胡建忠

(水利部水土保持植物開(kāi)發(fā)管理中心,北京 100083)

砒砂巖溝谷種植沙棘林防止土壤重力侵蝕的實(shí)踐

胡建忠

(水利部水土保持植物開(kāi)發(fā)管理中心,北京 100083)

砒砂巖;溝谷;人工沙棘林;建設(shè)實(shí)踐

黃河中游的砒砂巖區(qū)是我國(guó)土壤侵蝕最為嚴(yán)重的地區(qū)之一,也是黃河下游河道淤積物中粗泥沙的集中來(lái)源區(qū)之一。該區(qū)嚴(yán)重的重力侵蝕,構(gòu)成了流域產(chǎn)沙的主體,并為水力侵蝕提供了豐富的泥沙來(lái)源。1999—2008年在砒砂巖裸露溝谷地段種植的沙棘林保存面積達(dá) 1 642.86 km2,較好地減弱或消除了產(chǎn)生表層碎屑層的水熱條件,起到了很好的攔截瀉溜作用。據(jù)估算,砒砂巖區(qū)目前人工沙棘林平均減少的土壤侵蝕模數(shù)(重力)為 4 833 t/(km2?a),年可減少土壤重力侵蝕量達(dá) 741萬(wàn)t,為減少入黃粗泥沙發(fā)揮了很好的作用。

砒砂巖,一般特指位于黃河中游地區(qū)、出露于黃土高原北部鄂爾多斯高原以紅色為主的中生代沉積巖[1],包括砂巖、粉砂巖和泥巖等多種沉積巖,顏色有紅、棕紅、灰白、黃等。這種巖石的特征是,無(wú)水時(shí)硬如石,遇水則軟如泥,特別是由于冷熱、干濕交替的影響,巖石表層常形成一定厚度的碎屑層,在風(fēng)、水、重力等作用下極易發(fā)生侵蝕。分布有砒砂巖的地區(qū)(砒砂巖區(qū))是我國(guó)土壤侵蝕最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。

砒砂巖出露的地段多位于溝谷,因此研究其溝谷地段的土壤侵蝕類(lèi)型及危害,探討控制土壤侵蝕的措施及相應(yīng)的配套技術(shù),對(duì)于治理砒砂巖區(qū)的土壤侵蝕、減少入黃泥沙具有重要的意義。

1 砒砂巖溝谷土壤侵蝕的主要類(lèi)型

裸露砒砂巖分布多以樹(shù)枝狀溝谷系統(tǒng)相串,并以犬牙交錯(cuò)的形式與黃土、沙地(多位于梁峁坡)等相連,因此視覺(jué)上成片分布的砒砂巖區(qū)域并不存在(實(shí)際上這一地區(qū)地下巖層基本是相連的)。常說(shuō)的砒砂巖,只是從景觀生態(tài)學(xué)角度上考慮,在一定尺度上,將相對(duì)面積最大、連接度最高、對(duì)景觀功能的控制作用最強(qiáng)的地段作為本底[2],故命其名。砒砂巖區(qū)的范圍,基本上位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市所轄的 5個(gè)旗(區(qū))和陜西榆林市北部的府谷、神木 2縣,其面積一直沒(méi)有定論,有 1.2萬(wàn) km2之說(shuō)[1],也有 1.67萬(wàn) km2之說(shuō)[3],真正裸露巖面積還有 6 300 km2之說(shuō)[4]。沒(méi)有定論的原因如前所述,取決于所選尺度的不同。我們結(jié)合多年來(lái)在這一地區(qū)開(kāi)展的工作以及衛(wèi)片解譯信息,確定砒砂巖區(qū)的面積約為 1.97萬(wàn) km2。

砒砂巖區(qū)盛行西北風(fēng),氣候干燥,降水少但很集中;氣溫變差大,冬春季日較差達(dá)12℃以上;封凍時(shí)間從每年的 10月開(kāi)始直至翌年 5月,長(zhǎng)達(dá) 8個(gè)月左右,這段時(shí)間是地表碎屑層集中形成與積累的階段,為各類(lèi)侵蝕的發(fā)生提供了大量的松散固體物質(zhì)。從產(chǎn)沙角度上看,溝谷地段的主要侵蝕類(lèi)型按照嚴(yán)重程度依次有重力侵蝕、水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕三大類(lèi)。

