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砒砂岩区土壤侵蚀机理与生态修复技术研究进展

秦富仓 杨振奇 李龙

秦富仓, 杨振奇, 李龙. 砒砂岩区土壤侵蚀机理与生态修复技术研究进展[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190430
引用本文: 秦富仓, 杨振奇, 李龙. 砒砂岩区土壤侵蚀机理与生态修复技术研究进展[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190430
Qin Fucang, Yang Zhenqi, Li Long. Research progress on soil erosion mechanism and ecological restoration technology in feldspathic sandstone region[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190430
Citation: Qin Fucang, Yang Zhenqi, Li Long. Research progress on soil erosion mechanism and ecological restoration technology in feldspathic sandstone region[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190430

砒砂岩区土壤侵蚀机理与生态修复技术研究进展

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190430
基金项目: 国家自然科学基金项目(41967008),国家自然科学基金青年基金项目(41807079),内蒙古科技计划项目(201802106)
详细信息
    作者简介:

    秦富仓,博士,教授。主要研究方向:水土保持与荒漠化防治、干旱区土地资源利用、矿山生态修复。Email:qinfc@126.com 地址:

  • 中图分类号: S157

Research progress on soil erosion mechanism and ecological restoration technology in feldspathic sandstone region

  • 摘要: 黄河流域的生态保护和高质量发展,是我国新时代生态文明建设的重要内容。砒砂岩区是黄河流域水土流失最严重的区域之一,也是黄河粗泥沙的集中来源区。砒砂岩区水土流失治理和生态修复工作倍受党和国家重视,多年不懈的水土保持工作取得了巨大成就,水土流失防治成效显著,生态环境明显好转,但砒砂岩区的水土流失形式仍旧严峻,生态环境依然脆弱,治理质量还有较大提升空间,大面积的人工林也面临着退化风险和更新难题。砒砂岩区土壤侵蚀机理研究成果丰富,但该区水文下垫面复杂多变,侵蚀类型多样复合,前人的研究仍沿用黄土高原区的理论与方法,极大的限制了砒砂岩区土壤侵蚀机理研究的发展。本文结合前人的研究成果和作者的科研经验,概括了砒砂岩区土壤侵蚀机理与生态修复技术研究的发展历史,从基岩侵蚀内因、土壤侵蚀机理研究、生态修复技术研究、存在问题与发展方向四个角度,对砒砂岩土壤侵蚀机理研究和生态修复技术工作的成果进行系统梳理,剖析现有研究的不足之处,指出未来砒砂岩区土壤侵蚀机理研究和生态修复技术发展发向。
  • 图  1  砒砂岩区位置

    Figure  1.  Location of the feldspathic sandstone region

    图  2  复合坡面示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of the composite slope

    表  1  砒砂岩区主要生态修复技术模式

    Table  1.   Main ecological restoration technology models in the feldspathic sandstone region

    时间
    Time
    实施单位
    Executing units
    主要专家
    Chief expert
    技术模式
    Technical mode
    80年代
    80 s
    黄河水利委员会天水水保站
    Tianshui soil and water conservation scientific research station
    试点小流域综合治理,淤地坝试验,飞播试验,优良植物种引种试验
    The experiments of comprehensive management of small watersheds, silt arrester and aerial seeding. Introduction, selection and application of high quality plant
    90年代 ~ 20世纪初
    90 s to the early 20th century
    黄河上中游管理局
    The management bureau of the middle yellow river basin
    毕慈芬等[41-42]
    Bi Cifen, et al.
    “沙棘柔性坝”治理技术体系
    The technique system of seabuckthorn plant flexible dam
    2010 ~ 2018 陕西省地产开发服务总公司
    Shaanxi province estate development service corporation,
    韩霁昌等[43]
    Han Jichang, et al.
    砒砂岩与沙土复配土
    The feldspathic sandstone and sand compound soil
    中国科学院水利部水土保持研究所
    Institute of soil andwater conservation,
    Cas & Mwr
    张兴昌等[44]
    Zhang Xingchang, et al.
    EN-1坡面固化剂治理技术体系
    The technique system of EN-1 soil stabilizer
    黄河水利科学研究院
    Yellow River institute of hydraulic research
    姚文艺等[45]
    Yao Wenyi, et al.
    抗蚀促生技术体系
    The technique system of anti-erosion and vegetation-promoting
    内蒙古农业大学
    Inner Mongolia agricultural university
    秦富仓等[46-48]
    Qin Fucang, et al.
    植物缓冲带技术体系、水土保持植被精准配置
    The technique system of vegetation buffer stripThe precise configuration of soil and water conservation vegetation
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  • [1] 白杭改, 明晓冉, 刘立, 等. 暖水乡砒砂岩地球化学分类类型与物源区特征[J]. 人民黄河, 2017, 39(9):79−85, 89. doi:  10.3969/j.issn.1000-1379.2017.09.017

    Bai H G, Ming X R, Liu L, et al. Geochemical classifications and provenance characteristics of Pisha Sandstones in Nuanshui Town[J]. Yellow River, 2017, 39(9): 79−85, 89. doi:  10.3969/j.issn.1000-1379.2017.09.017
    [2] 赵国际. 内蒙古砒砂岩地区水土流失规律研究[J]. 水土保持研究, 2001, 8(4):158−160. doi:  10.3969/j.issn.1005-3409.2001.04.035

    Zhao G J. Research on the laws of soil and water loss in Sand Rock Region, Inner Mongolia[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2001, 8(4): 158−160. doi:  10.3969/j.issn.1005-3409.2001.04.035
    [3] 张月华, 刘嗣楷, 刘海源. 内蒙准格尔旗一带岩溶水文地质的初步研究[J]. 中国岩溶, 1991, 10(2):21−28.

