砒砂岩区生态治理-生态衍生产业协同发展关键技术与模式

探索生态治理与生态衍生产业协同发展的关键技术与途径,是促进水土保持生态治理高质量发展的重要课题。为此,以生态治理难度极大的黄河流域砒砂岩区为研究对象,基于生态经济学、生态产业技术的理论与方法,提出了生态治理-生态衍生产业协同发展的基本原理和应遵循的原则,探索了生态治理与生态衍生产业协同发展的关键技术与模式,并开展了示范应用。1)生态治理-生态衍生产业协同发展的原理是行为互驱动、效应互补偿,应遵循的原则是“双律适应、适地适生、三方意愿”;2)鉴于砒砂岩覆土区、覆沙区、裸露区生态环境有明显差异,分别构建了小流域生态治理-生态衍生产业协同发展的综合治理措施体系和模式,以坡顶、坡面和沟道为水土保持措施配置的3个地貌单元,选择兼具水土保持功能和饲用、药用、食用等经济开发价值的作物进行生物措施配置,配合注浆固结、抗蚀促生、砒砂岩改性等新的工程技术措施进行生态治理;3)研发了物理-化学-生物综合改良砒砂岩土壤、砒砂岩复配风沙土+生物改良提质、灌草优化平茬及饲料加工、煤矸石改性资源化利用、高陡边坡抗蚀+控渗+植生固稳、生态果园建植等关键技术;4)基于砒砂岩覆沙区“土壤改良固沙+”(如土壤改良固沙+经济林种植、土壤改良固沙+梭梭草套种甘草等)生态治理模式的实践与示范,探索实施了“政府支持,科技支撑,企业产业化+公益性投资,农牧民市场化参与”的多元投资、多方参与、共同受益运行机制与模式。通过灌草平茬饲料加工、土壤改良、经济作物种植等产业化中试,以及矿区回填区生态恢复、小流域生态治理-生态衍生产业协同发展示范性实践,表明脆弱生态区治理中发展生态衍生产业具有广阔的前景。

砒砂岩区十大孔兑沙棘生态减沙工程现状调查及管理对策研究

砒砂岩区沙棘生态减沙工程是我国晋陕蒙区防风治沙、强化水土保持的重要举措,该工程的发展现状及管理对策值得引起特别关注。本文以十大孔兑上游砒砂岩丘陵沟壑区沙棘林为研究对象,通过实地调研与问卷调查等研究方法,明确砒砂岩区十大孔兑沙棘生态减沙工程发展现状、实施现状、沙棘林生长状况、抚育措施及其经济效益等情况,提出了统一筹划构建沙棘林长效管理机制、多举并措健全沙棘林抚育措施实施方案、因地制宜完善沙棘资源产业化开发方案等管理对策,为晋陕蒙区砒砂岩区十大孔兑沙棘生态减沙工程的实施与管理提供科学支撑。

鄂尔多斯高原砒砂岩区植被恢复潜力

评估黄河流域砒砂岩区的植被承载力,可以为流域植被建设和土地退化问题治理提供科学依据。本研究以鄂尔多斯高原砒砂岩典型分布区为研究区,基于植被在不同地形因素下的差异性分布划分为不同的砒砂岩生境类型,分析2000—2022年不同生境类型下植被变化趋势,并通过植被覆盖度反演得到的地上生物量定量化探究其承载潜力。结果表明:鄂尔多斯高原总体植被覆盖度每年以3.7%的速率缓慢增加,其中裸露砒砂岩区增长速率最高,覆沙砒砂岩区增加速率最低。2022年全区地上生物量相对于2000年增长了115.5%,达到219.49 g·m-2,其中覆土砒砂岩区地上生物量年均值最高(185.29 g·m-2)。植被覆盖度变化以及地上生物量在空间分布上类似,呈东南方向高,西北方向低。对照实际地上生物量发现裸露、覆沙、覆土砒砂岩区的植被地上生物量的现有量分别占其可承载潜力的75.2%、80.9%、84.2%。总的来说,各区域植被呈现增加趋势,仍有一定的发展潜力,其中裸露砒砂岩区增加潜力最大。

