一种利用乡土生态草种颗粒治理高寒矿区的装置及方法

技术领域

本发明涉及生态修复领域，具体地说是一种利用乡土生态草种颗粒治理高寒矿区的装置及方法。

背景技术

高寒矿区地处高海拔地区，露天开采前为丘陵地形，广为植被覆盖，冻土广泛发育；高寒矿区四季不明显，气候寒冷，昼夜温差大，属典型的高原大陆性气候；受山地气候垂直地带性的影响，高寒矿区植被呈现垂直地带性分布，植被类型分为高寒沼泽类和高寒草甸类，具有较明显的高寒地区形态特征。

高寒矿区土壤类型主要以高寒草甸土、沼泽草甸土为主，其母质为湖积、洪积物，土层厚度大于50cm、pH值为7.5，有长达半年的冰冻期（10月到次年4月）；高寒矿区原有植被覆盖度为70到90%，但如果遭受破坏，恢复比较困难，需要用人工草地通过长时间演替才能逐步过渡为自然植被群落；由于露天开采对高原矿区的植被造成了直接破坏，因此提出一种稳定高效的高寒矿区植被修复方法具有重要价值。

中国专利公告号为：CN113812325A，高寒矿区植被恢复、管护方法及其种植装置，该发明公开了植株种植领域的高寒矿区植被恢复、管护方法及其种植装置包括以下步骤：S1，筛选当地乡土草种进行混播种植；S2，在混播过程中将种子分为优势种和伴生种；S3，随后将种子丸粒化处理；S4，利用无人机播种于海拔3000至5000米的地区；S5，优势种每亩10公斤，伴生种每亩5公斤，该发明的目的是对矿区裸地进行工程防护与生态绿化处理，使用格栅围成种植区域，实现了对植物种子的立体化应用，成功实施后可快速构建生态恢复区域，考虑到高寒矿区存在较多人员无法到达的矿区、坡面、湿地等地形，该发明使用无人机对高海拔地区进行播种，但现有技术中对于高寒矿区专用的播种无人机没有进一步研究，使用常见的无人机播种效率较低，而高寒矿区工作环境艰苦，高原缺氧、低温、矿区污染和地质灾害等因素对人员直接造成威胁，应尽量避免人员深入矿区和在野外长时间工作；同时由于生态系统退化、受损程度和恢复力不同，该发明使用的青海草地早熟禾、发草和垂穗披碱草搭配高寒景观花卉的种子配比不能很好适应高寒矿区复杂环境。

综上，因此本发明提供了一种利用乡土生态草种颗粒治理高寒矿区的装置及方法，以解决上述问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用乡土生态草种颗粒治理高寒矿区的装置及方法，以解决现有技术中常见无人机播种效率较低、种子配比不能适应复杂环境等问题。

一种利用乡土生态草种颗粒治理高寒矿区的装置，包括无人机主体和挂载装置，所述无人机主体包括机翼一、机翼二和动力模块，所述机翼一和机翼二平行设置在无人机主体的顶部，所述动力模块四组平行地固定连接在机翼一和机翼二的下方，所述挂载装置固定连接在机翼二的下方，所述挂载装置两侧设置有与机翼二连接的脚架。

优选的一种技术方案，所述动力模块包括前螺旋桨、螺旋桨、连接板、控制中枢和尾翼，所述控制中枢通过连接板固定连接在机翼一的下方，所述控制中枢的两侧设置有电力连接柱，所述前螺旋桨设置在电力连接柱靠近控制中枢的一端上，所述尾翼设置在电力连接柱远离前螺旋桨的一端上，所述电力连接柱的上方设置有多组螺旋桨，所述机翼二的下方固定连接有挂载板。

优选的一种技术方案，所述挂载装置通过挂载板与机翼二连接，所述挂载装置包括丸粒存放箱、配重箱、滑动杆一、滑动杆二和主阀门，所述丸粒存放箱通过滑动杆一和滑动杆二与挂载装置的外壳滑动连接，所述配重箱通过滑动杆一和滑动杆二与挂载装置的外壳滑动连接，所述丸粒存放箱的底部设置有分阀门，所述主阀门设置在挂载装置的底部。

