CN111133861A - 利用荆条灌丛加快土石山区次生灌丛群落向乔木顶级群落演替的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用荆条灌丛加快土石山区次生灌丛群落向乔木顶级群落演替的方法，一方面保留或引进荆条灌丛群落，发挥荆条灌丛群落在地区生态修复过程中的天然效用，另一方面针对荆条灌丛群落在水源涵养功能方面的劣势，对荆条灌丛进行系统化人工干预，以改善土壤理化性质并提高水源涵养能力，加快土石山区生态修复进程。

Description

利用荆条灌丛加快土石山区次生灌丛群落向乔木顶级群落演 替的方法

技术领域

本发明涉及生态修复技术领域，尤其是一种利用荆条灌丛提升土石山区水源涵养能力的方法。

背景技术

我国北方灌丛生态系资源丰富，总面积达5365hm^2.，是重要的陆地生态系统。在北方低山丘陵区，气候条件主要为半干旱半湿润型气候，多年平均降雨量在500-600mm左右，虽然满足成林条件，但是受人类活动的严重干扰与气候条件限制，土石山区土层薄，土壤贫瘠且持水、保水能力弱，严重制约了该地区群落演替进程。

参见附图9，对太行山区典型植被土壤水分利用效率的研究表明，荆条灌丛相比于乔木林具有更小的蒸腾强度和蒸腾耗水量，这使得在水分状况不佳的状况下，灌丛具有更强的竞争优势，在长期的演替进程中，荆条成为该地区主要植被类型。

灌丛作为土石山区主要植被类型，其水源涵养能力却相对较差。对太行山区典型林分的研究表明，灌丛林径流系数最大，在遭受强降雨时，更易产生洪涝灾害；相比于乔木林，灌丛区枯落物储存量最小，枯落物的最大持水量与有效拦蓄量最差；此外，灌丛林相比于乔木林土层更薄，主要为强风化岩体，土壤持水能力较弱。综合各项指标可知灌丛区具有最差的水源涵养功能。

灌丛群落虽然在发挥水源涵养功能方面功效较差，但却是地区生态修复进程中不可跨越的阶段，因此合理应用区域灌丛群落，加快次生灌丛群落向乔木顶级群落演替是本发明的目的所在。土壤水分作为制约植被生长的重要因素，在加快区域生态修复进程时应给予重点考虑。对内蒙古灌丛群落进行收割并观察一年内土壤水分变化趋势发现，0-100cm土层厚度上土壤水分可增加5.5mm，此外，对植被进行收割减少了不同植被覆盖条件下土壤水分的差异。

太行山区作为北方土石山区的代表，是华北平原重要的天然生态屏障和水源补给区。为了响应建设京津冀水源涵养区的号召，发挥太行山作为华北地区水源地和生态屏障的作用，本发明提出的基于灌丛收割和应用的管理，加快我国北方土石山区次生灌丛群落向乔木顶级群落演替的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用荆条灌丛加快土石山区次生灌丛群落向乔木顶级群落演替的方法，基于灌丛收割和应用的管理方法，改善土壤理化性质、提高水源涵养能力，加快生态修复进程，同时有效降低治理区域的旱季火灾风险。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

利用荆条灌丛加快土石山区次生灌丛群落向乔木顶级群落演替的方法，其特征在于：在中国北方的土石山区生态修复进程中，一方面保留或引进荆条灌丛群落，发挥荆条灌丛群落在地区生态修复过程中的天然效用，另一方面针对荆条灌丛群落在水源涵养功能方面的劣势，对荆条灌丛进行如下的系统化人工干预：

通过地表钻孔和灌丛收割粉碎后的孔内回填，改变自然状态下枯落物水平分布方式为垂向分布方式，减少干旱季节地表的灌丛和枯落物储存量；增加地表凹陷程度，减小地表径流量，增加土壤水分入渗效率；通过枯落物含水量以及钻孔内温度的提升，加快枝条和枯落物分解速率、改善土壤结构土壤持水力和土壤肥力；

