸水材料的重量份数例如可以是6份、7份、8份、9份、10份、11份或12份。

所述复合肥料的重量份数例如可以是18份、19份、20份、21份或22份。

优选地，所述淀粉包括玉米淀粉、小麦淀粉或木薯淀粉中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是玉米淀粉和小麦淀粉的组合，小麦淀粉和木薯淀粉的组合，优选为玉米淀粉。

优选地，所述吸水材料包括丙烯酰胺、丙烯酸钾、交联聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠、改性海藻粉等中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是丙烯酰胺和丙烯酸钾的组合，聚丙烯酸钠和改性海藻粉的组合，交联聚丙烯酸钠和羧甲基纤维素钠的组合，优选为丙烯酰胺和丙烯酸钾的组合。

优选地，所述复合肥料包括磷酸二铵、磷酸一铵、硝酸磷肥、硝酸钾和磷酸二氢钾中的至少两种的组合例如可以是磷酸二铵和硝酸磷肥的组合，硝酸钾和硝酸二氢钾的组合或磷酸一铵和硝酸钾的组合，磷酸二铵、硝酸钾和磷酸二氢钾的组合。

优选地，所述复合蓄水材料还包括交联剂、膨润土和强度改良剂等其他助剂。

所述交联剂主要为醛类物质，如甲醛、乙醛或丙醛等。

所述强度改良剂选自但不限于：硅藻土、高岭土、凹凸棒土中的一种或至少两种的混合物。

所述其他助剂还包括表面活性剂、催化剂等。

本发明中，复合蓄水材料的具体制备方法包括如下步骤：

a)将6-10份的的聚乙烯醇、10-15份的淀粉与适量去离子水混合加热至50-70℃，搅拌30-40min，至混合物料完全溶解分散后，再加入交联剂，继续搅拌分散1-2h，制成包膜；

b)将6-12份的吸水材料、18-22份的复合肥料和5-8份的膨润土及强度改良剂等其他助剂机械共混造粒，粒径为1.8-2.2mm；

c)将步骤a)得到的产物对步骤b)得到的产物进行涂膜、干燥、冷却、成型得到复合蓄水材料。

所述加热的温度例如可以是50℃、55℃、60℃、65℃或70℃。

所述搅拌的时间例如可以是30min、32min、34min、35min、38min或40min。

所述搅拌分散的时间例如可以是1h、1.5h或2h。

所述粒径例如可以是1.8mm、1.9mm、1.0mm、2.1mm或2.2mm，优选为2mm。

优选地，所述复合蓄水材料的用量为每100g沙子中添加0.4-0.8g，例如可以是0.4g、0.5g、0.6g、0.7g或0.8g，优选为0.5-0.7g。

第二方面，本发明提供一种制备如第一方面所述缓渗沙体的方法，包括如下步骤：

(1)挖沙并翻地；

(2)铺设第二植物纤维毯层3，浇灌底层；

(3)将挖出的沙子中混入复合蓄水材料后回填翻地；

(4)播种植物，铺设第一植物纤维毯层1并浇透水。

第三方面，本发明提供一种如第一方面所述的缓渗沙体用于沙漠治理。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明提供的缓渗沙体构造精巧，通过对纤维毯和复合蓄水材料的优化，实现各层分工明确，组分及搭配科学合理，在沙漠化治理过程中协同增效，可有效提高沙体的蓄水性能，增强沙粒间的作用力，并可在植物发芽初期起到抗风、保水、保肥作用；

(2)本发明提供的制备方法简洁高效，便于操作和推广，为沙漠化治理提供有效手段。

附图说明

图1是本发明实施例1的缓渗沙体结构图，其中1为第一植物纤维毯层，2为包含复合蓄水材料的沙层，3为第二植物纤维毯层，4为沙漠普通沙子；

图2是本发明实施例1的第一植物毯层结构图，其中101为第一麻网层，102为植物纤维层，103为第二麻网层；

图3是本发明实施例1的第二植物毯层结构图，其中301为植物纤维层，302为第一可降解垫纸层，303为营养层，304为第二可降解垫纸层。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案，但本发明并非局限在实施例范围内。

