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园林废弃物生态覆盖垫的制备及其水分特性

曲炳鹏 孙向阳 李素艳 张骅 王心语 熊凯毅 贠炳辉

曲炳鹏, 孙向阳, 李素艳, 张骅, 王心语, 熊凯毅, 贠炳辉. 园林废弃物生态覆盖垫的制备及其水分特性[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(10): 77-85. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170465
引用本文: 曲炳鹏, 孙向阳, 李素艳, 张骅, 王心语, 熊凯毅, 贠炳辉. 园林废弃物生态覆盖垫的制备及其水分特性[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(10): 77-85. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170465
Qu Bingpeng, Sun Xiangyang, Li Suyan, Zhang Hua, Wang Xinyu, Xiong Kaiyi, Yun Binghui. Manufacturing process and hydrological characteristics of ecological mulching mats made from green waste[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(10): 77-85. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170465
Citation: Qu Bingpeng, Sun Xiangyang, Li Suyan, Zhang Hua, Wang Xinyu, Xiong Kaiyi, Yun Binghui. Manufacturing process and hydrological characteristics of ecological mulching mats made from green waste[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(10): 77-85. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170465

园林废弃物生态覆盖垫的制备及其水分特性

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170465
基金项目: 

林业公益性行业科研专项 201504205

北京市科技计划项目 Z161100001316004

详细信息
    作者简介:

    曲炳鹏,博士生。主要研究方向:土壤生态。Email:qubingpeng@163.com  地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院

    通讯作者:

    孙向阳,教授,博士生导师。主要研究方向:土壤生态。Email:sunxy@bjfu.edu.cn  地址:同上

    李素艳,副教授。主要研究方向:土壤生态。Email:lisuyan@bjfu.edu.cn  地址:同上

  • 中图分类号: S715.7;X72

Manufacturing process and hydrological characteristics of ecological mulching mats made from green waste

  • 摘要: 目的以园林废弃物为原料制备生态覆盖垫,用于覆盖城市绿地裸露土壤,从而提高园林绿化水分利用效率,减少城市水土流失,探索出园林废弃物替代木材原料资源化利用的新途径。方法以两种粒径(小粒径0~1 cm和大粒径1~3 cm)的园林废弃物为原料,使用环保型水性聚氨酯作为胶黏剂,选择5个施胶量(分别占园林废弃物质量的20%、25%、30%、35%和40%),通过模具压制的方法制备覆盖城市裸露土壤用的生态覆盖垫,并研究其基本性质、保水效果、透水能力和持水能力,选取最佳施胶量。结果结果表明:随着施胶量的增加,生态覆盖垫的密度偏差和吸水厚度膨胀率逐渐增大,但当施胶量达到40%时,吸水厚度膨胀率减小。随着施胶量的增加,生态覆盖垫的保水效果均逐渐增强,小粒径原料制备的生态覆盖垫保水效果整体好于大粒径原料制备的生态覆盖垫。而在透水能力方面,小粒径原料制备的生态覆盖垫施胶量不高于30%时,透水能力较好;大粒径原料制备的生态覆盖垫透水能力则不受施胶量影响。生态覆盖垫的持水量与浸泡时间均存在着显著的对数函数关系,吸水速率与浸泡时间呈显著的幂函数关系,小粒径和大粒径原料制备的生态覆盖垫的持水能力分别在施胶量达30%和35%时达到最强。结论综合分析,小粒径原料制备的生态覆盖垫施胶量30%较为合适,对于大粒径原料制备的生态覆盖垫,则优选35%的施胶量,小粒径和大粒径原料制备的生态覆盖垫分别更适用于覆盖干旱地区的裸露土壤和降雨较多地区的裸露土壤。
  • 图  1  生态覆盖垫的保水效果

    Figure  1.  Water holding capacity of ecological mulching mats

    图  2  生态覆盖垫的透水能力

    不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P < 0.05)。

    Figure  2.  Water permeability of ecological mulching mats

    Different lowercase letters mean significant difference among different treatments at P < 0.05 level.

