本实用新型涉及石漠化区生态修复领域，具体涉及一种加速石漠化区岩石风化的水土保持结构，适合轻中度石漠化地区的生态修复。
背景技术：
我国是石漠化面积最大、分布最广的国家，面积超过124万km2。石漠化被环境学家称为“地球癌症”，是喀斯特地区脆弱生态系统经人类不合理的社会经济活动而形成的林草植被稀少，水土流失严重，基岩大面积裸露于地表而具有类似荒漠化景观的土地退化过程。石漠化会导致粮食减产，系统调蓄水源能力减弱、旱涝灾害频发，是区域贫困的主要根源。传统的石漠化治理常偏重于水利水保工程、水土流失防治及造林树种的选择和应用，无法体现石漠化生态系统恢复的真正内涵。
石漠化区的根本生态问题是水土流失严重造成的土层薄、岩石裸露，这是该地区植被恢复的难题。石漠化的工程治理是指应用工程技术手段防治水土流失的技术，生物修复技术则是通过植物、微生物等途径恢复石漠化的技术手段。目前常将工程治理技术和生物技术相结合后对石漠化进行治理，但只是这两种技术的单纯叠加，并没有从根本上解决土层薄、岩石裸露等问题，并且存在植被成活率低、成本高、工程量大等缺陷。因此，如何利用新技术与新理论客观而有效的推进石漠化地区土壤和植被恢复，是当前石漠化生态系统恢复的关注热点。
技术实现要素：
本实用新型的目的是针对石漠化区生态系统恢复的上述问题，提出一种加速石漠化区岩石风化的水土保持结构。
为实现减轻石漠化区水土流失、增加石漠化区土层厚度的生态恢复目的，可利用高效的碳酸盐风化菌群结合水土防治技术对石漠化进行治理，而提升碳酸盐风化菌的风化效果需要为其构建潮湿、微酸的生长、繁殖环境，针对这一问题，本实用新型通过构建一种加速石漠化区岩石风化的水土保持结构及其构建方法来达到为碳酸盐风化菌提供潮湿、微酸环境并兼顾防治水土流失的目的，所述水土保持结构的构建将大大提升石漠化区岩石风化的速度，增加土层厚度，且可以有效缓解石漠化区极度干旱的现状，属于一种便捷、环保、长效的石漠化区生态治理措施。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种加速石漠化区岩石风化的水土保持结构，包括设置在凸起岩石内围的凹陷区域的防治水土流失单元以及设置在所述凸起岩石上的加速岩石风化单元，所述防治水土流失单元包括设置在所述凹陷区域底部的半渗透机构、设置在所述凹陷区域岩石内围的储水提水机构、设置在所述凹陷区域内的植生灌草机构，所述加速岩石风化单元包括设置在岩石上的岩石风化菌群基质层、设置在所述岩石风化菌群基质层上的吸水石网袋层、设置在所述吸水石网袋层上的草皮。
优选地，所述半渗透机构包括自下而上依次设置的碎石层、细沙层、半渗透层，其中，碎石层包括设置在下层的小粒径碎石层和设置在上层的大粒径碎石层，所述半渗透层包括位于中心的膨润土及边缘的普通粘土。
优选地，所述碎石层的厚度为5～10cm，其中，所述小粒径碎石层的厚度为2～3cm，所述大粒径碎石层的厚度为3～7cm，所述小粒径碎石层中的碎石粒径大小为0.5～1cm，所述大粒径碎石层的碎石粒径大小为1.5～3cm；所述细沙层的厚度为1～3cm，所述半渗透层的厚度为0.6～5cm。
优选地，所述储水提水机构包括呈U型状设置在凹陷区域岩石内围的吸水提水模块、呈漏斗状设置在U型状的吸水提水模块上方缺口处的水收集模块、由吸水提水模块与水收集模块之间的空间形成的储水模块以及横向设置在所述储水模块内的支撑网板。
优选地，所述吸水提水模块为U型石笼结构，所述U型石笼结构以石笼高度的1/2为界，下半部填充粒径1～3cm的硬质吸水石(如砂积岩类吸水石)，上半部填充粒径2～3cm的软质吸水石(如麦管石、芦管石)，软质吸水石的吸水性要优于硬质吸水石，U型石笼上半部放置吸水性能更强的软质吸水石可以保证水由下端被提升至U型石笼的顶端形成连续的吸水体系。
