砒砂巖區(qū)侵蝕治理技術(shù)研究進(jìn)展

姚文藝,肖培青,王愿昌,申震洲

(1.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003； 2.水利部黃土高原水土流失過程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450003; 3.水利部水土保持植物開發(fā)管理中心,北京 100038)

鄂爾多斯高原砒砂巖區(qū)是我國(guó)典型的生態(tài)脆弱區(qū)之一,也是黃河流域乃至世界上侵蝕最為劇烈、最難治理的地區(qū)[1-2]。砒砂巖是由古生代二疊紀(jì)、中生代三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)所形成的由砂巖、砂頁(yè)巖、泥質(zhì)砂巖構(gòu)成的巖石互層,屬于大陸相碎屑沉積巖類[3],具有無水堅(jiān)如磐石、遇水爛如稀泥的特性。該區(qū)屬于生態(tài)環(huán)境多要素過渡帶,環(huán)境異質(zhì)性極為突出,水蝕、風(fēng)蝕、凍融等多類型侵蝕復(fù)合,區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)3萬～4 萬t/(a·km2),也是黃河粗泥沙來源的核心區(qū)[1,4]。因此,砒砂巖區(qū)土壤侵蝕治理是構(gòu)建我國(guó)生態(tài)屏障和保障黃河長(zhǎng)治久安重大戰(zhàn)略目標(biāo)的迫切需求。長(zhǎng)期以來,砒砂巖區(qū)被列入國(guó)家生態(tài)環(huán)境建設(shè)和水土流失治理重點(diǎn)區(qū)[5],砒砂巖區(qū)土壤侵蝕治理技術(shù)研發(fā)也成為水土保持、生態(tài)等領(lǐng)域關(guān)注的中心課題。

在1985年水利部原部長(zhǎng)錢正英提出的“以開發(fā)沙棘資源作為加速黃土高原治理的一個(gè)突破口”科學(xué)建議下,通過黃土高原水土保持世行貸款第一、二期項(xiàng)目[6]及晉陜蒙砒砂巖區(qū)沙棘生態(tài)工程等投資項(xiàng)目[1,7],開展了砒砂巖治理的篇章[2],探索了砒砂巖區(qū)種植沙棘的技術(shù)與措施,取得了改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、減少入黃泥沙的效益[8]。在利用沙棘治理砒砂巖的實(shí)踐基礎(chǔ)上,畢慈芬等于1992年提出了植物“柔性壩”治理砒砂巖溝道侵蝕的技術(shù),并開展相關(guān)的試驗(yàn)研究[2,9]。但遺憾的是,之后對(duì)砒砂巖區(qū)沙棘等生物措施的研究相對(duì)來說卻并不多。近年來在國(guó)家科技計(jì)劃及有關(guān)省部級(jí)等科技計(jì)劃的資助下[10-13],在砒砂巖區(qū)水土保持綜合治理途徑、抗蝕促生及砒砂巖改性與資源利用等方面相繼開展了不少探索,可以說這些研究在理論、技術(shù)及實(shí)踐上均較以往有所突破。由于砒砂巖是我國(guó)鄂爾多斯高原特殊的巖類,目前,并沒有見到國(guó)外開展砒砂巖侵蝕治理技術(shù)的相關(guān)研究,僅有關(guān)于單一的砂巖或單一的泥質(zhì)砂巖侵蝕治理方面的研究成果見諸報(bào)道[14-16]。

砒砂巖區(qū)侵蝕類型多且其過程復(fù)雜,侵蝕-地貌-植被耦合時(shí)空分異性突出[1,17-18],對(duì)其治理的難度非常大,必須考慮多類措施優(yōu)化配置、多項(xiàng)功能互補(bǔ),突破以往的常規(guī)治理思路與技術(shù),建立基于砒砂巖區(qū)生態(tài)承載力的侵蝕阻控與植被恢復(fù)綜合治理技術(shù)與模式。為此,本文對(duì)以往關(guān)于砒砂巖侵蝕治理技術(shù)的主要研究成果進(jìn)行綜述,并討論存在的問題,提出需要進(jìn)一步研究的科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù),展望砒砂巖區(qū)侵蝕治理技術(shù)研究的未來主要發(fā)展方向,為砒砂巖區(qū)侵蝕治理技術(shù)研發(fā)與實(shí)踐提供參考。

