作者:史俊庭 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2019/4/13 9:10:05
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系列新型材料助力我国水土保持事业

 

“在国内外,我们首次实现了砒砂岩区从沟床至坡顶的快速生态修复,将砒砂岩的水土流失降低95%以上,植被覆盖度恢复到90%以上。”说这句话的是东南大学/江苏大学国家“千人计划”特聘专家吴智仁研究员。

多年来,吴智仁研究员与东南大学土木工程学院杨才千教授带领团队立足于材料研发、生态修复和水土保持工作,研发出了系列新型高性能材料,在包括砒砂岩区在内的荒漠化生态修复和工程边坡的水土保持治理方面走出了一条新的路子。

新型材料剑指荒漠化治理

近30年来,我国经济与社会的发展取得了瞩目的成就,但生态环境破坏严重。尽管我国加大了修复和治理力度,但现状依然严峻,我国荒漠化土地达261万平方公里,贯穿东西、横跨南北。

材料、工程与生物措施相融合是实现生态环境快速修复及其可持续发展的最有效途径之一。但是,功能型生态材料研发滞后及其应用技术体系不完善阻碍着生态环境科技的发展和规模化应用。

针对传统生物措施生态环境修复周期长且盖度低、工程措施生态性差且缺乏适宜的生态环境修复用材料,团队在揭示亲水性聚氨酯多因素严酷环境耦合作用下老化机理的基础上,提出了纳米改性及分子链结构设计方法,研发了生态环境修复用功能型聚氨酯复合材料。

据悉,该材料可与任意水质的水发生反应生成具有良好弹性和力学性能的柔性体,可实现紫外线耐久周期从不足6个月提升至30年内自然降解可控,具有高度的环保性,其自然降解产物也不具生态危害性。

同时,团队还提出了融合材料、工程与生物措施的快速可控生态环境治理理念,揭示了材料浓度和治理目标与促生模式之间的内在关系,创造性地建立了基于该亲水性聚氨酯材料的快速可控生态环境治理技术体系,开辟了荒漠化、土地沙化和砒砂岩风化侵蚀等生态修复以及边坡水土保持与绿化新途径。

提升技术扩大应用范围

在沙化荒漠地区,紫外线强、温差大、水资源缺乏,在这种特殊的严酷环境下,该团队研发的基于亲水性聚氨酯材料的快速可控荒漠化生态环境修复技术。

团队成员梁止水博士介绍说,该技术能够在5分钟内实现松散沙土的快速固结,形成具有适合植物生长空隙率的材料——多孔性沙土弹性固结层。

“这种固结层具有优异的力学性能,其抗拉强度接近1兆帕、变形能力达50%以上,抗12级以上的风蚀;保水与保肥能力提高40%以上,2周后可逐步实现植被的恢复,通常1-2年内可将沙化荒漠地区的植被盖度从小于10%提升至50%以上。”梁止水说。

目前,该技术成果多次获评“国际先进”和“国内领先”水平,并被水利部认定为水力先进实用技术,列入《2010年度水利先进实用技术重点推广指导目录》进行重点推广,并被水利部技术推广中心作为沙化防治实用性新技术在全国范围内进行重点推广和应用,取得了显著的生态、经济和社会效益。

同时,团队还研发了边坡快速水土保持及绿化技术,能够在确保边坡在雨水冲蚀作用下处于稳定状态,将其水土流失控制在5%以下,从而解决边坡水土流失的快速防治和大规模施工技术难题,实现水土流失量降低50倍以上。

目前,这种技术已经在长江流域红壤土、崩岗、水利边坡等水土流失中开展了示范和工程应用。

内蒙西藏三江源显奇功

在内蒙古鄂尔多斯地区,有着被称为“地球生态癌症”的砒砂岩,它是黄河粗泥沙的罪魁祸首,也是黄河下游地上悬河的主要推动力。

针对砒砂岩极易风化侵蚀以及生态环境极其难修复的难题,团队在揭示其岩性与强风化机理的基础上,通过砒砂岩颗粒间的粘结性能修复将分散的砒砂岩颗粒进行包裹形成一体化的抗风蚀复合体,研发了基于亲水性聚氨酯材料的砒砂岩区生态环境治理技术、工艺及一体化二液分离式成套施工装备,通过融合材料、工程和生物措施并结合砒砂岩区地形地貌特征建立了砒砂岩快速二元立体生态环境治理模式。

同时,由于砒砂岩的营养成分严重缺乏,团队在材料中复合具有相应促生功能的成分,提升了材料—砒砂岩复合体的保水、保温与保肥功能,显著提升了植被修复能力。

青藏铁路是世界上海拔最高、线路最长的高原铁路,铁路沿线的防沙治沙对该铁路安全运行意义重大。针对这一难题,团队在国内首次采用材料生物固沙技术,形成适用于高寒沙化地区的化学固沙植生技术模式。

在三江源地区,自然因素和不合理人类活动造成了生态环境日益恶化,草场严重退化,水土流失加剧,土地沙漠化而积扩大,冰川、湿地退缩,生物多样性锐减。

“在很多生态修复技术措施无法发挥作用且无十分有效的技术措施的情况下,我们引进一种新型的复合材料,开展试验示范,为三江源地区防沙治沙提供新的方法, 从技术层面很好地支撑了三江源地区生态修复。”杨才千说。

 
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