陕北资源开发区植被恢复与重建制约因子调查分析*

万浩宇,高 欣,高保山,高国雄,万子俊

(1.陕西省治沙研究所,陕西榆林 719000;2.西安科技大学,西安 710054;3.西北农林科技大学,陕西杨凌 712100)

1 研究区自然概况

陕北资源开发区地处鄂尔多斯高原及黄土高原过渡带,属风蚀水蚀交错带,也是黄河中游粗沙多沙地区,该区拥有丰富的煤、石油、天然气、岩盐、高岭土等8类40余种矿藏资源,是我国西部重要的能源基地,尤以煤炭和天然气资源最为丰富,是世界7大煤田之一和我国最大陆上整装气田。该区的西北部是毛乌素沙漠,以半固定、固定沙丘为主,风蚀是主要的地表塑造过程,风蚀区面积占总面积的70%;东南部主要为覆盖薄沙的片沙黄土丘陵沟壑地貌,梁峁地形起伏,沟壑发育,沟壑密度达4～5 km/km2,地面裂度高达40%～50%,地形相对高差为100～150m,侵蚀活跃,水土流失严重。地带性土壤是黑塿土,但由于严重水蚀与风蚀,黑塿土已很少见。由于土壤侵蚀及地面组成物质的作用,主要土壤类型有风沙土、绵沙土、黄绵土等,抗蚀力差,易遭受流水侵蚀和风蚀[1-2]。该区属温带干旱、半干旱草原气候,干旱、少雨、多风及暴雨集中是该区主要的气候特征[3-5]。地带性植被属温带草原植被,植被破坏后很难自然恢复。

2 研究方法

2.1 样地调查

在选定的研究区内,设立固定样地,调查样地内地形地貌、土壤类型、植被种类、生长状况、人为活动影响等。其中乔木样方用20m×20m,灌木样方用10 m×10 m,草本样方1m×1 m。

2.2 土壤及地面风化物分析

土壤含水量用烘干法,有机质测定采用外加热重铬酸钾容量法,全氮测定采用凯氏定氮法,全磷测定采用HClO4-H 2 SO4法,全钾测定采用NaOH熔融火焰光度计法,速效磷测定采用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提法,速效钾测定采用醋酸铵溶-火焰光度法,pH值测定采用电位法;速效氮测定采用碱解-扩散法[6]。

2.3 气象因子

收集有关气象局站气象统计资料,结合典型样地小气候观测。

2.4 综合评价

采用专家模糊综合评价法和相关分析法对陕北资源开发区植被恢复与重建影响因子,进行了综合评价和排序。专家模糊综合评价聘请了36位相关专业、不同层次的科技人员,对10个主要因子进行百分制打分评价;相关分析法设定目标的离散函数Y=y1,y2,…,yn,影响因子离散函数X=x1,x2…,xn,并定义:

称因子Xi为Y的相关系数。

3 结果与分析

3.1 陕北资源开发区植被恢复与重建的立地类型划分

立地条件类型是自然环境因子的综合表现,对植物中的选择、定居、生长和群落的稳定具有重要影响,人工植被建设必须遵循适地适树(草)的原则。不同的地形地貌条件造成的小环境不同,使得处在同一植被地带的不同立地条件类型所反映的生态条件或小环境差异很大。因此,对植被建设区进行科学的立地条件类型划分是非常重要的。划分立地条件类型是立地分类研究的中心环节,是认识造林地立地特点和植被空间格局的科学手段和方法。人工植被建设只有以立地分类为基础,才能营造出稳定高效的人工林。立地类型划分要依据科学实用的原则,既能反映立地分异规律,又便于应用,使基层技术人员易于掌握。

表1 陕北资源开发区植被建设立地类型

微地形条件与土壤水分、土壤蚀积等有着密切关系,地形变化造成光、热、水、养分的配置差异,影响植被的分布与组成,不同的地形也造成了土壤侵蚀的差异。神府东胜矿区地形地貌以风沙地貌为主,兼有覆沙梁地及黄土丘陵地貌。该区以新月形沙丘及沙丘链为主,沙丘高度5～7m,呈东北西南走向,迎风坡风蚀强烈,水分含量低,丘间地水分条件较好。在实地调查的基础上,我们根据地形、地貌和自然条件,结合矿区的具体特点,把矿区植被建设治理区域划分为风沙区、黄土丘陵区、井田作业区和绿化美化区4个立地类,在此基础上再依据地形等因素又划分为6个立地类型组、20个立地条件类型(见表1),从而为矿区植被恢复与重建做到适地适树、适地适草提供依据。

