CN110596350A - 一种研究生物结皮对喀斯特石漠化地区水土流失情况的模拟方法 - Google Patents

一种研究生物结皮对喀斯特石漠化地区水土流失情况的模拟方法 Download PDF

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李晓娜
程才
李玉杰
张远东
高敏
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials

Abstract

本发明公开了一种研究生物结皮对喀斯特地区水土流失情况的模拟方法，属于环境研究技术领域，它包括以下步骤：S1、人工培育苔藓结皮，准备目标地区土样；S2、土样至少分两次堆叠放入模拟箱内，S3、以一个模拟箱作为空白对照组，剩余模拟箱内部土样的上顶表面上移植苔藓结皮；S4、模拟自然降雨条件对模拟箱进行轮人工降雨；在单次降雨的过程中分别对土样表层的径流出的泥水混合物以及模拟箱内底部径流处的泥水混合物进行收集；S5、分离泥水混合物，并进行称重记录；S6、计算出径流系数、产沙比重和输沙模数；本发明解决了当前缺乏在喀斯特石漠化地区生物结皮对于水土流失影响的研究手段的问题。

Description

一种研究生物结皮对喀斯特石漠化地区水土流失情况的模拟 方法
技术领域
本发明涉及喀斯特石漠化地区水土流失研究技术领域，具体涉及一种研究生物结皮对喀斯特石漠化地区水土流失情况的模拟方法。
背景技术
生物结皮(biological soil crusts)又称生物土壤结皮、土壤微生物结皮等，其是由微细菌、真菌、藻类、地衣、苔藓等隐花植物及其菌丝、分泌物等与土壤砂砾粘结形成的复合物，是干旱半干旱区重要的地表覆盖类型(40％以上)。生物结皮也是部分土壤沙漠化最具有特色的生物景观之一，生物结皮的存在对沙漠的固定、土壤表面的物理化学生物学特性、土壤抗风蚀水蚀等方面具有重要意义。生物结皮也是沙漠植被演替的先锋种，对促进沙漠植被演化具有重要作用；喀斯特环境中脆弱的地质环境和强烈的人类活动使得石漠化频繁发生，地表土壤直接裸露遭受侵蚀，是典型的水土流失较为严重的土壤环境，。当前石漠化治理大多采用林草植被恢复、混农林立体发展、种植经济林木等方式，忽视自然状态下生态系统正向演替的机理和规律，未充分认识先锋植物在生态治理过程的特殊意义，治理效益疲弱。采用何种手段来探讨生物结皮对于喀斯特石漠化地区水土流失情况是目前的所需要解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种研究生物结皮对喀斯特石漠化地区水土流失情况的模拟方法，以解决当前缺乏在喀斯特石漠化地区生物结皮对于水土流失影响的研究手段的问题。
为解决上述问题，本发明提供了如下技术方案：
一种研究生物结皮对喀斯特石漠化地区水土流失情况的模拟方法，包括以下步骤：
S1、对苔藓结皮进行人工培育，对目标地区土样进行分层采集，将对不同层的土样分别进行破碎处理，并将其放置到通风处进行风干；
S2、将风干后不同层的土样按照原目标地区土样的层次顺序依次堆叠放入模拟箱内，直至土样的上顶面与每个模拟箱的上顶部溢水端相平齐；
S3、以一个模拟箱作为空白对照组，剩余模拟箱内部土样的上顶表面上移植苔藓结皮；
S4、模拟自然降雨条件对所有模拟箱进行若干轮人工降雨；单次降雨的降雨强度在20-90mm/h，且在单次降雨的过程中每隔10min分别对土样表层的径流出的泥水混合物以及模拟箱内底部径流处的泥水混合物进行收集，并在单次降雨结束后，在此后每隔10min重复进行收集，直至水流不再流出；
S5、对S4中收集到的泥水混合物进行过滤分离得到泥沙及水，并对每次降雨得到的泥沙及水的量进行数据记录；
