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绿水青山就是金山银山

矿山生态修复

绿水青山与金山银山同在

基于生物材料的荒漠化土壤治理关键技术

 

1 景介绍

 

    20210315日,在中央财经委员会第九次会议上,习总书记强调:“实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局,拿出抓铁有痕的劲头,如期实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标”

   我国未来将以能源绿色低碳发展为关键,加快形成节约资源和保护环境的产业结构、生产方式、生活方式、空间格局,坚持生态优先、绿色低碳的高质量发展道路。为实现碳达峰、碳中和的目标,就需要开展大规模国土绿化行动,提升生态系统碳汇能力。

 

           

 

    我国是受土地荒漠化危害最严重的国家之一。全国荒漠化土地总面积261.16万平方公里,占国土总面积的27.20%。要想实现大规模国土绿化行动,荒漠化土地的治理问题是首先需要解决的。

  “荒漠化”治理是一项系统工程,涉及防风、固沙、水分保持和促进植被生长等多个方面。如何实现沙化土地的固沙、土壤储水、保肥以及促进植物快速生产,成为沙化土壤恢复与改良需要解决的关键问题。

   目前,高分子保水剂是广泛认为解决保水的有效方法,化学合成的保水剂具有很好的效果,但由于其存在原料不可再生及环境中难以降解等严重问题。因此,开发生物基农用水凝胶保水成为研究热点。聚谷氨酸(γ-PGA普鲁兰多糖是两种新型的环境友好型生物大分子,两种物质经凝胶化后可形成生物基高保水材料,可以达到保水、保肥、固沙、提高植被抗逆性的效果。

 

 

2 材料特性及技术路线

 

 

 

3 产品料特性

 

(1)γ-聚谷氨酸

 

 

        γ-聚谷氨酸:是一种微生物发酵制得的生物高分子材料,其具有良好的水溶性、超强的吸附性和安全的生物可降解性,降解产物无公害的小分子氨基酸,对人体和环境均无害。目前聚谷氨酸主要作为保水剂、增效剂、重金属离子吸附剂等,应用于农业、环保等领域。

 

(2)γ-聚谷氨酸水凝胶

 

 

    γ-聚谷氨酸水凝胶:是以生物高分子材料γ-聚谷氨酸为单体,经交联形成的一种具有三维网状结构的生物高分子材料。具有超强的吸水能力(可吸收自重1300倍的水)、生物可降解性,降解产物小分子氨基酸,对人体和环境均无害。

 

γ-聚谷氨酸水凝胶应用

 

(3)固沙剂

    固沙剂:是以聚谷氨酸、普鲁兰多糖和黄原胶三种有机物作为单体,进行溶液复配,形成了一种新型的环保型生物固沙剂,具有可降解性,降解产物对人体和环境无害

   

 

    聚谷氨酸的加入增大了固沙剂表面的粗糙度,使得固沙剂的结构层次更加丰富。

固沙剂热重图

 

    在25℃~90℃,在这个阶段样品质量基本上没有任何损失。在实际的沙漠环境中,一般情况下夏季的沙土表层的温度都会低于80℃,所以满足实际应用情况。

 


固结层及其断面照片

 

    左图为喷洒固沙剂后形成固结层后的沙堆样品,右图为固结层断面照片。由左图可知,固沙剂喷洒在沙土表面后形成的固结层形状稳定,沙土颗粒更加紧密,沙土不易掉落。由右图可知,固沙剂在沙土表面形成了一层25mm厚的固结层

       

    固沙剂耐水蚀实验:

 

 

   

     风速12m/s时固沙剂对风蚀模数的影响:

 

 

 

     

    风速20m/s时固沙剂对风蚀模数的影响:

   

 

 

    固沙剂抗压:

 

    当固含量为2%时,固沙剂的抗压强度为0.89MPa,该抗压强度小于国际规定的1MPa。固沙剂固含量达到4%时,抗压强度1.36MPa,满足国际标准。

 

    固沙剂保水率:

    固含量为0%时,在蒸发3h后保水率就降到了50%,而固含量为2%4%6%的样品分别在4h5h6h到达50%保水率,固含量为10%的样10h时保水率到达50%的时间。随着固沙剂固含量的增加,固沙剂的保水能力增强。一定时间内,固含量越低,水分蒸发的越快。且在低固含量时,实验前期水分蒸发的速度最快。随着固含量的增大,水分蒸发速率越小越小。

 

    固沙剂降解性能:

 

 

    配制好的固沙剂中物质颗粒大小均匀,边界清晰,分散情况很好,且没有粘结状态的物质14d后出现了粘结状态的物质,且大小不一,分散性也不如初始状态的好。随着时间的增加,固沙剂中的物质变得更加分散,颜色变浅,物质被分解,虽然出现了一些凝聚现象,但现象并不明显,说明即使放置一段时间后固沙剂仍然能够使用。

 

固沙剂粘度随时间的变化

 

    起始的固沙剂粘度为10mPa·s14d后固沙剂的粘度降为9.2mPa·s ,粘度的变化范围并不大,对比水的粘度为0.7208 mPa·s,这粘度仍能够满足固沙实际应用。

 

4 实际案例

 

    宁夏中卫 沙坡头荒漠化土地修复

 

 

 

 

5 种植效果

 

    考察了聚谷氨酸基保水剂对中华羊茅、冷地早熟禾、草地早熟禾等耐寒、耐旱牧草的影响。结果表明,聚谷氨酸基保水剂可明显提高牧草的种子发芽率,培养45d后对照组牧草开始变黄枯萎,实验组牧草生产旺盛。

 

 

    相关研究表明,聚谷氨酸基可使干旱半干旱地区作物生长周期内根际土壤水分增加5-11%,城市景观花卉树木减少浇水次数40-50%;防护林建设苗木成活率提高15-20%

    相关学者研究了聚谷氨酸对苜蓿种植的影响,在其他肥料一致的情况下,施聚谷氨酸能够提高初花期苜蓿鲜草产量0.27%,根据干草率推算出苜蓿干草亩产,可知初花期的苜蓿干草产量由0.59t/亩增至0.67t/亩,说明聚谷氨酸对苜蓿产量的提高有显著效果。

 

   

    食用菌实验

    地点:天津蓟县; 方:天津农学院食用菌研究中心

 

 

 

 

6 社会经济效益

 

经济效益:

    我国目前碳排放总量超过100亿吨/年,以2025年纳入碳交易市场比重30%-40%测算,未来中国碳排放配额交易市场规模将在30亿吨以上,与欧盟总排放量水平相当。以欧盟碳期货交易量是现货的30倍的标准测算,我国碳期货的交易量可能达到4000亿吨左右。以当前试点碳市场平均50元/吨的价格测算,碳期货年交易额将达到20万亿元。碳汇指标的主要来源是生态环境保护建设据国家林业局研究,植一棵树每年固碳4至18千克,若按照一棵树一年可以吸收二氧化碳18千克左右1碳汇指标大约需要新增种植56颗树。未来生态建设类产业将会迎来重大的发展机遇。

 

社会效益:

    绿水青山与金山银山是有机统一体。加强生态环境保护可为经济社会发展提供良好的基础,加快发展又可为生态环境保护提供坚强的保障。植树造林能够使水土得到保持,有效地控制水土流失土地沙漠化净化空气等。