CN104221790A - 一种保墒增温促进寒区植被快速恢复的阵列式开口小室 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种保墒增温促进寒区植被快速恢复的阵列式开口小室，其特征是：每个小室为棱台体，棱台体底面边数、或棱台体的3≤棱数≤6，棱台体的每侧面倾角在0°与90°之间，棱台体的高度为1cm~10cm，棱台体为薄壁空心体，顶面和底面为开口，并由棱台体组成阵列式，阵列式中每个棱台体底边互相连接。本发明通过试验显示阵列式开口小室结构能有效增加近地表温度，并阻止下部土体水分蒸发，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。同时，通过地表植被条件的改善，还可以达到保护冻土工程基础稳定的目的。其对于维护国家重大工程的长期稳定都有着重大的社会和经济效益。

Description

一种保墒增温促进寒区植被快速恢复的阵列式开口小室

 

技术领域

本发明涉及一种自动捕获太阳能阵列式进行保墒增温促进寒区植被快速恢复的开口小室，可用于寒区工程干扰迹地以及退化迹地植被的快速恢复；起到防风固沙、维护冻土工程边坡稳定、预防沙化发展，以及阻止冻土融化维护冻土工程基础稳定的作用。

 

背景技术

青藏高原作为气候变化的敏感区和生态脆弱带，对人类活动扰动十分敏感，其天然高寒草地面积是我国最大的一个区域，面积达1.28×10⁸hm²，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。自70年代以来，以青藏公路为代表的工程建设陆续在青藏高原多年冻土区展开，由于工程建设的需要形成了大量的取土场、施工便道等工程迹地。随着区域经济发展和矿产资源的开发，一大批规模宏大的线性工程又相继在多年冻土区开工建设，特别是长距离管道运输和寒区公路、铁路以及输变电工程建设和开挖对沿线的自然植被造成了很大的扰动和破坏，工程迹地的规模和面积逐年扩大；同时，受气候变暖、过度放牧以及多年冻土退化的影响，也导致大面积退化迹地的出现。马世震等在2004年《中国环境科学》24卷第2期发表的《青藏公路取土场高寒草原植被的恢复进程》一文中曾指出，高寒脆弱冻土生态系统表面的植被一旦遭受严重破坏，自然恢复进程极其缓慢，恢复周期要在20年以上。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，随着国家西部大开发战略实施和积极推进，青藏铁路、青藏公路整治工程、格拉输油管线、青藏交直流联网工程、玉树高速公路等国家重大工程不断在青藏高原进行实施。由于施工过程中的填挖、施工便道的修建等，不可避免地对沿线天然场地的地表植被产生破坏，对脆弱生态环境造成严重影响。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，随着地表条件的改变，地表吸热作用随之加强，大量热流不断传入地下，导致地表热边界条件的改变和地表吸热强度的不断增加，导致下部冻土层中的地下冰发生沉融、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，致使重大工程的冻土基础稳定性受到严重影响，部分工程遭到破坏，因此，青藏高原工程施工完成后，对植被进行快速、有效恢复，不仅是保护脆弱生态环境的需要，也是维护工程长期稳定的需要。

目前，用于工程作用影响下植被的恢复技术，主要有液压喷播、客土喷播、喷混植生、植生袋、三维网等，这些都是常规地区使用的常规技术，在高原极寒、干旱、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快速恢复难以发挥有效作用，尤其是对于工程填土、或地表受到强烈扰动的场地，这些措施均难以达到预期的效果。

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。

发明内容

针对上述青藏高原高寒草地植被退化现状，以及国家重点工程建设中植被恢复难题，本发明在于提供一种保墒增温促进寒区植被快速恢复的阵列式开口小室，旨在使工程建设造成的干扰迹地（植被因外力遭到破坏后没有恢复的土地）和已经退化的高寒草地植被得以快速恢复，在保护脆弱生态环境的同时，也可以对冻土工程稳定性起到积极保护和稳定作用。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

一种保墒增温促进寒区植被快速恢复的阵列式开口小室，其特征是每个小室为棱台体，棱台体底面边数、或棱台体的3≤棱数≤6，棱台体的每侧面倾角在0°与90°之间，棱台体的高度为1cm~10cm，底边宽度为1cm~30cm。棱台体为薄壁空心体，顶面和底面为开口，并由棱台体组成阵列式，阵列式中每个棱台体底边互相连接。

上述棱台体侧面的材质可以为塑料，或木材、或草纸板组成半透明、或不透明棱台体。

基于上述小室的结构，其能够快速恢复寒区植被的主要原理：

首先，由于开口棱台体形成了一个侧面封闭小室，由于内部风速降低，空气湍流减弱，热量不易散失，使得太阳辐射到小室内部的热量得到很好的保存，由此达到较好的增温效果；同时，由于近地表强迫对流的大幅削弱，阻止了下部土壤中水分的毛细和蒸发作用，有效保存了土壤中的水分。同时，小室内相对静止空气层良好的保温和隔热作用，在增加地表温度的同时，也减少了地表温度昼夜的波动。由此通过增温和保水作用，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。从而避免了植被根系的冻害。