    Zhang Y H, Liu S K, Liu H Y. Research on karst hydro geology of Zhungeer Banner, Inner Mongolia[J]. Carsologica Sinica, 1991, 10(2): 21−28.
    [4] 石迎春, 叶浩, 侯宏冰, 等. 内蒙古南部砒砂岩侵蚀内因分析[J]. 地球学报, 2004, 25(6):659−664. doi:  10.3321/j.issn:1006-3021.2004.06.011

    Shi Y C, Ye H, Hou H B, et al. The internal cause of the erosion in “Pisha” Sandstone Area, Southern Inner Mongolia[J]. Acta Geosicientia Sinica, 2004, 25(6): 659−664. doi:  10.3321/j.issn:1006-3021.2004.06.011
    [5] 李长明, 宋丽莎, 王立久. 砒砂岩的矿物成分及其抗蚀性[J]. 中国水土保持科学, 2015, 13(2):11−15. doi:  10.3969/j.issn.1672-3007.2015.02.002

    Li C M, Song L S, Wang L J. Mineral composition and anti-erodibility of Pisha sandstone[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 13(2): 11−15. doi:  10.3969/j.issn.1672-3007.2015.02.002
    [6] 叶浩, 石建省, 李向全, 等. 砒砂岩岩性特征对抗侵蚀性影响分析[J]. 地球学报, 2006, 27(2):145−150. doi:  10.3321/j.issn:1006-3021.2006.02.008

    Ye H, Shi J S, Li X Q. The effect of soft rock lithology upon its anti-erodibility[J]. Acta Geoscientica Sinica, 2006, 27(2): 145−150. doi:  10.3321/j.issn:1006-3021.2006.02.008
    [7] 吴利杰, 李新勇, 石建省, 等. 砒砂岩的微结构定量化特征研究[J]. 地球学报, 2007, 28(6):597−602. doi:  10.3321/j.issn:1006-3021.2007.06.014

    Wu L J, Li X Y, Shi J S, et al. Quantitative characteristics of the microstructure of Pisha-sandstone[J]. Acta Geoscientica Sinica, 2007, 28(6): 597−602. doi:  10.3321/j.issn:1006-3021.2007.06.014
    [8] 王保国. 砒砂岩区土壤理化性状调查与分析[J]. 人民黄河, 1992(8):27−28, 34.

    Wang B G. Investigation and analysis of soil physical and chemical properties in Pisha Sandstone Area[J]. Yellow River, 1992(8): 27−28, 34.
    [9] 伍艳, 杨忠芳, 刘慧, 等. 砒砂岩物质组成及其对养分含量的影响[J]. 人民黄河, 2016, 38(6):18−21, 25. doi:  10.3969/j.issn.1000-1379.2016.06.005

    Wu Y, Yang Z F, Luo L T, et al. Effect of composition on nutrient of Pisha Sandstone[J]. Yellow River, 2016, 38(6): 18−21, 25. doi:  10.3969/j.issn.1000-1379.2016.06.005
    [10] 张露, 韩霁昌, 罗林涛, 等. 砒砂岩与风沙土复配土壤的持水特性研究[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2014, 42(2):207−214.

    Zhang L, Han Q C, Luo L T, et al. Water-holding characteristics of compounded soil with feldspathic sandstone and aeolian sandy soil[J]. Journal of Northwest A&F University (Natural science edition), 2014, 42(2): 207−214.
    [11] 杨振奇, 秦富仓, 李龙, 等. 砒砂岩区小流域土壤有机质空间分布特征及其影响因素[J]. 农业工程学报, 2019, 35(17):154−162. doi:  10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.019

    Yang Z Q, Qin F C, Li L, et al. Spatial distribution characteristics of soil organic matter and its influencing factors in small watershed of feldspathic sandstone region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2019, 35(17): 154−162. doi:  10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.019
    [12] 张传才, 秦奋, 王海鹰, 等. 砒砂岩区地貌形态三维分形特征量化及空间变异[J]. 地理科学, 2016, 36(1):142−148.

    Zhang C C, Qin F, Wang H Y, et al. Quantization and spatial variation of topographic features using 3d fractal dimensions in Arsenic Rock Area[J]. Scientia Geographica Sinica, 2016, 36(1): 142−148.
    [13] Emeh C, Igwe O. Variations in soils derived from an erodible sandstone formation and factors controlling their susceptibility to erosion and landslide[J]. Journal of the Geological Society of India, 2017, 90(3): 362−370. doi:  10.1007/s12594-017-0725-5
    [14] Ostanin I, Safonov A, Oseledets I. Natural erosion of sandstone as shape optimisation[J]. Scientific Reports, 2017, 7(1): 17301. doi:  10.1038/s41598-017-17777-1
    [15] Slavík M, Bruthans J, Filippi M, et al. Biologically-initiated rock crust on sandstone: Mechanical and hydraulic properties and resistance to erosion[J]. Geomorphology, 2017, 278: 298−313. doi:  10.1016/j.geomorph.2016.09.040
    [16] 王愿昌, 吴永红, 寇权, 等. 砒砂岩分布范围界定与类型区划分[J]. 中国水土保持科学, 2007, 5(1):14−18. doi:  10.3969/j.issn.1672-3007.2007.01.003

    Wang Y C, Wu Y H, Kou Q, et al. Definition of arsenic rock zone borderline and its classification[J]. Science of Soil & Water Conservation, 2007, 5(1): 14−18. doi:  10.3969/j.issn.1672-3007.2007.01.003
    [17] 郭雒敏, 李晓丽, 王文, 等. 坡度对紫红色砒砂岩击溅侵蚀的影响[J]. 中国水土保持科学, 2019, 17(1):1−9.

    Guo L M, Li X L, Wang W, et al. Influence of slope on the splash erosion of mauve Pisha-sandstone in bare areas[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2019, 17(1): 1−9.
    [18] 苏涛, 张兴昌. 砒砂岩陡坡面径流水动力学特征[J]. 水土保持学报, 2012, 26(1):17−21.

    Su T, Zhang X C. Hydraulic characteristics of steep slope runoff of Pisha Sandstone[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2012, 26(1): 17−21.
    [19] 王伦江, 张兴昌, 韩凤朋, 等. 晋陕蒙交界地区砒砂岩土陡边坡水力侵蚀试验[J]. 人民黄河, 2015, 37(11):92−96. doi:  10.3969/j.issn.1000-1379.2015.11.024

    Wang L J, Zhang X C, Han F P, et al. Research on water erosion of Pisha Sandstone soil steep slope in Shanxi-Shaanxi-Inner Mongolia Adjacent Area[J]. Yellow River, 2015, 37(11): 92−96. doi:  10.3969/j.issn.1000-1379.2015.11.024
    [20] 李怀恩, 谢毅文, 蔡明, 等. 砒砂岩地区小流域毛沟侵蚀特性分析[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2007, 35(3):245−250.

    Li H E, Xie Y W, Cai M, et al. Analysis of rill erosion characteristics for small watershed in Soft Rock Area[J]. Journal of Northwest A&F University, 2007, 35(3): 245−250.
    [21] 杨吉山, 姚文艺, 郑明国, 等. 原状砒砂岩坡面产流产沙规律试验研究[J]. 人民黄河, 2017, 39(1):98−101, 109. doi:  10.3969/j.issn.1000-1379.2017.01.024

    Yang J S, Yao W Y, Zheng M G, et al. Experimental study on runoff production and sediment yield process on the undisturbed sandstone slops[J]. Yellow River, 2017, 39(1): 98−101, 109. doi:  10.3969/j.issn.1000-1379.2017.01.024
    [22] 史培军, 刘宝元, 张科利, 等. 土壤侵蚀过程与模型研究[J]. 资源科学, 1999, 21(5):11−20.