    图  3  生态覆盖垫的持水量变化

    Figure  3.  Changes in water holding capacity of ecological mulching mats

    图  4  生态覆盖垫吸水速率变化

    Figure  4.  Changes in water absorption rate of ecological mulching mats

    表  1  生态覆盖垫的基本性质

    Table  1.   Basic properties of ecological mulching mats

    粒径
    Particle size
    施胶量
    Adhesive proportion/%
    目标密度
    Target density/(g·cm-3)
    平均密度
    Average density/(g·cm-3)
    偏差
    Deviation/%
    平均厚度
    Average thickness/cm
    泡水厚度
    Soak thickness/cm
    吸水厚度膨胀率
    Expansion rate of water absorbing thickness/%
    小Small
    (0-1 cm)
    20 0.240 0 0.237 9±0.005 6 0.89±2.32 4.67±0.11 4.98±0.16 6.61±4.01
    25 0.250 0 0.238 5±0.008 6 4.60±3.85 4.68±0.10 5.01±0.04 7.08±1.47
    30 0.260 0 0.245 8±0.007 4 5.46±2.81 4.72±0.06 5.06±0.03 7.15±1.82
    35 0.270 0 0.250 7±0.009 2 7.16±3.57 4.78±0.07 5.15±0.04 7.69±1.31
    40 0.280 0 0.231 1±0.005 4 17.45±2.97 5.23±0.06 5.39±0.06 3.19±0.50
    大Big
    (1-3 cm)
    20 0.240 0 0.232 3±0.005 1 3.19±2.12 4.98±0.13 5.13±0.03 3.07±2.32
    25 0.250 0 0.242 7±0.004 0 2.94±1.64 4.93±0.05 5.12±0.08 3.71±1.12
    30 0.260 0 0.245 7±0.005 8 5.51±2.63 4.96±0.04 5.13±0.01 3.44±0.86
    35 0.270 0 0.245 8±0.009 2 8.96±3.92 4.96±0.12 5.27±0.04 6.32±3.14
    40 0.280 0 0.241 4±0.004 6 13.78±3.09 5.07±0.04 5.28±0.09 4.16±2.37
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    表  2  不同生态覆盖垫持水量、吸水速率与浸泡关系

    Table  2.   Correlations between water holding capacity, water absorption rate and immersion time of varied ecological mulching mats

    粒径
    Particle size
    施胶量
    Adhesive proportion/%
    持水量与浸泡关系式
    Equation between water holding capacity and immersion time
    吸水速率与浸泡关系式
    Equation between water absorption rate and immersion time
    小Small
    (0-1 cm)
    20 Q=161.9ln(t)+831.6, R2=0.94 V=803.3t-0.82, R2=0.97
    25 Q=197.3ln(t)+911.3, R2=0.93 V=869.1t-0.80, R2=0.95
    30 Q=237.3ln(t)+987.5, R2=0.97 V=934.5t-0.78, R2=0.98
    35 Q=215.5ln(t)+968.3, R2=0.97 V=924.9t-0.79, R2=0.99
    40 Q=159.3ln(t)+718.2, R2=0.95 V=677.7t-0.79, R2=0.96
    大Big
    (1-3 cm)
    20 Q=113.7ln(t)+446.8, R2=0.99 V=423.1t-0.77, R2=0.99
    25 Q=113.2ln(t)+486.7, R2=0.99 V=465.5t-0.79, R2=0.99
    30 Q=133.3ln(t)+516.7, R2=0.99 V=493.6t-0.77, R2=0.99
    35 Q=141.6ln(t)+516.7, R2=0.99 V=488.7t-0.76, R2=0.99
    40 Q=127.6ln(t)+485.2, R2=0.99 V=462.3t-0.77, R2=0.99
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    表  3  生态覆盖垫的最大持水能力及有效拦蓄能力

    Table  3.   Maximum water holding capacity and effective interception capacity of ecological mulching mats

    粒径
    Particle size
    施胶量
    Adhesive proportion/%
    最大持水量/(t·hm-2)
    Maximum amount of water holding capacity/(t·ha-1)
    最大持水率
    Maximum water holding rate/%
    有效拦蓄量/(t·hm-2)
    Effective interception amount/(t·ha-1)
    有效拦蓄率
    Effective interception rate/%
    小Small
    (0-1 cm)
    20 140.49 126.47 113.86 102.50
    25 159.02 142.48 129.59 116.10
    30 187.64 161.62 153.69 132.38
    35 186.19 155.39 152.27 127.08
    40 142.21 117.71 114.84 95.05
    大Big
    (1-3 cm)
    20 92.75 80.21 73.05 63.18
    25 102.12 85.31 80.82 67.51
    30 111.84 91.85 88.98 73.07
    35 115.38 94.57 91.97 75.38
    40 109.38 89.36 86.85 70.96
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-12-25
  • 修回日期:  2018-01-30
  • 刊出日期:  2018-10-01

园林废弃物生态覆盖垫的制备及其水分特性

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170465
    基金项目:

    林业公益性行业科研专项 201504205

    北京市科技计划项目 Z161100001316004

    作者简介:

    曲炳鹏,博士生。主要研究方向:土壤生态。Email:qubingpeng@163.com  地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院

    通讯作者: 孙向阳,教授,博士生导师。主要研究方向:土壤生态。Email:sunxy@bjfu.edu.cn  地址:同上; 李素艳,副教授。主要研究方向:土壤生态。Email:lisuyan@bjfu.edu.cn  地址:同上
  • 中图分类号: S715.7;X72

摘要: 目的以园林废弃物为原料制备生态覆盖垫,用于覆盖城市绿地裸露土壤,从而提高园林绿化水分利用效率,减少城市水土流失,探索出园林废弃物替代木材原料资源化利用的新途径。方法以两种粒径(小粒径0~1 cm和大粒径1~3 cm)的园林废弃物为原料,使用环保型水性聚氨酯作为胶黏剂,选择5个施胶量(分别占园林废弃物质量的20%、25%、30%、35%和40%),通过模具压制的方法制备覆盖城市裸露土壤用的生态覆盖垫,并研究其基本性质、保水效果、透水能力和持水能力,选取最佳施胶量。结果结果表明:随着施胶量的增加,生态覆盖垫的密度偏差和吸水厚度膨胀率逐渐增大,但当施胶量达到40%时,吸水厚度膨胀率减小。随着施胶量的增加,生态覆盖垫的保水效果均逐渐增强,小粒径原料制备的生态覆盖垫保水效果整体好于大粒径原料制备的生态覆盖垫。而在透水能力方面,小粒径原料制备的生态覆盖垫施胶量不高于30%时,透水能力较好;大粒径原料制备的生态覆盖垫透水能力则不受施胶量影响。生态覆盖垫的持水量与浸泡时间均存在着显著的对数函数关系,吸水速率与浸泡时间呈显著的幂函数关系,小粒径和大粒径原料制备的生态覆盖垫的持水能力分别在施胶量达30%和35%时达到最强。结论综合分析,小粒径原料制备的生态覆盖垫施胶量30%较为合适,对于大粒径原料制备的生态覆盖垫,则优选35%的施胶量,小粒径和大粒径原料制备的生态覆盖垫分别更适用于覆盖干旱地区的裸露土壤和降雨较多地区的裸露土壤。

English Abstract

曲炳鹏, 孙向阳, 李素艳, 张骅, 王心语, 熊凯毅, 贠炳辉. 园林废弃物生态覆盖垫的制备及其水分特性[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(10): 77-85. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170465
引用本文: 曲炳鹏, 孙向阳, 李素艳, 张骅, 王心语, 熊凯毅, 贠炳辉. 园林废弃物生态覆盖垫的制备及其水分特性[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(10): 77-85. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170465
Qu Bingpeng, Sun Xiangyang, Li Suyan, Zhang Hua, Wang Xinyu, Xiong Kaiyi, Yun Binghui. Manufacturing process and hydrological characteristics of ecological mulching mats made from green waste[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(10): 77-85. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170465
Citation: Qu Bingpeng, Sun Xiangyang, Li Suyan, Zhang Hua, Wang Xinyu, Xiong Kaiyi, Yun Binghui. Manufacturing process and hydrological characteristics of ecological mulching mats made from green waste[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(10): 77-85. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170465
  • 园林废弃物作为城市园林绿化管理中生产出的园林“垃圾”,主要由乔木、灌木和草本植物的枯枝落叶和草屑组成,含有大量的纤维素、半纤维素和木质素等物质,来源极其广泛,每年产生量巨大,却几乎未得到资源化再利用[1-2],只有少部分进行堆肥化和生产花木基质的处理[3-6]。当今,寻找新型木材替代原料以缓解我国木材供不应求的矛盾变得尤为迫切[7],秸秆和椰丝等材料如今已开始应用于纤维板的生产加工[8-10],但仍处于起步阶段,而园林废弃物由于组成来源复杂,至今仍无法替代木材和刨花作为生产纤维板的合格原料。寻找园林废弃物作为木材替代原料再利用的新途径,已成为当下急需解决的新型资源问题之一。

    近年来,随着我国城市绿化面积的增加,城市绿地中裸露土壤面积逐步增大,裸露土壤不仅会增加土壤水分蒸发从而造成园林管理中的水资源浪费,同时也会带来水土流失问题,并成为城市环境中的扬尘来源[11-12]。对城市绿地中的裸露土壤进行覆盖,对于提高园林绿化水分利用效率、减少城市水土流失、抑制土壤扬尘和提高土壤肥力等具有重要意义[13-16]。目前国内应用于覆盖裸土较为广泛的材料主要为有机覆盖物,包括树皮、木片等[17],但使用过程中多呈散状分布(如树穴、花坛等),在强风和暴雨的天气条件下,易吹散和漂移到路面,且有机覆盖物在经过一段时间的腐解后其破碎程度增加,在降水较少的情况下容易成为城市扬尘和雾霾新的来源。