优选地，所述水收集模块为漏斗网状结构，且所述水收集模块与吸水提水模块为一体结构，其高为3～7cm，网孔面积0.2～0.5cm2，所述水收集模块包括设置在下层的第一碎石层和设置在上层的第二碎石层，所述第一碎石层中碎石粒径为2～2.5cm，所述第二碎石层中碎石粒径为0.5～0.8cm，所述第一碎石层的厚度为3～4.5cm，所述第二碎石层的厚度为1.5～3cm。
优选地，所述植生灌草机构包括填充在所述储水提水机构内侧的原土层、种植在所述原土层内的灌木、种植在所述灌木周围的草皮。
优选地，所述岩石风化菌群基质层为由碳酸盐岩石风化菌群的菌液构成的粘稠状基质层，所述菌液由细菌与真菌菌液以1:3的体积比混合后按照菌液体积加入0.7～1.2mol/L的有机酸，加入淀粉后制成粘稠状基质层；所述碳酸盐岩石风化菌群包括地衣芽孢杆菌、曲霉属菌、固氮芽胞杆菌等，所述有机酸包括柠檬酸、曲酸等。
优选地，所述吸水石网袋层由网袋和设置在所述网贷内的吸水石构成，所述草皮的生长基质包括体积比为(60～65)：(15～20)：(5～10)：(5～10)的当地土壤、椰糠、腐殖质、细沙。
基于上述技术方案，本实用新型的优点是：
本实用新型的加速石漠化区岩石风化的水土保持结构通过加速岩石风化单元实现了为碳酸盐风化菌提供潮湿、微酸的环境的目的，同时通过构建储水提水机构及半渗透机构实现了对雨水及径流的生态存储与利用的目的，有效避免了大量径流冲刷而造成的水土流失问题。本实用新型的水土保持结构可有效提升碳酸盐风化菌对岩石的风化效率、增加土层厚度、提升石漠化区水分的有效利用，是一种生态、长效的石漠化区生态修复结构，可为石漠化治理提供理论和技术支持。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1为加速石漠化区岩石风化的水土保持结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
本实用新型提供了一种加速石漠化区岩石风化的水土保持结构，如图1所示，其中示出了本实用新型的一种优选实施方式。具体地，所述水土保持结构包括设置在凸起岩石6内围的凹陷区域的防治水土流失单元以及设置在所述凸起岩石6上的加速岩石风化单元，所述防治水土流失单元包括设置在所述凹陷区域底部的半渗透机构、设置在所述凹陷区域岩石6内围的储水提水机构、设置在所述凹陷区域内的植生灌草机构，所述加速岩石风化单元包括设置在岩石6上的岩石风化菌群基质层3、设置在所述岩石风化菌群基质层3上的吸水石网袋层4、设置在所述吸水石网袋层4上的草皮2。
本实用新型基于石漠化地区地形特点进行设置，石漠化地区常出现凸起石块与土壤相间的地形，因此所述水土保持结构设置为防治水土流失单元和加速岩石风化单元两个功能单元。所述防治水土流失单元包括设置在所述凹陷区域底部的半渗透机构、设置在所述凹陷区域岩石6内围的储水提水机构、设置在所述凹陷区域内的植生灌草机构，主要功能是收集储存雨水和地表径流、防治水体快速下渗及提升植物成活率。所述加速岩石风化单元包括设置在岩石6上的岩石风化菌群基质层3、设置在所述岩石风化菌群基质层3上的吸水石网袋层4、设置在所述吸水石网袋层4上的草皮2，主要功能是利用高密度的岩石风化菌群加速岩石的风化，进而增加石漠化区土层厚度。
所述防治水土流失单元可将储存的水分供给加速岩石风化单元中的岩石风化菌群基质层3，为其提供潮湿环境，促进菌群生长、繁殖，岩石风化菌群则可通过代谢增加土壤厚度、丰富土壤生物多样性，其代谢产物则可提升土壤肥力，通过防治水土流失单元以及加速岩石风化单元的有机结合可以大大提升石漠化区岩石的风化速率和水分利用效率，对于减轻石漠化和防治水土流失具有重要作用。
