基于生物材料的荒漠化土壤治理关键技术

 

1 背景介绍

 

    2021年03月15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）和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 产品材料特性

 

（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，降解产物为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2～5mm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%和6%的样品分别在4h，5h和6h到达50%保水率，固含量为10%的样品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：

 

 

    新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·s，14d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，这一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，聚谷氨酸基保水剂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； 合 作 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吨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。