砒砂岩沟谷种植沙棘林防止土壤重力侵蚀的实践

胡建忠

(水利部水土保持植物开发管理中心,北京 100083)

砒砂岩沟谷种植沙棘林防止土壤重力侵蚀的实践

胡建忠

(水利部水土保持植物开发管理中心,北京 100083)

砒砂岩;沟谷;人工沙棘林;建设实践

黄河中游的砒砂岩区是我国土壤侵蚀最为严重的地区之一,也是黄河下游河道淤积物中粗泥沙的集中来源区之一。该区严重的重力侵蚀,构成了流域产沙的主体,并为水力侵蚀提供了丰富的泥沙来源。1999—2008年在砒砂岩裸露沟谷地段种植的沙棘林保存面积达 1 642.86 km2,较好地减弱或消除了产生表层碎屑层的水热条件,起到了很好的拦截泻溜作用。据估算,砒砂岩区目前人工沙棘林平均减少的土壤侵蚀模数(重力)为 4 833 t/(km2◦a),年可减少土壤重力侵蚀量达 741万t,为减少入黄粗泥沙发挥了很好的作用。

砒砂岩,一般特指位于黄河中游地区、出露于黄土高原北部鄂尔多斯高原以红色为主的中生代沉积岩[1],包括砂岩、粉砂岩和泥岩等多种沉积岩,颜色有红、棕红、灰白、黄等。这种岩石的特征是,无水时硬如石,遇水则软如泥,特别是由于冷热、干湿交替的影响,岩石表层常形成一定厚度的碎屑层,在风、水、重力等作用下极易发生侵蚀。分布有砒砂岩的地区(砒砂岩区)是我国土壤侵蚀最为严重的地区之一。

砒砂岩出露的地段多位于沟谷,因此研究其沟谷地段的土壤侵蚀类型及危害,探讨控制土壤侵蚀的措施及相应的配套技术,对于治理砒砂岩区的土壤侵蚀、减少入黄泥沙具有重要的意义。

1 砒砂岩沟谷土壤侵蚀的主要类型

裸露砒砂岩分布多以树枝状沟谷系统相串,并以犬牙交错的形式与黄土、沙地(多位于梁峁坡)等相连,因此视觉上成片分布的砒砂岩区域并不存在(实际上这一地区地下岩层基本是相连的)。常说的砒砂岩,只是从景观生态学角度上考虑,在一定尺度上,将相对面积最大、连接度最高、对景观功能的控制作用最强的地段作为本底[2],故命其名。砒砂岩区的范围,基本上位于内蒙古鄂尔多斯市所辖的 5个旗(区)和陕西榆林市北部的府谷、神木 2县,其面积一直没有定论,有 1.2万 km2之说[1],也有 1.67万 km2之说[3],真正裸露岩面积还有 6 300 km2之说[4]。没有定论的原因如前所述,取决于所选尺度的不同。我们结合多年来在这一地区开展的工作以及卫片解译信息,确定砒砂岩区的面积约为 1.97万 km2。

砒砂岩区盛行西北风,气候干燥,降水少但很集中;气温变差大,冬春季日较差达12℃以上;封冻时间从每年的 10月开始直至翌年 5月,长达 8个月左右,这段时间是地表碎屑层集中形成与积累的阶段,为各类侵蚀的发生提供了大量的松散固体物质。从产沙角度上看,沟谷地段的主要侵蚀类型按照严重程度依次有重力侵蚀、水力侵蚀和风力侵蚀三大类。

重力侵蚀主要表现为泻溜。此处的泻溜是指砒砂岩沟谷陡坡(35°以上)受到干湿、冷热、冻融等物理作用的交替影响,表面产生了大量的疏松碎屑物,在重力、风力、动物等扰动下,沿坡面向下滚动、滑落的现象。碎屑层厚度多为 5 cm左右,通过泻溜形式以松散锥体的形态堆积在坡麓(图 1)。这类侵蚀物质,在沟道中存留的时间决定于雨强,在遇到大暴雨的情况下往往会一次被搬运干净,中小雨时只发生部分冲蚀。重力侵蚀使砒砂岩沟谷坡面出现产沙,但输沙过程是由水力侵蚀作用完成的。

