生物结皮在黄土边坡中的工程应用文档格式.docx

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将生物结皮应用于边坡工程中，能够有效解决边坡易被风蚀和雨水冲刷，但这其中也会存在一些问题，如苔蘇种类很多，哪种苔鋅生长速度快且形成的结皮抗风蚀抗雨蚀能力比较强，结皮抗风蚀抗雨蚀的能力究竟怎么样，如何快速的培养苔鋅植物，最后怎么将苔蘇植于边坡上等，这些问题都需要解决。

本课题希望能够借助已有的研究成果和自己的试验分析讨论解决一些以上的问题，为边坡工程问题的解决贡献出自己一份力。

第二章研究意义

2.1生物结皮的研究意义

生物结皮是沙漠地区最具特色的微自然景观，在全球的干旱、半干旱荒漠地区有着广泛的分布，它主要是藻类、地衣、苔蘇、微生物等与土壤颗粒之间相互作用，而在土壤表面形成的一种特殊的表层结构，此表层结构具有改良土壤特性、防止土壤侵蚀、调节降水分配、改变荒漠生境中生物多样性的生态作用。

土壤生物结皮可以有效改良土壤特效，其作用表现在以下方面：

①物结皮的发育对土壤具有一定的细化作用。

②生物结皮的发育能够显著降低土壤容重和硬度，增加土壤田间持水量、土壤孔隙度和粘结力。

生物土壤结皮可以有效减轻水蚀和风蚀对土壤的破坏，结皮成分中有机物质占较大比例，这些有机物质能够有效地降低干旱半干旱地区土壤表层所面临风蚀破坏。

生物土壤结皮使土壤表面变得更加粗糙，山此减弱土壤表面的风速从而减弱风蚀对土壤的影响。

生物结皮对降雨渗透、土壤水分再分配和土面蒸发等土壤水文过程的有着调控作用。

此外，生物土壤结皮的存在有益于保持相对较高的植物多样性，这归功于生物土壤结皮有利于地表稳定性、以及其在防风蚀和土壤形成等方面重要的生态功能。

土壤荒漠化环境这个全球性问题在当今社会已经引起了人们的广泛关注，我们国家也是受到荒漠化影响较为严重的国家之一。

依赖于生物结皮对荒漠有益的生态作用，通过对荒漠生物结皮的科学研究，可以使其在荒漠地区拥有广泛的应用前景。

例如，在沙区铁路公路等交通干线沙害治理体系中进行人工接种实验，促进微生物结皮在沙面的发育，稳定沙物质，抵御风蚀和沙暴，加强防护体系的整体稳定性；

开发和利用藻类结皮，结皮的发育为一些具有很高经济价值的种的繁育也创造了条件。

荒漠生物结皮也可与工程建设相联系，来解决一些工山于地域条件不能更好处理的丄程问题。

基于此，有了本课题的研究，将生物结皮应用于黃土边坡工程建设中，以改善黃土地区的工程活动。

2.2课题的研究意义

国内外对荒漠生物结皮的研究已经将近一个世纪，定性的研究也比较完善，国外的定量研究也有不少，不过通过论文资料，可以发现对生物结皮的研究基本多是理化特性和生态特征，如其生物组成结构与发育特征、酶的活性、生态作用等，将生物结皮应用于工程中的研究比较少。

生物结皮与工程技术结合，尤其是将其用在边坡防护中，在黃土地区边坡工程中有着广阔的发展前景。

将生物结皮用于边坡工程中，可以削弱风蚀、雨水冲刷对黄土边坡的破坏，虽然黃土边坡上也会有天然的生物结皮产生，但是天然的生物结皮形成周期太长，偶然因素太多，因此本课题的主要U的是通过一定的试验研究，进行适宜在黃土中繁殖生长的菌种筛选及培育，探索出最优培育条件，改善黄土边坡抗风蚀、抗雨水冲刷的能力，为提高人丄黄土边坡的工程稳定性以及生态美化提供一定的借鉴。

第三章生物结皮的研究现状

3.1国外相关研究

生物土壤结皮影响土壤结构的稳定、土壤表面大气降雨的入渗、土壤被侵蚀的程度、大气化学物质的转换、植物的生长发育以及生态能力的传递等，所以,生物结皮在生态系统中,特别在干旱和半干旱荒漠生态系统中具有重要的作用，而且全球荒漠化日益严重，故而生物上壤结皮的研究也越来越被重视。

