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  中国水土保持科学   2024, Vol. 22 Issue (5): 9-21.  DOI: 10.16843/j.sswc.2022109
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引用本文 

赵平, 赵廷宁, 闫承琳, 郭小平, 刘东, 刘子昕. 喷播绿化技术的起源与发展[J]. 中国水土保持科学, 2024, 22(5): 9-21. DOI: 10.16843/j.sswc.2022109.
ZHAO Ping, ZHAO Tingning, YAN Chenglin, GUO Xiaoping, LIU Dong, LIU Zixin. Origin, development and prospect of spray seeding technology for land greening[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2024, 22(5): 9-21. DOI: 10.16843/j.sswc.2022109.

项目名称

林业行业标准修订项目《林用水力喷射播种机》(2023-LY-057)

第一作者简介

赵平(1955—), 男, 学士, 研究员。主要研究方向: 工程绿化技术及装备。E-mail: 13901058522@139.com

文章历史

收稿日期:2022-06-06
修回日期:2024-01-31
喷播绿化技术的起源与发展
赵平 1, 赵廷宁 1,2, 闫承琳 3, 郭小平 2, 刘东 3, 刘子昕 3     
1. 北京林业大学边坡绿化研究所, 100083, 北京;
2. 北京林业大学水土保持学院, 100083, 北京;
3. 中国林业科学研究院木材工业研究所, 100091, 北京
摘要:喷播绿化起始于美国高速公路建设期边坡水土保持需求, 是以流体力学、土壤学、植物学等学科理论与技术为基础, 能迅速大面积覆盖裸露边坡, 防治水土流失, 构建具有景观价值的一种机械化植被建植技术, 在裸露边坡植被恢复工程中占据着越来越重要的地位。笔者结合研发和工程实践, 在全面研读喷播绿化技术相关资料的基础上, 从工艺流程、设备性能、资材配制等方面阐述美国、日本、中国3个国家喷播绿化技术的起源与发展。通过深入剖析比较, 发现我国存在喷播技术体系尚未成熟, 技术标准规范滞后, 机械装备定型量产不足, 资材标准化、产业化程度低等问题。要扭转粗放管理, 实现绿水青山再生价值, 完善喷播技术体系, 加强喷播技术行业规范, 补齐机械装备短板, 注重环境保护与生态修复相结合。这是喷播技术发展的必由之路。
关键词喷播    客土喷播    湿法喷播    植被护坡    生态修复    
Origin, development and prospect of spray seeding technology for land greening
ZHAO Ping 1, ZHAO Tingning 1,2, YAN Chenglin 3, GUO Xiaoping 2, LIU Dong 3, LIU Zixin 3     
1. Slope Revegetation Institute, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China;
2. School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China;
3. Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, 100091, Beijing, China
Abstract: [Background] Spray seeding for land greening in created from the United States highway construction period slope soil and water conservation needs, is based on the theory and technology of fluid mechanics, pedology, botany and other natural sciences. It can quickly cover a large area of bare slope, soil erosion control, construction of a mechanized vegetation construction technology with landscape value, occupies an increasingly important position in the bare slope vegetation restoration project. [Methods] The authors, as the first researchers to introduce, improve and develop spray seeding technique in China, combined with R&D and engineering practice, based on a comprehensive study of the relevant information of spray seeding technology, expounds the origin and development of spray seeding technology in the United States, Japan and China from the aspects of process flow, equipment performance and material preparation. [Results] 1) Spray seeding technology originated from the promulgation of soil erosion control regulations and the development of road greening in the United States, and then gradually evolved into the fields of courtyard greening, golf course construction and environmental protection. Since the invention of hydraulic spraying technology model registration in 1953, the United States has successively derived hydraulic spraying fiber coating and convenient ornamental grass spraying technology. With the spread of the concept of low-impact development in the 19th century, the application range of spray seeding technology expanded from surface soil improvement to vegetation habitat optimization to vertical layered structure of soil reconstruction. 2) Japan is a mountainous island country, prone to natural disasters, serious soil erosion, thus in 1960 it introduced from the United States jet highway embankment slope ecological protection. Subsequently, based on the technology of Europe and the United States, Japan has developed a variety of methods such as organic earth slurry spraying, thick layer substrate spraying technology, high-order pelleting technology and continuous fiber greening technology. In the aspect of spray seeding machinery, transplantation and modification are combined with independent innovation, and the material technology is dominated by independent production and supplemented by import. 3) The introduction of spray seeding technology in China was relatively late. With the improvement of national economic strength and the improvement of environmental protection policies, the spray seeding with fiber coating covering to prevent soil erosion, the seeding with vegetation restoration as the goal, the seeding with surface soil improvement, and the systematic classification of bare rock and passenger soil in surface soil layer have been completed, and the localization of spray seeding technology application and the autonomy of equipment production have been gradually achieved. [Conclusions] At present, it is imperative to reverse the extensive development, understand the regeneration value of clean water and green mountains, improve the spray seeding technology system, strengthen the industry standard of spraying technology, supplement the short board of mechanical equipment, and pay attention to the combination of environmental protection and ecological restoration.
Keywords: spray seeding    guest soil spray seeding    hydro-spray seeding    slope protection of vegetation    ecological restoration    
1 喷播技术的起源