通过上述系统化的人工干预对荆条灌丛进行收割和生态化应用处理，改善土壤理化性质并提高水源涵养能力，加快土石山区生态修复进程。

作为本发明的一种优选技术方案，所述系统化人工干预的一个具体实施方法为：

A、在每年雨季过后对荆条灌丛进行收割，收集灌丛枝条和地表枯落物进行粉碎；

B、在灌丛收割区岩土表层进行机械钻孔，然后将上一步骤经过粉碎处理的灌丛枝条、枯落物作为填充基料进行孔内回填，并在回填过程中添加水分和组合化的生物菌剂辅料；

C、对填充有生物材料的钻孔定时添加水分并覆盖可降解膜，对土壤动物和微生物的局域生态环境进行人工干预优化，加速改善土壤理化性质和地区水源涵养能力，加快土石山区的生态修复进程。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤A中，每年雨季结束后对荆条灌丛区进行人工收割，灌丛收割位置为距离地表10-20cm处，能够在发挥灌丛植被在雨季保持水土的功能的同时减低雨季过后对土壤水分的消耗，根系的保存有利于植被来年萌发生长，在下一年雨季中持续发挥荆条灌丛水土保持功能。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤A中，对于所收割的灌丛进行粉碎，将收割灌丛与地表枯落物进行分块收集，利用粉碎设备提高枝条、枯落物的机械破碎率，为后续的钻孔填充提供基料。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤B中，依据如下步骤确定钻孔密度：①收集单位面积粉碎枝条和枯落物总量并进行称量；②计算自然填充状态下粉碎枝条、枯落物填充密度；③依据单位面积粉碎枝条总质量与填充密度，计算单位面积填充体积；④依据单个钻孔体积与单位面积总填充体积计算单位面积内钻孔数量。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤B中，使用机械设备在坡地进行垂向钻孔，钻孔直径为15-25cm，钻孔深度为30-50cm；钻孔分布方式为梅花状分布，以增加钻孔分布的均匀性和提高雨季对降雨的拦蓄能力；钻孔行、列间距均为0.5-1.5m。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤B中，将粉碎枝条枯落物回填入钻孔中的操作步骤包括：①将单个钻孔内粉碎枝条、枯落物均分为两份，取其中一份进行孔内填充；②将组合化的生物菌剂按含水量为65%加水调和，填充入钻孔中间层；③将剩余粉碎枝条、枯落物填充入钻孔上层。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤B中，所述组合化的生物菌剂的质量配比如下：食用菌糠40%，活性炭粉20%，腐生菌混合液15%，豆饼粉2%，石膏1%，碎屑岩余量；其中，所述食用菌糠按质量配比包含木屑：玉米芯：麦麸=1：1：1；所述腐生菌混合液包含等体积份的如下腐生菌原液：枯草杆菌、黑曲霉、短小芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤C中，依据干湿季节的差异向钻孔中定期添加水量，控制添加水分后粉碎枝条、枯落物含水量为45-75%。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤C中，当环境温度持续低于4℃时对填充后的钻孔覆盖可降解玉米淀粉膜，并在薄膜上开若干小孔，保证土壤动物和好氧微生物呼吸作用正常进行。

一种利于提升荆条灌丛群落土石山区的水源涵养能力的组合生物菌剂，该组合生物菌剂按照质量配比包含：食用菌糠30-50份，活性炭粉15-25份，腐生菌混合液5-25份%，豆饼粉1-5份%，石膏0.5-2份；其中所述食用菌糠至少包含木屑、玉米芯、麦麸；所述腐生菌混合液至少包含如下腐生菌原液：枯草杆菌、黑曲霉、短小芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌。

组合生物菌剂的应用，在荆条灌丛群落土石山区的原始生态环境当中构建人工微生态区域，使得人工微生态区域内能够维持适于所述组合生物菌剂的温度和水分含量，然后通过所述组合生物菌剂对荆条灌丛群落原生态环境中的自然有机物进行生态降解，最终提升荆条灌丛群落土石山区的水源涵养能力和加快荆条灌丛群落土石山区的生态修复进程。

上述方法的专用设备，包括安装于车体上并伸出车体的架体，于所述架体上枢接有向地面延伸的导轨，于所述导轨与架体之间装配有角度调节机构，于导轨上滑动连接有用于地面掘进和荆条粉碎回填的挖掘回填机构；所述挖掘回填机构包括与导轨滑动连接的动力部和与动力部的输出端连接的执行部，所述动力部包括固定于安装座上的驱动电机，所述安装座滑动连接于所述导轨上；于所述导轨与驱动电机之间装配有用于控制挖掘回填机构升降的升降机构；所述执行部包括下边沿上构造有若干挖掘齿的旋挖筒，一转轴与动力部的输出端连接并具有同轴伸入旋挖筒内的伸入端，于所述伸入端构造有螺旋叶片，于所述转轴与旋挖筒之间构造有用于切换转轴和旋挖筒同步转动或转轴单独转动的转换机构；所述转换机构包括构造于转轴上的安装盘，于所述安装盘上沿其周向均匀装配有若干棘爪，于旋挖筒的上端盖上与各棘爪相对应处分别开有与棘爪配合的齿槽，于旋挖筒的上端盖上安装有压环，所述压环封闭各齿槽的上部开口，且压环内径小于安装盘的外径；所述旋挖筒包括旋挖齿构造于其底端的套筒，所述套筒的顶端通过若干沿其周向间隔设置的连杆与上端盖固连；所述旋挖筒包括旋挖齿构造于其底端面上的底环，于底环与上端盖之间沿底环的周向间隔设有若干固定杆；于所述导轨远离架体的一端构造有安装板，于安装板上安装有离合机构，所述转轴穿经离合机构伸入旋挖筒内；当离合机构处于闭合状态时，转轴与离合机构螺纹连接；所述离合机构包括与安装板固连的固定套，于固定套内装配有两半内螺纹套，两半内螺纹套相互拼接构成完整的内螺纹套，各半内螺纹套靠近旋挖筒的一端为渐缩状结构，一喇叭状活塞装配于渐缩状结构上，所述喇叭状活塞具有与固定套内壁滑动连接的凸缘，于固定套内壁上沿其周向间隔形成有凸条，各凸起沿固定套的轴向延伸，于所述凸缘上相对于各凸条处开有与凸条适配的滑槽，所述喇叭状活塞与固定套之间形成驱动腔，于固定套上构造有接头；于两半内螺纹套的外壁上分别形成有半环形装配槽，两半内螺纹套相互拼接以使两半环形装配槽构成完整的环形装配槽，于所述完整的环形装配槽内装配有处于被压缩状态的环形弹簧。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明提供了利用荆条灌丛提升土石山区水源涵养能力，从而加快生态修复进程的方法，针对我国北方地区灌丛植被分布广泛、水源涵养能力有限、当地生态修复进程被严重制约的现状，以及由自然或人为因素造成的森林火灾使生态环境遭受破坏等难题，该方法通过改变荆条灌丛非雨季节的存在形式，减少了土石山区水分消耗，改善了岩土结构与质地、提高了土壤有机质含量、提升了水源涵养能力、加快了土石山区生态修复进程，提供了实用且高效的系统化解决方案。