砒砂岩区坡面产流产沙对土地利用方式的响应

[目的]研究坡面产流产沙过程对不同土地利用方式的响应于砒砂岩区生态保护与高质量发展具有重要意义。[方法]以十大孔兑罕台川流域的合同沟小流域为研究区,选取该区2016—2021年降雨产流产沙监测数据,应用聚类分析、双因素方差分析等,开展连续性动态监测研究,进而揭示砒砂岩区坡面产流产沙与不同土地利用方式的时空动态变化关系。[结果](1)次降雨按历时、雨强和雨量可分为3类,包括A类(历时短、雨量集中、高强度),B类(雨量较多、历时较短、中强度),C类(历时长、小雨强、雨量分散),C类导致水土流失能力最弱;(2)A,B类降雨产流产沙,排列顺序为乔木林地<灌草地<人工草地<天然草地<农作物地<裸地;C类降雨产流,排列顺序为乔木林地<天然草地<灌草地<人工草地<农作物地<裸地,产沙,排列顺序为人工草地<乔木林地<天然草地<灌草地<农作物地<裸地,且相同土地利用方式径流深和土壤流失量排序为C<B<A;(3)不同土地利用方式的径流深或土壤流失量对雨型响应的坡度效应略有差异,主要存在于裸地、农作物地与其他土地利用方式。[结论]砒砂岩区坡面水土流失的治理和生态恢复,应考虑雨型和坡度对不同土地利用方式产生的复合作用。

砒砂岩区典型坝控小流域泥沙粒径变化特征研究

淤地坝是流域水土流失治理的重要工程措施,同时也是记录流域侵蚀产沙过程变化的重要载体。本研究以鄂尔多斯市准格尔旗的满连沟小流域为研究对象,采集坝地淤积剖面、坡面林草地以及沟道的表层土壤样品并测定其粒径,研究小流域侵蚀产沙的粒径变化特征。结果表明:坝地黏粒和砂粒的占比高于林地、草地等其他土地利用类型,土壤黏粒和砂粒经过泥沙分选后沉积到坝地导致坝地的黏粒和砂粒占比增加,且黏粒与砂粒的泥沙搬运比均大于1。

裸露砒砂岩区沟坡泻溜侵蚀特征与地形因子的关系

[目的]研究沟坡泻溜侵蚀和地形因子的关系,可为裸露砒砂岩区沟坡泻溜侵蚀机理和侵蚀灾害监测提供理论参考。[方法]选取泻溜侵蚀严重的砒砂岩区为研究区域,基于野外原位监测结合三维激光扫描技术分析了沟坡泻溜侵蚀特征及地形因子的变化特征。[结果](1)泻溜侵蚀量与温度和风速表现为极显著相关,相关系数分别为0.867,0.917。(2)地形因子数值总体呈增大趋势,坡上地表粗糙度和地表起伏度波动变化较为明显,坡中及坡下波动变化较缓,沟壑密度无明显规律特征。(3)泻溜侵蚀量与地表粗糙度和地表起伏度相关性显著且呈多项式回归关系,与沟壑密度相关性不显著。各地形因子间存在一定的相关性,地表粗糙度和地表起伏度呈显著正相关关系,相关系数为0.89。[结论]裸露砒砂岩区沟坡泻溜侵蚀量可以通过地表粗糙度和地表起伏度的数值波动来表征。

基于InVEST模型的黄河流域砒砂岩区土壤保持功能演化及驱动机制

研究区域土壤保持功能变化及环境驱动因子作用机制对区域生态环境建设具有重要的理论意义,可为水土保持决策提供参考。借助InVEST模型对近20 a间黄河流域砒砂岩区生态系统的土壤保持功能变化进行分析,利用地理探测器中的因子探测器和交互探测器分析该区土壤保持功能的主导因子和两两交互作用对土壤保持的影响。结果表明:1)砒砂岩区土壤侵蚀在2000-2020年呈现改善趋势,且主要以微度侵蚀为主,研究期间平均侵蚀模数为922.44 t·km^(-2)·a^(-1);2)土壤保持功能空间分布上与侵蚀状况基本一致,呈“西北低,东南高”的分布趋势,研究区土壤保持变化情况主要以未变化为主,土壤保持功能下降区和增强区分别占总面积的2.47%、3.62%;3)植被覆盖度对砒砂岩区土壤保持功能起着绝对主导作用,且“强强”双因子交互作用更有助于提高土壤保持功能,植被覆盖度∩降水的解释力最强,为45.61%。