播种技术是农耕社会背景下具有基本的仿生理念又超越植物自主繁衍竞争播种[1]的人工播种方式,产业机械化更迭是与时俱进的时代产物[2]

喷播技术是在美国水土流失防治法规严控和草坪产业蓬勃发展,以及大规模基础设施建设背景下产生的一种工程防护与生物防护相结合的机械化植被建造技术,完全不同于食源性植被种植和资源性植被种植传统技术模式[3]。它由原创工艺技术概念、特制机械技术装备、特有资材技术体系等组成,相互关联、相互支撑、相互影响。

喷播技术依据流体动力学原理,借助水流、气流混合载物的能力完成远距离、大面积喷射和生境改良的复合播种工艺流程,能够同时达成立竿见影的初期覆盖防治水土流失以及远期植被生态防护和景观美化的渐进式综合目标,是仅次于飞播的高效率机械化精准播种技术模式。

喷播技术涉及到工艺流程、设备性能和资材配置3个技术环节,施工目标可以按设定的工艺流程实现,也可以通过优化工艺流程或改进设备性能、资材性能获得更好的技术价值结果。

其中生态修复技术装备构建起地表植被修复、表层基质重建、基坡生态安全的立体全方位的高质、高效建设装备体系,不仅仅是满足地表植被显性修复状况,而是关乎植被与表土相互依存的生态系统自维持能力,关乎降低生态损伤的水环境滞、蓄、渗、净、用、排肌理重构,技术上满足不同的地表损毁程度所需生态修复各个层级设计需求(图 1),建设上满足不同损毁程度工程绿化技术模拟风化层、腐植层、枯落层、植被层等各种仿生基质的表土重建需求。对于仅是植被退化、灭失的轻度损毁可直接采用水力喷播装备按枯落物、腐殖种质仿生技术实施防护性种植修复工程;对涉及成熟土壤深度损毁至母质、砾质层的可采用气流喷播装备按不同目标植被需求的腐殖土仿生技术实现轻质有机固废资源循环利用重建表土,必要时结合水力喷播技术做表层防护性草被种植;而损毁涉及基岩层且裂隙欠发育,则可采用图 2所示3类机械装备分层级修复高容重砾质渗流层、轻容重须根客土层及表面种质覆盖纤维层,从而高质、高效实现近自然的水环境、土壤环境、植被环境综合生态修复目标。

图 1 地表损毁程度与生态修复的层级需求 Fig. 1 Hierarchical needs for surface damage and ecological restoration
图 2 地表生态修复工程技术装备 Fig. 2 Technical equipment for surface ecological restoration engineering
2 喷播技术的发展 2.1 美国

