马尾松林地土壤的改良系统和方法与流程

本发明属于土壤改良技术领域，具体涉及马尾松林地土壤的改良系统和方法。

背景技术：

马尾松是我国南方区域的常见树种，具有很强的化感作用，导致林下土壤酸化严重，土壤质量差，使得其他植被物种难以存活，造成林区植被单一化、林下地表裸露的现象。由于地表缺少草本覆盖，受南方强降雨影响，马尾松林往往出现“远看青山在、近看水土流”的现象，这种情况进一步加剧了区域的水土流失、土地退化。因此，减少水土流失、增加地表植被盖度是马尾松林下土壤改良的前提和基础。受马尾松林土壤强酸性制约，土壤微生物物种丰度低，加上松针等枯枝落叶碳氮比值高，很难被快速腐解成为林地的有机质培肥土壤。现有的马尾松林治理措施往往只注重林分结构调整或者单一的水土流失治理，马尾松林下土壤改良一直缺乏有效的治理措施，造成土地生产力低下，无法正常发挥林区生态系统的服务功能。因此，寻求马尾松林下土壤改良的高效综合治理措施对于维护区域生态环境质量意义突出。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够增加土壤微生物物种丰度，提高枯枝落叶腐解速度，快速实现水土流失治理和土壤质量提升的马尾松林地土壤的改良系统和方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

本发明提供了一种马尾松林地土壤的改良系统，包括马尾松林地土壤的坡面，所述坡面上设有多个植生腐殖坑，所述植生腐殖坑中种植有草本植被，所述植生腐殖坑坑口的坡面上设有用于汇集坡面上雨水、泥沙、枯枝和落叶于植生腐殖坑中的雁翅型导流土挡。

上述的马尾松林地土壤的改良系统，进一步优选的，所述雁翅型导流土挡包括位于植生腐殖坑坑口下方的底部土挡，所述底部土挡两端分别向外延伸有左侧土挡和右侧土挡。

上述的马尾松林地土壤的改良系统，进一步优选的，所述左侧土挡向左外延伸1.0m～1.5m；所述左侧土挡与水平线的夹角为30°～45°；所述右侧土挡向右外延伸1.0m～1.5m；所述右侧土挡与水平线的夹角为30°～45°。

上述的马尾松林地土壤的改良系统，进一步优选的，所述雁翅型导流土挡高出坡面20cm；所述雁翅型导流土挡由挖设植生腐殖坑时挖出的土壤培筑而成。

上述的马尾松林地土壤的改良系统，进一步优选的，所述植生腐殖坑呈品字形布设在坡面上；所述植生腐殖坑沿坡面的横向中心间距为4.0m～5.0m、纵向中心距离为3.0m～3.5m。

上述的马尾松林地土壤的改良系统，进一步优选的，所述植生腐殖坑的坑口面积大于坑底面积。

上述的马尾松林地土壤的改良系统，进一步优选的，所述植生腐殖坑的坑口长宽尺寸为1.5m～3.0m×50cm，坑底长宽尺寸为1.5m～3.0m×30cm，深度为25～55cm。

上述的马尾松林地土壤的改良系统，进一步优选的，所述草本植被为白三叶。

上述的马尾松林地土壤的改良系统，进一步优选的，所述植生腐殖坑坑口边缘的坡面平整。

作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种马尾松林地土壤的改良方法，所述改良方法是采用上述的改良系统对马尾松林地土壤进行改良处理。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的马尾松林地土壤的改良系统，包括马尾松林地土壤的坡面，该坡面上设有多个植生腐殖坑，植生腐殖坑中种植有草本植被(草本植物)，植生腐殖坑坑口的坡面上设有用于汇集坡面上雨水、泥沙、枯枝和落叶于植生腐殖坑中的雁翅型导流土挡。雁翅型导流土挡将坡面降雨径流、富含养分的泥沙以及枯枝落叶进行拦截、导流、汇集进入植生腐殖坑，植生腐殖坑为汇集的水分、泥沙、枯枝落叶提供了一个稳定的场所，有利于腐殖质累积分解，使得植生腐殖坑内水分充足、养料丰富，为草本植被提供了良好的生长环境。本发明的改良系统是以工程措施和生物措施相结合的综合治理系统，工程措施防治水土流失，为草本植物和微生物营造良好生长环境。改良的土壤理化性质及种植的植被有利于多种类型微生物的生长，同时这些多种类型微生物的存在也有利于分解坑内的枯落物，进而又可以进一步提高土壤养分，促进草本植物的生长，而生长茂盛的草本植物可进一步保水固土，因而设置的植生腐殖坑(工程措施)和坑内种植的草本植被(生物措施)相互促进构成了一个良性循环的综合治理系统。本发明不需要向土壤中添加化肥养分，环保无污染，能够快速提高土壤养分含量、微生物物种丰度，以及能够快速实现水土流失的治理和土壤质量的提升。