优选的一种技术方案，所述丸粒存放箱以配重箱为轴分四组对称设置，且每边的分阀门两两之间中心对称，所述丸粒存放箱和配重箱通过电动滑块与滑动杆一滑动连接。

优选的一种技术方案，所述配重箱包括电动配重块和滑动杆三，所述电动配重块通过滑动杆三滑动连接在配重箱的顶部。

优选的一种技术方案，所述主阀门包括限位框、发射柱和驱动电机，所述限位框位于挂载装置的底部并与挂载装置的外壳固定连接，所述发射柱滑动连接在限位框的内部，所述发射柱的上端固定连接有连接柱，所述连接柱的一侧转动连接有转动板一，所述转动板一远离连接柱的一端转动连接有转动板二，所述转动板二远离转动板一的一端转动连接有底座二，所述底座二远离转动板二的一端固定连接在挂载装置的外壳上，所述转动板二的中间开设有滑槽，所述挂载装置的外壳上固定连接有底座一，所述驱动电机固定连接在底座一的一端上，所述驱动电机的输出端上固定连接有转动板三，所述转动板三与转动板二的滑槽构成滑动连接。

一种利用乡土生态草种颗粒治理高寒矿区的方法，包括以下步骤：

S1，勘察矿山迹地，利用较高分辨率的遥感数据，对选取的高寒矿区内主要地物进行判读，根据环境破坏程度初步划分区域；

S2，选择环境未退化区域、环境退化区域和矿渣山区域进行调查取样，记录土地类型、物种组成、植被盖度、地形、环境退化程度等，测定土壤含水量，并提取表层土壤样品或煤矸石用于检测；

S3，根据土壤或煤矸石的检测结果，将高寒矿区不同区域划分为：边坡基岩、修复后平台、矿坑及碱性矿渣山四种类型；

S4，选取一定量的青海草地早熟禾种子、青海冷地早熟禾、青海中华羊茅和同德小花碱茅混合，并搭配牧草专用肥、凹凸棒土、高寒草甸土按一定比例制成丸粒；

S5，根据高寒矿区全貌、地形和净空情况，应用遥感影像和卫星导航系统确定飞播的范围、航标点、航标线、飞行轨迹、方向、路线以及作业方式等；

S6，派出无人机按照飞播计划向高寒矿区飞播草种丸粒；

S7，不定期对区域内出苗情况和成苗情况进行调查，记录范围内幼苗密度及生长、分布情况，对出苗率低的区域，再组织实施复播作业，以保证飞播效果；

S8，以区域为单位实行封禁管理，飞播后封护五年，前三年封育，后两年封禁，严禁人畜进入区域，适时做好补播、防火、有害生物防治等工作，明确管护责任，做好后期成效调查。

优选的一种技术方案，所述乡土生态草种混合根据区域的不同使用发芽率最高的比例，四种矿区类型的草种配比，分别是：

边坡基岩为基质发芽率最高的比例是青海草地早熟禾：同德小花碱茅：青海冷地早熟禾：青海中华羊茅的重量配比为2：0.5：0.5：1.5；

修整后的平台为基质发芽率最高的比例是青海草地早熟禾：同德小花碱茅：青海冷地早熟禾：青海中华羊茅的重量配比为2：0.5：1：1；

碱性矿渣山为基质发芽率最高的比例是青海草地早熟禾：同德小花碱茅：青海冷地早熟禾：青海中华羊茅的重量配比为1.5：2：0.5：0.5；

矿坑为基质的发芽率最高的比例是青海草地早熟禾：同德小花碱茅：青海冷地早熟禾：青海中华羊茅的重量配比为2：1：0.5：1。

优选的一种技术方案，所述乡土生态草种混合完毕后，按固定比例与牧草专用肥、凹凸棒土、高寒草甸土混合制成丸粒，所述乡土生态草种：牧草专用肥：凹凸棒土：高寒草甸土的重量配比为1：1：1：10。

优选的一种技术方案，所述乡土生态草种通过精选加工，以净度、发芽率、其他植物种子数和水分四项指标进行质量单项定级和综合评定的分级原则，使得青海草地早熟禾种子，青海冷地早熟禾，青海中华羊茅，同德小花碱茅等四个草种质量可达到省级二级及以上草种子质量分级标准。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明通过对目标矿区的调查划分，研究分析得出四种针对性的草种配比，使目标区域内的乡土生态草种发芽率更高，生态恢复效果更好；通过对丸粒下落提供额外的动能，加速丸粒的下落，从而减少丸粒在空中运动时受到的影响。