研究者最初是用鼓风机械将农业生产剩余物均匀喷撒覆盖在建设终结的裸露地表,替代灭失的植被遮盖土壤以降低侵蚀的发生,继而找到造纸与草坪产业相关技术融合创意点,于1953年发明“水力播种”技术(hydro-seeding)。它以草坪种业、种植业及机械工程为基础,不再依靠重力、离心力在机位下或几米开外播撒种子,而是用一个小型卧轴纸浆打浆池与拖车上排污水泵组合,借助水动力将植物种子和覆盖物逆势喷射到十几米至几十米开外的裸露坡面上,以水溶覆盖物浆液遮盖裸露坡面、保育种子,以优化立地条件、辅助恢复植被,遮蔽、稳固裸露坡面,达到快速修复的目标。喷播技术面世后迅速发展成为美国草坪建造商和生态保护从业人士首选的高效建植技术,成为草坪业、水土保持、环境保护、生态修复领域攻坚克难的主力战车[4-5]。这种工艺和机器的应用大大提高边坡绿化的施工效率,弥补植生带技术和机械撒播技术原有的不足,基础技术概念为Hydroseeding®、Hydromulch®[6]。水力播种与液压马达驱动的技术与装备概念申请专利,但很快就被竞争者破解,拓展到庭院绿化、高尔夫球场建设、环境保护等领域。从技术模式注册发明至今始终在演变、完善、发展、成长,以工艺创新、装备创新、资材创新,裂变出或简或繁、异曲同工的技术模式。

平缓弃渣平台和下边坡在雨季前喷射细碎稻草等有机纤维覆盖裸露面[7]。这是美国在大环境保护领域创造的依靠流体动力喷射输送种子、覆盖物、表土层的专有技术模式。Hydromulch®是以纤维覆盖的工艺技术概念规避水力喷射播种的实质性创新,以强调纤维覆盖化解面蚀的水土保持技术从事相同的喷播技术运营;而Easy Lawn®则以错位市场避开了水力喷射播种技术的正面冲突,以简易设备、简易资材、零散小规模建植市场从事相似的工程技术运营[8]。由此产生没有搅拌器更没有液压马达的塑料桶卧式罐体与污水泵组合的庭院草坪射流搅拌水力喷播机(图 3)。内燃机污水泵组与闸阀管路组成抽水灌装、罐内循环搅拌、外排喷射,3个单元联通系统分别完成喷播工艺流程的灌装、搅拌和喷射的3阶段任务。

图 3 射流搅拌水力喷播机及庭院草坪施工 Fig. 3 Hydro-seeding with jet stirring in the operation for courtyard lawn

而设备、资材必须满足喷播工艺技术指标要求才会取得好的施工效果。图 4所示湿法喷播工艺流程综合技术从终极目标回溯有3阶段特性:首先是浆液落坡的成土特性,1)浆液与目标坡面的结合强度,不易脱落;2)覆盖层均衡的力学结构,抗侵蚀、不松懈;3)覆盖层的改良生态理化指标,利于种子萌芽生长。其次是浆液喷射过程中的流动特性,包括混料罐、管路系统、喷枪机械体内流动和喷射流延展散开、浆液落坡3个阶段的特性,资材调配流淌成浆在3个阶段都要体现出良好的动态性能指标;设备要完全满足3阶段浆液浓度、稠度、黏度宽泛的指标范围顺畅运行[9]。再次是资材与水混合配制成浆的装料、搅拌特性,包括资材本身的分离、亲水的浸润特性,不同粒径、质量的颗粒悬浮特性,粉、液、添加剂与水相互间的交融特性;设备功能要能够趋利避害,保障工艺技术全过程运行顺畅。如:美国的水力喷播植物胶是冷水胶粉,入水即溶,不会产生粉芯团粒或黏坨,具有良好的搅拌特性;植物胶水溶液具有润滑作用,不会滞留挂壁增加流动阻力,具有良好的流动特性;浆料落坡后因蒸发由表及里逐步脱水,胶液黏结力因脱水持续增强,外表结皮有益抑制内水外散延长湿润期,具有良好的稳固特性[10]。再如:喷播专用木纤维,材质、长细比、筛分值比例是按喷播工艺技术特性择定的;浸润易溶水,散浮不结团;不同体量的纤维升浮力与不同千粒质量的种子下沉力有一定的对应关系,在停止浆液搅拌时不同质量颗粒产生的沉降干涉会延缓沉淀分层时间、维持混合浆液悬浮状态,具有良好的搅拌特性;符合工艺要求的纤维浆液不结团、不挂壁、不沉底,具有良好的流动特性;浆液喷射落坡后,自由水流失,木纤维相互交织成毯状覆盖坡面,依靠不低于自身质量(干质量)10倍的持水能力延续表土湿润期,呵护苗墒,具有良好的稳固特性[11]。性能优异的喷播机械设备应具备较宽泛的工艺技术和资材技术指标适应能力。

