CN114027111B - 以芒萁层片覆盖酸性岩质高陡边坡进行生态治理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了以芒萁层片覆盖酸性岩质高陡边坡进行生态治理的方法，包括以下步骤：采用高压喷浆机在岩质高陡边坡上形成水泥砂浆隔离层；高压喷播培育基质层；采用低压喷浆的方法将生物质混合基质喷涂在基质层上，生物质混合基质由芒萁原叶体、草籽、微生物菌剂和植物生长激素和浆质基质组成；先覆盖一层可降解纤维网，再覆盖一层50％遮荫网；生物质混合基质喷播后8周内保持覆网状态，雾化喷施保持湿润；芒萁孢子形成后，每个月浇施特定的微生物混合菌液，8周后移走遮荫网。本发明能在岩质边坡形成强耐酸、耐旱、具有金属富集功能和较强水土保持功能的生物层‑芒萁层片，解决破损酸性岩质高陡边坡环境生物治理和生态修复关键技术。

Description

以芒萁层片覆盖酸性岩质高陡边坡进行生态治理的方法
技术领域
本发明属于环境生态治理领域,尤其涉及生物治理破损岩质边坡领域，是一种培植蕨类克隆植物种群覆盖破损生境，即在酸性岩质高陡边坡种植芒萁，形成芒萁双层片生物生态网结构，达到环境生物治理和生态修复的方法。
背景技术
芒萁(Dicranopteris pedata)，亚热带酸性土指示植物，属于里白科、芒萁属，跟芒萁属其他蕨类对比，是强耐酸植物。
芒萁常绿，蕨类克隆植物，直立或蔓生；根状茎细长，褐棕色，密被棕色鳞片，在表土层匍匐生长，不断分枝；叶疏生，纸质，表面黄绿色，背面灰白色，叶柄圆柱形，长短不一，褐棕色；叶片重复假两歧分叉，在每一交叉处均有羽片着生，在最后一分叉处有羽片两歧着生；孢子囊群圆形，着生于细脉中段。
芒萁喜阳，耐强酸，耐贫瘠，耐旱，适应性强，在我国南方红壤区的困难立地亦适生，如稀土尾矿、高速公路边坡、红壤崩岗地表，芒萁是先锋物种；孢子在适宜条件下萌发，缓慢生长成孢子体，成熟孢子体依靠根状茎的克隆生长特性，逐步形成种群，覆盖裸露地表，形成层片，有较强的水土保持功能。
芒萁RNA测序结果显示，芒萁具有多种重金属结合蛋白的表达基因。芒萁植株分析能够吸附土壤中的铅Pb、锌Zn、钨W、锰Mn、镉Cd等重金属，镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd等稀土元素，以及镭Ra、和钍Th等放射性元素，是典型的金属型植物(metallophytes)，已成为矿区废弃地植被重建的先锋植物。
芒萁根浅根性、芒萁根状茎地表匍匐生长交织成网状结构等生长特点，可应用于尾矿弃土场、边坡等困难立地覆绿和生态修复。
芒萁孢子自然条件萌发已有观测，孢子萌发成肉眼可见原叶体需58天，发育至直径8mm左右需9个月。
芒萁原叶体是芒萁孢子发育成孢子体的中间产物，可作为一种繁殖材料，应用在芒萁植株苗生产、野外撒播上。
芒萁栽植的繁殖材料可以是芒萁孢子、不同发育阶段的原叶体、芒萁幼孢子体、芒萁成熟孢子体。其中以芒萁孢子、芒萁原叶体为繁殖材料，类似于播种栽植；芒萁孢子体种植类似于植苗栽植。边坡上芒萁植苗覆绿，存在苗木成本高、人工成本高、操作难实现等问题。
现阶段高陡边坡覆绿多采用客土草籽喷播技术。客土草籽喷播，草籽发芽越快，根系形成越快，越有利于植被的水土保持效应和景观效益得到发挥。在酸性岩质高陡边坡上客土喷播覆绿，基于酸性边坡与空气、水接触氧化后生成酸性水的特性，现阶段选择的草本物种根系越垂直边坡往下生长，越离酸性岩质高陡边坡越近，酸性环境对植被的毒害越大。
