砒砂岩区生态修复措施研究进展

马培渊 秦富仓 杨振奇 李云

1.内蒙古农业大学沙漠治理学院 内蒙古呼和浩特 010018；2.中国水利水电科学研究院内蒙古阴山北麓荒漠草原生态水文野外科学观测研究站 北京 100038；3.水利部牧区水利科学研究所 内蒙古呼和浩特 010020；4.鄂尔多斯市水利事业发展中心 内蒙古鄂尔多斯 017002

砒砂岩是一种松散岩层，由厚层砂岩、砂页页岩和泥质砂岩构成的。因为砒砂岩上覆土层层厚与压力低,导致其结构强度与成岩程度非常差,具备“无水坚固,遇水腐烂”的特性，被国内外水土保持学界称为“世界水土流失之最”“地球环境癌症”等。岩石类型主要为砂页岩、泥质砂岩、长石砂岩及泥岩等，交错层理、色彩杂乱,通常以灰白、紫色、粉红、灰绿色等颜色互层相间而存在，形似“五花肉”[1]。黄河流域砒砂岩区内气候干燥，土地支离破碎，典型水力、风力、重力与冻融等多动力类型侵蚀交互叠加发生，形成复合侵蚀。每年注入黄河的黄泥沙量高达3.5亿t;同时,注入黄河的粗泥沙量(粒径>0.05mm)约为2.8t,占黄河流域年均沉降量的很大一部分,也是造成黄河流域安全地的首害[2]。从另一个角度来说，砒砂岩区水土流失严重,严重破坏当地生态环境,导致植被稀疏,出现了大面积砒砂岩裸露现象。因此砒砂岩区复合侵蚀综合治理和水土流失防控是全区生态环境建设的首要工作[3]。另外砒砂岩区还是我国丰富的煤炭资源开发区，该区域的生态环境修复治理对于支撑我国资源供给和经济增长有举足轻重的战略地位。

在1980年，鄂尔多斯市的沙棘试种工作取得突破性进展，研究表明沙棘非常适合在砒砂岩地区复杂的自然环境下生长发育，所以在1985年水利部专家钱正英[4]在西北地区视察时建议“以沙棘作为治理砒砂岩区的切入点”，随后便开始了砒砂岩区的治理征程，包括众多专家学者开始了砒砂岩区治理的研究以及国家投资的砒砂岩区治理项目。1999年，我国水利部有关专家组成的考察组对砒砂岩区具有生态和经济价值的灌木进行了考察，取得了巨大的成果[5]。毕慈芬等利用沙棘植物根系发达，耐旱和自身繁殖力强的特点提出沙棘“柔性坝”的设想，将砂直接拦截在山间沟壑之中，从而达到快速恢复生态环境的目的[6]。21世纪初期，在国家和有关部门科技计划的大力支持下，大批重点工程项目陆续落户于砒砂岩区，“3S”技术也成为在砒砂岩区科研的主要技术手段，大批的研究者对砒砂岩侵蚀成因及规律、土地利用情况、水土流失状况等因素进行了长期的深入研究。从最近20年来看，是砒砂岩区生态环境治理与生态修复技术的快速发展阶段，在此期间提出了大量的生态修复治理方案，如种植沙棘柠条油松等为主的混交林生物措施治理[7]和采用新型抗蚀促生材料等配合鱼鳞坑、坡改梯等生物措施、工程措施进行立体配置的治理模式，通过企业和高校的广泛参与，取得了丰富成果[8-9]。

