技术领域
本发明涉及环境保护领域，特别涉及一种防侵蚀纤维喷播剂及其制备方法和应用。
背景技术
当前，随着我国经济、现代化社会的高速发展，企业如雨后春笋般的不断扩增，能源需求激增，然而我国工业化程度低，人们只注重眼前利益而忽视长远利益，重视经济而忽视生态，以损害环境为代价换取经济的发展；另一方面，各地区的不断开展公路建设、矿山开采、水利发电工程建设等基础建设，然而这些基础工程建设，需要在边坡、土地开挖，造成很多裸露的边坡和土地，经过长期的日晒雨淋，使得这些坡面和土地的水土流失严重，保水能力低下，不具备植物生长所需的土壤条件及养分条件，难以维持植物生长。因此，保护土壤防侵蚀和植被恢复是当前环境保护工作的重要问题。
现有技术的解决方案有两类，一类是撒草籽依赖自然恢复。但是在生态环境脆弱的高原地区，自然生态一旦破坏，依靠自然生长无法恢复。自然植被形成前，水土极易大量流失，形成冲沟，种子也会被流水冲走；即使在林芝地区、雨水充沛的条件下，进行人工播种后，依靠自然生长也很难恢复。
另一类是格构梁、浆砌石和喷浆等，但现有技术存在以下不足：1、不美观，无法与周围环境融合；2、开山采石，破坏生态环境；3、消耗大量水泥，排放二氧化碳；4、工程方案不稳固。因此，研发一种效果更好、更环保的防侵蚀、植被恢复方法是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明公开了一种防侵蚀纤维喷播剂及其制备方法和应用，所述防侵蚀纤维喷播剂具有良好的发芽成坪效果、良好的防侵蚀有效性和长达18个月的持效期。
本发明采用的技术方案如下：
本发明公开了一种防侵蚀纤维喷播剂，所述防侵蚀纤维喷播剂按重量份计包括以下质量比的组分：
其中，作为优选，所述木纤维为经过热处理的木纤维，是木材和纸张的混合物高温蒸煮提取后经过200℃加热所得。经过热处理的木纤维更轻更细，单位重量可覆盖更大面积，保水和粘合性能更优越，且经过无菌处理，消除了杂草种子和病原体。
作为优选，所述保水剂为聚丙烯酰胺。本发明发现，聚丙烯酰胺使用在危险坡上具有调节土壤水分、改良土壤和提高土壤养分的作用。较其他化学保水剂相比，聚丙烯酰胺在土壤中的使用有效期更长。且聚丙烯酰胺无毒无害，反复释水、吸水，其高吸水性，能为种子提供萌发所需水分，并在植物生长后期调节植物生长所需的水环境。
作为优选，所述人造互锁纤维是由天然可降解高分子化合物及其衍生物溶解后纺丝加工所得。
进一步的，天然可降解高分子化合物及其衍生物具体为木材、竹子、椰壳、海藻、秸秆和芒草属植物。
本发明发现通过木材、竹子、椰壳、海藻、秸秆、芒草属植物加工制备得到的人造互锁纤维，可增加物理抗张强度，并缩短喷施后的愈合时间；此外，该人造互锁纤维还具有生产工艺简单、多孔、吸湿性好等特点。
作为优选，所述高分子聚合物是聚丙烯腈纤维，聚丙烯腈纤维为线性结晶聚合物，平均分子量较低。本发明发现将聚丙烯腈纤维添加到所述抗侵蚀纤维中能优化抗侵蚀纤维的持水保肥能力，提高粘附效果，这得益于聚丙烯腈纤维具有无毒无污染、不易形变、强度低、耐候性和耐日晒性好等特点。