其次，降水过程中，开口小室之间的连接处的缝隙，以及顶部开口能保证降雨以及冰雪融水顺利渗入下部土体。随着小室内部植被的生长、并不断从小室顶部开口的钻出，由于棱台体的上开口相对较小，使得该处的植被更加密集，并相对封闭了开口处的空气通道，这样进一步增加了小室的封闭性。由此进一步促进小室保温、保水效能不断的增加。各个开口小室顶部开口能确保植被萌发的新芽顺利生长而不受影响，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，在该开口小室阵列式结构和毡状层的共同作用下，可确保干扰迹地和退化区域恢复植被的持续繁殖和下部多年冻土环境长期趋于稳定。

本发明与以往技术的主要区别在于：

1、         本发明有效解决了青藏高原地区限制植被恢复的关键因素：土壤水分和温度。由于青藏高原气候寒冷干燥且大风，空气对流强烈，从而也就加剧了地表水分的蒸发和散失速度。为了解决这一难题，本发明采用的阵列式开口小室结构，小室与地面形成一个个相对半封闭的空间，由于小室内部风速降低，空气湍流减弱，热量不易散失，使得太阳辐射到小室内部的热量得到很好的保存，由此达到较好的增温效果；同时，由于近地表强迫对流的大幅削弱，阻止了下部土壤中水分的毛细和蒸发作用，有效保存了土壤中的水分。同时，小室内相对静止空气层良好的保温和隔热作用，在增加地表温度的同时，也减少了地表温度昼夜的波动。由此达到增温、保水的目的和作用，为春季和夏季植被的萌芽生长、冬季的安全越冬都提供充足的有效积温和水分条件。从而避免了植被根系的冻害。

2、         本发明有效解决了高寒草原植被恢复中高密度多株出苗问题。本发明采用的阵列式开口小室结构，各个开口小室顶部开口能确保植被萌发的新芽顺利生长而不受影响，从而保证植被的快速生长；同时，随着小室内部植被的生长、并不断从小室顶部开口钻出，由于棱台体的上开口相对较小，使得该处的植被更加密集，并相对封闭了开口处的空气通道，进一步增加了小室的封闭性。由此进一步促进小室保温、保水效能不断的增加。

3、         本发明有效避免了以往保温技术由于内部温度过高导致的“烧苗”现象。由于本发明采用的阵列式开口小室结构，各个小室顶部开口可以起到“通风换气”作用，有效避免了强烈日照条件下内部温度过高而出现植被 “烧死”现象。

4、         本发明采用的阵列式开口小室结构，充分考虑到高寒草地植被高度特征，调控位置低矮（1cm~10cm）、阵列式排列且稳定，在植被生长过程中可以与植被融为一体，实现青藏高原自然环境下长期调控目的，同时可有效避免在青藏高原狂风、低寒等恶劣自然环境下遭到破坏，大大降低经常性的维护工作。

本发明的优点和产生的有益效果是：

1、         充分考虑高原辐射强烈、大风和低寒等极端恶劣环境影响，以及工程活动影响下，为极端特殊条件下迹地现场植被的快速有效恢复找到有效解决途径。

2、         阵列式开口小室结构在有效利用太阳辐射进行增温保水保墒促进植被快速恢复的同时，还有效避免了以往已有措施在白天强辐射下高温“烧苗”现象和大风恶劣气象条件下易于遭到破坏的弊端。

3、         聚热保温效能突出、降低水分蒸发速率显著。阵列式开口小室能有效提高近地表温度，同时与地面之间形成一个相对稳定的空气层，使局部空气处于静止状态，有效降低了土壤水分的蒸发速率。从而保证了种子萌芽和植被恢复生长所需的积温和水分，同时也避免了新生植被根系冷季发生冻害。

4、         效能明显，有效防止了土壤的冲蚀。在降水时，本发明中阵列式开口小室能有效削弱水滴下落的动能，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。

5、         植被得以恢复后，随着毡状层的形成，在阵列式开口小室结构的共同作用下，在地表形成有效保护层，可确保多年冻土环境的长期稳定。

6、         本发明中阵列式开口小室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。

7、         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，可实现大面积工程干扰迹地和退化区域植被的恢复和重建，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。

8、         小室使用降解材料，随着植被的不断生长，在达到自然生长能力的基础上，通过材料的不断降解和消失，可以进一步达到保护环境的目的。

 

