生物结皮对植被混凝土边坡土壤团聚体分布及稳定性的影响

董悦 ,  夏栋 ,  闫书星 ,  张昕雅 ,  蒋佳媛 ,  刘黎明 ,  吴彬 ,  许阳 ,  徐博宇

水土保持学报 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (06) : 75 -84.

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水土保持学报 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (06) : 75 -84. DOI: 10.13870/j.cnki.stbcxb.2025.06.003
“三峡库区高质量绿色发展”专栏

生物结皮对植被混凝土边坡土壤团聚体分布及稳定性的影响

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Effects of Biological Soil Crusts on Soil Aggregate Distribution and Stability in Vegetation Concrete Slopes

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摘要

目的 为探究在边坡生态修复技术中生物结皮对土壤团聚体分布及稳定性特征的影响机制。 方法 以植被混凝土边坡不同生物结皮覆盖(藻结皮、混生结皮、藓结皮)土壤为研究对象,以无结皮覆盖土壤(CK)为对照,采用Le Bissonnais法分别对其不同土层(0~2、2~5 cm)土壤团聚体分布、团聚体稳定性及土壤理化属性特征进行研究。 结果 1)与CK相比,藻结皮、混生结皮和藓结皮覆盖土壤>0.25 mm团聚体含量(R0.25)分别增加12.53%、21.97%、30.20%(0~2 cm)和20.11%、32.00%、44.34%(2~5 cm),说明生物结皮对土壤团聚体稳定性及R0.25有显著影响,且藓结皮对提高团聚体稳定性的效果最佳。2)在LB法3种湿润处理(快速湿润FW、慢速湿润SW、预湿润振荡WS)中,各土层不同类型生物结皮覆盖下土壤团聚体稳定性均表现为MWDFW<MWDWS<MWDSW、GMDFW<GMDWS<GMDSW,且随着土层深度增加,平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)均呈降低趋势。说明慢速湿润处理对土壤团聚体的破坏作用最小,快速湿润处理的作用最大。3)生物结皮对表层土壤有机碳(SOC)、钙结合态有机碳(Ca-SOC)及黏粒、粉粒提升作用更明显。相关性分析表明,团聚体稳定性指标(MWD、GMD、R0.25)与SOC、黏粒、Ca-SOC均呈极显著正相关(p<0.01),与RSI、RMI、砂粒呈极显著负相关(p<0.01),与粉粒呈正相关但不显著。说明生物结皮是通过影响土壤颗粒组成、土壤有机碳及钙结合态有机碳进而影响土壤团聚体稳定性。 结论 生物结皮的存在能够有效增强土壤抗侵蚀能力,促进小团聚体向大团聚体形成,进而提高团聚体稳定性,改善土壤结构状况,在生态修复边坡土壤侵蚀阻控与生态系统稳定方面发挥着关键作用,可为植被混凝土边坡的建造和生物选择提供一定的科学建议。

Abstract

Objective To explore the influencing mechanisms of biological soil crusts on the distribution and stability characteristics of soil aggregates in slope ecological restoration. Methods Soils from vegetation concrete slopes mulched with different types of biological soil crusts (algal crusts, mixed crusts, and moss crusts) were used as research objects, with soils without crust mulching as the control group (CK). The Le Bissonnais (LB) method was applied to investigate the distribution and stability of soil aggregates and the physicochemical properties of different soil layers (0-2 cm and 2-5 cm). Results 1) Compared with CK, the content of >0.25 mm aggregates (R0.25) increased by 12.53%, 21.97%, and 30.20% in the 0-2 cm layer and by 20.11%, 32.00%, and 44.34% in the 2-5 cm layer under algal crust, mixed crust, and moss crust mulching, respectively. This indicated that biological soil crusts had a significant effect on soil aggregate stability and R0.25, with moss crusts showing the best effect in improving aggregate stability. 2) In the three wetting treatments of LB method (fast wetting-FW, slow wetting-SW, and wetting stirring-WS), the soil aggregate stability in different soil layers and under different types of biological soil crust mulching showed the trend of MWDFW<MWDWS<MWDSW and GMDFW<GMDWS<GMDSW, and the mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) decreased with increasing soil depth. This indicated that SW caused the least destruction to soil aggregates, while FW had the greatest effect. 3) Biological soil crusts had more pronounced effects on increasing surface soil organic carbon (SOC), calcium-bound organic carbon (Ca-SOC), clay, and silt content. Correlation analysis showed that soil aggregate stability indicators (MWD, GMD, R0.25) were extremely significantly positively correlated with SOC, clay content, and Ca-SOC (p<0.01), and extremely significantly negatively correlated with relative slaking index (RSI), relative mechanical breakdown index (RMI), and sand content (p<0.01). The correlation with silt content was positive but not significant. These results suggested that biological soil crusts influenced aggregate stability by affecting soil particle composition, SOC, and Ca-SOC. Conclusion Biological soil crusts can effectively enhance soil erosion resistance, and promote the formation of large aggregates from smaller ones, thereby improving aggregate stability and soil structure. Thus, the biological soil crusts play a crucial role in soil erosion control during slope ecological restoration and ecosystem stabilization and can provide scientific support for the construction and species selection for vegetation concrete slopes.