(2)本发明的马尾松林地土壤的改良系统中，雁翅型导流土挡包括位于植生腐殖坑坑口下方的底部土挡，底部土挡两端分别向外延伸有左侧土挡和右侧土挡(即两侧土挡)。其中，两侧土挡的长度及它们与水平线的夹角对坡面上雨水、泥沙、枯枝和落叶汇集于植生腐殖坑中具有重要的影响，若两侧土挡的长度过长会导致短时间内拦截过多的径流泥沙及枯落物等坡面物质，使植生腐殖坑容易被快速填满，导致径流从坑中溢出，特别是在暴雨期间多余的坡面物质(雨水、泥沙)很容易冲垮底部土挡；若两侧土挡的长度过短，对径流泥沙的拦截能力不足，降低了汇集的效果，甚至难以有效将坡面上雨水、泥沙、枯枝和落叶汇集于植生腐殖坑中。另外，两侧土挡与水平线的夹角过大，收集到的坡面物质会减少，而两侧土挡与水平线的夹角过小，坡面物质汇集时会受到较大的阻力，沿着土挡汇入坑中的速度降低，特别的，在暴雨期间，两侧土挡可能会被冲垮。因此，本发明将左侧土挡向左外延伸的长度设为1.0m～1.5m，与水平线的夹角设为30°～45°；右侧土挡向右外延伸的长度设为1.0m～1.5m，与水平线的夹角设为30°～45°，使得多个雁翅型导流土挡层叠交错地在坡面编织成一个网，以达到最佳的汇集效果。

(3)本发明改良系统中，在施工过程中从植生腐殖坑中挖出的土壤能够用于培筑雁翅型导流土挡，既解决了挖设植生腐殖坑时产生的土壤的安置难题，更顺理成章的为培筑雁翅型导流土挡提供了材料，就地取材，一举两得，大大降低了系统布置的施工难度和施工量。

(4)本发明改良系统中的植生腐殖坑呈品字形布设在坡面上，由此上一层的植生腐殖坑未拦截到或溢出的水沙和枯落物可顺利汇入下一层植生腐殖坑中，以此类推层层密布，能够最大限度的达到蓄水拦沙、收集枯落物，减少土壤养分流失的目的。

(5)本发明改良系统中，植生腐殖坑的坑口面积大于坑底面积，即较大面积的坑口，更有利于发挥收集作用，与此同时，底部面积缩小，使得养分更集中地蓄积在植生腐殖坑底部，这使得植生腐殖坑中心区域的土壤更肥沃，有助于坑内的草本植被更好地吸收养分，并茁壮成长，形成良性的改良循环。

(6)本发明改良系统中，草本植被为白三叶，这是一种耐贫瘠、耐酸性、耐阴、低碳氮比值的多年生物种，能够在土壤酸化严重的马尾松林下土壤中生长，而其他具有固氮作用的草本植被大多不适于在马尾松林下土壤中生长，甚至无法在马尾松林下土壤中存活。同时，相比其他草本植被，白三叶更为柔软，更容易被马尾松林下土壤中的微生物分解，即腐解速度相对更快，有助于养分返归土壤。另外，白三叶是一种低碳氮比的草本植被，不仅可以吸收固定较多的氮素，而且由于其自身的枯落物中氮含量高，这些养分返归到土壤中，能够进一步为微生物的分解作用提供生长所需的物质及能量，使得土壤中多种类型的微生物生长旺盛，此时微生物的分解作用增强，进而进一步促进枯枝落叶等有机质的腐解，加速养分返归土壤，最终构建成更加良好的土壤生态循环系统，更有利于改良马尾松林下土壤。

