一种干旱沙化地区种植结构及其种植方法
【专利摘要】本发明公开了一种种植结构及其种植方法，解决了干旱地区植物生长的缺水难题，确保了干旱地区的植物良好生长和植被恢复。其中，种植结构包括种植坑及位于种植坑内的植土层，在所述的种植坑内表面设置有一防渗膜，在所述的植土层的上端设置有一防蒸发的覆盖膜，在覆盖膜的上端为覆土层。本发明显著降低了水分的渗透和蒸发流失，同时有利于收集雨水、汇流并存储于种植坑内，使植物坑内有充分的水分供植物吸收，从而保证种植植物的成活率。此方法技术简单，成本低廉，在干旱地区效果显著，对于提高干旱地区植物种植成活率和恢复植被具有重要意义。
【专利说明】一种干旱沙化地区种植结构及其种植方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在干旱沙化地区的植物种植结构及其种植方法，属于干旱及沙化地区生态修复【技术领域】。
技术背景
[0002]土地荒漠化、水土流失及环境恶化已成为影响人类社会可持续发展的关键性问题，世界陆地荒漠化面积约占陆地总面积的30%左右，而且伴随着环境的不断被破坏和人类的频繁活动而不断加剧。我国是世界上荒漠化和水土流失严重的国家之一，目前沙漠、戈壁和沙化土地合计165.3万平方公里，涉及18个省(区)和471个县，约占国土面积的17%。土地荒漠化不仅极大侵蚀了土地资源，使宝贵的耕地、草场进一步萎缩，而且带来了严重的环境问题，如近年来不断肆虐我国北方的沙尘暴问题。土地荒漠化问题使人类的生存空间受到严重威胁，随着国家西部大开发战略的不断推进和荒漠化地区基础设施建设的增加，对改善生态环境的迫切需求以及对新型种植及植被恢复的技术需求也愈来愈强。
[0003]我国西部和“三北”(西北、东北和华北)大部分地区处于干旱和半干旱地区，降水量少、蒸发量大，植物种植的成活率低、植被恢复难度大。特别是黄河上游的内蒙古自治区等地区，由于干旱少雨，植被盖度及种植成活率低，不仅引起大量风沙，形成沙尘暴天气，还造成了严重的水土流失。
[0004]其中，砒砂岩是黄土高原特有的一种地形地貌，被称为“世界水土流失之最”和“环境癌症”，对自然、生态、环境的危害极大。广泛分布于黄河流域，其中以晋陕蒙接壤区为中心的区域，是黄土高原集中的碎屑基岩产沙区的核心，系黄河流域多沙粗沙区的一个重要组成部分。其特点是无水坚硬如顽石，遇水则松软如泥，遇风则风化剥蚀。由于该区地形破碎，气候干旱，降雨量少，保水性能差，植物成活率低，植被稀少；而且，暴雨集中，且多大风沙，水土流失极为严重，生态环境尤为脆弱。砒砂岩区面积只占黄河流域面积2%有余，但每年向黄河输入的粗泥沙约2亿吨，其中，造成下游淤积的粗泥沙达I亿吨左右，占黄河下游河道每年平均淤积量的25%。
[0005]目前，荒漠化和水土流失的主要治理方法是生物方法。然而，这些地区通常土地沙化严重，保水性能差，而且属于干旱和半干旱地区，用水量大但植物种植成活率低、植被恢复难度大。因而，迫切需要开发一种针对荒漠化及水土流失严重地区的新型种植方法。中国专利(102308688A)公开了一种沙漠种植结构和改良沙漠土壤的方法及种植技术，其种植结构包括沙漠土壤层、位于沙漠土壤层上的透气性防渗层和位于透气性防渗层上的种植土层。其中，防渗层是由一层疏水性颗粒(中国专利，申请号200910203463.7)组成，具有较好的防渗、透气性。由于种植坑上面没有设置覆盖膜，所以蒸发量大、水土保持性差且雨水收集和存储性能较差，另外施工难度大。本发明将针对干旱和半干旱地区的特征，结合材料技术，开发一种新型种植技术，大幅提升植物种植的成活率和植被恢复速度。
【发明内容】
