《水利水电科技进展》：砒砂岩区侵蚀治理技术研究进展（黄河水利科学研究院）

第39卷第5期 水利水电科技进展 2019年9月 Vol 39 No. 5 Advances in Science and Technology of Water Resources sep.2019 DOI:10.3880/j.isn.1006-7647.2019.05.001 砒砂岩区侵蚀治理技术研究进展 姚文艺12,肖培青12,王愿昌3,申震洲12 (1.黄河水利科学研究院,河南郑州450003;2.水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室,河南郑州4500063 3.水利部水土保持植物开发管理中心,北京10008) 摘要:黄河流域砒砂岩区是我国北方生态严重退化的地区,其土壤侵蚀治理长期以来是我国水土保 持学界所面临的难题之一,其难点在于砒砂岩区水力、风力、冻融、重力等多动力复合侵蚀交替发生 且时空分异性强、侵蚀岩性机理及侵蚀动力过程复杂、干旱缺水而暴雨集中,以及人们对于砒砂岩 区土壤侵蚀规律性认知水平的局限性。本文从砒砂岩区土壤侵蚀特征、治理措施及其作用与效益, 以及砒砂岩治理技术研究新成果等方面综述了砒砂岩区土壤侵蚀治理技术的研究与实践进展,并 提出了存在的问题。阻控侵蚀与植被恢复一体化、砒砂岩资源利用与生态衍生产业发展相结合,以 及实现生态综合治理将成为砒砂岩区土壤侵蚀治理技术研究的未来主要发展方向。 关键词:砒砂岩;生态脆弱区;土壤侵蚀;治理技术;生态恢复 中图分类号:TV882.1;S157 文献标志码:A 文章编号:1006-7647(2019)05-0001-09 Research progress on soil erosion control technologies in Pisha sandstone areas//YAO Wenyi 2, XIAO Peiqing.2 WANG Yuanchang, SHEN Zhenzhou(1. Yellow River Institute of Hydraulic Research, Zhengzhou 450003, China; 2. Key Laboratory of Soil and Water Loss Process and Control on the Loess Plateau, MWR, Zhengzhou 450003, China; 3. Plant Derelopment and Management Center of Soil and Water Conservation, MWR, Beijing 100038, China) Abstract. Pisha sandstone area in the Yellow River Basin is a region with severe ecological degeneration in northern China The soil erosion control in Pisha sandstone areas has long been one of the difficult problems for many soil and water conservation scholars. The difficulty lies in the alternating occurrence of multiple composite erosive forces such as water wind, freeze-thaw, and gravity. In addition, the evident space-time separation of erosion and the complex of lithology mechanism and erosion dynamic process in Pisha sandstone areas which has climate characteristics of drought lack of water and the concentration of heavy rain, and the knowledge limitations of researchers also increase the difficulty. The research and practice progress of the soil erosion characteristics, the effects and benefits of the erosion control measures and the new technologies of controlling soil loss in Pisha sandstone areas were reviewed, and the existing problems were also proposed. The integration of erosion resistance with vegetation restoration, the combination of the Pisa sandstone utilization ith the development of eco-derived industries and implementation of the ecological comprehensive treatment will be the main development aspects of soil erosion control technologies for Pisha sandstone areas in the future. Key words: Pisha sandstone; ecologically vulnerable area; soil erosion; control technology ecological restoration 鄂尔多斯高原砒砂岩区是我国典型的生态脆弱治理是构建我国生态屏障和保障黄河长治久安重大 区之一,也是黄河流域乃至世界上侵蚀最为剧烈、最战略目标的迫切需求。长期以来,砒砂岩区被列入 难治理的地区12。砒砂岩是由古生代二叠纪、中生国家生态环境建设和水土流失治理重点区,砒砂 代三叠纪、侏罗纪和白垩纪所形成的由砂岩、砂页岩区土壤侵蚀治理技术研发也成为水土保持、生态 岩、泥质砂岩构成的岩石互层,属于大陆相碎屑沉积等领域关注的中心课题。 岩类,具有无水坚如磐石、遇水烂如稀泥的特性。 在1985年水利部原部长钱正英提出的“以开发 该区属于生态环境多要素过渡带,环境异质性极为沙棘资源作为加速黄土高原治理的一个突破口”科 突出,水蚀、风蚀、冻融等多类型侵蚀复合,区域土壤学建议下,通过黄土高原水土保持世行贷款第一、二 侵蚀模数高达3万~4万t(a·km2),也是黄河粗期项目及晋陕蒙砒砂岩区沙棘生态工程等投资 泥沙来源的核心区,。因此,砒砂岩区土壤侵蚀项目17,开展了砒砂岩治理的篇章2,探索了砒砂 基金项目:国家重点研发计划(2017YFO0504500) 作者简介:姚文艺(1957—),男,教授级高级工程师,博土,主要从事水土保护与河流泥沙研究。E-muil:wyao@yihr.cm.cn 水利水电科技进晨,2019,39(5)7e:025-83786335E-mail:j@hu.eda.cnhp://iour.hhu.eda.cn

水利水电科技进展,2019,39(5) Tel:025 83786335 E鄄mail:jz@ hhu. edu. cn http: / / jour. hhu. edu. cn 第 39 卷第 5 期 Vol. 39 No. 5 水 利 水 电 科 技 进 展 Advances in Science and Technology of Water Resources 2019 年 9 月 Sep. 2019 基金项目:国家重点研发计划(2017YFC0504500) 作者简介:姚文艺(1957—),男,教授级高级工程师,博士,主要从事水土保护与河流泥沙研究。 E鄄mail:wyyao@ yiihr. com. cn DOI:10. 3880 / j. issn. 1006 7647. 2019. 05. 001 砒砂岩区侵蚀治理技术研究进展 姚文艺1,2 ,肖培青1,2 ,王愿昌3 ,申震洲1,2 (1. 黄河水利科学研究院,河南 郑州 450003; 2. 水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室,河南 郑州 450003; 3. 水利部水土保持植物开发管理中心,北京 100038) 摘要:黄河流域砒砂岩区是我国北方生态严重退化的地区,其土壤侵蚀治理长期以来是我国水土保 持学界所面临的难题之一,其难点在于砒砂岩区水力、风力、冻融、重力等多动力复合侵蚀交替发生 且时空分异性强、侵蚀岩性机理及侵蚀动力过程复杂、干旱缺水而暴雨集中,以及人们对于砒砂岩 区土壤侵蚀规律性认知水平的局限性。 本文从砒砂岩区土壤侵蚀特征、治理措施及其作用与效益, 以及砒砂岩治理技术研究新成果等方面综述了砒砂岩区土壤侵蚀治理技术的研究与实践进展,并 提出了存在的问题。 