(7)本发明改良系统中，植生腐殖坑坑口边缘的坡面平整，由此可以减少坡面径流、泥沙、枯落物汇入植生腐殖坑的阻碍，提升汇集效果。

(8)本发明还提供了一种马尾松林地土壤的改良方法，通过采用本发明的改良系统对马尾松林地土壤进行改良处理，实现了对马尾松林地土壤的有效改良。本发明中，通过工程措施和生物措施的综合运用，不仅具有改善土壤理化性质、增加微生物物种丰度、增加林区植被数量与种类等多重功效，而且能够防治水土流失，特别的，本发明方法具有施工简单、见效快等优点，能在实施10个月后显著改善土壤质量，有着很高的应用价值和很好的应用前景，适合于推广和应用。

附图说明

图1为本发明实施例1中马尾松林地土壤的改良系统的结构示意图。

图2为本发明实施例1中马尾松林地土壤的改良系统的局部放大示意图。

图例说明：

1、坡面；2、植生腐殖坑；3、草本植被；4、雁翅型导流土挡；41、底部土挡；42、左侧土挡；43、右侧土挡。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

在实施例中给出数值范围时，应理解，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间的任何一个数值都可以实现本发明的技术方案，并达到相同或相近的技术效果。本发明中用于种植的草本植被均为普通市售。若无特别说明，所有数据都是三次以上检测数据的平均值。

实施例1：

如图1所示，马尾松林地土壤的改良系统，包括马尾松林地土壤的坡面1，该坡面1上设有多个植生腐殖坑2，植生腐殖坑2中种植有草本植被3，植生腐殖坑2坑口的坡面1上设有用于汇集坡面1上雨水、泥沙、枯枝和落叶于植生腐殖坑2中的雁翅型导流土挡4。

本实施例中，雁翅型导流土挡4将坡面1雨水、泥沙、枯枝和落叶进行拦截、导流、汇集进入植生腐殖坑2，植生腐殖坑2为汇集的雨水、泥沙、枯枝和落叶提供了一个稳定的场所，有利于腐殖质累积分解，使得植生腐殖坑2内水分充足、养料丰富，为草本植被3提供了良好的生长环境。本实施例的改良系统是以工程措施和生物措施相结合的综合治理系统，工程措施防治水土流失，为草本植物3和微生物营造良好生长环境，微生物物种丰度提高可改良土壤，进而促进草本植物3生长，而生长茂盛的草本植物3可进一步保水固土，工程措施和生物措施相互促进构成一个良性循环的综合治理系统。本实施例不需要向土壤中添加化肥养分，环保无污染，能够快速提高土壤养分含量、微生物物种丰度，能够快速实现水土流失的治理和土壤质量的提升。

本实施例中，进一步改进的，如图2所示，雁翅型导流土挡4包括位于植生腐殖坑2坑口下方的底部土挡41，底部土挡41两端分别向外延伸有左侧土挡42和右侧土挡43(即两侧土挡)，左侧土挡42向左外延伸1m，与水平线的夹角为45°；右侧土挡43向右外延伸1m，与水平线的夹角为45°。两侧土挡的长度及它们与水平线的夹角对坡面1上雨水、泥沙、枯枝和落叶汇集于植生腐殖坑2中具有重要的影响，若两侧土挡的长度过长会导致短时间内拦截过多的径流泥沙及枯落物等坡面物质，使植生腐殖坑2容易被快速填满，导致径流从坑中溢出，特别是在暴雨期间多余的坡面物质(雨水、泥沙)很容易冲垮底部土挡41；若两侧土挡的长度过短，对径流泥沙的拦截能力不足，降低了汇集的效果，甚至难以有效将坡面上雨水、泥沙、枯枝和落叶汇集于植生腐殖坑2中。另外，两侧土挡与水平线的夹角过大，收集到的坡面物质会减少，而两侧土挡与水平线的夹角过小，坡面物质汇集时会受到较大的阻力，沿着土挡汇入坑中的速度降低，特别的，在暴雨期间，两侧土挡可能会被冲垮。因此，本实施例设置的长度和角度正好使得多个雁翅型导流土挡4层叠交错地在坡面1上编织成一个网，可以达到最佳的汇集效果。

