CN102051874A - 喀斯特石漠化地区土壤的改良和水土保持方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种喀斯特石漠化地区土壤的改良和水土保持方法。该方法特别根据石漠化的喀斯特高原的峰林和丘陵区的土壤的实际情况和植被恢复的需要，将喀斯特山下的腐殖酸土和贵州高原沼泽地里的泥炭作为土壤营养和酸度改良剂、喀斯特山地坡耕地粘土作为土壤固定剂和少许人工合成的羧甲基纤维素-聚丙烯酸树脂作为水土保持剂应用到了石漠化的喀斯特土壤中，达到了改良土壤、减少水土流失、增加其保水功能和提高其适应植物生长的能力，促进植被迅速恢复的目的。
Description
技术领域
本专利属于喀斯特石漠化地区植被和生态环境重建工程技术领域，涉及到退化的喀斯特地貌区域的土壤改良和水土保持方法，特别是利用微量的具有水土保持功能的高分子树脂，喀斯特地貌区域的粘土、腐殖土和泥炭组分来改良喀斯特石漠化地区的土壤，以防止水土的流失，有利于植被恢复的方法。
背景技术
长期以来，在多数喀斯特地区，由于樵采、放牧、烧荒等人为干扰，造成植被反复破坏，植被资源匮乏，生态环境脆弱，自然灾害频繁，土层较浅薄，水土流失极为严重，部分地区岩石裸露率逐年增高，引起了石漠化现象日趋严重，导致植被恢复非常困难。尽管在喀斯特区域水热同季、降水丰富，但由于流域内降水量年内分配不均，土层浅薄，土体不连续，以及土壤持水容量低、渗漏严重等特点，易造成土壤季节性干旱，即使在多雨的生长季，也常出现蒸发量大于降水量的干燥期，这在很大程度上影响着植被的恢复。尤其在退化程度较高、裸岩面积较大的石漠化地段，植被系统十分脆弱，群落抗外界干扰的能力很低，受破坏后自我修复能力差，生境和植被的自然恢复难度极大。被破坏后的生境和植被不仅难于自然恢复，而且造成了严重的恶性循环，使得每年都有越来越严重的灾难性的自然灾害，诸如滑坡、泥石流等不断发生。
唐凯，贺敏在“贵州喀斯特山地植被恢复技术措施”(防护林科技，2007，78(3)，141-142)一文中谈到了喀斯特地区植被恢复的二种主要途径：一是人工造林，在破坏彻底、深度退化、土壤较少、自然恢复潜力较小的地段进行客土造林；二是封山育林，对不能采取人工造林的地段，如石面、石缝、石沟等各种小生态环境，采用封山育林的方式恢复植被。万福绪等在题目为“黔中喀斯特山区的生态环境特点及植被恢复技术”(南京林业大学学报(自然科学版)，2003，27(1)，45-49)中提出了具体化的植被的恢复的措施：(1)残次林的保护和复壮措施；(2)人工促进天然更新措施；(3)一步到位的退耕还林措施；(4)先林后退的植被恢复措施；(5)林农复合经营措施和(6)森林植被的保护措施等；在专利CN1596608A中也谈到了恢复喀斯特山地退化植被生态系统的方法，该法是在种子成熟季节采集林内主要树种的种子，选择有土而无乔木的退化的喀斯特山地上的空地播入种子，在山村中形成相应的管护机制，以保护种子的正常萌发。其中相应的管护机制就是避免人畜践踏。邓新辉，蒋忠诚在文章“广西弄拉森林植被的喀斯特效应”(地球与环境，2007，35(2)，128-133)一文中谈到广西弄拉封山育林40多年后植被对大气降雨、表层岩溶泉水物理化学特征、土壤自然含水量和土壤水的良好影响。但距弄拉不到2km的东旺，岩性同样为白云岩，但植被的恢复情况不一样，东旺从1984年开始封山育林，现在形成的是以黄荆等为主的灌木林，植被覆盖率65％，岩石裸露率高。