砒砂岩区主要造林树种枯落物及林下土壤持水特性

为了探究砒砂岩区不同造林树种水文特征,以该地区油松、侧柏、青杨、山杏、沙棘、柠条为研究对象,通过浸泡法和环刀法,对比分析了不同树种枯落物层和土壤层的持水特性。结果表明:砒砂岩区主要造林树种枯落物蓄积量变动范围为1.55~7.89t/hm^2,青杨林下枯落物最大持水率最高为281.26%,其他树种枯落物最大持水率依次为油松(217.14%)、侧柏(201.05%)、山杏(202.79%)、沙棘(170.96%)、柠条(158.08%)撂荒地(143.88%)。油松林下土壤层容重最小为1.46g/cm3,总孔隙度和毛管孔隙度最大分别为43.55%和36.99%,毛管持水量最大为14.50mm;山杏林下土壤非毛管孔隙度最大为13.12%,非毛管持水量最大为6.86mm。油松枯落物及其林下土壤层持水能力良好,更适宜作为砒砂岩地区植被建设树种。

土壤因子对府谷清水川流域砒砂岩区刺槐和沙棘AMF的影响

应用相关性分析和通径分析研究了府谷清水川流域砒砂岩区土壤因子对刺槐(Robinia pseudoacacia)和沙棘(Hippophae rhamnoides)根际丛枝菌根真菌(AMF)的影响.结果表明:AMF可以与刺槐和沙棘形成良好的共生关系;从两种植物根际土中共分离鉴定出AMF 13种,其中摩西囊霉(Glomus mosseae)、地球囊霉(Glomus geospo-rum)和缩球囊霉(Glomus constrictum)为优势种;AMF平均侵染率为90.6%,平均孢子密度为559.1个?100 g-1干土;AMF的孢子密度、侵染率和种类之间没有显著的相关性;刺槐和沙棘根际AMF侵染率均与pH呈显著正相关,在刺槐根际,pH和有效氮通过直接作用影响侵染率,有机质和有效磷通过间接作用影响侵染率;在沙棘根际,pH和有效磷通过直接作用影响侵染率,有机质和有效氮通过间接作用影响侵染率;在沙棘根际,有机质和pH主要是通过直接作用影响AMF种类,有效氮主要通过有效磷的间接作用影响AMF种类.

沙棘在砒砂岩区小流域冻融风化侵蚀中的作用

通过对砒砂岩区西召沟小流域冻融风化侵蚀实测资料的分析,认为砒砂岩区冻融风化侵蚀主要发生在裸露沟谷坡面,其冻融风化侵蚀与砒砂岩的种类有关。与同种砒砂岩相比,种植沙棘7年后,支沟上、中、下游的坡面冻融风化侵蚀模数平均从11748t/km2降为3535t/km2,降低69.9%。单位长度沟沿线与沟角线和的冻融风化侵蚀量平均从0.0974m3/m降为0.004m3/m,降低95.9%。冻融风化侵蚀量占整个沟道总产沙量的百分比上游从76.1%降到52.6%,下游从6.4%升到13.2%。可见沙棘在防止冻融风化侵蚀方面的作用是非常明显的。

砒砂岩区典型小流域复合侵蚀动力特征分析

以鄂尔多斯高原砒砂岩区水力、风力、冻融交错侵蚀作用为研究对象,选择准格尔旗二老虎沟小流域作为研究流域,对侵蚀环境参数进行定位观测,统计分析水力、风力、冻融作用的年内变化过程。采用数据标准化后的层次分析法,揭示水力-风力-冻融交错作用过程,辨识高侵蚀风险发生的时阈及动力交错模式。研究表明:砒砂岩区复合侵蚀作用可分为风冻交错、风水交错和风水冻交错三个典型动力组合模式,风水交错侵蚀是该地区的主要侵蚀模式;砒砂岩区年内存在三个高侵蚀风险期,即风-冻融交错侵蚀期(2月上旬至3月中下旬),风-水交错侵蚀期(6月中上旬至8月中下旬),水-风-冻融交错侵蚀期(10月中旬至11月中下旬)。