本实施例中，进一步改进的，底部土挡41、左侧土挡42、右侧土挡43均呈直线形。

本实施例中，进一步改进的，雁翅型导流土挡4高出坡面20cm，该雁翅型导流土挡4由挖设植生腐殖坑2时挖出的土壤培筑而成。在施工过程中利用挖出的土壤培筑雁翅型导流土挡4，既解决了挖设植生腐殖坑2时挖出土壤的安置难题，更顺理成章的为培筑雁翅型导流土挡4提供了材料，就地取材，一举两得，大大降低了系统布置的施工难度和施工量。

本实施例中，进一步改进的，植生腐殖坑2呈品字形布设在坡面1上，该植生腐殖坑2沿坡面1的横向中心间距为4.0m、纵向中心距离为3.0m。植生腐殖坑2呈品字形布设在坡面1上，由此上一层的植生腐殖坑2未拦截到或溢出的水沙和枯落物可顺利汇入下一层植生腐殖坑2中，以此类推层层密布，能够最大限度的达到蓄水拦沙、收集枯落物，减少土壤养分流失的目的。

本实施例中，进一步改进的，植生腐殖坑2的坑口面积大于坑底面积，具体的：植生腐殖坑2的坑口长宽尺寸为2.0m×50cm，坑底长宽尺寸为2.0m×30cm，深度为40cm，其中长度可以根据需要增减0.5m～1.0m，深度可以根据需要上下调整10cm～15cm。本实施例中，植生腐殖坑2的坑口面积大于坑底面积，开口面积较大，有利于更有效地发挥拦截和收集作用；底部面积缩小，使得养分更集中地蓄积在植生腐殖坑2底部，使得植生腐殖坑2中心区域的土壤更肥沃，有助于坑内的草本植被3更好地吸收养分茁壮成长，进而更有利于土壤质量的改良。

本实施例中，进一步改进的，草本植被3为白三叶，白三叶是耐贫瘠、耐酸性，耐阴，低碳氮比值的多年生物种，低碳氮比值的草本植被3可调节植生腐殖坑2内微生物组分，提高微生物的物种丰度，进而促进枯枝落叶等有机质的腐解速度，加速养分返归土壤。

本实施例中，进一步改进的，白三叶为生长成熟的植株。

本实施例中，进一步改进的，植生腐殖坑2坑口边缘的坡面平整，由此可以让坡面产生的雨水、泥沙、枯枝和落叶等坡面物质顺利汇入植生腐殖坑2中，提升汇集效果，若坑口边缘有凸起，则会阻碍坡面物质汇入坑中。

一种马尾松林地土壤的改良方法，通过采用本实施例的改良系统对马尾松林地土壤进行改良处理，实现了对马尾松林地土壤的有效改良。本发明中，通过工程措施和生物措施的综合运用，不仅具有改善土壤理化性质、增加微生物物种丰度、增加林区植被数量与种类等多重功效，而且能够防治水土流失，特别的，本发明方法具有施工简单、见效快等优点，能在实施10个月后显著改善土壤质量，有着很高的应用价值和很好的应用前景，适合于推广和应用。

本实施例的改良方法，按照本实施例的改良系统对马尾松林地进行施工布置，布置完成后对马尾松林地进行封禁管理以避免人工干预，保留林下自生植被和林下枯落物。

实施例2：

一种马尾松林地土壤的改良方法，与实施例1基本相同，不同之处在于：实施例2中植生腐殖坑2的坑底长宽尺寸为2.0m×50cm，即植生腐殖坑2的坑口面积与坑底面积相同。

对比例1：

一种马尾松林地土壤的改良方法，与实施例1基本相同，不同之处在于本对比例中不包括在植生腐殖坑2中种植白三叶。

对比例2：

一种马尾松林地土壤的改良方法，与实施例1基本相同，不同之处在于本对比例中不在马尾松林区的坡面1挖设植生腐殖坑2和培筑雁翅型导流土挡4，而是在坡面1直接种植白三叶。