作为优选，所述颗粒微孔基是一种多孔材料，包括粉料和速溶泡花碱混合制备而成。其中，所述速溶泡花碱为粉状速溶硅酸钠；所述粉料包括钢铁厂的水淬高炉矿渣、粉煤灰和硫酸钠混合而成；所述钢铁厂的水淬高炉矿渣占所述颗粒微孔基总重量的70％，粉煤灰占所述颗粒微孔基总重量的15％，硫酸钠(Na2SO4)占所述颗粒微孔基总重量的15％；速溶泡花碱为所述粉料的总重量的1％；所述粉料和速溶泡花碱混合后过100目筛。
其中，颗粒微孔基能大大提升了抗侵蚀纤维的空间稳定性和结构的强度，增加了抗侵蚀纤维的孔隙度，增大了抵抗雨水冲刷强度的同时可以保持更多的水分促进植物生长。所述颗粒微孔基的每个颗粒可以捕捉并保持水分和营养，减少土壤表面水分蒸发，改善氧气交换，增强植被培育效果。
作为优选，所述凹凸棒粉是一种层链状的粘土矿物，具有特殊纤维状结构，可以增强纤维间的粘结性，同时具有很强的吸附能力。
作为优选，所述壳聚糖是天然高分子聚合物，可生物降解，降解为优质的有机肥料供植物吸收，具有抗菌和改良土壤的作用。
作为优选，所述粘合剂是淀粉粘合剂，以玉米为原料，可天然降解，具有良好的稳定粘性和含水性能。
作为优选，所述高岭土是一种主要成分为高岭石的多孔性材料，易分散悬浮于水或其他溶液中，分散后可塑性、粘结性、离子吸附性以及抗酸碱腐蚀性均较强。高岭土可填补纤维间的空隙，提高纤维稳定性和增强其粘结性。
作为优选，所述染色剂为食品级染色剂。
更为优选的，所述染色剂选用绿色的食品级染色剂，为环保颜色，喷播时可作为有效覆盖和覆盖厚度的直观判定指标，减少施工区域重叠的风险。染色剂的寿命取决于紫外线，根据紫外线强弱，颜色3-7天内褪色。
此外，本发明提供了所述的防侵蚀纤维喷播剂的制备方法，包括以下步骤：将木纤维、保水剂、人造互锁纤维、高分子聚合物、颗粒微孔基、凹凸棒粉、壳聚糖、粘合剂及染色剂混合，制得所述防侵蚀纤维喷播剂。
本发明还公开了所述防侵蚀纤维喷播剂或所述制备方法制得的防侵蚀纤维喷播剂在环境修复和植被恢复中的应用。
进一步的，本发明还公开了所述防侵蚀纤维喷播剂的使用方法，包括以下步骤：
1)将植被种子、水和所述的防侵蚀纤维喷播剂混合制得浆液；
2)对步骤1)的浆液添加肥料，制成喷播液，并将喷播液进行喷播。
作为优选，所述肥料为缓释肥料。
进一步的，所述步骤1)前还包括：对喷播机的罐体和管线进行清洗和预湿。
进一步的，植被种子的选用当地优势植物的种子，植被种子的用量根据当地气候、地貌和植被最适密度来决定。
进一步的，所述步骤1)的水的用量为将植被种子和所述防侵蚀纤维喷播剂溶解至浆液状为宜。
作为优选，所述喷播剂为液压喷播机。
作为优选，所述防侵蚀纤维喷播剂的使用方法，具体包括以下步骤：
1、往液压喷播机罐体中加入1/3体积的水，打开搅拌泵15秒，清洗和预湿管线，然后关闭搅拌泵。
2、打开搅拌泵，将植被种子加入液压喷播机罐体的水中，植被种子用量为25～40g/m2。当植被种子的比重比较大时，植被种子用量可超过40g/m2。
3、继续向液压喷播机罐体中缓慢加水，同时将所述防侵蚀纤维喷播剂装入容器中，并进行搅拌。所述防侵蚀纤维喷播剂与水的比例为100kg/2000L。所述防侵蚀纤维喷播剂必须在注水完成3/4前装载完毕。
4、加水结束至罐体的3/4后继续搅拌混合，直到所有纤维完全溶解。继续加水至加满罐体，同时混合搅拌，直到所有纤维完全分解和水合(搅拌时间至少10分钟，在温度较低条件下时应增加搅拌时间)，以完全活化粘合添加剂及获得适当的粘度，制得浆液。