广西弄拉是封山育林管理的比较好的一个特例，但在科学技术高速发展、人口压力巨大、资源严重匮乏的今天，需要40年多年的时间来恢复退化的喀斯特区域的生态环境，显然恢复过程过于久长，恢复管理不仅需要巨大的人力、物力和财力投入，而且管理的技术难度也非常大。此外，对于那些在破坏彻底、深度退化、土壤较少、自然恢复潜力较小的地段，进行客土造林的方法也有点单一，因为几场大雨，将会使搬来的客土流失殆尽，尤其是在那些植被经历了反复的破坏，土层浅薄，水土流失严重，已经严重石漠化的地区。实际上，植被、土壤和水分是喀斯特生态系统中三个有相互关联的、重要且敏感的自然环境因素。其中土壤和水分是植被可持续发展的基础，只有有了适合植被快速、稳定生长的土壤和水分，植被才能在短期内恢复，恢复了的植被的根系具有固定土壤的功能，从此才能进入植被恢复的良性循环。显然，改良石漠化的喀斯特区域土壤，减少水土流失，特别是增加其持水容量、增加其保水功能和提高其适应植物生长的能力是石漠化喀斯特山地植被恢复措施中最核心和关键的技术。
发明内容
本发明专利的目的是提供一种改善石漠化喀斯特区域的土壤、减少水土流失，增加其保水功能和提高其适应植物生长的能力，使退化了的喀斯特区域的植被能够高效率地恢复，促进植被迅速恢复的方法。
经过研究和试验，本专利提供了一种石漠化喀斯特区域的土壤改良方法。本专利发明的方法是将喀斯特当地的土壤营养和酸度改良剂、土壤固定剂和少许人工合成的水土保持剂应用到石漠化的喀斯特土壤中，起到了改良土壤、减少水土流失、增加其保水功能，以提高其适应植物生长的能力，从而能够达到促进植被迅速恢复的目的。
本专利利用喀斯特山下的腐殖酸土和贵州高原沼泽地里的泥炭作为土壤营养和酸度改良剂。在贵州高原(海拔1000～1400m)泥炭分布广泛(乔玉楼，贵州浅表泥炭地层14C年代测定，贵州地质，1994，11(1)，38-43)，在喀斯特山谷底部有大量的腐殖酸土存在。腐殖酸土和泥炭都呈弱酸性，喀斯特区域未发育成熟的碎石土壤一般呈弱碱性或者中性，腐殖酸土和泥炭的加入不仅能增加土壤的养分，中和碎石土壤的弱碱性，改善土壤的含水率，增加土壤中碳的含量，还能够提高土壤的成熟速度和碎石的分化速度。本专利还利用自喀斯特山地坡耕地土壤中粘土作为土壤固定剂。喀斯特山地坡耕地土壤中的粘土具有固定碎石和土壤的功效。一般市售的保水剂只有吸水和保水功能，不能同时满足保水和保土的需要，本专利用羧甲基纤维素-聚丙烯酸树脂作为水土保持剂。该羧甲基纤维素-聚丙烯酸树脂是以丙烯酸和羟甲基纤维素钠为原料，按照丙烯酸和羧甲基纤维素钠的重量比为1∶0.1进行聚合而得，反应温度为60℃。该羧甲基纤维素-聚丙烯酸树脂吸水功能强和吸水速率快，在潮湿的土壤中能够吸收水分、粘连土壤和碎石，减缓土壤中水分的蒸发；在雨天里，能够迅速吸收雨水，涨成大于自身体积400倍的具有粘性的凝胶，粘连附近土壤和碎石，堵住土壤和碎石的空隙，减少水土的流失，具有保水、保土、粘连和堵漏的功能。雨水过后，土壤稍微干燥后，凝胶能慢慢释放出自身吸收的水分，供植被生长需要。