馬培淵 秦富倉 楊振奇 李云

1.內蒙古農業(yè)大學沙漠治理學院 內蒙古呼和浩特 010018；2.中國水利水電科學研究院內蒙古陰山北麓荒漠草原生態(tài)水文野外科學觀測研究站 北京 100038；3.水利部牧區(qū)水利科學研究所 內蒙古呼和浩特 010020；4.鄂爾多斯市水利事業(yè)發(fā)展中心 內蒙古鄂爾多斯 017002

砒砂巖是一種松散巖層，由厚層砂巖、砂頁頁巖和泥質砂巖構成的。因為砒砂巖上覆土層層厚與壓力低,導致其結構強度與成巖程度非常差,具備“無水堅固,遇水腐爛”的特性，被國內外水土保持學界稱為“世界水土流失之最”“地球環(huán)境癌癥”等。巖石類型主要為砂頁巖、泥質砂巖、長石砂巖及泥巖等，交錯層理、色彩雜亂,通常以灰白、紫色、粉紅、灰綠色等顏色互層相間而存在，形似“五花肉”[1]。黃河流域砒砂巖區(qū)內氣候干燥，土地支離破碎，典型水力、風力、重力與凍融等多動力類型侵蝕交互疊加發(fā)生，形成復合侵蝕。每年注入黃河的黃泥沙量高達3.5億t;同時,注入黃河的粗泥沙量(粒徑>0.05mm)約為2.8t,占黃河流域年均沉降量的很大一部分,也是造成黃河流域安全地的首害[2]。從另一個角度來說，砒砂巖區(qū)水土流失嚴重,嚴重破壞當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境,導致植被稀疏,出現(xiàn)了大面積砒砂巖裸露現(xiàn)象。因此砒砂巖區(qū)復合侵蝕綜合治理和水土流失防控是全區(qū)生態(tài)環(huán)境建設的首要工作[3]。另外砒砂巖區(qū)還是我國豐富的煤炭資源開發(fā)區(qū)，該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境修復治理對于支撐我國資源供給和經濟增長有舉足輕重的戰(zhàn)略地位。

在1980年，鄂爾多斯市的沙棘試種工作取得突破性進展，研究表明沙棘非常適合在砒砂巖地區(qū)復雜的自然環(huán)境下生長發(fā)育，所以在1985年水利部專家錢正英[4]在西北地區(qū)視察時建議“以沙棘作為治理砒砂巖區(qū)的切入點”，隨后便開始了砒砂巖區(qū)的治理征程，包括眾多專家學者開始了砒砂巖區(qū)治理的研究以及國家投資的砒砂巖區(qū)治理項目。1999年，我國水利部有關專家組成的考察組對砒砂巖區(qū)具有生態(tài)和經濟價值的灌木進行了考察，取得了巨大的成果[5]。畢慈芬等利用沙棘植物根系發(fā)達，耐旱和自身繁殖力強的特點提出沙棘“柔性壩”的設想，將砂直接攔截在山間溝壑之中，從而達到快速恢復生態(tài)環(huán)境的目的[6]。21世紀初期，在國家和有關部門科技計劃的大力支持下，大批重點工程項目陸續(xù)落戶于砒砂巖區(qū)，“3S”技術也成為在砒砂巖區(qū)科研的主要技術手段，大批的研究者對砒砂巖侵蝕成因及規(guī)律、土地利用情況、水土流失狀況等因素進行了長期的深入研究。從最近20年來看，是砒砂巖區(qū)生態(tài)環(huán)境治理與生態(tài)修復技術的快速發(fā)展階段，在此期間提出了大量的生態(tài)修復治理方案，如種植沙棘檸條油松等為主的混交林生物措施治理[7]和采用新型抗蝕促生材料等配合魚鱗坑、坡改梯等生物措施、工程措施進行立體配置的治理模式，通過企業(yè)和高校的廣泛參與，取得了豐富成果[8-9]。

