陕北地区植物固坡防控对策研究

张钊熔 石海兰

（1陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西西安 710075；2陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西西安 710021；3自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西西安 710021；4陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西西安 710021）

陕北地处我国农牧过渡带，区域气候及生态环境多样、复杂且脆弱。过渡性气候引起了土壤向沙漠地貌转变，从而使得区域植被具有荒漠、荒漠性草原向森林草原过渡的特征。同时，陕北工矿业活动频繁也加剧了区域生态的不稳定，这使得陕北地区的生态和可持续发展受干旱、风沙、水土流失、工矿场地污染等自然或人为因素的强烈影响[1]。近年来，针对以上问题，在陕北地方政府的主导下，水利工程、人工植被建设以及其他生态修复防治等措施有效地缓解了地区干旱、风沙、水土流失等环境问题，对区域生态环境有一定的改善[2-4]。

陕北从南向北自黄土高原连接到毛乌素沙漠南缘，由于黄土沟壑发育易受雨水侵蚀，沙丘又在风的作用下极易迁移。因此，在小尺度上，如何保护黄土、沙地或耕地边坡，减小雨水冲刷或风蚀造成的土壤组分、矿物和养分流失成为重要问题。本文通过对陕北榆林地区进行野外考察，结合对现有植被固坡理论相关研究的学习了解，旨在为陕北地区解决这一实际问题寻找已有的理论方法，为区域小尺度植被固坡提供一些建议。

1 植物固坡的理论研究

现今固坡理论以及工程技术手段有工程固坡、植物固坡以及这2种手段结合固坡。与传统的土木工程不同，植物边坡加固理论将植被及其对边坡稳定性的影响与侵蚀过程联系起来，形成“土壤植被系统”。该系统既具有生物和生态属性，又有一定的工程实用价值[5]，既能达到固坡效果，减少后期维护，还有一定的经济、社会效益。

现有研究认为，植物根系的发达程度对抵抗坡体浅层坡滑坡和表土受雨水侵蚀等起着巨大的作用。植物根系通过自身的抗拉强度、密度改变土体结构，从而加强土体的抗剪强度，发挥固坡效应[6]。目前，已有多种研究植物根系与土体间相互作用的理论模型，但普遍接受、适用较多的仍是Wu-Waldron模型[7-8]。该模型具有理论简单、相关变量较少、方便快捷等优点，因而应用广泛[9]。该模型表明，植物根系作用与土体产生的抗剪强度受植物根系的平均抗拉强度和根面积比2个因素的影响。试验分析认为，土体抗剪强度的增量与根系的平均抗拉强度和根面积比成正比，因而该模型的2个重要自变量为植物根系的平均抗拉强度和根面积比。更进一步的理论研究发现，植物根系中直径小于1 mm的须根才是影响植物土壤抗剪强度和抵抗侵蚀的关键因素，须根不但能通过增加土壤水性团聚体的数量与粒径等来提高土壤的稳定性，从而抵抗水流分散，还能有效地增加土壤孔隙度，改善土壤渗透性，减少地表径流，从而减轻水体对土壤的冲蚀作用。该研究还认为，土壤抗侵蚀性将随着植物根系数量的增加而提高，但其定量函数关系还未明确[10]。

植被固坡的原理是植被根系具有加强土体间相互作用力和增加土质强度的机能作用。这一作用力的主要影响因素有坡面基岩（土体）自身的物理化学性质、坡面土层厚度和坡度、植物种类组成、植物生长年龄等[11]。已有研究表明，不同坡度下植被的固坡效果不同，当坡度为23°左右时，坡体稳定性最好，且具有最优承载性能；坡度在30°～40°之间时，植被固坡效果稳定[12]。也有研究指出，沙棘林固土的有效根密度在坡度≤20°和>20°时分别为 60个/100 cm2和118 个/100 cm2以上； 在坡度为 15°、20°和 30°时，根系固土的有效深度分别为40、30、20 cm土层[13]。

植物固坡能够显著改良当地土壤状况，改善生态环境[14-17]。已有研究表明，荒漠草原柠条人工林固沙区，柠条林发育生长和灌木形态的改变不仅影响土壤营养条件，而且还可以调控由季节改变引起的土壤温湿度变化，柠条林龄和季节更替二者交互作用，共同影响地表草本植被的季节变化特征[18]。沙棘等优势树种对陕北黄土退耕还林（草）区土壤有机碳具有明显的碳汇作用[19]。