该项目于2018年10月在湖南省邵阳市水土保持研究站建设(施工布置)完成，为了进一步验证本发明的马尾松林地土壤的改良系统及方法的有益效果，本课题组在2019年7月19日采集实施例1、实施例2、对比例1、对比例2的土壤样品，进行土壤理化性质及微生物性质分析，结果如表1、表3所示，其中对照组是指相同林区的马尾松林地未进行林区管理，保持马尾松林区的林下自生植被以及林下枯落物，对林下坡面地表不进行任何处理。

表1不同的改良方法对土壤理化性质的影响

从表1可知，本发明实施例1、实施例2改良后的土壤的各项理化指标都优于对比例1、对比例2，更远远优于对照组。实施例1、实施例2改良后的土壤与对照组相比，土壤容重分别降低了12.89％、14.87％，土壤水分含量分别提高了28.22％、22.99％，土壤有机质含量分别增长了63.88％、48.34％，土壤全氮含量分别增长了69.91％、52.16％，土壤ph值也有所提高，缓解了土壤酸化情况。

土壤容重的大小反应了土壤结构、透气性、透水性能以及保水能力的高低，土壤容重越小说明土壤的结构、透水透气性越好。而土壤中有机质含量和全氮含量是评价土壤质量的重要指标，根据全国土壤养分含量分级标准表(见表2)，实施例1中有机质的含量达到了中上级水平，全氮含量达到了中级水平，实施例2中有机质的含量达到了中级水平，全氮含量接近中级水平，相比之下对照组的有机质含量较低、全氮含量极低。

因此，本发明实施例1、实施例2的改良系统及改良方法降低了土壤容重，增加了土壤含水量，并较大幅度提升了土壤有机质和土壤全氮含量，对土壤ph也有所提高，较好的改善了马尾松林地的土壤质量。

表2：全国土壤养分含量分级标准表

本发明实施例1、实施例2中以雁翅型导流土挡4和植生腐殖坑2构成的工程措施为草本植被3和微生物的生长积蓄了丰富的养分，但是马尾松林地的土壤酸性较强，会制约植物和微生物的生长，且马尾松的松针等枯枝落物的碳氮比值高，很难被快速腐解成为林地的有机质培肥土壤。实施例1、实施例2特意选用白三叶来改良土壤，由于白三叶属于低碳氮比的草本植被，可以吸收固定较多的氮素，有利于微生物分解枯落物，土壤酸性强会制约一些微生物的活性，实施例1、实施例2中ph值的提高对多种类型微生物的生长有促进作用，而土壤中含水量上升也对多种微生物的生长有直接的促进作用，由此使得多种类型的微生物生长旺盛。

表3：不同的改良方法对土壤细菌、真菌种类数量的影响

从表3可知，本发明实施例1、实施例2、对比例1、对比例2改良后的土壤与对照组相比细菌、真菌种类数量都有增加，实施例1中细菌、真菌种类数量增加最为显著，细菌从532种增加到702种，增长率为31.95％，真菌从78种增加到97种，增长率为24.36％；实施例2中细菌、真菌种类数量增加仅次于实施例1，细菌从532种增加到664种，增长率为24.81％，真菌从78种增加到88种，增长率为12.82％，由此可见，本发明实施例1、实施例2的改良系统及改良方法较大程度的提高了土壤微生物物种丰度，有利于有机质的分解和土壤肥力的提高。

无论从理化指标还是从微生物种类数量来看，本发明实施例1对土壤的改良效果都比实施例2更优，由此验证了实施例1设置坑口面积大于坑底面积的植生腐殖坑2，有利于更好地汇集坡面物质，有助于坑内的草本植被3更好地吸收养，进而更有利于土壤质量的改良。

综上所述，本发明马尾松林地土壤的改良系统及方法通过工程措施和生物措施相结合的方式对退化马尾松林地土地改良的效果显著，明显改善了土壤的各项理化指标，提升了微生物的物种丰度，而多种类型的微生物又能进一步加快有机质的分解和土壤肥力的提升。因此，良好的土壤理化指标与种类丰富的微生物构成一个良性循环，不断提升马尾松林地的土壤质量，进而促进马尾松及其林下植物的生长，丰富马尾松林区植被数量与种类，降低水土流失，提高了林区生态环境的稳定性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。