本发明提供的利用荆条灌丛加快土石山区次生灌丛群落向乔木顶级群落演替的方法，在雨季过后对灌丛枝条进行收割，收集灌丛枝条和地表枯落物并粉碎填充到钻孔中，改变自然状态下枯落物水平分布方式为垂向分布方式，将减少干旱季节灌丛及枯落物储存量，降低森林火灾的风险；钻孔及粉碎枝条、枯落物的填充增加了地表凹陷程度，将减小地表径流量，增加土壤水分入渗效率；生物菌剂的添加、枯落物含水量以及钻孔内温度的提升能加快枝条、枯落物分解速率，改善土壤结构，提高土壤持水能力，增加土壤肥力。

本发明对荆条灌丛区的收割位置为距离地表10-20cm处，优选15cm；既可发挥灌丛植被在雨季保持水土的功能，又可减低雨季过后对土壤水分的消耗，此外，根系的保存有利于植被萌发生长，在下一年雨季中持续发挥荆条灌丛水土保持功能。

本发明对灌丛收割区地表进行钻孔，钻孔密度经过科学精确的计算进行确定，钻孔分布方式为梅花状分布，增加了钻孔分布的均匀性，提高了雨季对降雨的拦蓄能力。

本发明特定的三层组合式钻孔回填方式，能够提高钻孔内微区域生态环境的有效性，提高微区域温度和生态指数，有效改善土壤结构、提高土壤有机质含量和提升土壤水源涵养能力。

本发明特定的组合化生物菌剂为我课题组独自研发和配置，对于土石山区和荆条枯物具有良好的生态适配性，无论在分解速率、分解产物、有机-无机肥分增效等方面均表现出良好的效用指标。

另外，本发明的专用设备能够随车体移动，需旋挖钻孔时，根据坡面的不同，调节角度调节机构，使导轨沿竖直方向导向，挖掘回填机构竖向对坡面进行钻孔，钻孔结束后，将荆条、树叶等供给挖掘回填机构，挖掘回填机构将荆条、树叶等进行粉碎并回填至钻孔内，这样一机完成两个工序，无需分开使用钻机和粉碎机，降低投入成本，且在土石山区生态修复进程中，一方面保留或引进荆条灌丛群落，发挥荆条灌丛群落在地区生态修复过程中的天然效用，另一方面针对荆条灌丛群落在水源涵养功能方面的劣势，对荆条灌丛进行如下的系统化人工干预。

综上所述，本发明立足于北方浅山区植被特征、地质特征以及气候特征，提出了一种利用荆条灌丛提升土石山区水源涵养能力的方法，改变了自然状态下灌丛及枯落物水分分布的方式，有利于发挥灌丛植被的生态价值，降低非雨季蒸腾耗水量，减小地表径流、增加土壤水分入渗能力，改善土壤结构，提高土壤有机质含量，能够提升中国北方土石山区水源涵养功能，有效加快土石山区次生灌丛群落向乔木顶级群落的演替。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例另一种结构示意图。

图3为图1另一角度的结构示意图。

图4为本发明实施例旋挖筒的结构示意图。

图5为本发明实施例另一种旋挖筒的结构示意图。

图6为图5另一角度的结构示意图。

图7为本发明实施例离合机构的轴向结构剖视图。

图8为本发明实施例另一种离合机构的结构示意图。

图9为太行山区典型植被土壤水分利用效率示意图；可见荆条灌丛相比于乔木林具有更小的蒸腾强度和蒸腾耗水量，这使得在水分状况不佳的状况下，灌丛具有更强的竞争优势，在长期的演替进程中，荆条成为地区主要植被类型。