图1 砒砂岩泻溜松散层及泻溜锥

水力侵蚀在沟坡形成冲沟,降水中超渗产流将砒砂岩表层松散物质沿水路搬运至沟谷底部,然后再输送到下游河道。据观察,这部分侵蚀量占水力侵蚀量的比例一般在 20%以下;而占水力侵蚀量 80%的部分,是对重力侵蚀产生的松散锥体物的搬运。由于砒砂岩地区降水年际分布不均,有时需要数年中的几场大雨才能将坡脚堆积物搬运干净。

风力侵蚀在 3种侵蚀中所占比重最小,主要表现为有大风天气时对砒砂岩松散碎屑层的吹蚀。

砒砂岩区的泥沙输移比约为 1,即产沙在一定时段内均转变为输沙,沟谷的泥沙通过水流输送到下游的河沟、支流直至黄河干流。

2 砒砂岩沟谷土壤侵蚀对黄河泥沙淤积的影响

粗泥沙是黄河泥沙的症结所在。解决黄河泥沙淤积问题的关键,就在于准确地划定粗泥沙来源范围,并据此进行坚持不懈的综合治理。

1979年,清华大学教授钱宁首次提出了在黄土高原 43万km2的水土流失区,有 80%的粗泥沙来自 10万km2的区域,其中 5万km2区域的产沙量就占到粗泥沙来量的 50%。据此,许多学者提出了多沙区面积大到 21万 km2,小到 5.1万km2,粗沙区的面积也在 3.8万 ～21万 km2之间。

1996年,黄河水利委员会组织有关单位联合开展了“黄河中游多沙粗沙区区域界定及产沙输沙规律研究”,确定黄河粗泥沙的颗粒直径界限为0.05mm,粗泥沙输沙模数大于 1 300 t/(km2◦a),用输沙模数指标法界定出黄河中游多沙粗沙来源区面积为 7.86万 km2的研究成果。

2004年,黄河水利委员会又组织开展了黄河中游粗泥沙集中来源区的界定工作,并最终确定粗泥沙界限为 0.1mm时的粗泥沙集中来源区面积为1.88万km2,与之相对应的粗泥沙输沙模数为 1 400 t/(km2◦a)。粗泥沙集中来源区在黄河中游呈品字形分布,涉及三大片,最大的一片为皇甫川—佳芦河区间,第二片在无定河的芦河、大理河和延河、清涧河上游一带,第三片在无定河下游(据黄河上中游管理局《对黄河淤积影响最大的粗泥沙集中来源区治理项目建议书》,2005年)。

砒砂岩区全部为多沙粗沙区,也是黄河粗泥沙集中来源区的主要组成部分,大部分地区在粗泥沙集中来源区的第一片,即皇甫川—佳芦河区间的北部地段。这一地区是粗泥沙集中来源区的重中之重,小区试验观测表明[5],沟坡地段的平均土壤侵蚀模数为 32 000 t/(km2◦a),最高达 73 066 t/(km2◦a)。区内的皇甫川、窟野河、孤山川、秃尾河等河流,输沙模数多在15 000～25 000 t/(km2◦a)之间,黄河沿岸侵蚀模数高达35 800 t/(km2◦a)。1958年窟野河泥流,含沙量高达 1500 kg/m3;1977年孤山川最大输沙模数高达66 400 t/km2,属世界之罕见。由此知砒砂岩区为我国土壤侵蚀模数最高的地区之一,也是黄河粗泥沙主要来源区之一。

砒砂岩区产沙对黄河下游淤积有着举足轻重的影响,也就是说,本区多产沙年即是下游的强淤积年,反之这个地区的少产沙年则是下游微淤年或微冲年。所以,这一地区产沙环境的变化,对于黄河下游河道冲淤环境变化具有重要影响。