阻控侵蚀与植被恢复一体化、砒砂岩资源利用与生态衍生产业发展相结合,以 及实现生态综合治理将成为砒砂岩区土壤侵蚀治理技术研究的未来主要发展方向。 关键词:砒砂岩;生态脆弱区;土壤侵蚀;治理技术;生态恢复 中图分类号:TV882. 1;S157 文献标志码:A 文章编号:1006 7647(2019)05 0001 09 Research progress on soil erosion control technologies in Pisha sandstone areas/ / YAO Wenyi 1,2 , XIAO Peiqing 1,2 , WANG Yuanchang 3 , SHEN Zhenzhou 1,2 (1. Yellow River Institute of Hydraulic Research, Zhengzhou 450003, China; 2. Key Laboratory of Soil and Water Loss Process and Control on the Loess Plateau, MWR,Zhengzhou 450003, China; 3. Plant Development and Management Center of Soil and Water Conservation, MWR, Beijing 100038, China) Abstract: Pisha sandstone area in the Yellow River Basin is a region with severe ecological degeneration in northern China. The soil erosion control in Pisha sandstone areas has long been one of the difficult problems for many soil and water conservation scholars. The difficulty lies in the alternating occurrence of multiple composite erosive forces such as water, wind, freeze鄄thaw, and gravity. In addition, the evident space鄄time separation of erosion and the complex of erosion lithology mechanism and erosion dynamic process in Pisha sandstone areas which has climate characteristics of drought, lack of water and the concentration of heavy rain, and the knowledge limitations of researchers also increase the difficulty. The research and practice progress of the soil erosion characteristics, the effects and benefits of the erosion control measures and the new technologies of controlling soil loss in Pisha sandstone areas were reviewed, and the existing problems were also proposed. The integration of erosion resistance with vegetation restoration, the combination of the Pisa sandstone utilization with the development of eco鄄derived industries and implementation of the ecological comprehensive treatment will be the main development aspects of soil erosion control technologies for Pisha sandstone areas in the future. Key words: Pisha sandstone; ecologically vulnerable area; soil erosion; control technology; ecological restoration 鄂尔多斯高原砒砂岩区是我国典型的生态脆弱 区之一,也是黄河流域乃至世界上侵蚀最为剧烈、最 难治理的地区[1鄄2] 。 砒砂岩是由古生代二叠纪、中生 代三叠纪、侏罗纪和白垩纪所形成的由砂岩、砂页 岩、泥质砂岩构成的岩石互层,属于大陆相碎屑沉积 岩类[3] ,具有无水坚如磐石、遇水烂如稀泥的特性。 该区属于生态环境多要素过渡带,环境异质性极为 突出,水蚀、风蚀、冻融等多类型侵蚀复合,区域土壤 侵蚀模数高达 3 万 ~ 4 万 t / (a·km 2 ),也是黄河粗 泥沙来源的核心区[1,4] 。 因此,砒砂岩区土壤侵蚀 治理是构建我国生态屏障和保障黄河长治久安重大 战略目标的迫切需求。 长期以来,砒砂岩区被列入 国家生态环境建设和水土流失治理重点区[5] ,砒砂 岩区土壤侵蚀治理技术研发也成为水土保持、生态 等领域关注的中心课题。 在1985 年水利部原部长钱正英提出的“以开发 沙棘资源作为加速黄土高原治理的一个突破口冶科 学建议下,通过黄土高原水土保持世行贷款第一、二 期项目[6]及晋陕蒙砒砂岩区沙棘生态工程等投资 项目[1,7] ,开展了砒砂岩治理的篇章[2] ,探索了砒砂 ·1·

岩区种植沙棘的技术与措施,取得了改善区域生态少,覆盖度极低,侵蚀模数在2.1万t(km2·a)左 环境、减少入黄泥沙的效益。在利用沙棘治理砒右,以水蚀为主,复合侵蚀严重 砂岩的实践基础上,毕慈芬等于1992年提出了植物 砒砂岩易于侵蚀除与该区域的气候、地貌及植 柔性坝”治理砒砂岩沟道侵蚀的技术,并开展相关被等因素有关外,与其自身的岩性有很大关系。砒 的试验研究以。但遗憾的是,之后对砒砂岩区沙砂岩的造岩矿物有石英、长石、方解石和蒙脱石等, 棘等生物措施的研究相对来说却并不多。近年来在其中性质稳定的石英较一般岩石的含量为低,而遇 国家科技计划及有关省部级等科技计划的资助水易于膨胀的蒙脱石含量却较一般岩石高达数十 下,在砒砂岩区水土保持综合治理途径、抗蚀倍,同时易发生风化的长石含量也较高,进而使得砒 促生及砒砂岩改性与资源利用等方面相继开展了不砂岩极易发生水蚀和风化剥蚀。从砒砂岩的化 少探索,可以说这些研究在理论、技术及实践上均较学成分来说,其含有Na2O、K2O、CaO等多种不稳定的 以往有所突破。由于砒砂岩是我国鄂尔多斯高原特化学成分,这些不稳定组分遇水极易发生化学反应 殊的岩类,目前,并没有见到国外开展砒砂岩侵蚀治破坏砒砂岩的既有结构,削弱其抗蚀能力2。不同 理技术的相关研究,仅有关于单一的砂岩或单一的颜色的砒砂岩所含矿物、化学成分有一定的差别,其 泥质砂岩侵蚀治理方面的研究成果见诸报道4。抗侵蚀性能不同2)。砒砂岩区水平裂隙较少,垂 砒砂岩区侵蚀类型多且其过程复杂,侵蚀地貌直裂隙较多,导致砒砂岩的抗侵蚀性能弱,发生重力 植被耦合时空分异性突出1,1,对其治理的难度侵蚀。砒砂岩矿物颗粒间的胶结物以黏土矿物和方 非常大,必须考虑多类措施优化配置、多项功能互解石为主,连接方式主要是颗粒支撑、孔隙式胶结 补,突破以往的常规治理思路与技术,建立基于砒砂个别情况会出现接触式胶结,颗粒间不密实,排列紊 岩区生态承载力的侵蚀阻控与植被恢复综合治理技乱,无定向性,结构稳定性差,抗蚀性弱2 术与模式。为此,本文对以往关于砒砂岩侵蚀治理 技术的主要研究成果进行综述,并讨论存在的问题 2砒砂岩区治理措施 提出需要进一步研究的科学问题与关键技术,展望 经过多年的探索,砒砂岩区的治理措施主要有 砒砂岩区侵蚀治理技术研究的未来主要发展方向,传统的生物措施和工程措施,也有其作用兼具生物、 为砒砂岩区侵蚀治理技术研发与实践提供参考。 工程措施功能的植物“柔性坝”,还有近年基于砒砂 1砒砂岩侵蚀主要特征 岩侵蚀岩性机理所研发的抗蚀促生措施及砒砂岩改 性淤地坝措施等。 认识砒砂岩侵蚀特征是研发有效治理技术的基2.1生物措施 础。我国砒砂岩区总面积1.67万km2,集中分布在 生物措施包括乔灌草等种类。在裸露的砒砂岩 内蒙古自治区鄂尔多斯市的东胜区、准格尔旗、伊金上,自然情况下寸草不生,成为难以治理的“环境 霍洛旗、达拉特旗、杭锦旗,在陕西省的神木、府谷两癌症”、“地球生态癌症”。经过多年实践,先后选择 县,山西省的河曲、保德两县,内蒙古的清水河县有了杨树、油松、柠条、杨柴、紫花苜蓿、沙打旺等多种 零星分布;分布范围东至黄河,西达杭锦旗境内的毛植物作为治理砒砂岩区的生物措施,但通过检验证 布拉孔兑(孔兑为蒙语,指洪水沟),从西北向东南明,沙棘更为适合作为砒砂岩区治理的“先锋”生物 沿毛乌素沙地东北缘分布,南抵陕西省神木县城,北措施 到库布齐沙漠南缘。