图10为本发明一个具体实施方式的技术路线示意图。

图11为坡地钻孔的剖面结构示意图。

图12为坡地钻孔分布的俯视示意图。

标注部件：1-架体，2-导轨，3-角度调节气缸，301-驱动杆，4-驱动电机，5-安装座，6-安装板，7-离合机构，701-固定套，702-法兰，703-半内螺纹套，704-喇叭状活塞，705-凸缘，706-凸条，707-内套，708-驱动腔，709-接头，710-柱状弹簧，711-半环形装配槽，712-环形弹簧，8-转轴，801-螺旋叶片，802-安装盘，803-棘爪，804-挡块，9-旋挖筒，901-套筒，902-上端盖，903-连杆，904-齿槽，905-压环，906-固定杆，907-旋挖齿，908-底环，10-升降气缸。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

我国北方浅山区受水分条件限制，形成大片的灌丛生态系统，以太行山区东坡为例，自然状态下主要植被类型为荆条灌丛，受自身生理生态特征影响，荆条根系发达，生长季叶片繁密，在水分匮缺条件下具有更强的竞争优势，但是相比于乔木其水源涵养能力以及对土壤条件的改善能力稍显不足，此外，荆条灌丛经济效益低下，且在非生长季由于枯枝落叶大量凋落，容易引发森林火灾。

实施例1

参见附图10-12，本发明的实施实例根据太行山区东坡灌丛群落特征及气候特征采取最优措施实现该区域水源涵养功能的提升。

（1）为了能在雨季起到水源涵养的功能，并降低在雨季之后对土壤水分的消耗，在9月下旬，对荆条灌丛区植被进行收割，收割处距离地表15 cm，这样既能发挥灌丛植被在雨季保持水土的功能，又可降低雨季过后对土壤水分的消耗，此外根系的保存有利于植被萌发生长，在下一年雨季中持续发挥荆条灌丛水土保持功能。

（2）对收割区枝条及地表枯落物进行粉碎，粉碎枝条和枯落物增加了空气和土壤的接触面积，促进了微生物在粉碎枝条表面的附着，同时为后续过程提供填充基料。

（3）框选2×2m²样方，称量区域内灌丛生物量；对于不同类型灌丛植被，单位面积生物量分别记为m₁kg/m²，m₂kg/m²，m₃kg/m²……。在太行山东坡低山丘陵区，荆条灌丛生物量为1.25kg/m²。

（4）自然装填状态下测量灌丛植被粉碎枝条填充密度，不同灌丛植被类型填充密度分别记录为ρ₁kg/m³、ρ₂kg/m³，ρ₃kg/m³……；经测量，荆条灌丛粉碎后自然填装密度为140kg/m³。

（5）根据下垫面岩土质地差异性，开挖孔径的直径和深度可做适当调整。太行山东坡低山丘陵区上覆土层厚度为10-50cm，土层下部为强风化花岗片麻岩，考虑到开挖的难度，钻孔直径为20cm，钻孔深度为40cm。

（6）结合单位面积灌丛生物量、单个钻孔体积以及粉碎枝条、枯落物填充密度计算钻孔分布密度，记不同灌丛植被覆盖区钻孔密度为φ₁个/m²、φ₂个/m²、φ₃个/m²…….对研究区钻孔密度进行计算得出，荆条灌丛区钻孔密度为0.71个/m²。

（7）在太行山东坡低山丘陵区框选6×6平方米研究区，钻孔圆心之间相隔1m进行打孔，在36m²范围内按照梅花状布置钻孔，共分布25个钻孔，钻孔密度为0.69个/m²，与荆条灌丛最宜灌丛密度相近，所有钻孔挖方共产生0.314m³岩土，平铺在扣除钻孔平面的35.215m²范围内，平铺厚度约为0.9cm，对下垫面影响较小。该钻孔密度及钻孔分布方式既可对灌丛收割区植被与枯落物进行充分利用，又可增加钻孔的均匀性，增强钻孔对强降雨的拦蓄能力，最大程度的减少地表径流量，提高水分入渗效率。

（8）在对钻孔进行填充的过程中，将单个钻孔内填充物均分为两份，按照粉碎枝条—生物菌剂—粉碎枝条顺序依次对钻孔进行填充，每个钻孔内添加生物菌剂8g。该填装方法有利于微生物向上下两层粉碎枝条、枯落物中转移，提高枝条和枯落物分解速率。