3.2 制约沙地矿区植被恢复与重建的气象因子

3.2.1 温度 根据榆林气象局多年气象资料统计,本区年均气温7.9～9.1℃,以西部定边、靖边较低,东部府谷县较高。月平均温度以7月最高为23.2℃,1月最低为-9.0℃。年均地表温度为10.2～13.1℃,以榆林、定边较低,地面极端最高温度69.3℃(靖边,1958),地表极端最低温度为-36.5℃(横山,1955)最大冻土深度147 cm(榆林,1967)。剧烈的温度变化对植被生长有重要的影响。神府矿区历年各月气温变化情况如图1所示。可见气温对植被的影响不是十分重要,一般北方植物种均能忍耐该区气温变化。但是地表温度变化却对植物幼苗有重要影响,由于沙土热储量低,地温变化快,夏季地表温度高达50～60℃,冬季最大冻土深度可达1.71 m,持续冻结时间116 d,极端地温变化对幼苗灼烧和冻害影响严重,因此只适宜选择耐寒、耐旱、耐高温的植物种造林。该区热量条件呈现夏季短促而温热,冬季漫长而寒冷,季节变化明显,以春秋两季变化剧烈。全年积温空间分布总的趋势是东部大于西部,≥0℃积温 3 524.2～3 970.5℃,持续243.5～253.4 d,≥10 ℃积温2 847.2～3 428.7 ℃,持续154.1～178.3 d。

图1 神府矿区各月平均气温变化

3.2.2 水分 该区降水量小,而年际变化大,地域间很不平衡,区内年均降水量 316.4～433.8 mm,以定边县最少(316.4 mm),府谷县最多(433.8 mm),总的趋势是东部大于西部,年内降水多集中于6～9月,占全年降雨量的70%以上,其中生长季(4～9月)降水占到全部降水总量的94.5%(图2),这对植被生长有重要意义。该区全年蒸发量1 164.1～1 289.7 mm,逐月蒸发量变化见图2。湿润指数0.279～0.399,其中以定边县最低为0.279,其余各县差异不大,均在0.32以上。按照伊万诺夫湿润度分级标准,定边县干旱区(k=0.3～0.13),其他各县为半干旱区(k=0.3～0.6)。全区蒸发量是降水量的2.8倍,定边县高达4.1倍,强烈的蒸发是定边县成为榆林风沙区盐土的集中分布区。

图2 神底矿区各月蒸发量及降水量

3.2.3 风速 该区年均风速2.2～3.2 m/s,年≥5 m/s的起沙风多集中在春季,其中3～6月占全年起沙风的53%;年沙暴日数4.3～20.8 d,以定边风沙日数最多(图3)。春季强烈的风沙活动对植物萌芽生长有重要影响。

图3 各县大风日数

3.2.4 光照 该区日照丰富,日照时数多,日照百分率高,太阳辐射强度大,总辐射量多,全年均日照总数2 739.9～2 914.2 h,平均日照百分率为62%～66%,年辐射总量135.6～144.3 kcal/cm2,有利于人工植被光合生产。