1 砒砂巖侵蝕主要特征

認(rèn)識(shí)砒砂巖侵蝕特征是研發(fā)有效治理技術(shù)的基礎(chǔ)。我國(guó)砒砂巖區(qū)總面積1.67 萬km2,集中分布在內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市的東勝區(qū)、準(zhǔn)格爾旗、伊金霍洛旗、達(dá)拉特旗、杭錦旗,在陜西省的神木、府谷兩縣,山西省的河曲、保德兩縣,內(nèi)蒙古的清水河縣有零星分布;分布范圍東至黃河,西達(dá)杭錦旗境內(nèi)的毛布拉孔兌(孔兌為蒙語,指洪水溝),從西北向東南沿毛烏素沙地東北緣分布,南抵陜西省神木縣城,北到庫(kù)布齊沙漠南緣。根據(jù)砒砂巖地表覆蓋物及其覆蓋程度不同,將砒砂巖區(qū)分為覆土、覆沙和裸露三大類型區(qū),其中覆土區(qū)面積0.84萬km2,覆沙區(qū)面積0.37 萬km2,裸露區(qū)面積0.46 萬km2,分別占總面積的50.2%、22.2%、27.6%。覆土區(qū)溝壑密度在3～6 km/km2之間,植被覆蓋度為20%左右,侵蝕模數(shù)約為1.5 萬t/(km2·a),屬劇烈侵蝕區(qū),土壤侵蝕以水蝕為主,水蝕、風(fēng)蝕和重力侵蝕交替發(fā)生;覆沙區(qū)溝壑密度為1～3 km/km2,地表沙化嚴(yán)重,侵蝕模數(shù)約為0.8 萬t/(km2·a),以風(fēng)蝕為主,呈現(xiàn)出風(fēng)、水復(fù)合侵蝕的景觀;裸露區(qū)地貌多呈崗狀丘陵,溝壑密度為5～7 km/km2,基巖大面積裸露,植被稀少,覆蓋度極低,侵蝕模數(shù)在2.1 萬t/(km2·a)左右,以水蝕為主,復(fù)合侵蝕嚴(yán)重[1]。

砒砂巖易于侵蝕除與該區(qū)域的氣候、地貌及植被等因素有關(guān)外,與其自身的巖性有很大關(guān)系。砒砂巖的造巖礦物有石英、長(zhǎng)石、方解石和蒙脫石等,其中性質(zhì)穩(wěn)定的石英較一般巖石的含量為低,而遇水易于膨脹的蒙脫石含量卻較一般巖石高達(dá)數(shù)十倍,同時(shí)易發(fā)生風(fēng)化的長(zhǎng)石含量也較高,進(jìn)而使得砒砂巖極易發(fā)生水蝕和風(fēng)化剝蝕[19-20]。從砒砂巖的化學(xué)成分來說,其含有Na2O、K2O、CaO等多種不穩(wěn)定的化學(xué)成分,這些不穩(wěn)定組分遇水極易發(fā)生化學(xué)反應(yīng),破壞砒砂巖的既有結(jié)構(gòu),削弱其抗蝕能力[21-22]。不同顏色的砒砂巖所含礦物、化學(xué)成分有一定的差別,其抗侵蝕性能不同[22-23]。砒砂巖區(qū)水平裂隙較少,垂直裂隙較多,導(dǎo)致砒砂巖的抗侵蝕性能弱,發(fā)生重力侵蝕。砒砂巖礦物顆粒間的膠結(jié)物以黏土礦物和方解石為主,連接方式主要是顆粒支撐、孔隙式膠結(jié),個(gè)別情況會(huì)出現(xiàn)接觸式膠結(jié),顆粒間不密實(shí),排列紊亂,無定向性,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差,抗蝕性弱[24]。

