CN102177804B - 一种浮动式保墒保温促进寒区植被快速恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种浮动式保墒保温促进寒区植被快速恢复的方法，它是由轻质小球和纱网盒组成，轻质小球用PVC轻质材料制成，轻质小球堆积在纱网盒里，厚度为3cm～10cm，在纱网盒上罩一层纱网。本发明的轻质小球有效阻止下部土体水分的毛细作用和蒸发，为春季和夏季植被萌芽生长提供充足的有效积温和水分条件，保证植被的顺利生长和恢复。此外，随着恢复植被毡状层的形成，可确保下部多年冻土环境保持长期相对稳定。本发明的推广和实施，对于工程建设与生态环境建设的和谐统一、江河源区生物多样性的保护、水土保持以及生态平衡的维护等有着重大的生态作用和社会经济效益。

Description

一种浮动式保墒保温促进寒区植被快速恢复方法

技术领域

本发明涉及一种新型轻质隔热保温、保墒结构，可用于冻土区受到破坏或退化植被的快速恢复；起到维护冻土工程基础、稳定工程基础底部温度场的作用。

背景技术

青藏高原作为世界上对全球气候变暖响应最为敏感的地区之一，也是我国天然高寒草地分布面积最大的一个区域，畜牧业非常发达，天然高寒草地面积达1.28×10⁸hn²，且主要分布于多年冻土区。高寒草地生态系统不仅是发展地区畜牧业，提高当地农牧民生活水平的重要生产资料，而且对于保护生物多样性、保持水土和维护生态平衡有着重大的生态作用和生态价值。近年来，由于忽视了对草地资源的科学管理，粗放经营，超载过牧，以及对草地资源不合理的开发利用，同时随着全球气候变暖的加剧，高寒草地生态系统发生了重大变化，退化趋势明显。王根绪等在2007年《地理学报》62卷第5期发表的《近40年来青藏高原典型高寒湿地系统的动态变化》一文中指出，“青藏高原植被退化具有普遍性，近年来退化有加剧的趋势”。同时，广阔的多年冻土地区，蕴藏着丰富的矿藏、森林和土地资源。由于资源开发，日益加剧的人类活动极易诱发厚层地下冰的融化和冻土环境的变化。这些变化，对人类工程建筑和自然环境带来严重影响，甚至造成灾害。随着全球气候的不断转暖，使得这一形势变得更加严峻。

近年来，随着西部大开发的积极推挤，青藏铁路、青藏公路二期工程、石油管线等线性工程陆续在青藏高原开始实施，在施工过程中不可避免地对沿线草地产生了破坏，如何对这些遭到破坏的高寒草地进行恢复仍是目前亟待解决的难题；同时，高寒草地破坏之后失去了对下覆多年冻土的保护作用，大量热流迅速传入地下，使多年冻土活动层厚度不断加深，导致修筑于其上的线性工程基础失稳，产生强烈的冻胀和融沉，从而使工程遭到破坏。如何恢复高寒草地生态系统平衡，如何保证工程修筑前后基础周围多年冻土不发生变化，是目前在青藏高原多年冻土区修筑工程构筑物过程中亟待解决的又一科学问题。

目前，用于高寒草地植被恢复的策略主要有围栏封育，松耙、补播、施肥和草皮种植，啮齿类动物和杂草的控制，优良牧草品种的筛选，建设人工、半人工草地，高寒草地和家畜的合理管理等。虽然这些措施在一定程度上对缓解高寒草地退化起到了积极作用，但在青藏高原气温低、植被生长期短、蒸发强烈而且土壤贫瘠等严酷的自然条件下，以上措施对高寒草地植被的恢复效果缓慢，周期长，尤其是恢复被工程施工破坏的草地，并实施对工程基础周围多年冻土保护，这些措施均不能达到预期的效果。