芒萁强耐酸性、成熟植株的浅根性、根状茎匍匐地表蔓延生长的生长特性，可以在酸性岩质边坡上生长并形成种群，非常适合用在酸性岩质高陡边坡的覆绿上。生长形成的独特的双层片生态网结构减少或隔绝了空气与酸性岩质高陡边坡的接触，减少酸性水的生成，同时具有芒萁重金属和硫的富集性，酸性岩质高陡边坡上种植芒萁形成芒萁层片是一种生态治理和修复的方法。
芒萁孢子繁殖成活率极低，繁育速度极慢，用芒萁孢子做繁殖材料客土喷播不能成功。利用芒萁原叶体作为繁殖材料，基于芒萁原叶体在自然条件下发育缓慢，易用芒萁成熟原叶体和片状原叶体为繁殖材料，解决边坡客土条件下芒萁原叶体快速发育、幼孢子体生成成功率、幼孢子体快速生长发育等技术问题。
发明内容
针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种以芒萁层片覆盖酸性岩质高陡边坡进行生态治理的方法，该方法用芒萁原叶体作为繁殖材料，通过特定的栽培基质、特定的栽培方法，采用挂网客土喷播的技术，在酸性岩质高陡边坡形成芒萁层片的生态治理方法。
本发明中的芒萁为Dicranopteris dichotoma(pedata)，区别于铁芒萁Dicranopteris linearsi。
本发明中的芒萁层片，是由芒萁种群发育而成，成片芒萁居群所形成的双层片生态网结构的植被形态。芒萁地表根状茎匍匐生长，植株间根状茎交互穿错、盘结，形成根茎网；芒萁枯萎叶片贴近地面，经久不腐，绿色鲜活的叶片盖在其上与之形成厚实的叶片层；叶片层与根茎网组合形成双层结构的芒萁层片生物结构。
本发明中的酸性岩质高陡边坡为各种生成和建设活动造成酸性岩体，岩体间化学性质差异明显，致使岩体断裂或层间裂隙围岩蚀变强烈，尤其是岩体或岩质中夹杂有金属硫矿物，长期裸露蚀变更加明显。硫矿物与空气长期接触，经雨水淋溶再经过复杂的氧化还原反应，导致岩缝裂隙中析出大量的S元素，形成强酸性岩；当酸性岩坡面经降雨淋溶后，酸性径流废水进一步将岩体中有毒重金属离子浸提，形成典型的重金属污染型酸性岩坡面，而这又进一步加剧了围岩蚀变，污染物质随地表水易遭受污染扩散。本发明中的酸性岩质高陡边坡，坡面裸露，浸出液pH值在2.8～5.4之间，坡度45°～50°度以上，非耐强酸性植物不能生存，是一种破损且有污染性的环境状态。
为在酸性岩质高陡边坡种植芒萁，形成芒萁层片，达到环境治理和生态修复的目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
以芒萁层片覆盖酸性岩质高陡边坡进行生态治理的方法，该方法包括以下步骤：
S1、喷浆制备隔离层：采用高压喷浆机在岩质高陡边坡上形成薄层水泥砂浆隔离层；
S2、喷播培育基质层：在边坡石壁上锚杆钻孔，砂浆固定锚杆后挂网，高压喷播培育基质层，培育基质层由红壤泥浆层和树皮纤维层两层组成，在红壤泥浆层喷播后快速进行树皮纤维层喷播；
S3、生物质混合基质喷播：制备生物质混合基质，所述生物质混合基质由生物材料和浆质基质组成，并采用低压喷浆的方法将生物质混合基质喷涂在基质层上，其中，生物材料由芒萁原叶体、草籽、微生物菌剂和植物生长激素构成；
S4、覆网保护：先覆盖一层可降解纤维网，通过锚杆挂网固定，再覆盖一层50％遮荫网，通过锚杆挂网固定，通过特定透光率和材质的覆盖网形成保护膜覆盖培育芒萁孢子体；
S5、管护培育：生物质混合基质喷播后8周内保持保护膜覆盖状态；雾化喷施保持生物质混合基质湿润；草籽发芽、芒萁原叶体变成芒萁孢子体形成后，每个月浇施特定的微生物混合菌液，8周后移走遮荫网，其最终培育的芒萁层片特征是种群形态稳定、根系浅层、根状茎网状、叶片层致密。