根据砒砂岩地表覆盖物及其覆2.1.1沙棘林 盖程度不同,将砒砂岩区分为覆土、覆沙和裸露三大 沙棘属植物区系为旧大陆温带分布区类型{2 类型区,其中覆土区面积0.84万km2,覆沙区面积其根系发达,抗干旱风沙,耐盐碱贫瘠,御严寒酷暑 0.37万km2,裸露区面积0.46万km2,分别占总面在砒砂岩区生长良好)。沙棘在砒砂岩区的萌蘗 积的50.2%、2.2%、27.6%。覆土区沟壑密度在能力较强,根据胡建忠等研究,2~8a沙棘人工 3-6km/km2之间,植被覆盖度为20%左右,侵蚀模林的萌蘖能力为0.2万~8.0万株/hm2,沙棘萌蘖 数约为1.5万υ(km2·a),属剧烈侵蚀区,土壤侵能力和频度随林龄而变化,在2-4a的前期逐渐增 蚀以水蚀为主,水蚀、风蚀和重力侵蚀交替发生;覆加,到5~6a达到最高,之后又逐步下降。在分蘖 沙区沟壑密度为1-3km/km2,地表沙化严重,侵蚀中,雌雄发育是不同的,通过对砒砂岩区0°~48°的 模数约为0.8万v/(km2·a),以风蚀为主,呈现出沟底、沟坡、梁峁顶共计36块沙棘人工林标准地的 风、水复合侵蚀的景观;裸露区地貌多呈岗状丘陵,调查,沙棘人工林雌雄比例平均为1:2.6,雄株 沟壑密度为5~7km/km2,基岩大面积裸露,植被稀比雌株多1.6倍,雌雄比例呈现出低林龄时雄株比 水利水电科技进晨,2019,39(5)7e:025-83786335E-mail:j@hu.eda.cnhp://iour.hhu.eda.cn

水利水电科技进展,2019,39(5) Tel:025 83786335 E鄄mail:jz@ hhu. edu. cn http: / / jour. hhu. edu. cn 岩区种植沙棘的技术与措施,取得了改善区域生态 环境、减少入黄泥沙的效益[8] 。 在利用沙棘治理砒 砂岩的实践基础上,毕慈芬等于 1992 年提出了植物 “柔性坝冶治理砒砂岩沟道侵蚀的技术,并开展相关 的试验研究[2,9] 。 但遗憾的是,之后对砒砂岩区沙 棘等生物措施的研究相对来说却并不多。 近年来在 国家科技计划及有关省部级等科技计划的资助 下[10鄄13] ,在砒砂岩区水土保持综合治理途径、抗蚀 促生及砒砂岩改性与资源利用等方面相继开展了不 少探索,可以说这些研究在理论、技术及实践上均较 以往有所突破。 由于砒砂岩是我国鄂尔多斯高原特 殊的岩类,目前,并没有见到国外开展砒砂岩侵蚀治 理技术的相关研究,仅有关于单一的砂岩或单一的 泥质砂岩侵蚀治理方面的研究成果见诸报道[14鄄16] 。 砒砂岩区侵蚀类型多且其过程复杂,侵蚀 地貌 植被耦合时空分异性突出[1,17鄄18] ,对其治理的难度 非常大,必须考虑多类措施优化配置、多项功能互 补,突破以往的常规治理思路与技术,建立基于砒砂 岩区生态承载力的侵蚀阻控与植被恢复综合治理技 术与模式。 为此,本文对以往关于砒砂岩侵蚀治理 技术的主要研究成果进行综述,并讨论存在的问题, 提出需要进一步研究的科学问题与关键技术,展望 砒砂岩区侵蚀治理技术研究的未来主要发展方向, 为砒砂岩区侵蚀治理技术研发与实践提供参考。 1 砒砂岩侵蚀主要特征 认识砒砂岩侵蚀特征是研发有效治理技术的基 础。 我国砒砂岩区总面积 1郾 67 万 km 2 ,集中分布在 内蒙古自治区鄂尔多斯市的东胜区、准格尔旗、伊金 霍洛旗、达拉特旗、杭锦旗,在陕西省的神木、府谷两 县,山西省的河曲、保德两县,内蒙古的清水河县有 零星分布;分布范围东至黄河,西达杭锦旗境内的毛 布拉孔兑(孔兑为蒙语,指洪水沟),从西北向东南 沿毛乌素沙地东北缘分布,南抵陕西省神木县城,北 到库布齐沙漠南缘。 根据砒砂岩地表覆盖物及其覆 盖程度不同,将砒砂岩区分为覆土、覆沙和裸露三大 类型区,其中覆土区面积 0郾 84 万 km 2 ,覆沙区面积 0郾 37 万 km 2 ,裸露区面积 0郾 46 万 km 2 ,分别占总面 积的 50郾 2% 、22郾 2% 、27郾 6% 。 覆土区沟壑密度在 3 ~ 6 km / km 2之间,植被覆盖度为 20% 左右,侵蚀模 数约为 1郾 5 万 t / ( km 2·a),属剧烈侵蚀区,土壤侵 蚀以水蚀为主,水蚀、风蚀和重力侵蚀交替发生;覆 沙区沟壑密度为 1 ~ 3 km / km 2 ,地表沙化严重,侵蚀 模数约为 0郾 8 万 t / ( km 2·a),以风蚀为主,呈现出 风、水复合侵蚀的景观;裸露区地貌多呈岗状丘陵, 沟壑密度为 5 ~ 7 km / km 2 ,基岩大面积裸露,植被稀 少,覆盖度极低,侵蚀模数在 2郾 1 万 t / ( km 2·a)左 右,以水蚀为主,复合侵蚀严重[1] 。 砒砂岩易于侵蚀除与该区域的气候、地貌及植 被等因素有关外,与其自身的岩性有很大关系。 砒 砂岩的造岩矿物有石英、长石、方解石和蒙脱石等, 其中性质稳定的石英较一般岩石的含量为低,而遇 水易于膨胀的蒙脱石含量却较一般岩石高达数十 倍,同时易发生风化的长石含量也较高,进而使得砒 砂岩极易发生水蚀和风化剥蚀[19鄄20] 。 从砒砂岩的化 学成分来说,其含有 Na2O、K2O、CaO 等多种不稳定的 化学成分,这些不稳定组分遇水极易发生化学反应, 破坏砒砂岩的既有结构,削弱其抗蚀能力[21鄄22] 。 不同 颜色的砒砂岩所含矿物、化学成分有一定的差别,其 抗侵蚀性能不同[22鄄23] 。 砒砂岩区水平裂隙较少,垂 直裂隙较多,导致砒砂岩的抗侵蚀性能弱,发生重力 侵蚀。 砒砂岩矿物颗粒间的胶结物以黏土矿物和方 解石为主,连接方式主要是颗粒支撑、孔隙式胶结, 个别情况会出现接触式胶结,颗粒间不密实,排列紊 乱,无定向性,结构稳定性差,抗蚀性弱[24] 。 2 砒砂岩区治理措施 经过多年的探索,砒砂岩区的治理措施主要有 传统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“柔性坝冶,还有近年基于砒砂 岩侵蚀岩性机理所研发的抗蚀促生措施及砒砂岩改 性淤地坝措施等。 2. 1 生物措施 生物措施包括乔灌草等种类。 在裸露的砒砂岩 上,自然情况下寸草不生[25] ,成为难以治理的“环境 癌症冶、“地球生态癌症冶。 经过多年实践,先后选择 了杨树、油松、柠条、杨柴、紫花苜蓿、沙打旺等多种 植物作为治理砒砂岩区的生物措施,但通过检验证 明,沙棘更为适合作为砒砂岩区治理的“先锋冶生物 措施[25鄄26] 。 2. 1. 1 沙棘林 沙棘属植物区系为旧大陆温带分布区类型[27] , 其根系发达,抗干旱风沙,耐盐碱贫瘠,御严寒酷暑, 在砒砂岩区生长良好[28] 。 沙棘在砒砂岩区的萌蘖 能力较强,根据胡建忠等[29] 研究,2 ~ 8 a 沙棘人工 林的萌蘖能力为 0郾 2 万 ~ 8郾 0 万株/ hm 2 ,沙棘萌蘖 能力和频度随林龄而变化,在 2 ~ 4 a 的前期逐渐增 加,到 5 ~ 6 a 达到最高,之后又逐步下降。 在分蘖 中,雌雄发育是不同的,通过对砒砂岩区 0毅 ~ 48毅的 沟底、沟坡、梁峁顶共计 36 块沙棘人工林标准地的 调查[30] ,沙棘人工林雌雄比例平均为 1 颐 2郾 6,雄株 比雌株多 1郾 6 倍,雌雄比例呈现出低林龄时雄株比 ·2·

例很高,而5~8a时雌雄比例变化渐趋平缓。同时,而油松纯林和杨树纯林效果较差。油松×沙棘混 萌蘗与植株有一定关系旳],2-8a沙棘植株的平均交林是一种比较好的林型。根据调查,配合坡地 高、地径分别与萌蘖株高、冠幅呈正相关关系,鱼鳞坑等工程措施的油松ⅹ沙棘混交林具有明显的 40%~70%的中等盖度萌蘖能力最高。沙棘对减轻生态效益和景观效益,水土保持作用显著。 地表侵蚀的作用与其较发达的根系有关,尤其是水平 油松纯林的缺点是成材缓慢,成椽需要20a"; 根系在砒砂岩区可达137cm,垂直分布的深度约郁密度较高时,草被在遮阴条件下的长势弱,在茎流 40~50cm3。沟底的沙棘根系明显发达于坡顶或速率较大时,因植被缺少,易形成地表径流冲刷。 坡面叫,这也是提出沙棘“柔性坝”的依据之 2.1.3柠条林 沙棘的效益是多方面的,包括减水减沙、改良土 柠条是砒砂岩区分布范围最广、资源面积最大 壤、增加土壤含水量等。由于研究的区域、沙棘生境的豆科灌木树种①。柠条抗干旱、耐贫瘠、易成活、 及性状等方面的差异,不同研究者对同类效益指标寿命长,抗病虫害能强,也是一种优良的饲草灌 的观测是有一定差异的(表1)。 木。柠条更适宜在梁峁顶生长,且适宜生长在疏 2.1.2油松人工林 松的沙地土壤上。柠条能促进当地草本植被的恢 油松是砒砂岩区乡土树种,在砒砂岩侵蚀物质复,柠条群落的伴生物种单一,不如沙棘林多,主要 沉积区及覆土、覆沙砒砂岩坡顶均有分布。根据调是百里香、绵蓬、针矛等野生草本植物。柠条×沙棘 查,油松尤其适宜在裸露砒砂岩区侵蚀物沉积带牧草混交林是柠条措施的模式之一。对于柠条, 生长,在覆土区次之,覆沙区再次之。油松抗干旱、一般来说3a需要进行平茬,否则生长受限,极大影 耐贫瘠,为浅根系树种,在砒砂岩30°以下坡面上良响其水土保持效果,但目前对柠条平茬复壮方面的 好生长,水土保持效果较好。一般选择1-2a生的研究很少。 油松幼苗进行栽种。油松主要是通过调节自身特2.1.4沙柳ⅹ羊柴混交林 性、生物量分配模式以及水分利用效率来提高应对 沙柳×羊柴混交林是适于砒砂岩覆沙区的有效 干旱的能力。