冻融循环作用下植被混凝土肥力演变过程与可持续性研究

Fertility degradation is the most critical limitation factor when vegetation-concrete ecological slope protection technology applied in alpine regions. According to the whole research line of “mastering regulation, revealing mechanism, proposing strengthening methods and evaluating efficacy” based on the theory of pedology and cement solidification soil, this project aims at researching the fertility degradation mechanism and strengthening method of vegetation-concrete under condition of freezing and thawing cycle. Firstly, evolution process and law of macro physical structure, fertility retention capacity, nutrients and microbial properties of vegetation-concrete would be analyzed through intelligent control temperature test chamber. In order to reveal fertility evolution mechanism, it is necessary to make sure about not only evolution process of functional microbes properties and its impact on nutrient pattern, but also evolution process of microstructure characteristics and its impact on fertility retention capacity combining with the component characteristics of vegetation-concrete. According to thought train of mechanism analysis, fertility sustainability strengthening methods would be proposed. One aspect is adding plant fiber in vegetation-concrete, the other aspect is improving applicability of functional microbe’s agents in in alpine regions. The research fruitage would not only provide theoretical basis for explaining negative effects of freeze-thaw action on vegetation-concrete, but also would be useful for extend application range of ecological slope protection technology.

肥力快速退化是植被混凝土生态护坡技术在高寒地区应用受限的关键因素。项目遵循“掌握规律→揭示机制→提出强化措施→评估功效”的思路，采用宏-细-微观实验与理论分析相结合的方法，研究冻融循环作用下植被混凝土肥力演变过程与可持续性强化措施。通过模拟大气反复冻融实验，分析养分格局、微生物生物量、宏观结构、保肥性能等基础肥力指标演变过程与规律；结合植被混凝土组分特点，深入分析功能微生物特性演变过程及其对养分格局的影响，并利用团聚结构、扫描电镜与能谱分析等手段阐释细微观结构演变过程及其对保肥性能的影响，综合揭示肥力演变机制。基于机制分析思路，从提升功能微生物菌剂适用性和基材结构稳定性着手，探索肥力可持续性强化措施。通过构建植被混凝土肥力综合评价指标体系、模型与标准，并设置高寒地区野外对比监测样地，评估强化措施功效。研究成果可在理论上为解释植被混凝土质量劣化提供依据，在应用上为扩展技术适用范围提供支持。

肥力快速退化是植被混凝土生态护坡技术在高寒地区应用受限的关键因素。冻融循环作用下基材结构剧变，养分流失严重，且微生物数量与活性均大幅降低，导致生态护坡工程效果的可持续性遭遇挑战。项目研究了冻融循环作用下植被混凝土肥力演变过程与可持续性强化方法，先通过模拟冻融实验，分析了植被混凝土基本理化性质、养分固持能力、功能微生物数量等肥力指标演变规律，并从细微观角度进一步分析颗粒级配、团聚结构、孔隙大小分布、水泥水化胶结物形貌的演变过程，通过分析肥力指标与细微观结构参数之间的联系，探究了冻融条件下植被混凝土肥力演变机理。在物理肥力强化措施方面，自制了一种单根纤维拉拔试验装置，分别研究了聚丙烯与玄武岩纤维的单根拉拔特性，确定了临界加筋长度；进一步研究了纤维长度与掺量对冻融条件下植被混凝土质量、总孔隙率、表面裂隙、渗透系数等物理指标的影响，并利用微观手段分析了纤维形貌变化，利用分形理论分析了孔洞、裂纹发育特征，探索了纤维加筋影响植被混凝土抗冻性能的机理，提出了适宜加筋类型、长度与掺量。在化学肥力强化措施方面，通过室内外控制性试验，发现木质与矿质活性炭对植被混凝土养分固持能力、孔隙率、保水性、狗牙根地上/地下生物量均有显著提升，且木质生物炭作用效果优于矿质活性炭。通过微观手段还发现活性炭有助于植被混凝土中菌丝形成，利于微生物数量与活性提升。通过综合分析提出了活性炭适宜施用量。在生物学肥力强化措施方面，研究了冻融胁迫条件下植被混凝土中固氮微生物数量变化规律，并分离、筛选了两株冻融胁迫耐受性强且固氮能力较好的固氮菌。通过对一系列形态特征、生理生化测定及16S rDNA序列分析等手段对菌株进行描述、分析与鉴定，将两株菌株分别鉴定为蛋白水解微杆菌（Microbacterium proteolyticum）、皮氏罗尔斯顿菌（Ralstonia pickettii）。结合室外盆栽试验，评估了两种固氮菌液施用对植被混凝土理化指标与黑麦草长势的作用效果，为制备高寒地区生态护坡生物菌肥提供了直接依据。