    以园林废弃物为生产原料制备生态覆盖垫作为城市绿地裸露土壤覆盖材料,是国内园林废弃物资源化再利用的一个新方向,它不仅弱化了生产纤维板时所存在高品控等问题,在具有传统有机覆盖物所改良城市土壤、抑制杂草生长和减少扬尘污染等作用的同时,还避免被强风吹散和被暴雨冲走的问题。本研究以园林废弃物为原材料,以环保型水性聚氨酯为胶黏剂,探究园林废弃物为主体的生态覆盖垫制备工艺,并对生态覆盖垫应用于土壤覆盖的水分特性进行探究,优选出制备生态覆盖垫的最佳生产配比工艺参数,探索园林废弃物替代木材原料资源化利用新途径。

    • 制备生态覆盖垫的园林废弃物由北京香山公园管理处提供,为春夏季节人工修剪和自然凋落得到的细碎枝条,其中主要树种包括刺槐(Robinia pseucdoacacia)、臭椿(Ailanthus altissima)、黄栌(Cotinus coggygria)和国槐(Sophora japonica)等。

      参考相关研究对于刨花板生产中刨花长度的分类(1 cm以下为短刨花,1 cm以上为长刨花)[18-19],将收集来的园林废弃物粉碎后分别过孔径1 cm和3 cm的筛,得到0~1 cm和1~3 cm两种粒径的园林废弃物,自然风干至含水量10%以下,放置于阴凉干燥处备用。

    • 试验前,分别使用市场上较为常见的酚醛树脂胶黏剂(型号2124型,济宁宏明化学试剂有限公司提供)、脲醛树脂胶黏剂(型号DY-533,济宁宏明化学试剂有限公司提供)和环保型水性聚氨酯胶黏剂(型号300C,合肥华越新材料科技有限公司提供)试制园林废弃物生态覆盖垫,使用100 g的园林废弃物,胶黏剂添加量均为园林废弃物质量的30%,制备过程如试验方法所述。之后先用50 mL蒸馏水浸湿生态覆盖垫,再用150 mL蒸馏水淋溶每个生态覆盖垫制得淋滤液,按照发芽试验方法(使用白菜种子)测定胶黏剂的生物毒性[20]。经预试验结果表明只有环保型水性聚氨酯胶黏剂制得的生态覆盖垫淋滤液处理的种子发芽指数超过80%,不具有生物毒性,因此在生态覆盖垫的制备过程中使用水性聚氨酯胶黏剂。

      由合肥华越新材料科技有限公司提供的型号300C环保型水性聚氨酯胶黏剂为乳白色液体,固含量为35%,pH在7.0~8.0之间,黏度为200~500 MPas。环保型水性聚氨酯胶黏剂无污染,具有较好的耐水性、耐曲折性、耐摔性和耐磨性,附着力强[21]

    • 园林废弃物生态覆盖垫为首次试制,其厚度为5 cm,参照有机覆盖物的常用覆盖厚度[22-23],制备工艺经预试验筛选确定:称取园林废弃物100 g,分别添加占园林废弃物质量一定比例的水性聚氨酯胶黏剂,之后将混匀的原料放入10 cm×10 cm×5 cm的开口方形塑料模具中,使用重物在20 000 Pa的压力条件下压实10 min,之后将其放置在干燥通风处自然干燥48 h,环境温度保持在正常室温(20 ℃)条件下,使其风干并黏结成型,从模具中取出,制得生态覆盖垫样品。其中,园林废弃物粒径分为两类,即小粒径(0~1 cm)和大粒径(1~3 cm),水性聚氨酯胶黏剂添加质量分别占园林废弃物质量的20%、25%、30%、35%和40%,共5种(施胶量20%以下制备的生态覆盖垫边角会有散落状况,40%以上施胶量则过剩并出现胶黏剂滴落现象),合计共10种生态覆盖垫,每种生态覆盖垫3个重复。

      经测定,制备的生态覆盖垫均可承受平行于地面9 m/s的风速30 s而不被吹走,且浸泡前与24 h浸泡后其抗压强度均大于0.77 MPa,大于体重100 kg实验者行走时的承受强度(最大压力为1 300 N,受力面积约25 cm2,最大压强约为0.52 MPa)[24-25]

