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黑土生态脆弱区侵蚀沟生态修复关键改良技术

时间:2018-03-28 来源:
作者:梦露

本篇文章目录导航:

【题目】黑土生态脆弱区侵蚀沟治理策略探析
【第一章】侵蚀沟生态修复技术研究绪论
【第二章】黑土生态脆弱区识别及生态脆弱性评价
【第三章】黑土生态脆弱区侵蚀沟治理技术适应性分析
【4.1-4.2.1】土壤水文物理性状
【4.2.2-4.3】土壤肥力特征
【第五章】黑土生态脆弱区侵蚀沟生态修复关键改良技术
【第六章-参考文献】黑土地侵蚀沟环境整治技术探究结论与参考文献

  第 5 章 黑土生态脆弱区侵蚀沟生态修复关键改良技术

  根据第 3 章侵蚀沟调查情况和治理现状的总结分析,以及第 4 章影响侵蚀沟生态恢复的土壤特征研究,现从沟道工程措施、土壤保水性能和土壤肥力改良三方面着手,研究黑土生态脆弱区侵蚀沟生态修复的关键技术。

  5.1 谷坊工程措施及改良。

  正如前文所述,黑土生态脆弱区在侵蚀沟治理过程中,工程措施较为单一,使用最为普遍的工程措施是谷坊。侵蚀沟道中谷坊的设立可以起到拦截泥沙,将被侵蚀的沟道基准面抬升,阻止沟底的进一步下切,防止两侧岸坡扩张以及沟头的推进,缓减沟底纵向坡度,稳固沟坡以及山坡下游的坡脚,从而起到减少侵蚀沟的沟道侵蚀,稳固河床,以及提前预防和缓冲山洪和泥石流危害的作用,是侵蚀沟沟道治理的一项重要举措。但在目前的应用中出现的问题比较突出。

黑土生态脆弱区侵蚀沟生态修复关键改良技术

  5.1.1 谷坊问题及设计改良。

  经过多次现场调查后,发现石笼谷坊两侧普遍出现不同程度的掏蚀现象,对此问题,设想在谷坊的物理形态方面做一些调整,将以往的“一字形”直线形改为“弯月形”即拱形,如效果图 5.1。这样当水流冲击在谷坊迎水坡时,向两侧分散的冲击力就会被弧面所削弱,以此达到保护两侧沟壁少受侵蚀的目的。

  

  5.1.2 改良谷坊效果理论模拟评估。

  由于洪水运动特性和物理力学性质复杂,边界不断变化,用传统理论公式难以计算,故利用 ANSYS LS-DYNA 软件进行辅助模拟计算,分析直线形以及拱形石笼谷坊对洪流冲击的动力响应,并将两者做对比,再利用 MIDAS GTS 软件计算,分析谷坊洪流蓄满后的静力稳定特征。

  直线型和拱形谷坊的设计参数采用《水土保持综合治理技术规范--沟壑治理技术》GB/T 16453.3-2008,拱形石笼谷坊水平拱圈中心角设置为 100°。计算模型如下图 5.2。

  

  从图 5.3 中可以看出,拱形谷坊两侧受到的来自洪水的冲刷力明显比直线形的要小很多,且越接近沟壁两侧,洪流的冲刷力就越小,故其对沟壁的冲刷力也会减弱,从而对沟壁两侧的掏蚀就会减轻,达到水土保持的目的。

  5.1.3 改良谷坊工程效益监测评价。

  实际侵蚀沟实践中,还没有应用拱形谷坊的案例,本文选择理论上与拱形谷坊具有相似水力特征的“护翼型”谷坊(即在谷坊迎水面的两侧修筑 2 m 长的护坡)开展效果监测。在兴安盟附近呼盟阿荣旗珍珠村选择一条典型治理沟(2015年修建谷坊群)。通过标桩法计算泥沙淤积量,观测谷坊两侧掏蚀现象。自 2017年 5 月开始,每月一次通过标桩长度变化和石笼谷坊迎水面沟壁坍塌情况变化监测谷坊效果(见表 5.1),并记录植物恢复种类,评估生态修复效果。