    Shi P J, Liu B Y, Zhang K L, et al. Soil erosion process and model studies[J]. Resource Science, 1999, 21(5): 11−20.
    [23] 唐政洪, 蔡强国, 李忠武, 等. 内蒙古砒砂岩地区风蚀、水蚀及重力侵蚀交互作用研究[J]. 水土保持学报, 2001, 15(2):25−29. doi:  10.3321/j.issn:1009-2242.2001.02.007

    Tang Z H, Cai Q G, Li Z W, et al. Study on interaction among wind erosion, hydraulic erosion and gravity erosion in sediment-rock region of Inner Mongolia[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2001, 15(2): 25−29. doi:  10.3321/j.issn:1009-2242.2001.02.007
    [24] 王向东, 谢树南, 陈海迟. 皇甫川流域产流产沙数学模型及水沙变化原因分析[J]. 泥沙研究, 1999(5):58−68.

    Wang X D, Xie S N, Chen H C. Study on mathematical model of runoff sediment yield and analysis on reasons for changes of runoff and sediment yields in Huangfuchuan Watershed[J]. Journal of Sediment Research, 1999(5): 58−68.
    [25] 叶俊道, 秦富仓, 岳永杰, 等. WEPP模型在砒砂岩地区土壤侵蚀模拟的适用性研究[J]. 干旱区资源与环境, 2012, 26(7):132−135.

    Ye J D, Qin F C, Yue Y J, et al. The applicability of WEPP in simulating the soil erosion in soft rock region[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2012, 26(7): 132−135.
    [26] 亓潘. 基于ANNAGNPS模型的砒砂岩小流域产沙模拟及其机理分析[D]. 西安: 西北大学, 2016.

    Yuan P. Sand yield simulation and mechanism analysis of Pisha Sandstone watershed based on ANNAGNPS model[D]. Xi’an: Northwest University, 2016.
    [27] 李二辉. 黄河中游皇甫川水沙变化及其对气候和人类活动的响应[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2016.

    Li E H. Response of runoff and sediment to climate and human activities in the Huangfuchuan watershed of the middle reaches of the yellow river[D]. Yanglin: Northwest A&F University, 2016.
    [28] 金争平, 史培军. 内蒙古半干旱地区土壤侵蚀过程的研究: 以内蒙古准格尔旗为例[J]. 干旱区资源与环境, 1987(2):55−66.

    Jin Z P, Shi P J. A study on the soil erosion processes in the semiarid region of Inner Mongolia[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 1987(2): 55−66.
    [29] 高学田, 唐克丽. 神府—东胜矿区风蚀水蚀交互作用研究[J]. 土壤侵蚀与水土保持学报, 1997, 3(4):1−7.

    Gao X T, Tang K L. Study on alternate action of wind erosion and water erosion in Shenfu-Dongsheng Coal Mining Area[J]. Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation, 1997, 3(4): 1−7.
    [30] 张平仓, 唐克丽. 六道沟流域有效水蚀风蚀能量及其特征研究[J]. 土壤侵蚀与水土保持学报, 1997, 3(2):32−40.

    Zhang P C, Tang K L. Study on the effective water and wind erosion energy and its characteristics in Liudaogou Small Watershed[J]. Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation, 1997, 3(2): 32−40.
    [31] 董治宝, 李振山. 六道沟流域土壤水分抗风蚀性分析[J]. 中国沙漠, 1996, 16(3):68−73.

    Dong Z B, Li Z S. Analysis of the mositure-based resistance of the soil to wind erosion in Liudaogou Micro-river Basin[J]. Journal of Desert Research, 1996, 16(3): 68−73.
    [32] 曹银真. 黄土地区重力侵蚀的类型和成因[J]. 中国水土保持, 1985(6):10−15, 65.

    Cao Y Z. Different types of Loess Areas subject to gravitational erosion on and their geneses[J]. Soil and Water Conservation in China, 1985(6): 10−15, 65.
    [33] 张信宝, 柴宗新, 汪阳春. 黄土高原重力侵蚀的地形与岩性组合因子分析[J]. 水土保持通报, 1989, 9(5):40−44, 57.

    Zhang X B, Chai Z X, Wang Y C. An analysis to the combined factors of topography and lithology in the gravitational erosion of Loess Plateau[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 1989, 9(5): 40−44, 57.
    [34] 叶浩, 石建省, 侯宏冰, 等. 内蒙古南部砒砂岩岩性特征对重力侵蚀的影响[J]. 干旱区研究, 2008, 25(3):402−405.

    Ye H, Shi J S, Hou H B, et al. Effect of the lithologic characters of Pisha Sandstone on gravity erosion in South Inner Mongolia[J]. Arid Zone Research, 2008, 25(3): 402−405.
    [35] 杨具瑞, 方铎, 毕慈芬, 等. 砒砂岩区小流域沟冻融风化侵蚀模型研究[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2003, 14(2):87−93. doi:  10.3969/j.issn.1003-8035.2003.02.019

    Yang J R, Fang D, Bi C F, et al. Study on the model of freeze-thaw and weathering erosion of smaller watershed in Soft Rock Area[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2003, 14(2): 87−93. doi:  10.3969/j.issn.1003-8035.2003.02.019
    [36] 王随继. 黄河中游冻融侵蚀的表现方式及其产沙能力评估[J]. 水土保持通报, 2004, 24(6):1−5. doi:  10.3969/j.issn.1000-288X.2004.06.001

    Wang S J. Characteristics of freeze and thaw weathering and its contribution to sediment yield in Middle Yellow River Basin[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2004, 24(6): 1−5. doi:  10.3969/j.issn.1000-288X.2004.06.001
    [37] 常平, 李晓丽, 李明玉, 等. 基于IPP软件的砒砂岩冻融结构破坏分析[J]. 硅酸盐通报, 2018, 37(7):2109−2114.

    Chang P, Li X L, Li M Y, et al. Analysis on freezing-thawing damages of Pisha-sandstone by IPP software[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2018, 37(7): 2109−2114.
    [38] 陈溯航, 李晓丽, 张强, 等. 鄂尔多斯红色砒砂岩冻融循环变形特性[J]. 中国水土保持科学, 2016, 14(4):34−41.