2 砒砂巖區(qū)治理措施

經(jīng)過多年的探索,砒砂巖區(qū)的治理措施主要有傳統(tǒng)的生物措施和工程措施,也有其作用兼具生物、工程措施功能的植物“柔性壩”,還有近年基于砒砂巖侵蝕巖性機(jī)理所研發(fā)的抗蝕促生措施及砒砂巖改性淤地壩措施等。

2.1 生物措施

生物措施包括喬灌草等種類。在裸露的砒砂巖上,自然情況下寸草不生[25],成為難以治理的“環(huán)境癌癥”、“地球生態(tài)癌癥”。經(jīng)過多年實(shí)踐,先后選擇了楊樹、油松、檸條、楊柴、紫花苜蓿、沙打旺等多種植物作為治理砒砂巖區(qū)的生物措施,但通過檢驗(yàn)證明,沙棘更為適合作為砒砂巖區(qū)治理的“先鋒”生物措施[25-26]。

2.1.1沙棘林

沙棘屬植物區(qū)系為舊大陸溫帶分布區(qū)類型[27],其根系發(fā)達(dá),抗干旱風(fēng)沙,耐鹽堿貧瘠,御嚴(yán)寒酷暑,在砒砂巖區(qū)生長(zhǎng)良好[28]。沙棘在砒砂巖區(qū)的萌蘗能力較強(qiáng),根據(jù)胡建忠等[29]研究,2～8 a 沙棘人工林的萌蘗能力為0.2萬～8.0萬株/hm2,沙棘萌蘗能力和頻度隨林齡而變化,在2～4 a的前期逐漸增加,到5～6 a達(dá)到最高,之后又逐步下降。在分蘗中,雌雄發(fā)育是不同的,通過對(duì)砒砂巖區(qū)0°～48°的溝底、溝坡、梁峁頂共計(jì)36塊沙棘人工林標(biāo)準(zhǔn)地的調(diào)查[30],沙棘人工林雌雄比例平均為1∶2.6,雄株比雌株多1.6倍,雌雄比例呈現(xiàn)出低林齡時(shí)雄株比例很高,而5～8 a時(shí)雌雄比例變化漸趨平緩。同時(shí),萌蘗與植株有一定關(guān)系[25],2～8 a沙棘植株的平均高、地徑分別與萌蘗株高、冠幅呈正相關(guān)關(guān)系,40%～70%的中等蓋度萌蘗能力最高。沙棘對(duì)減輕地表侵蝕的作用與其較發(fā)達(dá)的根系有關(guān),尤其是水平根系在砒砂巖區(qū)可達(dá)137 cm[31],垂直分布的深度約40～50 cm[32-33]。溝底的沙棘根系明顯發(fā)達(dá)于坡頂或坡面[34],這也是提出沙棘“柔性壩”的依據(jù)之一。

沙棘的效益是多方面的,包括減水減沙、改良土壤、增加土壤含水量等。由于研究的區(qū)域、沙棘生境及性狀等方面的差異,不同研究者對(duì)同類效益指標(biāo)的觀測(cè)是有一定差異的(表1)。