依据芒萁植株生长发育及种群形成4个阶段(芒萁原叶体发育、芒萁幼孢子体生成、芒萁成熟孢子体生成、芒萁根状茎克隆生长)的不同水肥、光热条件需要，按照功能，在酸性岩质高陡边坡上构建4层基质层结构(水泥砂浆隔离层、红壤泥浆培育基质层、树皮纤维培育基质层和生物混合基质层)和1层保护网(可降解纤维网+遮荫网)结构。
进一步地，步骤S1中的隔离层为水泥砂浆隔离层，其作用为：在芒萁原叶体发育期隔离酸性液体浸渍对芒萁发育的影响；在芒萁层片形成前，隔离石坡和氧气接触；同时改变光滑岩质坡面，增加坡面摩擦系数，增加后续培育基质层的粘连作用。
进一步地，步骤S2中的培育基质层是芒萁植株根系扎根和根状茎附着的基质，其中红壤泥浆层喷播的厚度为10～20cm，高压喷播形成壤土基质层；壤土培育层较湿润状态迅速高压喷播树皮纤维层，树皮纤维层的喷播厚度为1～3cm，因其特定的树皮纤维结构，其表面有空隙，生物混合基质可以渗于其中。
进一步地，步骤S3中浆质基质由红壤、腐殖土、水配制而成，调节pH至5.4～5.8；生物材料中的芒萁原叶体的耗量为40～100g/m2，草籽为不除包衣的狗牙根草籽，芒萁原叶体与植物生长激素质量配比为2000：1；并在阴天喷播；步骤S3的作用是将芒萁原叶体和草籽等繁殖材料，固定在培育基质层上，并混合植物生长激素，创造芒萁原叶体与植物生长激素的接触环境。
进一步地，步骤S4中的覆网保护，其作用是固定和保护生物质层，创造原叶体发育和生长最优的光环境。
进一步地，步骤S5中管护培育，其培育的目标为芒萁层片，其指标是坡面盖度100％；芒萁孢子体形成浇施的微生物混合菌液为芒萁根系活性碎根、野外芒萁根毯层清洗液、芒萁根系提取内生菌扩繁菌剂的混合物。
与现有技术相比，本发明有益效果包括：
(1)本发明在酸性岩质高陡边坡培植的芒萁层片，与现有技术在酸性岩质边坡培植草本种群对比，本发明最终培育的芒萁层片具有重金属富集功能，能减少坡面地表水中重金属、硫、镉等元素含量，有重金属、硫、镉等元素的生物固化作用，有重金属等污染治理的功能。
(2)本发明芒萁层片生物构件紧密、稳定覆盖酸性岩质高陡边坡，能避免雨水对酸性岩质坡面的直接冲刷，隔绝酸性岩质边坡与空气接触，阻止岩石中硫化物的氧化和地表水酸化，将坡面地表水pH值调至标准范围，具备地表水酸污染治理、环境保护和生态修复功能。
(2)本发明在酸性岩质高陡边坡培植的芒萁层片，与现有技术在酸性岩质边坡培植草本种群对比，本发明芒萁层片耐强酸、抗旱、耐瘠薄，浅根性，对壤土培育层厚度要求不高，能适应酸性岩质边坡贫瘠、干旱的生长环境，具有较强的环境适应性和种群稳定性，环境治理和生态功能随时间增加愈显著。
(3)与现有技术选用芒萁孢子作为芒萁层片培植的原始繁殖材料，本发明选用芒萁原叶体为芒萁层片的原始繁殖材料，浇施特定的微生物混合菌液，更能快速地、有效地在酸性岩质边坡生长、发育，培植成芒萁层片。
(4)本发明在酸性岩质高陡边坡培植的芒萁层片，与现有技术培育的草本种群对比，具有更高的碳汇功能。
附图说明
图1为本发明实施例1酸性岩质高陡边坡进行生态治理后的结构图以及部分放大后的结构图。
图2为本发明实施例1在酸性岩质边坡培育的芒萁层片结构图。
图示说明：1-水泥砂浆隔离层，2-红壤泥浆层，3-树皮纤维层，4-生物质混合基质层，5-酸性岩质边坡，6-锚杆，7-挂网，8-可降解纤维网，9-遮荫网，10-芒萁活叶片，11-芒萁枯萎叶片，12-芒萁根茎层。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步地说明。
实施例1
由图1可知，在85°酸性岩质边坡上，实施如下步骤：