黨的十八大以來，中國生態(tài)環(huán)境領域的大部分法規(guī)都進行了新一輪修訂，對中國生態(tài)文明的建設提出了更高要求，砒砂巖地區(qū)作為中國黃河流域粗泥沙主要來源區(qū)之一，其環(huán)境恢復工作也迎來新的挑戰(zhàn)。如今，黃河流域砒砂巖區(qū)域的生態(tài)修復措施研究成果豐碩，綜合治理成效顯著，入黃泥沙的含量已逐漸下降，區(qū)域內生態(tài)環(huán)境發(fā)展走向不斷向好。但是傳統(tǒng)治理局部化、階段化的問題還是比較突出，缺少區(qū)域復合侵蝕的阻抗以及生態(tài)修復退化防治為一體的綜合治理體系，同時實踐中顯露出來的生態(tài)環(huán)境脆弱、造林成活率低、人工林退化以及植被類型單一且配置模式相對簡單等現(xiàn)實問題都有待解決。為此，本文對以往砒砂巖區(qū)生態(tài)修復措施的主要成果進行綜述，并討論現(xiàn)有研究的不足之處，展望砒砂巖區(qū)生態(tài)修復措施研究的主要發(fā)展方向，為砒砂巖區(qū)生態(tài)修復措施相關研究技術與實踐提供參考。

1 砒砂巖分布及巖性特征

明確砒砂巖侵蝕特征是有效研究治理手段的根基。黃河流域砒砂巖地區(qū)總面積約為1.67萬平方千米，分布區(qū)域東起黃河流域西至鄂爾多斯市杭錦旗境內，南鄰陜西省境內的神木縣，北接庫布齊沙漠的中南端。根據(jù)砒砂巖的上層覆蓋物和基巖裸露程度將砒砂巖劃分為蓋土、蓋沙和裸露區(qū)，其中以裸露區(qū)出露面積最大，侵蝕也最強烈，由于其巖石結構與性質的不同，目前在國外其他地區(qū)未見同樣巖石的報道與研究[10]。蓋土區(qū)指砒砂巖直接埋藏于黃土以下，黃土厚度通常超過1.5米；蓋沙區(qū)指砒砂巖直接埋藏于沙層以下；裸露區(qū)是指砒砂巖直接暴露在土層地表，上面并無厚沙或沙土厚度不超過1.5米。其中蓋土區(qū)總面積為0.84萬平方千米，裸露區(qū)總面積為0.46萬平方千米，蓋沙區(qū)總面積為0.37萬平方千米。蓋土區(qū)植被覆蓋度為20%左右，屬于嚴重侵蝕區(qū)，以水力侵蝕為主, 水力侵蝕、風力侵蝕和重力侵蝕交替發(fā)生[7]；蓋沙區(qū)植被覆蓋度少，主要以風蝕為主,表現(xiàn)出水蝕、風蝕等復合侵蝕的景象；裸露區(qū)植被覆蓋度極少，以水蝕為主。砒砂巖侵蝕與區(qū)域內植被類型，地質地貌，氣候條件等因素有關外，還與自身巖性也有不可分割的聯(lián)系。砒砂巖主體由許多礦物質組成，許多學者已經對礦物質的組成開展了深入研究，雖然所用的方式方法和實驗儀器設備不同，但對砒砂巖礦物質成分的檢驗結果基本一致，砒砂巖主要礦物質成分主要為石英、蒙脫石、長石和方解石等。砒砂巖中由于顏色的差異，相同的礦物質成分含量也出現(xiàn)了很大的差別；在不同深度，縱然顏色相同，同類的礦物成分含量也會呈現(xiàn)較大的差異，因此說明砒砂巖礦物成分的空間異質性是非常大的[3]。其中化學性質非常穩(wěn)定的石英對比巖類的含量相對較低，但仍占據(jù)了50%左右，且抗風化的能力較佳，化學溶解基本不怎么產生，因而砒砂巖遇水腐爛，遇風碎裂的原因與石英的相關性微乎其微。造成砒砂巖容易侵蝕的礦物質主要為黏土類中的蒙脫石、長石類以及起膠結作用的高嶺土和方解石等礦物[11-12]。從化學成分上來看，盡管砒砂巖中所含Na2O、K2O、CaO等多種類不穩(wěn)定的元素含量相對較低，但這些微量元素的性質卻分外活躍，遇水后發(fā)生化學反應的概率非常大，且極易流失，非常容易破壞砒砂巖固有結構，并會嚴重削弱砒砂巖的抗蝕能力[13]。不同顏色的砒砂巖所含礦物質、化學成分有一些不同，其抗侵蝕特性也有所變化不同[12，14]。砒砂巖本身的結構性就很強，具備“無水堅硬”的特點，倘若一遇到水，其抗剪、抗壓強度急劇降低[15-16]，相當容易產生水蝕。砒砂巖不同礦物的粒徑天差地別，顆粒之間不嚴密，排列錯雜，毫無定向性可言，抗水蝕、風蝕性能弱。由于砒砂巖區(qū)內垂直裂縫相比水平裂縫來說多很多，所以砒砂巖的抗侵蝕能力差，比較容易發(fā)生重力侵蝕。