5、添加肥料，肥料用量根据市面复合肥的氮磷钾的含量计算得出，不高于20g/m2。控制肥料用量是为了使植被种子正常萌发并长出绿叶，让肥效维持在30天左右。
6、关闭再循环阀门，减少浆液中空气含量。
7、缓慢降低搅拌器搅拌速率，使搅拌速率不超过原速率的3/4，防止搅拌器过载并使浆液不在罐体内形成沉淀。
8、采用双向横向的喷播方式对所述浆液进行喷播。所述防侵蚀纤维喷播剂施用量为350-500g/m2，根据喷播地点的气候条件、基质状况调整用量。
其中，木纤维的提取：以木材和纸张为原料粉碎高温蒸煮成木浆提取纤维制成。
进一步的，木纤维的热处理：利用热处理工艺，在温度为200℃的条件下进行加热处理，消除了杂草种子和病原体。
进一步的，混合制备：将木纤维、保水剂、人造互锁纤维、高分子聚合物、颗粒微孔基、凹凸棒粉、壳聚糖、粘合剂、高岭土和染色剂按照特定比例混合，制得所述防侵蚀纤维喷播剂。
本发明公开的防侵蚀纤维喷播剂结合防侵蚀喷播技术使用，防侵蚀喷播是指将种子同所述防侵蚀纤维喷播剂混合进行喷播，在播种的同时，在土质边坡土壤表面形成一层有防侵蚀功能的覆盖物，起到固定土壤、保护种子和促进萌发的作用。以下为不同坡比与所述防侵蚀纤维喷播剂用量关系：
其中，边坡的坡比为坡面的垂直高度和水平宽度的比值。
进一步的，对所述防侵蚀纤维喷播剂进行防侵蚀试验和水土保持能力试验，试验结果显示相比于现有技术，本发明公开的防侵蚀纤维喷播剂具有更好的防侵蚀性能和水土保持能力。
对所述防侵蚀纤维喷播剂进行促植物生长试验，试验结果显示本发明公开的防侵蚀纤维喷播剂具有良好的促进植物萌发成坪的效果。因为纤维中的隔层保证了氧气交换量，所述喷播剂中的多种成分保水剂、高分子聚合物、人造互锁纤维、颗粒微孔基、凹凸棒粉、粘合剂和高岭土等多种成分能捕捉并锁定土壤中的水分以供种子和根系吸收，最终将优化的水肥保持能力和改善的植物生长环境融为一体，实现快速成坪。
对所述防侵蚀纤维喷播剂进行功效持久试验，试验结果显示本发明公开的防侵蚀纤维喷播剂能持效长达18个月。本发明公开的防侵蚀纤维喷播剂具有长的持效性能，能提供休眠期的裸土保护，如在非生长季的冬季或延长的干旱期；而土壤侵蚀和种子流失很可能始于融雪和径流；所述防侵蚀纤维喷播剂保证了生长季重新到来时依旧能给种子提供足够的水肥。长效的改善水肥的性质使得所述防侵蚀纤维喷播剂除了可以促进种子萌发，还可以在幼苗生长的敏感阶段依然能供给足够的养分。
对所述防侵蚀纤维喷播剂进行固沙试验，试验结果显示本发明公开的防侵蚀纤维喷播剂具有良好的固沙效果。
本发明公开的防侵蚀纤维喷播剂能适应多种不同类型的植物，尤其有利于植物配方中发芽生长缓慢的品种。
本发明公开的防侵蚀纤维喷播剂应用范围广，可应用于公路、高尔夫球场、商业住宅用地、油气田修复、防风固沙等领域。
综上所述，与现有技术相比，本发明公开的防侵蚀纤维喷播剂具有更佳的发芽成坪效果、更好的防侵蚀有效性和约18个月的长持效期，所述防侵蚀纤维喷播剂还具有良好的固沙效果。且所述防侵蚀纤维喷播剂制备方法简单，喷播方便，利于推广应用。
具体实施方式