2.本发明通过装载由四个内置丸粒存放箱的挂载装置设计，针对性装载不同比例的草种混合丸粒，减少了无人机往返飞行的频次，提高了无人机飞播的效率；通过内置的电动滑块和电动配重块，不断微调丸粒存放箱和配重箱，使无人机重心保持稳定，增强飞行稳定性的同时，也有利于克服高寒矿区的恶劣环境。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图2是本发明动力模块结构示意图。

图3是本发明挂载装置结构示意图。

图4是本发明挂载装置仰视示意图。

图5是本发明主阀门结构示意图。

图中：

1、无人机主体；2、挂载装置；3、机翼一；4、机翼二；5、动力模块；6、脚架；7、前螺旋桨；8、螺旋桨；9、连接板；10、控制中枢；11、挂载板；12、电力连接柱；13、尾翼；14、丸粒存放箱；15、配重箱；16、滑动杆一；17、滑动杆二；18、分阀门；19、主阀门；191、限位框；192、发射柱；193、连接柱；194、转动板一；195、转动板二；196、转动板三；197、驱动电机；198、底座一；199、底座二；20、电动滑块；21、电动配重块；22、滑动杆三。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

如图1-5所示，本发明提供一种利用乡土生态草种颗粒治理高寒矿区的装置，包括无人机主体1和挂载装置2，所述无人机主体1包括机翼一3、机翼二4和动力模块5，所述机翼一3和机翼二4平行设置在无人机主体1的顶部，所述动力模块5四组平行地固定连接在机翼一3和机翼二4的下方，所述挂载装置2固定连接在机翼二4的下方，所述挂载装置2两侧设置有与机翼二4连接的脚架6。

作为本发明的一种实施方式，所述动力模块5包括前螺旋桨7、螺旋桨8、连接板9、控制中枢10和尾翼13，所述控制中枢10通过连接板9固定连接在机翼一3的下方，所述控制中枢10的两侧设置有电力连接柱12，所述前螺旋桨7设置在电力连接柱12靠近控制中枢10的一端上，所述尾翼13设置在电力连接柱12远离前螺旋桨7的一端上，所述电力连接柱12的上方设置有多组螺旋桨8，所述机翼二4的下方固定连接有挂载板11。

作为本发明的一种实施方式，所述挂载装置2通过挂载板11与机翼二4连接，所述挂载装置2包括丸粒存放箱14、配重箱15、滑动杆一16、滑动杆二17和主阀门19，所述丸粒存放箱14通过滑动杆一16和滑动杆二17与挂载装置2的外壳滑动连接，所述配重箱15通过滑动杆一16和滑动杆二17与挂载装置2的外壳滑动连接，所述丸粒存放箱14的底部设置有分阀门18，所述主阀门19设置在挂载装置2的底部。

作为本发明的一种实施方式，所述丸粒存放箱14以配重箱15为轴分四组对称设置，且每边的分阀门18两两之间中心对称，所述丸粒存放箱14和配重箱15通过电动滑块20与滑动杆一16滑动连接。

作为本发明的一种实施方式，所述配重箱15包括电动配重块21和滑动杆三22，所述电动配重块21通过滑动杆三22滑动连接在配重箱15的顶部。

作为本发明的一种实施方式，所述主阀门19包括限位框191、发射柱192和驱动电机197，所述限位框191位于挂载装置2的底部并与挂载装置2的外壳固定连接，所述发射柱192滑动连接在限位框191的内部，所述发射柱192的上端固定连接有连接柱193，所述连接柱193的一侧转动连接有转动板一194，所述转动板一194远离连接柱193的一端转动连接有转动板二195，所述转动板二195远离转动板一194的一端转动连接有底座二199，所述底座二199远离转动板二195的一端固定连接在挂载装置2的外壳上，所述转动板二195的中间开设有滑槽，所述挂载装置2的外壳上固定连接有底座一198，所述驱动电机197固定连接在底座一198的一端上，所述驱动电机197的输出端上固定连接有转动板三196，所述转动板三196与转动板二195的滑槽构成滑动连接，所述发射柱192快速运动时可将草种丸粒击出，从而为草种丸粒提供额外的动能。

本发明还提供一种利用乡土生态草种颗粒治理高寒矿区的方法，包括以下步骤：

S1，勘察矿山迹地，利用较高分辨率的遥感数据，对选取的高寒矿区内主要地物进行判读，根据环境破坏程度初步划分区域；

S2，选择环境未退化区域、环境退化区域和矿渣山区域进行调查取样，记录土地类型、物种组成、植被盖度、地形、环境退化程度等，测定土壤含水量，并提取表层土壤样品或煤矸石用于检测；