（9）生物菌剂的质量配比为：食用菌糠（木屑：玉米芯：麦麸=1：1：1）40%，活性炭粉20%，腐生菌混合液15%（枯草杆菌、黑曲霉、短小芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌），豆饼粉2%，石膏1%，碎屑岩余量。食用菌糠配料均为太行山低山丘陵区农产品产出后剩余尾料，来源广泛且价格低廉；活性炭为多孔结构，可以为微生物提供栖息空间；腐生菌混合液中的菌种均能在恶劣条件下生存，并分泌多种酶分解粉碎枝条、枯落物中木质素和纤维素；豆饼粉可以为微生物提供碳源和氮源；石膏可以中和微生物代谢过程中的有机酸，维持PH稳定。

（10）综合考虑开挖钻孔体积、填充密度、枝条分解最宜含水率以及太行山东坡土石山区气候条件，干旱季节单个钻孔每月中旬加水2kg，湿润季节每月中旬节水1kg。

（11）在寒冷月份（11月-2月）覆盖可降解玉米淀粉膜，并在其上开若干小孔，既可提高钻孔内温度，又可维持土壤动物和好氧微生物活性，因其可降解性不会对土壤造成二次污染。

（12）本发明充分考虑了北方土石山区植被、地形、地质等特征，对灌丛植被进行就地利用，降低了非雨季植被对土壤水分的消耗，增加了地表糙度，减小了地表径流，改善了土壤结构，增加了土壤水分入渗能力，提高了土壤有机质含量，促进了次生灌丛群落向顶级群落的演替进程，有利于区域水源涵养能力的提升。

实施例2

本实施例涉及一种利用荆条灌丛提升土石山区水源涵养能力的装置，如图1-3所示，包括架体1、导轨2、角度调节机构及挖掘回填机构。其中，架体1固定安装在车体上，并伸出车体，导轨2的一端与架体1伸出的端部枢接，角度调节机构安装在架体1与导轨2之间，根据坡面的不同坡度调节导轨2与架体1的角度，使导轨2处于竖向延伸的状态，挖掘回填机构一端滑动连接在导轨2上，挖掘回填机构伸向地面，用于地面掘进和荆条粉碎。本发明随车体移动，需旋挖钻孔时，根据坡面的不同，调节角度调节机构，使导轨2沿竖直方向导向，挖掘回填机构竖向对坡面进行钻孔，钻孔结束后，将荆条、树叶等供给挖掘回填机构，挖掘回填机构将荆条、树叶等进行粉碎并回填至钻孔内，这样一机完成两个工序，无需分开使用钻机和粉碎机，降低投入成本。

作为优选，如图3所示，角度调节机构为角度调节气缸3，该角度调节气缸3的缸体固定安装在架体1上，角度调节气缸3的驱动杆301转动连接于导轨2的中部，角度调节气缸3、架体1及导轨2之间构成三角形结构，使得角度调节后，三者的位置关系稳定。其中，角度调节气缸3也可以采用液压缸代替。

作为优选，挖掘回填机构包括动力部和执行部，动力部与导轨2滑动连接，执行部与动力部的输出端连接。其中，动力部包括固定在安装座5上的驱动电机4，驱动电机4为正反转电机，安装座5滑动连接于导轨2上。驱动电机4驱动执行部对地面旋挖或对荆条等粉碎，其在旋挖时，驱动电机4需要向下逐渐位移，实现对地面的掘进。具体的采用两种驱动形式：一种为主动驱动形式，如图2所示，导轨2与驱动电机4之间装配有升降机构，升降机构用于控制挖掘回填机构的升降，升降机构为升降气缸10或者液压缸，本实施例以升降气缸10为例，升降气缸10的缸体固定安装在导轨2远离地面的一端，其输出杆固定在驱动电机4或安装座5上，通过输出杆的升降控制驱动电机4的升降，进而实现被驱动电机4驱动而旋转的执行部的掘进；另一种为被动驱动形式，如图1、7-8所示，在导轨2远离架体1的一端焊接有安装板6，在安装板6上安装有离合机构7，执行部的转轴8穿经离合机构7伸入旋挖筒9内，且当离合机构7处于闭合状态时，转轴8与离合机构7螺纹连接，驱动电机4驱动转轴8转动，由于离合机构7的位置不变，使得转轴8逐渐向下位移，进而实现对地面的掘进，当离合机构7与转轴8分开使，转轴8被驱动电机4驱动而自由转动，不会发生竖向位移。