根据王百田等研究,适宜油松灌木生物措施之一(。沙柳耐水湿、耐干旱。沙柳 生长的土壤水分为10%~18%。在土壤水分含量具有很强的抗逆性,根系发达,具有较高的生物产 为14.2%时,达到最大光合速率5.7μmol/m2。油量。沙柳的分蘖性强,植株高大,地上生物量较大。 松茎流速率在白天变化大在夜晚变幅小()。金争目前对砒砂岩区沙柳措施的研究成果相对较少,对 平等的研究表明,油松在砒砂岩坡地的生长量>其混交模式的试验与实践也很不够。 沙土坡地生长量>黄土坡地生长量。根据五分地小2.1.5其他生物措施 流域的调査,油松疏林+群团状沙棘柠条+紫花苜蓿 砒砂岩区的乔木除了当地自生的小叶杨之外 地段物种多样性和群落类型最多,生物生产力最高,也有引进的河北杨、白杨、钻天杨等耐旱且对环境适 表1沙棘生态效益观测结果 观测研究条件 杨具瑞等35]在流域上、中、下游坡面冻融风化平均侵蚀模数降低69.9%西召沟小流域,7a生沙棘 胡建忠【]年均减少土壤侵蚀模数(重力)4833(km2·a),减少土壤侵晋陕蒙砒砂岩区沙棘生态建设工程区裸露砒 虫模数最大值为3万v(km2·a) 砂岩沟谷段,3~12a生,1999--2008年平均 吴永红等3]年均总减少洪量480.84万m3、总减少沙量302.65万t 1999—2005年皇甫川、孤山川、窟野河流域沙 棘措施 苏涛等[1)沙棘减蚀作用相对其他植被类型更明显,不同植被覆盖类型的准格尔旗西召沟坡面试验小区,长2m,宽 尹惠敏3]沙棘林地比裸露区团聚体高19.00%,水稳性团粒高7.40%,淮格尔旗西召、伊金霍洛旗纳林塔,29种沙棘 有机质含量提高 林地,林龄3~8a 杨方社等 沟道0~30cm土壤层有机质含量高出对比沟1.25倍 准格尔旗东一支沟沟道沙棘林 股丽强 土壤团聚体含量增加,土壤结枃呈良性发展;降低土壤容重,改鄂尔多斯市沙棘生态建设区,林龄8a左右, 善土壤空隙状况,提高土壤持水能力 10°~20°坡面 改良土壤梁月等(4)有机质速效磷速效钾有效氮全氮全磷全钾以及阳离子鄂尔多斯市沙棘生态建设区,林龄8a左右 10°~20°坡面 卢立娜等28]降低土壤容重,改善土壤空隙状况,提高土壤持水能力 准格尔旗和东胜区沙棘生态建设区,2~8a 生,15°~30°坡面 鄂尔多斯地区沙棘林20a后林分净 多样性增加 约8万,林下植物准格尔旗暖水乡 张占全等4]土地生产力提高生态环境明显改善 准格尔旗砒砂岩区 水利水电科技进晨,2019,39(5)7e:025-83786335E-mail:j@hu.eda.cnhp://iour.hhu.eda.cn 3

水利水电科技进展,2019,39(5) Tel:025 83786335 E鄄mail:jz@ hhu. edu. cn http: / / jour. hhu. edu. cn 例很高,而5 ~ 8 a 时雌雄比例变化渐趋平缓。 同时, 萌蘖与植株有一定关系[25] ,2 ~ 8 a 沙棘植株的平均 高、地 径 分 别 与 萌 蘖 株 高、 冠 幅 呈 正 相 关 关 系, 40% ~70%的中等盖度萌蘖能力最高。 沙棘对减轻 地表侵蚀的作用与其较发达的根系有关,尤其是水平 根系在砒砂岩区可达 137 cm [31] ,垂直分布的深度约 40 ~50 cm [32鄄33] 。 沟底的沙棘根系明显发达于坡顶或 坡面[34] ,这也是提出沙棘“柔性坝冶的依据之一。 沙棘的效益是多方面的,包括减水减沙、改良土 壤、增加土壤含水量等。 由于研究的区域、沙棘生境 及性状等方面的差异,不同研究者对同类效益指标 的观测是有一定差异的(表 1)。 表 1 沙棘生态效益观测结果 效果 研究者 观测结果 观测研究条件 减蚀 杨具瑞等[35] 在流域上、中、下游坡面冻融风化平均侵蚀模数降低 69郾 9% 西召沟小流域,7 a 生沙棘 胡建忠[36] 年均减少土壤侵蚀模数(重力)4 833 t / ( km 2 ·a),减少土壤侵 蚀模数最大值为 3 万 t / (km 2·a) 晋陕蒙砒砂岩区沙棘生态建设工程区裸露砒 砂岩沟谷段,3 ~ 12 a 生,1999—2008 年平均 吴永红等[37] 年均总减少洪量 480郾 84 万 m 3 、总减少沙量 302郾 65 万 t 1999—2005 年皇甫川、孤山川、窟野河流域沙 棘措施 苏涛等[12] 沙棘减蚀作用相对其他植被类型更明显,不同植被覆盖类型的 坡面产沙强度排序为裸地、草地、柠条、油松、沙棘 准格尔旗西召沟坡面试验小区, 长2 m、 宽 0郾 25 m 尹惠敏[38] 沙棘林地比裸露区团聚体高 19郾 00% ,水稳性团粒高 7郾 40% , 有机质含量提高 准格尔旗西召、伊金霍洛旗纳林塔,29 种沙棘 林地,林龄 3 ~ 8 a 改良土壤 杨方社等[39] 沟道 0 ~ 30 cm 土壤层有机质含量高出对比沟 1郾 25 倍 准格尔旗东一支沟沟道沙棘林 殷丽强等[27,40] 土壤团聚体含量增加,土壤结构呈良性发展;降低土壤容重,改 善土壤空隙状况,提高土壤持水能力 鄂尔多斯市沙棘生态建设区,林龄 8 a 左右, 10毅 ~ 20毅坡面 梁月等[41] 有机质、速效磷、速效钾、有效氮、全氮、全磷、全钾以及阳离子 交换量增加 鄂尔多斯市沙棘生态建设区,林龄 8 a 左右, 10毅 ~ 20毅坡面 卢立娜等[28] 降低土壤容重,改善土壤空隙状况,提高土壤持水能力 准格尔旗和东胜区沙棘生态建设区,2 ~ 8 a 生,15毅 ~ 30毅坡面 改善生态 党晓宏[42] 鄂尔多斯地区沙棘林 20 a 后林分净碳汇量约 8 万 t,林下植物 多样性增加 准格尔旗暖水乡 张占全等[43] 土地生产力提高,生态环境明显改善 准格尔旗砒砂岩区 2. 1. 2 油松人工林 油松是砒砂岩区乡土树种,在砒砂岩侵蚀物质 沉积区及覆土、覆沙砒砂岩坡顶均有分布。 根据调 查[44] ,油松尤其适宜在裸露砒砂岩区侵蚀物沉积带 生长,在覆土区次之,覆沙区再次之。 油松抗干旱、 耐贫瘠,为浅根系树种,在砒砂岩 30毅以下坡面上良 好生长,水土保持效果较好。 一般选择 1 ~ 2 a 生的 油松幼苗进行栽种。 油松主要是通过调节自身特 性、生物量分配模式以及水分利用效率来提高应对 干旱的能力[45] 。 根据王百田等[46] 研究,适宜油松 生长的土壤水分为 10% ~ 18% 。 在土壤水分含量 为 14郾 2% 时,达到最大光合速率 5郾 7 滋mol / m 2 。 油 松茎流速率在白天变化大,在夜晚变幅小[11] 。 金争 平等[47]的研究表明,油松在砒砂岩坡地的生长量> 沙土坡地生长量>黄土坡地生长量。 根据五分地小 流域的调查,油松疏林+群团状沙棘柠条+紫花苜蓿 地段物种多样性和群落类型最多,生物生产力最高, 而油松纯林和杨树纯林效果较差[48] 。 油松伊沙棘混 交林是一种比较好的林型。 根据调查[1] ,配合坡地 鱼鳞坑等工程措施的油松伊沙棘混交林具有明显的 生态效益和景观效益,水土保持作用显著。 油松纯林的缺点是成材缓慢,成椽需要 20 a [1] ; 郁密度较高时,草被在遮阴条件下的长势弱,在茎流 速率较大时,因植被缺少,易形成地表径流冲刷。 2. 1. 3 柠条林 柠条是砒砂岩区分布范围最广、资源面积最大 的豆科灌木树种[1] 。 柠条抗干旱、耐贫瘠、易成活、 寿命长,抗病虫害能强,也是一种优良的饲草灌 木[49] 。 柠条更适宜在梁峁顶生长,且适宜生长在疏 松的沙地土壤上。 柠条能促进当地草本植被的恢 复,柠条群落的伴生物种单一,不如沙棘林多,主要 是百里香、绵蓬、针矛等野生草本植物。 柠条伊沙棘 -牧草混交林是柠条措施的模式之一。 对于柠条, 一般来说 3 a 需要进行平茬,否则生长受限,极大影 响其水土保持效果,但目前对柠条平茬复壮方面的 研究很少。 2. 1. 4 沙柳伊羊柴混交林 沙柳伊羊柴混交林是适于砒砂岩覆沙区的有效 灌木生物措施之一[1] 。 沙柳耐水湿、耐干旱。 沙柳 具有很强的抗逆性,根系发达,具有较高的生物产 量。 沙柳的分蘖性强,植株高大,地上生物量较大。 目前对砒砂岩区沙柳措施的研究成果相对较少,对 其混交模式的试验与实践也很不够。 2. 1. 5 其他生物措施 砒砂岩区的乔木除了当地自生的小叶杨之外, 也有引进的河北杨、白杨、钻天杨等耐旱且对环境适 ·3·