党的十八大以来，中国生态环境领域的大部分法规都进行了新一轮修订，对中国生态文明的建设提出了更高要求，砒砂岩地区作为中国黄河流域粗泥沙主要来源区之一，其环境恢复工作也迎来新的挑战。如今，黄河流域砒砂岩区域的生态修复措施研究成果丰硕，综合治理成效显著，入黄泥沙的含量已逐渐下降，区域内生态环境发展走向不断向好。但是传统治理局部化、阶段化的问题还是比较突出，缺少区域复合侵蚀的阻抗以及生态修复退化防治为一体的综合治理体系，同时实践中显露出来的生态环境脆弱、造林成活率低、人工林退化以及植被类型单一且配置模式相对简单等现实问题都有待解决。为此，本文对以往砒砂岩区生态修复措施的主要成果进行综述，并讨论现有研究的不足之处，展望砒砂岩区生态修复措施研究的主要发展方向，为砒砂岩区生态修复措施相关研究技术与实践提供参考。

1 砒砂岩分布及岩性特征

明确砒砂岩侵蚀特征是有效研究治理手段的根基。黄河流域砒砂岩地区总面积约为1.67万平方千米，分布区域东起黄河流域西至鄂尔多斯市杭锦旗境内，南邻陕西省境内的神木县，北接库布齐沙漠的中南端。根据砒砂岩的上层覆盖物和基岩裸露程度将砒砂岩划分为盖土、盖沙和裸露区，其中以裸露区出露面积最大，侵蚀也最强烈，由于其岩石结构与性质的不同，目前在国外其他地区未见同样岩石的报道与研究[10]。盖土区指砒砂岩直接埋藏于黄土以下，黄土厚度通常超过1.5米；盖沙区指砒砂岩直接埋藏于沙层以下；裸露区是指砒砂岩直接暴露在土层地表，上面并无厚沙或沙土厚度不超过1.5米。其中盖土区总面积为0.84万平方千米，裸露区总面积为0.46万平方千米，盖沙区总面积为0.37万平方千米。盖土区植被覆盖度为20%左右，属于严重侵蚀区，以水力侵蚀为主, 水力侵蚀、风力侵蚀和重力侵蚀交替发生[7]；盖沙区植被覆盖度少，主要以风蚀为主,表现出水蚀、风蚀等复合侵蚀的景象；裸露区植被覆盖度极少，以水蚀为主。砒砂岩侵蚀与区域内植被类型，地质地貌，气候条件等因素有关外，还与自身岩性也有不可分割的联系。砒砂岩主体由许多矿物质组成，许多学者已经对矿物质的组成开展了深入研究，虽然所用的方式方法和实验仪器设备不同，但对砒砂岩矿物质成分的检验结果基本一致，砒砂岩主要矿物质成分主要为石英、蒙脱石、长石和方解石等。砒砂岩中由于颜色的差异，相同的矿物质成分含量也出现了很大的差别；在不同深度，纵然颜色相同，同类的矿物成分含量也会呈现较大的差异，因此说明砒砂岩矿物成分的空间异质性是非常大的[3]。其中化学性质非常稳定的石英对比岩类的含量相对较低，但仍占据了50%左右，且抗风化的能力较佳，化学溶解基本不怎么产生，因而砒砂岩遇水腐烂，遇风碎裂的原因与石英的相关性微乎其微。造成砒砂岩容易侵蚀的矿物质主要为黏土类中的蒙脱石、长石类以及起胶结作用的高岭土和方解石等矿物[11-12]。从化学成分上来看，尽管砒砂岩中所含Na2O、K2O、CaO等多种类不稳定的元素含量相对较低，但这些微量元素的性质却分外活跃，遇水后发生化学反应的概率非常大，且极易流失，非常容易破坏砒砂岩固有结构，并会严重削弱砒砂岩的抗蚀能力[13]。不同颜色的砒砂岩所含矿物质、化学成分有一些不同，其抗侵蚀特性也有所变化不同[12，14]。砒砂岩本身的结构性就很强，具备“无水坚硬”的特点，倘若一遇到水，其抗剪、抗压强度急剧降低[15-16]，相当容易产生水蚀。砒砂岩不同矿物的粒径天差地别，颗粒之间不严密，排列错杂，毫无定向性可言，抗水蚀、风蚀性能弱。由于砒砂岩区内垂直裂缝相比水平裂缝来说多很多，所以砒砂岩的抗侵蚀能力差，比较容易发生重力侵蚀。