表1 沙棘生態(tài)效益觀測(cè)結(jié)果

2.1.2油松人工林

油松是砒砂巖區(qū)鄉(xiāng)土樹種,在砒砂巖侵蝕物質(zhì)沉積區(qū)及覆土、覆沙砒砂巖坡頂均有分布。根據(jù)調(diào)查[44],油松尤其適宜在裸露砒砂巖區(qū)侵蝕物沉積帶生長(zhǎng),在覆土區(qū)次之,覆沙區(qū)再次之。油松抗干旱、耐貧瘠,為淺根系樹種,在砒砂巖30°以下坡面上良好生長(zhǎng),水土保持效果較好。一般選擇1～2 a生的油松幼苗進(jìn)行栽種。油松主要是通過調(diào)節(jié)自身特性、生物量分配模式以及水分利用效率來提高應(yīng)對(duì)干旱的能力[45]。根據(jù)王百田等[46]研究,適宜油松生長(zhǎng)的土壤水分為10%～18%。在土壤水分含量為14.2%時(shí),達(dá)到最大光合速率5.7 μmol/m2。油松莖流速率在白天變化大,在夜晚變幅小[11]。金爭(zhēng)平等[47]的研究表明,油松在砒砂巖坡地的生長(zhǎng)量>沙土坡地生長(zhǎng)量>黃土坡地生長(zhǎng)量。根據(jù)五分地小流域的調(diào)查,油松疏林+群團(tuán)狀沙棘檸條+紫花苜蓿地段物種多樣性和群落類型最多,生物生產(chǎn)力最高,而油松純林和楊樹純林效果較差[48]。油松×沙棘混交林是一種比較好的林型。根據(jù)調(diào)查[1],配合坡地魚鱗坑等工程措施的油松×沙棘混交林具有明顯的生態(tài)效益和景觀效益,水土保持作用顯著。

油松純林的缺點(diǎn)是成材緩慢,成椽需要20 a[1];郁密度較高時(shí),草被在遮陰條件下的長(zhǎng)勢(shì)弱,在莖流速率較大時(shí),因植被缺少,易形成地表徑流沖刷。

2.1.3檸條林

檸條是砒砂巖區(qū)分布范圍最廣、資源面積最大的豆科灌木樹種[1]。檸條抗干旱、耐貧瘠、易成活、壽命長(zhǎng),抗病蟲害能強(qiáng),也是一種優(yōu)良的飼草灌木[49]。檸條更適宜在梁峁頂生長(zhǎng),且適宜生長(zhǎng)在疏松的沙地土壤上。檸條能促進(jìn)當(dāng)?shù)夭荼局脖坏幕謴?fù),檸條群落的伴生物種單一,不如沙棘林多,主要是百里香、綿蓬、針矛等野生草本植物。檸條×沙棘-牧草混交林是檸條措施的模式之一。對(duì)于檸條,一般來說3 a需要進(jìn)行平茬,否則生長(zhǎng)受限,極大影響其水土保持效果,但目前對(duì)檸條平茬復(fù)壯方面的研究很少。

2.1.4沙柳×羊柴混交林

沙柳×羊柴混交林是適于砒砂巖覆沙區(qū)的有效灌木生物措施之一[1]。沙柳耐水濕、耐干旱。沙柳具有很強(qiáng)的抗逆性,根系發(fā)達(dá),具有較高的生物產(chǎn)量。沙柳的分蘗性強(qiáng),植株高大,地上生物量較大。目前對(duì)砒砂巖區(qū)沙柳措施的研究成果相對(duì)較少,對(duì)其混交模式的試驗(yàn)與實(shí)踐也很不夠。

2.1.5其他生物措施

砒砂巖區(qū)的喬木除了當(dāng)?shù)刈陨男∪~楊之外,也有引進(jìn)的河北楊、白楊、鉆天楊等耐旱且對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的楊柳科喬木。河北楊、白楊等與刺槐、沙棘、紫穗槐等形成混交林,則土壤的肥力以及微生物含量會(huì)得到明顯改善,能促進(jìn)林地植被的恢復(fù)和生長(zhǎng),維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[50];側(cè)柏也是砒砂巖干旱區(qū)一種比較常見的人工林樹種,其對(duì)土壤有改善作用[51-53];榆樹屬于砒砂巖區(qū)唯一可自生的喬木樹種,與當(dāng)?shù)夭荼局参镄纬奢^好的共生性,但在干旱地區(qū)往往形成“小老頭林”現(xiàn)象;山杏屬于砒砂巖區(qū)一種主要的經(jīng)濟(jì)林,但是散種面積小,經(jīng)濟(jì)效益低,因此如何在砒砂巖區(qū)實(shí)現(xiàn)生態(tài)恢復(fù)的同時(shí),高效開發(fā)山杏、山桃等經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)業(yè)是值得研究的。在砒砂巖區(qū)也進(jìn)行過大面積的旱柳、樟子松、杜松、臭椿等栽種,但是研究相對(duì)較少[44]。在砒砂巖區(qū)具有推廣價(jià)值的飼草植物有羊草、冰草、紫花苜蓿、沙打旺等;灌木樹種有花棒、烏柳、檉柳、蒙古蕕、駝絨藜等[1,44]。

