生态脆弱区抗蚀促生生态综合治理技术

正黄河水利科学研究院科研创新"土壤侵蚀与生态治理"研究团队,依托国家"十三五"重点研发计划项目"鄂尔多斯高原砒砂岩区生态综合治理技术"和"十二五"国家科技支撑计划项目"黄河中游砒砂岩区抗蚀促生技术集成与示范"等10余项国家及省部级项目,研发出可有效恢复砒砂岩区植被的抗蚀促生新材料,实现了保水、抗蚀、增肥、促生多功能一体化,实现了阻控侵蚀与恢复植被功能一体化;研发出砒砂岩改性筑坝材料并进行了示范应用,实现了阻控砒砂岩结构遇水溃散与破坏的目标;创建了抗蚀促生材料-工程-生物措施体系与坡沟系统地貌单元高适配的二元立体配置模式,突破了砒砂岩治理措施体系与侵蚀空间分异相匹配的技术瓶颈。该技术在青海、新疆等省(区)的道路边坡生态护坡、水库开挖工程边坡、煤矿生态治理等工程中也得到了较为广泛的应用,获2018年河南省科学技术进步奖一等奖,被中国科协评选为2019年中国前沿领域科技成果和水利部2020年度成熟适用水利科技成果推广运用项目,可为黄河流域生态保护和高质量发展提供有力科技支撑,也可在全国其他生态脆弱区生态综合治理中广泛应用。     

黄河中游砒砂岩区抗蚀促生技术研究

砒砂岩区是黄土高原生态环境极度脆弱、土壤侵蚀最为剧烈的区域,同时又是黄河粗泥沙集中来源区,研究砒砂岩区抗蚀促生技术具有重要意义。在对以往有关砒砂岩区水土流失治理技术研究成果综述的基础上,重点介绍了近年来的抗蚀促生技术,包括研发的适合于黄河中游砒砂岩地区的抗蚀促生材料、砒砂岩改性筑坝材料,以及砒砂岩地区抗蚀促生措施二元立体配置模式。据野外试验观测,抗蚀促生试验小区径流量减少70%以上、产沙量减少91%以上,表明研发的抗蚀促生材料和创建的二元立体配置模式达到了防治砒砂岩区水土流失和快速修复生态的目的。     

水溶性聚氨酯改良砒砂岩的水理性能试验研究

[目的]研究水溶性聚氨酯(W-OH)对砒砂岩水理性能的影响,为砒砂岩高边坡防护提供指导。[方法]通过W-OH改良砒砂岩水稳定性和抗冲刷性的室内试验,初步分析其改良砒砂岩机理。[结果]W-OH在低浓度下即可明显提高砒砂岩团聚体的水稳定性和抗蚀能力,且团聚体水稳定性K值随团聚体粒径的减小而增大;W-OH喷洒在砒砂岩表面后,明显降低了坡面的产沙速率和产沙量。[结论]通过胶结沙粒,W-OH在砒砂岩表面形成固结层,减少了水土流失,对砒砂岩的坡面稳定起到了明显防护效果。     

植被恢复和覆土厚度对砒砂岩区土壤水分及养分的影响

[目的]研究植被恢复对砒砂岩区土壤水分和养分的影响状况,明确对于砒砂岩地区土壤保水保肥效果最佳的植被恢复类型,为砒砂岩区的生态修复和区域水土流失治理提供理论依据。[方法]选取准格尔旗暖水乡裸露砒砂岩向覆土砒砂岩过渡区域,以黄土—砒砂岩交界带不同人工恢复植被和自然恢复草地的土壤为研究对象,测定土壤水分和养分含量,分析不同植被恢复和覆土厚度对砒砂岩区土壤水分和养分特征的影响(其中天然草地作为对照)。[结果](1)裸露砒砂岩向覆土砒砂岩过渡区域土壤水分含量主要受黄土厚度影响,黄土的持水性能优于砒砂岩土壤,养分含量主要受植被恢复类型影响;(2)研究区土壤各指标均属于中等变异程度,其中土壤水分、碳、氮含量自北向南随覆土厚度增加逐渐增加,磷素分布则相反;(3)对比天然草地,沙棘和油松恢复对砒砂岩区土壤碳、氮含量的提升效果最好,土壤有机质含量分别提高了43.12%和34.27%,全氮提高了78.95%和42.11%,铵态氮提高25.64%和46.15%,硝态氮提高69.44%和42.22%。其中油松恢复下土壤水分含量高于天然草地54.55%,但人工植被恢复后的土壤磷素水平并没有提升。[结论]黄土较砒...     