本发明公开了一种防侵蚀纤维喷播剂及其制备方法和应用，所述防侵蚀纤维喷播剂具有良好的发芽成坪效果、良好的防侵蚀有效性和长达18个月的持效期。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
下面结合实施例，进一步阐述本发明。
本发明实施例中使用的原料或试剂均为市售或自制来源，其中，染色剂为Eye SPI，染色剂由Agrovista Uk Ltd Trading as Sherriff Amenity生产。
实施例1配制防侵蚀纤维喷播剂
其中，木纤维利用热处理工艺，在温度为200℃的条件下对木纤维进行加热处理，消除杂草种子和病原体。将上述组分混合，制得产品，标记为实施例1。
实施例2配制防侵蚀纤维喷播剂
其中，木纤维利用热处理工艺，在温度为200℃的条件下对木纤维进行加热处理，消除杂草种子和病原体。将上述组分混合，制得产品，标记为实施例2。
实施例3配制防侵蚀纤维喷播剂
其中，木纤维利用热处理工艺，在温度为200℃的条件下对木纤维进行加热处理，消除杂草种子和病原体。将上述组分混合，制得产品，标记为实施例3。
实施例4防侵蚀试验
试验组：实施例1制备的防侵蚀纤维喷播剂
对照组：传统的粘合纤维材料
试验过程：
(1)实验室设置两组长3m、宽0.5m、坡度为0.4的坡面。
(2)将试验组和对照组的材料(用量均为350g/m2)分别混合黑麦草草种(黑麦草用量30g/m2)和水(用量为8kg/m2)，得到试验组喷播材料和对照组喷播材料，并喷施在坡度为0.4的坡面。
(3)实验室模拟降雨冲刷。模拟每小时120mm降雨量并持续一小时。
(4)每5天重复一次模拟降水冲刷。
试验结果：实验进行30天后，试验组(实施例1制备的防侵蚀纤维喷播剂)有效覆盖率为99％，黑麦草覆盖率为15.8％；对照组粘合纤维材料有效覆盖率为90％，黑麦草覆盖率为4.3％。
结论：实施例1制备的防侵蚀纤维喷播剂与市场现有的粘合纤维材料相比具有更好的防侵蚀作用，且更有利于种子的萌发。
用实施例2或3制备的防侵蚀纤维喷播剂重复上述试验，实验进行30天后，实施例2制备的防侵蚀纤维喷播剂有效覆盖率为98％，黑麦草覆盖率为14.6％；粘合纤维材料有效覆盖率为91％，黑麦草覆盖率为4.6％；实验进行30天后，实施例3制备的防侵蚀纤维喷播剂有效覆盖率为99％，黑麦草覆盖率为16.8％；粘合纤维材料有效覆盖率为89％，黑麦草覆盖率为4.9％。
实施例5水土保持能力试验
试验组1：实施例1制备的防侵蚀纤维喷播剂；
试验组2：实施例2制备的防侵蚀纤维喷播剂；
试验组3：实施例3制备的防侵蚀纤维喷播剂；
对照组1：不作处理，靠自然恢复；
对照组2：传统的格构梁；
对照组3：传统的草毯；
对照组4：传统的生态袋。
试验过程：
(1)选取试验地点，测量坡度，对试验地进行区划。
(2)依次设置试验组和对照组，试验区大小均为10m*10m，坡度为1。
(3)试验组1为将实施例1制备的防侵蚀纤维喷播剂(用量为350g/m2)和水(用量为8kg/m2)混合后喷施在试验区；试验组2为将实施例2制备的防侵蚀纤维喷播剂(用量为350g/m2)和水(用量为8kg/m2)混合后喷施在试验区；试验组3为将实施例3制备的防侵蚀纤维喷播剂(用量为350g/m2)和水(用量为8kg/m2)混合后喷施在试验区。对照组1，不作处理；对照组2，修筑格构梁；对照组3，铺设草毯；对照组4，将拌合植生土装入生态袋，并封口垒砌于坡面。