2 砒砂岩区土壤侵蚀类型

砒砂岩区土壤侵蚀非常强烈，主要有水力、风力、冻融、重力等多种侵蚀类型[17]。但目前针对土壤侵蚀的研究仍然把研究区作为均匀土质，这和实际侵蚀规律有着较大的区别。识别砒砂岩区土壤侵蚀类型，对于砒砂岩水土保持生态修复工作的推进有重要现实意义。

2.1 水力侵蚀

水力侵蚀是严重的侵蚀类型之一，在砒砂岩区中分布最广。水力侵蚀一般发生在7～8月，此时降雨多为中到暴雨，此时的降雨量大约占全年总降雨量的64%[17]。众人利用人工降雨和防水冲刷等经典方法对水力侵蚀进行了系统的研究，譬如杨吉山等[18]在准格尔旗的研究表明，坡面的产流产沙过程很大程度上受砒砂岩的岩性影响。蔡怀森等[19]证明了水力侵蚀与砒砂岩颜色有关。张喜旺等[20]在砒砂岩区的研究结果表明，水力侵蚀与下跌面等许多因素有关。杨振奇等[21]在裸露砒砂岩区研究结果表明，水力侵蚀使砒砂岩区土壤剧烈侵蚀，可明显改变坡面的微地形，随着水力侵蚀的加剧，微地形平均坡度、粗糙度等均呈现增加的趋势，表明坡面微地形向利于侵蚀发生方向发展。所以，在研究砒砂岩区水力侵蚀机理时，必须充分考虑各种覆土层厚度而引起侵蚀过程的不同。

2.2 风力侵蚀

砒砂岩区位于中国黄河流域风蚀和水蚀的交织地区，风蚀作用在整个砒砂岩区均有发现，风蚀量非常庞大，迎风坡面以及沟谷等特殊地貌也是风蚀强烈作用的地方。风力侵蚀主要发生在3～5月，此刻气温逐渐回升，冻土开始解冻，植被覆盖度低且雨量稀少，一般风速2.4m/s，最高风速可达15～16m/s。张攀等[22]实验观测证明，单一的风蚀作用可能不会使坡面产沙量大增，只有在风、水两相侵蚀下，风蚀对坡面表层的风化危害才会增大，所以应更关注水力与风力的交互侵蚀。目前，尽管对风力侵蚀的规律已基本清楚，但对风力侵蚀模型的研究却仍处于空白领域，目前只有董治宝[23]所建立的砒砂岩区风蚀流失量的经验估算模型。

2.3 重力侵蚀

20世纪80年代初期，专家就开始提出了重力侵蚀强度的划分等级规范，把晋、陕、蒙三区划为重力侵蚀强烈地区。唐政洪等[24]研究表明，重力侵蚀一般容易发生在砒砂岩坡面发育好的裂缝孔隙上。据叶浩等人[25]的实验结果表明，重力侵蚀的发育受砒砂岩中某些化学元素含量的变化而显著影响。21世纪初期，叶浩等人[26]进一步揭示重力侵蚀与砒砂岩岩性之间关系。另外环境污染等各种因素也会对砒砂岩区重力侵蚀形成一定影响，同时与其他侵蚀类型的影响交互发生，检测困难程度很大，所以对重力侵蚀定量分析及其预报模型的研究目前仍处于空白领域。

2.4 冻融侵蚀

冻融侵蚀一般发生于春季，在24小时内完成一次冻融循环。张攀等[22]实验观测表明，冻融作用只有在与其他复合作用交互发生时才可以使坡面上的物质被迁移与沉积。相比其他侵蚀类型而言，冻融侵蚀的研究相对较少，主要有以下两点原因：(1)相比其他侵蚀类型，冻融侵蚀的研究开始较晚；(2)冻融侵蚀的危害相对较少，现有研究多为冻融侵蚀与其他侵蚀叠加影响的作用。

