砒砂巖溝谷種植沙棘林防止土壤重力侵蝕的實踐

胡建忠

(水利部水土保持植物開發管理中心,北京 100083)

砒砂巖溝谷種植沙棘林防止土壤重力侵蝕的實踐

胡建忠

(水利部水土保持植物開發管理中心,北京 100083)

砒砂巖;溝谷;人工沙棘林;建設實踐

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

砒砂巖,一般特指位于黃河中游地區、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,無水時硬如石,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、水、重力等作用下極易發生侵蝕。分布有砒砂巖的地區(砒砂巖區)是我國土壤侵蝕最為嚴重的地區之一。

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型及危害,探討控制土壤侵蝕的措施及相應的配套技術,對于治理砒砂巖區的土壤侵蝕、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型

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

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

重力侵蝕主要表現為瀉溜。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,表面產生了大量的疏松碎屑物,在重力、風力、動物等擾動下,沿坡面向下滾動、滑落的現象。碎屑層厚度多為 5 cm左右,通過瀉溜形式以松散錐體的形態堆積在坡麓(圖 1)。這類侵蝕物質,在溝道中存留的時間決定于雨強,在遇到大暴雨的情況下往往會一次被搬運干凈,中小雨時只發生部分沖蝕。重力侵蝕使砒砂巖溝谷坡面出現產沙,但輸沙過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,降水中超滲產流將砒砂巖表層松散物質沿水路搬運至溝谷底部,然后再輸送到下游河道。據觀察,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,是對重力侵蝕產生的松散錐體物的搬運。由于砒砂巖地區降水年際分布不均,有時需要數年中的幾場大雨才能將坡腳堆積物搬運干凈。

風力侵蝕在 3種侵蝕中所占比重最小,主要表現為有大風天氣時對砒砂巖松散碎屑層的吹蝕。

砒砂巖區的泥沙輸移比約為 1,即產沙在一定時段內均轉變為輸沙,溝谷的泥沙通過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黃河泥沙淤積的影響

粗泥沙是黃河泥沙的癥結所在。解決黃河泥沙淤積問題的關鍵,就在于準確地劃定粗泥沙來源范圍,并據此進行堅持不懈的綜合治理。

1979年,清華大學教授錢寧首次提出了在黃土高原 43萬km2的水土流失區,有 80%的粗泥沙來自 10萬km2的區域,其中 5萬km2區域的產沙量就占到粗泥沙來量的 50%。據此,許多學者提出了多沙區面積大到 21萬 km2,小到 5.1萬km2,粗沙區的面積也在 3.8萬 ～21萬 km2之間。

1996年,黃河水利委員會組織有關單位聯合開展了“黃河中游多沙粗沙區區域界定及產沙輸沙規律研究”,確定黃河粗泥沙的顆粒直徑界限為0.05mm,粗泥沙輸沙模數大于 1 300 t/(km2?a),用輸沙模數指標法界定出黃河中游多沙粗沙來源區面積為 7.86萬 km2的研究成果。

2004年,黃河水利委員會又組織開展了黃河中游粗泥沙集中來源區的界定工作,并最終確定粗泥沙界限為 0.1mm時的粗泥沙集中來源區面積為1.88萬km2,與之相對應的粗泥沙輸沙模數為 1 400 t/(km2?a)。粗泥沙集中來源區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—佳蘆河區間,第二片在無定河的蘆河、大理河和延河、清澗河上游一帶,第三片在無定河下游(據黃河上中游管理局《對黃河淤積影響最大的粗泥沙集中來源區治理項目建議書》,2005年)。

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

砒砂巖區產沙對黃河下游淤積有著舉足輕重的影響,也就是說,本區多產沙年即是下游的強淤積年,反之這個地區的少產沙年則是下游微淤年或微沖年。所以,這一地區產沙環境的變化,對于黃河下游河道沖淤環境變化具有重要影響。

3 沙棘作為先鋒樹種在砒砂巖溝谷的種植示范

在自然狀態下,砒砂巖溝谷由于碎屑層的存在及瀉溜現象的發生,當地草灌品種很難自然生長,在溝坡人工整地試栽油松等也很難保存,整個地貌呈現出全部裸巖的景觀。在這一地區能否人工栽種植物引起了人們的極大關注。

20 世紀 80年代中期,在準格爾旗五分地溝試種沙棘獲得成功,成活率連續幾年穩定在68%以上,之后在東勝區、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建設的重要樹種。1998年以來,水利部沙棘開發管理中心承擔了水利部“晉陜蒙砒砂巖區沙棘生態建設工程(水規計[1998]111號)”項目,開始在砒砂巖溝谷地段種植沙棘。這一為期 10年(1999—2008年)的建設項目,由于在種植工具、苗木、管理等方面進行了革新,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 1 642.86 km2(表 1)。

