生物可降解聚乳酸（PLA）材料在防沙治沙中的应用研究
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摘要
PLA纤维是一种生物可降解纤维,使用后借助于土壤中微生物的作用会分解成二氧化碳和水。本文以由日本东丽公司生产的PLA纤维织物为研究对象,于2007年至2009年间,分别在乌兰布和沙漠和毛乌素沙地设置了3个试验区,采用室内实验与野外观测相结合的方法,对PLA纤维材料在作为沙障材料使用时在施工设计、防护效益、灵活使用、材料在使用后本身的降解特性及降解影响因子等方面进行了全面系统的研究,并且对PLA沙障的推广应用前景也进行了探讨,主要结论如下:
(1)PVC管+剪刀的施工方法简便、高效,PLA沙障的施工受天气及立地条件影响较大,土壤水分含量影响施工速度,坡面坡度影响障体稳定性,格状沙障的稳定性较带状好。材料经煮沸处理后可显著改善障体漏沙现象,处理后材料基本指标(长度、质量、周长等)都会发生不同程度的变化,但对整体施工速度的影响不大。
(2)PLA沙障在参考传统方式设置时即起到了很好的防护效益。a. PLA沙障内风速廓线呈现独特的“S”型变化规律,对近地表风沙流结构的影响也较大,可以明显降低近地表风速,增加地表粗糙度,改善地表蚀积状况。b. PLA沙障对于植被恢复具有促进作用,沙障规格、沙丘部位及障体保存情况都对障内植被恢复有重要影响。c.坡位对于障内表层土壤含水量的变化有显著影响,沙障规格之间无显著差异,与裸沙丘相比,PLA沙障有助于提高深层土壤的含水量,对于深层土壤则具有一定的恒温作用。沙障设置一年后土壤机械组成没有发生明显变化,土壤中速效养分含量却有较大变幅。
(3)PLA沙障因其可操作性强而具备多种配置方式,从利于沙丘稳定的角度来看,新月型沙丘的理想配置方案为:坡底、坡下铺设1m×1m的小规格,坡中设置1.5m×1m规格,其中长边走向垂直于主风向,坡上设置2m×2m规格。PLA沙障的集流输沙效果体现迅速且明显,在风力治沙领域潜力很大。
(4)PLA纤维作为沙障材料在沙区使用时,材料的机械性能受风沙活动影响最大,光照和水分影响次之。PLA沙障设置一年半以后,材料平均分子量有所下降,但降幅不大,纤维表面整体保持完好。PLA纤维材料在高温高湿条件作用下能够迅速降解,温度越高,降解速度越快,且沙内快于沙表。土壤水分含量对材料降解也有显著影响,且水分含量越高,降解速度越快,且沙表快于沙内。土壤基质对材料降解也有影响。
(5)与草方格沙障及沙柳沙障相比,PLA沙障材料成本较高,但运输、施工费用均较低,使用寿命长,维护费用低。综合分析认为PLA沙障具有很大的发展潜力及广阔的推广应用前景。
The PLA is a kind of biodegradable fibre. It can break into CO2 and H2O under the soil microorganism work. This paper takes the PLA fabric introduced from TORAY. JP as the study object. From 2007 to 2009, we choose 3 experimental areas in the Ulan Buh desert and the Mu Us Sandy land. By using the indoor experiment and outdoor observation methods, the construction & desining way, combating desertification effects and the material degradable characters of the PLA sand barrier have been studied in this paper. Meanwhile, the porpularization and application foreground also been discussed. The mainly conclusions are as follows:
(1) The construction method which using the PVC tube + scissors is very convenient and efficient. Both the weather and site conditions have strong influence on PLA sand barrier construction. The soil moisure can influence the construction speed and the slope grade can influence the sand barrier stability. The checkerboard sand barrier is better than the stripped sand barrier. It can improve the sand-leaking phenomenon if the materials were seethed and the basic index will be changed. Improved materials almost have no influence on the construction speed.
(2) PLA sand barrier which set by the traditional style can take a good combat effect. a. the wind speed profile shows special“S”changing rule in the PLA sand barrier. The PLA sand barrier also can influence near surface sand flux structure and can reduce the wind speed, increase the roughness rate and improve the surface erosion and deposition situation. b. this kind of sand barrier can promote revegetation and all of the sand barrier size, the slope position, the barrier body perfection degree and the plant have important influence. c. slope position have notable effect on surface soil water content in the sand barrier. There are no differences among different size and the PLA sand barrier is helpful to enhance the deep layer soil’s moisure and it has the thermostatic effect for deep soil. When the sand barrier set 1 year, the soil mechnical character hasn’t notable changes and it is similar with the straw sand barrier. But the quickly nutrient content changes more.
(3) The PLA sand barrier has many kinds of configuration for its strong maneuverability. The best configuration for stabilize the crescent dune is 1m×1m small size in the bottom and the below of the slope, 1.5m×1m in the middle and the long side is perpendicular to the mainly wind direction, the up of the slope is 2m×2m size. PLA sand barrier affluence and sediment transport effect shows quickly and remarkable, so it have big potential in the wind power combat desertification area.
(4) When the PLA fabric are used in the sandy land as sand barrier material, its mechanical character is influenced by the wind and sand activity mostly, and the illumination and soil water content also can effect it. After the barrier set 1.5 years later, the fiber average molecular weight has a small decline and its surface keep well. This material can degradable rapidly in the hot and humid environment. And the higher temperature has, the faster degradable speed is. The material in the sand is degraded faster than which on the sand surface. Soil water content has notable influence on the materials degradable and the higher water content has, the faster degradable speed is. The material on the sand surface is degraded faster than which in the sand. Different soil type has different influence on the material degradable.