对生物土壤结皮的关注也算是比较早，始于1900年，最早关注生物结皮的是生态和生物学家，近些年来，更多的学者在探讨生物结皮能够适应干旱半干旱荒漠环境的原因和影响因素，尤其是生物结皮的固氮作用，促进光合作用中有机物质的输出，从而增加土壤的养分含量等，生物结皮的存在对生态系统的循环有着促进作用。

国外对土壤结皮的研究经历了定性描述阶段，U前处于半定量研究阶段。

土壤结皮的研究始于20世纪30年代。

到50年代，有学者开始研究土壤结皮的结构形成过程以及形态特征等。

到70年代，人们对生物土壤结皮的发育生长过程开始更为详细的研究与描述。

从80年代起，有学者开始研究生物土壤结皮的不同类别，研究发现土壤结皮主要分为结构结皮和沉积结皮：

结构结皮，大气自然降雨的水滴落到已经稳定的土壤表面，降雨持续不断的通过击打使得土壤变得压实，不断击打土壤到一定程度便会发生土壤结构细小颗粒的重组；

沉积结皮，它是通过降雨水分入渗地下，水分淋滤土壤颗粒使土颗粒不断沉积，其性质与土壤径流条件有关，也与所携带的泥沙的性质有关。

到20世纪70年代后期，生物土壤结皮的研究也算是有了一个突破，开始山定性的研究向定量的研究幕近，虽然还是不系统的半定量研究，但也算是从性到量的跨越。

这段时期也有了很多学者开始研究形成土壤结皮的影响因素，而且开始利用模拟降水方法研究土壤结皮形成对土壤的侵蚀情况甚至对农业生产的影响。

从80年代开始，很多学者从定量化的角度来研究土壤结皮对土壤侵蚀、入渗以及径流的影响。

90年代后，有些学者研究了土壤地形和植被因素与生物土壤结皮的形成之间的关系。

研究发现土壤坡度对生物土壤结皮有着比较明显的影响，坡度越大，土壤结皮的形成越难，且形成的生物结皮厚度越薄，强度也较小。

参考相关文献资料，总结的与本次课题有关的国内研究成果如下：

①黄土高原生物结皮的人工培育；

0沙坡头植被固沙区生物结皮的发育特征；

G）生物结皮对土壤水分入渗的影响：

④生物结皮对土壤抗蚀性的影响；

（5）生物结皮对降水侵蚀力的响应及影响。

3.2国内相关研究

我国学者在很早的时候就对生物土壤结皮有了一定的认识，1983年黄秉维院士提出了生物结皮的发育形成，严重地影响了土壤的透气性与透水性，影响了种子的发育生长，而且也是斜坡耕地流沙现象快速增加的一个重要原因。

虽然认识较早但是研究起步较晚，基本上是从80年代后才有学者开始对土壤结皮进行研究。

以张光远和蔡强国两位学者为代表，研究了生物土壤结皮的动态变化过程特征与土壤物质的细微变化。

还有学者研究了生物土壤结皮对土壤侵蚀造成的影响，吴启发，范文波在单雨滴和次降雨实验的基础上，研究讨论了结皮土壤的雨水溅蚀规律，得出以下结论，有结皮土壤的溅蚀量总是小于没有结皮的土壤，且二者的溅蚀量的多少与土壤坡度、前期含水率、雨滴大小、结皮的厚度和降雨的强度等因素有关，而且土壤表面的结皮厚度越厚，表面强度就会越大，土壤表面抗蚀能力也就越强，因此土壤表面有结皮的溅蚀量就会越小。