图 4 湿法喷播工艺流程综合技术性能指标体系 Fig. 4 Comprehensive technical performance index system of hydro-spray seeding process

垃圾填埋场规范要求用厚土层覆盖措施分隔垃圾填埋层,以解决臭气散发、渗滤液下渗流淌、不均衡沉降等诸多过程管理难题。黏稠的覆盖剂以cm计的覆盖层可以达到数十厘米厚的土层覆盖密闭效果,从而释放出约25%的填埋空间容量,延长填埋场区服务年限,节约土地资源。然而,原有标配的离心泵无法胜任高黏稠度除臭剂的喷射技术要求,因此衍生出螺杆泵喷播机,丰富喷播机械家族型谱系列。这是喷播机械设备适应喷播工艺技术要求的改进案例之一[12]

美国高速发展的经济和广大的疆域提供充足的市场容量,高度发达的种业、木材加工业、农资产业很快就完成了喷播技术所需的喷播覆盖纤维、黏合剂、保水剂、有机肥、土壤调理剂等系列添加剂的专业化、产业化配套,不仅有力支撑高尔夫球场的大规模发展,也为二战后高速公路网建设水土流失防治和生态修复工程提供保障,还为20世纪70年代启动的生产建设损毁地生态修复,为90年代的低影响开发技术,提供工程技术机械化施工的保障。有机固废循环利用目前已成为发达国家配制营养土重建表土的主要资材产品[13],专用机械装备也因此持续得到丰富完善。

20世纪90年代,美国倡导低影响开发理念,主要通过生物滞留设施、屋顶绿化、植被浅沟、雨洪利用等措施来维持开发前原有水文条件,控制径流、降低污染、减少排放,实现开发区域可持续水循环[14]。喷播技术不仅有更多的应用空间,更是从表层土壤改良优化植被生境拓展到土壤重建的垂向分层结构领域。高速皮带抛射机械参与表土重建,通过粒径层级结构叠复混配,不仅改善优化下凹绿地、雨水花园、生态草沟底土层抗侵蚀和均衡入渗状况,也为气流喷播、水力喷播创造更多的优势建植基础条件,完善生态修复多维空间、多层级土壤基质一体化、机械化施工技术体系。美国的生态草沟、雨水花园等低影响开发技术概念的实现是具备与之相匹配的专项技术及装备支撑的。

在美国城乡结合部的固废处置和种植土生产基地,经营者可以提供菜单式服务,以无害化处置的几种固废材料配制出近百种各类工程需求的种植土,熟料、半成品、成品都可点到点送货,甚至提供技术咨询、施工机械租赁等一条龙服务。模式类似于我们的预拌混凝土基站,但服务面覆盖园艺超市、私家园林、市政工程、建设工程等各个与植物种植相关领域。

2.2 日本

日本在1897年就追寻奥地利立法施治,颁布3部相应法规,重点应对日本以重力侵蚀、混合侵蚀为主要特征的水土流失问题[15]。1958年大阪府采用水泥喷射机辅助山地造林,后发展成“厚层基材绿化”技术。1960年引进美国液力喷播机以及喷射专用的纤维材料,助力名神高速公路路堤边坡的生态防护。1965年,日本实现了边坡喷射纤维规模化的本土生产。在日本“斜面绿化协会”(绿化工程研究会的前身)及其专业刊物推动下,1973年发明“纤维土绿化”工法(fiber-soil greening method,FG),自此岩质边坡生态防护工程领域湿法喷播技术与厚层基材喷射工法并驾齐驱。1983年创新“高次团粒绿化”技术(soil flock greening method,SF)。1987年将法国的连续纤维加筋土技术融入到SF技术,形成连续纤维绿化技术(textile soil greening method,TG)分支,使SF、FG成为日本近30多年最常用的2种喷播工法[16]。主流机械施工主要包括种子喷播法、客土喷播法、厚层基材喷播法等[17]