2 砒砂巖區(qū)土壤侵蝕類型

砒砂巖區(qū)土壤侵蝕非常強烈，主要有水力、風力、凍融、重力等多種侵蝕類型[17]。但目前針對土壤侵蝕的研究仍然把研究區(qū)作為均勻土質，這和實際侵蝕規(guī)律有著較大的區(qū)別。識別砒砂巖區(qū)土壤侵蝕類型，對于砒砂巖水土保持生態(tài)修復工作的推進有重要現(xiàn)實意義。

2.1 水力侵蝕

水力侵蝕是嚴重的侵蝕類型之一，在砒砂巖區(qū)中分布最廣。水力侵蝕一般發(fā)生在7～8月，此時降雨多為中到暴雨，此時的降雨量大約占全年總降雨量的64%[17]。眾人利用人工降雨和防水沖刷等經典方法對水力侵蝕進行了系統(tǒng)的研究，譬如楊吉山等[18]在準格爾旗的研究表明，坡面的產流產沙過程很大程度上受砒砂巖的巖性影響。蔡懷森等[19]證明了水力侵蝕與砒砂巖顏色有關。張喜旺等[20]在砒砂巖區(qū)的研究結果表明，水力侵蝕與下跌面等許多因素有關。楊振奇等[21]在裸露砒砂巖區(qū)研究結果表明，水力侵蝕使砒砂巖區(qū)土壤劇烈侵蝕，可明顯改變坡面的微地形，隨著水力侵蝕的加劇，微地形平均坡度、粗糙度等均呈現(xiàn)增加的趨勢，表明坡面微地形向利于侵蝕發(fā)生方向發(fā)展。所以，在研究砒砂巖區(qū)水力侵蝕機理時，必須充分考慮各種覆土層厚度而引起侵蝕過程的不同。

2.2 風力侵蝕

砒砂巖區(qū)位于中國黃河流域風蝕和水蝕的交織地區(qū)，風蝕作用在整個砒砂巖區(qū)均有發(fā)現(xiàn)，風蝕量非常龐大，迎風坡面以及溝谷等特殊地貌也是風蝕強烈作用的地方。風力侵蝕主要發(fā)生在3～5月，此刻氣溫逐漸回升，凍土開始解凍，植被覆蓋度低且雨量稀少，一般風速2.4m/s，最高風速可達15～16m/s。張攀等[22]實驗觀測證明，單一的風蝕作用可能不會使坡面產沙量大增，只有在風、水兩相侵蝕下，風蝕對坡面表層的風化危害才會增大，所以應更關注水力與風力的交互侵蝕。目前，盡管對風力侵蝕的規(guī)律已基本清楚，但對風力侵蝕模型的研究卻仍處于空白領域，目前只有董治寶[23]所建立的砒砂巖區(qū)風蝕流失量的經驗估算模型。

2.3 重力侵蝕

20世紀80年代初期，專家就開始提出了重力侵蝕強度的劃分等級規(guī)范，把晉、陜、蒙三區(qū)劃為重力侵蝕強烈地區(qū)。唐政洪等[24]研究表明，重力侵蝕一般容易發(fā)生在砒砂巖坡面發(fā)育好的裂縫孔隙上。據(jù)葉浩等人[25]的實驗結果表明，重力侵蝕的發(fā)育受砒砂巖中某些化學元素含量的變化而顯著影響。21世紀初期，葉浩等人[26]進一步揭示重力侵蝕與砒砂巖巖性之間關系。另外環(huán)境污染等各種因素也會對砒砂巖區(qū)重力侵蝕形成一定影響，同時與其他侵蝕類型的影響交互發(fā)生，檢測困難程度很大，所以對重力侵蝕定量分析及其預報模型的研究目前仍處于空白領域。

2.4 凍融侵蝕

凍融侵蝕一般發(fā)生于春季，在24小時內完成一次凍融循環(huán)。張攀等[22]實驗觀測表明，凍融作用只有在與其他復合作用交互發(fā)生時才可以使坡面上的物質被遷移與沉積。相比其他侵蝕類型而言，凍融侵蝕的研究相對較少，主要有以下兩點原因：(1)相比其他侵蝕類型，凍融侵蝕的研究開始較晚；(2)凍融侵蝕的危害相對較少，現(xiàn)有研究多為凍融侵蝕與其他侵蝕疊加影響的作用。