步骤1用高压喷浆机在石质边坡上形成0.5至1.0cm厚的水泥砂浆隔离层；
步骤2用培育基质层喷播的方法，在石壁上锚杆钻孔，砂浆固定锚杆后挂网，高压喷播特定培育基质。所述基质包括两层，红壤泥浆层和树皮纤维层；所述其中第1层为10～20cm厚红壤泥浆层，V红壤泥土：V水＝4：1，高压喷播；所述第2层为树皮纤维层，喷播厚度为1cm～3cm厚度。纤维长度2cm～10cm，其中2cm～5cm以上长度纤维数量不少于75％，在第1层红壤泥浆层喷播后快速进行第2层喷播。
步骤3制作原叶体、狗牙根草籽、红壤、腐殖土、NAA等构成的生物质混合基质，采用低压喷浆的方法喷涂在培养基质上。
步骤4覆网培育孢子体，先覆盖1层可降解纤维网，拉紧紧贴基质，锚杆挂网固定；再覆盖1层50％遮荫网，无须拉紧紧贴基质，锚杆挂网固定或支起。
步骤5管护培育，原叶体喷播后8个星期内保持保护膜覆盖状态。雾化喷施保持基质湿润；芒萁孢子体形成后，每个月浇施特定的微生物混合菌液，8个星期后移走遮荫网。培育时间3年。
本实施例酸性岩质高陡边坡进行生态治理后的结构如图1所示，在酸性岩质边坡5上依次形成水泥砂浆隔离层1、红壤泥浆层2、树皮纤维层3和生物质混合基质层4，外部覆盖可降解纤维网8和遮荫网9进行保护，在该结构中水泥砂浆隔离层1粘合红壤泥浆层2，红壤泥浆层2粘合树皮纤维层3，树皮纤维层3固定生物质混合基质层4，挂网7稳定红壤泥浆层2，锚杆7将各基质层和保护网进行固定。
本实施例酸性岩质高陡边坡上生成的芒萁层片结构如图2所示，芒萁层片为由芒萁叶片层和芒萁根茎层12构成的双层片结构，其中芒萁叶片层包括芒萁枯萎叶片11和芒萁活叶片10。芒萁枯萎叶片11贴近地面，其缓慢转化为可吸收营养位置为植株再吸收利用；芒萁活叶片10位于最上层，有利于光合作用；芒萁根状茎匍匐于坡面生长，相互交错形成网状，与根系及根系土壤形成芒萁根茎层12。
对比例1
在铜矿石质尾矿上，实施如下步骤：步骤1无水泥砂浆隔离层喷浆；步骤2培育基质层为15cm红壤客土，混有8g/平方米的去包衣狗牙根草籽喷播；步骤3无生物混合基质层喷播；步骤4覆盖单层覆盖降解纤维网；步骤5，无后续管护；培育时间3年。
对比例2
在铜矿尾矿酸性岩质边坡，坡度85°，步骤1无水泥砂浆隔离层；其他实施步骤同实施例1；培育时间3年。
对比例3
在铜矿尾矿酸性岩质边坡上，坡度85°，步骤3生物质基质为草籽和泥浆混合浆体，草籽为除包衣狗牙根草籽，其他实施步骤同实施例1；培育时间3年。
对比例4
在尾矿酸性石质尾矿边坡上，步骤3生物质基质为芒萁孢子和泥浆混合浆体，无植物生长激素，孢子和混合浆体的配比为m孢子：V混合浆体为1g：1m3，其他实施步骤同实施例1。
本发明的重点应用芒萁进行环境治理和生态修复，主要技术措施是实施例1有隔离层、培育基质层、生物基质层、和保护网层。实施例1的实施措施和实施效果与其他对比例进行比较，结果如表1所示。
表1各对比例与实施例实施措施和实施效果的比较
Figure GDA0003969410370000071
Figure GDA0003969410370000081
由图1可知，采用本实施例1，步骤2中的培育基质层中，红壤泥浆层能粘合树皮纤维层；
由图1可知，采用本实施例1，步骤3中的生物质混合基质，能镶嵌在培育基质的树皮纤维层中；
由图1可知，采用本实施例1，步骤4中的可降解纤维网，压紧生物混合基质紧贴培育基质；
由图1可知，采用本实施例1，步骤4中的遮荫网，可以被锚杆支起；
由图1可知，采用本实施例1，步骤2、3、4中锚杆的作用分别是稳定红壤泥浆层、稳定可降解纤维网，支起遮荫网。