[0006]技术问题:本发明的目的在于提供一种适合我国广大干旱及半干旱地区的新型植物种植技术。重点解决:I)砂质土壤的保水问题，通常情况下砂质土壤渗流大，难以储存水分；2)降低蒸发量，干旱及半干旱地区的降水少，但蒸发量大，导致植物的种植成活率低，植被恢复难度大。本发明将采用设置防渗膜及覆盖膜等技术手段，解决干旱及半干旱地区砂质土壤的严重渗漏及蒸发问题，提高这些地区的种植成活率和植被恢复速度。
[0007]技术方案:
[0008]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
[0009]一种种植结构，包括种植坑及位于种植坑内的植土层，其特征在于:在所述的种植坑内表面设置有一防渗膜，在所述的植土层上端设置有一防蒸发的覆盖膜，在覆盖膜的上端为覆土层。
[0010]所述的防渗膜为环氧树脂、聚氨酯树脂及硅树脂中的一种或多种组合；所述覆盖膜为环氧树脂、聚氨酯树脂及硅树脂中的一种或多种组合。
[0011]所述覆盖膜的形状为弧形，而上覆盖膜周边的高度要高于中间的高度。
[0012]所述覆盖膜的厚度为0.1mm~IOmm,覆土层的厚度为1.0~IOcm,渗透膜的厚度为 0.1mm ~10mnin
[0013]在所述的覆土层与植土层之间设置有穿过所述覆盖膜的导水管；在所述植土层内，沿种植坑侧面的上端和底部设置有穿过所述防渗膜的溢流管，其中底部溢流管的数量与管径要少于和小于种植坑侧面设置的溢流管的数量与管径。
[0014]一种基于上述种植结构的种植方法，其特征在于，步骤如下:`[0015]步骤一、开挖种植坑；
[0016]步骤二、在种植坑的侧面和底部预埋溢流管，其中底部溢流管的数量与管径要少于和小于种植坑侧面设置的溢流管的数量与管径；然后，在种植坑内表面喷涂浓度为3~15%的树脂溶液，在自然养护条件下2~10分钟形成一层厚度为0.1mm~IOmm的防渗膜；
[0017]步骤三、在种植坑的上表面预埋导水管，植土层的上表面低于周边地面；然后，在植土层的表面喷涂浓度为3~15%的树脂溶液，在自然养护条件下2~10分钟形成一层厚度为0.1mm~IOmm的覆盖膜；
[0018]步骤五、在覆盖膜的上端覆盖厚度为1.0~IOcm的覆土层。
[0019]所述的树脂溶液为环氧树脂、聚氨酯树脂及硅树脂中的一种或多种组合。
[0020]有益效果:
[0021]I)通过在种植坑的底部和侧面设置防渗膜，可以极大降低干旱及半干旱地区沙化土地的水分渗漏，起到良好的保水保肥作用，另外防渗层具有一定的空隙率和柔性，不容易出现破损，植物根系生长半年并稳定后可以穿透防渗层继续生长，对植物的生长具有良好的促进作用；
[0022]2)种植坑的上面制备一层覆盖膜和覆盖一层沙土，大幅降低了干旱及半干旱地区的水分蒸发，可为植物生长提供长期湿润的根部环境，另外上覆盖膜具有收集雨水的作用，收集的雨水通过导水管导流到种植坑并存储；
[0023]3)由于防渗膜和覆盖膜的存在，利于种植坑内的保温，可为我国西部和北部寒冷地区的植物生长提供良好的环境；
[0024]4)施工便捷、效率高，通常可以采用喷涂的方法制备防渗膜和上覆盖膜，如喷涂浓度为3~15%的亲水性聚氨酯树脂可以2~15分钟内可快速形成防渗膜和覆盖膜，且膜层的空隙率可以通过树脂的浓度和喷洒量进行调整；
[0025]5)植物成活率高、成本低，通过防渗和防蒸发处理后大幅降低了水分的流失，同时提高了雨水的收集和存储功能，使植物具有极高的成活率和良好的成长性能，此外采用亲水性聚氨酯树脂溶液喷涂施工的技术可以大幅降低成本，具有广阔的推广应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明种植结构的结构示意图。
[0027]图2是本发明防渗层的结构示意图；