目前，湿式喷播法作业作为恢复植被主要措施。此方法主要适用于气候相对温和，再辅以工程手段的基础上，在荒地或被破坏的岩质、土质坡体上建植合适的植物群落。针对青藏高原严酷的自然条件和表层土壤水、肥的不足，想要快速恢复植被，首要解决的是保温和保墒问题，增加植被生长所需的积温并控制下部土体水分的过快蒸发。因此，而在常规地区普遍使用的现有植被恢复技术均不能适应高原极端寒冷、干旱条件下高寒植被所需的水分和温度条件。

因此，如何找到在多年冻土区能使退化的植被和遭到工程破坏的草地得以快速恢复，同时又有助于保护工程基础周围多年冻土稳定的有效解决途径，其对于我国江河源区保护生物的多样性、保持水土和维护生态平衡有着重大的生态作用和生态价值，同时对于青藏高原线性工程建设实现“绿色长廊”将起到非常重要的作用。

发明内容

针对上述青藏高原江河源区高寒草地植被退化的现状和国家重点工程建设过程中遭到破坏草地的植被重新恢复问题，本发明的目的在于提供一种浮动式保墒保温促进寒区植被快速恢复的方法，旨在使已经退化或遭到工程破坏的高寒草地植被得以快速恢复，同时可以用于保护下覆地温场线性工程基础周围多年冻土的稳定。

在青藏高原多年冻土区，植被退化后，随着毡状层厚度变薄和腐殖质层的消失，持水和保水功能以及隔热保温功能丧失，从而导致植被根系易于遭到冻害和干旱胁迫，进一步加剧草地的退化；同时，退化后由于陆一气能量交换状况的改变，在暖季外界环境温度较高的情况下，大量热辐射不断涌入导致下覆多年冻土发生融沉，而冷季大气温度较低的情况下下覆土体温度急剧下降又发生冻胀，从而影响上部工程基础的稳定。因此，在退化高寒草地植被的恢复方面，利用该浮动式保墒保温技术可以有效阻止外界热量的进入和下部土壤水分的蒸发，延缓下部土壤水分的散失速率以及冷季下部土体温度的下降速度，有利于保护植被根系免受冻害并提供植被生长所需的热量；而且，该浮动式保墒保温技术采用的轻质覆层小球之间的空隙在保证降水顺利渗入土体的同时，下部植被萌发的新芽还可以顺利穿过而生长不受影响。在受工程破坏的草地植被恢复方面，该浮动式保墒保温技术采用的轻质小球层与地表形成的空气层可以阻断下部毛细水上升，同时，轻质小球层的隔热作用阻止外界热量的进入，从而维持基础周围冻土的稳定，有助于阻止多年冻土的退化。在与人工植草结合下，该浮动式保墒保温促进寒区植被快速恢复措施可有效提供草籽萌芽所需的温度，保证幼苗的顺利生长。植被恢复后逐渐形成的毡状层其持水和保水功能以及隔热保温功能逐步增强，在该新技术的双重保护下，确保下覆多年冻土趋于稳定。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

一种浮动式保墒保温促进寒区植被快速恢复的方法，在被修复植被的现场，对退化区域表层土壤进行松耙、施肥，将纱网盒放置于撒种后被修复的地面上，轻质小球堆积在纱网盒里，在纱网盒之上盖一层纱网，然后用竹钉或U型钉对纱网盒进行加固。

上述轻质小球的粒径为3～10mm，密度为3～25kg/m³。

上述纱网盒的材质为玻璃纤维、或PVC、或尼龙、或锦纶、或涤纶、或钢丝、或棉线。

本发明能够快速恢复寒区植被的主要原理：

首先，利用轻质小球的隔热和保温作用，有效阻止暖季上部热量的进入和冷季下部热量的快速散失，轻质小球与地面形成的空气层又能有效阻止下部土壤中水分的毛细作用和水分的蒸发，为春季和夏季植被萌芽生长提供充足的有效积温和水分条件；同时，由于避免了暖季上部热量的大量进入和冷季下部热量的快速散失，从而避免了多年冻土活动层土壤的融沉冻胀以及植被根系的冻害。