    Chen S H, Li X L, Zhang Q, et al. Thawing characteristics of red Pisha-sandstone freezing-thawing cycles in Ordos[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2016, 14(4): 34−41.
    [39] 焦居仁. 生态修复的要点与思考[J]. 中国水土保持, 2003(2):1−2. doi:  10.3969/j.issn.1000-0941.2003.02.001

    Jiao J R. Key points and thinking of ecological restoration[J]. Soil and Water Conservation in China, 2003(2): 1−2. doi:  10.3969/j.issn.1000-0941.2003.02.001
    [40] 郝立廉. 皇甫川试点小流域综合治理经济效益调查[J]. 中国水土保持, 1982(3):26−27.

    Hao L L. Investigation on economic benefit of comprehensive harness in Huangfuchuan Pilot Small Watershed[J]. Soil and Water Conservation in China, 1982(3): 26−27.
    [41] 毕慈芬, 王富贵. 砒砂岩地区土壤侵蚀机理研究[J]. 泥沙研究, 2008, 29(1):70−73. doi:  10.3321/j.issn:0468-155X.2008.01.012

    Bi C F, Wang F G. Research on soil erosion mechanism in Soft Rock Regions[J]. Journal of Sediment Research, 2008, 29(1): 70−73. doi:  10.3321/j.issn:0468-155X.2008.01.012
    [42] 毕慈芬, 王富贵, 李桂芬, 等. 砒砂岩地区沟道植物“柔性坝”拦沙试验[J]. 泥沙研究, 2003(2):14−25. doi:  10.3321/j.issn:0468-155X.2003.02.003

    Bi C F, Wang F G, Li G F, et al. Experiment on sediment retention by plant “Flexible Dam” in gully in Soft Rock Region[J]. Journal of Sediment Research, 2003(2): 14−25. doi:  10.3321/j.issn:0468-155X.2003.02.003
    [43] 孙增慧, 韩霁昌, 毛忠安, 等. 砒砂岩改良风沙土对作物产量影响的RZWQM2模型模拟[J]. 农业机械学报, 2018, 49(7):235−243. doi:  10.6041/j.issn.1000-1298.2018.07.028

    Sun Z H, Han J C, Mao Z F, et al. Simulation of Effects of Pisha Sandstone on Improving Corn Yield in Sandy Soil with RZWQM2 Model[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(7): 235−243. doi:  10.6041/j.issn.1000-1298.2018.07.028
    [44] 苏涛, 张兴昌, 王仁君. EN-1对砒砂岩固化土抗剪强度特征的影响[J]. 农业机械学报, 2013, 44(9):86−90. doi:  10.6041/j.issn.1000-1298.2013.09.016

    Su T, Zhang X C, Wang R J. Effect of EN-1 on shear strength characteristics of pisha sandstone solidified soil[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(9): 86−90. doi:  10.6041/j.issn.1000-1298.2013.09.016
    [45] 姚文艺, 吴智仁, 刘慧, 等. 黄河流域砒砂岩区抗蚀促生技术试验研究[J]. 人民黄河, 2015, 37(1):6−10. doi:  10.3969/j.issn.1000-1379.2015.01.002

    Yao W Y, Wu Z R, Liu H, et al. Experimental research on the anti-erosion and vegetation promotion for sandstone region in the Yellow River Basin[J]. Yellow River, 2015, 37(1): 6−10. doi:  10.3969/j.issn.1000-1379.2015.01.002
    [46] 辛雷勇. 砒砂岩区坡面植被缓冲带布设技术[D]. 呼和浩特: 内蒙古农业大学, 2013.

    Xin L Y. Technology of slope vegetation buffer strip placed in soft rock area[D]. Hohhot: Inner Mongolia Agriculture University, 2012.
    [47] 杨振奇, 秦富仓, 张晓娜, 等. 砒砂岩区不同立地类型人工沙棘林下草本物种多样性环境解释[J]. 生态学报, 2018, 38(14):5132−5140.

    Yang Z Q, Qin F C, Zhang X N, et al. Environmental interpretation of herb species diversity under different site types of Hippophae rhamnoides forest in feldspathic sandstone region[J]. Acta Ecologica Sinica, 2018, 38(14): 5132−5140.
    [48] 杨振奇, 秦富仓, 李晓琴, 等. 砒砂岩区主要造林树种枯落物及林下土壤持水特性[J]. 水土保持学报, 2017, 31(3):118−122.