裸露砒砂岩区不同植被类型土壤团聚体稳定性与抗蚀性能

[目的] 研究裸露砒砂岩区鲍家沟小流域不同植被类型土壤团聚体特征与可蚀性,为植被建设和减轻入黄泥沙提供科学指导。[方法] 运用Le Bissonnais法和崩解法研究裸露砒砂岩区不同植被类型土壤团聚体稳定性特征与可蚀性。[结果] ①慢速湿润处理条件下,土壤结构中以2 mm以上的团聚为主,预湿扰动处理条件下,2 mm以上的团聚体占14.79%～40.17%,快速湿润处理条件下2 mm以上团聚体含量占4.69%～15.11%。②土壤团聚体的破坏率呈现：裸地 > 草地 > 油松林 > 山杏林 > 柠条林 > 沙棘林的趋势。③裸露砒砂岩区土壤的可蚀性K值在0.045～0.092之间,各植被类型土壤的崩解速率在0.48～1.38 g/min之间。[结论] 沙棘等人工植被能够显著增强土壤团聚体结构的稳定性,降低土壤的可蚀性,提升土壤的抗蚀性能,从而有效削减侵蚀产沙过程。     

砒砂岩中植物促生芽孢杆菌的筛选及其对土壤的改良作用

[目的]筛选砒砂岩土壤中植物促生芽孢杆菌,为微生物强化植物改良砒砂岩土壤的科学设想提供资源和技术基础。[方法]以产生植物激素IAA(indole acetic acid)、铁载体和生物膜为筛选指标,从内蒙古砒砂岩区土壤和植物样品中筛选植物促生芽孢杆菌,采用盆栽试验探究植物促生芽孢杆菌改良砒砂岩土壤特性和促进苜蓿和黑麦草生长的作用。[结果]筛选到的12株芽孢杆菌产生IAA、铁载体和生物膜的能力不同,分别属于Bacillus halotolerans,B.atrophaeus,B.siamensis和B.zhangzhouensis种群。与对照相比,B.halotolerans P75能够显著增加砒砂岩土壤的有机质含量(24.7%)、速效磷含量(11.9%)和速效钾含量(21.0%)等养分指标,每1 g土壤可培养细菌达到7.4 lg CFU,土壤蔗糖酶活性显著增强(58.8%)。接种B.halotolerans P75后,在砒砂岩土壤中生长的苜蓿和黑麦草干重增加22.3%～81.5%,[结论]从生长于砒砂岩土壤的苜蓿根内筛选到B.halotolerans P75,可提高砒砂岩土壤肥力,促进苜蓿和黑麦草生长,具有强化植物改良砒砂岩土壤的潜力。     

W-OH材料对砒砂岩坡面土壤剥蚀率和微结构的影响

砒砂岩区是我国水土流失问题最严重的区域之一。为研究砒砂岩坡面土壤剥蚀率的影响因素及W-OH材料对其的改良效果,以内蒙古自治区准格尔旗地区砒砂岩为研究对象,采用模拟冲刷试验方法研究了冲刷流量(2,3,4 L/min)、坡度(5°,7.5°,10°)以及W-OH喷洒浓度(1%,2%,3%)对砒砂岩坡面土壤剥蚀率和微结构的影响。结果表明:(1)砒砂岩坡面剥蚀率沿坡面方向逐渐减小,且随着冲刷流量和坡度的增大而增大;(2)在流量、坡度固定条件下,随着W-OH溶液浓度的提高,砒砂岩坡面土壤剥蚀率改善效果越明显,坡面的抗蚀性能提升越高,当浓度超过2%时,对坡面固结效果较为明显;(3)SEM试验结果说明W-OH溶液可以对砒砂岩颗粒进行有效地包裹,从而防止水分侵蚀,提高坡面抗蚀性,这与溶液浓度和喷洒量关系密切,也与坡度和冲刷流量有一定相关性。研究结果将对W-OH用于砒砂岩坡面治理提供一定的理论支撑。     

砒砂岩侵蚀区水土流失治理新模式探讨

为了探索砒砂岩侵蚀区治理模式,以神木县锦界镇公草湾土地综合整治项目为例,在基于砒砂岩和沙复配成土技术基础上,综合运用工程和耕作管理措施,形成一套兼顾生态和经济效益的开发性治理新模式。实践证明:经开发整理为农耕地的砒砂岩水土流失区,雨季经过农业种植的方式保持水土、减少泥沙侵蚀,风季通过形成地表冰冻层减弱了风力对耕作层的侵蚀。此治理模式是砒砂岩改性研究的突破口,为砒砂岩资源化利用提供了可能。尽管如此,砒砂岩地区水土流失问题依然严峻,仍然是今后治理研究的重点区域之一。     