2.2 工程措施

砒砂巖區(qū)的工程措施主要包括坡面工程措施(水平溝、魚鱗坑、溝邊埂、截水溝等)、溝頭防護(hù)工程、溝道工程(淤地壩、塘壩、谷坊、小型攔蓄工程等),未見對(duì)新類型工程措施的報(bào)道。

砒砂巖區(qū)的坡面坡度大多在35°以上,極不穩(wěn)定,因此不宜建設(shè)坡面工程措施,大多只能建于覆土區(qū)的坡頂。由于砒砂巖原巖顆粒粗,孔隙率大,遇水極易崩解,抗水流沖刷能力弱,因此,建設(shè)溝道治理工程措施又往往缺乏建筑材料,大大制約了該地區(qū)淤地壩等工程措施的實(shí)施。1997年綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站曾開展了砒砂巖區(qū)筑壩材料可行性分析、砒砂巖筑壩施工方法試驗(yàn)研究等工作[52-53]。通過試驗(yàn)表明,砒砂巖區(qū)的黃土、溝床沙、紅色砒砂巖風(fēng)化物等可用于筑壩材料,而白色砒砂巖風(fēng)化物不能直接用于修建淤地壩;最優(yōu)輔料厚度為40 cm,施工碾壓不低于3遍。為解決砒砂巖區(qū)建設(shè)淤地壩的材料匱乏問題,對(duì)砒砂巖進(jìn)行改性,使之改變遇水潰散的性質(zhì),能夠滿足建設(shè)淤地壩的需要,顯然是一條值得探索的新途徑。

在“十二五”期間,通過國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助,黃河水利科學(xué)研究院聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家高校及科研單位,對(duì)這一技術(shù)開展了聯(lián)合攻關(guān)[17]。研究表明,砒砂巖破壞具有二元結(jié)構(gòu)特征,即膨脹元和膠結(jié)元,并據(jù)其結(jié)構(gòu)破壞過程,建立了二元結(jié)構(gòu)空心球幾何模型及其力學(xué)關(guān)系[17]。據(jù)此,提出了減小膨脹元膨脹力、增加膠結(jié)元彈性模量的改性原理。基于此原理,可通過添加Na2SiO3等堿性激發(fā)劑和凝聚物質(zhì)的膠凝增強(qiáng)技術(shù)途徑,達(dá)到抑制蒙脫石膨脹力、提高膠結(jié)能力的目的[54]。目前已研發(fā)出砒砂巖改性材料,并建成了改性材料淤地壩,該壩壩高10 m,庫(kù)容3.3萬m3,經(jīng)檢測(cè)其各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)均滿足水利部的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求[55]。

2.3 植物柔性壩

之所以把植物“柔性壩”單獨(dú)作為一種治理措施,主要是因?yàn)檫@種措施不僅具有植物措施減少地表沖刷侵蝕的作用,同時(shí)又有淤地?cái)r沙的作用。所謂植物“柔性壩”是指在溝道內(nèi)沿垂直水流方向種植若干行諸如沙棘等根系發(fā)達(dá)、自行更新能力強(qiáng)的植物,作為壩體框架,利用洪水?dāng)y帶大量泥沙和植物干枝阻水進(jìn)行群體滯洪沉沙,進(jìn)而形成具有攔沙、溢流或泄流功能的新的治理溝道的綜合措施[56-58]。