    Yang Z Q, Qin F C, Li X Q, et al. Water-holding characteristics of litters and soil under major afforestation tree species in the Feldspathic Sandstone Region[J]. Journal of Soil & Water Conservation, 2017, 31(3): 118−122.
    [49] Matsuoka N, Thomachot C E, Oguchi C T, et al. Quaternary bedrock erosion and landscape evolution in the Sør Rondane Mountains, East Antarctica: Reevaluating rates and processes[J]. Geomorphology, 2006, 81(3-4): 0−420.
    [50] Pelletier J D. Quantifying the controls on potential soil production rates: a case study of the San Gabriel Mountains, California[J]. Earth Surface Dynamics, 2017, 5(3): 1−18.
  • [1] 温文杰, 张建军, 李依璇, 黄小清, 贺佩.  径流含沙量测定方法研究 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20180246
    [2] 陈佩岩, 马岚, 薛孟君, 梅雪梅, 张栋, 孙一惠.  华北土石山区不同粒径土壤团聚体特征及其与坡面侵蚀定量关系 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20180026
    [3] 周亚琦, 官凤英, 范少辉, 刘广路, 夏明鹏, 涂年旺.  天宝岩竹阔混交林毛竹及其伴生树种生态位的研究 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20170061
    [4] 潘欣, 王玉杰, 张会兰, 王云琦, 王彬, 歌丽巴.  官厅水库上游典型植物措施特性及在侵蚀性降雨下的水沙效应分析 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20150014
    [5] 王兵.  森林生态连清技术体系构建与应用 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2015.01.011
    [6] 于彩莲, 刘波, 杨莹, 秦迎春.  化控措施强化龙葵修复高镉污染土壤的能力研究 . 北京林业大学学报,
    [7] 王星, 李占斌, 李鹏, 高海东.  陕西省丹汉江流域典型县土壤侵蚀的地貌分布特征 . 北京林业大学学报,
    [8] 米文精, 刘克东, 赵勇刚, 郑彩霞, 时朝, 郝建卿, 吕坤.  大同盆地盐碱地生态修复利用植物的初步选择 . 北京林业大学学报,
    [9] 王云琦, 王玉杰, 刘楠.  三峡库区典型林分土壤抗侵蚀性能及评价 . 北京林业大学学报,
    [10] 杨建英, 祁有祥, 赵廷宁, 赵方莹.  基于侵蚀针和近景摄影测量的侵蚀速率测定方法试验研究 . 北京林业大学学报,
    [11] 姜喜山, 兰再平, 张博, 马可, 胡海姿.  新建经济林与垦复竹林土壤侵蚀定位研究 . 北京林业大学学报,
    [12] 宋现锋, 段峥, 牛海山, 河野泰之.  土壤侵蚀模型中植被管理因子的遥感估算 . 北京林业大学学报,
    [13] 冯仲科, 姚山, 董斌.  数字山东林业生态工程建设关键技术分析 . 北京林业大学学报,
    [14] 王建勋, 郑粉莉, 江忠善, 张勋昌, .  基于WEPP的黄土丘陵区不同坡长条件下坡面土壤侵蚀预测 . 北京林业大学学报,
    [15] 魏强, 张秋良, 代海燕, 郭鑫, .  大青山不同植被下的地表径流和土壤侵蚀 . 北京林业大学学报,
    [16] 孙刚, 杨海军, 余新晓, 胡良军.  人工生境缀块对受损河岸生态系统的修复作用 . 北京林业大学学报,
    [17] 周永学, 毛俊娟, 魏潇潇, 胡胜华, 刘杏娥, 高黎, 张洪江, 吴彩燕, 袁怀文, 颜绍馗, 殷亚方, 杨平, 白岗栓, 黄荣凤, 郑小贤, 王费新, 胡万良, 何亚平, 张莉俊, 李瑞, 王芳, 张璧光, 邓小文, 秦爱光, 戴思兰, 王胜华, 王兆印, 樊军锋, 费世民, 崔赛华, 李猛, 王正, 汪思龙, 谭学仁, 王小青, 孙向阳, 乔建平, 张克斌, 罗晓芳, NagaoHirofumi, 赵天忠, 常旭, 杜社妮, 张岩, 刘燕, 王晓欢, KatoHideo, 李昀, 高荣孚, 张双保, 陈放, 龚月桦, 范冰, 江玉林, , 王海燕, 张占雄, 韩士杰, 李华, 徐嘉, 张旭, 刘云芳, 江泽慧, 孔祥文, 刘秀英, 侯喜录, 常亮, 陈宗伟, 陈秀明, 杨培华, , 李媛良, 丁磊, 李晓峰, 郭树花, IdoHirofumi, 任海青, 薛岩, , 高建社, 张代贵, 陈学平, 张桂兰, 李考学, 徐庆祥, 蒋俊明, 费本华, , 金鑫, , 刘永红, 李雪峰, 续九如, 王晓东, 涂代伦, 丁国权, , 张红丽, , .  非线性植被-侵蚀动力学模型初探 . 北京林业大学学报,
    [18] 尹增芳, 李云开, 张玉兰, 梁善庆, 崔丽娟, 林勇明, 李昌晓, 李春义, 周繇, 刘杏娥, 任云卯, 王春梅, 闫德千, 张运春, 谭健晖, 张颖, 王蕾, 周海宾, 金莹杉, 林娅, 赵铁珍, 王戈, 张仁军, 张秀新, 孙阁, 吴淑芳, 王超, 陈圆, 邢韶华, 刘青林, 高岚, 黄华国, 杨培岭, 刘艳红, 刘国经, 张志强, 樊汝汶, 张明, 江泽慧, 张桥英, 江泽慧, 王以红, 翟明普, 洪滔, 马履一, 马钦彦, 王莲英, 钟章成, 温亚利, 张曼胤, 于俊林, 赵勃, 罗建举, 杨远芬, 徐秋芳, 余养伦, 吴普特, 周荣伍, 邵彬, 汪晓峰, 杨海军, 田英杰, 陈学政, 王玉涛, 吴承祯, 殷际松, 冯浩, 于文吉, 何春光, 张本刚, 王希群, 刘俊昌, 安玉涛, 崔国发, 费本华, 罗鹏, 张晓丽, 王小青, 周国模, 周国逸, 柯水发, 任树梅, 蔡玲, 马润国, 洪伟, 徐昕, 邬奇峰, 费本华, 何松云, 徐克学, 王九中, 康峰峰, 魏晓华, 李敏, 温亚利, 刘爱青, 高贤明, 赵景刚, 骆有庆, 胡喜生, 赵弟行, 任海青, 赵焕勋, 吴家森, 安树杰, 朱高浦, 郑万建, 田平, 吴宁, 林斌, 宋萍, 卢俊峰, 李永祥, 范海兰.  强烈侵蚀产沙区小流域土壤侵蚀强度的支持向量机预报模型研究 . 北京林业大学学报,
    [19] 杜官本, 周志强, 江泽慧, 刘志军, 李国平, 徐剑琦, 刘智, 李贤军, 施婷婷, 于寒颖, 周国模, 雷相东, 黄心渊, 张煜星, 曹伟, 程丽莉, 赵俊卉, 崔彬彬, 肖化顺, 张展羽, 王志玲, 陈伟, 程金新, 雷霆, 宗世祥, 张贵, 李云, 苏淑钗, 杨谦, 吴家森, 郭广猛, 李云, 张璧光, 黄群策, 张璧光, 王正, 刘童燕, 王海, 张彩虹, 雷洪, 丁立建, 郝雨, 曹金珍, 关德新, 苏里坦, 张则路, 骆有庆, 王正, 常亮, 张大红, 姜培坤, 方群, 刘彤, 金晓洁], 许志春, 张国华, 秦岭, 贺宏奎, 宋南, 秦广雍, 李文军, 黄晓丽, 张慧东, 张书香, 陈晓光, 吴家兵, 周晓燕, 张佳蕊, 王勇, 刘大鹏, 于兴华, 姜金仲, 张弥, 高黎, 蔡学理, 苏晓华, 张金桐, 李延军, 陈燕, 冯慧, 刘建立, 刘海龙, 姜静, 陈绪和, 周梅, 朱彩霞, 成小芳, 王谦, 王德国, 王安志, 尹伟伦, 张冰玉, 张连生, 金昌杰, 聂立水, 陈建伟3, 亢新刚, 张勤, 冯大领, 梁树军, 韩士杰, 崔国发, 胡君艳, 姚国龙.  “数字林业”及其技术与发展 . 北京林业大学学报,
    [20] 王勇, 张春雨, 何恒斌, 赵广亮, 于占源, 李秀芬, 于格, 何利娟, 马履一, 李笑吟, 赖巧玲, 杨永福, 张亚利, 吕兆林, 王华, 王献溥, 张力平, 李长洪, 钟健, 姜春宁, 曹金珍, 许月卿, 贾彩凤, 史军辉, 林峰, 郭小平, 李悦, 郝玉光, 朱清科, 王希群, 尚晓倩, 孙长霞, 王骏, 毕华兴, 习宝田, 李鸿琦, 赵博光, 邵晓梅, D.PascalKamdem, 黄忠良, 郭惠红, 贾桂霞, 于顺利, 鲁春霞, 赵秀海, 胥辉, 杨培岭, 杨明嘉, 王继兴, 曾德慧, 郑彩霞, 朱教君, 周金池, 尚宇, 包仁艳, 丁琼, 崔小鹏, 刘燕, 张榕, 陈宏伟, 姜凤岐, 李黎, 任树梅, 甘敬, 郑景明, 杨为民, 费孛, 王庆礼, 张志2, 欧阳学军, 谢高地, 丁琼, 王秀珍, 朱金兆, 蔡宝军, , 沈应柏, 贾桂霞, 张中南, 刘足根, 贾昆锋, 何晓青, 范志平, 沈应柏, 刘鑫, 张池, 刘艳, , 纳磊, 李凤兰, 陈伏生, 鹿振友, 周金池, 李林, 毛志宏, 张方秋, 唐小明, , 周小勇, 赵琼, 马玲, 申世杰, .  基于GIS和RUSLE的土壤侵蚀量计算——以贵州省猫跳河流域为例 . 北京林业大学学报,
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-14
  • 修回日期:  2020-01-03