重力侵蝕主要表現(xiàn)為瀉溜。此處的瀉溜是指砒砂巖溝谷陡坡(35°以上)受到干濕、冷熱、凍融等物理作用的交替影響,表面產(chǎn)生了大量的疏松碎屑物,在重力、風(fēng)力、動(dòng)物等擾動(dòng)下,沿坡面向下滾動(dòng)、滑落的現(xiàn)象。碎屑層厚度多為 5 cm左右,通過(guò)瀉溜形式以松散錐體的形態(tài)堆積在坡麓(圖 1)。這類(lèi)侵蝕物質(zhì),在溝道中存留的時(shí)間決定于雨強(qiáng),在遇到大暴雨的情況下往往會(huì)一次被搬運(yùn)干凈,中小雨時(shí)只發(fā)生部分沖蝕。重力侵蝕使砒砂巖溝谷坡面出現(xiàn)產(chǎn)沙,但輸沙過(guò)程是由水力侵蝕作用完成的。

圖1 砒砂巖瀉溜松散層及瀉溜錐

水力侵蝕在溝坡形成沖溝,降水中超滲產(chǎn)流將砒砂巖表層松散物質(zhì)沿水路搬運(yùn)至溝谷底部,然后再輸送到下游河道。據(jù)觀察,這部分侵蝕量占水力侵蝕量的比例一般在 20%以下;而占水力侵蝕量 80%的部分,是對(duì)重力侵蝕產(chǎn)生的松散錐體物的搬運(yùn)。由于砒砂巖地區(qū)降水年際分布不均,有時(shí)需要數(shù)年中的幾場(chǎng)大雨才能將坡腳堆積物搬運(yùn)干凈。

風(fēng)力侵蝕在 3種侵蝕中所占比重最小,主要表現(xiàn)為有大風(fēng)天氣時(shí)對(duì)砒砂巖松散碎屑層的吹蝕。

砒砂巖區(qū)的泥沙輸移比約為 1,即產(chǎn)沙在一定時(shí)段內(nèi)均轉(zhuǎn)變?yōu)檩斏?溝谷的泥沙通過(guò)水流輸送到下游的河溝、支流直至黃河干流。

2 砒砂巖溝谷土壤侵蝕對(duì)黃河泥沙淤積的影響

粗泥沙是黃河泥沙的癥結(jié)所在。解決黃河泥沙淤積問(wèn)題的關(guān)鍵,就在于準(zhǔn)確地劃定粗泥沙來(lái)源范圍,并據(jù)此進(jìn)行堅(jiān)持不懈的綜合治理。

1979年,清華大學(xué)教授錢(qián)寧首次提出了在黃土高原 43萬(wàn)km2的水土流失區(qū),有 80%的粗泥沙來(lái)自 10萬(wàn)km2的區(qū)域,其中 5萬(wàn)km2區(qū)域的產(chǎn)沙量就占到粗泥沙來(lái)量的 50%。據(jù)此,許多學(xué)者提出了多沙區(qū)面積大到 21萬(wàn) km2,小到 5.1萬(wàn)km2,粗沙區(qū)的面積也在 3.8萬(wàn) ～21萬(wàn) km2之間。

1996年,黃河水利委員會(huì)組織有關(guān)單位聯(lián)合開(kāi)展了“黃河中游多沙粗沙區(qū)區(qū)域界定及產(chǎn)沙輸沙規(guī)律研究”,確定黃河粗泥沙的顆粒直徑界限為0.05mm,粗泥沙輸沙模數(shù)大于 1 300 t/(km2?a),用輸沙模數(shù)指標(biāo)法界定出黃河中游多沙粗沙來(lái)源區(qū)面積為 7.86萬(wàn) km2的研究成果。

2004年,黃河水利委員會(huì)又組織開(kāi)展了黃河中游粗泥沙集中來(lái)源區(qū)的界定工作,并最終確定粗泥沙界限為 0.1mm時(shí)的粗泥沙集中來(lái)源區(qū)面積為1.88萬(wàn)km2,與之相對(duì)應(yīng)的粗泥沙輸沙模數(shù)為 1 400 t/(km2?a)。粗泥沙集中來(lái)源區(qū)在黃河中游呈品字形分布,涉及三大片,最大的一片為皇甫川—佳蘆河區(qū)間,第二片在無(wú)定河的蘆河、大理河和延河、清澗河上游一帶,第三片在無(wú)定河下游(據(jù)黃河上中游管理局《對(duì)黃河淤積影響最大的粗泥沙集中來(lái)源區(qū)治理項(xiàng)目建議書(shū)》,2005年)。