砒砂岩区不同人工林对土壤理化性质的影响

以准格尔旗内砒砂岩区的10a生柠条林、沙棘林、山杏林、油松林及山杏柠条混交林等5种类型人工林为研究对象,测定了不同人工林下不同土层土壤的含水率、容重、pH值、有机质和速效氮、磷、钾含量,研究了不同人工林下不同土层土壤水分、养分的含量与变化规律,探讨植被配置模式与土壤改良的效应关系。结果表明:不同的人工林配置模式对土壤水分、土壤结构、土壤养分的影响存在着差异,以沙棘林、山杏柠条混交林改良土壤理化性质的综合效应最佳,其次为柠条林、油松林、山杏林。与天然荒草地相比,各人工林均能有效地提高土壤含水率,改良土壤结构;可以有效地增加有机质含量以及土壤中的速效氮、磷、钾含量。

覆土砒砂岩区沙棘耗水量及其影响因子

为明确沙棘的耗水特征及其主要影响因子,从而为水土保持林的可持续管理提供理论依据,利用TDP技术监测生长季5年生沙棘的液流动态,计算沙棘耗水量,通过相关分析和回归分析等方法研究了它们与气象因子的关系。结果表明:晴天沙棘的液流通量为单峰曲线,干旱时则为双峰曲线。雨天沙棘的液流通量为单峰、双峰或多峰曲线。晴天沙棘液流通量的最大值是7.13~23.07 g/(cm^2·h)。7月降雨后液流通量最高,6月干旱时最低。生长季沙棘液流通量和单株日耗水量与气温、光合有效辐射(PAR)和水汽压亏缺(VPD)均呈显著正相关,而与相对湿度呈显著负相关。而且,液流通量与风速呈显著正相关,单株日耗水量与降水量呈显著负相关。晴天沙棘单株耗水量最大值是146.39~363.30 g/h。生长季沙棘的单株总耗水量是185.77~219.44 kg,平均值为206.58 kg。因此,建议保持沙棘林的合理密度,维持其水分平衡,从而确保沙棘林的长期稳定性。

基于灰色关联分析的砒砂岩区不同林龄沙棘的改土效应

[目的]探究不同林龄沙棘对其下土壤的改良效果,为砒砂岩区人工沙棘林生态建设、恢复和重建提供理论依据。[方法]以内蒙古达拉特旗典型砒砂岩区不同林龄沙棘林为研究对象,利用灰色度关联分析法,对沟坡阳坡1~7 a沙棘林0—40 cm土层土壤物理性质(土壤含水量、土壤容重、土壤总孔隙度、土壤比重、土壤毛管孔隙度、土壤非毛管孔隙度、土壤饱和持水量、土壤最大毛管持水量)进行测定,并以周边荒坡作为对照(CK),对不同林龄沙棘林对砒砂岩土壤的改土效应进行分析。[结果]土壤含水量、土壤总孔隙度随沙棘林龄增加而增大,随土壤深度增加而减少,土壤容重与之相反;不同林龄沙棘能增强土壤持水能力,并且4~7 a沙棘持水能力大于1~3 a沙棘持水能力。[结论]在砒砂岩区营建人工沙棘林有利于土壤改良,不同林龄沙棘对土壤改良作用主要作用于0—10 cm和10—20 cm土层。

太行山石质砂岩区封育植被景观及其功能分析

通过在太行山典型石质砂岩区 -北京九龙山林场的植被调查和传统与典型取样技术 ,综合阐述了九龙山地区景观特点。在把该区封育植被划分为 4大类型 2 2个群丛的景观元素基础上 ,分析了封育植被景观的结构、类型与物种多样性及地形对格局的影响 ;并通过测定土壤贮水量和径流量两个指标 ,分析了九龙山地区现有封育植被景观格局下的水源涵养和保持水土两大功能。通过该项研究进一步深刻认识了景观的结构与功能的反馈作用关系。