自20世紀(jì)90年代初,開展了植物“柔性壩”攔沙機(jī)理分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)技術(shù)研發(fā)等工作[9,57-59]。試驗(yàn)表明,沙棘植物柔性壩壩系能改變溝道的輸水輸沙特性,削峰降低剪切力;具有抬高侵蝕基準(zhǔn)面、攔沙泄流、恢復(fù)生態(tài)多功能[60];植物柔性壩還可以明顯增加土壤含水量,如沙棘柔性壩溝道的土壤含水量約是對(duì)比溝的2倍[61]。如果將植物柔性壩與剛性谷坊配置,能把暴雨洪水挾帶的泥沙進(jìn)行分選,粗泥沙被攔在柔性壩內(nèi),細(xì)泥沙淤積在剛性谷坊中[62]。

植物柔性壩主要布設(shè)在溝頭段,總壩長(zhǎng)以在溝頭種植1/5溝長(zhǎng)為宜。隨著植物生長(zhǎng),柔性壩規(guī)模處于不斷變化中,根據(jù)試驗(yàn)[63],壩高變化服從Logistic型生長(zhǎng)函數(shù)關(guān)系。目前,關(guān)于植物柔性壩的試驗(yàn)范圍仍然有限,需要在覆土、覆沙、裸露砒砂巖區(qū)分別開展試驗(yàn)研究,探索不同的布設(shè)技術(shù)與模式。

2.4 抗蝕促生措施

所謂抗蝕促生系指一種既可以固結(jié)砒砂巖表層又可以抵抗水蝕風(fēng)蝕,而且還能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)的生態(tài)修復(fù)新技術(shù)[17]。抗蝕促生是治理砒砂巖坡面水土流失、快速恢復(fù)植被的一項(xiàng)綜合性措施。

針對(duì)砒砂巖遇水成泥、極易崩解、土壤貧瘠的特點(diǎn),近年一種具有抗蝕促生功能的環(huán)保型高新復(fù)合材料得以問世[17],該材料能夠包裹砒砂巖單體分散顆粒形成綜合性能優(yōu)異的彈性復(fù)合體[64-66]。根據(jù)2014—2016年示范監(jiān)測(cè),抗蝕促生材料具有很好的防治土壤侵蝕、恢復(fù)植被的功能,使不長(zhǎng)草不長(zhǎng)樹的砒砂巖坡面長(zhǎng)出了草,示范區(qū)植被覆蓋度達(dá)到90%以上,徑流量減少70%～95%,產(chǎn)沙量減少90%以上(表2)。

3 綜合治理模式與途徑

通過多年的治理實(shí)踐與探索中,先后提出了治理砒砂巖的一些單項(xiàng)的或綜合的治理模式。例如,畢慈芬等[67]提出的綜合治理模式以植物“柔性壩”攔沙工程為主體, 以溝道淤地壩、“人工濕地”“人工灘地”為溝底基本農(nóng)田的主要組成部分, 以骨干壩為依托, 以微型水庫(kù)為保證, 形成支毛溝攔截粗沙,“人工灘地”、溝道壩地?cái)r截細(xì)沙,壩與壩之間形成“人工濕地”、溝道壩地,增加天然徑流入滲量,微型水庫(kù)攔蓄全部剩余徑流,達(dá)到粗細(xì)沙、水沙分治,使水沙平衡、生態(tài)平衡,達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的;馬超德等[68]提出了“蓋頂、束腰、鎖邊、護(hù)坡、固溝”的沙棘治理砒砂巖的模式;王愿昌等[1]總結(jié)的砒砂巖區(qū)綜合治理模式構(gòu)建三道防線,即梁峁坡防護(hù)體系、溝沿和溝坡防護(hù)體系、溝道防護(hù)體系;姚文藝等[69]提出的抗蝕促生二元立體配置模式根據(jù)砒砂巖區(qū)地貌結(jié)構(gòu)及復(fù)合侵蝕類型多、侵蝕-地貌-植被耦合且空間分異性突出[70]的侵蝕環(huán)境及其侵蝕規(guī)律,構(gòu)成抗蝕促生措施-砒砂巖改性工程措施-生物措施有機(jī)組合的措施單元、坡面-溝道系統(tǒng)侵蝕地貌單元相適配的綜合治理技術(shù)體系,形成坡頂、坡面、溝道自上而下全覆蓋,生物、工程、抗蝕促生多措施并舉的綜合治理模式。