砒砂巖區(qū)全部為多沙粗沙區(qū),也是黃河粗泥沙集中來(lái)源區(qū)的主要組成部分,大部分地區(qū)在粗泥沙集中來(lái)源區(qū)的第一片,即皇甫川—佳蘆河區(qū)間的北部地段。這一地區(qū)是粗泥沙集中來(lái)源區(qū)的重中之重,小區(qū)試驗(yàn)觀測(cè)表明[5],溝坡地段的平均土壤侵蝕模數(shù)為 32 000 t/(km2?a),最高達(dá) 73 066 t/(km2?a)。區(qū)內(nèi)的皇甫川、窟野河、孤山川、禿尾河等河流,輸沙模數(shù)多在15 000～25 000 t/(km2?a)之間,黃河沿岸侵蝕模數(shù)高達(dá)35 800 t/(km2?a)。1958年窟野河泥流,含沙量高達(dá) 1500 kg/m3;1977年孤山川最大輸沙模數(shù)高達(dá)66 400 t/km2,屬世界之罕見(jiàn)。由此知砒砂巖區(qū)為我國(guó)土壤侵蝕模數(shù)最高的地區(qū)之一,也是黃河粗泥沙主要來(lái)源區(qū)之一。

砒砂巖區(qū)產(chǎn)沙對(duì)黃河下游淤積有著舉足輕重的影響,也就是說(shuō),本區(qū)多產(chǎn)沙年即是下游的強(qiáng)淤積年,反之這個(gè)地區(qū)的少產(chǎn)沙年則是下游微淤年或微沖年。所以,這一地區(qū)產(chǎn)沙環(huán)境的變化,對(duì)于黃河下游河道沖淤環(huán)境變化具有重要影響。

3 沙棘作為先鋒樹(shù)種在砒砂巖溝谷的種植示范

在自然狀態(tài)下,砒砂巖溝谷由于碎屑層的存在及瀉溜現(xiàn)象的發(fā)生,當(dāng)?shù)夭莨嗥贩N很難自然生長(zhǎng),在溝坡人工整地試栽油松等也很難保存,整個(gè)地貌呈現(xiàn)出全部裸巖的景觀。在這一地區(qū)能否人工栽種植物引起了人們的極大關(guān)注。

20 世紀(jì) 80年代中期,在準(zhǔn)格爾旗五分地溝試種沙棘獲得成功,成活率連續(xù)幾年穩(wěn)定在68%以上,之后在東勝區(qū)、伊金霍洛旗等地的小流域綜合治理中,相繼將沙棘作為生態(tài)建設(shè)的重要樹(shù)種。1998年以來(lái),水利部沙棘開(kāi)發(fā)管理中心承擔(dān)了水利部“晉陜蒙砒砂巖區(qū)沙棘生態(tài)建設(shè)工程(水規(guī)計(jì)[1998]111號(hào))”項(xiàng)目,開(kāi)始在砒砂巖溝谷地段種植沙棘。這一為期 10年(1999—2008年)的建設(shè)項(xiàng)目,由于在種植工具、苗木、管理等方面進(jìn)行了革新,沙棘種植效果很好,其中在砒砂巖裸露溝谷地段種植的沙棘保存面積就達(dá) 1 642.86 km2(表 1)。

表 1 砒砂巖溝谷地段沙棘種植保存面積km2

以往裸露砒砂巖區(qū)造林不易成功的原因之一,就是栽植深度問(wèn)題,栽植淺了苗木容易隨碎屑層向坡下滑落。試驗(yàn)表明,栽植深度在 30 cm以上,讓苗木根系處于砒砂巖碎屑層以下的堅(jiān)硬巖層中,其效果非常理想。但是,由于栽種季節(jié)的砒砂巖十分堅(jiān)硬,用一般的鐵鍬和镢頭很難挖開(kāi),因此項(xiàng)目區(qū)技術(shù)人員對(duì)沙棘種植工具進(jìn)行了研究,試制成功了如圖 2所示的“沙棘鍬”種植工具。

圖2 砒砂巖沙棘種植工具——沙棘鍬 (單位:cm)