以上的土壤营养和酸度改良剂(腐殖酸土和泥炭)、土壤固定剂(粘土)、水土保持剂(羧甲基纤维素-聚丙烯酸树脂)在被改良的土壤与所述土壤营养和酸度改良剂、所述土壤固定剂和所述水土保持剂总重中所占的重量份额分别为3.8～8.5％、4.2～9.2％和0.42～0.92％；所述土壤营养和酸度改良剂在所述被改良的土壤与所述土壤营养和酸度改良剂、所述土壤固定剂和所述水土保持剂总重中所占的重量份额具体可为3.8-5.6％、5.6-8.5％、4-6％、4-8％或6-8.5％；所述土壤固定剂在所述被改良的土壤与所述土壤营养和酸度改良剂、所述土壤固定剂和所述水土保持剂总重中所占的重量份额具体可为4.2-6.3％、6.3-9.2％、5-9％、5.5-8.5％或6-8.5％；所述水土保持剂在所述被改良的土壤与所述土壤营养和酸度改良剂、所述土壤固定剂和所述水土保持剂总重中所占的重量份额具体可为0.42-0.63％、0.63-0.92％、0.5-0.9％、0.55-0.85％或0.6-0.85％。该比例可以根据喀斯特区域种植地的基岩裸露率进行调整。显然上述组分所占的重量份额愈高土壤改良的效果愈好，该专利不排除增加上述组分所占的重量份额，但提高上述组分所占的重量比例，势必会增加改良土壤的成本，也不排除减少上述组分所占的重量份额，但减少上述组分所占的重量比例，势必会造成改良土壤的效果欠佳。
本发明提供的喀斯特石漠化地区土壤改良和保水保土方法具有以下的优点：1.增加土壤的养分、土壤中碳的含量，改善土壤的理化性质；2.增加土壤的持水容量和减少水土流失；3.减少由于流域内降水量年内分配不均造成土壤季节性干旱；4.提高土壤适应植物生长的能力，增加植被恢复的速率和成功率；5.将喀斯特当地的资源，即喀斯特山下的腐殖酸土和贵州高原沼泽地里的泥炭作为土壤营养和酸度改良剂、喀斯特山地坡耕地土壤中的粘土作为土壤固定剂应用到退化的喀斯特土壤的改良中不仅适合喀斯特石漠化地区土壤改良，而且具有利用喀斯特地区当地资源，土壤改良成本低的优点。
附图说明
图1分为A和B二个部分，A部分是种植170小时30分时(9月10日13点30分)牛至幼苗的生长照片，其中，A1是改良土壤的，A2是对照土壤的；B部分是种植240小时(9月13日11点)时幼苗的生长照片，其中，B1是改良土壤的，B2是对照土壤的。
具体实施方式
本发明结合下面的实施例对本发明提供的退化的喀斯特区域土壤的改良和保水保土方法，以及通过本方法进行改良的土壤适应植物生长的能力作进一步详细的描述：
实施例1：
试验用土、试验材料的准备：土壤取自贵州省普定县陈旗乡的荒山灌草丛中，黏土取至贵州省普定县陈旗乡农田中，腐殖酸土取至贵州省普定县山谷底部。压碎其中的大块土(每块土不大于1cm)后，在室内摊开晾10天，至干燥待用。土壤pH值的测定方法是将经晾干的土壤过60目筛处理后，秤取20克置于50毫升的烧杯中，加入20毫升的蒸馏水，并且持续搅拌悬浮液5分钟后，盖上玻璃盖静置1小时后，取上层清液，用pH仪电极测定其pH值为7.14～7.24，测定温度为：24℃；羧甲基纤维素-聚丙烯酸树脂是自己合成的，是以丙烯酸和羟甲基纤维素钠为原料，按照丙烯酸和羧甲基纤维素钠的重量比为1∶0.1进行聚合而得，反应温度60℃，合成得到的羧甲基纤维素-聚丙烯酸树脂吸水量≥400。羧甲基纤维素-聚丙烯酸树脂干燥后，用粉碎机粉碎为颗粒不大于1mm粉状物，置于干燥器中保存待用。试验容器是由孔径为5mm×5mm的网状结构组成。
实施例2：