砒砂岩区沙棘人工林生态系统服务功能价值变化研究

依据《森林生态系统服务功能评估规范》构建评价指标体系,参照国内权威部门发布的价格参数,运用市场价值法、影子工程法、机会成本法等方法动态评价了我国砒砂岩区沙棘人工林生态系统服务功能价值。结果表明:保育土壤、涵养水源、积累营养物质、生物多样性保护和森林防护的总服务价值在2010年、2007年、2004年和2001年分别为52.83亿元、9.34亿元、3.59亿元、21.78亿元和24.78亿元,服务价值大小排序为:保育土壤>森林防护>生物多样性保护>涵养水源>积累营养物质;不同地区沙棘人工林生态系统服务功能价值排序为东胜市>准格尔旗>府谷县>伊金霍洛旗>达拉特旗>杭锦旗;不同时间沙棘人工林单位面积生态服务功能价值排序为2010年>2007年>2004年>2001年。研究结果可为砒砂岩区生态环境和经济建设可持续发展提供理论依据。

砒砂岩区小流域土地利用格局变化与优化研究

土地利用格局优化有利于实现土地资源高效利用,以砒砂岩区西黑岱流域为研究对象,以侵蚀防控为目标,基于不同时期的土地利用现状图和地形图等数据,采用线性规划法和元胞自动机(CA)模型,在GIS技术的支持下,对西黑岱流域的土地利用格局变化与优化进行了研究,结果表明:研究期内耕地、林地在不断地增加,其中林地面积的增加最大,草地面积的减少幅度很大,水域面积有所减少,建设用地略有所增加。优化后耕地总面积增加了20.67hm2,林地面积明显增加至1 501.89hm2,所占比重超过了草地;而草地面积减少了157.68hm2,此次优化使得西黑岱流域土地利用结构发生明显的变化,其中林地面积在大幅度的提高,耕地、草地向高质量方向发展,通过土地优化将减少土壤侵蚀,保护当地脆弱的生态环境,提高综合生产力,同时为砒砂岩区进行土地利用格局优化调控提供依据。

砒砂岩区水土流失治理措施调研

通过对砒砂岩区治理水土流失的生物措施及工程措施进行调研,本文对最适合砒砂岩区生长的油松、沙棘、柠条的特点进行了详细的调查分析,给出砒砂岩区植被建设的几点建议。提出了砒砂岩区综合治理的总体思路,并总结了不同类型砒砂岩区的措施空间配置模式。生物措施方面以沙棘作为砒砂岩区生物措施治理的突破口,在立地条件较好的地方栽种油松、柠条,在造林方式上宜采用混交造林;在工程措施方面要结合沙棘植物“柔性坝”技术,以大、中型拦泥库为骨架,以淤地坝为主体,建设支流坝系。实现淤粗排细,改善进入下游河道的水沙条件及泥沙组成。

太行山石质砂岩区天然次生灌木林与生态环境因子相关性及其演替规律的研究

太行山石质砂岩区——北京九龙山,其原生森林植被早已破坏殆尽,经近30年来的封山育林,形成了以灌丛和灌草丛为主的次生植被类型.这在太行山区具有一定的代表性.本文在对这些次生植被类型全面调查分析基础上,首先运用主坐标分析(PAA)和Fuzzy-ISODATA法,对它们进行了分类和排序,并将各群丛的空间分布概括到排序的两个坐标轴上;其次通过相关和逐步回归分析,从数量上描述植被分布与生境因子的相关性;最后论述了该区天然次生植被的演替规律和不同类型的主要特征及其经营利用.

准格尔旗砒砂岩区沙棘林下草本植物组成及多样性分析

沙棘对砒砂岩区的水土保持和生态环境建设方面发挥着积极作用，现以林龄为2～10a的沙棘林为研究对象，对其林下草本植物组成及其多样性进行了研究。结果表明：随着沙棘林林龄的增加，其林下植物种类呈先增加后减少的趋势。不同林龄的草本植物种类呈现出8a生（20种）〉6a生（19种）〉4a生（17种）〉10a生（10种）〉2a生（8种）。2a生沙棘林下的草本层主要是1a生、旱生植物，优势种为地蔷薇，其重要值达到30．1827；4a生沙棘林下植物优势种为猪毛菜和亚洲百里香，其重要值达到10．7481和10．4768；8a生沙棘林下植物优势种为阿尔泰狗娃花和亚洲百里香，其重要值达到10．3416和10．1714，10a生沙棘林下植物优势种为亚洲百里香，其重要值为26．1487，优势十分明显。不同林龄的沙棘林下草本层的植物的Margalef丰富度指数、Pielous均匀度指数、Shannon-Weiner多样性指数和Simpson多样性指数均表现为随着林龄的增加先增加后减少的趋势。