应能力强的杨柳科乔木。河北杨、白杨等与刺槐、沙3.3万m3,经检测其各项力学指标均满足水利部的 棘、紫穗槐等形成混交林,则土壤的肥力以及微生物相关技术标准要求。 含量会得到明显改善,能促进林地植被的恢复和生2.3植物柔性坝 长,维持生态系统的稳定性;侧柏也是砒砂岩干 之所以把植物“柔性坝”单独作为一种治理措 旱区一种比较常见的人工林树种,其对土壤有改善施,主要是因为这种措施不仅具有植物措施减少地 作用s;榆树属于砒砂岩区唯一可自生的乔木树表冲刷侵蚀的作用,同时又有淤地拦沙的作用。所 种,与当地草本植物形成较好的共生性,但在干旱地谓植物“柔性坝”是指在沟道内沿垂直水流方向种 区往往形成“小老头林”现象;山杏属于砒砂岩区 植若干行诸如沙棘等根系发达、自行更新能力强的 种主要的经济林,但是散种面积小,经济效益低,因植物,作为坝体框架,利用洪水携带大量泥沙和植物 此如何在砒砂岩区实现生态恢复的同时,高效开发干枝阻水进行群体滞洪沉沙,进而形成具有拦沙、溢 山杏、山桃等经济林产业是值得研究的。在砒砂岩流或泄流功能的新的治理沟道的综合措施)。 区也进行过大面积的旱柳、樟子松、杜松、臭椿等栽 自20世纪90年代初,开展了植物“柔性坝”拦 种,但是研究相对较少4。在砒砂岩区具有推广价沙机理分析、现场试验技术研发等工作,5。试 值的饲草植物有羊草、冰草、紫花苜蓿、沙打旺等;灌验表明,沙棘植物柔性坝坝系能改变沟道的输水输 木树种有花棒、乌柳、柽柳、蒙古莸、驼绒藜等。沙特性,削峰降低剪切力;具有抬高侵蚀基准面、拦 2.2工程措施 沙泄流恢复生态多功能;植物柔性坝还可以明显 砒砂岩区的工程措施主要包括坡面工程措施增加土壤含水量,如沙棘柔性坝沟道的土壤含水量约 (水平沟、鱼鱗坑、沟边埂、截水沟等)、沟头防护工是对比沟的2倍。如果将植物柔性坝与刚性谷坊 程、沟道工程(淤地坝、塘坝、谷坊、小型拦蓄工程配置,能把暴雨洪水挟带的泥沙进行分选,粗泥沙被 等),未见对新类型工程措施的报道。 拦在柔性坝内,细泥沙淤积在刚性谷坊中。 砒砂岩区的坡面坡度大多在35°以上,极不稳 植物柔性坝主要布设在沟头段,总坝长以在沟 定,因此不宜建设坡面工程措施,大多只能建于覆土头种植1/5沟长为宜。随着植物生长,柔性坝规模 区的坡顶。由于砒砂岩原岩颗粒粗,孔隙率大,遇水处于不断变化中,根据试验6,坝高变化服从 极易崩解,抗水流冲刷能力弱,因此,建设沟道治理 Logistic型生长函数关系。目前,关于植物柔性坝的 工程措施又往往缺乏建筑材料,大大制约了该地区试验范围仍然有限,需要在覆土、覆沙、裸露砒砂岩 淤地坝等工程措施的实施。1997年绥德水土保持区分别开展试验研究,探索不同的布设技术与模式。 科学试验站曾开展了砒砂岩区筑坝材料可行性分2.4抗蚀促生措施 析、砒砂岩筑坝施工方法试验研究等工作523)。通 所谓抗蚀促生系指一种既可以固结砒砂岩表层 过试验表明,砒砂岩区的黄土、沟床沙、红色砒砂岩又可以抵抗水蚀风蚀,而且还能够促进植物生长的 风化物等可用于筑坝材料,而白色砒砂岩风化物不生态修复新技术。抗蚀促生是治理砒砂岩坡面 能直接用于修建淤地坝;最优辅料厚度为40cm,施水土流失、快速恢复植被的一项综合性措施。 工碾压不低于3遍。为解决砒砂岩区建设淤地坝的 针对砒砂岩遇水成泥、极易崩解、土壤贫瘠的特 材料匮乏问题,对砒砂岩进行改性,使之改变遇水溃点,近年一种具有抗蚀促生功能的环保型高新复合 散的性质,能够满足建设淤地坝的需要,显然是一条材料得以问世{,该材料能够包裹砒砂岩单体分散 值得探索的新途径。 颗粒形成综合性能优异的弹性复合体叫。根据 在“十二五”期间,通过国家科技支撑计划资2014-2016年示范监测,抗蚀促生材料具有很好的 助,黄河水利科学硏究院联合国内多家高校及科研防治土壤侵蚀、恢复植被的功能,使不长草不长树的 单位,对这一技术开展了联合攻关。研究表明,砒砂岩坡面长出了草,示范区植被覆盖度达到90% 砒砂岩破坏具有二元结构特征,即膨胀元和胶结元,以上,径流量减少70%~95%,产沙量减少90%以 并据其结构破坏过程,建立了二元结构空心球几何上(表2)。 模型及其力学关系。据此,提出了减小膨胀元膨 胀力、增加胶结元弹性模量的改性原理。基于此原 综合治理模式与途径 理,可通过添加Na2SiO3等碱性激发剂和凝聚物质 通过多年的治理实践与探索中,先后提出了治 的胶凝增强技术途径,达到抑制蒙脱石膨胀力、提高理砒砂岩的一些单项的或综合的治理模式。例如 胶结能力的目的纠。目前已研发出砒砂岩改性材毕慈芬等提出的综合治理模式以植物“柔性坝” 料,并建成了改性材料淤地坝,该坝坝高10m,库容拦沙工程为主体,以沟道淤地坝、“人工湿地”“¨人 水利水电科技进晨,2019,39(5)7:025-83786335E-mail:j=@hu.eda.cnhttp:/fiur.hha.edm

水利水电科技进展,2019,39(5) Tel:025 83786335 E鄄mail:jz@ hhu. edu. cn http: / / jour. hhu. edu. cn 应能力强的杨柳科乔木。 河北杨、白杨等与刺槐、沙 棘、紫穗槐等形成混交林,则土壤的肥力以及微生物 含量会得到明显改善,能促进林地植被的恢复和生 长,维持生态系统的稳定性[50] ;侧柏也是砒砂岩干 旱区一种比较常见的人工林树种,其对土壤有改善 作用[51鄄53] ;榆树属于砒砂岩区唯一可自生的乔木树 种,与当地草本植物形成较好的共生性,但在干旱地 区往往形成“小老头林冶现象;山杏属于砒砂岩区一 种主要的经济林,但是散种面积小,经济效益低,因 此如何在砒砂岩区实现生态恢复的同时,高效开发 山杏、山桃等经济林产业是值得研究的。 在砒砂岩 区也进行过大面积的旱柳、樟子松、杜松、臭椿等栽 种,但是研究相对较少[44] 。 在砒砂岩区具有推广价 值的饲草植物有羊草、冰草、紫花苜蓿、沙打旺等;灌 木树种有花棒、乌柳、柽柳、蒙古莸、驼绒藜等[1,44] 。 2. 2 工程措施 砒砂岩区的工程措施主要包括坡面工程措施 (水平沟、鱼鳞坑、沟边埂、截水沟等)、沟头防护工 程、沟道工程(淤地坝、塘坝、谷坊、小型拦蓄工程 等),未见对新类型工程措施的报道。 砒砂岩区的坡面坡度大多在 35毅以上,极不稳 定,因此不宜建设坡面工程措施,大多只能建于覆土 区的坡顶。 由于砒砂岩原岩颗粒粗,孔隙率大,遇水 极易崩解,抗水流冲刷能力弱,因此,建设沟道治理 工程措施又往往缺乏建筑材料,大大制约了该地区 淤地坝等工程措施的实施。 1997 年绥德水土保持 科学试验站曾开展了砒砂岩区筑坝材料可行性分 析、砒砂岩筑坝施工方法试验研究等工作[52鄄53] 。 通 过试验表明,砒砂岩区的黄土、沟床沙、红色砒砂岩 风化物等可用于筑坝材料,而白色砒砂岩风化物不 能直接用于修建淤地坝;最优辅料厚度为 40 cm,施 工碾压不低于 3 遍。 为解决砒砂岩区建设淤地坝的 材料匮乏问题,对砒砂岩进行改性,使之改变遇水溃 散的性质,能够满足建设淤地坝的需要,显然是一条 值得探索的新途径。 在“十二五冶 期间,通过国家科技支撑计划资 助,黄河水利科学研究院联合国内多家高校及科研 单位,对这一技术开展了联合攻关[17] 。 研究表明, 砒砂岩破坏具有二元结构特征,即膨胀元和胶结元, 并据其结构破坏过程,建立了二元结构空心球几何 模型及其力学关系[17] 。 据此,提出了减小膨胀元膨 胀力、增加胶结元弹性模量的改性原理。 基于此原 理,可通过添加 Na2 SiO3 等碱性激发剂和凝聚物质 的胶凝增强技术途径,达到抑制蒙脱石膨胀力、提高 胶结能力的目的[54] 。 目前已研发出砒砂岩改性材 料,并建成了改性材料淤地坝,该坝坝高 10 m,库容 3郾 3 万 m 3 ,经检测其各项力学指标均满足水利部的 相关技术标准要求[55] 。 2. 3 植物柔性坝 之所以把植物“柔性坝冶 单独作为一种治理措 施,主要是因为这种措施不仅具有植物措施减少地 表冲刷侵蚀的作用,同时又有淤地拦沙的作用。 所 谓植物“柔性坝冶是指在沟道内沿垂直水流方向种 植若干行诸如沙棘等根系发达、自行更新能力强的 植物,作为坝体框架,利用洪水携带大量泥沙和植物 干枝阻水进行群体滞洪沉沙,进而形成具有拦沙、溢 流或泄流功能的新的治理沟道的综合措施[56鄄58] 。 自 20 世纪 90 年代初,开展了植物“柔性坝冶拦 沙机理分析、现场试验技术研发等工作[9,57鄄59] 。 试 验表明,沙棘植物柔性坝坝系能改变沟道的输水输 沙特性,削峰降低剪切力;具有抬高侵蚀基准面、拦 沙泄流、恢复生态多功能[60] ;植物柔性坝还可以明显 增加土壤含水量,如沙棘柔性坝沟道的土壤含水量约 是对比沟的 2 倍[61] 。 如果将植物柔性坝与刚性谷坊 配置,能把暴雨洪水挟带的泥沙进行分选,粗泥沙被 拦在柔性坝内,细泥沙淤积在刚性谷坊中[62] 。 植物柔性坝主要布设在沟头段,总坝长以在沟 头种植 1 / 5 沟长为宜。 随着植物生长,柔性坝规模 处于不 断 变 化 中, 根 据 试 验[63] , 坝 高 变 化 服 从 Logistic 型生长函数关系。 目前,关于植物柔性坝的 试验范围仍然有限,需要在覆土、覆沙、裸露砒砂岩 区分别开展试验研究,探索不同的布设技术与模式。 2. 4 抗蚀促生措施 所谓抗蚀促生系指一种既可以固结砒砂岩表层 又可以抵抗水蚀风蚀,而且还能够促进植物生长的 生态修复新技术[17] 。 抗蚀促生是治理砒砂岩坡面 水土流失、快速恢复植被的一项综合性措施。 针对砒砂岩遇水成泥、极易崩解、土壤贫瘠的特 点,近年一种具有抗蚀促生功能的环保型高新复合 材料得以问世[17] ,该材料能够包裹砒砂岩单体分散 颗粒形成综合性能优异的弹性复合体[64鄄66] 。 根据 2014—2016 年示范监测,抗蚀促生材料具有很好的 防治土壤侵蚀、恢复植被的功能,使不长草不长树的 砒砂岩坡面长出了草,示范区植被覆盖度达到 90% 以上,径流量减少 70% ~ 95% ,产沙量减少 90% 以 上(表 2)。 3 综合治理模式与途径 通过多年的治理实践与探索中,先后提出了治 理砒砂岩的一些单项的或综合的治理模式。 例如, 毕慈芬等[67]提出的综合治理模式以植物“柔性坝冶 拦沙工程为主体,以沟道淤地坝、“人工湿地冶 “人 ·4·