S6、通过下方所示公式分别计算出径流系数、产沙比重和输沙模数；
径流系数＝地表或地底径流量/(地表径流量+地底径流量)；
产沙比重＝地表或地底产沙量/(地表产沙量+地底产沙量)；
输沙模数＝地表或地底产沙量/坡面面积*降雨时间。
优选的，以模拟箱中的土样层与水平面之间的倾角大小及降雨的强度作为变量重复进行步骤S4和步骤S5以进行交叉实验；其中在步所使用的土样层与水平面之间的倾角大小分别为0°、10°、20°、20°，并在步骤S7中对所有经过采集计算后的径流系数、产沙比重和输沙模数采用方差分析的手段进行显著性检验。
优选的，步骤S4中一轮人工降雨的降雨次数不低于100次，每次降雨时长为60min；两次降雨之间空隙时间不超过一天。
优选的，在顶层土样中还设置有岩石，且所述岩石在土样表层的裸露率为20％。
优选的，模拟箱包括内部中空的箱体；在箱体侧壁的上顶部朝箱体的外侧设置有引流板，且在箱体的下底面沿其高度方向开有若干个渗流孔；在箱体的下端还可拆卸地安装有收集底盖，在底盖的下方还设置有角度调节装置；引流板与箱体的侧壁之间的夹角大小不低于5°。
进一步的，单个渗流孔的直径大小不超过5mm，且渗流孔在所述箱体的下底面上的孔隙度为5％。
进一步的，收集底盖为一个中部呈内凹的板型结构，且在收集底盖内壁上靠近其内底面位置处开有引流孔。
进一步的，箱体及收集底盖都采用透明材料制成。
进一步的，角度调节装置为一角度可调的角板结构，在所述角板结构上与收集底盖相贴合的端面上设置有安装槽；收集底盖通过所述安装槽可拆卸地安装在角度调节装置上。
进一步的，引流板为三角形结构的平板，其一端箱体的侧壁相固接，同时在其另外两个侧沿上设置有阻隔板；且在两个阻隔板相交汇的位置处留有缝隙，在箱体的外侧壁与引流板之间还设置有加强筋。
本发明有益效果：
本发明通过采集风干土样、培育生物结皮、在模拟箱内模拟野外环境，设置人工模拟自然降雨，在降雨过后对从模拟箱中流出的泥水混合物进行收集、过滤分离并记录具体数据等一系列操作，探究生物结皮对喀斯特石漠化地区水土流失的阻控效益，以期为利用生物结皮治理石漠化以及推动石漠化生态系统的恢复和重建提供一定基础数据，解决当前缺乏在喀斯特石漠化地区生物结皮对于水土流失影响的研究手段的问题，另一方面，本发明还提供了这一过程中所使用的新型模拟箱结构，通过这一改良装置能够更方便准确地收集到实验数据，保证实验的有效进行。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本实施例中箱体的剖面图；
图3是本实施例中收集底盖的三维结构示意图
附图标记说明：1、箱体，2、引流板，3、收集底盖，4、角度调节装置，11、渗流孔，12、加强筋，31、引流孔。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍：
实施例：
本实施例提供了一种研究生物结皮对喀斯特石漠化地区水土流失情况的模拟方法，它包括以下步骤：
S1、对苔藓结皮进行人工培育，对目标地区土样进行分层采集，将对不同层的土样分别进行破碎处理，并将其放置到通风处进行风干；在本实施例中，分层采集时按照距地面0-10cm为第一层，10-20cm为第二层进行采集；对土样的风干时间在8-12天
S2、将风干后不同层的土样按照原目标地区土样的层次顺序依次堆叠放入模拟箱内，直至土样的上顶面与每个模拟箱的上顶部溢水端相平齐；放入土样层时，首先将第二层土样铺入模拟箱内，并对其进行土面的平整，再将第一层土样铺入；
S3、以一个模拟箱作为空白对照组，剩余模拟箱内部土样的上顶表面上移植苔藓结皮；本实施例中使用了两类苔藓结皮，分别是狭叶拟合睫藓、穗枝赤齿藓；两者中苔藓结皮在顶部土层的覆盖率皆为100％。