砒砂岩区土壤侵蚀机理与生态修复技术研究进展

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190430
    基金项目:  国家自然科学基金项目(41967008),国家自然科学基金青年基金项目(41807079),内蒙古科技计划项目(201802106)
    作者简介:

    秦富仓,博士,教授。主要研究方向:水土保持与荒漠化防治、干旱区土地资源利用、矿山生态修复。Email:qinfc@126.com 地址:

  • 中图分类号: S157

摘要: 黄河流域的生态保护和高质量发展,是我国新时代生态文明建设的重要内容。砒砂岩区是黄河流域水土流失最严重的区域之一,也是黄河粗泥沙的集中来源区。砒砂岩区水土流失治理和生态修复工作倍受党和国家重视,多年不懈的水土保持工作取得了巨大成就,水土流失防治成效显著,生态环境明显好转,但砒砂岩区的水土流失形式仍旧严峻,生态环境依然脆弱,治理质量还有较大提升空间,大面积的人工林也面临着退化风险和更新难题。砒砂岩区土壤侵蚀机理研究成果丰富,但该区水文下垫面复杂多变,侵蚀类型多样复合,前人的研究仍沿用黄土高原区的理论与方法,极大的限制了砒砂岩区土壤侵蚀机理研究的发展。本文结合前人的研究成果和作者的科研经验,概括了砒砂岩区土壤侵蚀机理与生态修复技术研究的发展历史,从基岩侵蚀内因、土壤侵蚀机理研究、生态修复技术研究、存在问题与发展方向四个角度,对砒砂岩土壤侵蚀机理研究和生态修复技术工作的成果进行系统梳理,剖析现有研究的不足之处,指出未来砒砂岩区土壤侵蚀机理研究和生态修复技术发展发向。

English Abstract

秦富仓, 杨振奇, 李龙. 砒砂岩区土壤侵蚀机理与生态修复技术研究进展[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190430
引用本文: 秦富仓, 杨振奇, 李龙. 砒砂岩区土壤侵蚀机理与生态修复技术研究进展[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190430
Qin Fucang, Yang Zhenqi, Li Long. Research progress on soil erosion mechanism and ecological restoration technology in feldspathic sandstone region[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190430
Citation: Qin Fucang, Yang Zhenqi, Li Long. Research progress on soil erosion mechanism and ecological restoration technology in feldspathic sandstone region[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190430
  • 砒砂岩泛指分布在黄河中游晋陕蒙交界地带,出露于地表,或埋藏于黄土和沙之下,由泥质砂岩、砂页岩和泥岩等组成的岩石互层,属晚古生代和中生代的陆源碎屑岩[1]。砒砂岩在外观上呈白色、灰白色和紫红色等颜色层叠排列结构,其成岩程度低,结构强度弱,受风、水侵蚀后极易溃散。砒砂岩区气候干旱,地形切割破碎,水力、风力、重力和冻融作用交替发生,基岩风化侵蚀速度快,水土流失治理难度极大,砒砂岩区被称作“世界水土流失之最”[2],是黄河粗泥沙的集中来源区。砒砂岩区煤炭资源丰富,该区的生态环境治理对于稳定我国能源供给和经济增长具有重要战略意义。

    砒砂岩区土壤侵蚀机理和生态修复技术的发展历程可分为4个阶段:第1阶段为探索试验阶段。新中国成立以来,黄河流域水利工作重点由保障工农业生产转向泥沙治理,1957年砒砂岩区的第一个水文站皇甫川站建成。20世纪80年代末,国家和各级水利部门开始关注到砒砂岩区的基岩产沙问题,以小流域为单元在砒砂岩区开展了大量试点治理,进行了一系列的植被和工程治理技术试验。第2阶段为定向试验阶段。20世纪90年代,随着黄河泥沙来源的逐渐明确,专家学者加大了对黄河粗砂集中来源区的砒砂岩区的研究力度,构建了初期的小流域产流产沙的数学模型,并对砒砂岩区的分布范围、植被和土壤特征进行了系统的调查,确立了沙棘(Hippophae rhamnoides)为主的水土流失治理思路。第3阶段为发展研究阶段。21世纪初,国家级、省部级的科技攻关和重点项目相继落户砒砂岩区,“3S”技术成为了砒砂岩区科学研究的重要手段,土壤侵蚀与区域生态环境、土地利用结构和人类活动等因素关系成为了热点研究课题,水土保持工作理念也由防控土壤侵蚀向生态修复理念转变。第4阶段为快速发展阶段。2010年至今,砒砂岩区土壤侵蚀机理研究日益成熟,企业和高校广泛参与,推动了新材料、新技术和新理论在土壤侵蚀机理研究中的应用融合,促进了砒砂岩生态修复向产业化方向发展。