3.3 制约矿区植被恢复与重建的土壤因子

3.3.1 土壤物理性质 由于风沙侵蚀,该区地带性黑土娄土面积很小,仅占4%左右,而代之以风沙土和黄绵土,分别占64.6%和1.5%。风沙土主要是细沙,粒径约0.25mm左右,孔隙率大,透水和通气性高,但结构疏松,抗风蚀能力低。而矿区矸石堆表层(0～10 cm)风化物,是一种以石砾和石块为主(占72.43%),沙粒以下细粒含量较少(占27.57%),且颗粒粗细差异极大的高度不均一的粗骨性物质。风化层下(10～30 cm)含石砾、石块更多(占 87.85%),细粒含量更少(占12.15%)。许多研究表明,矸石风化物与黄土相比,密度相近,体积质量较大,总孔隙度较低,表现为田间持水量和有效含水量最大值都较低。由于颗粒粗,凋萎系数较低,矸石风化物仍具有一定的蓄水孔隙,可为植物提供一定数量的有效水,能在一定程度上满足植物对水、气的要求,故矸石风化物可作植物生长的介质。野外观察发现,矸石风化层表层水分损失后,一般形成5～10 cm的干层,由于其颗粒较粗,与下层的毛细管联系较弱,下层的大多数水分需通过扩散作用方可被蒸发,因此,表层失水后,对下层水分的保存有利,致使下层在旱季可能含有较多的水分。矸石风化物中有效水含量变化的总趋势是:0～10 cm变幅最大,10～20 cm次之,20 cm以下较小,这与风沙土性质基本一致。

3.3.2 土壤养分状况 神府矿区土壤以风沙土为主,养分较贫乏,有机质0.35%～0.96%,全氮0.02%～0.04%,全磷 0.07%～0.13%,全钾1.9%～3.0%,其他微量元素均较小。而矸石风化物因颗粒较粗,养分含量也很少,特别是速效养分元素贫乏,但与黄土相比,煤矸石中有机质和全氮含量较丰富,分别是黄土的20倍和5.7倍。由于矸石燃烧过程中,破坏了铝硅酸盐岩石及矿物的晶格结构,释放出大量的金属和非金属离子,而当地降雨较少,淋溶微弱,盐分积聚于表层,因此,自燃过的矸石风化物,全盐含量平均达1.02%±0.74%,接近盐土含量下限1%,且pH值较小,为3.8;而未燃矸石风化物平均含盐0.21%,远低于盐土含盐下限。自燃使地表出现斑状硫升华结晶而导致局部变酸,因此,矸石山表层pH值差异较大(3.0～9.0),一般生长植物处pH值为6.2左右。贫瘠的养分难以满足植物正常生长需要,成为矿区植被恢复与重建的限制性因子之一。

3.4 资源开发等人为活动对植被恢复与重建的影响

对神府矿区大量面上调查结果表明,造成矿区沙地植被破坏的主要因素表现在以下几方面。

(1)人口过度增长及人为不合理利用土地造成的植被破坏。榆林沙区随着能源资源的开发,该区人口容量迅速增长,人口密度达到了100人/km2,远高于联合国规定的人口密度容量限值20人/km2。为解决生计问题,人们滥垦、滥伐、滥采,大量开荒,造成了植被的严重退化,大量原生植被遭到破坏[2],目前人口数量仍然在持续增长。

(2)交通道路建设破坏植被。据调查,神府矿区仅交通道路建设影响植被面积就达116 km2。另据有关统计,晋陕蒙接壤区仅八项重点开发建设项目破坏植被与土地面积5万hm2,产生弃土弃渣量3 264.58万余m3,如不及时采取防护措施,其破坏植被所造成的荒漠化问题将反作用于自身,给交通安全构成威胁。

(3)露天开采挖损及弃土、渣石堆放占压土地。据统计神府矿区露采面积0.72万hm2,加上外排土及渣石堆放占地达1.1万hm2。矿区弃土弃渣堆积于坡面、沟道及河滩等地,在水流冲刷下,可直接进人河道,影响汛期行洪。弃土弃渣体坡度大多在30°～40°之间,坡长30～60 m 不等,规模在几百m3到几百万m3不等。河道堆积位置包括补连塔至大柳塔乌兰木伦河10 km河段的主河槽、河漫滩和一级阶地,是露天采煤集中区,堆积物主要是露天采煤剥离的沙石,总量约361.5万m3,占25.7%,极易被洪水冲刷挟带并在下游河床淤积。河岸坡及谷坡堆积主要是在乌兰木伦河两岸及一级支沟沟坡中下部位的堆积,一般坡度在 20°～30°,主要是修铁路、公路开挖的土石和建筑弃渣,总量约108.5万m3,在暴雨洪水冲刷下,大部分被输入河道。山坡及坡脚堆积物主要来源于煤矿弃渣、铁路挖方弃土石和建筑采石弃渣,总量约 349.3万 m3,占 24.8%。坡脚地带主要由乡办小煤矿排渣所致,分布零散,总量约45.8万m3,在暴雨径流冲刷下流入沟道。坡面沟谷堆积物是堆积部位最高的地方,其主要是采石弃渣和矿坑排渣,总量约542.1万m3,据统计,采1m3石料,其剥离表土和废弃碎石约5～7 m3,因此,采石也是松散物质的来源之一。