  

  通过监测数据测算,从 5 月到 8 月底雨季,侵蚀沟约淤积泥沙体积 72.95 m3,整体植被覆盖度约为 70%,相关参数见表 5.1;本侵蚀沟人工栽植植物为沙棘,沟壁由于冲刷坍塌,保留率约 25%,沟底种植的沙棘成活率高,达 90%左右,自然恢复的草类植被 27 种。现场观察,沟壁通过削坡处理,栽植沙棘,并没有达到稳定,冲刷和坍塌情况比较普遍,通过形态改良的石笼谷坊取得了一定效果,坝肩 2米上方坍塌情况得到基本控制,无坝肩部位仍然存在坍塌情况,两年的运行效果上看,改良后的谷坊起到了控制谷坊两侧掏蚀的作用。

  5.2 土壤保水性能改良。

  水分条件是限制北方退化荒山地生态恢复的主要因素。防止土壤水分快速流失是缓解干旱的有效途径。目前,土壤保水措施多是针对保水剂或是表层覆盖单一的研究,对两种技术综合使用对土壤保水效果的研究则较少。为了探究黑土生态脆弱区侵蚀沟土壤的蓄水保水性能,设置实验研究不同保水措施组合对侵蚀沟土壤蓄水保水方面的影响,以期为黑土生态脆弱区的生态修复提供依据。

  调查典型区辽西阜新地区和内蒙古兴安盟地区,侵蚀沟修复共同的生态限制因子是水分(降雨量少,干旱),阜新地区叠加土壤瘠薄,荒山砂石含量高。降雨量少但降雨集中、冲刷力强。如何保水成为生态修复重大难题。侵蚀沟修复提高水分利用率的途径有两种,一是通过覆盖降低地表的潜在蒸发速度,二是通过增施有机肥、保水剂等添加媒介物质的方法改善土壤结构,提高土壤的蓄水力和持水力[29]。本研究通过选择不同材料覆盖地表及添加不同媒介物质的对比试验,筛选出适宜的土壤保水技术,为侵蚀沟生态修复蓄水保墒技术选择提供参考。

  表面覆盖选用塑料薄膜、均质沙土。塑料薄膜覆盖后在薄膜上覆盖一层薄薄的原土,沙土覆盖厚度 3-5 cm,对照为无覆盖;土壤添加媒介物质选用保水剂、有机肥,对照为无添加;复合条件选用覆膜与保水剂。

  5.2.1 实验设计。

  试验地点为沈阳大学试验温室大棚,于 2018 年 4 月试验开始,选用花盆为试验容器。五种保水措施为:空白对照、施用有机肥、施用保水剂、覆盖膜、覆盖沙、覆盖膜+保水剂。针对两个生态脆弱区侵蚀沟(辽西阜新地区和内蒙古乌兰浩特(兴安盟)地区),12 个处理,3 个重复,共 36 个试验土样样品。

  5.2.2 结果与分析。

  各试验样品的含水量变化曲线(图 5.4 和图 5.5):

  

  上图为两个研究区域的土壤含水量在不同保水措施下随时间的变化曲线。两地的试验效果基本相同,在空白对照组的对比下,处于施加保水剂同时覆膜的土壤蓄水能力最好,其次分别是覆膜跟添加保水剂,因为实验的早期阶段的土壤含水量、水分蒸发快,蒸发量大和塑料地膜覆盖没有通透性,覆盖在土壤表面形成一道屏障,土壤蒸发的水蒸气不能扩散到外界,湿度在试验中可以达到 100%;保水剂(super absorbent polymers, SAP)是由使用强大的吸水树脂水吸收能力高的聚合物,聚合物可以快速吸收比他们重数百倍,甚至数千倍水,并可反复吸水,释水,提高土壤保水能力。以上保水措施均可提高土壤含水量,保水效果为保水剂+覆膜>覆膜>保水剂>覆沙与添加有机肥,保水剂+覆膜措施效果最为显着。