    “十三五时期”我国经济发展进入新常态,对生态文明建设提出了更高要求。黄河流域的生态保护和高质量发展是当前生态文明建设的重要内容,砒砂岩区作为黄河粗砂集中来源区,其生态修复工作也面临着全新的挑战。如今砒砂岩区土壤侵蚀的研究成果丰富,治理效益显著,入黄泥沙逐年减少,区域生态环境日益改善,但砒砂岩区相比黄土高原区其下垫面条件更为复杂,覆土层厚度不均匀,其产流产沙机制亦不相同,侵蚀机理仍存在较大的空白领域,同时生产实践中暴露出的生态水量失衡、造林成活率低和人工林退化等问题都亟待解决。因此,本文基于砒砂岩区1980—2019年文献资料结合作者在该区的实践和研究经历,从砒砂岩侵蚀内因、土壤侵蚀机理和生态修复技术3个方面对现有研究成果进行梳理,剖析其不足,并为砒砂岩区土壤侵蚀机理和生态修复技术研究的未来发展理清方向,对于推进黄河流域的生态文明建设和促进水土保持学科发展有重要现实意义。

    • “砒砂岩”并非科学术语,而是人民群众对当地易侵蚀基岩的俗称(亦称“红胶泥、披砂岩、劈砂岩”),意为这种岩石造成的严重水土流失危害毒若砒霜。砒砂岩分类、分布和性质的早期研究始于煤层、矿层和水文地质勘探[3],局限于砒砂岩基本属性的调查,确定其形成时期为古生代二叠纪、中生代三叠纪、侏罗纪和白垩纪,岩石类型有长石砂岩、砂页岩和泥质砂岩等。随着技术手段的不断更新,专家学者对砒砂岩岩石的微结构、溃散机理及其对土壤性质的影响等方面开展了大量的研究,证实了砒砂岩的岩性特征对土壤侵蚀过程有着不可忽视的影响作用,这也是砒砂岩区土壤侵蚀过程有别于其他地区的重要原因。下面从3个方面归纳基岩的侵蚀内因:

    • 矿物是组成岩石的基本单位,岩石抗蚀性能与构成矿物成分关系密切。专家学者借助X射线衍射仪等仪器和硅酸盐分析方法对砒砂岩的矿物组成和化学成份进行了分析,虽然采样地点和岩石地层有所差异,但砒砂岩物质组成的分析结果基本一致,其主要构成矿物为石英、长石、钙蒙脱石和方解石,其中石英含量约占30.9% ~ 50.8%,长石(钾长石和斜长石)含量约占9.7% ~ 42.5%,其余为粘土矿物(包括蒙脱石、伊利石和高岭石)含量约占10.5% ~ 29.0%,以及起胶结作用的碳酸盐矿物(包括方解石和白云石)含量约占4.0% ~ 17.1%,砒砂岩的主要化学成分为性质稳定的SiO2和Al2O3,也含有少量性质活泼的Na2O、K2O和CaO成分[4-5]

      从物质组成的情况来看,砒砂岩易于侵蚀的原因主要有3方面,首先,砒砂岩石英含量低于普通砂岩(石英含量约为66.8%),表明其成岩程度较低,岩石会向更为稳定的结构转化;其次,起胶结作用的方解石胶结类型属易破坏的弱胶结作用;再次,矿物成分中蒙脱石易吸水膨胀,方解石易风化分解,使得砒砂岩在风水复合侵蚀的作用下更易侵蚀。最后,砒砂岩化学成分中的性质较为活跃的Na2O等成分虽然含量较少,但对于岩石的风化和侵蚀也起到了一定促进作用。

    • 岩石的微观结构决定了岩石的力学性质、岩体稳定性和抗风化能力。相关研究表明,砒砂岩独特的岩性特征,与其成岩环境以及成岩阶段的地壳抬升作用有关;砒砂岩颗粒组成复杂,78.0%为0.1 mm以上颗粒,13.5%为0.05 mm以下的颗粒,颗粒不均匀系数为12.63,曲率系数为3.71;干密度在1.36 ~ 1.58 g/cm3之间,孔隙度在32.4% ~ 37.8%之间,含水率在7.9% ~ 21.1%之间;砒砂岩岩石矿物胶结类型为颗粒支撑和孔隙式胶结,矿物颗粒的扁圆度均值为0.44、平均性状系数均值为0.91、颗粒排列熵均值为0.64、平面孔隙度均值为47.20%,软化系数的均值为0.20;砒砂岩的工程性质极差,抗压和抗拉强度均值分别为2.19 Mpa和1.16 Mpa[6-7]

      从岩石结构特征来看,砒砂岩易被侵蚀的原因可以归纳为两个方面,第一,砒砂岩矿物风化不彻底,属不等粒结构岩石,矿物颗粒大小悬殊且排列不规律,岩体结构受力不均,因此岩体的抗压和抗拉能力较弱。第二,砒砂岩相比其他类型砂岩,其结构密实性较低,孔隙结构却较发达,水分更容易作用于岩体内矿物结构,蒙脱石吸水膨胀后胶结物失去对其控制,从而导致岩体结构破坏,且自然界中的雨水呈弱酸性,与砒砂岩的长石矿物以及碱性氧化物反应,加速了岩体溃散过程。

    • 土壤矿物质主要来源是岩石风化形成的矿物碎屑,土壤中矿物质的种类和数量会显著影响土壤的养分条件、物理性质和生态功能。在裸露砒砂岩区时常可以见到这样的景象,坡面上分布着厚度不均的土壤层,梁顶、沟谷地以及坡脚下分布着大量的基岩风化产物。伍艳等对砒砂岩风化物的养分分析结果显示,其有机质含量为1.5 ~ 7.8 g/kg,全氮含量为0.17 ~ 0.54 g/kg,全磷含量为1.9 × 10−5 ~ 3.5 × 10−5 g/kg,全钾含量为2.75 × 10−4 ~ 9.07 × 10−4 g/kg,pH值为8.91 ~ 10.04[8]。砒砂岩区表层土壤结构多呈粒状、片状和块状结构,团粒结构较少,阳离子代换量小于10 cmol/kg,土壤稳定渗透率在0.6 ~ 1.2 mm/min,仅为黄土和风沙土类的三分之一和四分之一[9]。张露等[10]的研究表明,随着土壤中砒砂岩风化物量的增加,土壤的持水能力会随之增强。本课题组的研究结果也显示,砒砂岩区受基岩出露、侵蚀和植被等多方面因素影响,不同地形条件下的土壤有机质相差悬殊,表层土壤受基岩风化物的影响,其入渗性能较差,雨后挖掘的风化层剖面存在明显渗水的现象[11]