這種“沙棘鍬”為兩頭均有鍬頭的種植沙棘的專(zhuān)用工具,其中一段為長(zhǎng) 35～40 cm的用螺紋鋼制作并將頂端打成尖頭的尖鍬頭,用于在種植坑內(nèi)挖出根系穴及在陡坡上對(duì)人起支撐作用;螺紋鋼尖鍬頭與長(zhǎng) 70～80 cm的三寸鋼管焊接在一起,三寸鋼管一側(cè)距頂端 5 cm處焊接一寬 5 cm、長(zhǎng) 15～20 cm的用鋼板制成的方鍬頭,鋼板與三寸鋼管相焊處厚 6mm,鍬頭一端磨出刃,鍬頭用于刨除碎屑層并整挖出種植坑,也可在陡坡上整挖點(diǎn)狀步道用。用尖鍬頭整挖出深30 cm左右的根系穴,其中 20 cm為根系、10 cm為地上部分,將沙棘莖干埋入土中 10 cm左右的主要目的,是防止地上部分被鼠兔危害或遭風(fēng)干后可迅速?gòu)牡叵旅饶醭鲂轮Α＠谩吧臣@”這種專(zhuān)用工具,種植工效較常規(guī)工具提高了 3～5倍,種植成活率也從以往的不足 30%提高到 90%以上[6]。同時(shí),項(xiàng)目區(qū)沙棘林的保存率也很高,除了沙棘本身具有較好的抗逆性外,還得益于項(xiàng)目區(qū)通過(guò)建廠收購(gòu)沙棘果葉,調(diào)動(dòng)了當(dāng)?shù)剞r(nóng)民種植和保護(hù)沙棘的積極性,林地放牧基本杜絕,人為破壞很少發(fā)生,從而保證了砒砂巖溝谷沙棘林能夠充分發(fā)揮出其生態(tài)與經(jīng)濟(jì)功能。

4 砒砂巖溝谷沙棘人工林防止土壤重力侵蝕量的估算

沙棘種植后,能夠明顯地降低地表溫度日較差和水分變化系數(shù),削減產(chǎn)生地表碎屑層的基本條件,因此可有效攔截瀉溜,減少重力侵蝕發(fā)生。砒砂巖區(qū)目前尚未設(shè)立瀉溜觀測(cè),本研究選取與裸露砒砂巖特性相似的黃土高塬溝壑區(qū)裸露紅土瀉溜觀測(cè)結(jié)果來(lái)予以說(shuō)明[7]。據(jù)觀測(cè),種植于瀉溜紅土上的沙棘林地表土層土壤水分變化較為緩慢,表層土壤的變異系數(shù)為 8.9%,僅為裸露瀉溜紅土表土層土壤水分變異系數(shù) 25.99%的34.2%,因此極大地消除了原先那種劇烈的干濕變化,能起到防止瀉溜侵蝕發(fā)生的作用。同時(shí),沙棘林地表土壤溫度的變異系數(shù)為 5.03%,而與之相對(duì)照的裸露紅土地表土壤溫度的變異系數(shù)為 8.23%,沙棘林地表土壤溫度變幅的減小及較為和緩的溫度變化過(guò)程,極大地減輕了冷熱變化對(duì)瀉溜侵蝕的影響,有利于土壤中各種動(dòng)物和微生物活動(dòng)的進(jìn)行,因此促進(jìn)了土壤理化性狀的逐步改善。

砒砂巖區(qū)不同年限沙棘林地實(shí)測(cè)結(jié)果表明,種植沙棘后,由于根系的固結(jié)、枯落物的混入,原先的碎屑巖石層已逐步變?yōu)楹?5～10 cm、結(jié)構(gòu)為粒狀的表土層,更好地滲吸了降水,有效地促進(jìn)了沙棘生長(zhǎng)及成林。

為了估算沙棘林?jǐn)r截的土壤(巖石)量或減少的土壤侵蝕模數(shù)(重力),本研究提出如下計(jì)算式

式中:S為種植沙棘后減少的土壤侵蝕模數(shù),t/(km2?a);104為換算系數(shù);H為沙棘栽種范圍內(nèi)年平均攔沙厚度,cm;D為砒砂巖松散物容重,t/m3;C為沙棘人工林植被覆蓋度;I為林分影響力系數(shù)。

根據(jù)多年來(lái)對(duì)砒砂巖區(qū)的觀測(cè),沙棘栽種范圍(即冠幅以下)年平均攔沙厚度(H)取 0.6 cm;砒砂巖松散物容重(D)取1.5 t/m3;沙棘人工林植被覆蓋度(C)隨林齡增加而逐漸增加,觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表 2;I根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定:2年生為 0.2,3年生為 0.5,4年生為 0.8,5年生及以上為 1(也即 2、3、4年生的林分,分別為5年生及其以上林分功能的 20%、50%及 80%,1年生林分不計(jì))。