      使用游标卡尺测定生态覆盖垫的实际幅面和厚度,计算其实际密度(目标密度均按照开口方形塑料模具的体积,即10 cm×10 cm×5 cm进行计算);将生态覆盖垫完全浸泡在水中24 h,之后迅速取出并空掉多余的重力水,使用游标卡尺测定其厚度,并计算其吸水厚度膨胀率,计算公式如下:

      $$ 吸水厚度膨胀率 = \frac{{吸水厚度-原厚度}}{{原厚度}} \times 100\% $$
    • 参照椰丝生态覆盖垫的保水性测定方法[9],即在内径为9 cm、高5 cm的圆形铝盒中,分别加入苗圃土壤100 g,在电热鼓风干燥箱中105 ℃条件下烘至绝干状态,接着在每个圆形铝盒中分别加50 g水后,在圆形铝盒上方覆盖不同类型的生态覆盖垫样品,使样品可以完全盖住圆形铝盒顶部,之后将铝盒放入电热鼓风干燥箱中,在80 ℃下每隔30 min记录一次铝盒、土壤和生态覆盖垫的总质量的变化,通过失水量的变化来反映不同类型生态覆盖垫的保水效果。

    • 参照椰丝生态覆盖垫的透水性测定方法[9]。由于椰丝纤维的吸水能力比园林废弃物强,因此试验过程中减少了渗透用水,即在10 cm×10 cm×5 cm的透明无盖塑料盒上,分别覆盖不同类型的生态覆盖垫样品,之后在生态覆盖垫上表面均匀倒上15 mL水,并开始计时,待观察有水滴落入塑料盒里时,停止计时,并统计渗透时间。

    • 采用室内浸泡法对生态覆盖垫持水量及其吸水速度进行测定。将准备好的生态覆盖垫完全浸入水中,分别在浸泡0.25、0.5、1、2、4、6、8、10、12和24 h后,将其取出并静置至不再滴水为止,之后迅速称质量并记录,以此测定生态覆盖垫浸泡不同时长的持水量,并计算其吸水速率、最大持水量、最大持水率和有效拦蓄量。计算公式[26-27]如下:

      生态覆盖垫吸水速率=生态覆盖垫持水量/吸水时间

      $$ \begin{array}{c}{\mathrm{Rh}_{\max }=\left(G_{24}-G_{0}\right) / G_{0} \times 100 \%} \\ {R_{\mathrm{sv}}=0.85 \mathrm{Rh}_{\max }} \\ {\mathrm{Wh}_{\mathrm{max}}=G_{24}-G_{0}} \\ {W_{\mathrm{sv}}=R_{\mathrm{sv}} \times G_{0}}\end{array} $$

      式中:Rhmax为最大持水率,%;Rsv为有效拦蓄率,%;G0为生态覆盖垫自然状态下质量(干质量),g;G24为浸水24 h后生态覆盖垫质量,g;Whmax为生态覆盖垫最大持水量,t/hm2Wsv为生态覆盖垫有效拦蓄量,t/hm2

      由于将生态覆盖垫烘至绝干来测定生态覆盖垫的自然含水率会在一定程度上对其结构造成损坏,且胶黏剂本身含有水分,因此在计算中认为自然状态下生态覆盖垫质量即其干质量。

    • 表 1可知,生态覆盖垫具有较为明显的密度偏差现象。对于两种粒径原料制备的生态覆盖垫来说,平均密度均显著低于目标密度,且随着施胶量的增加,密度偏差逐渐增大,当施胶量达到40%时,小粒径生态覆盖垫和大粒径生态覆盖垫的密度偏差分别可达17.45%和13.78%。这主要是由于制备原料——园林废弃物本身主要由纤维素和木质素等构成,原料之间互相勾连,随着施胶量的增加,木质纤维吸附胶黏剂中的水发生逐渐膨胀,同时更多的胶黏剂填充进入生态覆盖垫的孔隙当中,使得压制后得到的生态覆盖垫的实际厚度大于目标厚度,从而造成更大的密度偏差。