  5.3 土壤肥力改良。

  5.3.1 实验设计。

  通过前文研究结果可知,黑土生态脆弱区土壤普遍缺少 N、P、K。选取当地优势野生植物山蒿为研究对象,通过在现场采集回来的土壤中添加不同浓度的 N肥、P 肥和 K 肥[64],观察植物生长状况,以确定土壤肥力改良的优质方案。实验设计处理、重复对照等同上文保水实验。不同处理的施肥量如表 5.2。

  

  5.3.2 结果与分析。

  5.3.2.1 氮肥对黑土生态脆弱区侵蚀沟土壤氮素改良效果。

  对突泉和阜蒙侵蚀沟土壤中施加一定浓度氮肥后对山蒿生长情况的影响如下图(图 5.6、图 5.7 和图 5.8)所示:

  

  通过对以上统计图分析可知:观察施加氮肥后山蒿叶面积、根重及地上部分重量,与对照组相比可以发现:当施肥浓度为 40-160 mg/kg、氮素对于山蒿幼苗生长有比较明显的促进作用;但当施肥浓度为 320 mg/kg 时,对植物生长的促进作用减弱。综合可以得出氮素对于阜新阜蒙县和兴安盟突泉县侵蚀沟土壤山蒿幼苗生长有促进作用,在一定的氮素含量范围内,随着氮素含量的增加山蒿幼苗长势更好。即一定范围内的氮含量越高植物生长越好,施加氮肥有利于干旱地区的植物生长。

  5.3.2.2 磷肥对黑土生态脆弱区侵蚀沟土壤磷素的改良效果。

  

  通过上述统计图分析得知:观察施加磷肥后山蒿叶面积、根重及地上部分重量,与对照组相比可以发现:当施肥浓度为 20-80 mg/kg,磷素对于山蒿幼苗生长有比较明显的促进作用;但当施肥浓度为 160 mg/kg 时,对植物生长的促进作用较弱。综合可以得出磷素对于阜新阜蒙县和兴安盟突泉县侵蚀沟土壤山蒿幼苗生长有促进作用,在一定的磷素含量范围内,随着磷素含量的增加山蒿幼苗长势更好。即一定范围内的磷含量越高植物生长越好,施加磷肥有利于增加干旱地区的植物生长。

  5.3.2.3 钾肥对黑土生态脆弱区侵蚀沟土壤钾素的改良效果。

  

  通过上述统计图分析得知:施加钾肥后山蒿叶面积、根重及地上部分重量,与对照组相比可以发现:当施肥浓度为 40-320 mg/kg 时,钾素对于阜新阜蒙县侵蚀沟土壤山蒿幼苗生长有比较明显的促进作用;在 40-160 mg/kg 时,钾素对突泉县侵蚀沟植物幼苗有促进作用,但在 320 mg/kg 时会抑制植物幼苗生长。总体来说,施加钾肥有利于干旱地区的植物生长。

  5.4 本章小结。

  保水措施均可提高土壤含水量,保水效果为保水剂+覆膜>覆膜>保水剂>覆沙与添加有机肥。保水措施使得土壤水分与热量平衡过程发生了一定程度的变化。地膜覆盖保温,降低水分蒸发量。保水剂可有效防止土壤处于抽干状态,在覆沙与有机肥措施下也看到小型植物的萌芽。施加 40-160 mg/kg 的氮肥,20-80 mg/kg 磷肥,40-320 mg/kg 钾肥对黑土生态脆弱区侵蚀沟土壤中的植物生长具有较为明显的促进作用,在 320 mg/kg、磷肥 160mg/kg、钾肥在 320 mg/kg 以上时促进作用减弱或产生抑制作用。

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