陜北地區植物固坡防控對策研究

張釗熔 石海蘭

（1陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西西安 710075；2陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西西安 710021；3自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西西安 710021；4陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西西安 710021）

陜北地處我國農牧過渡帶，區域氣候及生態環境多樣、復雜且脆弱。過渡性氣候引起了土壤向沙漠地貌轉變，從而使得區域植被具有荒漠、荒漠性草原向森林草原過渡的特征。同時，陜北工礦業活動頻繁也加劇了區域生態的不穩定，這使得陜北地區的生態和可持續發展受干旱、風沙、水土流失、工礦場地污染等自然或人為因素的強烈影響[1]。近年來，針對以上問題，在陜北地方政府的主導下，水利工程、人工植被建設以及其他生態修復防治等措施有效地緩解了地區干旱、風沙、水土流失等環境問題，對區域生態環境有一定的改善[2-4]。

陜北從南向北自黃土高原連接到毛烏素沙漠南緣，由于黃土溝壑發育易受雨水侵蝕，沙丘又在風的作用下極易遷移。因此，在小尺度上，如何保護黃土、沙地或耕地邊坡，減小雨水沖刷或風蝕造成的土壤組分、礦物和養分流失成為重要問題。本文通過對陜北榆林地區進行野外考察，結合對現有植被固坡理論相關研究的學習了解，旨在為陜北地區解決這一實際問題尋找已有的理論方法，為區域小尺度植被固坡提供一些建議。

1 植物固坡的理論研究

現今固坡理論以及工程技術手段有工程固坡、植物固坡以及這2種手段結合固坡。與傳統的土木工程不同，植物邊坡加固理論將植被及其對邊坡穩定性的影響與侵蝕過程聯系起來，形成“土壤植被系統”。該系統既具有生物和生態屬性，又有一定的工程實用價值[5]，既能達到固坡效果，減少后期維護，還有一定的經濟、社會效益。

現有研究認為，植物根系的發達程度對抵抗坡體淺層坡滑坡和表土受雨水侵蝕等起著巨大的作用。植物根系通過自身的抗拉強度、密度改變土體結構，從而加強土體的抗剪強度，發揮固坡效應[6]。目前，已有多種研究植物根系與土體間相互作用的理論模型，但普遍接受、適用較多的仍是Wu-Waldron模型[7-8]。該模型具有理論簡單、相關變量較少、方便快捷等優點，因而應用廣泛[9]。該模型表明，植物根系作用與土體產生的抗剪強度受植物根系的平均抗拉強度和根面積比2個因素的影響。試驗分析認為，土體抗剪強度的增量與根系的平均抗拉強度和根面積比成正比，因而該模型的2個重要自變量為植物根系的平均抗拉強度和根面積比。更進一步的理論研究發現，植物根系中直徑小于1 mm的須根才是影響植物土壤抗剪強度和抵抗侵蝕的關鍵因素，須根不但能通過增加土壤水性團聚體的數量與粒徑等來提高土壤的穩定性，從而抵抗水流分散，還能有效地增加土壤孔隙度，改善土壤滲透性，減少地表徑流，從而減輕水體對土壤的沖蝕作用。該研究還認為，土壤抗侵蝕性將隨著植物根系數量的增加而提高，但其定量函數關系還未明確[10]。

植被固坡的原理是植被根系具有加強土體間相互作用力和增加土質強度的機能作用。這一作用力的主要影響因素有坡面基巖（土體）自身的物理化學性質、坡面土層厚度和坡度、植物種類組成、植物生長年齡等[11]。已有研究表明，不同坡度下植被的固坡效果不同，當坡度為23°左右時，坡體穩定性最好，且具有最優承載性能；坡度在30°～40°之間時，植被固坡效果穩定[12]。也有研究指出，沙棘林固土的有效根密度在坡度≤20°和>20°時分別為 60個/100 cm2和118 個/100 cm2以上； 在坡度為 15°、20°和 30°時，根系固土的有效深度分別為40、30、20 cm土層[13]。

植物固坡能夠顯著改良當地土壤狀況，改善生態環境[14-17]。已有研究表明，荒漠草原檸條人工林固沙區，檸條林發育生長和灌木形態的改變不僅影響土壤營養條件，而且還可以調控由季節改變引起的土壤溫濕度變化，檸條林齡和季節更替二者交互作用，共同影響地表草本植被的季節變化特征[18]。沙棘等優勢樹種對陜北黃土退耕還林（草）區土壤有機碳具有明顯的碳匯作用[19]。