Graphical abstract

关键词

生物结皮 / 土壤团聚体 / 土壤有机碳 / Le Bissonnais法 / 植被混凝土

Key words

biological soil crusts / soil aggregates / soil organic carbon / Le Bissonnais method / vegetation concrete

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董悦,夏栋,闫书星,张昕雅,蒋佳媛,刘黎明,吴彬,许阳,徐博宇. 生物结皮对植被混凝土边坡土壤团聚体分布及稳定性的影响[J]. 水土保持学报, 2025, 39(06): 75-84 DOI:10.13870/j.cnki.stbcxb.2025.06.003

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生物土壤结皮(简称生物结皮,biological soil crusts)作为连接土壤和植被的界面层,有着地表“皮肤”之称,是由细菌、蓝藻、真核藻类、地衣和藓类等隐花植物通过菌丝体、假根及多糖与土壤表层颗粒结合形成的复杂有机复合体1-2。生物结皮占全球干旱、半干旱区地表覆盖的40%~70%,是旱地生态系统中的重要组成部分3。已有研究4-5表明,生物结皮在定殖过程中可通过自身代谢活动显著改变土壤微环境,在改善土壤表层理化性质、抑制水土流失、增强土壤稳定性及促进养分累积等方面发挥重要的生态功能。鞠孟辰等6研究指出,生物结皮在发育阶段可有效促进土壤团粒结构的形成,增强表层土壤机械稳定性,从而提高土壤抗蚀性;LIU等7研究发现,生物结皮借助地表覆盖、物理结合和化学吸附等机制,进而改善土壤性质并减少土壤侵蚀。当前研究主要集中于生物结皮对天然土壤团聚体分布及稳定性的影响,但在人工生态修复领域中关于生物结皮对土壤团聚体分布、理化性质的影响研究仍相对较少。
植被混凝土技术是兼具护坡和绿化双重功能的生态修复技术,适用于各种高陡边坡,并在矿山修复领域有着广泛的应用8。该技术是将水泥、土、有机质、长效肥、绿化添加剂和植物种子等按比例配合而成,可使喷播基材具有一定的强度和抗冲刷能力9,从而为当地植被的生长繁衍提供良好的生境条件。但目前,植被混凝土生态修复领域中的研究侧重于生境基材开发与改良10、基材养分变化特征11及微生物群落特征12等方面。因此,开展生态修复边坡生物结皮覆盖下土壤团聚体和理化性质特征研究,对于促进植被混凝土修复边坡的结构稳定性和生态可持续性具有重要意义。
土壤团聚体在促进土壤碳固存、调节土壤水分动态及维持农作物生产力等方面发挥着重要作用13,也是评价土壤质量和衡量土壤可蚀性的重要指标14,稳定的土壤团聚体可有效降低土壤侵蚀和剥落能力。同时,土壤有机碳作为团聚体中主要胶结物质,与团聚体稳定性密切相关,二者通过复杂的相互作用彼此影响和制约。当前土壤团聚体稳定性的测定方法主要依赖于Yoder湿筛法15和Le Bissonnais(LB)法16。已有学者利用LB法对不同植被类型17、不同土壤类型18、林地19、草地20等天然土壤团聚体稳定性展开了研究。针对人工生态修复基材(改良土壤),马佳鑫等21以不同恢复年限植被混凝土生态修复边坡土壤为研究对象,评估快速湿润(FW)、慢速湿润(SW)和机械扰动(WS)处理下土壤团聚体的稳定性和可蚀性,但有关生物结皮条件下的人工生态修复基材团聚体稳定性研究报道较少。针对生物结皮在边坡生态修复系统中应用前景认知的局限性,本研究选取植被混凝土生态修复边坡生物结皮覆盖土壤为研究对象,采用LB法对不同类型结皮覆盖土壤团聚体分布、团聚体稳定性和土壤理化属性特征进行研究,探讨在不同生物结皮和不同破坏机制下的土壤团聚体稳定性差异,明确生物结皮在边坡生态修复领域中所扮演的重要角色,以期为边坡生态修复技术的提升提供科学管理和理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖北省宜昌市(29°56'~31°34'N,110°15'~112°04'E),该区域属典型亚热带湿润性季风气候,多年平均降水量1 215.6 mm,具有明显的四季分明特点,且雨量丰沛,主要集中在夏季6—7月,气候宜人。无霜期一般在250~300 d,年平均日照时间1 538~1 883 h。土壤以黄棕壤土为主,边坡主要植被有构树(Broussonetia papyrifera)、野迎春(Jasminum mesnyi)、八角金盘(Fatsia japonica)、剑叶凤尾蕨(Pteris ensiformis),植被盖度约85%。在植物间隙中分布着大量生物结皮,类型主要包括藻结皮和藓结皮,混生结皮相对较少,其中藻结皮优势种为具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus),藓结皮主要优势物种包括大灰藓(Hypnum plumaeforme)、尖叶匍灯藓(Plagiomnium acutum)、金发藓(Polytrichum commune)。