表2 抗蝕促生試驗(yàn)區(qū)減水減沙效果

注:此表由準(zhǔn)格爾旗水土保持局水土保持工作站提供。

治理模式是綜合治理措施或技術(shù)的配置方式,對(duì)于同類型區(qū)而言,應(yīng)具有普適性、一般性與特殊性相銜接、可復(fù)制與可推廣的特點(diǎn),因此,無論何種模式,均需通過實(shí)踐不斷加以改進(jìn)和完善。

4 前景與展望

總體來看,盡管幾十年來針對(duì)砒砂巖侵蝕治理技術(shù)開展了多項(xiàng)研究與實(shí)踐,取得了一定的進(jìn)展,但傳統(tǒng)治理局部化、零散化、間斷化的問題突出,缺乏全區(qū)域尺度復(fù)合侵蝕阻控、退化生態(tài)治理為一體的系統(tǒng)綜合解決方案與技術(shù)體系,在復(fù)合性侵蝕與多類措施有機(jī)匹配、阻控侵蝕與生態(tài)恢復(fù)多功能協(xié)調(diào)、生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益統(tǒng)籌等方面仍有許多亟待突破的科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)。隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)重大戰(zhàn)略的推進(jìn),砒砂巖區(qū)治理必將受到更多更廣泛的關(guān)注。近期,國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專門列設(shè)“鄂爾多斯高原砒砂巖區(qū)生態(tài)綜合治理技術(shù)”項(xiàng)目,以期在砒砂巖區(qū)生態(tài)綜合治理的理論、技術(shù)與實(shí)踐上取得創(chuàng)新,為砒砂巖區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建和黃河粗泥沙治理提供技術(shù)支撐。實(shí)現(xiàn)侵蝕阻控與植被恢復(fù)一體化的生態(tài)綜合治理將成為砒砂巖區(qū)土壤侵蝕治理技術(shù)研究的未來主要發(fā)展方向。為此,以下基礎(chǔ)問題及治理技術(shù)是迫切需要研究解決的。

a. 砒砂巖區(qū)治理的生態(tài)承載力約束條件。砒砂巖區(qū)水資源匱乏,土壤貧瘠[20],立地條件極差,因此,砒砂巖區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)的有效恢復(fù)重建受到其生態(tài)承載力的嚴(yán)格約束,砒砂巖區(qū)治理技術(shù)、模式的研發(fā)與選取也均應(yīng)以生態(tài)承載力為前提。為此,需要在植被空間格局、退化成因以及植被與復(fù)合侵蝕耦合研究的基礎(chǔ)上,通過構(gòu)建砒砂巖區(qū)生態(tài)承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,定量評(píng)估砒砂巖覆土覆沙裸露不同類型區(qū)的生態(tài)承載力,研究砒砂巖區(qū)生態(tài)承載力維持與提升機(jī)制,進(jìn)而為研發(fā)砒砂巖區(qū)治理技術(shù)提供基礎(chǔ)支撐。

b. 復(fù)合土壤侵蝕綜合治理技術(shù)。砒砂巖區(qū)復(fù)合侵蝕特征十分突出,多種動(dòng)力侵蝕交替/耦合發(fā)生[71],因而,對(duì)砒砂巖區(qū)侵蝕治理應(yīng)考慮不同類型侵蝕的發(fā)生機(jī)理、復(fù)合侵蝕規(guī)律及其空間分異性,需要從流域尺度的視角,以系統(tǒng)的觀點(diǎn)綜合研發(fā)不同地貌單元的治理技術(shù)[72],在明晰不同類型區(qū)水力、風(fēng)力、凍融、重力等多動(dòng)力復(fù)合類型及時(shí)空分異性,闡明坡頂-坡面-溝道地貌系統(tǒng)產(chǎn)匯流及泥沙產(chǎn)輸規(guī)律基礎(chǔ)上[73],研發(fā)土壤侵蝕與生態(tài)綜合治理技術(shù),開辟砒砂巖侵蝕治理的固結(jié)植生等新技術(shù)新途徑,構(gòu)建基于生物-植生固結(jié)-工程措施體系的綜合治理模式,實(shí)現(xiàn)砒砂巖全區(qū)域-侵蝕全類型-生態(tài)全要素的綜合治理,解決生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)退化的侵蝕環(huán)境問題。