2000年以后，随着人们对沙漠生态环境，特别是对沙尘暴问题的关注，沙漠生物结皮的研究进入快速发展时期，主要的研究内容如下：

①沙漠生物结皮的生物组成研究，沙漠生物结皮的生物组成有四类，藻类、微生物、地衣、苔蘇。

②沙漠生物结皮的结构与发育特征研究，研究生物结皮的结构与发育能够了解生物结皮形成的机理。

③沙漠生物结皮物理化学特征和酶活性研究，物理、化学特性是生物结皮研究的基础，也是研究者最为关心的问题。

生物结皮作为流动沙丘固定的标志，生物结皮层具有明显的养分富集作用，相应的物理特性和生物酶活性也显著增加。

④沙漠生物结皮生态作用研究，有抗风蚀能力研究，生态功能研究，沙漠生物结皮层水文作用研究。

⑤干扰对沙漠生物结皮的影响研究。

⑥沙漠生物结皮生物代谢产物及其作用研究。

⑦沙漠生物结皮分布特征研究。

⑻沙漠生物结皮人工接种固沙技术。

总的来说，我国在生物结皮的研究上，还处于定性描述阶段，定量研究其理化性质、形成过程特征及对土壤侵蚀和农业生产的影响都是噬待解决的问题，研究的深度和广度均需拓展。

参考相关文献资料，总结的与本次课题有关的国内研究成果如下：

3.2.1黄土高原生物结皮的人工培育及水土保持效应

有学者通过室内与野外试验相结合的方法阐明了生物结皮人工培育的特点和其保水作用。

①室内试验中设置两个土槽对照，两个土槽在生长条件方面完全一样，经过一年时间的培育，发现接种的土槽出现斑状的生物结皮，成分与自然发育的生物结皮基本一样，说明通过室内人工接种培育生物结皮的方法是可行的，在培育后期发现未接种的土槽也有少量的苔蘇植物的生长，说明仅控制生长条件也可以培育出生物结皮，只是过程比较慢。

对接种土槽和未接种土槽均使用相同的浇水处理，多次浇水，通过对照得出室内培育形成的生物结皮可以极显著的降低土壤侵蚀；

④在野外无植被条件下和柠植被条件进行接种，在雨季前儿乎无生长，进入雨季后，生物结皮迅速生长，无植被条件是柠植被盖度的一倍，雨季过后，生长逐渐变得缓慢，山此表明，野外接种后经过短期的人工培育即可形成较高的盖度，且生长主要集中在雨季，另外，在无植被条件下生物结皮的生长似乎更为迅速，更容易形成较高盖度。

将人工培育与自然发育形成的生物结皮进行比较，发现二者在组成成分、形态特征等方面基本相同，在结皮厚度、苔薛密度等方面差别较大。

说明野外培育与自然发育的生物结皮为同类生物结皮。

无植被条件下形成的生物结皮略微降低了雨水入渗，而柠条件下则明显增加，但两种条件下生物结皮对雨水入渗的影响都是非常有限。

3.2.2沙坡头植被固沙区生物结皮的发育特征

通过对沙坡头植被固沙区不同年限的生物结皮生物成分和非生物成分进行分析对比，发现生物结皮在连续发育这个过程中有着明显的阶段性。

①早期尘结皮阶段。

人工植被最初时期，沙面细粒物质和植被凋落物的大量积累为细菌、放线菌和真菌侵入人匸植被区提供了稳定的生活环境，一些低等植物后期相继进入，随后便形成了尘结皮。

尘结皮受主物成分与非生物成分两者共同影响，但是以非生物成分为主，以生物成分为辅。

尘结皮表面颜色呈浅灰色，在干旱的环境下藻类处于沉寂状态，不会进行生长，在有了水分润湿后藻类开始生长，结皮表面一般会出现点状黑斑。

尘结皮厚度大约在2mm左右。

可以用手撕下来但是容易变得破碎，会有一定的抗风蚀的能力但比较弱。

Q藻类结皮广泛发育阶段。

当环境变得日益稳以定后，生物结皮的生长发育逐渐开始成熟起来，沙层表面上会出现一层呈黑色的藻类结皮，藻类生物个体小但数量比较多，由于受到光照强度、营养物质、降水条件以及周圉植被等自然因素的限制，其发育特征一般是尽度比较薄，硬而且脆，藻结皮已经是处于生物结皮相对较为成熟的阶段，故而局部的一些破坏也可以在较短的时间内得到自我恢复。

③苔蘇结皮发育阶段。

苔蘇植物成为生物结皮的优势种类标志生物结皮进入成熟阶段，苔蘇生物有着更大的生物量，生物结皮的抗性和恢复能力更强，生物结皮的破碎区域在雨季也能更容易的恢复。

3.2.3生物结皮对土壤水分入渗的影响

生物结皮是治理黃土高原地区水土流失的有效方法之一，得益于生物结皮的特殊生存、固定、沉积土壤的能力，生物结皮增强了黃土高原区抗风蚀水蚀能力。

通过相关资料，发现LI前学者关于主物结皮对水分入渗的影响存在着争议。

有学者认为生物结皮减少了水分入渗，使得水分分布浅层化，另外一种观点正好相反,认为生物结皮可以增加水分的入渗速率和深度。

关于生物结皮对水分入渗的影响研究多集中于荒漠地区，荒漠地区与黄土高原地区的主存状况差异，由丁•植被覆盖、水分、地形、温度、土壤的理化性质都会影响生物结皮演替速率和途径，其研究成果不能直接应用到黃土高原地区。

有学者在土高原环境下，通过实验得出了以下可以用来参考的结论：

生物结皮的存在明显阻碍了水分的入渗，导致土壤透水性降低，当有植被覆盖时，生物结皮依然表现出阻碍水分入渗的特性，将生物结皮应用于边坡工程中，通过生物结皮减少水分入渗这一特征，可以降低雨水对边坡的侵蚀破坏，提高边坡的抗水蚀能力，从而可以让边坡更好的为人类服务。