2 陕北固坡植物

陕北地区坡面主要为黄土或者沙土，植被组成则依据陕北地区特有植被类型。依据陕北地区的气候环境条件（干旱、风沙等），可选择的固坡灌木有柠条、沙棘、踏郎等，乔木主要是樟子松[20]。柠条对土壤肥力的改良效果显著，是优秀的固沙植物[21]。沙棘、樟子松和踏郎的耐旱性、环境适应性强，也对土壤具有一定的改良作用。灌木固沙林能有效降低风速，减少泥沙输移，改善沙地生态环境，在短时间内扭转流动沙地的半固定沙和固定沙。在流动沙地上建设灌木固沙林具有投资少、效益快、经济效益可观的优点[22]。

影响植物生长的因素有坡向、坡位、地形、土壤水分和植物密度等，了解柠条等固坡植物种植生长因素，能提高植物长势，加强植物固坡效果。已有研究表明，对柠条生长有显著影响的因素有坡向、坡面地形、土壤水分及灌木密度。东坡柠条生长好于南坡，而坡位对柠条生长影响较小。浅层土壤水分充足则柠条生长良好，灌木密度和深层土壤水分对柠条生长具有一定的负面影响。柠条生长的空间分布格局受坡面地形、土壤水分及灌木密度的相互影响[23-24]。除阳坡外，其余坡向的缓坡（坡度15°～25°）和平缓坡（坡度5°～15°）适宜沙棘林生长，且影响当地人工沙棘林衰退死亡的主要因素是陕北地区年降水量不足500 mm[25]。

现今应用于我国干旱地区造林的优势乔木樟子松因耐旱、生长速度快、综合抗性强而在西北地区广泛种植。影响樟子松造林成活的主要因素有种植时樟子松根系埋深程度、种植地形、种植时间和种植技术。樟子松种植时需要深植，地形应选背风的阳坡，种植最佳时节为春季，同时，对种植人员进行种植技术培训[26-27]。踏郎下坡生长趋势最好，上坡生长趋势好于中坡。在流动沙丘上种植踏郎后，表层土壤营养状况得到了极大的改善。已有研究表明，在生长过程中，踏郎不仅不会消耗沙土中非常有限的土壤养分，而且极大地改善了土壤的立地质量[28]。踏郎具有很强的发芽和繁殖能力，在沙丘移动过程中，流沙堆积是踏郎繁殖的有利条件[29]。

3 固坡建议

在陕北地区气候条件下，应根据不同的固坡对象、不同岩土体地理、地质条件运用不同的固坡手段。对交通道路或者坝体，可以优先考虑工程技术并辅以植物坡面生态工程的技术手段；在小尺度上如耕地边坡、黄土沟壑边坡、沙质土壤边坡等亟须合适的技术手段来减少冲蚀带来的土壤结构改变和养分缺失。以政府或当地居民为主导的植被固坡，其经济压力均较小，对土壤结构和养分也有一定的改良作用。因此，对这些小尺度区域可以优先考虑植物固坡。为了获得更好的固坡效果，需要考虑土体物理化学性质和坡地对植物的生长影响，可以先对坡地施工，减缓坡度，再考虑坡向和土壤含水量等因素选择合适的植物。

通过分析根系对坡面稳定性影响的几种因素和陕北特有植物生长特性，可以采取工程技术手段用以辅助植被固坡。针对土体本身的物理化学性质，通过添加改良剂等方法，改变土壤原有的物理化学性质和结构，使其减少侵蚀或适宜固坡植物生长。植被固坡可以结合地形条件选择合适的工程措施，例如通过工程技术缓减坡面角度，将陡坡改造为较为平缓的坡地，加强坡体稳定性；结合坡向、坡位和植物生长，选择合适的植物，阳坡种柠条、阴坡种沙棘等，还可以选择间种，下坡和上坡种植踏郎，中坡选择其他植被等。在植物种植后，需要对植物进行一定的管理维护措施，确保植物存活和正常生长。土壤表层水分和种植密度对植物生长影响较大且易于控制。因此，在植物的不同生长阶段，需要根据土壤水分和植物承载力实施必要的管理措施（如平茬、间伐等）。植物年龄也是影响植被固坡效果的重要因素，在条件允许的情况下，可以对固坡植物进行监测维护，不但能保证坡面植被的稳定生长，还能对比不同年龄段植物的固坡能力，从而确保植物固坡效果。