基于RSEI模型的砒砂岩区生态环境质量演变研究

[目的]探究砒砂岩区生态环境质量状况，为当地生态环境治理工作提供科学依据。[方法]基于GIS和RS技术，利用遥感生态指数RSEI模型，分析砒砂岩区2001—2020年生态环境质量时空演变。[结果](1)基于砒砂岩区4期影像数据提取的遥感生态指数RSEI呈现先下降后上升的趋势，表明生态环境质量在缓慢改善；(2)绿度生态指标与湿度生态指标对砒砂岩区生态环境质量起正向作用，干度生态指标与热度生态指标会起到负面作用，并且绿度生态指标对生态环境质量改善的贡献率更高；(3)在2001—2020年间，生态环境质量改善区域占到研究区总面积的36.79%;生态环境质量恶化区域占15.68%,多为轻度退化。[结论]砒砂岩区2001—2020年间生态环境质量总体呈现出上升趋势，且生态环境质量对人为活动高度敏感，因此在改善生态环境的同时还需融入生态保护理念，做到人与自然和谐共生。     

补强砒砂岩区治理短板筑牢黄河流域生态安全屏障

砒砂岩区是黄河流域最难治理且治理又相当薄弱的地区之一,其生态环境问题为构筑黄河流域生态安全屏障带来极大挑战。通过剖析砒砂岩区治理存在的水土流失依然严重,脆弱生态环境未能得到根本改变,砒砂岩区水土保持的深入发展遭遇制度性瓶颈制约,治理砒砂岩区的新技术新模式推广力度弱,水土流失监测体系不完善、监管不力等问题,提出了加强砒砂岩区治理工作的对策与建议,比如:建议尽快研究解决加快砒砂岩区治理的堵点、难点和短板所在,从流域整体性出发确立砒砂岩区生态治理在黄河流域生态保护和高质量发展中的战略定位,创设砒砂岩区生态-经济-社会-文化多位一体协同发展的综合治理模式,加大新技术新模式的示范推广力度,创新水土保持项目建设体制机制,加强砒砂岩区生态综合治理技术研发,建立脆弱生态区治理技术与模式国家级科技示范基地,进而筑牢黄河流域生态安全屏障。     

砒砂岩原状坡面不同季节复合侵蚀动力的贡献研究

为揭示黄河中游砒砂岩区多动力复合侵蚀的季节变化特征,该研究融合野外原位观测、三维激光扫描仪技术和GIS等多研究手段,基于2018年3月—2019年4月砒砂岩裸坡上3个试验小区的各4期地形点云数据、坡面实测侵蚀量以及研究区气候数据,分析了砒砂岩水蚀、冻融侵蚀、风蚀的季节交互特征,并分离了各侵蚀动力对原状坡面的侵蚀贡献。3个试验小区为水力+冻融+风力复合侵蚀原状小区、水力+冻融复合侵蚀小区和冻融小区,尺寸均为12.5 m×2.5 m。结果表明,3月—6月、11月—翌年4月砒砂岩坡面侵蚀动力以冻融+风力为主,7—10月坡面侵蚀动力以水力为主。在3月—6月、7月—10月、11月—翌年4月3个时段中,水力+冻融+风力原状小区内侵蚀量比例分别为10.58%、76.61%和12.81%,水力+冻融复合侵蚀小区内侵蚀量比例分别为10.43%、78.57%和11%,冻融小区内侵蚀量比例分别为31.90%、28.65%和39.45%。3个时段中,对原状坡面而言,水力侵蚀的贡献率分别为21.85%、71.42%和11.12%,冻融侵蚀的贡献率分别为53.09%、6.58%和54.20%,风力侵蚀的贡献率分别为25.06%、21.99%和34.69%。在3月—6月、11月—翌年4月,冻融侵蚀量最大,水力侵蚀量最小;7月—10月,水力侵蚀量最大,冻融侵蚀量最小。在整个研究期,原状坡面侵蚀量中水蚀占58.45%、冻融和风蚀共占41.55%。2018年各侵蚀动力对坡面的影响程度由大到小依次为水力侵蚀、冻融侵蚀、风力侵蚀。研究结果可为砒砂岩区复合侵蚀综合治理提供理论依据。     