3.2.4黄土地区生物结皮对土壤抗蚀性的影响

以黄土地区不同发育年限的生物结皮为研究对象，通过对无生物结皮和有生物结皮两种条件下（别的条件相同）土壤的崩解性和抗剪能力进行比较,可以分析出生物结皮对土壤抗蚀性的影响。

土壤崩解量是衡量土壤抗蚀性的重要指标，是指土壤在静水中发生碎裂解体塌落或强度减弱的现象。

土壤抗蚀性主要指土壤抵抗水的分散和悬浮的能力。

通过相关实验资料，可以发现如下山于生物结皮的存在，而对土壤的崩解性和抗剪能力产生的影响。

G）生物结皮可以提高土壤抗崩解能力，有利于提高土壤的抗蚀性，随着结皮生长年限的增加，其对土壤崩解性的影响增加。

Q生物结皮对小于5cm层的土壤抗剪性能有明显影响，可以使得该土层的抗剪能力提高口分之二十左右，随着结皮年限的增长对土壤抗剪强度的影响程度逐渐变大之后逐渐趋于稳定，峰值不明显。

③不同样地土壤崩解性与抗剪强度呈线性负相关，生物结皮发育对土壤崩解性与抗剪性的关系有影响，使崩解量随抗剪强度的变化小。

生物结皮提高土壤崩解性和抗剪能力，即提高了土壤的抗蚀能力，有利于保持土层的完整性和稳定性。

第四章试验

4.1试验目的

人工室内种植苔蘇结皮，进行抗风蚀和抗雨蚀试验，对试验结果进行分析评价，讨论将生物结皮应用于边坡工程中的可行性及其存在的问题。

4.2试验材料

苔蘇（扭口蘇）；

长方形底部带孔托盘：

30cmX40cmX4.8cm

图4-1扭口薛图4-2带孔托盘

4.3试验方案

（1）营养体无性繁姑，播量45g/m2,每处理4个重复，共计12盘，上面覆盖保险膜。

每3天喷洒一次营养液，直到水分饱和（托盘底部有滴水）。

（2）播种0g/m:

设4个重复，用来作为背景调查。

4.4试验过程

（1）野外采集苔蘇：

本次采集苔蘇（扭口薛）的地点为萃英山脚下，此种苔蘇植株矮小，纤细或略粗壮，绿色，往往密集丛生，或呈紧密的垫状，在没有水分时会变成枯黃色，当天下雨时会重新变成绿色。

用小铲子将苔蘇和其附着的土层同时铲下来，放在一个筛子中，轻轻搓揉，将土和苔蘇分离，把土筛下，从而得到试验所用的苔解，取得的苔鋅大约lOOgo

图4-3野外苔蘇图4-4分离苔蘇

图牛5称量好的苔蘇图4-6称量好的苔蘇

（2）配置试验用土：

试验所用黄土取自萃英山脚下，取回的黄土大约150kg,将大的土块弄碎，使其成为能够种植苔薛的细颗粒黄土，此时的黃土含水量太低，要种植苔薛则需要加水，将黃土放置在容器中持续加水一定的量，然后静置2个小时，让水渗入土中，如果黄土的湿度不足则可再加水，随后将黄土搅拌均匀,

静置24小时。

图4-5配置好的土

（3）托盘装土并夯实：

本次试验使用的是30cmX40cmX4.8cm长方形底部带孔托盘，为了防止所浇的水直接沿孔流出，在托盘底部垫了一层透水的布，然后每次用天平称取大约2.5kg配置好的黃土，倒入托盘，用木板夯实，再称取2.5kg黄土夯实，最终没个托盘装入的黄土大约8kg,这样分为儿次夯实的目的是为了使黃土能够更为均匀。

这样将16个托盘都装入黄土并夯实，贴上标签并编号l~16o

图4-6装土并夯实

（4）种植苔鋅：

将取回并分离出来的苔鋅分成16份，每份龍，也就是每个托盘种植苔薛的量为5g,将苔薛置于手指上，使其沿着手指缝隙漏到托盘上，先横着过一遍，再竖着过一遍，然后将种植不均匀的地方补齐，最后在托盘上撒些土，将苔醉部分覆盖，可使得苔蘇能够正常的生长出来，按照此方法将12个托盘都种植苔蘇，最后在种好苔蘇的托盘上浇水，浇水的量控制在刚好能使水渗到托盘底部。

图4-7种植苔蘇图4-8种好苔蘇的托盘