3 生态修复措施

生态修复是应用某些生物或生态技术方法，把不利于生态循环系统发展的因素和环节更正或舍弃，并实现改进生态系统内外部系统统一的目标。由于砒砂岩地区土壤，地质地貌，气候条件等因素错综复杂，生态系统稳定性也比较差，长时间的土壤侵蚀作用导致土壤环境恶化、地表生命力降低和生态系统失衡破坏，因此砒砂岩区生态修复措施工作的重点是土壤侵蚀防治。对于砒砂岩区现有的主要侵蚀防治措施有生物、工程措施两大类。

3.1 生物措施

沙棘作为砒砂岩地区常见灌木，为砒砂岩地区植树造林的先锋树种，许多学者对其进行了研究，取得了一定成效。在砒砂岩区栽植沙棘林，能有效提高土壤持水率、土壤孔隙率和土壤有机质含量，还能减少土壤容重，使砒砂岩区的土壤结构得到改善，并减少雨水对砒砂岩区内土壤侵蚀及其对地表的冲刷[27-28]。针对砒砂岩水土流失特点，毕慈芬等[29]提出了“植物柔性坝”的治理方案，结果发现“植物柔性坝”具有改变沟道的输水输沙特性，拦沙泄流，恢复生态系统等多种能力。截至2018年，沙棘栽植已建立了一个较为完备的运行机制[30]。在砒砂岩区中除了沙棘，还生长着油松、沙柳、柠条、杨柴等植物。王愿昌等人[31]提出以沙棘作为生物措施的重要切入点，在造林地块良好的区域栽植油松与柠条，采用混交造林的方式。油松突出的特点就是抗旱性强、耗水性低，容易成活等。陈丽等人[32]的研究成果中指出：坡向、坡位以及土层厚度等主要因子显著影响油松的生长，所以应选择在土层厚度较厚的阴坡中下部进行油松造林。韩兆敏等[33]对油松茎流速率进行检测，结果表现为白天相比较夜间，茎流速率较大。杨振奇等[34]经过比照砒砂岩地区造林树木的枯落物和林下土壤持水特性，发现了油松的枯落物及土壤持水能力优异，更适宜于用作砒砂岩地区的基础建设树木。而沙柳则作为一个有很强耐旱能力、抗风固沙效益良好的水土保持保护林树种，不少专家学者都对其开展了深入研究。夏静芳等[35]以沙棘为主要造林树种与乔木、灌木、牧草等组成综合植被环境资源系统，提出了14种水土保持植物治理模式。

3.2 工程措施

砒砂岩区综合治理的工程措施主要有沟头防护、坡面与沟道工程。事实上，砒砂岩的坡面坡度较大，不太适合建设坡面工程措施，由于砒砂岩岩性的特殊性，沟道建设缺少建筑材料，严重阻碍了该砒砂岩区淤地坝工程的建设。2016年，杨大令等人[36]根据砒砂岩岩性机理，通过对砒砂岩中添加改性剂、抑制剂等进行改性，研发出了可进行淤地坝工程建设的改性材料，并初步建立了一个利用改性砒砂岩建造淤地坝的关键技术体系。李长明等[37]用砒砂岩和粉煤灰混合制成的地聚物材料使砒砂岩土壤孔隙结构、抗涣散性以及抗压强度有显著提高。刘慧等[38]研究表明，随着粉煤灰或矿粉的增加砒砂岩试件的抗压强度呈增加趋势，其中矿粉比粉煤灰的抗压强度效果更明显。抗蚀促生是指既可以固定土壤表层又可以抵抗侵蚀，还能促进植物生长的生态修复的技术[39]。姚文艺等[40]根据对抗蚀促生材料的研究结果提出，W-OH-SF抗蚀促生材料可以对砒砂岩的小颗粒表面予以覆盖，并与砒砂岩组成有抗蚀促生、降解可控等的优异特性，并根据砒砂岩不同坡段、坡度提出了抗蚀促生治理措施的配置模式。张磊等[41]在研究抗蚀促生材料得出W-OH-SF会根据临界浓度的差异对植物种子发芽速率产生不一样的影响。据肖培青等[42]野外实验观测，二元立体模式减沙效益达到了97.5%，证实抗蚀促生治理模式是可行的。近期，王燕星等[43]通过MICP技术对砒砂岩风化土进行改良加固，很好地解决了砒砂岩遇水涣散的问题。因此开展砒砂岩抗蚀促生措施立体配置模式等相关技术的研究对砒砂岩区水土保持治理有现实意义。

