专利名称：基于疏浚底泥的植生性基质及裸露坡面的生态修复方法
技术领域：
本发明属于环境生态修复及废弃物资源化利用领域，具体涉及一种基于富营养化水体疏浚淤泥的植生性基质，以及该基质应用于裸露坡面修复中植物基质的构建方法。
背景技术：
由于矿物的探取、石料的开采和道路的修建等一系列开发利用活动，一些山体和陡坡形成了创面，其中大多以裸露坡面的形式存在或遗存。这些遗存的坡面不仅影响了自然景观，更重要的是破坏了地表生态系统的连续性、破坏了土著生物赖以生存的栖息地。另外，由于裸露增加岩石风化和的水土流失机会，这对于控制面源污染物(如磷)流失的地区， 将加大了污染物产生的负荷和水土污染风险。富营养化已是人类活动给地表水体带来的最大影响问题之一。人类对地表的营造，特别是矿山开采活动，使得地表形成裸露，其中对水土流失贡献最大的是裸露的坡面。 已有研究发现，在我国巢湖流域北部，裸露坡面的所形成的颗粒物单位流失量是其他生态类型地表的4 1000倍。对于富磷地质区，由于磷矿或矿石的粗放式开采将会形成高磷含量颗粒物的大量流失，对汇水水体(如湖泊、水库等)的富营养化形成不容忽视的贡献。另外，对于泥石混杂的不稳定裸露山体，由于高落差水力冲刷和风力的侵蚀，所形成的水土流失严重时还可能导致山体的滑坡，对生命和财产安全造成潜在的威胁。在一些开采强度大的地区，山体的疮痍还会造成景观缺陷、小气候变迁等诸多负面效应。以上这些裸露坡面的负面问题都是与坡面上缺少适生的植物或植物覆盖程度有关，显然，如果对于这些裸露坡面采用适当的植物修复手段，将可一定程度上减少水土流失、改善生态景观。裸露坡面缺乏植物生长，其最主要的原因就是缺乏适合植物生长的基质。植物能够生长必须依赖于其根部对土壤基质的着生以及吸收基质中的水分和营养物等提供植物组织生长。裸露坡面上一般没有严格意义上的植物生长基质，完全依赖自然作用(如大气干湿沉降)形成基质将极其漫长，因此需要人为植入或覆盖形成。基质的人为来源大致有两种，即客土移入和人工配制覆盖。目前，绝大多数矿山复绿工程的基质都是取用修复区附近的客土，这些客土多为农田的耕作层土壤。对于那些未经人类耕作的客土则还需要添加泥炭和氮磷等物质以提高基质的肥力。由于土壤耕作层的形成需要投入人类相对长期的劳动，实际上土壤耕作层是累积了人类劳动的一种资源。虽然耕作层土壤可很好地修复了裸露坡面，但这可能会以降低耕地的质量作为代价。由于裸露坡面的生态修复对基质材料的需求量是极为可观的，这种对土壤耕作层资源侵占所形成的成本，无疑是该修复方法的瓶颈问题。另一种方法人工配制法，就是通过人工的方法获得具有耕作层土壤性质的基质。 由于裸露坡面多为裸石、土石混杂，再加上营养含量相对贫瘠，因此这种适合植物生长的基质，必须能够适合植物根部着生、提供营养和水分，以及对裸露坡面具有一定粘附性能。实际上，在矿山复绿和坡面修复中，如何考虑资源节约问题，如何找到替代土壤耕作层的方法一直是人们解决这一瓶颈问题的主要努力方向。先后出现了采用市政污泥用于修复基质有
3机质的案例等，但多因市政污泥含有有毒有害物质而造成环境的二次污染等问题，并未得到实际应用。另一方面，富营养化使得一些水体(如池塘、河道、湖泊和水库等)产生水质恶化现象。很长一段时间，人们都是通过罱泥的方法将这些肥水水体中的底泥取出，一方面以获取富含营养物的底泥作为施用于农田的肥料；另一方面则也改善了水体水质。但由于化肥的使用，这种罱泥活动已逐渐停止，底泥在水底越积越厚，进而因氮磷从底泥中释放，促进了水体富营养化。自20世纪70年代中期起，为水质改善目的，美日等国开始了对污染湖泊、 水库和河道采用疏浚的方式进行大规模整治，其中针对富营养化水体而实施的底泥疏浚工程数量最多。我国大约自20世纪90年代起开展富营养化湖泊和河流的疏浚工程，1998 2010年间，疏浚的富含营养物的底泥量达到近1亿多m3，其中来自湖泊的污染底泥约7000 多万m3，已成为世界上环保疏浚量最大的国家。