赣南不同母质及植被覆盖对红壤水稳性的影响

[目的]探讨赣江流域地区植被恢复对土壤抗侵蚀能力提高的作用机理以及土壤水稳定性的测定方法。[方法]选取3种不同成土母质(花岗岩、红砂岩、第四纪红土),每一种母质又设置了3种植被覆盖条件下的红壤,应用静水天平法测定土壤的水稳性指数,并研究其随时间的变化规律。[结果]赣南红壤的水稳性随浸水时间延长而减弱,这种减弱变化不受母质类型和植被覆盖的变化而改变。林草地和灌草地土壤水稳性在浸水过程中土壤的水稳性指数较为稳定,下降幅度小,(林下)裸地土壤浸水后水稳性指数下降幅度较大。以(林下)裸地作为对照,3种母质的林草地、灌草地的水稳性指数均有显著提高。[结论]静水天平法特别适合研究土壤水稳性的动态变化规律。赣江流域红壤地区的植被恢复有助于提高土壤的水稳定性。     

砒砂岩不同类型区土壤氮磷养分特征

砒砂岩区生态环境脆弱，侵蚀剧烈，研究不同类型砒砂岩区土壤氮（N）、磷（P）养分特征，可为该区的植被恢复及生态修复提供理论依据和数据支撑。该研究以内蒙古准格尔旗什布尔太沟裸露区、二老虎沟覆土区和特拉沟覆沙区为研究对象，根据流域长度分别在什布尔太沟、二老虎沟和特拉沟的沟口至沟头处，各选5、8和4个断面，共计17个土壤断面，于各断面不同坡位，采集共计153个样点的土样，测定0～20 cm土层全氮（Total Nitrogen，TN）、氨氮（Ammonia Nitrogen，AN）、硝态氮（Nitrate Nitrogen，Ni）、全磷（Total Phosphorus，TP）及速效磷（Available Phosphorus，AP）含量。结果表明：1）砒砂岩土壤TN含量0.24～1.39 g/kg、AN含量5.07～30.70 mg/kg、Ni含量0.76～5.87 mg/kg、TP含量0.10～0.57 g/kg及AP含量0.97～7.63 mg/kg。2）覆土区土壤N、P养分平均含量最高，覆沙区次之，裸露区最低；同类型区内土壤AN、Ni和AP含量相关系数较高，整体上速效养分间的相关性相对更强。3）同类型砒砂岩区，坡顶与坡底附近，土壤TN、AN、Ni、TP和AP含量相对较高；阴坡土壤AN、Ni和AP整体养分水平高于阳坡。综上，可根据砒砂岩不同类型区不同坡位土壤N、P养分特征，因地制宜地进行植被恢复，遏制该区水土流失强度，促进砒砂岩区生态系统修复。     

复合侵蚀作用下砒砂岩坡面产流产沙过程试验

通过模拟室内风力、水力、冻融条件,进行单一水蚀、冻融+水蚀、冻融+风蚀+水蚀3种营力组合试验,揭示了复合侵蚀条件下的砒砂岩产流产沙变化规律。结果表明:(1)相同降雨条件下,冻融+水蚀、冻融+风蚀+水蚀试验的径流量均为水蚀试验的1.2倍,产沙量分别为水蚀试验的2.4,2.8倍。冻融能够增大砒砂岩产流产沙量,风蚀对增加侵蚀产沙量的作用较小。(2)砒砂岩产流产沙过程的峰值及变幅随营力种类的增多而增大,单一水蚀的产流产沙过程相较于复合营力作用下的水沙过程具有显著的坦化特征。(3)复合侵蚀作用使初始入渗率增加,随着降雨的进行对入渗的影响逐渐减小。营力作用的增加使初始含水率更大,后期更小。(4)砒砂岩的累计产流量与累计产沙量呈幂函数关系。冻融作用对水沙关系的影响较大,风力作用的影响较小。此试验表明,复合侵蚀营力作用的增多会加剧砒砂岩坡面的侵蚀过程,从而使侵蚀产沙量增大。     