      表 1  生态覆盖垫的基本性质

      Table 1.  Basic properties of ecological mulching mats

      粒径
      Particle size
      施胶量
      Adhesive proportion/%
      目标密度
      Target density/(g·cm-3)
      平均密度
      Average density/(g·cm-3)
      偏差
      Deviation/%
      平均厚度
      Average thickness/cm
      泡水厚度
      Soak thickness/cm
      吸水厚度膨胀率
      Expansion rate of water absorbing thickness/%
      小Small
      (0-1 cm)
      20 0.240 0 0.237 9±0.005 6 0.89±2.32 4.67±0.11 4.98±0.16 6.61±4.01
      25 0.250 0 0.238 5±0.008 6 4.60±3.85 4.68±0.10 5.01±0.04 7.08±1.47
      30 0.260 0 0.245 8±0.007 4 5.46±2.81 4.72±0.06 5.06±0.03 7.15±1.82
      35 0.270 0 0.250 7±0.009 2 7.16±3.57 4.78±0.07 5.15±0.04 7.69±1.31
      40 0.280 0 0.231 1±0.005 4 17.45±2.97 5.23±0.06 5.39±0.06 3.19±0.50
      大Big
      (1-3 cm)
      20 0.240 0 0.232 3±0.005 1 3.19±2.12 4.98±0.13 5.13±0.03 3.07±2.32
      25 0.250 0 0.242 7±0.004 0 2.94±1.64 4.93±0.05 5.12±0.08 3.71±1.12
      30 0.260 0 0.245 7±0.005 8 5.51±2.63 4.96±0.04 5.13±0.01 3.44±0.86
      35 0.270 0 0.245 8±0.009 2 8.96±3.92 4.96±0.12 5.27±0.04 6.32±3.14
      40 0.280 0 0.241 4±0.004 6 13.78±3.09 5.07±0.04 5.28±0.09 4.16±2.37

      制备生态覆盖垫的原料主要为园林废弃物中的树木枝条,经粉碎后仍具有较为坚韧的木质结构,且木质纤维表面粗糙度较高,存在着一定的凹陷和凸起,在压制后的生态覆盖垫内部形成较强的勾连作用,也正因为该勾连作用,木质纤维吸水膨胀后使得生态覆盖垫在厚度方向上出现了回弹现象,从而造成不同程度的密度偏差,这在一定程度上也有利于提高生态覆盖垫的通透性。

      就生态覆盖垫的吸水厚度膨胀率来看,对于两种粒径原料制备的生态覆盖垫,随着施胶量从20%增加到35%,吸水厚度膨胀率逐渐增大。这主要是由于一方面在长期浸泡的过程当中,胶黏剂的黏结作用有所减弱,另一方面木质纤维在充分吸水后进一步发生膨胀。但施胶量达到40%时,两类生态覆盖垫的吸水厚度膨胀率均逐渐减小,这可能是因为施胶量较高时,生态覆盖垫在制备过程中其木质纤维膨胀度已较高,在浸泡24 h的过程中木质纤维的吸水膨胀程度反而不及施胶量35%的生态覆盖垫,造成了生态覆盖垫吸水厚度膨胀率的降低。

    • 图 1可知,随着蒸发时间的增加,各处理的失水量均逐渐增大,而随着施胶量的增加,生态覆盖垫的保水效果则逐渐增强,且小粒径原料制备的生态覆盖垫保水效果整体好于大粒径原料制备的生态覆盖垫。原因在于一方面随着施胶量的增加,在胶黏剂的填充和木质纤维的吸水膨胀双重作用下,生态覆盖垫的孔隙逐渐减少,使得失水速率逐渐降低。另一方面,小粒径原料制备的生态覆盖垫与大粒径原料制备的生态覆盖垫相比密度更高,孔隙更少,因此其保水效果更好。

      图  1  生态覆盖垫的保水效果

      Figure 1.  Water holding capacity of ecological mulching mats

    • 图 2可知,两类生态覆盖垫的透水能力差异较大。对于小粒径原料制备的生态覆盖垫,其渗透时间随着施胶量的增加而逐渐增加,当施胶量不高于30%时,渗透时间增加幅度相对较低,但当施胶量达到35%时,渗透时间则大幅增加并显著高于其他低施胶量处理,当施胶量为40%时,渗透时间最高,为13.25 s。造成该结果的主要原因在于随着施胶量的增加,生态覆盖垫中的透水孔隙逐渐被填充,因而渗透时间增加。而随着施胶量的增加,大粒径原料制备的生态覆盖垫的渗透时间并没有明显变化,均在2 s以内,这主要是因为此类生态覆盖垫内存在较多的透水孔隙,水分极易透过孔隙穿过生态覆盖垫。