作为优选，如图7-8所示，离合机构7包括固定套701、喇叭状活塞704及两个半内螺纹套703，其中，固定套701的外表面上焊接有法兰702，固定套701通过法兰702固定安装在安装板6上，两个半内螺纹套703装配在固定套701内，且这两个半内螺纹套703相互拼接构成完整的内螺纹套，每个半内螺纹套703靠近旋挖筒9的一端为渐缩状结构，喇叭状活塞704装配在渐缩状结构上，固定套701的下端形成有内套707，喇叭状活塞704相对应的侧壁在内套707的外壁和固定套701的内壁上滑动。其为了拼接后的半内螺纹套703与固定套701相对静止，避免由于转轴8的扭矩过大导致两个半内螺纹套703随转轴8转动，喇叭状活塞704具有与固定套701内壁滑动连接的凸缘705，在固定套701内壁上沿其周向间隔形成有凸条706，每个凸起沿固定套701的轴向延伸，在凸缘705上相对于各凸条706处开有与凸条706适配的滑槽，在渐缩状结构上形成多个防滑沟槽，每个防滑沟槽沿渐缩状结构的倾斜方向延伸出渐缩状结构的两端，在喇叭状活塞704的内壁上形成有多个防滑条，当喇叭状活塞704将两个半内螺纹套703束紧为完整的内螺纹套时，防滑条适配于防滑沟槽内。喇叭状活塞704与固定套701之间形成驱动腔708，在固定套701上构造有接头709，该接头709连接气管或液压管，压缩空气或液压油进入驱动腔708内，并驱动喇叭状活塞704将两个半内螺纹套703逐渐束紧，同时缓慢转动转轴8，使得两个半内螺纹套703逐渐地靠近转轴8，直至转轴8与两半内螺纹套703螺纹连接为止，此时两半内螺纹套703被喇叭状活塞704束紧为完整的内螺纹套。离合机构7与转轴8闭合的过程中，避免转轴8的速度过快，而导致半内螺纹套703的螺纹不必要的磨损。

作为优选，如图7所示，在固定套701内壁与半内螺纹套703的外壁所构成的腔室内装配有柱状弹簧710，该柱状弹簧710的两端分别与凸缘705和固定套701的顶壁固定。当驱动腔708泄压后，柱状弹簧710用于喇叭状活塞704的回位。本实施例为了两半内螺纹套703更好的回位，如图8所示，在两个半内螺纹套703的外壁上分别形成有半环形装配槽711，两个半内螺纹套703相互拼接，以使两半环形装配槽711构成完整的环形装配槽，在完整的环形装配槽内装配有处于被压缩状态的环形弹簧712，由于半环形装配槽711的轴截面的圆周角大于135°，嵌入其内的环形弹簧712不会脱离半环形装配槽711，当驱动腔708泄压后，被压缩的环形弹簧712带动两个半内螺纹套703分离，解除与转轴8的连接。环形弹簧712的安装为，环形弹簧712为具有两个自由端的弹簧，将该弹簧伸入相互拼接的完整的环形装配槽内，并使两个自由端相互贴合，采用焊接的方式将两个自由端焊接在一起，构成环形弹簧712。

作为优选，如图4-6所示，执行部包括旋挖筒9、上述的转轴8及转换机构。其中旋挖筒9的下边沿上焊接有多个挖掘齿，这些旋挖齿907沿旋挖筒9的周向均匀布设，转轴8与驱动电机4的输出轴同轴连接，转轴8的一端伸入旋挖筒9内并形成伸入端，在该伸入端构造有螺旋叶片801，上述螺旋叶片801的旋向为随驱动电机4的正转而可对地面进行掘进的旋向。转换机构构造在转轴8与旋挖筒9之间，用于切换转轴8和旋挖筒9同步转动或转轴8单独转动。当转换机构切换至转轴8与旋挖筒9同步转动时，旋挖筒9与螺旋叶片801同时对地面进行掘进，且旋挖筒9用于旋挖外围的土石，螺旋叶片801用于旋挖旋挖筒9内部的土石，在随着逐渐掘进，螺旋叶片801将旋挖的土石逐渐排出旋挖筒9。当转换机构切换至转轴8独立转动时，此时，转轴8反转，将荆条、树叶等逐渐放入旋挖筒9内，螺旋叶片801实现粉碎功能，将荆条、树叶等在旋挖筒9内进行粉碎，并逐渐地将粉碎的荆条、树叶等输送至旋挖筒9底部，随着粉碎的逐渐进行，控制离合机构7闭合，使旋挖筒9上升一段距离，脱开离合机构7，继续添加荆条、树叶等粉碎，如此反复，直至钻孔被填满为止。

作为优选，如图4、6所示，转换机构包括构造在转轴8上的安装盘802，在安装盘802上沿其周向均匀装配有三个棘爪803，在旋挖筒9的上端盖902上与各个棘爪803相对应处分别开有与棘爪803配合的齿槽904，在棘爪803背部设置有挡块804，挡块804固定焊接在安装盘802上，挡块804的目的是防止棘爪803与齿槽904配合后，转轴8正转过程中棘爪803脱离齿槽904，此种结构与棘轮、棘爪803配合的方式相似。在旋挖筒9的上端盖902上安装有压环905，该压环905封闭各个齿槽904的上部开口，且压环905内径小于安装盘802的外径。压环905用于防止棘爪803和安装盘802脱离上端盖902，而无法实现两种形式的切换的功能。