S3，根据土壤或煤矸石的检测结果，将高寒矿区不同区域划分为：边坡基岩、修复后平台、矿坑及碱性矿渣山四种类型；

S4，选取一定量的青海草地早熟禾种子、青海冷地早熟禾、青海中华羊茅和同德小花碱茅混合，并搭配牧草专用肥、凹凸棒土、高寒草甸土按一定比例制成丸粒；

S5，根据高寒矿区全貌、地形和净空情况，应用遥感影像和卫星导航系统确定飞播的范围、航标点、航标线、飞行轨迹、方向、路线以及作业方式等；

S6，派出无人机按照飞播计划向高寒矿区飞播草种丸粒；

S7，不定期对区域内出苗情况和成苗情况进行调查，记录范围内幼苗密度及生长、分布情况，对出苗率低的区域，再组织实施复播作业，以保证飞播效果；

S8，以区域为单位实行封禁管理，飞播后封护五年，前三年封育，后两年封禁，严禁人畜进入区域，适时做好补播、防火、有害生物防治等工作，明确管护责任，做好后期成效调查。

作为本发明的一种实施方式，所述乡土生态草种混合根据区域的不同使用发芽率最高的比例，四种矿区类型的草种配比，分别是：

边坡基岩为基质发芽率最高的比例是青海草地早熟禾：同德小花碱茅：青海冷地早熟禾：青海中华羊茅的重量配比为2：0.5：0.5：1.5；

修整后的平台为基质发芽率最高的比例是青海草地早熟禾：同德小花碱茅：青海冷地早熟禾：青海中华羊茅的重量配比为2：0.5：1：1；

碱性矿渣山为基质发芽率最高的比例是青海草地早熟禾：同德小花碱茅：青海冷地早熟禾：青海中华羊茅的重量配比为1.5：2：0.5：0.5；

矿坑为基质的发芽率最高的比例是青海草地早熟禾：同德小花碱茅：青海冷地早熟禾：青海中华羊茅的重量配比为2：1：0.5：1。

作为本发明的一种实施方式，所述乡土生态草种混合完毕后，按固定比例与牧草专用肥、凹凸棒土、高寒草甸土混合制成丸粒，所述乡土生态草种：牧草专用肥：凹凸棒土：高寒草甸土的重量配比为1：1：1：10。

作为本发明的一种实施方式，所述乡土生态草种通过精选加工，以净度、发芽率、其他植物种子数和水分四项指标进行质量单项定级和综合评定的分级原则，使得青海草地早熟禾种子，青海冷地早熟禾，青海中华羊茅，同德小花碱茅等四个草种质量可达到省级二级及以上草种子质量分级标准。

具体工作原理：

通常在矿山、公路、河堤、边坡植被的建植和恢复中，以根系发达的多年生草本青海草地早熟禾为主，而搭配使用其他特性的草种，不仅能恢复生态系统植被，还能增强生态系统稳定性和综合服务功能；本发明中选取的四种草种分别为：

青海草地早熟禾，为禾本科早熟禾属多年生草本植物，盛花期株高70至95cm，是首个来自三江源区的根茎型牧草新品种，具有极强的无性繁殖能力，能快速形成紧密草皮层，耐践踏；其适口性好，各类家畜喜食；营养价值高，是适宜三江源区牦牛、藏羊采食的优良牧草；非常适合作为黑土滩植被恢复的优良草种。

青海冷地早熟禾，是禾本科早熟禾属多年生疏丛型禾草，须根系发达，根系多集中在10至18cm土层中；茎直立、稍压扁，株高50至65cm；是1972年从青海省同德县巴滩地区海拔约3000m的天然草地采集野生冷地早熟禾种子，经多年栽培驯化而成；适应性强，在青海海拔较低的东部到海拔4000m的高寒牧区均能生长良好，抗旱、耐寒、耐荫，分蘖力强，再生性好；适于高寒草甸生长，也能在较干旱的高寒草原上生长。

青海中华羊茅，是禾本科羊茅属多年生疏丛型草本植物，须根系发达，集中于15-18cm的土层中；茎直立或基部稍倾斜；株高55～104 厘米；是采自同德县巴滩地区海拔3000m左右天然草地的野生中华羊茅种子，经过30多年栽培驯化而成；适应性强，耐寒，有一定的抗寒能力；适用于青藏高原海拔2000至4000m，年降雨量400m左右的高寒地区栽培，是建立人工草地和天然草地补播的优良品种。