厚层基材技术是直接移植喷混技术体系和改进的立式卧轴双罐体混凝土喷射机械,配制的轻质有机物材料通常超过客土质量的50%,粗纤维较多、交织性较好,同等情况下喷覆厚度较之其他工法可略有增加[18]。仅使用木材破碎纤维的孪生简易工法称为诱导喷敷技术。从典型的工艺流程布置(图 5)可以看出:1)成套设备是由空气压缩机(气流动力源)、喷播机、发电机、水泵、皮带上料机等简单组合而成,异地施工都要实施一次机组的拆装组配;2)种子、资材是由通用商品、定制商品、自制有机基材等在现场称量配制而成;3)施工只能在有限条件的定点场地实施。其工艺技术特点除具备暖湿带高陡岩质边坡技术优势而外,其设备、资材的技术成熟度都远不能与美国同时代的干法客土喷播技术相提并论。

图 5 日本厚层基材吹敷技术工艺装备布置图 Fig. 5 Equipment layout of thick substrate blowing technology made in Japan

高次团粒喷播技术是日本将水力喷播技术拓宽到基质输送领域革命性技术改进,涉及到工艺、装备和资材3方面关联技术[19]。工艺上增加了剥离表土回用的喷射输送成分,使喷播技术不仅可以喷送植物种子及纤维覆盖物,还可以输送表土,直接应对裸露岩质高陡坡面。高次团粒技术原创装备(图 6)结构上是分仓搅拌泥浆、胶液,规避高黏稠度浆液搅拌和喷射阻滞力问题,使用不同类型的混流喷枪可以形成不同类型的客土层。资材上针对客土质地选择性能匹配的高次团粒剂,实验确定配剂量和反应时间等参数,确定合理的客土配方。泥浆喷射滞空时发生化合反应变化,泥浆在落坡时土壤颗粒依附于立体结构的高聚合分子絮桥形成海绵土体,泥水分离滞留在钢丝网包络网面上。为保障喷播工程效果,可更换不同类型的混流喷枪,以适应有机纤维、连续纤维等泥浆客土增强措施。

图 6 日本高次团粒技术及双罐湿法喷播机 Fig. 6 Soil flock greening method and hydro-spray seeding with double tanks made in Japan

有机纤维泥浆喷播技术是“厚层基材”与“水力喷播”的融合体,是高次团粒技术的孵化蝶变基础,采用自制的三立方低压容器搅拌罐(图 7),卧轴转笼式搅拌器,软管蠕动泵喷射。

图 7 日本压力容器转笼搅拌罐水力喷播机 Fig. 7 Hydro-spray seeding with pressure vessel rotary cage agitator made in Japan

日本客土喷播技术都基于高陡边坡喷混技术的挂网工艺,作为喷覆客土层的骨架,锚固在裸露岩石表面的钢丝网会形成有一定弹性间隙的包络网面,适用坡度范围在65°~75°以下。有机固废转化是客土的资源和技术支撑。生产、生活产生的有机固废在无害化处理、定向转化后又回馈到损毁土地的生态修复领域,形成农业、园艺、绿化、环保4大类有机客土产品,有的从超市进入流向千家万户的花卉园艺市场,有的通过专业服务公司供给园林绿化建设企业,有的直供专业、专属工程项目(图 8)。

图 8 有机营养土生产制备工艺流程 Fig. 8 Production equipment and process for organic nutrient soil

由于日本面积小,地域特征强,市场容量较小,日本喷播机械以移植改装和自主创新相结合,2~4 m3小中型为主;基质资材以有机堆肥、有机固废转化技术自产自用为主、进口为辅,工艺技术流程呈多样化,在日本工程建设市场饱和后迅速萎缩,没有形成国际化专有技术品牌[20]