防治水土流失单元中半渗透机构放置于由凸起岩石6围成近半球状的底端，厚度为6～12cm，且上端为平面结构，接着将储水提水机构贴着凸起岩石6内围放置一圈，并在储水提水机构围成的凹陷区域添置原土壤，形成原土层9，草皮2、灌木1种植于防治水土流失单元上方。加速岩石风化单元中岩石风化菌群基质层3结构平铺于凸起岩石6表面，接着在其上方依次铺设吸水石网袋层4、草皮2。另外利用防治水土流失单元中的吸水提水模块8将平铺于凸起岩石6表面的岩石风化菌群基质层3结构下端压实，且吸水石网袋层4与吸水提水模块8相邻并且留有一部分冗余，以保证整体结构的连续性。
如图1所示，所述加速岩石风化单元和防治水土流失单元的具体结构分别如下：
所述半渗透机构包括自下而上依次设置的碎石层13、细沙层12、半渗透层，其中，碎石层13包括设置在下层的小粒径碎石层和设置在上层的大粒径碎石层，所述半渗透层包括位于中心的膨润土10及边缘的普通粘土11，且膨润土10的边缘被吸水提水模块8的石笼边缘覆盖以减缓水流的下渗速度。优选地，所述碎石层13的厚度为5～10cm，其中，所述小粒径碎石层的厚度为2～3cm，所述大粒径碎石层的厚度为3～7cm，所述小粒径碎石层中的碎石粒径大小为0.5～1cm，所述大粒径碎石层的碎石粒径大小为1.5～3cm；所述细沙层12的厚度为1～3cm，所述半渗透层的厚度为0.6～5cm。
半渗透机构的主要功能是防止雨水或地表径流快速下渗，有效防治石漠化地区的水土流失，其中半渗透层中央的膨润土10可有效阻止水体聚集后下渗，但是膨润土10周围的普通粘土11则可以允许一部分水体下渗，从而达到半渗透的功能，同时半渗透层下方的碎石层13可对下渗的水体进行过滤净化并且可保存一部分水体，整个半渗透机构具有半防渗和净化功能。
如图1所示，所述储水提水机构包括呈U型状设置在凹陷区域岩石6内围的吸水提水模块8、呈漏斗状设置在U型状的吸水提水模块8上方缺口处的水收集模块5、由吸水提水模块8与水收集模块5之间的空间形成的储水模块7以及横向设置在所述储水模块7内的支撑网板14。储水提水机构整体为由吸水提水模块8、储水模块7、水收集模块5、支撑网板14组成的长方体复合石笼结构。
其中，所述吸水提水模块8为U型石笼结构，水收集模块8为位于U型结构的上方缺口处的漏斗状结构，二者之间的空间构成了储水模块，其中吸水提水模块8外围固定一层土工布，以满足整体结构的储水性能。U型石笼结构整体高10～50cm、宽10～20cm、长20～30cm，石笼网孔面积为0.2～0.5cm2，石笼网为耐腐蚀材料，如镀锌铁网、包裹PVC的铁网。
具体地，吸水提水模块8整体为U型石笼结构，且U型石笼的一个侧壁紧贴岩石侧面，两侧及底端石笼厚均3～5cm，长、高与整体结构一致。所述U型石笼结构以石笼高度的1/2为界，下半部填充粒径1～3cm的硬质吸水石(如砂积岩类吸水石)；上半部填充粒径2～3cm的软质吸水石(如麦管石、芦管石)，U型石笼上半部放置吸水性能更强的软质吸水石可以保证水由下端被提升至U型石笼的顶端形成连续的吸水体系。
吸水提水模块8中的两层吸水石能够保证水体由下至上的连续运输，两侧石笼之间每隔10～20cm添加并连接支撑网板14，支撑网板14的长、宽与吸水提水模块8的U型内侧大小一致。支撑网板14的厚度为1～1.5cm，所述网板材料14的材质为耐腐蚀、高硬度材料，如不锈钢、镀锌铁等。