S4、模拟自然降雨条件对所有模拟箱进行若干轮人工降雨；单次降雨的降雨强度在20-90mm/h，且在单次降雨的过程中每隔10min分别对土样表层的径流出的泥水混合物以及模拟箱内底部径流处的泥水混合物进行收集，并在单次降雨结束后，在此后每隔10min重复进行收集，直至水流不再流出；
S5、对S4中收集到的泥水混合物进行过滤分离得到泥沙及水，并对每次降雨得到的泥沙及水的量进行数据记录；
S6、通过下方所示公式分别计算出径流系数、产沙比重和输沙模数；
径流系数＝地表或地下径流量/(地表径流量+地下径流量)；
产沙比重＝地表或地下产沙量/(地表产沙量+地下产沙量)；
输沙模数＝地表或地底产沙量/坡面面积*降雨时间。
以模拟箱中的土样层与水平面之间的倾角大小及降雨的强度作为变量重复进行步骤S4和步骤S5以进行交叉实验；其中在步所使用的土样层与水平面之间的倾角大小分别为20°；
步骤S4中一轮人工降雨的降雨次数不低于100次，每次降雨时长为60min；两次降雨之间空隙时间不超过一天。
在土样中还设置有岩石块，岩石块在步骤S2阶段随分层土样一起放入模拟箱中，岩石块的高度大小不超过20cm；且所述岩石在土样表层的裸露率为不超过20％。
参照图1，本实施例还公开了进行模拟实验所使用的模拟箱，它包括内部中空的箱体1；在箱体1侧壁的上顶部朝箱体1的外侧设置有引流板2，且在箱体1的下底面沿其高度方向开有若干个渗流孔11；在箱体1的下端还可拆卸地安装有收集底盖3，在底盖3的下方还设置有角度调节装置4；引流板2与箱体1的侧壁之间的夹角大小不低于5°。在本实施例中，箱体内部空间结构为60*40*20的长方体结构；
单个渗流孔11的直径大小为5mm，且渗流孔11在所述箱体1的下底面上的孔隙度为5％。为了在模拟喀斯特土壤环境，同时保证底部土样不发生大规模流失，故而对渗流孔11及孔隙度进行了限制。
收集底盖3为一个中部呈内凹的板型结构，且在收集底盖3内壁上靠近其内底面位置处开有引流孔31。
箱体1及收集底盖2都采用透明材料制成。
角度调节装置4为一角度可调的角板结构，在所述角板结构上与收集底盖3相贴合的端面上设置有安装槽；收集底盖3通过所述安装槽可拆卸地安装在角度调节装置4上。在本实施例中，安装槽未在图示中给出标记。
引流板2为三角形结构的平板，其一端箱体1的侧壁相固接，同时在其另外两个侧沿上设置有阻隔板21；且在两个阻隔板21相交汇的位置处留有缝隙，在箱体1的外侧壁与引流板2之间还设置有加强筋12。
使用本实施例中装置及方法对两轮喀斯特地区水土流失情况进行模拟试验后获得的实验参数如下；
本次实验表明：
在50mm/h降雨强度下，20°坡面地表径流总量为413ml，地下径流总量为17414.2ml；地表产沙总量为7.29g，地下产沙总量为17.64g。结果表明坡面地下产流产沙显著高于坡面地表产流产沙。喀斯特地区具备的地表地下双层空间二元结构使得此地区的水土流失以地下漏失这一方式进行。在50mm/h降雨强度下，苔藓结皮覆盖的20°坡面地表径流总量为1670ml，地下径流总量为15229ml；地表产沙总量为2.92g，地下产沙总量为8.58g。结果表明苔藓结皮坡面地下产流产沙显著高于地表产流产沙。同时，在同一降雨强度和同一坡度条件下，苔藓结皮坡面地表产流显著高于裸地坡面，地表和地下产沙显著低于裸地坡面。干旱少土是喀斯特石漠化生态系统的典型生境特征，苔藓结皮覆盖可显著减少喀斯特石漠化地区地表地下的土壤流失量。苔藓结皮坡面地表径流显著高于裸地坡面径流，苔藓植物强大的吸水储水能力使得地表径流增加，可为生境内其他生物提供更多的水分来源。苔藓结皮坡面地下产流时间长于裸地坡面，表明苔藓结皮可延长地下产流时长促进生境内深根植物的生长。