实施例1

缓渗沙体的制备方法，包括如下步骤：

(1)挖沙并翻地；

(2)铺设第二植物纤维毯层3，浇灌底层；

(3)将挖出的沙子中混入复合蓄水材料后回填翻地；

(4)播种植物，铺设第一植物纤维毯层1并浇透水；

制备得到的缓渗沙体如图1所示，其中包含第一植物纤维毯层1、包含复合蓄水材料的沙层2和第二植物纤维毯层3；所述缓渗沙体的高度为30cm。

其中，第一植物纤维毯层1的结构如图2所示，101为第一麻网层，102为植物纤维层，103为第二麻网层；第一植物纤维毯层1的植物纤维层101为麦草秸秆和椰丝的组合，所述麦秸秆和椰丝的重量比为5:5；

第二植物纤维毯层3的结构如图3所示，301为植物纤维层，302为第一可降解垫纸层，303为营养层，304为第二可降解垫纸层；第二植物纤维毯层3的植物纤维层301为麦草秸秆和椰丝的组合，麦草秸秆和椰丝的重量比为4:1；

其中，纤维素的用量为每亩200kg；

复合蓄水材料的工制备方法包括如下步骤：

a)将8份的的聚乙烯醇、12份的淀粉与适量去离子水混合加热至60℃，搅拌35min，至混合物料完全溶解分散后，再加入交联剂，继续搅拌分散1.5h，制成包膜；

b)将10份的吸水材料、20份的复合肥料和6份的膨润土及强度改良剂等其他助剂机械共混造粒，粒径为2mm；

c)将步骤a)和步骤b)得到的产物涂膜、干燥、冷却、成型得到复合蓄水材料；

复合蓄水材料的用量为每100g沙子添加0.6g。

实施例2

缓渗沙体的制备方法，包括如下步骤：

(1)挖沙并翻地；

(2)铺设第二植物纤维毯层3，浇灌底层；

(3)将挖出的沙子中混入复合蓄水材料后回填翻地；

(4)播种植物，铺设第一植物纤维毯层1并浇透水；

制备得到的缓渗沙体如图1所示，其中包含第一植物纤维毯层1、包含复合蓄水材料的沙层2和第二植物纤维毯层3；

其中，4为沙漠普通沙子；所述缓渗沙体的高度为25cm。

其中，第一植物纤维毯层1的结构如图2所示，101为第一麻网层，102为植物纤维，103为第二麻网层；第一植物纤维毯层1的植物纤维层102为麦草秸秆和椰丝的组合，麦秸秆和椰丝的比例为4:5；

第二植物纤维毯层3的结构如图3所示，301为植物纤维层，302为第一可降解垫纸层，303为营养层，304为第二可降解垫纸层；第二植物纤维毯层3的植物纤维层301为麦草秸秆和椰丝的组合，麦草秸秆和椰丝的重量比为3:1；