1.2 样品采集

本研究选取1个具有代表性的植被混凝土生态修复边坡,以边坡上发育良好的藻结皮(覆盖度不小于60%)、混生结皮(藓结皮和藻结皮总覆盖度不低于60%)和藓结皮(覆盖度不小于60%)覆盖土壤为研究对象,无结皮覆盖土壤(CK)为对照。通过调查发现边坡植被群落以灌木为主,故在坡面设置3个5 m×5 m标准样地,每个样地内布设3个1 m×1 m典型样方,于2024年5月中旬分别采集各样方生物结皮和裸土下的0~2、2~5 cm土层土壤,将相同结皮类型和土层深度下的土样混合装入铝盒后带回实验室,用手轻轻掰成直径为10 mm左右的小块,并用镊子小心去除植物根系、石头等杂质,自然风干后用于土壤理化性质和团聚体的测定。土壤覆盖类型见图1

1.3 土壤指标测定方法

采用Le Bissonnais法16测定土壤水稳定性团聚体,试验包括3种湿润处理方法,以模拟不同环境条件下土壤团聚体的破碎机制。采用干筛法选取3~5 mm土样,置于40 ℃烘箱中烘干24 h,使土壤团聚体的含水率趋于一致。随后,分别对土样进行快速湿润(FW)、预湿润振荡(WS)和慢速润湿(SW)3种处理,处理完成后,将团聚体冲洗至浸泡在乙醇中的不锈钢套筛中(套筛孔径依次为2、1、0.5、0.25、0.053 mm),以均匀的幅度将筛子上下振荡20次,振荡结束后,将留在各筛网上的团聚体进行烘干并称重,获得各粒径团聚体质量百分数。

土壤有机碳采用重铬酸钾-外加热法22测定;土壤颗粒组成采用激光粒度分析仪测定,根据国际制土壤粒径分为土壤黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.02~0.002 mm)和砂粒(2~0.02 mm);钙结合态有机碳采用硫酸钠溶解法分离提取,用重铬酸钾外-加热法测定提取液中的有机碳。

土壤团聚体稳定性以>0.25 mm大团聚体含量(R0.25)、平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)表示,计算方法23为:

R0.25=Mi>0.25MT×100%
MWD=i=1nXiWi
GMD=expi=1nWiln Xi

式中:Mi>0.25为>0.25 mm的团聚体质量之和,g;MT为各粒径团聚体质量之和,g;Xi为第i粒径团聚体的平均直径,mm;Wi为第i粒径团聚体占所有粒径团聚体的质量分数,%。

通过LB法测定的团聚体粒径分布数据,计算出相对消散指数(RSI)和相对机械破碎指数(RMI),从而评估消散作用和机械破碎作用对团聚体破坏的敏感性24

RSI=MWDSWMWDFWMWDSW×100%
RMI=MWDSWMWDWSMWDSW×100%

式中:MWDFW、MWDWS、MWDSW分别为快速湿润、预湿润振荡及慢速湿润处理条件下土壤团聚体的平均重量直径。

1.4 数据处理与分析

使用Excel 2019软件进行数据初步整理,利用SPSS 26.0软件对不同结皮类型覆盖土壤团聚体及土壤理化属性进行单因素方差分析(ANOVA),利用Pearson相关法分析土壤团聚体稳定性指标与土壤理化属性的相关性。所有数据统计分析借助SPSS 26.0软件完成,绘图采用Origin 2021软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同结皮类型覆盖下土壤团聚体分布特征

表1可知,3种不同湿润处理下,植被混凝土边坡不同类型生物结皮覆盖土壤团聚体分布差异显著(p<0.05)。FW处理下,在0~2 cm土层,土壤团聚体粒径主要集中在>2 mm,其次为2~1 mm,分别为27.48%~97.73%和12.69%~42.64%。混生结皮中>2 mm团聚体粒径占比高于藻结皮和藓结皮,而藓结皮覆盖的土壤中分布着最少的微团聚体;在2~5 cm土层,除藓结皮组外,各组团聚体粒径均以<0.053 mm为主,0.25~0.053 mm粒径次之,为11.96%~39.59%和18.75%~31.25%。SW处理和WS处理条件下的团聚体粒径分布特征呈现显著相似性,表现为各结皮类型覆盖土壤水稳定性团聚体占比均随着粒径的减小呈现先降低后升高的趋势,在0~2 cm土层,团聚体粒径均以>1 mm为主,占团聚体总量的1/2以上,其中>2 mm团聚体占比最高,为18.81%~96.44%。

图2可知,大团聚体含量R0.25总体表现为SW>WS>FW,并随着土层深度的增加逐渐降低。表明快速湿润处理对土壤团聚体的破碎作用最大,慢速湿润处理的破坏作用最小。相较于CK,藻结皮、混生结皮和藓结皮的R0.25占比分别增加12.53%、21.97%、30.20%(0~2 cm)和20.11%、32.00%、44.34%(2~5 cm),表明藻结皮对大团聚体的形成具有促进作用,但效果不如混生结皮和藓结皮。

2.2 不同结皮类型覆盖下土壤团聚体稳定性特征

图3可知,各结皮类型覆盖坡面团聚体稳定性指标MWD和GMD值分别达到CK的1.26~1.83、1.68~2.14倍。LB法湿润处理后的团聚体稳定性指标均表现为藓结皮>混生结皮>藻结皮>CK。进一步分析结果显示,不同湿润处理方式对团聚体稳定性影响显著,具体表现为MWDFW<MWDWS<MWDSW、GMDFW<GMDWS<GMDSW,且随着土层深度增加,MWD与GMD值均呈现显著递减趋势。表明在3种不同湿润处理中,慢速湿润处理后的土壤团聚体稳定性最强,快速湿润处理最弱,且表层土壤(0~2 cm)团聚体稳定性大于下层土壤(2~5 cm)。

图4可知,RSI和RMI值的变化趋势与MWD和GMD值相反,总体随土层深度的增加而增大,且在不同土层均有显著性差异(p<0.05)。RSI值远大于RMI值,表明雨滴、径流等外应力作用下对团聚体的破坏远远小于快速湿润下土壤孔隙气体压力造成的破坏。