表2抗蚀促生试验区减水减沙效果 类措施有机匹配、阻控侵蚀与生态恢复多功能协调、 时间降水量试验区径流量/径流泥沙量/泥沙 生态效益与经济社会效益统筹等方面仍有许多亟待 类型m3减少%妈g减少/突破的科学问题与关键技术。随着我国生态文明建 对照区0.47 2014701 治理区0. 72.3 96.0设重大战略的推进,砒砂岩区治理必将受到更多更 2014802356治理区0.3870195.194泛的关注。近期,国家重点研发计划专门列设 对照区1.27 “鄂尔多斯高原砒砂岩区生态综合治理技术”项目 对照区0.08 2014408-2222.6 75.0 治理区0.02 91.4以期在砒砂岩区生态综合治理的理论、技术与实践 201400224.4对照区0.24 治理区0.0291.796 上取得创新,为砒砂岩区脆弱生态系统恢复重建和 0.038 黄河粗泥沙治理提供技术支撑。实现侵蚀阻控与植 2015071852.8治理区0.02 95.1被恢复一体化的生态综合治理将成为砒砂岩区土壤 710.5 2016-07-1534.2 侵蚀治理技术研究的未来主要发展方向。为此,以 治理区0.12 下基础问题及治理技术是迫切需要研究解决的。 2016072442.2对照区0.26 83.9 69.2 a.砒砂岩区治理的生态承载力约束条件。砒 20164081296.2对照区2.59 10480 砂岩区水资源匮乏,土壤贫瘠,立地条件极差,因 治理区0.16 此,砒砂岩区退化生态系统的有效恢复重建受到其 2016-08-17161.2 对照区6.57 治理区4.97 77.0 95.7生态承载力的严格约束,砒砂岩区治理技术、模式的 注:此表由准格尔旗水土保持局水土保持工作站提供 研发与选取也均应以生态承载力为前提。为此,需 滩地”为沟底基本农田的主要组成部分,以骨干要在植被空间格局、退化成因以及植被与复合侵蚀 坝为依托,以微型水库为保证,形成支毛沟拦截粗耦合研究的基础上,通过构建砒砂岩区生态承载力 沙,“人工滩地”、沟道坝地拦截细沙,坝与坝之间形评价指标体系,定量评估砒砂岩覆土覆沙裸露不同 成“人工湿地”沟道坝地,增加天然径流入渗量,微类型区的生态承载力,研究砒砂岩区生态承载力维 型水库拦蓄全部剩余径流,达到粗细沙、水沙分治,持与提升机制,进而为研发砒砂岩区治理技术提供 使水沙平衡、生态平衡,达到可持续发展的目的;马基础支撑。 超德等提出了“盖顶、束腰、锁边、护坡、固沟”的 b.复合土壤侵蚀综合治理技术。砒砂岩区复 沙棘治理砒砂岩的模式;王愿昌等(总结的砒砂岩合侵蚀特征十分突出,多种动力侵蚀交替耦合发 区综合治理模式构建三道防线,即梁峁坡防护体系、生),因而,对砒砂岩区侵蚀治理应考虑不同类型 沟沿和沟坡防护体系、沟道防护体系;姚文艺等∞侵蚀的发生机理、复合侵蚀规律及其空间分异性,需 提出的抗蚀促生二元立体配置模式根据砒砂岩区地要从流域尺度的视角,以系统的观点综合研发不同 貌结构及复合侵蚀类型多、侵蚀-地貌-植被耦合且地貌单元的治理技术,在明晰不同类型区水力、 空间分异性突出的侵蚀环境及其侵蚀规律,构成风力、冻融、重力等多动力复合类型及时空分异性, 抗蚀促生措施砒砂岩改性工程措施-生物措施有机阐明坡顶-坡面-沟道地貌系统产汇流及泥沙产输规 组合的措施单元、坡面-沟道系统侵蚀地貌单元相适律基础上,研发土壤侵蚀与生态综合治理技术,开 配的综合治理技术体系,形成坡顶、坡面、沟道自上辟砒砂岩侵蚀治理的固结植生等新技术新途径,构建 而下全覆盖,生物、工程、抗蚀促生多措施并举的综基于生物-植生固结-工程措施体系的综合治理模式 合治理模式 实现砒砂岩全区域-侵蚀全类型一生态全要素的综合 治理模式是综合治理措施或技术的配置方式,治理,解决生态系统持续退化的侵蚀环境问题。 对于同类型区而言,应具有普适性、一般性与特殊性 c.不同类型退化植被恢复重建技术。不同的 相衔接、可复制与可推广的特点,因此,无论何种模植被种类及其配置模式对砒砂岩区环境的适应性及 式,均需通过实践不断加以改进和完善。 对环境产生的影响均不相同,如何选择适生植物是 4前景与展望 砒砂岩侵蚀治理、植被恢复的重点课题之一。为此, 需要研究抗逆性植物材料筛选与适应性,解决不同 总体来看,尽管几十年来针对砒砂岩侵蚀治理立地条件抗逆性植物的筛选培育技术,以及地表生 技术开展了多项研究与实践,取得了一定的进展,但物质培育技术,进而突破植被恢复重建与生物质提 传统治理局部化、零散化、间断化的问题突出,缺乏质增效关键技术瓶颈,形成不同类型区适生植物的 全区域尺度复合侵蚀阻控、退化生态治理为一体的优选及其定向培育关键技术体系,研发覆沙、覆土 系统综合解决方案与技术体系,在复合性侵蚀与多裸露砒砂岩区退化植被恢复与重建技术,实现不同 水利水电科技进晨,2019,39(5)7e:025-83786335E-mail:j@hu.eda.cnhp://iour.hhu.eda.cn 5

水利水电科技进展,2019,39(5) Tel:025 83786335 E鄄mail:jz@ hhu. edu. cn http: / / jour. hhu. edu. cn 表 2 抗蚀促生试验区减水减沙效果 时间 降水量/ mm 试验区 类型 径流量/ m 3 径流 减少/ % 泥沙量/ kg 泥沙 减少/ % 2014鄄07鄄01 16郾 4 2014鄄08鄄02 35. 6 2014鄄08鄄22 22. 6 2014鄄09鄄22 42. 4 2015鄄07鄄18 52. 8 2016鄄07鄄15 34. 2 2016鄄07鄄24 42. 2 2016鄄08鄄12 96. 2 2016鄄08鄄17 161. 2 对照区 0. 47 治理区 0. 13 对照区 1. 27 治理区 0. 38 对照区 0. 08 治理区 0. 02 对照区 0. 24 治理区 0. 02 对照区 0. 10 治理区 0. 02 对照区 2. 47 治理区 0. 12 对照区 0. 26 治理区 0. 08 对照区 2. 59 治理区 0. 16 对照区 6. 57 治理区 4. 97 72. 3 70. 1 75. 0 91. 7 80. 0 95. 1 69. 2 93. 8 24. 3 216. 1 8. 6 1 895. 1 11. 9 18. 7 1. 6 9. 6 0. 038 8. 1 0. 4 710. 5 9. 6 83. 9 8. 2 1 048郾 0 26. 0 1 793郾 0 77. 0 96. 0 99. 4 91. 4 99. 6 95. 1 98. 6 90. 2 97. 5 95. 7 注:此表由准格尔旗水土保持局水土保持工作站提供。 工滩地冶为沟底基本农田的主要组成部分, 以骨干 坝为依托, 以微型水库为保证, 形成支毛沟拦截粗 沙,“人工滩地冶、沟道坝地拦截细沙,坝与坝之间形 成“人工湿地冶、沟道坝地,增加天然径流入渗量,微 型水库拦蓄全部剩余径流,达到粗细沙、水沙分治, 使水沙平衡、生态平衡,达到可持续发展的目的;马 超德等[68]提出了“盖顶、束腰、锁边、护坡、固沟冶的 沙棘治理砒砂岩的模式;王愿昌等[1] 总结的砒砂岩 区综合治理模式构建三道防线,即梁峁坡防护体系、 沟沿和沟坡防护体系、沟道防护体系;姚文艺等[69] 提出的抗蚀促生二元立体配置模式根据砒砂岩区地 貌结构及复合侵蚀类型多、侵蚀 地貌 植被耦合且 空间分异性突出[70]的侵蚀环境及其侵蚀规律,构成 抗蚀促生措施 砒砂岩改性工程措施 生物措施有机 组合的措施单元、坡面 沟道系统侵蚀地貌单元相适 配的综合治理技术体系,形成坡顶、坡面、沟道自上 而下全覆盖,生物、工程、抗蚀促生多措施并举的综 合治理模式。 治理模式是综合治理措施或技术的配置方式, 对于同类型区而言,应具有普适性、一般性与特殊性 相衔接、可复制与可推广的特点,因此,无论何种模 式,均需通过实践不断加以改进和完善。 4 前景与展望 总体来看,尽管几十年来针对砒砂岩侵蚀治理 技术开展了多项研究与实践,取得了一定的进展,但 传统治理局部化、零散化、间断化的问题突出,缺乏 全区域尺度复合侵蚀阻控、退化生态治理为一体的 系统综合解决方案与技术体系,在复合性侵蚀与多 类措施有机匹配、阻控侵蚀与生态恢复多功能协调、 生态效益与经济社会效益统筹等方面仍有许多亟待 突破的科学问题与关键技术。 随着我国生态文明建 设重大战略的推进,砒砂岩区治理必将受到更多更 广泛的关注。 近期,国家重点研发计划专门列设 “鄂尔多斯高原砒砂岩区生态综合治理技术冶项目, 以期在砒砂岩区生态综合治理的理论、技术与实践 上取得创新,为砒砂岩区脆弱生态系统恢复重建和 黄河粗泥沙治理提供技术支撑。 实现侵蚀阻控与植 被恢复一体化的生态综合治理将成为砒砂岩区土壤 侵蚀治理技术研究的未来主要发展方向。 为此,以 下基础问题及治理技术是迫切需要研究解决的。 a. 砒砂岩区治理的生态承载力约束条件。 砒 砂岩区水资源匮乏,土壤贫瘠[20] ,立地条件极差,因 此,砒砂岩区退化生态系统的有效恢复重建受到其 生态承载力的严格约束,砒砂岩区治理技术、模式的 研发与选取也均应以生态承载力为前提。 为此,需 要在植被空间格局、退化成因以及植被与复合侵蚀 耦合研究的基础上,通过构建砒砂岩区生态承载力 评价指标体系,定量评估砒砂岩覆土覆沙裸露不同 类型区的生态承载力,研究砒砂岩区生态承载力维 持与提升机制,进而为研发砒砂岩区治理技术提供 基础支撑。 b. 复合土壤侵蚀综合治理技术。 砒砂岩区复 合侵蚀特征十分突出,多种动力侵蚀交替/ 耦合发 生[71] ,因而,对砒砂岩区侵蚀治理应考虑不同类型 侵蚀的发生机理、复合侵蚀规律及其空间分异性,需 要从流域尺度的视角,以系统的观点综合研发不同 地貌单元的治理技术[72] ,在明晰不同类型区水力、 风力、冻融、重力等多动力复合类型及时空分异性, 阐明坡顶 坡面 沟道地貌系统产汇流及泥沙产输规 律基础上[73] ,研发土壤侵蚀与生态综合治理技术,开 辟砒砂岩侵蚀治理的固结植生等新技术新途径,构建 基于生物 植生固结 工程措施体系的综合治理模式, 实现砒砂岩全区域 侵蚀全类型 生态全要素的综合 治理,解决生态系统持续退化的侵蚀环境问题。 c. 不同类型退化植被恢复重建技术。 不同的 植被种类及其配置模式对砒砂岩区环境的适应性及 对环境产生的影响均不相同,如何选择适生植物是 砒砂岩侵蚀治理、植被恢复的重点课题之一。 为此, 需要研究抗逆性植物材料筛选与适应性,解决不同 立地条件抗逆性植物的筛选培育技术,以及地表生 物质培育技术,进而突破植被恢复重建与生物质提 质增效关键技术瓶颈,形成不同类型区适生植物的 优选及其定向培育关键技术体系,研发覆沙、覆土、 裸露砒砂岩区退化植被恢复与重建技术,实现不同 ·5·