      图  2  生态覆盖垫的透水能力

      Figure 2.  Water permeability of ecological mulching mats

    • 图 3图 4可知,在最初的0~2 h内,随着浸泡时间的增加,两类生态覆盖垫的持水量均迅速增加,吸水速率迅速下降,且小粒径原料制备的生态覆盖垫持水量上升更为明显,之后随着浸泡时间的增加,均大致呈现缓慢增加的趋势,齐瑞等在对地表枯落物的研究当中则发现在最初0~0.5 h内枯落物持水量迅速增加[28],生态覆盖垫与枯落物具有一定差别的原因可能在于制备生态覆盖垫的原料中枝条较多,而枯落物则主要由枯枝落叶构成,且落叶较多,落叶的吸水能力要明显高于枝条。当浸泡6 h时,生态覆盖垫的持水量基本达到饱和,吸水速率变化逐渐减小并趋于平稳,而在枯落物的许多研究当中,半分解层和未分解层则均在浸泡8 h时基本达到饱和[29-31]。24 h生态覆盖垫吸水基本停止,表明其吸水达到饱和,这与徐娟等关于森林枯落物的研究中其吸水速率的变化较为相似[32],但生态覆盖垫的吸水速率与枯落物相比下降更慢,吸水速率减缓的时间也相比更早,这也可能也与两者的组成差异存在较大关系。

      图  3  生态覆盖垫的持水量变化

      Figure 3.  Changes in water holding capacity of ecological mulching mats

      图  4  生态覆盖垫吸水速率变化

      Figure 4.  Changes in water absorption rate of ecological mulching mats

      对浸泡0.25~24 h的2种粒径原料5种施胶量共10种生态覆盖垫的持水量、吸水速率与浸泡时间进行回归分析,结果如表 2所示,得到持水量与浸泡时间之间存在着如下关系式:

      表 2  不同生态覆盖垫持水量、吸水速率与浸泡关系

      Table 2.  Correlations between water holding capacity, water absorption rate and immersion time of varied ecological mulching mats

      粒径
      Particle size
      施胶量
      Adhesive proportion/%
      持水量与浸泡关系式
      Equation between water holding capacity and immersion time
      吸水速率与浸泡关系式
      Equation between water absorption rate and immersion time
      小Small
      (0-1 cm)
      20 Q=161.9ln(t)+831.6, R2=0.94 V=803.3t-0.82, R2=0.97
      25 Q=197.3ln(t)+911.3, R2=0.93 V=869.1t-0.80, R2=0.95
      30 Q=237.3ln(t)+987.5, R2=0.97 V=934.5t-0.78, R2=0.98
      35 Q=215.5ln(t)+968.3, R2=0.97 V=924.9t-0.79, R2=0.99
      40 Q=159.3ln(t)+718.2, R2=0.95 V=677.7t-0.79, R2=0.96
      大Big
      (1-3 cm)
      20 Q=113.7ln(t)+446.8, R2=0.99 V=423.1t-0.77, R2=0.99
      25 Q=113.2ln(t)+486.7, R2=0.99 V=465.5t-0.79, R2=0.99
      30 Q=133.3ln(t)+516.7, R2=0.99 V=493.6t-0.77, R2=0.99
      35 Q=141.6ln(t)+516.7, R2=0.99 V=488.7t-0.76, R2=0.99
      40 Q=127.6ln(t)+485.2, R2=0.99 V=462.3t-0.77, R2=0.99
      $$ Q=a \ln (t)+b $$

      式中:Q为生态覆盖垫的持水量,g/kg;t为浸泡时间,h;a为方程系数;b为方程常数项。

      吸水速率与浸泡时间则存在着如下关系式:

      $$ V=k t^{n} $$

      式中:V为生态覆盖垫吸水速率,g/(kg·h);t为浸泡时间,h;k为方程系数;n为指数。

      通过对10种生态覆盖垫的持水量和浸泡时间进行拟合,发现小粒径原料制备的生态覆盖垫相关系数R2均在0.93~0.97之间,而对于大粒径原料制备的生态覆盖垫而言,其相关系数R2则均可达到0.99,拟合效果均较好,这说明了利用园林废弃物制备的生态覆盖垫的持水量与浸泡时间呈显著的对数函数关系。吸水速率和浸泡时间其相关系数R2均不小于0.95,拟合效果较好,这说明生态覆盖垫的吸水速率与浸泡时间呈较为显著的幂函数关系。

    • 表 3可知,小粒径原料制备的生态覆盖垫的最大持水量为140.49~187.64 t/hm2,最大持水率在117.71%~161.62%之间。其中,随着施胶量的增加,最大持水量先逐渐增加后逐渐减小,在施胶量达到30%时生态覆盖垫的最大持水量最高。对于大粒径原料制备的生态覆盖垫,其最大持水量要显著小于小粒径原料制备的生态覆盖垫,其最大持水量为92.75~115.38 t/hm2,最大持水率在80.21%~94.57%之间。与小粒径原料制备的生态覆盖垫不同的是其在施胶量35%时最大持水量达到最大值。