(4)试验监测：监测试验组和对照组的水土流失状况。覆盖系数是经过处理的土壤表面流失量与未经过处理的土壤表面量的比值，用以表示水土流失状况。
试验结果如表1～表3所示：
表1试验组1的水土保持能力试验
表2试验组2的水土保持能力试验
表3试验组3的水土保持能力试验
试验三个月径流浑浊度，格构梁>不做处理>草毯>实施例1制备的防侵蚀纤维喷播剂>生态袋，格构梁水土流失较严重。六个月后，草毯和生态袋逐渐风化，丧失固土作用，径流浑浊度显著增高，水土流失较严重。试验组覆盖率、径流浑浊度变化不显著。
结论：与对照试验相比，覆盖系数越小，说明材料的水土保持能力越强。表1-3说明本发明所制备的防侵蚀纤维喷播剂具有更高效和持久水土保持能力。
实施例6促植物生长试验
试验组1：实施例1制备的防侵蚀纤维喷播剂、黑麦草种子；
试验组2：实施例2制备的防侵蚀纤维喷播剂、黑麦草种子；
试验组3：实施例3制备的防侵蚀纤维喷播剂、黑麦草种子；
对照组1：撒播黑麦草种子。
对照组2：粘合纤维和黑麦草种子。
试验过程：
(1)试验区规划：依次选取坡度不同的三块试验区，每个试验区划分三个试验组，每组面积5m*5m。
(2)试验区种植：试验组和对照组的用量均为30g/m2，试验组和对照组中添加的种子均为黑麦草种子。试验组为将种子与实施例1制备的防侵蚀纤维喷播剂(用量为350g/m2)混合后喷播；对照组1按照传统方法种植；对照组2将粘合纤维(用量为350g/m2)与种子混合后喷播。按照对照组试验设计依次对三个试验区种植。
(3)试验监测：分别监测各试验区组发芽率、覆盖度、含水量。
发芽率测定方法：每个试验区组随机选取3个10cm*10cm大小区域，记录第10天种子萌发情况，出苗指标以胚根突破种皮1cm记为萌发，计算发芽率，取平均值。
覆盖度测定方法：拍照发测定。播种40天后，每个区组随机选取3处，相机距地面高度、焦距一致进行拍照，用SigamaScan软件进行分析，计算植物覆盖度。
含水量测定方法：TDR仪器法。TDR仪器，探针长6cm，其测量范围为0％～100％。每个区组随机选取3处，测定含水量，取平均值。
试验结果如表1至3所示：
表4不同坡度下不同喷播材料对植物发芽率的影响
表5不同坡度下不同喷播材料对植物覆盖度的影响
表6不同坡度下不同喷播材料对植物基质含水量的影响
结论：表4-6说明在不同坡度下，试验组的发芽率、覆盖度、含水量均较对照组高，本发明所制备的防侵蚀纤维喷播剂可有效促进植物生长。
实施例7功效持久试验
试验组1：实施例1制备的防侵蚀纤维喷播剂；
试验组2：实施例2制备的防侵蚀纤维喷播剂；
试验组3：实施例3制备的防侵蚀纤维喷播剂；
对照组：粘合纤维。
试验过程：
(1)选取试验地：选取在同一坡面相邻的两组试验地，面积均为10m*10m,坡比均为0.6。清理坡面上的植被，平整坡面。
(2)将上述两种材料(用量均为350g/m2)分别与水(用量为8kg/m2)，混合后，喷施在试验地。
(3)试验监测并记录材料有效覆盖度和保水率的变化。