3 沙棘作为先锋树种在砒砂岩沟谷的种植示范

在自然状态下,砒砂岩沟谷由于碎屑层的存在及泻溜现象的发生,当地草灌品种很难自然生长,在沟坡人工整地试栽油松等也很难保存,整个地貌呈现出全部裸岩的景观。在这一地区能否人工栽种植物引起了人们的极大关注。

20 世纪 80年代中期,在准格尔旗五分地沟试种沙棘获得成功,成活率连续几年稳定在68%以上,之后在东胜区、伊金霍洛旗等地的小流域综合治理中,相继将沙棘作为生态建设的重要树种。1998年以来,水利部沙棘开发管理中心承担了水利部“晋陕蒙砒砂岩区沙棘生态建设工程(水规计[1998]111号)”项目,开始在砒砂岩沟谷地段种植沙棘。这一为期 10年(1999—2008年)的建设项目,由于在种植工具、苗木、管理等方面进行了革新,沙棘种植效果很好,其中在砒砂岩裸露沟谷地段种植的沙棘保存面积就达 1 642.86 km2(表 1)。

表 1 砒砂岩沟谷地段沙棘种植保存面积km2

以往裸露砒砂岩区造林不易成功的原因之一,就是栽植深度问题,栽植浅了苗木容易随碎屑层向坡下滑落。试验表明,栽植深度在 30 cm以上,让苗木根系处于砒砂岩碎屑层以下的坚硬岩层中,其效果非常理想。但是,由于栽种季节的砒砂岩十分坚硬,用一般的铁锹和镢头很难挖开,因此项目区技术人员对沙棘种植工具进行了研究,试制成功了如图 2所示的“沙棘锹”种植工具。

图2 砒砂岩沙棘种植工具——沙棘锹 (单位:cm)

这种“沙棘锹”为两头均有锹头的种植沙棘的专用工具,其中一段为长 35～40 cm的用螺纹钢制作并将顶端打成尖头的尖锹头,用于在种植坑内挖出根系穴及在陡坡上对人起支撑作用;螺纹钢尖锹头与长 70～80 cm的三寸钢管焊接在一起,三寸钢管一侧距顶端 5 cm处焊接一宽 5 cm、长 15～20 cm的用钢板制成的方锹头,钢板与三寸钢管相焊处厚 6mm,锹头一端磨出刃,锹头用于刨除碎屑层并整挖出种植坑,也可在陡坡上整挖点状步道用。用尖锹头整挖出深30 cm左右的根系穴,其中 20 cm为根系、10 cm为地上部分,将沙棘茎干埋入土中 10 cm左右的主要目的,是防止地上部分被鼠兔危害或遭风干后可迅速从地下萌孽出新枝。利用“沙棘锹”这种专用工具,种植工效较常规工具提高了 3～5倍,种植成活率也从以往的不足 30%提高到 90%以上[6]。同时,项目区沙棘林的保存率也很高,除了沙棘本身具有较好的抗逆性外,还得益于项目区通过建厂收购沙棘果叶,调动了当地农民种植和保护沙棘的积极性,林地放牧基本杜绝,人为破坏很少发生,从而保证了砒砂岩沟谷沙棘林能够充分发挥出其生态与经济功能。

4 砒砂岩沟谷沙棘人工林防止土壤重力侵蚀量的估算

沙棘种植后,能够明显地降低地表温度日较差和水分变化系数,削减产生地表碎屑层的基本条件,因此可有效拦截泻溜,减少重力侵蚀发生。砒砂岩区目前尚未设立泻溜观测,本研究选取与裸露砒砂岩特性相似的黄土高塬沟壑区裸露红土泻溜观测结果来予以说明[7]。据观测,种植于泻溜红土上的沙棘林地表土层土壤水分变化较为缓慢,表层土壤的变异系数为 8.9%,仅为裸露泻溜红土表土层土壤水分变异系数 25.99%的34.2%,因此极大地消除了原先那种剧烈的干湿变化,能起到防止泻溜侵蚀发生的作用。同时,沙棘林地表土壤温度的变异系数为 5.03%,而与之相对照的裸露红土地表土壤温度的变异系数为 8.23%,沙棘林地表土壤温度变幅的减小及较为和缓的温度变化过程,极大地减轻了冷热变化对泻溜侵蚀的影响,有利于土壤中各种动物和微生物活动的进行,因此促进了土壤理化性状的逐步改善。