作为优选，旋挖筒9分为两种形式，第一种是适应于较软的土质，第二种适应于较硬的土质。第一种，如图5所示，旋挖筒9包括底环908、上端盖902和多个固定杆906，底环908的底端面上焊接有多个旋挖齿907，上述的多个固定杆906固定在底环908与上端盖902之间，且沿底环908的周向间隔设置，每个固定杆906的两端分别与底环908和上端盖902焊接焊接；在旋挖的过程中，土壤会逐渐地从固定杆906之间的间隙排出旋挖筒9，但是此种旋挖筒9只便于粉碎树叶，较脆、较小的荆条。第二种，如图4所示，旋挖筒9包括套筒901、上端盖902及多个连杆903，在套筒901的底端焊接多个旋挖齿907，套筒901的顶端与上端盖902通过连杆903固定连接，这些沿套筒901的周向间隔设置；这种旋挖筒9适应于各种荆条、树叶、小树枝等，其限制较小。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.利用荆条灌丛加快土石山区次生灌丛群落向乔木顶级群落演替的方法，其特征在于：在土石山区的生态修复进程中，一方面保留或引进荆条灌丛群落，发挥荆条灌丛群落在地区生态修复过程中的天然效用，另一方面针对荆条灌丛群落在水源涵养功能方面的劣势，对荆条灌丛进行如下的系统化人工干预：

通过地表钻孔和灌丛收割粉碎后的孔内回填，改变自然状态下枯落物水平分布方式为垂向分布方式，减少干旱季节地表的灌丛和枯落物储存量；增加地表凹陷程度，减小地表径流量，增加土壤水分入渗效率；通过枯落物含水量以及钻孔内温度的提升，加快枝条和枯落物分解速率、改善土壤结构土壤持水力和土壤肥力；

通过上述系统化的人工干预对荆条灌丛进行收割和生态化应用处理，改善土壤理化性质并提高水源涵养能力，加快土石山区生态修复进程。

2.根据权利要求1所述的利用荆条灌丛加快土石山区次生灌丛群落向乔木顶级群落演替的方法，其特征在于：所述系统化人工干预的一个具体实施方法为：

A、在每年雨季过后对荆条灌丛进行收割，收集灌丛枝条和地表枯落物进行粉碎；

B、在灌丛收割区岩土表层进行机械钻孔，然后将上一步骤经过粉碎处理的灌丛枝条、枯落物作为填充基料进行孔内回填，并在回填过程中添加水分和组合化的生物菌剂辅料；

C、对填充有生物材料的钻孔定时添加水分并覆盖可降解膜，对土壤动物和微生物的局域生态环境进行人工干预优化，加速改善土壤理化性质和地区水源涵养能力，加快土石山区的生态修复进程。

3.根据权利要求2所述的利用荆条灌丛加快土石山区次生灌丛群落向乔木顶级群落演替的方法，其特征在于：步骤A中，每年雨季结束后对荆条灌丛区进行人工收割，灌丛收割位置为距离地表10-20cm处，能够在发挥灌丛植被在雨季保持水土的功能的同时减低雨季过后对土壤水分的消耗，根系的保存有利于植被来年萌发生长，在下一年雨季中持续发挥荆条灌丛水土保持功能。

4.根据权利要求2所述的利用荆条灌丛加快土石山区次生灌丛群落向乔木顶级群落演替的方法，其特征在于：步骤A中，对于所收割的灌丛进行粉碎，将收割灌丛与地表枯落物进行分块收集，利用粉碎设备提高枝条、枯落物的机械破碎率，为后续的钻孔填充提供基料。

5.根据权利要求2所述的利用荆条灌丛加快土石山区次生灌丛群落向乔木顶级群落演替的方法，其特征在于：步骤B中，依据如下步骤确定钻孔密度：①收集单位面积粉碎枝条和枯落物总量并进行称量；②计算自然填充状态下粉碎枝条、枯落物填充密度；③依据单位面积粉碎枝条总质量与填充密度，计算单位面积填充体积；④依据单个钻孔体积与单位面积总填充体积计算单位面积内钻孔数量。

6.根据权利要求2所述的利用荆条灌丛加快土石山区次生灌丛群落向乔木顶级群落演替的方法，其特征在于：步骤B中，使用机械设备在坡地进行垂向钻孔，钻孔直径为15-25cm，钻孔深度为30-50cm；钻孔分布方式为梅花状分布，以增加钻孔分布的均匀性和提高雨季对降雨的拦蓄能力；钻孔行、列间距均为0.5-1.5m。

7.根据权利要求2所述的利用荆条灌丛加快土石山区次生灌丛群落向乔木顶级群落演替的方法，其特征在于：步骤B中，将粉碎枝条枯落物回填入钻孔中的操作步骤包括：①将单个钻孔内粉碎枝条、枯落物均分为两份，取其中一份进行孔内填充；②将组合化的生物菌剂按含水量为65%加水调和，填充入钻孔中间层；③将剩余粉碎枝条、枯落物填充入钻孔上层。