改良土壤(1)的保水效果试验：取实施例1中经过处理的贵州省普定县陈旗乡的荒山灌草丛中的土壤2200克，加入羧甲基纤维素-聚丙烯酸树脂10克、100克的粘土，90克的腐殖酸土的混合土，混均后到入试验容器中，拍打试验容器，将出来的土重新倒入试验容器的土中，其中土壤的厚度是7.5厘米，改良土壤总重量是2400克。将盛有土壤的容器放置在支架上，用压力喷雾壶将1440克水的水喷在土壤上，将下面流出来的水再次慢慢倒入土壤中.使得土壤吸水均匀后，称重记录水土重量。在对照试验中，除用200克贵州省普定县陈旗乡的荒山灌草丛中的土壤替代改良土壤中的10克羧甲基纤维素-丙烯酸树脂、100克粘土和90克腐殖酸土外，其余同改良土壤。为了观察改良土壤的保水效果，在一定的时间间隔里，秤量水土重量，计算改良土壤中和对照土壤中含水率。表1中列出了测定时间、改良土壤(1)中和对照土壤中水土的总重量、水的重量和土壤的含水率。
表1数据显示，在经过85小时30分钟的时间后，改良土壤(1)中的含水率(41.7％)大约是未经改良土壤(21.5％)中的2倍；随着时间的增加，差别愈来越大，至231小时30分钟后，改良土壤(1)中水土的比例为17.1％。而未经改良的土壤(对照土壤)，土壤中水土的比例仅为4.5％，即改良土壤(1)中的水土的比例是未经改良土壤中的3.8倍。
实施例3：
改良土壤(2)保水效果试验：取实施例1中经过处理的贵州省普定县陈旗乡的荒山灌草丛中的土壤2100克，加入羧甲基纤维素-聚丙烯酸树脂15克、150克的粘土，135克泥炭的混合土，混均后到入试验容器中，拍打试验容器，将出来的土重新倒入试验容器的土中，其中土壤的厚度是7.8厘米，改良土壤总重量是2400克。其他的试验和数据测定方法完全同实施例2。改良土壤(2)的测定时间、水土的总重量、水的重量和土壤的含水率与改良土壤(1)以及对照土壤的相应数据一起列在了表1中。
表1数据显示，在经过85小时30分钟的时间后，改良土壤(2)中的含水率(50.9％)是未经改良土壤(21.5％)中的2.3倍；随着时间的增加，差别愈来越大，至231小时30分钟后，改良土壤(2)中水土的比例为22.4％。而未经改良的土壤(对照土壤)，土壤中水土的比例仅为4.5％，即改良土壤(1)中的水土的比例是未经改良土壤中的5倍。此外比较改良土壤(2)和改良土壤(1)，可以看到随着土壤中土壤营养和酸度改良剂、土壤固定剂和水土保持剂的增加，土壤的保水功能也在成正比增加。
表1、水土测定时间、改良土壤中和对照土壤中水土的重量、水的重量和土壤含水率
*含水率＝土壤中水重÷2400×100％。
实施例4：
改良土壤(3)的持水容量和保水效果试验：取实施例1中经过处理的贵州省普定县陈旗乡的荒山灌草丛中的土壤1100克，加入羧甲基纤维素-聚丙烯酸树脂12.5克、125克的粘土，115克的腐殖酸土的混合土，混均后到入试验容器中，拍打试验容器，将从容器孔中漏出来的土重新倒入试验容器的土中，其中土壤的厚度为3.5厘米，土壤的总重量是1352.5克。将盛有土壤的容器放置在装有水的大容器，使大容器的水平面和土壤平面一致，放置10小时后，将盛有土壤的容器提起，放置在支架上4小时，待流动水滴干后，放置在地面上。在一定的时间间隔里，秤量水土重量，计算改良土壤中和对照土壤中水土的百分比例。对照土壤除用252.5克经过处理的贵州省普定县陈旗乡的荒山灌草丛中的土壤替代羧甲基纤维素-聚丙烯酸树脂12.5克、125克的粘土，115克的腐殖酸土的混合土外，其余同改良土壤试验。其余同改良土壤。为了观察改良土壤的保水效果，在一定的时间间隔里，秤量水土重量，计算改良土壤中和对照土壤中含水率。表2中列出了测定时间、改良土壤(3)中和对照土壤中水土的总重量、水的重量和土壤的含水率。
表2、水土测定时间、改良土壤中和对照土壤中水土的重量、水的重量和土壤含水率