类型区植被定向恢复与重建及功能提升,有效防治[5]刘向军,王玉梅.浅析砒砂岩水土流失重点治理区的沙 土壤侵蚀发生。 棘生态建设[J].内蒙古水利,2002(1):56-57.(LU d.资源开发的生态安全保障技术。砒砂岩区 Xiangjun, WANG Yumei. Ecological construction of 富含煤炭等资源,资源开发等人类活动强烈,加剧了 hippophae rhamnoides in key control areas of soil and 该区的土壤侵蚀程度。因此,研发资源开发等人类 water loss in Pisha sandstone [J]. Inner Mongolia Water Conservancy, 2002(1): 56-57.(in Chinese)) 活动侵蚀与生态破坏的治理、防控技术,实现资源开[6]李旭,李海宽创建世行贷款项目管理新模式:内蒙古 发与生态良性维持仍是一项挑战性的课题。为此, 自治区黄土高原水土保持世行项目建设概述[J]中国 需要分析资源开发与区域生态安全之间的相互关 水利,2005(12):46.(L1Xu, LI Haikuan. Creating a 系,揭示其对区域生态安全的影响途径与机制,重点 new model for World Bank financed project: brief 研发实现工程创面防护和生态恢复双重作用的技 introduction of Inner Mongolia autonomous region of loess 术2),突破资源开发区域伴生物稳定无害化原位利 Plateauwatershed rehabilitation project[ J]. China Water 2005(12):46.( in Chinese)) 用、资源开发区域砒砂岩土壤化改质-肥力提升资[7]殷丽强梁月砒砂岩区人工沙棘林枯落物的持水性能 源开发区域边坡抗蚀-植生技术体系,建立多因素驱 [J].国际沙棘研究与开发,2007(3):10-13.(YIN 动下的资源开发与生态安全的协同机制,形成资源 Liqiang, LIANG Yue. Water-holding capability of litter 开发-生态修复及安全保障的技术模式。 layers of artificial seabuckthorn stands in arsenic sandstone e.砒砂岩资源利用及生态产业技术。为实现 area [J]. The Global Seabuchthorn Research and 砒砂岩区治理的可持续性,保障治理与经济协同高 Development, 2007(3): 10-13.( in Chinese)) [8]祁永新,刘则荣,王兴中.黄土高原水土保持二期世行 质量发展,使砒砂岩区当地农民摆脱“生态致贫”的 贷款项日蓄水保土效益分析[J].水土保持研究,2008, 困境,把生态治理与生态产业发展有机结合是非常 15(5): 204-207.( QI Yongxin, LIU Zerog, WANG 重要的。根据砒砂岩区的治理技术发展及资源开发 Xingzhong. Effect analysis of soil and water conservation 状况,建议研发集成砒砂岩质地土壤改良、沙地整 from the Loess Plateau Watershed Rehabilitation Project 治、砒砂岩改性、生物质资源利用等产业技术,通过 Phase )[J]. Research of Soil and Water 生态恢复与林果产业发展相结合、工程治理与砒砂 Conservation, 2008, 15(5): 204-207.(in Chinese)) 岩改性相结合构建生态恢复产业经济协同高质量9毕慈芬砒砂岩地区沟道水土流失的分析[CJ/毕慈 发展型模式,实现砒砂岩区“侵蚀治理一生态恢复 验研究阶段总报告(1995-1998)[R].郑州:水利部黄 经济提升”的良性发展。 委会黄河上中游管理局,1999:1-33 参考文献: [10]姚文艺,时明立,吴智仁,等.砒砂岩区二元立体配置治 理技术及示范效果[J].人民黄河,2016,38(6)1-7 [1]王愿昌,吴永红,李敏,等砒砂岩地区水土流失及其治 YAo Wenyi, SHI Mingli, WU Zhiren, et al 理途径研究[M]郑州:黄河水利出版社,2007 Management technology and demonstration effect on two- 2]毕慈芬,李桂芬沙棘在治理砒砂岩地区水土流失中的 dimensional configuration in Pisha sandstone area [J] 特殊功能[J].水利水电快报,1998,19(18):1-3.(BI Yellow River, 2016, 38(6)1-7.( in Chinese)) Gien, LI Guifen. Special function of seabuckthorn in[1Ⅰ]韩兆敏,姚云峰,郭月峰,等.砒砂岩区油松的茎流特征 controlling soil erosion in Pisha sandstone area [J] 及其与环境因子的关系[J].生态环境学报,2017,26 Express Water Resources Hydropower Information (7): 1145-1151.( HAN Zhaomin, YAO Yunfeng, GUO 1998,19(18):1-3.( in Chinese)) Yuefeng, et al. Sap flow characteristics of pinus [3]张金慧,徐立青,耿绥和.砒砂岩筑坝施工方法初步试 tabulaeformis in soft rock area and its relationship 验研究[J].中国水土保持,2002(10):31-32.( ZHANG nvironmental factors [J]. Ecology and Environment Jir XU Liqing, GENG Su Preliminary 2017,26(7):1145151.( in Chinese)) experimental study on construction method of Pisha[12]苏涛张兴昌,王仁君,等植被覆盖度对砒砂岩地区边 sandstone dam[ J]. Soil and Water Conservation in China 坡侵蚀的减流减沙效益[J].水土保持学报,2015, 2002(10):31-32.( in Chinese)) (3): 98-101, 255. (SU Tao, ZHANG Xingchang, WANG [4]徐建华,高亚军,李晓宇,等.黄河中游多沙粗沙区治理 Renjun, et al. Effect of vegetation covera 对黄河水资源的影响[J].水土保持学报,2007,21 rosion reduction and sediment reduction in pisha (6): 47-50. (XU Jianhua, GAO Yajun, LI Xiaoyu, et al. [J]. Jou Impact of controlling to sediment-laden and coarse sand Conservation, 2015, 29(3): 98-101, 255.( in Chinese)) area in middle Yellow river on water resoure of lower[13]毕慈芬,王富贵,赵光耀,等.砒砂岩区沟道人工湿地生 Yellow River[J]. Journal of Soil and Water Conservation 态系统的构建和建议[C]//中国水利技术信息中心 2007,21(6):47-50.( in Chinese)) 第八届全国江湖治理与水生态文明发展论坛文集.北 6 水利水电科技进晨,2019,39(5)7e:025-83786335E-mail:j@hu.eda.cnhp://iour.hhu.eda.cn