砒砂岩区不同年限沙棘林地实测结果表明,种植沙棘后,由于根系的固结、枯落物的混入,原先的碎屑岩石层已逐步变为厚 5～10 cm、结构为粒状的表土层,更好地渗吸了降水,有效地促进了沙棘生长及成林。

为了估算沙棘林拦截的土壤(岩石)量或减少的土壤侵蚀模数(重力),本研究提出如下计算式

式中:S为种植沙棘后减少的土壤侵蚀模数,t/(km2◦a);104为换算系数;H为沙棘栽种范围内年平均拦沙厚度,cm;D为砒砂岩松散物容重,t/m3;C为沙棘人工林植被覆盖度;I为林分影响力系数。

根据多年来对砒砂岩区的观测,沙棘栽种范围(即冠幅以下)年平均拦沙厚度(H)取 0.6 cm;砒砂岩松散物容重(D)取1.5 t/m3;沙棘人工林植被覆盖度(C)随林龄增加而逐渐增加,观测结果见表 2;I根据经验确定:2年生为 0.2,3年生为 0.5,4年生为 0.8,5年生及以上为 1(也即 2、3、4年生的林分,分别为5年生及其以上林分功能的 20%、50%及 80%,1年生林分不计)。

表2 砒砂岩沟谷地段沙棘人工林的覆盖度

根据表 2数据和相应的沙棘林面积,在计算年(2010年)项目区沙棘人工林减少的土壤重力侵蚀量列于表 3。

表 3 砒砂岩沟谷地段种植沙棘后减少的土壤重力侵蚀量

由表 3可知,沙棘林减少的土壤侵蚀模数(重力)随着林龄的增大而不断增加。在计算年(2010年)项目区沙棘人工林平均减少的土壤侵蚀模数(重力)为 4 833 t/(km2◦a),年累计可减少的土壤重力侵蚀量达 741万t。当这些沙棘全部郁闭后,其减少的土壤侵蚀模数最大值为 30 000 t/(km2◦a),每年可减少的土壤重力侵蚀量最大值为 4 928万 t。

本研究对砒砂岩沟谷种植沙棘后,由于逐步减弱或消除了干湿、冷热变化的影响,防止了新生碎屑层的产生,并对已有碎屑层通过根系和枯落物等进行了很好的拦护,因此能很好地发挥防止砒砂岩重力侵蚀及减少土壤重力侵蚀量的作用进行了研究。重力侵蚀为水力侵蚀提供了重要侵蚀物质,水力侵蚀如何将重力侵蚀产生的泥沙输送到流域外以及其相关计算,以后将另撰文介绍。

[1]金争平.砒砂岩区水土保持与农牧业发展研究[M].郑州:黄河水利出版社,2003.

[2]许慧,王家骥.景观生态学的理论与应用[M].北京:中国环境科学出版社,1993.

[3]王愿昌,吴永红,寇权,等.砒砂岩分布范围界定与类型区划分[J].中国水土保持科学,2007,5(1):14-18.

[4]水利部黄河水利委员会黄河上中游管理局.砒砂岩地区植物“柔性坝”试验研究总报告(1995— 2002)[R].西安:黄河上中游管理局,2002.

[5]金争平,史培军,侯福昌,等.黄河皇甫川流域土壤侵蚀系统模型和治理模式[M].北京:海洋出版社,1992.

[6]徐双民,田广源.沙棘治理砒砂岩技术探讨[J].国际沙棘研究与开发,2008,6(3):17-20.

[7]胡建忠,王愿昌,张鉴.沙棘对泻溜红土的改良及其生长规律[J].水土保持通报,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

[项目来源]晋陕蒙砒砂岩区沙棘生态建设工程项目(水规计[1998]111号)

胡建忠(1962—),男,甘肃天水市人,教授,农学博士,理学博士后,主要研究方向为生态建设工程。

2010-11-15

(责任编辑 赵文礼)