由图2可知，采用本实施例1，步骤3生物混合基质，可以培育形成的芒萁植株根状茎及根系具有浅根性和表层匍匐生长特性；
由图2可知，采用本实施例1，培植形成的芒萁种群，即芒萁层片，其根状茎、根系、及根系周边土壤，组成结构稳定，且生命活动丰富的根茎层；采用本实施例1，培植形成的芒萁层片具有“双层片生态网”结构功能；
采用本实施例1，培育5年在石质边坡形成稳定的芒萁种群，并有利于生物多样性环境营造，实现破损环境治理和生态修复；
采用本对比例1，无水泥砂浆隔离层，生物质层无芒萁的繁殖材料(原叶体)，其他实施同实施例1，铜矿尾矿酸性岩质85°边坡，培育3年，无植被层形成，培育基质层基质95％流失，浸渍岩体坡面后的水强酸，挂网腐蚀，无环境治理和生态修复目的；
采用对比例2，在铜矿尾矿酸性岩质边坡，步骤1无水泥砂浆隔离层喷浆，其他步骤同实施例1，在铜矿石质边坡不能形成芒萁种群，客土喷播的培育基质层基质，在地表水流冲刷不到的地方有30％保留，生长有苔藓，改良了部分环境，但整体达不到生物层边坡覆盖的效果，不能阻止地表水的酸化，不能改良地表污染水质，不能达到环境治理和生态修复功能。
采用对比例3，在高陡酸性石质边坡，步骤3生物质基质为草籽和泥浆混合浆体，其他步骤同实施例1；培育3年，培育基质层基质保持量20％,有零星草本植株生长，不能形成芒萁种群，不能达到环境治理和生态修复目的；
采用对比例4，在高陡铜矿石质边坡上生物质基质采用草籽为繁殖材料，其他同实施例1，有10％的培育基质层基质保留，生长有苔藓层，不能形成植被层全覆盖，不能达到环境治理和生态修复目的。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.以芒萁层片覆盖酸性岩质高陡边坡进行生态治理的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、喷浆制备隔离层：采用高压喷浆机在岩质高陡边坡上制备薄层的水泥砂浆隔离层；
S2、喷播培育基质层：在边坡石壁上锚杆钻孔，砂浆固定锚杆后挂网，高压喷播培育基质层，培育基质层由红壤泥浆层和树皮纤维层两层组成，在红壤泥浆层喷播后快速进行树皮纤维层喷播；
S3、生物质混合基质喷播：选取芒萁原叶体作为培育芒萁层片的繁殖材料，制备生物质混合基质，所述生物质混合基质由生物材料和浆质基质组成，并采用低压喷浆的方法将生物质混合基质喷涂在基质层上，其中，浆质基质由红壤、腐殖土、水配制而成，调节pH至5.4～5.8；生物材料包括芒萁原叶体、草籽和植物生长激素；生物材料和浆质基质混合成喷播基质，并在阴天喷播；
S4、覆网保护：先覆盖一层可降解纤维网，通过锚杆挂网固定；再覆盖一层50%遮荫网，通过锚杆挂网固定；
S5、管护培育：生物质混合基质喷播后8周内保持覆网状态；雾化喷施保持生物质混合基质湿润；芒萁孢子体形成后，每个月浇施特定的微生物混合菌液，8周后移走遮荫网；微生物混合菌液为芒萁根系活性碎根、野外芒萁根毯层清洗液、芒萁根系提取内生菌扩繁菌剂的混合物。
2.根据权利要求1所述的以芒萁层片覆盖酸性岩质高陡边坡进行生态治理的方法，其特征在于：所述步骤S1中的水泥砂浆隔离层全覆盖岩质边坡。
3. 根据权利要求1所述的以芒萁层片覆盖酸性岩质高陡边坡进行生态治理的方法，其特征在于：所述步骤S2中红壤泥浆层喷播厚度为10cm〜20 cm，高压喷播形成壤土基质层；壤土基质层较湿润状态迅速高压喷播树皮纤维层。
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