在底泥的处理和处置方面，由于弃用和造林造地，不仅占用沿湖土地多，而且使得土地的价值降低。也有利用水泥、粉煤灰、石膏配合疏浚底泥制作固化材料的资源化方法。 然而固化处理价格昂贵，2009年太湖地区处理Im3疏浚底泥就需要40元，超过疏浚Im3的费用，使得这种方法难以在一般地区推广。从富营养化湖泊疏浚底泥的特性来看，其之所以污染，主要是因为其中氮、磷等生源要素含量较高，而有毒有害物质(如重金属和持久性有机污染物)含量实际都相对较低，处于可接受的环境风险水平。富营养化水体的底泥中除有机质含量一般低于耕作层土壤外，其氮磷含量均接近后者，在一些重富营养化河口和湖湾， 速效氮磷的含量甚至超过表层土壤。显然，富营养化水体底泥中较高的营养物质含量为其基质化开发提供了极大的可能。底泥多为以粉砂和粘土为主的岩性材料，系来自流域的土壤流失，因此其主要物理性质与土壤相近。另一方面，由于长期与富营养化水体接触和对水体中营养物的吸收以至达到平衡，使其本身也富含营养物，因此利用上述性质，可对疏浚底泥进行土质化改造， 为养分贫瘠的裸露坡面提供植物生长的适生性基质。除此之外，依据土质的干湿程度和坡面的陡峭程度不同，植物对基质的涵水性和在裸露面上的粘附性也有一定要求。一定的辅材是基质化所需要的，添加辅材可使得基质具有抗剪切力，适当的孔隙率和含水性，提供必要的碳源及调节系统PH以适应植物生长等等。本发明正是基于疏浚底泥具有类似土壤的特征，充分利用其具有的高氮磷肥力， 以及可以添加辅助材料使其植物的适生性得到改良的特点，将疏浚底泥资源化利用，将其改造成裸露坡面的植生性基质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于疏浚底泥的植生粘附基质及其在裸露坡面生态修复中的应用，一方面为裸露的山体坡面生态修复提供一种成本较为低廉、材料易得、制作方法简单的植生性基质，另一方面本发明同时是一种疏浚底泥的资源化利用方法，能解决疏浚底泥处理处置中存在的诸多问题。本发明的植生性基质，是将营养物富集的湖泊、水库和河道的疏浚底泥作为主要成份，添加一定比例的植物秸秆、硅酸盐水泥和草木灰混合而成，是一种粘附性好、可应用于山体裸露坡面生态修复的植生性基质。疏浚底泥本身已富含氮、磷等营养元素，加入易分
4解的作物秸秆和草木灰，以提供疏浚底泥中相对缺乏的有机碳和钾等植物所需量元素，满足植物发芽和生长所需的营养供给。同时，采用秸秆还可使相对密实的疏浚底泥的孔隙率增加，在其分解过程中产生的有机酸可以一定程度改善硅酸盐水泥造成的基质PH偏高问题。在实际应用中，还可以同时加入少量有机肥或缓释肥、保水剂等材料，加入少量有机肥 /缓释肥和保水剂，将使得所施肥及肥效和水分的供应得以延长，利于植物的萌发和生长。实现本发明采用如下的技术方案
一种基于疏浚底泥的植生性基质，其特征在于采用疏浚底泥作为骨料，包含植物秸秆、草木灰和硅酸盐水泥。所述的植生性基质还可以包含有机肥或缓释肥。所述的植生性基质还可以包含保水剂。本发明提出的基于疏浚底泥的坡面植生性粘附基质，为多种材料按一定比例均勻混合而成的组合物，具体包括如下组分(百分数为体积百分比)
疏浚底泥60 70% 植物秸秆10 20% 草木灰5 10% 硅酸盐水泥5 10% 有机肥或缓释肥0 10% 保水剂(Tl50g/m3。本发明所述的坡面植生粘附基质是由各组分按比例均勻混合而成。基质混合过程中是否添加水份取决于坡面修复实施工艺。所述的疏浚底泥为来自于富营养状态的淡水湖泊、水库或河道的底泥，这些底泥多以粉砂和粘土为主，可进行土质化改造，且含有较高含量的氮磷等营养物而满足植物对基质中氮磷吸收的需要。本发明采用的疏浚底泥在使用前宜首先测定营养盐、有毒有害物质的含量。有毒有害物质含量符合环境要求的疏浚底泥方可用于本发明的基质配比。为达到均勻混合的目的，疏浚底泥于排放堆场采集后可先进行风干，含水率< 15%，后通过土壤破碎机等设备进行机械破碎，破碎后的疏浚底泥颗粒粒径宜小于4 mm。