砒砂岩区生态恢复的新途径——一种环境友好型抗蚀促生技术

[目的]对砒砂岩侵蚀岩性机理、抗蚀促生机理与技术,以及应用效果进行系统分析,并提出需要进一步研究的科学问题与关键技术,为砒砂岩区生态综合治理提供科技支撑。[方法]通过揭示砒砂岩侵蚀岩性机理,利用聚合改性方法,研发了用于砒砂岩区生态恢复的抗蚀促生新材料,进行了示范应用,并对需要进一步研究的科学问题与关键技术进行讨论。[结果]砒砂岩部分化学成分性质活跃、岩石结构不稳定及部分岩石成分遇水膨胀导致孔隙关闭为易蚀的机理所在;通过包裹—聚合改性,研发的抗蚀促生材料可以在砒砂岩表面通过物理化学作用,形成了具有包裹层的单体改性颗粒,起到了疏水保水及防胀作用,并具有促进植物生长的功能;抗蚀促生材料有着良好的力学性能和耐紫外线降解、耐风蚀抗冻融、耐水解等性能,且对土壤、水质不会形成污染。[结论]根据野外试验观测,应用抗蚀促生技术可以使全坡面径流试验区的产流量产沙量分别减少70%和90%以上,示范小流域的植被覆盖度由25%提高到75%以上,实现了抗蚀促生功能一体化,为砒砂岩区水土流失治理和生态恢复提供了新途径。     

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。     

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。     

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。     

腐殖酸和植物促生芽孢杆菌对黑麦草抗逆性及砒砂岩土壤性状的影响

[目的] 探究微生物在砒砂岩土壤修复工程中的作用,为微生物强化植物改良砒砂岩土壤的科学设想提供新思路。[方法] 以黑麦草作为供试作物,通过室内盆栽模拟试验的方法,研究接种植物促生芽孢杆菌Bacillus halotolerans P75,施用腐殖酸肥料以及不同的菌肥搭配对水土流失严重的砒砂岩土壤理化性质及黑麦草生长和抗逆性指标的影响。[结果] 与对照相比,Bacillus hallotolerans P75发酵液与腐殖酸协同处理显著提高了黑麦草叶片中SOD活性（229.7%）、POD活性（83.6%）和脯氨酸含量（119.3%）,显著增加砒砂岩土壤中多糖、有机质、速效磷和速效钾含量,且土壤渗水率明显降低。[结论] 植物促生芽孢杆菌Bacillus hallotolerans P75发酵液与腐殖酸肥料协同作用能够显著改善砒砂岩土壤的水分、养分流失问题,提高黑麦草的抗逆性,强化植物对砒砂岩土壤的改良和修复。     

砒砂岩地区公路建设水土流失预测与分析

通过分析砒砂岩地区水土流失严重的机理,采用USLE数学模型法和类比法,对大饭铺至东胜公路砒砂岩路段在施工和运营过程中可能产生的水土流失量进行预测。根据预测结果,总结砒砂岩地区建设项目水土流失的特点是工程区水土流失背景值大;主体工程单位长度产生的水土流失量大;植被恢复期水土流失量大幅度减少。     

砒砂岩类型区筑坝材料可行性分析

对黄河中游砒砂岩分布区的黄土、沟床沙、红砒砂岩风化物、白砒砂岩风化物的有机质与易溶盐含量、颗粒组成、渗透性、可塑性、抗剪强度等指标的测定分析表明,黄土、沟床沙、红砒砂岩风化物这三种材料是良好的筑坝材料,并可作为防渗材料;白砒砂岩风化物属不良级配土,但与红砒砂岩风化物混合可互补不足,仍可作为筑坝材料。     

砒砂岩分布范围界定与类型区划分

 以TM影像为主要信息源,采用“路线调查”和“典型小流域调查”相结合的方法,建立不同类型砒砂岩影像解译标志,在地理信息系统支持下,采用计算机辅助下的人工解译,对以晋陕蒙接壤地区为中心的砒砂岩分布范围进行全面界定,并将其划分为裸露砒砂岩区、盖土砒砂岩区和盖沙砒砂岩区3个类型区,确定每一类型区的分布范围及面积大小。结果表明:砒砂岩区总面积1.67万km2,其中,裸露砒砂岩区面积4543.89km2,盖沙砒砂岩区面积3709.18km2,盖土砒砂岩区面积8432.41km2,分别占砒砂岩区总面积的27.2%、22.2%、50.6%。准确划分砒砂岩区,为其全面治理及黄河粗泥沙来源区治理提供科学依据。     

内蒙古砒砂岩地区水土流失规律研究

内蒙古砒砂岩地区是黄河重要的粗沙来源区,该地区具有水蚀、风蚀及重力侵蚀交互的特点。利用三个试验流域1983～1997年的天然观测资料,分析得到了砒砂岩侵蚀交互作用的时空分布规律;通过对砒砂岩的理化及侵蚀产沙特性的分析表明,砒砂岩的产流和产沙能力均高于当地的黄土和风沙土。本研究建立了砒砂岩地区的水蚀模型,并对水力侵蚀过程进行了模拟。