(5) Compared with the straw sand barrier and the Salix psammophila C. sand barrier, PLA sand barrier material cost too much and it has a lower expense for transportation and construction. Its life is longer and without maintenance cost. So by integrated analyzation, PLA sand barrier has prodigious development potential and widely popularization and application foreground.
(1)PVC管+剪刀的施工方法简便、高效,PLA沙障的施工受天气及立地条件影响较大,土壤水分含量影响施工速度,坡面坡度影响障体稳定性,格状沙障的稳定性较带状好。材料经煮沸处理后可显著改善障体漏沙现象,处理后材料基本指标(长度、质量、周长等)都会发生不同程度的变化,但对整体施工速度的影响不大。
(2)PLA沙障在参考传统方式设置时即起到了很好的防护效益。a. PLA沙障内风速廓线呈现独特的“S”型变化规律,对近地表风沙流结构的影响也较大,可以明显降低近地表风速,增加地表粗糙度,改善地表蚀积状况。b. PLA沙障对于植被恢复具有促进作用,沙障规格、沙丘部位及障体保存情况都对障内植被恢复有重要影响。c.坡位对于障内表层土壤含水量的变化有显著影响,沙障规格之间无显著差异,与裸沙丘相比,PLA沙障有助于提高深层土壤的含水量,对于深层土壤则具有一定的恒温作用。沙障设置一年后土壤机械组成没有发生明显变化,土壤中速效养分含量却有较大变幅。
(3)PLA沙障因其可操作性强而具备多种配置方式,从利于沙丘稳定的角度来看,新月型沙丘的理想配置方案为:坡底、坡下铺设1m×1m的小规格,坡中设置1.5m×1m规格,其中长边走向垂直于主风向,坡上设置2m×2m规格。PLA沙障的集流输沙效果体现迅速且明显,在风力治沙领域潜力很大。
(4)PLA纤维作为沙障材料在沙区使用时,材料的机械性能受风沙活动影响最大,光照和水分影响次之。PLA沙障设置一年半以后,材料平均分子量有所下降,但降幅不大,纤维表面整体保持完好。PLA纤维材料在高温高湿条件作用下能够迅速降解,温度越高,降解速度越快,且沙内快于沙表。土壤水分含量对材料降解也有显著影响,且水分含量越高,降解速度越快,且沙表快于沙内。土壤基质对材料降解也有影响。
(5)与草方格沙障及沙柳沙障相比,PLA沙障材料成本较高,但运输、施工费用均较低,使用寿命长,维护费用低。综合分析认为PLA沙障具有很大的发展潜力及广阔的推广应用前景。
The PLA is a kind of biodegradable fibre. It can break into CO2 and H2O under the soil microorganism work. This paper takes the PLA fabric introduced from TORAY. JP as the study object. From 2007 to 2009, we choose 3 experimental areas in the Ulan Buh desert and the Mu Us Sandy land. By using the indoor experiment and outdoor observation methods, the construction & desining way, combating desertification effects and the material degradable characters of the PLA sand barrier have been studied in this paper. Meanwhile, the porpularization and application foreground also been discussed. The mainly conclusions are as follows:
(1) The construction method which using the PVC tube + scissors is very convenient and efficient. Both the weather and site conditions have strong influence on PLA sand barrier construction. The soil moisure can influence the construction speed and the slope grade can influence the sand barrier stability. The checkerboard sand barrier is better than the stripped sand barrier. It can improve the sand-leaking phenomenon if the materials were seethed and the basic index will be changed. Improved materials almost have no influence on the construction speed.
(2) PLA sand barrier which set by the traditional style can take a good combat effect. a. the wind speed profile shows special“S”changing rule in the PLA sand barrier. The PLA sand barrier also can influence near surface sand flux structure and can reduce the wind speed, increase the roughness rate and improve the surface erosion and deposition situation. b. this kind of sand barrier can promote revegetation and all of the sand barrier size, the slope position, the barrier body perfection degree and the plant have important influence. c. slope position have notable effect on surface soil water content in the sand barrier. There are no differences among different size and the PLA sand barrier is helpful to enhance the deep layer soil’s moisure and it has the thermostatic effect for deep soil. When the sand barrier set 1 year, the soil mechnical character hasn’t notable changes and it is similar with the straw sand barrier. But the quickly nutrient content changes more.
(3) The PLA sand barrier has many kinds of configuration for its strong maneuverability. The best configuration for stabilize the crescent dune is 1m×1m small size in the bottom and the below of the slope, 1.5m×1m in the middle and the long side is perpendicular to the mainly wind direction, the up of the slope is 2m×2m size. PLA sand barrier affluence and sediment transport effect shows quickly and remarkable, so it have big potential in the wind power combat desertification area.
(4) When the PLA fabric are used in the sandy land as sand barrier material, its mechanical character is influenced by the wind and sand activity mostly, and the illumination and soil water content also can effect it. After the barrier set 1.5 years later, the fiber average molecular weight has a small decline and its surface keep well. This material can degradable rapidly in the hot and humid environment. And the higher temperature has, the faster degradable speed is. The material in the sand is degraded faster than which on the sand surface. Soil water content has notable influence on the materials degradable and the higher water content has, the faster degradable speed is. The material on the sand surface is degraded faster than which in the sand. Different soil type has different influence on the material degradable.
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引文
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