其次，降水时，轻质小球层下降，球体之间相互压缩，但小球之间的空隙能保证降雨以及冰雪融水顺利渗入下部土体；降水结束后，小球层浮起，与地面形成一个相对封闭的空气夹层，阻断了地面水分的自由蒸发和毛细作用，大大延缓了下部土体水分的散失速率；而且，轻质小球之间的空隙能使植被萌发的新芽顺利穿过而生长而不受影响，从而保证植被的快速生长。另外，恢复后高寒草地又会逐渐形成根系毡状层，而毡状层同时也具有持水和保水功能以及隔热保温功能。

最后，在该轻质小球结构和毡状层的共同作用下，可确保下部多年冻土环境长期趋于稳定。

本发明的优点和产生的有益效果是：

1、隔热保温效能突出、降低水分蒸发速率显著。纱网盒中轻质小球层能有阻挡上下热量的传递，下部形成的空气夹层以及小球之间的空隙能有效阻断下部土壤水的毛细作用，使局部空气处于静止状态，有效降低了水分的蒸发速率。从而保证了植被恢复生长和种子萌芽所需的积温和水分，同时也避免了植被根系冷季发生冻害。

2、消能效果明显，有效防止了土壤的冲蚀。在降水时，本发明中轻质小球层能有效削减水滴下落的动能，降低对土壤表面的击打能力并预防地面径流的产生。从而有效防止了雨水对植被恢复区域土壤表面的冲蚀，在一定程度上也避免的养分的流失。实现高原极端环境下植被恢复对水、热的特殊要求，确保植被的顺利生长和繁殖。

3、植被得以恢复后，随着毡状层的形成，在轻质小球结构的共同作用下，在地表形成有效保护层，可确保多年冻土环境的长期稳定。

4、本发明中轻质小球结构的简便性和有效性有利于降低寒区线性工程基础维护的费用，并能快速恢复受工程破坏区域的植被，实现工程建设与生态环境建设的和谐统一。

5、在广袤的青藏高原，结合人工植草和有效的管理技术，实施本措施，可实现大面积退化植被的恢复和重建，对于保护江河源区生物多样性、保持水土和维护生态平衡有着重大的生态作用和生态价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的平面示意图。

图3为本发明相同气温下覆盖轻质小球层与裸地土壤温度对比。

图4为本发明相同气温下覆盖轻质小球层与裸地土壤水分蒸发速率对比。

图5为本发明覆盖轻质小球层与裸地对照条件下室内12天时植被生长情况。

图6为本发明室外露天条件下覆盖轻质小球层与裸地对照1个月后植被生长情况。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明轻质小球结构施工使用过程作进一步说明：

如图1所示，一种浮动式保墒保温促进寒区植被快速恢复的方法，它是由轻质小球1和纱网盒2构成，轻质小球1由PVC材料制成，粒径为3～10mm；密度为3～25kg/m³。纱网盒2为玻璃纤维织成的网盒，具有耐腐蚀、抗紫外线等特点。轻质小球1堆积在纱网盒2里，厚度为3cm～10cm，在纱网盒2上覆一层纱网3，避免轻质小球1被风吹散流失。

在修复植被的现场施工中，对于退化高寒草地需要恢复的区域，铺设之前对退化区域表层土壤进行松耙、施肥，特别干旱条件下可适当喷水，然后将纱网盒2放置于撒种后被修复的地面上，在纱网盒2之上盖一层纱网3，纱网3距轻质小球层1～3cm，有利于地面与小球层之间空气夹层的形成。为避免大风的影响，也可用竹钉或U型钉对纱网盒2进行加固。

在线性工程竣工后需要对工程基础周围冻土保护或对破坏的草地进行复植的区域，首先对其表层土壤过筛平整，引种补播并适当洒水后放置堆有轻质小球1的纱网盒2，然后固定即可。