3 生態(tài)修復措施

生態(tài)修復是應用某些生物或生態(tài)技術方法，把不利于生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)發(fā)展的因素和環(huán)節(jié)更正或舍棄，并實現(xiàn)改進生態(tài)系統(tǒng)內外部系統(tǒng)統(tǒng)一的目標。由于砒砂巖地區(qū)土壤，地質地貌，氣候條件等因素錯綜復雜，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性也比較差，長時間的土壤侵蝕作用導致土壤環(huán)境惡化、地表生命力降低和生態(tài)系統(tǒng)失衡破壞，因此砒砂巖區(qū)生態(tài)修復措施工作的重點是土壤侵蝕防治。對于砒砂巖區(qū)現(xiàn)有的主要侵蝕防治措施有生物、工程措施兩大類。

3.1 生物措施

沙棘作為砒砂巖地區(qū)常見灌木，為砒砂巖地區(qū)植樹造林的先鋒樹種，許多學者對其進行了研究，取得了一定成效。在砒砂巖區(qū)栽植沙棘林，能有效提高土壤持水率、土壤孔隙率和土壤有機質含量，還能減少土壤容重，使砒砂巖區(qū)的土壤結構得到改善，并減少雨水對砒砂巖區(qū)內土壤侵蝕及其對地表的沖刷[27-28]。針對砒砂巖水土流失特點，畢慈芬等[29]提出了“植物柔性壩”的治理方案，結果發(fā)現(xiàn)“植物柔性壩”具有改變溝道的輸水輸沙特性，攔沙泄流，恢復生態(tài)系統(tǒng)等多種能力。截至2018年，沙棘栽植已建立了一個較為完備的運行機制[30]。在砒砂巖區(qū)中除了沙棘，還生長著油松、沙柳、檸條、楊柴等植物。王愿昌等人[31]提出以沙棘作為生物措施的重要切入點，在造林地塊良好的區(qū)域栽植油松與檸條，采用混交造林的方式。油松突出的特點就是抗旱性強、耗水性低，容易成活等。陳麗等人[32]的研究成果中指出：坡向、坡位以及土層厚度等主要因子顯著影響油松的生長，所以應選擇在土層厚度較厚的陰坡中下部進行油松造林。韓兆敏等[33]對油松莖流速率進行檢測，結果表現(xiàn)為白天相比較夜間，莖流速率較大。楊振奇等[34]經過比照砒砂巖地區(qū)造林樹木的枯落物和林下土壤持水特性，發(fā)現(xiàn)了油松的枯落物及土壤持水能力優(yōu)異，更適宜于用作砒砂巖地區(qū)的基礎建設樹木。而沙柳則作為一個有很強耐旱能力、抗風固沙效益良好的水土保持保護林樹種，不少專家學者都對其開展了深入研究。夏靜芳等[35]以沙棘為主要造林樹種與喬木、灌木、牧草等組成綜合植被環(huán)境資源系統(tǒng)，提出了14種水土保持植物治理模式。

3.2 工程措施

砒砂巖區(qū)綜合治理的工程措施主要有溝頭防護、坡面與溝道工程。事實上，砒砂巖的坡面坡度較大，不太適合建設坡面工程措施，由于砒砂巖巖性的特殊性，溝道建設缺少建筑材料，嚴重阻礙了該砒砂巖區(qū)淤地壩工程的建設。2016年，楊大令等人[36]根據(jù)砒砂巖巖性機理，通過對砒砂巖中添加改性劑、抑制劑等進行改性，研發(fā)出了可進行淤地壩工程建設的改性材料，并初步建立了一個利用改性砒砂巖建造淤地壩的關鍵技術體系。李長明等[37]用砒砂巖和粉煤灰混合制成的地聚物材料使砒砂巖土壤孔隙結構、抗渙散性以及抗壓強度有顯著提高。劉慧等[38]研究表明，隨著粉煤灰或礦粉的增加砒砂巖試件的抗壓強度呈增加趨勢，其中礦粉比粉煤灰的抗壓強度效果更明顯?？刮g促生是指既可以固定土壤表層又可以抵抗侵蝕，還能促進植物生長的生態(tài)修復的技術[39]。姚文藝等[40]根據(jù)對抗蝕促生材料的研究結果提出，W-OH-SF抗蝕促生材料可以對砒砂巖的小顆粒表面予以覆蓋，并與砒砂巖組成有抗蝕促生、降解可控等的優(yōu)異特性，并根據(jù)砒砂巖不同坡段、坡度提出了抗蝕促生治理措施的配置模式。張磊等[41]在研究抗蝕促生材料得出W-OH-SF會根據(jù)臨界濃度的差異對植物種子發(fā)芽速率產生不一樣的影響。據(jù)肖培青等[42]野外實驗觀測，二元立體模式減沙效益達到了97.5%，證實抗蝕促生治理模式是可行的。近期，王燕星等[43]通過MICP技術對砒砂巖風化土進行改良加固，很好地解決了砒砂巖遇水渙散的問題。因此開展砒砂巖抗蝕促生措施立體配置模式等相關技術的研究對砒砂巖區(qū)水土保持治理有現(xiàn)實意義。