2.3 中国

我国的喷播探索也从水土流失的生物防护技术研究开始。辽宁省水土保持研究所1980年起曾历时5 a在辽西碦左县进行迷雾喷粉机喷播草种绿化实验。原内蒙古林学院在试制的4BQD型气流喷播机试验中遭遇种子破损的重挫。1989年第4期的《水土保持科技情报》首次介绍“水力喷播绿化”新技术[21]。在大亚湾核电站建设施工应用喷播技术的同时,广东省水利水电科学研究院也从香港引进喷播机在华南一些地区进行试验。之后,国内学者开始对喷播技术的适宜立地条件、护坡工艺、施工材料以及喷播基材等进行研究改进,一些科研单位开始考察、研究喷播技术为引进技术开展应用科研实验做准备[22],如北京林业大学的中日技术合作《中国黄土高原治山技术培训》项目于1991年在位于晋西黄土区的山西吉县进行了喷播试验[23]。1995年北京国际环保展览会上,瑞士的[FNNI]喷播设备代理服务商推出“绿色再生系统”概念并与国内多家单位签约技术合作,启动商务交易。1996年王晓东在东北林业大学机械系的帮助下申请注册了带有日本技术特征的《喷敷式绿化播种机》(ZL96245427.3.)并完成样机试制,开启了国内水力喷播机械规范研发、制造的先河[24]。随后,几大省、市和部委主管单位先后成立专业运营公司进口设备、资材开展水力喷播应用技术研究和工程实践探索。1999年,李和平等[25]介绍从瑞士及澳大利亚进口设备、资材开展“水力喷播技术引进及试验研究”的初步成果。同年,全国绿化委员会在昆明召开高速公路喷播工程示范项目现场会,对工程绿化机械施工技术予以肯定。随后,北京林业大学草坪研究所跟进做云南高速公路喷播草被生态恢复跟踪观测研究。交通运输部科学研究院在借鉴和研究日本护坡技术基础上,在内江至昆明、株洲至六盘水等铁路及惠州至河源高速公路进行客土改良的现场试验,提出客土喷播施工技术适用条件、植物种类选择等关键技术,提出工程设计、绿化设计及施工工艺改进建议。水力喷播从沈大高速公路建设期的民企、外企试探性介入,转为国家支持推广技术应用阶段。液压喷播、三维网喷播、植被混凝土、挂网喷播等技术概念层出不穷,应用市场日渐发育、迅速成长。

新世纪伊始,国家开始关注复杂地貌高速公路建设区裸露岩石边坡的复绿问题,交通运输部科学研究院环保室[26]发文专题介绍日本公路边坡绿化与防护,以及客土喷播概况,并在前期研究的基础上引进日本三和有机纤维泥浆客土喷播成套技术,继而由北京三丰大地生态科技有限公司联合北京林业大学工学院、中国林业科学研究院国家木材工程技术研究中心配合交通运输部科学研究院环保室完成该项技术的消化、吸收和市场化应用工作[27]

同期,北京师范大学协助北京路域生态公司完成了日本“厚层基材”成套技术引进、应用与消化吸收,在华北地区取得不错的业绩,之后被遍地开花的转子式喷射机替代装备以及弃土取代有机基材的有力竞争取而代之[28-29]

此外,青岛冠中引进推广日本“高次团粒绿化”技术,深耕山东、遍及全国市场,最终转型上市[30]。至今为止,高次团粒技术依然得到市场认可,但青岛冠中已将技术内涵根据本土实践丰富完善,设备也不再是小巧的日本原型机。正是高次团粒技术本土化消化吸收、改良应用的坚持发展,使形似美式湿法喷播的泥浆客土喷播技术模式得以延续。