吸水石又称上水石，学名为碳酸钙水生苔藓植物化石，主要化学成分为CaCO3，质地软而脆，吸水性特别强。吸水石天然洞穴很多，有的互相穿连通气，小的洞穴如气孔，水分沿纤细孔隙上升，形成毛细现象，这是其吸水性强的主要原因。吸水石一般分为硬质和软质两类，软质吸水石吸水性能要优于硬质吸水石。将软质吸水石(如麦管石、芦管石)置于U型石笼结构上端，可保证水分可持续稳定的被提升到U型石笼的上端形成连续的吸水体系。
吸水提水模块8的主要功能是将储水模块7中储存的水分由底端经U型石笼结构的两侧壁向上供应给高效岩石风化菌群基质及植物系统，以保证述岩石风化菌群基质层3中岩石风化菌群所需的潮湿环境及植物对水分的需求，支撑网板14则用以保证吸水提水模块8的抗侧压性和稳定性。
优选地，吸水提水模块8与水收集模块5之间的空间形成的储水模块7，其主要用于雨水和地表径流的储存，以收集雨水进行回收利用。优选地，所述水收集模块5为漏斗网状结构，且所述水收集模块5与吸水提水模块8为一体结构，其高为3～7cm，网孔面积0.2～0.5cm2。所述水收集模块5包括设置在下层的第一碎石层和设置在上层的第二碎石层，所述第一碎石层中碎石粒径为2～2.5cm，所述第二碎石层中碎石粒径为0.5～0.8cm，所述第一碎石层的厚度为3～4.5cm，所述第二碎石层的厚度为1.5～3cm，该结构主要用于雨水及地表径流的收集及过滤作用。
更优选地，所述植生灌草机构包括填充在所述储水提水机构内侧的原土层9、种植在所述原土层9内的灌木1、种植在所述灌木1周围的草皮2。所述灌木1主要种植于原土层9上方，具有保持水土的功能，草皮2则主要种植于灌木1周围，以增强植物体系的多样性、覆盖率及水土保持能力，所述灌木1周围的草皮2的土层厚度为2～3cm，且草坪草为耐干旱、耐高温的草种。
进一步，所述加速岩石风化单元包括设置在岩石6上的岩石风化菌群基质层3、设置在所述岩石风化菌群基质层3上的吸水石网袋层4、设置在所述吸水石网袋层4上的草皮2。
优选地，所述岩石风化菌群基质层3为由碳酸盐岩石风化菌群的菌液构成的粘稠状基质层，所述菌液由细菌与真菌菌液以1:3的体积比混合后按照菌液体积加入0.7～1.2mol/L的有机酸，加入淀粉后制成粘稠状基质层。所述碳酸盐岩石风化菌群包括地衣芽孢杆菌、曲霉属菌、固氮芽胞杆菌等，所述有机酸包括柠檬酸、曲酸等，其面积为0.5～3m2，厚度为0.5～1cm，该基质层应用前由环保型膜包裹，在应用时将薄膜去掉直接将基质铺设于凸起岩石6表面且其下端被所述吸水提水模块8压实，以保证两个部分连接的整体性。该基质层中存在大量的已繁殖岩石风化菌群，其直接与岩石接触可大大提升岩石上风化菌与岩石接触面积，提升风化效率。
优选地，所述吸水石网袋层4由网袋和设置在所述网袋内的吸水石构成，整体面积与所述岩石风化菌群基质层3面积大小一致，铺设位置也完全重合。网袋的网孔面积为0.2～0.4cm2，材料具耐腐蚀性，如尼龙、聚丙烯等，网袋中铺设厚度2～3cm的吸水石，所述吸水石粒径为0.5～1.5cm。所述吸水石网袋层4的主要功能是通过网袋中的吸水石与吸水提水模块8中靠近岩石6一侧的吸水石石笼构成吸水体系，从而为岩石风化菌群提供潮湿、透气的环境，促进菌群的生长代谢，从而提升菌群对岩石风化效率。
进一步，岩石6上的草皮2的土层厚度为5～7cm，以利于草坪草在岩石风化菌群基质层3上方的生长，且草坪草为耐干旱、耐高温的草种。所述草皮2的生长基质包括体积比为(60～65)：(15～20)：(5～10)：(5～10的当地土壤、椰糠、腐殖质、细沙，该基质在为草坪草提供营养物质的同时可为岩石分化菌群长期提供微酸的环境，促进岩石分化菌的长期的生长繁殖。