Claims (10)

1.一种研究生物结皮对喀斯特石漠化地区水土流失情况的模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、对苔藓结皮进行人工培育，对目标地区土样进行分层采集，将对不同层的土样分别进行破碎处理，并将其放置到通风处进行风干；
S2、将风干后不同层的土样按照原目标地区土样的层次顺序依次堆叠放入模拟箱内，直至土样的上顶面与每个模拟箱的上顶部溢水端相平齐；
S3、以一个模拟箱作为空白对照组，剩余模拟箱内部土样的上顶表面上移植苔藓结皮；
S4、模拟自然降雨条件对所有模拟箱进行若干轮人工降雨；单次降雨的降雨强度在20-90mm/h，且在单次降雨的过程中每隔10min分别对土样表层的径流出的泥水混合物以及模拟箱内底部径流处的泥水混合物进行收集，并在单次降雨结束后，在此后每隔10min重复进行收集，直至水流不再流出；
S5、对S4中收集到的泥水混合物进行过滤分离得到泥沙及水，并对每次降雨得到的泥沙及水的量进行数据记录；
S6、通过下方所示公式分别计算出径流系数、产沙比重和输沙模数；
径流系数=地表或地底径流量/(地表径流量+地底径流量)；
产沙比重=地表或地底产沙量/(地表产沙量+地底产沙量)；
输沙模数=地表或地底产沙量/坡面面积*降雨时间。
2.根据权利要求1所述的一种研究生物结皮对喀斯特石漠化地区水土流失情况的模拟方法，其特征在于：以模拟箱中的土样层与水平面之间的倾角大小及降雨的强度作为变量重复进行步骤S4和步骤S5以进行交叉实验；其中在步所使用的土样层与水平面之间的倾角大小分别为0°、10°、20°、20°，并在步骤S7中对所有经过采集计算后的径流系数、产沙比重和输沙模数采用方差分析的手段进行显著性检验。
3.根据权利要求1所述的一种研究生物结皮对喀斯特石漠化地区水土流失情况的模拟方法，其特征在于：步骤S4中一轮人工降雨的降雨次数不低于100次，每次降雨时长为60min；两次降雨之间空隙时间不超过一天。
4.根据权利要求1所述的一种研究生物结皮对喀斯特石漠化地区水土流失情况的模拟方法，其特征在于：在土样中还设置有岩石，且所述岩石在土样表层的裸露率不超过20%。
5.根据权利要求1所述的一种研究生物结皮对喀斯特石漠化地区水土流失情况的模拟方法，其特征在于：模拟箱包括内部中空的箱体（1）；在箱体（1）侧壁的上顶部朝箱体（1）的外侧设置有引流板（2），且在箱体（1）的下底面沿其高度方向开有若干个渗流孔（11）；在箱体（1）的下端还可拆卸地安装有收集底盖（3）；在底盖（3）的下方还设置有角度调节装置（4）；引流板（2）与箱体（1）的侧壁之间的夹角大小不低于5°。
6.根据权利要求4所述的一种研究生物结皮对喀斯特石漠化地区水土流失情况的模拟方法，其特征在于：单个渗流孔（11）的直径大小不超过5mm，且渗流孔（11）在所述箱体（1）的下底面上的孔隙度为5%。
7.根据权利要求4所述的一种研究生物结皮对喀斯特石漠化地区水土流失情况的模拟方法，其特征在于：收集底盖（3）为一个中部呈内凹的板型结构，且在收集底盖（3）内壁上靠近其内底面位置处开有引流孔（31）。
8.根据权利要求4所述的一种研究生物结皮对喀斯特石漠化地区水土流失情况的模拟方法，其特征在于：箱体（1）及收集底盖（2）都采用透明材料制成。
9.根据权利要求4所述的一种研究生物结皮对喀斯特石漠化地区水土流失情况的模拟方法，其特征在于：角度调节装置（4）为一角度可调的角板结构，在所述角板结构上与收集底盖（3）相贴合的端面上设置有安装槽；收集底盖（3）通过所述安装槽可拆卸地安装在角度调节装置（4）上。
10.根据权利要求4所述的一种研究生物结皮对喀斯特石漠化地区水土流失情况的模拟方法，其特征在于：引流板（2）为三角形结构的平板，其一端箱体（1）的侧壁相固接，同时在其另外两个侧沿上设置有阻隔板（21）；且在两个阻隔板（21）相交汇的位置处留有缝隙，在箱体（1）的外侧壁与引流板（2）之间还设置有加强筋（12）。
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