国内曾有2种借用混凝土喷射机的喷播模式,成为进口技术形式的装备替代。厚层基材技术借用国产立轴转子式干法混凝土喷射机(图 9),代替日本式立式卧轴双筒喷射机,

图 9 立轴转子式干法混凝土喷射机 Fig. 9 Dry concrete sprayer with vertical shaft rotor

同样的空气压缩机等辅机以及配制的有机材料,但国产气流喷射机没有根据有机材料特性做技术参数调整,喷射施工经常会因堵塞误工,当有机材减量成为竞价秘籍,终结了“厚层基材”技术的发展。另外一种是借用预拌混凝土拖泵(图 10)的湿法喷播技术,可以将浓度更大的泥浆输送到更远、更高的地方,完成大方量输送。同样,借用的机械装备更适用于既有设计范围的粒径、组份、黏稠度施工,无法按照客土喷播技术要求做立地适应性调整,仅适用于高难度抢工的铺底施工。

图 10 预拌混凝土拖泵的湿法喷播技术 Fig. 10 Hydro-spray seeding technology by ready-mixed concrete drag pump

如今,喷播技术应用市场已从早期的园林绿化工程、高尔夫球场建植工程、高速公路边坡绿化工程转向建设工程生态修复和矿业生产废弃地生态修复领域。从业者盛衰流转而总量随市场持续增长,相关专利技术也持续增长。喷播机械装备根据市场需求、工艺技术演变、资材产业发展逐步形成既有美日技术融合烙印又有中国本土发展特色的风格。河南恒睿、河北森力克、福建盛田等都已发展壮大成为国内泥浆客土喷播机骨干,其喷播机械产品都兼备纤维种子喷播、泥浆客土喷播基本功能又各具特色,都增设了独到的应对现场取土优化辅助装备和高次团粒技术配套附件,不仅化解了国内泥浆客土技术发展因资材生产不规范的“粗粮卡喉”障碍,也促进主机的销售、拓展了辅助产品的营销份额。喷播机械的动力系统、泵组系统、搅拌系统、操控系统与美日技术原型机都有较大的改进,更适合国内的工况需求。

纵观国内喷播技术发展状况,主体是以美、日技术为基础,但多渠道引进造成同宗不同源、同源不同签的乱象,因商业推广理解差异产生的说词很多;消化吸收后新技术模式概念层出不穷,但大多只是在引进原型技术模式或工艺或装备或材料的单一环节上的辅助措施创新,具有实质性创新内涵且被市场认可的很少。北京绿之源的生态棒技术是市场认知度、认可度比较高的喷播辅助技术之一。三峡大学因地处湿热条件优越的山区,其植被混凝土技术(喷混植生)也脱胎于混凝土喷射技术。初期,其工艺技术、装备技术、资材技术都以干法(干混料)喷混技术为基础,改性水泥为核心。基本原理是要保持喷混技术原有依附强度的优势以抗侵蚀,弱化水泥不利于植物生长的碱性指标,增加孔隙以改善不利于植物生长的板结状况。三峡大学不断改进其特色喷播技术的工艺、设备、资材等,初步完成湿法(水拌合)软管泵送加气喷射的一体化施工装备试制,工程技术效果不断得到改善,对岩质崖坡、陡崖植被生态修复工程应用有明显优越性。

GB/T 38360—2019 《裸露坡面植被恢复技术规范》将有待恢复植被的基础坡面质地分为土质、砾质和岩质3大类;将基坡坡度分为微、缓、斜的宜植坡度,陡、急、险的可植坡度和难以种植的崖坡3段9级。这个规范使包括喷播技术在内的各类植被恢复技术有了可量化的评估依据[31]。就目前国内较成熟的3类水力喷播技术模式而言(图 11),源自美国的纤维种子喷播技术仅具备播种和纤维覆盖的基本功能,纤维覆盖膜只有保墒和抵御击溅侵蚀的作用,适宜用于微、缓、斜适宜种植的土质坡段,有前置措施条件的亦可以放宽用于更陡的坡;国内改进发展的三维网喷播技术具备滞留种子和轻质土壤能力及有限的抗拉强度,适宜用于斜、陡、急可以种植的母质土、砾质岩坡段;而源自日本泥浆客土喷播技术必须借助钢丝网锚固措施用于可以种植的陡、急、险砾质和岩质坡段表土重建与播种,在有效措施辅助下可以放宽到难以种植崖坡段。