本实用新型的加速石漠化区岩石风化的水土保持结构通过加速岩石风化单元实现了为碳酸盐风化菌提供潮湿、微酸的环境的目的，同时通过构建储水提水机构及半渗透机构实现了对雨水及径流的生态存储与利用的目的，有效避免了大量径流冲刷而造成的水土流失问题。本实用新型的水土保持结构可有效提升碳酸盐风化菌对岩石的风化效率、增加土层厚度、提升石漠化区水分的有效利用，是一种生态、长效的石漠化区生态修复结构，可为石漠化治理提供理论和技术支持。
本实用新型的一种加速石漠化区岩石风化的水土保持结构可参照如下步骤进行构建：
A、构建半渗透机构，将石漠化凸起岩石6围成的凹陷区域中的原土移出，并在凹陷区域底部依次铺设碎石层13、细沙层12、半渗透层，之后浇水压实形成半渗透机构。
B、构建储水提水机构，按照储水提水机构的结构构建U型石笼结构形成吸水提水模块8，并构建水收集模块5，在吸水提水模块8两个侧壁中部横向设置支撑网板14，之后在吸水提水模块8外围包裹土工防水布，形成储水提水机构。
具体地，按照储水提水机构构建网笼，形成U型石笼结构的吸水提水模块8。在U型石笼结构两个壁的中部每隔10～20cm添加并连接支撑网板14，以保证整体结构的稳定性，之后在U型石笼结构外围包裹相应尺寸的土工防水布，形成储水提水机构。接着将U型石笼结构靠于凸起岩石6的边缘并入，使吸水提水模块8贴合岩石6表面，按照此方法依次将不同的储水提水机构放置于凸起岩石6围成的凹陷区域内侧形成一个圆圈。
C、将挖出的原土重新回填于凹陷区域并做压实处理形成原土层9，之后将灌木1种植于原土层9，并在所述灌木1周围种植草皮2，对植物进行常规养护。
D、构建加速岩石风化单元，铺设岩石风化菌群基质层3，将岩石风化菌群基质层3铺于凸起岩石6表面并与储水提水机构相邻并重叠，之后将吸水石网袋层4平铺于岩石风化菌群基质层3上方并与储水提水机构相邻且留有冗余，之后在所述吸水石网袋层4上种植草皮2。
所述岩石风化菌群基质层3为由碳酸盐岩石风化菌群的菌液构成的粘稠状基质层，所述菌液由细菌与真菌菌液以1:3的体积比混合后按照菌液体积加入0.7～1.2mol/L的有机酸，加入淀粉后制成粘稠状基质层。所述碳酸盐岩石风化菌群包括地衣芽孢杆菌、曲霉属菌、固氮芽胞杆菌等，所述有机酸包括柠檬酸、曲酸等，其面积为0.5～3m2，厚度为0.5～1cm，该基质层应用前由环保型膜包裹，在应用时将薄膜去掉直接将基质铺设于凸起岩石6表面且其下端被所述吸水提水模块8压实，以保证两个部分连接的整体性。该基质层中存在大量的已繁殖岩石风化菌群，其直接与岩石6接触可大大提升岩石6上风化菌与岩石6的接触面积，提升风化效率。
具体地，岩石风化菌群基质层3放置时将薄膜取下后铺于凸起岩石6表面并与储水提水机构相邻并稍有重叠，接着将吸水石网袋层4平铺于岩石风化菌群基质层3上方，并与储水提水机构相邻且留有一定的冗余，以保证形成由下至上的吸水体系。将事先准备好的草皮2平铺于吸水石网袋层4上方，即完成加速岩石风化模块的构建，至此加速石漠化区岩石风化的水土保持结构构建完成，后续需对植物进行常规养护。
实施例构建的加速石漠化区岩石风化的水土保持结构，通过加速岩石风化单元实现了为碳酸盐风化菌提供潮湿、微酸的环境的目的，同时通过构建储水提水机构及半渗透机构实现了对雨水及径流的生态存储与利用的目的，有效避免了大量径流冲刷而造成的水土流失问题。本实用新型的水土保持结构可有效提升碳酸盐风化菌对岩石的风化效率、增加土层厚度、提升石漠化区水分的有效利用，是一种生态、长效的石漠化区生态修复结构，可为石漠化治理提供理论和技术支持。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。