水利水电科技进展,2019,39(5) Tel:025 83786335 E鄄mail:jz@ hhu. edu. cn http: / / jour. hhu. edu. cn 类型区植被定向恢复与重建及功能提升,有效防治 土壤侵蚀发生。 d. 资源开发的生态安全保障技术。 砒砂岩区 富含煤炭等资源,资源开发等人类活动强烈,加剧了 该区的土壤侵蚀程度。 因此,研发资源开发等人类 活动侵蚀与生态破坏的治理、防控技术,实现资源开 发与生态良性维持仍是一项挑战性的课题。 为此, 需要分析资源开发与区域生态安全之间的相互关 系,揭示其对区域生态安全的影响途径与机制,重点 研发实现工程创面防护和生态恢复双重作用的技 术[72] ,突破资源开发区域伴生物稳定无害化原位利 用、资源开发区域砒砂岩土壤化改质 肥力提升、资 源开发区域边坡抗蚀 植生技术体系,建立多因素驱 动下的资源开发与生态安全的协同机制,形成资源 开发 生态修复及安全保障的技术模式。 e. 砒砂岩资源利用及生态产业技术。 为实现 砒砂岩区治理的可持续性,保障治理与经济协同高 质量发展,使砒砂岩区当地农民摆脱“生态致贫冶的 困境,把生态治理与生态产业发展有机结合是非常 重要的。 根据砒砂岩区的治理技术发展及资源开发 状况,建议研发集成砒砂岩质地土壤改良、沙地整 治、砒砂岩改性、生物质资源利用等产业技术,通过 生态恢复与林果产业发展相结合、工程治理与砒砂 岩改性相结合,构建生态恢复 产业经济协同高质量 发展型模式,实现砒砂岩区“侵蚀治理 生态恢复 经济提升冶的良性发展。 参考文献: [ 1 ] 王愿昌,吴永红,李敏,等. 砒砂岩地区水土流失及其治 理途径研究[M]. 郑州:黄河水利出版社,2007. [ 2 ] 毕慈芬,李桂芬. 沙棘在治理砒砂岩地区水土流失中的 特殊功能[ J]. 水利水电快报,1998,19 (18):1鄄3. ( BI Cifen, LI Guifen. Special function of seabuckthorn in controlling soil erosion in Pisha sandstone area [ J ]. Express Water Resources & Hydropower Information, 1998, 19(18):1鄄3. (in Chinese)) [ 3 ] 张金慧,徐立青,耿绥和. 砒砂岩筑坝施工方法初步试 验研究[J]. 中国水土保持,2002(10):31鄄32. (ZHANG Jinhui, XU Liqing, GENG Suihe. Preliminary experimental study on construction method of Pisha sandstone dam[J]. Soil and Water Conservation in China, 2002(10):31鄄32. (in Chinese)) [ 4 ] 徐建华,高亚军,李晓宇,等. 黄河中游多沙粗沙区治理 对黄河水资源的影响[ J]. 水土保持学报,2007,21 (6):47鄄50. (XU Jianhua, GAO Yajun, LI Xiaoyu,et al. Impact of controlling to sediment鄄laden and coarse sand area in Middle Yellow River on water resourc of Lower Yellow River[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2007,21(6):47鄄50. (in Chinese)) [ 5 ] 刘向军,王玉梅. 浅析砒砂岩水土流失重点治理区的沙 棘生态建设[ J]. 内蒙古水利,2002 (1):56鄄57. ( LIU Xiangjun, WANG Yumei. Ecological construction of hippophae rhamnoides in key control areas of soil and water loss in Pisha sandstone [ J]. Inner Mongolia Water Conservancy,2002(1):56鄄57. (in Chinese)) [ 6 ] 李旭,李海宽. 创建世行贷款项目管理新模式:内蒙古 自治区黄土高原水土保持世行项目建设概述[J]. 中国 水利,2005(12):4鄄6. (LI Xu, LI Haikuan. Creating a new model for World Bank financed project: brief introduction of Inner Mongolia autonomous region of Loess Plateauwatershed rehabilitation project[J]. China Water, 2005(12):4鄄6. (in Chinese)) [ 7 ] 殷丽强,梁月. 砒砂岩区人工沙棘林枯落物的持水性能 [J]. 国际沙棘研究与开发,2007 ( 3 ):10鄄13. ( YIN Liqiang, LIANG Yue. Water鄄holding capability of litter layers of artificial seabuckthorn stands in arsenic sandstone area [ J ]. The Global Seabuckthorn Research and Development,2007(3):10鄄13. (in Chinese)) [ 8 ] 祁永新,刘则荣,王兴中. 黄土高原水土保持二期世行 贷款项目蓄水保土效益分析[J]. 水土保持研究,2008, 15 ( 5 ): 204鄄207. ( QI Yongxin, LIU Zerog, WANG Xingzhong. Effect analysis of soil and water conservation from the Loess Plateau Watershed Rehabilitation Project ( Phase 域 ) [ J ]. Research of Soil and Water Conservation, 2008,15(5):204鄄207. (in Chinese)) [ 9 ] 毕慈芬. 砒砂岩地区沟道水土流失的分析[C] / / 毕慈 芬,李桂芬,于倬德,等. 砒砂岩地区植物“柔性坝冶 试 验研究阶段总报告(1995—1998)[R]. 郑州:水利部黄 委会黄河上中游管理局,1999:1鄄33. [10] 姚文艺,时明立,吴智仁,等. 砒砂岩区二元立体配置治 理技术及示范效果[ J]. 人民黄河,2016,38 (6) 1鄄7. ( YAO Wenyi, SHI Mingli, WU Zhiren, et al. Management technology and demonstration effect on two鄄 dimensional configuration in Pisha sandstone area [ J ]. Yellow River, 2016,38(6)1鄄7. (in Chinese)) [11] 韩兆敏,姚云峰,郭月峰,等. 砒砂岩区油松的茎流特征 及其与环境因子的关系[ J]. 生态环境学报,2017,26 (7):1145鄄1151. (HAN Zhaomin, YAO Yunfeng, GUO Yuefeng, et al. Sap flow characteristics of pinus tabulaeformis in soft rock area and its relationship with environmental factors [ J ]. Ecology and Environment, 2017,26(7):1145鄄1151. (in Chinese)) [12] 苏涛,张兴昌,王仁君,等. 植被覆盖度对砒砂岩地区边 坡侵蚀的减流减沙效益[ J]. 水土保持学报,2015,29 (3):98鄄101,255. (SU Tao, ZHANG Xingchang, WANG Renjun, et al. Effect of vegetation coverage on slope erosion reduction and sediment reduction in Pisha sandstone area [ J ]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015,29(3):98鄄101,255. (in Chinese)) [13] 毕慈芬,王富贵,赵光耀,等. 砒砂岩区沟道人工湿地生 态系统的构建和建议[C] / / 中国水利技术信息中心. 第八届全国江湖治理与水生态文明发展论坛文集. 北 ·6·

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