表2数据显示，经过改良后，土壤的持水容量由51.8％(对照土壤)提高到73.6％(改良土壤)。208小时(8天16小时)的时间后，改良土壤中水土的比例(30.7％)是未经改良土壤(对照土壤12.6％)中的2.4倍以上；随着时间的增加，差别愈来越大，至279小时后，改良后的土壤中水土的比例为14.4％。而未经改良的土壤(对照土壤)中的水分已全部挥发。
实施例5：
改良土壤对植物生长的影响试验：唇形科植物牛至(Origanum vulgare)是喀斯特区域常见的植物，对土壤的干旱比较敏感，所以在试验中选用牛至植物来观察改良土壤对植物生长的影响。9月3日上午9点，除在改良土壤和对照土壤中各种下60粒牛至种子外，种植之前的土壤配方、喷水量以及处理的时间都和实施例2相同的。9月6日在改良土壤和对照土壤中都有牛至的种子发芽。10天后即9月13日，在改良的土壤中有牛至幼苗51颗，发芽率为85％；而对照土壤中牛至幼苗是28颗，发芽率为46.7％。该数据说明：在改良土壤中牛至种子的发芽率和幼苗的成活率远大于在对照土壤中的。发芽4天后(9月10日)，在对照土壤中由于土壤含水量减少(含水率10％)，牛至幼苗由于干旱而有些萎蔫。此时如果不及时喷洒补水，就会有部分牛至幼苗开始死亡；而改良土壤中牛至幼苗的长势很好。为了拯救对照土壤中的牛至幼苗，以及能够继续观察改良土壤对植物生长的影响，9月10日在改良土壤和对照土壤中各喷入了405克的水。图1A是9月10日13点30分，即种植牛至种子7天3小时30分(170小时30分)时牛至幼苗的生长照片，其中A1是改良土壤的，A2是对照土壤的；从图1A中，可以明显地看到：在改良土壤中牛至幼苗无论是高度，茎的粗壮度及子叶面积方面都是对照土壤中生长的牛至幼苗的3～4倍。图1B是9月13日11点，即种植牛至种子240小时(10天)时牛至幼苗的生长照片，其中B1是改良土壤的，B2是对照土壤的。从图1B中可以看到：在改良土壤中(B1)牛至幼苗已开始长出2枚真叶，而在对照土壤中(B2)牛至幼苗仍为2枚子叶。
到了9月15日在对照土壤中的牛至幼苗全部干旱致死，而在改良土壤中牛至幼苗仍然健壮生长。直到9月22日改良土壤中牛至的幼苗也全部干旱致死。表3列出了在改良土壤和对照土壤中，从9月3日上午9点各种下60粒牛至种子开始，到的幼苗全部干旱致死全部过程中的水土测定时间、改良土壤中和对照土壤中水土的总重量、水的重量和土壤的含水率。
表3、种植牛至种子后水土的测定时间、改良土壤中和对照土壤中水土的重量、水的重量和土壤的含水率
*含水率％＝土壤中水重÷2400×100％
Claims (2)
1.一种喀斯特石漠化地区土壤的改良和保水土方法，其特征在于：将喀斯特山下的腐殖酸土和贵州高原沼泽地里的泥炭作为土壤营养和酸度改良剂、喀斯特山地坡耕地土壤中的粘土作为土壤固定剂和少许人工合成的羧甲基纤维素-聚丙烯酸树脂作为水土保持剂应用到了退化的喀斯特土壤中，达到了改良土壤、增加其持水容量、保水功能和提高其适应植物生长的能力，促进植被迅速恢复的效果。
2.根据权利要求1所述的一种喀斯特石漠化地区土壤的改良和保水土方法，其特征在于：其中所述土壤营养和酸度改良剂、所述土壤固定剂和所述水土保持剂在被改良的土壤与所述土壤营养和酸度改良剂、所述土壤固定剂和所述水土保持剂总重中所占的重量份额分别为3.8～8.5％、4.2～9.2％和0.42～0.92％，不排除减少或者增加上述组分的重量份额。
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