[0028]图3是本发明导水管及溢流管的结构示意图。
[0029]其中:1 土或沙；2防渗层；3导水管；4覆盖膜；5植物；6溢流管；7 土沙颗粒；8固结体及空隙；9管子；10滤网。
【具体实施方式】:
[0030]参照下述实施例，可以更好的理解本发明，所描述的实施例及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
[0031]本发明种植结构及种植方法的技术核心是防渗漏及防蒸发，同时又能快速收集和存储雨水。
[0032]I)防渗
[0033]干旱和半干旱地区的共同特征是，土地沙化严重，水分的渗漏量大，很难对水分进行储存。为了防止雨水和浇灌水的渗漏，在所挖的种植坑底部及侧面喷涂一层柔性防渗膜，防渗膜的厚度可控制在0.1mm~IOmm之间，具体根据现场的情况而定。通常,可以在种植坑的底部及侧面用树脂溶液喷涂快速形成一层柔性防渗膜，其中树脂可以选用环氧树脂、聚氨酯树脂及硅树脂等中的一种或多种组合。如，可以用浓度为3~15%的聚氨酯树脂溶液喷涂一层防渗膜，可有效阻止水分的渗漏流失。防渗膜由土砂颗粒和聚氨酯树脂固结体及空隙组成，参见图2，防渗膜需要具有一定的孔隙率，当植物生长到一定程度后其根系可穿过下防渗膜向地下和四周生长。防渗膜具有较好的柔性，以防止在种植和植物生长过程中由于各种外界因素而破坏防渗膜，从而降低防渗膜的防渗漏特性。
[0034]2)防蒸发及雨水收集
[0035]干旱及半干旱地区的另一特征是蒸发量大，是影响植物成活率和生长性能的关键性因素。本发明采用在种植坑上表面喷涂一层柔性覆盖膜，覆盖膜的厚度可根据现场情况控制在0.1~IOmm之间。覆盖膜上面通常需要覆盖一层沙土以对上覆盖膜进行保护，厚度一般在1.0cm以上，覆盖沙土的目的是保护覆盖膜以免造成破坏和在恶劣环境下的老化分解，还可以进一步提高防蒸发效果。由于上覆盖膜的存在，极大降低了水分的蒸发，确保了在干旱及半干旱地区的植物种植成活率。通常，可以用树脂溶液在种植坑的顶部喷涂后快速形成一层柔性上覆盖膜，其中树脂可以用环氧树脂、聚氨酯树脂及硅树脂等中的一种或多种组合，上覆盖膜做成弧形，以利于收集更多雨水和把雨水导流到种植坑。如，可以在种植坑上部喷洒一层浓度为3~15%的聚氨酯树脂溶液，快速固化后形成上覆盖膜。
[0036]上覆盖膜最好做成弧形，下雨时可收集和临时储存更多的雨水，以便雨水通过导水管存储于种植坑内。当雨水收集量大时，可通过在种植坑侧面和底部设置的溢流管，允许超量的雨水通过溢流管而排出种植坑。
[0037]雨水收集导水管和溢流管的结构相同，导水管的结构参见图3，在两管子9端设置有滤网10，导水管和溢流管同时起到通气作用。滤网起两方面的作用，一是防止管子被大颗粒的土砂堵塞，二是进一步降低上覆盖膜的蒸发量。
[0038]雨水收集导水管通常设置在覆盖膜的中部附近，主要功能有两个方面，一方面是收集雨水并导流的种植坑，另一方面是当种植坑内缺乏水分时便于补水并提供补水效率及水的利用率，为种植坑的植物提供适宜的生长环境。
[0039]溢流管通常设置在侧面防渗膜上部和底部位置，其主要功能是当雨水过量时将过量的水分排出种植体外；其中，底部溢流管的数量与管径要少于和小于种植坑侧面设置的溢流管的数量与管径。底部溢流管的设置高度要略低于植物的根部，但要高于种植坑的底面高度，其作用是避免植物根部长时间浸泡在水里而引起植物的生长不良，并尽可能少的把水导出种植坑。
[0040]同时，雨水收集导水管和和溢流管还兼起通气的作用，使种植坑内能进行气体的流动与交换；其中，当种植坑内缺水和养分时，还可以通过导水管对种植坑内进行高效人工补水和补养分，提高植物的生长性能。
[0041]本发明种植结构施工及种植方法包括以下几个步骤:
[0042]( I)根据所种植的植物特性挖种植坑，种植坑的大小根据植物特性而定，确保植物的根系生长具有足够的空间，能够吸收充分的水分和养分，通常情况下种植坑的体积可以供植物根系生长半年以上的空间；
[0043](2)在种植坑的底部和周边制备防渗层，通常可以用树脂溶液在种植坑的底部和侧面进行喷涂后快速形成一层柔性防渗膜，其中树脂`可以用环氧树脂、聚氨酯树脂及硅树脂等中的一种或多种组合，并在自然条件下进行养护而生成一层柔性防渗膜；如，可以用浓度为3~15%的亲水性聚氨酯树脂喷涂在种植坑的底部和侧面，在自然养护条件下2~15分钟可形成一层透气防渗膜；
[0044](3)在种植坑内配置适量的土或沙，种植坑内的沙土上表面要略低于周边地面，以便制备上覆盖层后在其上面再覆一层土，然后将植物种植于种植坑并浇适量的水，根据需要可以添加适量的肥料、纤维质材料或/和保水剂；
[0045](4)分别在种植坑的侧面和顶部设置溢流管与雨水收集导水管，然后在顶部喷洒一层聚氨酯树脂溶液，上覆盖膜的形状做成弧形而且上覆盖膜周边的高度要高于中间的高度，以利于收集更多雨水并把雨水导流到种植坑内；
[0046](5)在上覆盖膜的表面覆盖一层沙土，沙土的厚度根据当地的气候特征而定；对于风沙大和干旱的地区覆盖膜的厚度要大些，通常厚度要大于3cm，对于风沙小和较湿润或半干旱地区覆盖层的厚度可以适当小些，通常厚度大于Icm即可。
[0047]具体实施例1:
[0048](I)砒砂岩风化土层的种植
[0049]为模拟砒砂岩区的环境，用木箱自制1.2mX 1.2mX 1.0m种植箱，并填充风化砒砂岩砂土。在沙箱中开挖深70cm,上表面直径为85cm的种植坑。在种植坑一半深度处均匀安装4只直径为1.0cm的溢流管，在底部(高出种植坑底面IOcm)安装I只直径为0.6cm的溢流管，溢流管的长度均为10cm，溢流管的两端口填充滤网。
[0050]砒砂岩来自内蒙古自治区准格尔旗，砒砂岩土样为红色砂岩风化物，最大粒径为IOmm,碌粒带棱角，比重为2.65个g/cm3, 70%的舭砂岩土样粒径分布在0.05~2.0mm之间。
[0051]种植坑底面与侧面防渗膜和上覆盖膜采用亲水性聚氨酯树脂(W-OH)溶液现场喷涂快速固化而成，所用的亲水性聚氨酯树脂呈淡黄色透明液体、粘度为350mPa.s(20°C )、比重为 1.08(20 / 4°C ) ο
[0052]采用亲水性聚氨酯树脂(W-OH)溶液进行底部和侧面防渗层的喷涂，W-OH溶液的浓度为4.5%，用双液泵在种植坑的底部和侧面进行喷洒，每个种植坑的喷洒时间一般在
0.5分钟左右即可喷洒施工完毕。然后，在自然条件下进行养护，从喷洒到养护固结在5.0分钟内即可完成。
[0053]在种植坑的底部培一层厚度为20cm厚的砒砂岩风化土层，然后在上面均匀种植3棵株高为IOcm的沙棘并填埋砒砂岩风化土 ；在种植坑内浇灌适量的水,保持种植坑内砒砂岩土的含水率为30%。种植坑内土层比周围地面的高度低3.0cm，在种植坑的上表面靠近中间处安装4只雨水收集导水管，导流管的直径为1.0cm，长度为10cm。最后，将种植坑的上表面做成弧形后喷洒浓度为5.0%的W-OH溶液，养护5.0分钟后用砒砂岩风化土将种植坑上表面填平。
[0054]对比例1:
[0055]种植箱及所用的砒砂岩砂土与实施例1完全相同，种植的植物也几乎相同，不同的是对比例I没有对种植坑的底面与侧面喷涂亲水性聚氨酯树脂防渗层和上覆盖层。
[0056]具体实施 例2:
[0057]为模拟干旱的沙漠环境，用木箱自制1.5mX 1.5mX 1.0m沙箱，并充满河沙。在沙箱中开挖深70cm，上表面直径为85cm的种植坑。在种植坑一半深度的地方均匀安装4只直径为1.0cm的溢流管，在种植坑底部(高出种植坑底面IOcm)安装I只直径为0.6cm的溢流管，溢流管的长度均为10cm，溢流管的两端口填充滤网。