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的俯视平面示意图。

图3为本发明相同气温条件下阵列式开口小室结构覆盖与裸地5cm深度处土壤温度对比。

图4为本发明相同气温条件下阵列式开口小室结构覆盖与裸地土壤水分蒸发速率对比。

图5为裸地室内20天时植被生长情况。

图6为本发明覆盖室内20天时植被生长情况。

图7为室外露天条件下裸地50天时植被生长情况。

图8为室外露天条件下本发明覆盖50天时植被生长情况。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明阵列式开口小室结构施工使用过程作进一步说明：

如图1所示，一种保墒增温促进寒区植被快速恢复的阵列式开口小室，每个小室为棱台体1，用塑料制成。棱台体1底面边数、或棱台体的棱数为4，棱台体的每侧面倾角为60°，棱台体1的高度为2.6cm，顶面和底面为开口，小室上口径为1.0cm，底部口径为2.0cm。棱台体为薄壁空心体，并由棱台体1组成阵列式2，阵列式2面积为20×20cm²，阵列式2中每个棱台体底边互相连接。

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，然后将阵列式开口小室结构扣置于撒种后的地面上。为避免大风的影响，用竹钉或U型钉对阵列式开口小室结构进行加固。

在工程干扰迹地需要进行植被复植的区域，首先对迹地表层土壤进行平整，引种补播并适当洒水后扣置阵列式开口小室结构，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外小型模拟试验。试验中开口棱台体（1）（N_边数=4）小室采用的是透明PVC材质，上开口边长2cm，下开口边长5cm，每面倾角均为60°。本试验主要验证阵列式开口小室的聚热保温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。在试样上方一定高度架设日光辐射装置对试样进行模拟日光照射；在阵列式开口小室覆盖试样与对照试样土层内分别放置温度监测传感器，利用数据采集系统实时对5cm深度土壤温度进行测定；同时，每隔一定时间用电子天平称量试样重量变化，计算阵列式开口小室结构对土壤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Campbell公司生产的CR1000数据采集仪自动采集和存储，采集频率每60分钟1次。

图3为相同气温条件下阵列式开口小室结构覆盖试样与对照试样土壤温度对比情况。由图3可见，在相同试验环境下，阵列式开口小室结构覆盖的试样5cm土壤温度同比对照土壤温度高2.7～4.3℃，且在-7～-9℃长时间低温条件下5cm土壤温度仍高于0℃。说明了阵列式开口小室结构具有良好的聚热保温效能，从而有效避免了冷季地表温度急剧降温造成植被根系发生冻害；而且，良好的聚热保温性能可为植被的生长和种子的萌芽提供充足的生长积温。

图4为阵列式开口小室结构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，阵列式开口小室结构覆盖的土壤水分蒸发速率要低得多，平均只有对照的23.97%左右，说明阵列式开口小室结构具有优良的抑制土壤水分蒸发的效能，保水性能良好。

表1为具有阵列式开口小室结构覆盖的试样与对照试样播种后草籽萌芽时间对比情况。

 

 表1阵列式开口小室结构覆盖试样与裸地试样播种后草籽萌芽时间

处理	萌芽时间（d）
		阵列式OTC结构覆盖试样	5～7
裸地对照试样	8～10

注：草籽萌芽试验测定条件为室温21～25℃、湿度为22～36%。

由表1可见，阵列式开口小室结构覆盖的试样组与裸地试样对照组播种后种子萌芽时间相差较大，阵列式开口小室结构覆盖的种子萌芽时间较裸地对照组提前3天左右，说明阵列式开口小室结构具有良好的聚热保墒效能，能有效提高种子的萌芽时间。

在种子完全出苗长成后，于2013年1月将覆盖有阵列式开口小室结构的试样与对照试样同时置于室外，不做任何处理，进行相同条件下植被的生长状况对比观测。1个月后，覆盖有阵列式开口小室结构的试样植被长势依然良好（见图6、图8），而对照组的植被由于缺水和天气寒冷而枯萎死亡（见图5、图7），由此可见，本发明具有优良的聚热保温和抑制土壤水分蒸发的效能，能有效维护植被的正常生长，可有效对寒区工程干扰迹地和退化区域进行植被的快速恢复，并确保植被恢复效果的长期稳定。

Claims (2)

1.一种保墒增温促进寒区植被快速恢复的阵列式开口小室，其特征是每个小室为棱台体（1），棱台体（1）底面边数、或棱台体的3≤棱数≤6，棱台体的每侧面倾角在0°与90°之间，棱台体（1）的高度为1cm~10cm，底边宽度为1cm~30cm；棱台体为薄壁空心体，顶面和底面为开口，并由棱台体（1）组成阵列式（2），阵列式（2）中每个棱台体底边互相连接。

2.如权利要求1所述一种保墒增温促进寒区植被快速恢复的阵列式开口小室，其特征是棱台体侧面的材质可以为塑料、或木材、或草纸板组成半透明、或不透明棱台体。