表2 砒砂巖溝谷地段沙棘人工林的覆蓋度

根據(jù)表 2數(shù)據(jù)和相應(yīng)的沙棘林面積,在計(jì)算年(2010年)項(xiàng)目區(qū)沙棘人工林減少的土壤重力侵蝕量列于表 3。

表 3 砒砂巖溝谷地段種植沙棘后減少的土壤重力侵蝕量

由表 3可知,沙棘林減少的土壤侵蝕模數(shù)(重力)隨著林齡的增大而不斷增加。在計(jì)算年(2010年)項(xiàng)目區(qū)沙棘人工林平均減少的土壤侵蝕模數(shù)(重力)為 4 833 t/(km2?a),年累計(jì)可減少的土壤重力侵蝕量達(dá) 741萬(wàn)t。當(dāng)這些沙棘全部郁閉后,其減少的土壤侵蝕模數(shù)最大值為 30 000 t/(km2?a),每年可減少的土壤重力侵蝕量最大值為 4 928萬(wàn) t。

本研究對(duì)砒砂巖溝谷種植沙棘后,由于逐步減弱或消除了干濕、冷熱變化的影響,防止了新生碎屑層的產(chǎn)生,并對(duì)已有碎屑層通過(guò)根系和枯落物等進(jìn)行了很好的攔護(hù),因此能很好地發(fā)揮防止砒砂巖重力侵蝕及減少土壤重力侵蝕量的作用進(jìn)行了研究。重力侵蝕為水力侵蝕提供了重要侵蝕物質(zhì),水力侵蝕如何將重力侵蝕產(chǎn)生的泥沙輸送到流域外以及其相關(guān)計(jì)算,以后將另撰文介紹。

[1]金爭(zhēng)平.砒砂巖區(qū)水土保持與農(nóng)牧業(yè)發(fā)展研究[M].鄭州:黃河水利出版社,2003.

[2]許慧,王家驥.景觀生態(tài)學(xué)的理論與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,1993.

[3]王愿昌,吳永紅,寇權(quán),等.砒砂巖分布范圍界定與類(lèi)型區(qū)劃分[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2007,5(1):14-18.

[4]水利部黃河水利委員會(huì)黃河上中游管理局.砒砂巖地區(qū)植物“柔性壩”試驗(yàn)研究總報(bào)告(1995— 2002)[R].西安:黃河上中游管理局,2002.

[5]金爭(zhēng)平,史培軍,侯福昌,等.黃河皇甫川流域土壤侵蝕系統(tǒng)模型和治理模式[M].北京:海洋出版社,1992.

[6]徐雙民,田廣源.沙棘治理砒砂巖技術(shù)探討[J].國(guó)際沙棘研究與開(kāi)發(fā),2008,6(3):17-20.

[7]胡建忠,王愿昌,張鑒.沙棘對(duì)瀉溜紅土的改良及其生長(zhǎng)規(guī)律[J].水土保持通報(bào),1993,13(4):44-50.

Practice on Planting H ippophae rhamnoides in Soft Sandstone Gu llies for Preventing G ravity Erosion

HU Jian-zhong(Plant Development Center for Soil and Water Conservation,Ministry ofWater Resources,Beijing 100083,China)(36)

The soft sandstone region located on middle reaches of the Yellow River is not only one of themost serious soilerosion areas in China,but also one of concentrated source areas of coarse sand of channel sedimentation in the lower Yellow River.The severe gravity erosion of the area has formed themain part of sedimentyield of the Yellow River Basin and p rovided abundant source of sediment for hyd rau lic erosion.During the period of 1999 to 2008,the reserved area of Hippophae rhamnoides planted at the exposed soft sandstone gully has reached to 1 642.86 km2,reducing or avoiding the hydrothermal condition for form ing clastic rock and playing the function of intercepting.According to calcu lation,the present average reduced soil erosion modulus(gravity)by p lanted Hippophae rhamnoides trees in soft sandstone region is 4 833 t/(km2?a),which can reduce gravity erosion 7.41million tons annually,p laying fairly good function on reducing coarse sand flowing into the Yellow River.

soft sandstone;gully;p lanted Hippophae rhamnoides trees;construction practice

S157.1

B

1000-0941(2011)05-0036-04

[項(xiàng)目來(lái)源]晉陜蒙砒砂巖區(qū)沙棘生態(tài)建設(shè)工程項(xiàng)目(水規(guī)計(jì)[1998]111號(hào))

胡建忠(1962—),男,甘肅天水市人,教授,農(nóng)學(xué)博士,理學(xué)博士后,主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)建設(shè)工程。

2010-11-15

(責(zé)任編輯 趙文禮)