所述的植物秸秆可为稻草秸秆、小麦秸秆及其它农作物植物残体。植物秸秆在基质配比中的作用有(1)在坡面修复的初期，通过宏观层面的架桥连结作用，提高植生基质的抗剪切力，减轻其因各配比组分颗粒松散而易受侵蚀的风险；(2)为植物的种子萌发和植株生长提供必要的孔隙率，并能够保持较适宜的基质含水率，添加10%秸杆后可使基质含水率较稳定地保持在30%左右，而仅使用疏浚底泥和/或水泥配比的基质其含水率极易降至20%以下；(3)为植物生长、土壤微生态系统提供必要的有机碳源；(4)秸秆降解过程中产生的有机酸可缓解修复初期添加硅酸盐水泥粘结剂所导致的PH偏高现象。如表1所示，添加植物秸秆可有效降低基质的PH，含10%水泥基质的pH值从开始的8. 5左右在15日内降至7.2左右。进行基质配制时，宜将植物秸秆破碎成约3 cm长的片段。表1不同添加物对基质pH值影响
权利要求
1.一种基于疏浚底泥的植生性基质，其特征在于采用疏浚底泥作为骨料，包含植物秸秆、草木灰和硅酸盐水泥。
2.根据权利要求1所述的植生性基质，其特征在于所述的植生性基质包含有机肥或缓释肥。
3.根据权利要求1所述的植生性基质，其特征在于所述的植生性基质包含保水剂。
4.根据权利要求1所述的植生性基质，其特征在于所述的植生性基质包括如下组分疏浚底泥60 70%植物秸秆10 20%草木灰5 10%硅酸盐水泥5 10%有机肥或缓释肥0 10%保水剂(Tl50g/m3上述百分数为体积百分比。
5.根据权利要求1所述的植生性基质，其特征在于所述的疏浚底泥为来自于富营养状态的淡水湖泊、水库或河道的底泥。
6.根据权利要求1所述的植生性基质，其特征在于所述的疏浚底泥含水率<15%，颗粒粒径小于4 mm。
7.根据权利要求1所述的植生性基质，其特征在于所述的植物秸秆破碎成约3cm长的片段。
8.一种利用权利要求1所述的植生性基质进行裸露坡面生态修复的方法，其特征在于采用湿式喷浆工艺在裸露坡面进行植生性基质喷浆作业，基质喷浆分两层进行，其中第一层喷浆基质中不添加植物种子，厚度不小于5cm，为植物根系生长的营养基质；第二层喷浆基质厚度约5cm，为植物播种层，在基质中加入植物种子。
9.根据权利要求8所述的裸露坡面生态修复的方法，其特征在于所述的播种层中，植物种子的添加量为700g/m3。
10.根据权利要求8所述的裸露坡面生态修复的方法，其特征在于所述的方法包括以下步骤(1)坡面平整清理裸露坡面残留的碎石、杂物，机械整理后压实成较为平整或虽有起伏但适合构建基质层的坡面；(2)固着金属丝网在整理完毕的坡面上，铺设镀锌铁丝网，铁丝网通过铁制锚杆进行固定；(3)疏浚底泥准备疏浚底泥于排放堆场风干后，通过土壤破碎机进行机械破碎；(4)底层基质喷覆将基质组分按照比例置于搅拌机内充分混勻，利用湿式喷浆系统喷射至坡面，形成一层潮湿的粘附基质层；(5)三维植被网铺设第一层粘附基质表面稍干后，在第一层基质层上方铺设三维植被网，三维植被网通过开叉竹签固定；(6)表层基质喷覆将基质组分按照比例置于搅拌机内，加入植物种子后充分搅拌混合均勻，利用湿式喷浆系统将基质喷射至三维植被网孔内，直至基质完全填充三维植被网孔， 形成植被播种层。
全文摘要
本发明利用富营养河湖等水体的疏浚淤泥作为骨料，添加植物秸秆、草木灰、普通硅酸盐水泥、有机肥、缓释肥、保水剂等，均匀混合形成具有一定粘附性能的裸露坡面植物适生性基质。所述的植生性基质采用湿式喷浆工艺分两层进行基质喷浆，用于裸露山体坡面进行植物修复，可在短期内形成新的植被覆盖层。将疏浚底泥进行基质化利用，控制水土流失，不仅减少了坡面修复中对黏土资源的依赖和修复成本，而且以资源化方式解决了疏浚底泥的处置，具有较高的环境、生态和经济效益。
文档编号E02D17/20GK102229485SQ201110090030
公开日2011年11月2日 申请日期2011年4月12日 优先权日2011年4月12日
发明者周麒麟, 王兆德, 范成新 申请人:中国科学院南京地理与湖泊研究所