为了验证本发明在保墒保温、促进寒区植被快速恢复的有效性，本发明在中国科学院冻土工程国家重点实验室进行了室内小型模拟试验。试验中轻质小球1采用的是PVC材质，粒径3～8mm，密度18kg/m³，轻质小球1在纱网盒2里堆积的厚度为5cm；纱网盒2的材质是尼龙，网孔为6目。本发明的试验主要验证PVC轻质小球的降温隔热效能和防止水分蒸发的有效性；并在种植草籽后对其萌芽时间、植被生长状况进行观测。试验装置主要由①试验平台、②辐射加热装置、③温度监测系统和④数据采集系统组成。试验平台由保温材料做成，将实验小样四周用保温材料进行包裹以隔绝试样内部与外界的热量交换；在试样上方一定高度架设辐射加热装置对试样进行模拟加热；在装有轻质小球1的纱网盒2的试样土层内放置温度监测传感器，利用数据采集系统实时对土壤温度进行测定；同时，每隔一定时间用电子天平称量试样重量变化，计算轻质小球结构对水分蒸发速率的影响。数据采集系统由温度探头、数据采集仪、计算机组成。温度数据由DT500数据采集仪自动采集和存储，采集频率每60分钟1次。

图3为装有轻质小球1的纱网盒2覆盖试样与对照试样土壤温度对比情况。由图3可见，在相同实验环境下，装有轻质小球1的纱网盒2覆盖试样土壤温度同比对照土壤温度低7～13℃。说明了装有轻质小球1的纱网盒2的热屏蔽效果十分明显，从而避免暖季大量热流进入土体而冷季下部土体急剧降温而引起冻土发生融沉和冻胀；而且，良好的保温性能为植被的生长和种子的萌芽提供充足的生长积温。

图4为装有轻质小球1的纱网盒2覆盖试样与对照试样土壤水分蒸发速率对比情况。由图4可见，与裸地对照试样比，装有轻质小球1的纱网盒2覆盖的土壤水分蒸发速率平均只有对照的59％左右，说明装有轻质小球1的纱网盒2的抑制土壤水分蒸发的效果十分明显，保水性能良好。

表1为装有轻质小球1的纱网盒2覆盖试样与对照试样草籽萌芽时间对比情况。

表1装有轻质小球的纱网盒覆盖试样与裸地试样草籽萌芽时间

注：草籽萌芽试验测定条件为室温25～28℃、湿度为25～38％。

由表1可见，装有轻质小球1的纱网盒2覆盖试样组与裸地试样对照组的种子萌芽时间相差不大。造成这一现象的原因是由于轻质小球覆盖，导致下部土体升温缓慢，而裸地土壤升温相对较快；但轻质小球覆盖下土体水分相对较高，最终导致两种情况下种子的萌芽时间基本相同。

在种子完全出苗长成后(大约播种后12天)，将装有轻质小球1的纱网盒2覆盖的试样与对照试样同时置于室外，不做任何处理，观察苗的生长状况。1个月后，装有轻质小球1的纱网盒2的试样植被基本能维持正常生长(见图5右、图6右)，而对照组的植被由于缺水和天气寒冷而枯萎(见图5左、图6左)，由此可见，本发明具有良好的保温和阻止水分蒸发效能，能有效维护植被的正常生长，可确保被修复的地植被的快速恢复。

Claims (2)

1.一种浮动式保墒保温促进寒区植被快速恢复的方法，其特征是在修复植被的现场施工中，对于退化高寒草地需要恢复的区域，铺设之前对退化区域表层土壤进行松耙、施肥，特别干旱条件下适当喷水，然后将纱网盒(2)放置于撒种后被修复的地面上，轻质小球(1)堆积在纱网盒(2)里，厚度为3cm～10cm，轻质小球(1)由PVC材料制成，粒径为3～10mm，密度为3～25kg/m³，在纱网盒(2)之上盖一层纱网(3)，纱网(3)距轻质小球层1～3cm，用竹钉或U型钉对纱网盒(2)进行加固。

2.如权利要求1所述一种浮动式保墒保温促进寒区植被快速恢复的方法，其特征是纱网盒(2)的材质为玻璃纤维、或PVC、或尼龙、或锦纶、或涤纶、或钢丝、或棉线。

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