2 陜北固坡植物

陜北地區坡面主要為黃土或者沙土，植被組成則依據陜北地區特有植被類型。依據陜北地區的氣候環境條件（干旱、風沙等），可選擇的固坡灌木有檸條、沙棘、踏郎等，喬木主要是樟子松[20]。檸條對土壤肥力的改良效果顯著，是優秀的固沙植物[21]。沙棘、樟子松和踏郎的耐旱性、環境適應性強，也對土壤具有一定的改良作用。灌木固沙林能有效降低風速，減少泥沙輸移，改善沙地生態環境，在短時間內扭轉流動沙地的半固定沙和固定沙。在流動沙地上建設灌木固沙林具有投資少、效益快、經濟效益可觀的優點[22]。

影響植物生長的因素有坡向、坡位、地形、土壤水分和植物密度等，了解檸條等固坡植物種植生長因素，能提高植物長勢，加強植物固坡效果。已有研究表明，對檸條生長有顯著影響的因素有坡向、坡面地形、土壤水分及灌木密度。東坡檸條生長好于南坡，而坡位對檸條生長影響較小。淺層土壤水分充足則檸條生長良好，灌木密度和深層土壤水分對檸條生長具有一定的負面影響。檸條生長的空間分布格局受坡面地形、土壤水分及灌木密度的相互影響[23-24]。除陽坡外，其余坡向的緩坡（坡度15°～25°）和平緩坡（坡度5°～15°）適宜沙棘林生長，且影響當地人工沙棘林衰退死亡的主要因素是陜北地區年降水量不足500 mm[25]。

現今應用于我國干旱地區造林的優勢喬木樟子松因耐旱、生長速度快、綜合抗性強而在西北地區廣泛種植。影響樟子松造林成活的主要因素有種植時樟子松根系埋深程度、種植地形、種植時間和種植技術。樟子松種植時需要深植，地形應選背風的陽坡，種植最佳時節為春季，同時，對種植人員進行種植技術培訓[26-27]。踏郎下坡生長趨勢最好，上坡生長趨勢好于中坡。在流動沙丘上種植踏郎后，表層土壤營養狀況得到了極大的改善。已有研究表明，在生長過程中，踏郎不僅不會消耗沙土中非常有限的土壤養分，而且極大地改善了土壤的立地質量[28]。踏郎具有很強的發芽和繁殖能力，在沙丘移動過程中，流沙堆積是踏郎繁殖的有利條件[29]。

3 固坡建議

在陜北地區氣候條件下，應根據不同的固坡對象、不同巖土體地理、地質條件運用不同的固坡手段。對交通道路或者壩體，可以優先考慮工程技術并輔以植物坡面生態工程的技術手段；在小尺度上如耕地邊坡、黃土溝壑邊坡、沙質土壤邊坡等亟須合適的技術手段來減少沖蝕帶來的土壤結構改變和養分缺失。以政府或當地居民為主導的植被固坡，其經濟壓力均較小，對土壤結構和養分也有一定的改良作用。因此，對這些小尺度區域可以優先考慮植物固坡。為了獲得更好的固坡效果，需要考慮土體物理化學性質和坡地對植物的生長影響，可以先對坡地施工，減緩坡度，再考慮坡向和土壤含水量等因素選擇合適的植物。

通過分析根系對坡面穩定性影響的幾種因素和陜北特有植物生長特性，可以采取工程技術手段用以輔助植被固坡。針對土體本身的物理化學性質，通過添加改良劑等方法，改變土壤原有的物理化學性質和結構，使其減少侵蝕或適宜固坡植物生長。植被固坡可以結合地形條件選擇合適的工程措施，例如通過工程技術緩減坡面角度，將陡坡改造為較為平緩的坡地，加強坡體穩定性；結合坡向、坡位和植物生長，選擇合適的植物，陽坡種檸條、陰坡種沙棘等，還可以選擇間種，下坡和上坡種植踏郎，中坡選擇其他植被等。在植物種植后，需要對植物進行一定的管理維護措施，確保植物存活和正常生長。土壤表層水分和種植密度對植物生長影響較大且易于控制。因此，在植物的不同生長階段，需要根據土壤水分和植物承載力實施必要的管理措施（如平茬、間伐等）。植物年齡也是影響植被固坡效果的重要因素，在條件允許的情況下，可以對固坡植物進行監測維護，不但能保證坡面植被的穩定生長，還能對比不同年齡段植物的固坡能力，從而確保植物固坡效果。