其中，纤维素的用量为每亩150kg；

复合蓄水材料的制备方法包括如下步骤：

a)将6份的的聚乙烯醇、10份的淀粉与适量去离子水混合加热至50℃，搅拌30min，至混合物料完全溶解分散后，再加入交联剂，继续搅拌分散1h，制成包膜；

b)将6份的吸水材料、18份的复合肥料和5份的膨润土及强度改良剂等其他助剂机械共混造粒，粒径为1.8mm；

c)将步骤a)和步骤b)得到的产物涂膜、干燥、冷却、成型得到复合蓄水材料；

复合蓄水材料的用量为每100g沙子添加0.4g。

实施例3

缓渗沙体的制备方法，包括如下步骤：

(1)挖沙并翻地；

(2)铺设第二植物纤维毯层，浇灌底层；

(3)将挖出的沙子中混入复合蓄水材料后回填翻地；

(4)播种植物，铺设第一植物纤维毯层并浇透水；

制备得到的缓渗沙体如图1所示，其中包含第一植物纤维毯层1、包含复合蓄水材料的沙层2和第二植物纤维毯层3；

所述缓渗沙体的高度为35cm。

其中，第一植物纤维毯层1的结构如图2所示，101为第一麻网层，102为植物纤维，103为第二麻网层；

第一植物纤维毯层1的植物纤维层102为麦草秸秆和椰丝的组合，麦秸秆和椰丝的比例为7:5；

第二植物纤维毯层3的结构如图3所示，301为植物纤维层，302为第一可降解垫纸层，303为营养层，304为第二可降解垫纸层；

第二植物纤维毯层3的植物纤维层为麦草秸秆和椰丝的组合，麦草秸秆和椰丝的重量比为6:1；

其中，纤维素的用量为每亩250kg；

复合蓄水材料的制备方法包括如下步骤：

a)将10份的的聚乙烯醇、15份的淀粉与适量去离子水混合加热至70℃，搅拌40min，至混合物料完全溶解分散后，再加入交联剂，继续搅拌分散1-2h，制成包膜；

b)将12份的吸水材料、22份的复合肥料和8份的膨润土及强度改良剂等其他助剂机械共混造粒，粒径为2.2mm；

c)将步骤a)和步骤b)得到的产物涂膜、干燥、冷却、成型得到复合蓄水材料；

复合蓄水材料的用量为每100g沙子添加0.7g。

对比例1

与实施例1相比，除缺少第一植物纤维毯层1外，其他条件与实施例1相同。

对比例2

与实施例1相比，除缺少第二植物纤维毯层3外，其他条件与实施例1相同。

对比例3

与实施例1相比，除缺少包含复合蓄水材料的沙层2外，其他条件与实施例1相同。

对比例4

与实施例1相比，除缓渗沙体的厚度改为20cm外，其他条件与实施例1相同。

对比例5

与实施例1相比，除将复合蓄水材料更换为单一保水剂交联聚丙烯酸钠外，其他条件与实施例1相同。

对比例6

与实施例1相比，除将第二植物纤维毯层中的营养层303去掉外，其他条件与实施例1相同。

对比例7

与实施例1相比，除将第一和第二纤维毯层中的植物纤维更换为重量比为1:8的椰丝和稻草秸秆外，其他条件与实施例1相同。

对比例8

不含有缓渗沙体的沙漠普通沙子。

实验测试

将实施例和对比例制备得到的沙体播种青草种子并浇水，观察生长状态并统计发芽率、沙体保水率、生长周期、菌丝萌生率和根系长度，结果见表1；

由表1可知，实施例1-3按照本发明提供的方案及范围制备得到的缓渗沙体中的植物生长状态良好，植株矮壮，根系长度达到30mm，生命周期长，沙体保水率较高，构建了便于萌生菌丝的生态微环境，其中，实施例1的缓渗沙体效果最好，发芽率高达92％，保水率达到70％，生命周期高达半年，而对比例1缺少第一植物纤维毯层，对比例2缺少了第二植物纤维毯层，对比例3缺少了包含蓄水材料的沙层，对比例1-3制备的缓渗沙体的植物生长状态比实施例1的植物状态差，表明本发明提供的缓渗沙体的三种组分缺一不可；而对比例4中缓渗沙体的高度过低，对比例5不采用本发明提供的复合蓄水材料，对比例6的第二植物纤维毯层中不含有营养层，对比例7中植物纤维的配方不按照本发明提供的方案，对比例4-7的缓渗沙体没有采用本发明的相关参数及条件，种植植物的生长状态均不理想，发芽率低，生长周期短，不利于植物生长，表明本发明优化缓渗沙体各组分的配比和制备工艺条件，协同增效得到卓越的效果。

综上所述，本发明提供的缓渗沙体通过制备复合蓄水材料、第一和第二植物纤维毯层，合理优化各层的组分和配比，实现各层分工明确，构造精巧，组分及搭配科学合理，在沙漠化治理过程中协同增效，可有效提高沙体的蓄水性能，增强沙粒间的作用力，达到高效蓄水固根育肥的作用，并可在植物发芽初期起到抗风、保水、保肥作用，有助于沙体逐步进入类土壤环境的正向循环，利于植物在其中稳定生长，并进一步防风固沙，促进沙体改良，在沙漠化治理过程中发挥卓越性能。本发明提供的制备方法简洁高效，便于操作和推广，为沙漠化治理提供有效手段。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。