不同固体微生物菌剂对砒砂岩土壤性质和紫花苜蓿生长的影响

为研制改良砒砂岩土壤、强化植物生长的微生物菌剂,该研究以嗜盐芽孢杆菌Bacillus halotolerans P75、苜蓿中华根瘤菌Sinorhizobium meliloti D10、巨大芽孢杆菌Bacillus megaterium H3和枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis HB01为原料,利用生物基材吸附混合,制备4种单一固体微生物菌剂和多种复合固体微生物菌剂。通过分析pH值、有机质含量、有效氮磷钾含量、酶活性和细菌数量等指标来研究添加微生物菌剂对砒砂岩土壤性质和紫花苜蓿幼苗生长的影响。结果表明,与不添加微生物菌剂的对照组相比,微生物菌剂能够使砒砂岩土壤pH值降到中性附近,促使土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量显著增加,提高了土壤蔗糖酶和脲酶活性,增加了土壤细菌数量,同时促进了紫花苜蓿幼苗生长,其中以含菌株P75、D10和H3以及含菌株P75、D10、H3和HB01的复合菌剂的效果最佳。该试验研究可以为微生物菌剂在砒砂岩区土壤改良和植被恢复方面的应用提供试验基础和参考。     

SA-01型高分子土壤抗蚀剂改良土壤团聚体水稳性的试验研究

[目的]探讨自研抗蚀剂产品对土壤团聚体水稳性的影响,并分析其影响机理,为坡耕地水土流失治理工作提供支持。[方法]以自主研发的多糖类高分子抗蚀材料SA-01为对象,研究其对红壤团聚体水稳性的影响。[结果]施用0.25%浓度SA-01后,3组粒径团聚体水稳性平均提高2.6倍,施用1%浓度SA-01后3组粒径土壤团聚体水稳性都达到100%。且施用SA-01后,在相同粒径条件下,团聚体水稳性随SA-01浓度增加而增加;在相同施用浓度条件下,团聚体水稳性随其粒径增大而减小。[结论]团聚体水稳性试验表明,SA-01能大幅提升团聚体水稳性;抗蚀机理分析与讨论表明SA-01通过在土壤团聚体表面形成一层透水的保护层是团聚体水稳性提升的关键。     

复合侵蚀作用下砒砂岩坡面侵蚀泥沙颗粒特征

明晰砒砂岩坡面侵蚀泥沙颗粒输移特征是研究黄河泥沙淤积问题的关键。采用水力、风力、冻融复合侵蚀实体模拟技术,研究在35°坡度和110 mm/h雨强条件下单一水蚀、冻融+水蚀、冻融+风蚀+水蚀3组不同侵蚀动力复合作用下,砒砂岩坡面侵蚀泥沙颗粒变化特征。结果表明:砒砂岩坡面在单一水蚀作用下以整体侵蚀为主,侵蚀泥沙颗粒变化稳定;冻融+水蚀作用下粗颗粒产出明显,冻融作用对粗颗粒的影响凸显;冻融+风蚀+水蚀作用下坡面稳定性最差,侵蚀泥沙颗粒变化最剧烈。复合侵蚀作用下坡面侵蚀过程以搬运粒径较大的泥沙颗粒为主;各粒级侵蚀泥沙颗粒随侵蚀动力的增加起伏变化剧烈。     

砒砂岩改良风沙土对2种引进植物生长和氮磷营养的影响

通过室内盆栽模拟试验,设计风沙土、砒砂岩、黄绵土、覆土砒砂岩、覆沙砒砂岩和砒砂岩改良风沙土6个土壤处理,种植鲁冰花和墨西哥玉米草2种引进植物,研究2种植物在砒砂岩改良风沙土和晋陕蒙接壤区原有土壤类型中的生长和氮磷营养差异,为该区域植被恢复提供理论依据。结果表明:(1)植物在砒砂岩改良风沙土中根系生长好,总体生物量大,鲁冰花地上生物量相较于黄绵土增幅达到242%,地下生物量相较于风沙土增幅达到186%,根长和根体积相较于风沙土增幅达到388%和290%;(2)2种引进植物根系在不同的土壤环境中表现出不同的适应特征,鲁冰花比根长在砒砂岩改良风沙土中最大,风沙土中最小,墨西哥玉米草比根长在黄绵土中最大,砒砂岩改良风沙土中最小;鲁冰花和墨西哥玉米草根系中直径d≤0.45 mm的细根体积占总根体积的百分比在砒砂岩改良风沙土中均较小,分别为9.99%和13.94%;(3)所有处理中植物的氮和磷含量均低于植物在正常生长条件下的氮和磷含量,植物生长受到氮和磷养分限制,并且植物氮磷比小于14,植物生长受氮素限制更严重。与几种原有土壤类型相比,砒砂岩改良风沙土土壤理化性质更好,土壤生产力高,更适宜植物生长,可以应用于晋陕蒙接壤区的植被恢复,但在种植过程中应考虑适当施用氮肥和磷肥,以加快植被恢复进程。