4 生態(tài)修復的研究不足與展望

從最近幾十年砒砂巖區(qū)生態(tài)修復措施技術研究來說，雖然取得了很多的成果，研究的方法也陸續(xù)得到完善，也取得了階段性的勝利，但是由于砒砂巖區(qū)巖性的特殊性與侵蝕類型的復雜性，所以還存在一定的空白領域與薄弱環(huán)節(jié)。為此，通過閱讀關于砒砂巖區(qū)土壤侵蝕與生態(tài)修復措施等相關文獻，總結了對砒砂巖區(qū)生態(tài)修復措施現(xiàn)有研究的不足之處，并對未來砒砂巖區(qū)生態(tài)修復研究方向進行了展望。

4.1 對復合侵蝕規(guī)律的研究

雖然對水蝕、風蝕、凍融作用等侵蝕類型各有研究，但對復合侵蝕規(guī)律、交替過程、產沙過程等研究仍處于薄弱環(huán)節(jié)。砒砂巖區(qū)的復合侵蝕與單一的水蝕、風蝕、凍融侵蝕等在搬運和沉積的過程是完全不同的。而這正是治理砒砂巖區(qū)侵蝕與生態(tài)修復技術的關鍵問題之一。因此，揭示復合侵蝕交替發(fā)生的過程、規(guī)律、機理等以及相關侵蝕模型的構建可以作為下一階段研究方向之一。

4.2 植被快速建植及人工植被穩(wěn)定性維持技術研究

植被退化造成砒砂巖區(qū)水文環(huán)境的嚴重惡化，為各類侵蝕提供了有利的條件，從而加劇侵蝕。不同的植被和其配置模式對砒砂巖區(qū)環(huán)境形成的影響也多種多樣，因此怎樣快速建植以及怎樣提高重建后穩(wěn)定性是治理砒砂巖區(qū)生態(tài)恢復中的重點難題。為此，應該將植被退化的快速重建作為一項系統(tǒng)加以深入研究，研發(fā)蓋土、蓋沙、裸露砒砂巖區(qū)植被退化快速重建的關鍵技術。實行蓋土、蓋沙和裸露砒砂巖區(qū)植被快速恢復及重建后穩(wěn)定性能的提高，高效地預防砒砂巖區(qū)土壤侵蝕的發(fā)生。

4.3 對生態(tài)修復資源利用及高質量發(fā)展研究

雖然在砒砂巖地區(qū)的生態(tài)修復工作獲得了很大的進展，積累了大量的林草資源、壩地資源、林草產業(yè)及農牧民飼草料，但現(xiàn)有資源缺乏有效的管理與維護，使得已見效的生態(tài)修復工作出現(xiàn)資源不合理利用的問題。所以，應該將生態(tài)修復工作的重點從生態(tài)治理上走向高質量發(fā)展，對已有生態(tài)修復成果實現(xiàn)資源的轉化與維護，進一步強化政府對生態(tài)修復工作重要性的宣傳普及與管理，為生態(tài)修復工作提供技術保障，以達到砒砂巖區(qū)“治理—修復—經濟”的高質量發(fā)展。

4.4 智慧水土保持研究

雖然我國對水土保持工作取得了豐碩成果，但水土保持監(jiān)測監(jiān)管工作發(fā)展相對滯后，沒有受到相應的關注，且不少地區(qū)缺乏先進的技術手段和儀器設備，或技術手段和儀器設備較為落后，自動化程度不高，數(shù)據(jù)不對接等問題頻頻出現(xiàn)，無法為生態(tài)修復工作及科學研究提供有價值的數(shù)據(jù)。下一階段，應重點研發(fā)數(shù)據(jù)自動采集、遠程控制和數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)娜采w監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸技術，形成滿足科學研究需求的全覆蓋監(jiān)測監(jiān)管數(shù)據(jù)和預警平臺，為智慧水土保持提供快速準確的數(shù)據(jù)支撐。