4 生态修复的研究不足与展望

从最近几十年砒砂岩区生态修复措施技术研究来说，虽然取得了很多的成果，研究的方法也陆续得到完善，也取得了阶段性的胜利，但是由于砒砂岩区岩性的特殊性与侵蚀类型的复杂性，所以还存在一定的空白领域与薄弱环节。为此，通过阅读关于砒砂岩区土壤侵蚀与生态修复措施等相关文献，总结了对砒砂岩区生态修复措施现有研究的不足之处，并对未来砒砂岩区生态修复研究方向进行了展望。

4.1 对复合侵蚀规律的研究

虽然对水蚀、风蚀、冻融作用等侵蚀类型各有研究，但对复合侵蚀规律、交替过程、产沙过程等研究仍处于薄弱环节。砒砂岩区的复合侵蚀与单一的水蚀、风蚀、冻融侵蚀等在搬运和沉积的过程是完全不同的。而这正是治理砒砂岩区侵蚀与生态修复技术的关键问题之一。因此，揭示复合侵蚀交替发生的过程、规律、机理等以及相关侵蚀模型的构建可以作为下一阶段研究方向之一。

4.2 植被快速建植及人工植被稳定性维持技术研究

植被退化造成砒砂岩区水文环境的严重恶化，为各类侵蚀提供了有利的条件，从而加剧侵蚀。不同的植被和其配置模式对砒砂岩区环境形成的影响也多种多样，因此怎样快速建植以及怎样提高重建后稳定性是治理砒砂岩区生态恢复中的重点难题。为此，应该将植被退化的快速重建作为一项系统加以深入研究，研发盖土、盖沙、裸露砒砂岩区植被退化快速重建的关键技术。实行盖土、盖沙和裸露砒砂岩区植被快速恢复及重建后稳定性能的提高，高效地预防砒砂岩区土壤侵蚀的发生。

4.3 对生态修复资源利用及高质量发展研究

虽然在砒砂岩地区的生态修复工作获得了很大的进展，积累了大量的林草资源、坝地资源、林草产业及农牧民饲草料，但现有资源缺乏有效的管理与维护，使得已见效的生态修复工作出现资源不合理利用的问题。所以，应该将生态修复工作的重点从生态治理上走向高质量发展，对已有生态修复成果实现资源的转化与维护，进一步强化政府对生态修复工作重要性的宣传普及与管理，为生态修复工作提供技术保障，以达到砒砂岩区“治理—修复—经济”的高质量发展。

4.4 智慧水土保持研究

虽然我国对水土保持工作取得了丰硕成果，但水土保持监测监管工作发展相对滞后，没有受到相应的关注，且不少地区缺乏先进的技术手段和仪器设备，或技术手段和仪器设备较为落后，自动化程度不高，数据不对接等问题频频出现，无法为生态修复工作及科学研究提供有价值的数据。下一阶段，应重点研发数据自动采集、远程控制和数据快速传输的全覆盖监测数据传输技术，形成满足科学研究需求的全覆盖监测监管数据和预警平台，为智慧水土保持提供快速准确的数据支撑。