表 1 砒砂巖溝谷地段沙棘種植保存面積km2

以往裸露砒砂巖區造林不易成功的原因之一,就是栽植深度問題,栽植淺了苗木容易隨碎屑層向坡下滑落。試驗表明,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硬巖層中,其效果非常理想。但是,由于栽種季節的砒砂巖十分堅硬,用一般的鐵鍬和镢頭很難挖開,因此項目區技術人員對沙棘種植工具進行了研究,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用工具,其中一段為長 35～40 cm的用螺紋鋼制作并將頂端打成尖頭的尖鍬頭,用于在種植坑內挖出根系穴及在陡坡上對人起支撐作用;螺紋鋼尖鍬頭與長 70～80 cm的三寸鋼管焊接在一起,三寸鋼管一側距頂端 5 cm處焊接一寬 5 cm、長 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干后可迅速從地下萌孽出新枝。利用“沙棘鍬”這種專用工具,種植工效較常規工具提高了 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,項目區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,還得益于項目區通過建廠收購沙棘果葉,調動了當地農民種植和保護沙棘的積極性,林地放牧基本杜絕,人為破壞很少發生,從而保證了砒砂巖溝谷沙棘林能夠充分發揮出其生態與經濟功能。

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,削減產生地表碎屑層的基本條件,因此可有效攔截瀉溜,減少重力侵蝕發生。砒砂巖區目前尚未設立瀉溜觀測,本研究選取與裸露砒砂巖特性相似的黃土高塬溝壑區裸露紅土瀉溜觀測結果來予以說明[7]。據觀測,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為 8.9%,僅為裸露瀉溜紅土表土層土壤水分變異系數 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生的作用。同時,沙棘林地表土壤溫度的變異系數為 5.03%,而與之相對照的裸露紅土地表土壤溫度的變異系數為 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程,極大地減輕了冷熱變化對瀉溜侵蝕的影響,有利于土壤中各種動物和微生物活動的進行,因此促進了土壤理化性狀的逐步改善。

砒砂巖區不同年限沙棘林地實測結果表明,種植沙棘后,由于根系的固結、枯落物的混入,原先的碎屑巖石層已逐步變為厚 5～10 cm、結構為粒狀的表土層,更好地滲吸了降水,有效地促進了沙棘生長及成林。

為了估算沙棘林攔截的土壤(巖石)量或減少的土壤侵蝕模數(重力),本研究提出如下計算式

式中:S為種植沙棘后減少的土壤侵蝕模數,t/(km2?a);104為換算系數;H為沙棘栽種范圍內年平均攔沙厚度,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。

根據多年來對砒砂巖區的觀測,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,觀測結果見表 2;I根據經驗確定: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)。

表2 砒砂巖溝谷地段沙棘人工林的覆蓋度

根據表 2數據和相應的沙棘林面積,在計算年(2010年)項目區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(重力)隨著林齡的增大而不斷增加。在計算年(2010年)項目區沙棘人工林平均減少的土壤侵蝕模數(重力)為 4 833 t/(km2?a),年累計可減少的土壤重力侵蝕量達 741萬t。當這些沙棘全部郁閉后,其減少的土壤侵蝕模數最大值為 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 t。

本研究對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生,并對已有碎屑層通過根系和枯落物等進行了很好的攔護,因此能很好地發揮防止砒砂巖重力侵蝕及減少土壤重力侵蝕量的作用進行了研究。重力侵蝕為水力侵蝕提供了重要侵蝕物質,水力侵蝕如何將重力侵蝕產生的泥沙輸送到流域外以及其相關計算,以后將另撰文介紹。

[1]金爭平.砒砂巖區水土保持與農牧業發展研究[M].鄭州:黃河水利出版社,2003.

[2]許慧,王家驥.景觀生態學的理論與應用[M].北京:中國環境科學出版社,1993.

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

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

[5]金爭平,史培軍,侯福昌,等.黃河皇甫川流域土壤侵蝕系統模型和治理模式[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探討[J].國際沙棘研究與開發,2008,6(3):17-20.

[7]胡建忠,王愿昌,張鑒.沙棘對瀉溜紅土的改良及其生長規律[J].水土保持通報,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

[項目來源]晉陜蒙砒砂巖區沙棘生態建設工程項目(水規計[1998]111號)

胡建忠(1962—),男,甘肅天水市人,教授,農學博士,理學博士后,主要研究方向為生態建設工程。

2010-11-15

(責任編輯 趙文禮)