[0058]采用与具体实施例1相同的亲水性聚氨酯树脂进行种植坑底部和侧面喷涂并快速固化形成防渗膜，W-OH溶液的浓度为4.0%，用双液泵在种植坑的底部和侧面进行喷洒，每个种植坑的喷洒时间一般在0.5分钟以内即可喷洒施工完毕。然后，在自然条件下进行养护，从喷洒到养护固结在5.0分钟内即可完成。
[0059]在种植坑的底部培一层厚度为20cm厚的沙土，沙与土的重量比为8:2，然后在上面均匀种植3棵株高为IOcm的沙棘并填埋沙土，在种植坑内浇灌与具体实施例1相同的水。种植坑内土层比周围地面的高度低3.0cm，在种植坑的上表面靠近中间处安装3只雨水收集导水管，导水管的直径为1.0cm，长度为8.0cm0最后，将种植坑的上表面做成弧形后喷洒浓度为4.5%的W-OH溶液，养护5.0分钟后用沙土将种植坑上表面填平。
[0060]对比例2:
[0061]种植箱及所用的沙土与实施例2完全相同，种植的植物也几乎相同，不同的是对比例2没有对种植坑的底面与侧面喷涂亲水性聚氨酯树脂防渗层和上覆盖层。
[0062]表1为按上述实施例和对比例制作的植生体在没有种植植物时的含水率随时间的变化情况，经过防渗和防蒸发处理后大幅降低了水分的流失。
[0063]表1实施例与对比例方水分流失对比
【权利要求】
1.一种种植结构，包括种植坑及位于种植坑内的植土层，其特征在于:在所述的种植坑内表面设置有一防渗膜，在所述的植土层的上端设置有一层防蒸发的覆盖膜，在覆盖膜的上端为覆土层。
2.根据权利要求1所述的种植结构，其特征在于:所述的防渗膜为环氧树脂、聚氨酯树脂及硅树脂中的一种或多种组合；所述覆盖膜为环氧树脂、聚氨酯树脂及硅树脂中的一种或多种组合。
3.根据权利要求1所述的种植结构，其特征在于:所述覆盖膜的形状为弧形，而上覆盖膜周边的高度要高于中间的高度。
4.根据权利要求1所述的种植结构，其特征在于:所述覆盖膜的厚度为0.1mm~10mm，覆土层的厚度为1.0~IOcm,渗透膜的厚度为0.1mm~10mm。
5.根据权利要求1所述的种植结构，其特征在于:在所述的覆土层与植土层之间设置有穿过所述覆盖膜的导水管；在所述植土层内，沿种植坑侧面的上端和底部设置有穿过所述防渗膜的溢流管，其中底部溢流管的数量与管径要少于和小于种植坑侧面设置的溢流管的数量与管径。
6.一种基于权利要求1所述种植结构的种植方法，其特征在于，步骤如下: 步骤一、开挖种植坑； 步骤二、在种植坑的侧面和底部预埋溢流管，其中底部溢流管的数量与管径要少于和小于种植坑侧面设置的溢流管的数量与管径；然后，在种植坑内表面喷涂浓度为3~15%的树脂溶液，在自然养护条件下2~10分钟形成一层厚度为0.1mm~IOmm的防渗膜； 步骤三、在种植坑的上表面预埋导水管，植土层的上表面低于周边地面；然后，在植土层的表面喷涂 浓度为3~15%的树脂溶液，在自然养护条件下2~10分钟形成一层厚度为0.1mm~IOmm的覆盖膜； 步骤五、在覆盖膜的上端覆盖厚度为1.0~IOcm的覆土层。
7.根据权利要求6所述的种植方法，其特征在于:所述的树脂溶液为环氧树脂、聚氨酯树脂及硅树脂中的一种或多种组合。
【文档编号】A01G25/00GK103583172SQ201310468826
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年10月9日 优先权日:2013年10月9日
【发明者】杨才千, 吴智仁, 杨小聪, 朱吉鹏, 姚文艺, 冷元宝, 高卫民 申请人:东南大学, 江苏杰成凯新材料科技有限公司