(4)煤田开发诱发滑坡、岩崩和塌陷。煤田开发改变了地层结构,破坏了岩层的稳定性,诱发滑坡、岩崩和塌陷,致使发生地段的植被遭到破坏。据调查统计结果表明,仅大柳塔矿区塌陷受害面积达超过140 hm2;神府矿区塌陷影响面积已超过1.4 km2,成为当地生态环境和社会经济的重要影响因素之一。

(5)井采引起地表水渗漏、水源断流。椐调查金鸡滩矿区由于井采排水使井水水位下降3～7 m,造成境内6个湖泊干枯;大柳塔矿区因水源断流,果园濒临死亡[7]。由于水源渗漏、河流断流,从而引起植被枯死,土地沙化,双沟村因水源渗漏和断流,造成3 000余株杨树、350余株果树以及40%的灌草植被生长不良,甚至死亡。

表2 专家法模糊综合评价结果

(6)废水、废气、粉尘污染严重。神府矿区工程期内每年耗煤155.35万t,排放有害气体3.78万t,烟尘1.27万t,排放污水2.87万m3,对周边植被和环境造成严重影响。有关研究表明,当煤矸石暴露于大气中,经自然风化,雨水淋溶后,其中的有害成分很易进入土壤和水体,造成矸石废弃地周围土体、地表水及地下水的污染。据有关研究,由于煤矸石废弃地的沥出液使周围土壤pH值降低(pH＜4),可溶盐含量显著增加,造成其上生长的植物胁迫致死。

3.5 植被恢复与重建影响因子综合评价

在广泛调查研究的基础上,应用专家综合评价法和相关分析法对影响植被恢复与重建的制约因子进行了综合量化评价。其中,由36位专家对陕北资源开发区影响植被恢复与重建的10个主要因子打分进行模糊综合评价,其结果表明,影响植被恢复与重建的自然因子依次为水分、风速、土壤养分、温度(见表2),而人为因素对植被的恢复与重建也有着非常重要的影响。同时,根据对主要因子的实测资料,求出它们与植被恢复的相关系数,依次为水分 0.645、风速 -0.596、温度0.237、土壤养分0.342。可以看出水分是影响植被恢复与重建的最重要因子,其次为风速、土壤养分、温度等。

4 结论与建议

调查研究表明,影响陕北资源开发区植被恢复与重建的各制约因子中,水分、人为因素、风速、土壤养分是主要因子。其中,水分和人为因素分别是主导自然因子和主导社会因子。因此,在陕北资源开发区植被恢复与重建过程中,应着重针对水分和人为因素,总结成功经验,采取相应对策,确保植被恢复与重建获得成功。

[1] 陕西师范大学地理系《榆林地区地理志》编写组.陕西省榆林地区地理志[M].西安:陕西省人民出版社,1987.

[2] 吕向荣.神父矿区沙漠化与防护林体系建设[J].陕西林业科技,1997(4):29-31.

[3] 柳林旺,王欣成.神府东胜矿区的沙漠化及其防治[J].中国水土保持,1998(4):6-7.

[4] 侯庆春,汪有科,杨光.神府东胜矿区建设对植被影响的调查[J].水土保持研究,1994(4):127-137.

[5] 唐克丽,李 锐.神府东胜矿区一二期工程建设环境效应考察[J].水土保持研究,1994(4):12-14.

[6] 中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海:上海科学技术出版社,1978.

[7] 高国雄.毛乌素沙地能源开发对植被与环境的影响[J].水土保持通报,2005,25(2):106-109.