8.根据权利要求2所述的利用荆条灌丛加快土石山区次生灌丛群落向乔木顶级群落演替的方法，其特征在于：步骤B中，所述组合化的生物菌剂的质量配比如下：食用菌糠40%，活性炭粉20%，腐生菌混合液15%，豆饼粉2%，石膏1%，碎屑岩余量；其中，所述食用菌糠按质量配比包含木屑：玉米芯：麦麸=1：1：1；所述腐生菌混合液包含等体积份的如下腐生菌原液：枯草杆菌、黑曲霉、短小芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌。

9.根据权利要求2所述的利用荆条灌丛加快土石山区次生灌丛群落向乔木顶级群落演替的方法，其特征在于：步骤C中，依据干湿季节的差异向钻孔中定期添加水量，控制添加水分后粉碎枝条、枯落物含水量为45-75%；步骤C中，当环境温度持续低于4℃时对填充后的钻孔覆盖可降解玉米淀粉膜，并在薄膜上开若干小孔，保证土壤动物和好氧微生物呼吸作用正常进行。

10.一种利于提升荆条灌丛群落土石山区的水源涵养能力的组合生物菌剂，其特征在于：该组合生物菌剂按照质量配比包含：食用菌糠30-50份，活性炭粉15-25份，腐生菌混合液5-25份%，豆饼粉1-5份%，石膏0.5-2份；其中所述食用菌糠至少包含木屑、玉米芯、麦麸；所述腐生菌混合液至少包含如下腐生菌原液：枯草杆菌、黑曲霉、短小芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌。

11.权利要求10所述组合生物菌剂的应用，其特征在于：在荆条灌丛群落土石山区的原始生态环境当中构建人工微生态区域，使得人工微生态区域内能够维持适于所述组合生物菌剂的温度和水分含量，然后通过所述组合生物菌剂对荆条灌丛群落原生态环境中的自然有机物进行生态降解，最终提升荆条灌丛群落土石山区的水源涵养能力和加快荆条灌丛群落土石山区的生态修复进程。

12.权利要求1所述方法的专用设备，其特征在于：包括安装于车体上并伸出车体的架体，于所述架体上枢接有向地面延伸的导轨，于所述导轨与架体之间装配有角度调节机构，于导轨上滑动连接有用于地面掘进和荆条粉碎回填的挖掘回填机构；

所述挖掘回填机构包括与导轨滑动连接的动力部和与动力部的输出端连接的执行部，所述动力部包括固定于安装座上的驱动电机，所述安装座滑动连接于所述导轨上；于所述导轨与驱动电机之间装配有用于控制挖掘回填机构升降的升降机构；所述执行部包括下边沿上构造有若干挖掘齿的旋挖筒，一转轴与动力部的输出端连接并具有同轴伸入旋挖筒内的伸入端，于所述伸入端构造有螺旋叶片，于所述转轴与旋挖筒之间构造有用于切换转轴和旋挖筒同步转动或转轴单独转动的转换机构；所述转换机构包括构造于转轴上的安装盘，于所述安装盘上沿其周向均匀装配有若干棘爪，于旋挖筒的上端盖上与各棘爪相对应处分别开有与棘爪配合的齿槽，于旋挖筒的上端盖上安装有压环，所述压环封闭各齿槽的上部开口，且压环内径小于安装盘的外径；所述旋挖筒包括旋挖齿构造于其底端的套筒，所述套筒的顶端通过若干沿其周向间隔设置的连杆与上端盖固连；所述旋挖筒包括旋挖齿构造于其底端面上的底环，于底环与上端盖之间沿底环的周向间隔设有若干固定杆；于所述导轨远离架体的一端构造有安装板，于安装板上安装有离合机构，所述转轴穿经离合机构伸入旋挖筒内；当离合机构处于闭合状态时，转轴与离合机构螺纹连接；所述离合机构包括与安装板固连的固定套，于固定套内装配有两半内螺纹套，两半内螺纹套相互拼接构成完整的内螺纹套，各半内螺纹套靠近旋挖筒的一端为渐缩状结构，一喇叭状活塞装配于渐缩状结构上，所述喇叭状活塞具有与固定套内壁滑动连接的凸缘，于固定套内壁上沿其周向间隔形成有凸条，各凸起沿固定套的轴向延伸，于所述凸缘上相对于各凸条处开有与凸条适配的滑槽，所述喇叭状活塞与固定套之间形成驱动腔，于固定套上构造有接头；于两半内螺纹套的外壁上分别形成有半环形装配槽，两半内螺纹套相互拼接以使两半环形装配槽构成完整的环形装配槽，于所述完整的环形装配槽内装配有处于被压缩状态的环形弹簧。

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