c. 不同類型退化植被恢復(fù)重建技術(shù)。不同的植被種類及其配置模式對(duì)砒砂巖區(qū)環(huán)境的適應(yīng)性及對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響均不相同,如何選擇適生植物是砒砂巖侵蝕治理、植被恢復(fù)的重點(diǎn)課題之一。為此,需要研究抗逆性植物材料篩選與適應(yīng)性,解決不同立地條件抗逆性植物的篩選培育技術(shù),以及地表生物質(zhì)培育技術(shù),進(jìn)而突破植被恢復(fù)重建與生物質(zhì)提質(zhì)增效關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,形成不同類型區(qū)適生植物的優(yōu)選及其定向培育關(guān)鍵技術(shù)體系,研發(fā)覆沙、覆土、裸露砒砂巖區(qū)退化植被恢復(fù)與重建技術(shù),實(shí)現(xiàn)不同類型區(qū)植被定向恢復(fù)與重建及功能提升,有效防治土壤侵蝕發(fā)生。

d. 資源開發(fā)的生態(tài)安全保障技術(shù)。砒砂巖區(qū)富含煤炭等資源,資源開發(fā)等人類活動(dòng)強(qiáng)烈,加劇了該區(qū)的土壤侵蝕程度。因此,研發(fā)資源開發(fā)等人類活動(dòng)侵蝕與生態(tài)破壞的治理、防控技術(shù),實(shí)現(xiàn)資源開發(fā)與生態(tài)良性維持仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的課題。為此,需要分析資源開發(fā)與區(qū)域生態(tài)安全之間的相互關(guān)系,揭示其對(duì)區(qū)域生態(tài)安全的影響途徑與機(jī)制,重點(diǎn)研發(fā)實(shí)現(xiàn)工程創(chuàng)面防護(hù)和生態(tài)恢復(fù)雙重作用的技術(shù)[72],突破資源開發(fā)區(qū)域伴生物穩(wěn)定無害化原位利用、資源開發(fā)區(qū)域砒砂巖土壤化改質(zhì)-肥力提升、資源開發(fā)區(qū)域邊坡抗蝕-植生技術(shù)體系,建立多因素驅(qū)動(dòng)下的資源開發(fā)與生態(tài)安全的協(xié)同機(jī)制,形成資源開發(fā)-生態(tài)修復(fù)及安全保障的技術(shù)模式。

e. 砒砂巖資源利用及生態(tài)產(chǎn)業(yè)技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)砒砂巖區(qū)治理的可持續(xù)性,保障治理與經(jīng)濟(jì)協(xié)同高質(zhì)量發(fā)展,使砒砂巖區(qū)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民擺脫“生態(tài)致貧”的困境,把生態(tài)治理與生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有機(jī)結(jié)合是非常重要的。根據(jù)砒砂巖區(qū)的治理技術(shù)發(fā)展及資源開發(fā)狀況,建議研發(fā)集成砒砂巖質(zhì)地土壤改良、沙地整治、砒砂巖改性、生物質(zhì)資源利用等產(chǎn)業(yè)技術(shù),通過生態(tài)恢復(fù)與林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結(jié)合、工程治理與砒砂巖改性相結(jié)合,構(gòu)建生態(tài)恢復(fù)-產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)協(xié)同高質(zhì)量發(fā)展型模式,實(shí)現(xiàn)砒砂巖區(qū)“侵蝕治理-生態(tài)恢復(fù)-經(jīng)濟(jì)提升”的良性發(fā)展。