      表 3  生态覆盖垫的最大持水能力及有效拦蓄能力

      Table 3.  Maximum water holding capacity and effective interception capacity of ecological mulching mats

      粒径
      Particle size
      施胶量
      Adhesive proportion/%
      最大持水量/(t·hm-2)
      Maximum amount of water holding capacity/(t·ha-1)
      最大持水率
      Maximum water holding rate/%
      有效拦蓄量/(t·hm-2)
      Effective interception amount/(t·ha-1)
      有效拦蓄率
      Effective interception rate/%
      小Small
      (0-1 cm)
      20 140.49 126.47 113.86 102.50
      25 159.02 142.48 129.59 116.10
      30 187.64 161.62 153.69 132.38
      35 186.19 155.39 152.27 127.08
      40 142.21 117.71 114.84 95.05
      大Big
      (1-3 cm)
      20 92.75 80.21 73.05 63.18
      25 102.12 85.31 80.82 67.51
      30 111.84 91.85 88.98 73.07
      35 115.38 94.57 91.97 75.38
      40 109.38 89.36 86.85 70.96

      就生态覆盖垫的拦蓄能力来看,两类生态覆盖垫的有效拦蓄量和有效拦蓄率的变化均与最大持水量的变化相似,即先增大再减小,且小粒径原料制备的生态覆盖垫拦蓄能力值均高于大粒径原料制备的生态覆盖垫,其中,小粒径原料制备的生态覆盖垫有效拦蓄量在113.86~153.69 t/hm2之间,大粒径原料制备的生态覆盖垫有效拦蓄量为73.05~91.97 t/hm2

      出现上述结果的可能原因一是小粒径原料制备的生态覆盖垫相比大粒径原料制备的生态覆盖垫其木质纤维较多且持水孔隙多,而大粒径原料制备的生态覆盖垫由于其本身材料的粒径较大,从而造成内部孔隙较大较多,水分极易在重力的作用下排出,因此小粒径原料制备的生态覆盖垫持水相比更多;另一方面,两类生态覆盖垫最大持水量均在施胶量30%和35%达到最大值则主要是由于在低施胶量的情况下,随着施胶量的增加有助于减少生态覆盖垫内部不易储水的透水孔隙并将其转化为持水孔隙,当施胶量达到一定程度时随着施胶量的增加胶黏剂则会逐渐堵塞持水孔隙,从而降低生态覆盖垫的持水能力。

    • (1) 园林废弃物生态覆盖垫存在着较明显的密度偏差现象,且随着施胶量的增加,密度偏差逐渐增大;施胶量从20%增加到35%时,两类生态覆盖垫吸水厚度膨胀率均逐渐增大,但施胶量达到40%时,吸水厚度膨胀率均减小。

      (2) 随着施胶量的增加,两类生态覆盖垫的保水效果均逐渐增强,且小粒径原料制备的生态覆盖垫整体好于大粒径原料制备的生态覆盖垫,而两类生态覆盖垫的透水能力则差异较大,小粒径原料制备的生态覆盖垫施胶量不高于30%时,透水能力较好;大粒径原料制备的生态覆盖垫透水能力强,且不受施胶量影响。

      (3) 两类生态覆盖垫的持水量与浸泡时间均存在着显著的对数函数关系:Q=aln(t)+b;吸水速率与浸泡时间则呈显著的幂函数关系:V=ktn。两类生态覆盖垫的最大持水能力及有效拦蓄能力均随着施胶量的增加先增大后减小,分别在施胶量达30%和35%时达到最强,小粒径原料制备的生态覆盖垫显著强于大粒径原料制备的生态覆盖垫。

      (4) 综合生态覆盖垫的基本性能和水分特性进行分析,对于小粒径原料制备的生态覆盖垫,施胶量30%较为合适,既可以保证基本性质的稳定和较好的保水效果,又具有较强的透水能力和持水能力;对于大粒径原料制备的生态覆盖垫,则优选35%的施胶量。小粒径原料制备的生态覆盖垫更适用于较为干旱的裸露土壤,降雨较多地区的裸露土壤则更适合使用易于透水的大粒径原料制备的生态覆盖垫进行覆盖。对于园林废弃物生态覆盖垫的抗压耐用性、抗风蚀能力及经济性则还需进一步探究。

参考文献 (32)

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