试验结果：以自然风化和冲刷形成的缺失孔洞最大面积不超过400cm2为有效覆盖判定标准。监测数据显示，实施例1试验进行18个月后，试验组覆盖度大于80％；对照组覆盖度约为50％；实施例2试验进行22个月后，试验组覆盖度大于82％；对照组覆盖度约为53％；实施例3试验进行20个月后，试验组覆盖度大于78％；对照组覆盖度约为51％。试验组最小功能寿命为18个月。
结论：实施例1～实施例3制备的防侵蚀纤维喷播剂能够较长期保持其功效。
实施例8固沙试验
试验组：实施例1～实施例3制备的防侵蚀纤维喷播剂，分别对应标记为试验组1～试验组3；
对照组：粘合纤维。
试验过程：
(1)选取试验地：选取在同一沙地坡面相邻的两组试验地，面积为20m×20m，坡度为0.6。清理坡面上的植被，平整坡面。
(2)将试验组1～试验组3的材料(用量均为350g/m2)分别与水(用量为8kg/m2)混合后，喷施在试验地。
(3)试验监测：监测试验组1～试验组3和对照组材料的有效覆盖率。
试验结果：
表7试验组1～试验组3和对照组材料的有效覆盖率统计
结论：实施例制备的防侵蚀纤维喷播剂与市场现有的粘合纤维材料相比具有更好的固沙效果。
实施例9
应用实施例1～实施例3对延安机场的土地进行修复，具体步骤与结果如下：
施工前：机场坡面侵蚀严重，土壤贫瘠，采用传统方法建植成本高、难度大，且易造成种子和水土流失。
材料：实施例1～实施例3制备的防侵蚀纤维喷播剂，混合种子为高羊茅、早熟禾和黑麦草种子。
喷播方法：实施例1～实施例3制备的防侵蚀纤维喷播剂用量400g/m2，混合种子27g/m2。将实施例制备的防侵蚀纤维喷播剂与种子加入液力喷播机搅拌均匀，用液力喷播机横向双向喷播，确保喷播均匀。
施工效果：
表8实施例1～实施例3种子生长情况表
结果图表8所示，延安机场项目实施地种子发芽率高、成坪快。喷播30天，草坪高度达到10cm，盖度达到70％。项目地成坪快，有效改善了项目地的水土流失状况，迅速恢复了当地的生态景观。
结论：实施例1～实施例3制备的防侵蚀纤维喷播剂具有良好的发芽成坪效果、良好的防侵蚀有效性。
实施例10
应用实施例1～实施例3对林芝市米林县的土地进行修复，具体步骤与结果如下：
施工前：项目实施地土地沙化严重，且坡度较大，地表基本无植被。
材料：实施例1～实施例3制备的防侵蚀纤维喷播剂，混合种子为沙生槐、紫穗槐、紫花苜蓿、高羊茅、黑麦草种子、沙蒿和波斯菊的种子。
喷播方法：实施例1～实施例3制备的防侵蚀纤维喷播剂用量400g/m2，混合种子50g/m2。将实施例1制备的防侵蚀纤维喷播剂与种子加入液力喷播机搅拌均匀，用液力喷播机喷播。
施工效果：
表9实施例1～实施例3种子生长情况
其中，实施例1～实施例3修复的土地为米林沙丘，米林沙丘为沙质土，蒸发量大，建植难度极大。但项目地成坪效果良好，为当地沙丘恢复了植被，相比于其他沙漠治理方法体现出了高效和植被覆盖率高等优势。
综合以上实施例说明，本发明公开的防侵蚀纤维喷播剂在沙地喷播应用中不仅表现出良好的植被建坪效果，而且具有较好的固沙作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。