2.3 土壤团聚体稳定性与土壤基本理化性质的相关性

表2可知,藻结皮、混生结皮、藓结皮和CK在0~2 cm土层SOC质量分数平均值分别为7.57、9.56、12.61、5.56 g/kg;黏粒占比平均值分别为49.27%、52.41%、60.05%和46.09%;粉粒占比平均值分别为34.00%、33.77%、33.00%和31.39%;砂粒占比平均值分别为16.73%、13.82%、6.95%和22.52%;Ca-SOC质量分数平均值分别为3.27、4.30、5.96、1.98 g/kg,表明不同类型生物结皮均能显著提高土壤各理化指标。

随着土层深度的增加,不同类型生物结皮和CK土壤中的SOC、Ca-SOC、黏粒及粉粒占比整体上均呈下降趋势,砂粒占比呈上升趋势。同时,相较于CK,藓结皮覆盖土壤中各理化性质最高(砂粒除外),表明土壤理化指标随着生物结皮的演替均呈上升趋势。

图5可知,团聚体稳定性指标MWD、GMD、R0.25与SOC、黏粒、Ca-SOC均呈极显著正相关(p<0.01),与RSI、RMI、砂粒呈极显著负相关(p<0.01),与粉粒呈正相关但不显著。总体而言,SOC、Ca-SOC、黏粒和粉粒等理化因子综合影响不同类型生物结皮覆盖土壤团聚体稳定性指标。

3 讨 论

3.1 不同结皮类型覆盖下土壤团聚体分布及稳定性的差异

土壤团聚体的组成、数量、大小及稳定性是评价土壤结构的重要因素25。本研究发现,混生结皮和藓结皮覆盖边坡土壤团聚体稳定性显著优于藻结皮,其中藓结皮覆盖下土壤大团聚体含量最多,MWD和GMD值最高;随着土层深度增加,裸土和生物结皮覆盖边坡土壤稳定性指标MWD和GMD均减小。其原因可能与土壤颗粒组成、有机碳库及生物结皮类型存在显著关联:一方面,有机碳是促进团聚体形成的关键因素,对团聚体稳定性发挥着重要作用26,在生物结皮的演替进程中,其分泌物、凋落物及动植物残体等成分被微生物分解,转化为腐殖土,使得土壤表层有机质与胶结质含量得以提高,从而增强土壤颗粒间的静电引力27,为土壤颗粒的吸附固持创造有利条件,促进大团聚体的增加。然而,随着土层深度增加,土体中的胶结物质(如有机碳等)因受次生矿物或黏粒组分的吸附固定作用,导致团聚体中胶结剂含量下降,进而降低团聚体稳定性24;另一方面,藻结皮通过分泌胞外多糖来固定松散土壤颗粒,从而提高土壤团聚体稳定性28。藓结皮通过利用假根延伸体及植物分泌物黏结细小的土壤颗粒,且部分假根与菌丝体能够相互交织缠绕形成网状结构,其捆绑作用增强,提高土壤颗粒间的胶结作用,使土壤结构更加稳定29

本研究发现,FW处理相比其他处理方式,大团聚体含量显著降低,微团聚体含量增加,与卢升高等30研究结果相同。是由于FW处理将土样快速置于水中,土壤孔隙中空气受压,当压力超过土壤所能承受的上限时,团聚体则受压爆破,消散成小颗粒。本研究中FW处理后的土壤依然以>0.25 mm粒径团聚体为主,与王珊等31研究指出的FW处理后土壤分布以微团聚体为主的结论不同。其原因可能是:1)结皮紧贴地面匍匐生长,且叶片背面有大量的假根与表层土壤紧密连接及分泌的多聚糖,束缚和胶结作用限制土壤崩解和消散;2)植被混凝土技术中添加水泥胶结剂有效增加土壤的强度和抗冲刷能力,使土壤在FW处理模拟暴雨条件下也能保持大团聚体结构稳定,不易被崩解和分散。