同德小花碱茅又名星星草，是禾本科碱茅属多年生草本植物；株高45至70cm，耐寒、耐旱、耐盐碱，在pH值8.5至9.0的土壤中生长良好；是1971 年在同德县巴滩地区采集的野生种经30多年的栽培驯化而成，适应于青海高寒地区海拔4000m以下地区栽培，特别适合于盐碱地生长。

根据本发明提供的方法进入到飞播流程时，首先根据工作计划，将四种不同比例的草种混合丸粒装填入丸粒存放箱14中，装填完毕后启动控制中枢10，通过控制中枢10进入自动调平流程。

首先控制中枢10对无人机重心进行测算，随后根据测算结果启动电动滑块20带动丸粒存放箱14和配重块15沿着滑动杆一16运动，同时配重箱15内的电动配重块21启动沿滑动杆三22运动，最终根据杠杆原理，通过对丸粒存放箱14和配重箱15的不断微调，使无人机的重心保持在中心位置，从而确保无人机飞行的平稳。

起飞时，利用螺旋桨8将无人机升至空中；升空完毕后启动前螺旋桨7配合尾翼13，使无人机在空中平飞，从而节省能源实现远距离飞行；抵达目标区域后，通过调节前螺旋桨7和螺旋桨8的转速，使无人机降至适宜投放高度，随后开启预定的丸粒存放箱14底部的分阀门18，使丸粒受重力影响移动到主阀门19处；当丸粒开始投放时，启动驱动电机197，利用驱动电机197带动转动板三196以驱动电机197的输出轴为中心转动，由于转动板三196与转动板二195的滑槽构成滑动连接，且转动板二195的两端分别与转动板一194和底座二199转动连接，因此当转动板三196转动时，驱动转动板二195以底座二199为中心开始转动，且转动板三196沿转动板二195的滑槽滑动；由于转动板一194的两端分别与转动板二195和连接柱193转动连接，因此当转动板二195转动时，进一步驱动转动板一194转动，且转动板二195的转动幅度受限于转动板三196的运动轨迹，仅可进行小角度循环往复的转动；而转动板一194转动连接的连接柱193与发射柱192固定连接，由于限位框191限制了发射柱192的运动范围，因此与发射柱192固定连接的连接柱193只可在固定方向上进行运动，进而限制了转动板一194的运动范围，使转动板194以更小的角度进行循环往复的转动。

在默认状态下，转动板三196处于垂直向下的姿态，使转动板二195位于可转动范围的最下方，从而通过转动板一194带动连接柱193位于可移动范围的最下方，进而使发射柱192将主阀门19完全封闭；开始投放时，驱动电机197带动转动板三196顺时针转动，使转动板二195逐渐上移，进而带动发射柱192沿限位框191向上滑动，使丸粒移动到主阀门19的缺口处并下落；此时转动板三196仍然在快速进行顺时针转动，使转动板二195运动到可移动范围的最上方后快速向下运动，进而使发射柱192的底部与丸粒相撞，为丸粒下落提供重力以外的动能；相比于仅依靠重力的投放方式，丸粒在高寒矿区投放时，由于气候环境恶劣，容易受风影响产生偏移，对丸粒下落提供额外的动能，可加速丸粒下落的过程，从而减少丸粒在空中运动时受到的影响。

使所选的草种混合丸粒投放到目标区域，投放过程中通过自动调平使无人机保持平衡，同时使无人机沿着航线继续前进，从而实现飞播过程；同理当目标区域的丸粒投放完毕后，重复上述流程即可前往下一目标区域进行投放。

相对于现有技术中使用常见的无人机和通用的种子配比，本发明通过对目标矿区的调查划分，研究分析得出四种针对性的草种配比，使目标区域内的乡土生态草种发芽率更高，生态恢复效果更好；通过装载由四个内置丸粒存放箱的挂载装置设计，针对性装载不同比例的草种混合丸粒，减少了无人机往返飞行的频次，提高了无人机飞播的效率；通过内置的电动滑块和电动配重块，不断微调丸粒存放箱和配重箱，使无人机重心保持稳定，增强飞行稳定性的同时，也有利于克服高寒矿区的恶劣环境。

本发明的实施方式是为了示例和描述起见而给出的，尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。