图 11 国内3种常见湿法喷播技术模式 Fig. 11 Three domestic hydro-spray seeding technical modses
3 建议

欧、美、日喷播技术曾是国内应用的先导。美国水土保持立法较欧、日晚,却因建设规模需求较其他发达国家更大,率先发明且长期占据技术领先地位;日本法规理念先行,跟进较早,独具特色,其客土喷播技术曾深刻地影响着我国高陡边坡生态修复技术发展;我国集众之长、百花齐放,但至今还具有一定技术差距[32]。虽具有巨大的建设增量、废矿存量市场需求,30 a来却没有形成独具特色的工艺、设备、资材技术(标准)体系。

发达国家经济基础较好,普及率较高,但因自然条件和社会基础的不同,美洲、欧洲、澳洲、亚洲发展并不均衡,其中欧洲、澳洲都有美式喷播技术的代理服务商,参与资本运营、技术研发、生产制造、产品营销、工程咨询全过程服务,客户遍布全世界,运营模式也基本相似。

喷播技术工艺技术理念是及时解决水土流失和重建植被生态防护功能(图 12);其机械装备技术着眼于与基础设施建设同步的低成本、高效率精准施工;其资材技术注重能满足工艺技术要求优质产品的产业化、商品化。从工艺技术目标性而言可以分为以防止水土流失的纤维覆盖喷播,以植被恢复为目标的播种喷播,以改良表土状况的纤维添加剂播种喷播,以重建表土层的裸岩客土喷播等类型;从工艺技术措施而言可以分为直接喷播,挂网喷播,组合喷播(加辅助措施)等类型;从喷播机械装备技术而言可以分为水力喷播技术、气力喷播技术等;还可以依据喷播的添加材料区分有机纤维喷播、连续纤维喷播、高次团粒喷播等等。由于文字翻译以及不同专业技术概念差异等问题,在许多文献资料都有将源于美国的水力播种技术、液压驱动搅拌喷播机解读为液压喷播技术或流体播种机,将源于日本的松散物料客土技术解读为客土吹敷技术,而将泥浆客土技术解读为客土喷敷技术,混淆了喷播工艺技术特征与喷播机械技术特征。水力播种原创技术发明有2个含义,一是流体播种工艺技术特征,二是液压马达驱动、正反转无级变速搅拌功能的装备技术特征。流体播种的翻译没有明确流体是有益于种子发育生长的水,不准确;而液压喷播的翻译就有失偏颇,是将液压马达的液体压力转换动能机械结构的工程技术概念与依靠液体流动力输送、传播种子的农业工程技术概念混淆了,需要更正。喷播创造了一种借助机械化装备使土肥逆向回归的人工改善生态环境方法,始终维系着喷播工艺技术的高效、精准实施,满足着喷播资材技术演变、完善,达成防流失、快建植的终极目标。从流体动力技术方面,可以通俗地把借助水力完成输送、喷射的技术称为湿法喷播技术,把借助风力完成输送、喷射的称为干法喷播技术。国内以输送流体介质是“气”还是“水”划分“干”“湿”工法比较容易实现喷播技术在农业工程、岩土工程、机械工程等领域工艺技术、工法技术、装备技术概念解读的统一。

图 12 喷播技术体系构架 Fig. 12 System architecture of spray seeding technology

喷播机械装备一定要吸取日本的经验教训,不可各自为政小而全,行业协会应根据喷播技术发展需要帮扶有机械制造技术基础,有规范化、规模化生产潜力的企业建立技术标准,定型量产。缺失的干法喷播技术装备的短板要尽快补齐,承担起有机固废资源转化利用的桥梁作用,使环境保护与生态修复领域的机械装备水平尽快跟上土建工程机械装备的发展水平,才有可能保障建设开发与环境保护同步,而后追加偿还过往损毁土地生态修复的旧账。资材生产要结合国家发展政策,注重环境保护与生态修复相结合,废弃物无害化治理与资源转化利用相结合,寻找一条适合我国现实国情的低消耗循环经济喷播技术发展道路。

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