3.2 不同结皮类型覆盖下土壤理化性质的变化特征

土壤有机碳不仅是土壤肥力的物质基础,也是土壤质量的重要组成部分,在改善土壤结构,改变土壤渗透性、腐蚀性和土壤养分循环等方面发挥着重要作用32。本研究得出,生物结皮覆盖坡面土壤有机碳和钙结合态有机碳含量均高于CK,且藓结皮覆盖土壤含量最高,但主要集中于0~2 cm土层。可能原因是:1)生物结皮具有养分聚集效应,受假根限制,生物结皮仅作用于0~2 cm土层,对下层土壤影响有限33;2)生物结皮在调控土壤理化性质方面具有重要作用,藻结皮-混生结皮-藓结皮的演替变化为固碳类微生物提供适宜的生态环境,从而促进有机碳含量的积累34;3)相较于藻结皮和混生结皮,藓结皮具有更加完整的生理结构,与土壤间的物质交换能力更强。

本研究表明,在生物结皮覆盖土壤中,黏粒和粉粒占比显著高于裸土,而砂粒占比较低,且砂粒占比随土层深度增加而逐渐升高。可能是由于藓植株相互穿插缠绕在土壤表层形成致密覆盖层,可捕获更多富含养分的大气尘土,降低雨滴击溅和风蚀导致的细颗粒流失35,同时,生物结皮分泌的黏液和糖类等物质将土壤细颗粒固定为稳定团聚体。而砂粒因粒径大、迁移性强,在重力分选和渗透限制作用下向深层富集,加之生物结皮对表层孔隙的堵塞进一步抑制砂粒滞留,导致表层砂粒含量较裸土降低。

3.3 不同破坏机制下土壤团聚体的差异

应用LB法测定不同结皮类型覆盖下土壤团聚体稳定性,结果表明,在3种不同湿润处理下,FW处理后的微团聚体占比最多且对土壤团聚体破坏性最大,WS次之,SW破坏性最小,与韦惠等36研究结果一致,说明FW处理所产生的消散效应是土壤团聚体破坏的主要因素。是因为FW处理模拟暴雨或灌溉时土壤团聚体被快速水浸的情形,此时水分压缩团聚体孔隙中的空气,气体压强增大,一旦气压超过其承受极限,会在土体孔隙间引发“气爆”现象,同时水分的渗透作用会削弱土体颗粒之间的胶结作用37,最终导致团聚体发生崩解,因此对团聚体的破坏作用最大,此过程被称为“消散作用”38;WS处理模拟的是雨水击打对团聚体的破坏作用,强调的是机械扰动作用;SW处理模拟的是小雨或者滴灌条件下土壤团聚体破坏机制,强调差异性黏粒膨胀作用17,即将团聚体置于乙醇中进行缓慢而充分的饱和,与快速湿润处理相比,土壤的不均匀胀缩能力很小,从而对土壤团聚体的破坏作用相对最小。在评估团聚体对不同破坏机制的敏感程度时,采用相对消散指数(RSI)和机械破碎指数(RMI)进行分析36,结果表明,不同结皮覆盖土壤的RSI远高于RMI,甚至呈现出倍数上的差异,说明大雨或暴雨条件是导致土壤团聚体破碎的主要机制,且对消散作用的敏感度高于机械破坏作用。

4 结 论

1)生物结皮对土壤团聚体分布、稳定性及>0.25 mm团聚体含量R0.25有着显著影响。与CK相比,有结皮覆盖的土壤团聚体稳定性指标MWD、GMD值分别增加1.26~1.83、1.68~2.14倍,R0.25增加1.06~1.44倍,且藓结皮对提高团聚体稳定性的效果最佳,可提高20.39%~24.35%。

2)在不同湿润处理方式下,R0.25占比总体表现为SW>WS>FW,并随着土层深度的增加逐渐降低,表明快速湿润处理对土壤团聚体的破碎作用最大,慢速湿润处理的破坏作用最小。

3)生物结皮的存在促进了土壤有机碳、钙结合态有机碳、黏粒及粉粒含量的累积,且对表层(0~2 cm)土壤养分水平提升作用更明显,可提高18.24%~26.82%。

4)相关性分析结果表明,土壤颗粒组成、土壤有机碳、钙结合态有机碳是影响植被混凝土边坡团聚体稳定性的主要因素。

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基金资助

三峡库区地质灾害教育部重点实验室开放基金项目(2024KDZ05)

三峡大学自科重点横向项目(SDHZ2022039)

内蒙古自治区科技重大专项课题项目(2021ZD0007-03)

国家自然科学基金项目(42207544)

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