      砒砂岩风化物对土壤性质的影响可以归纳为以下两方面,一方面,砒砂岩的矿物成分以原生矿物为主(石英和长石),黏土矿物(蒙脱石、高岭石和伊利石)较少,成土所需的矿质养分来源匮乏。另一方面,砒砂岩溃散形成的碎屑进入土壤后,石英颗粒成为粗颗粒泥沙的重要来源之一,其余矿物颗粒则影响着土壤的理化性质。

    • 砒砂岩区地处半干旱区与干旱区的过渡地带(见图1),春冬两季多风干燥,夏末秋初暴雨集中,地貌类型兼具黄土丘陵沟壑地貌和风沙地貌[12],因而砒砂岩区各类侵蚀作用在时间和空间上具有复合交替的特点。目前在世界其他地区尚未见同等岩性岩石的研究报道,国外可参考的资料以砂岩地区侵蚀研究的成果较多,其多采取室内模拟的方法,研究方向主要集中在岩石微观结构、环境因素对侵蚀过程的影响以及坡面水力侵蚀过程等方面[13-15]。我国专家学者在1980—1990年间并未将砒砂岩区作为一个单独的研究区,研究成果也较为分散。90年代末,黄河水利委员会对砒砂岩的分布范围进行了界定,依据基岩裸露程度和上层覆盖物将砒砂岩区分为盖土区、盖沙区和裸露区,而后又将裸露砒砂岩区进一步细化为强度侵蚀亚区和剧烈侵蚀亚区,研究方向可以归纳为水力、风力、重力和冻融侵蚀4个方面[16]

      图  1  砒砂岩区位置

      Figure 1.  Location of the feldspathic sandstone region

    • 水力侵蚀是砒砂岩区分布最为广泛,危害最为严重的土壤侵蚀类型之一,砒砂岩区的水力侵蚀的研究方向可以分为侵蚀机理的研究和侵蚀模型的研建。

      (1)侵蚀机理:专家学者利用人工降雨和放水冲刷等经典方法对砒砂岩区的水力侵蚀机理进行了系统的研究,明确了砒砂岩风化物的溅蚀量与降雨动能的关系[17],阐明了坡面细沟流产生机制[18-19],分析了了沟道形态特征要素与流域面积之间的关系[20],证实了砒砂岩的岩性特征会显著影响坡面的产流产沙过程[21]

      (2)侵蚀模型:砒砂岩区流域侵蚀产沙模型的研究一直是专家学者关注的热点。史培军和唐政洪等率先开始了砒砂岩区典型流域的侵蚀模型研究,基于大量的降雨和产流产沙数据,建立了最初的适用于砒砂岩区小流域的侵蚀预报模型[22-24]。随着3S技术的发展,砒砂岩区土壤侵蚀预报模型的参数开始涉及区域土地利用覆被、植被演变及人类活动等多元因素,专家学者对WEPP模型、SWAT模型以及ANNIAGNPS等模型在砒砂岩区适用性进行了研究[25-27]

      事实上,砒砂岩区与土层深厚的黄土高原区不同,其天然坡面并非是由土壤构成的匀质坡面,由于长期的侵蚀搬运作用,使本就浅薄的土壤向低洼地形搬运沉积,因而同一坡面土层厚度相差悬殊,形成了裸露基岩与土壤在山坡表面呈交错分布的复合型坡面(见图2)。裸露的基岩经风化和雨水的浸泡后,其形态结构和物理性质有明显的改变,导致区域产流产沙过程变化,因此在研究砒砂岩区的水力侵蚀机理的研究中,必须要重视因地表覆土层厚度不同引起的侵蚀过程差异。

      图  2  复合坡面示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of the composite slope

    • 砒砂岩区处于黄土高原风蚀和水蚀的交错带,风蚀作用几乎覆盖全部砒砂岩区,但覆土(沙)砒砂岩区与毛乌素沙地的过渡地带是主要的风蚀区,迎风坡面、梁峁地以及沟谷阶地等特殊地形也是风蚀的强力作用区域[28],风蚀在砒砂岩地区的侵蚀产沙中扮演着极为重要的角色。唐政洪等[23]对砒砂岩风化速度的观测结果证实,砒砂岩的风化速度在1.5 mm/a到3.6 mm/a之间,裸露砒砂岩风化后更易被水力侵蚀,侵蚀量是风蚀的5倍,砒砂岩每年风化提供的沙源物在2 205 t/km2到5 292 t/km2之间。大部分的专家学者认为风、水两相侵蚀是砒砂岩区土壤侵蚀的主要过程,更为关注风力与水力侵蚀的交互作用,并通过定量化的研究土壤水蚀和风蚀能量,明确了风蚀水蚀交互作用下坡面侵蚀、切沟侵蚀以及沟谷侵蚀机制[29-30]

      目前,砒砂岩区风力的侵蚀规律已基本明确。春冬时期是砒砂岩地区风蚀盛行的季节,春冬交替时期风力与冻融和重力构成复合侵蚀,加剧基岩的风化溃散,产生大量的风化碎屑,春末夏初时期风力与水力和重力交互侵蚀,径流携带风化碎屑形成高含沙水流。但对于风力侵蚀模型的研究相对较少,只有董治宝[31]建立的砒砂岩区土壤风蚀流失量的经验估算模型。

    • 砒砂岩区的主要侵蚀类型除了风力和水力以外,还存在着极为普遍的重力侵蚀作用,其形式以陡坡地带的泻溜和崩塌为主,是沟道泥沙物质的重要来源之一。早在20世纪80年代初,专家学者已经注意到基岩岩性和抗风化性能引起的土体破碎松散、基岩泄溜和崩塌现象[32-33],制定了重力侵蚀强度的分类和分级标准,并将晋陕蒙交界的三角区划分为剧烈重力侵蚀区域。但只是将砒砂岩区作为黄土高原区重力侵蚀的类型区之一,并未对砒砂岩岩性与重力侵蚀机理做深入研究。直至21世纪初,叶浩等的研究进一步揭示了基岩岩性与重力侵蚀的关系,其认为砒砂岩的抗剪强度与内聚力是重力侵蚀发生的决定性因素,砒砂岩的机械和化学风化作用是重力侵蚀发育的诱导性因速,而地层岩性及其组合是砒砂岩易于发生重力侵蚀的根本原因[34]

      砒砂岩区重力侵蚀作用受基岩内因和环境等多因素的综合影响,且常与风力、水力以及冻融侵蚀作用交互发生,监测难度极大,现有研究多以定性分析和现象描述为主,重力侵蚀定量分析、交互作用和预报模型仍属空白领域。

    • 砒砂岩区属典型的温带大陆性气候,年0 ℃以下日数在105 ~ 125 d之间,年降雨量在240.0 ~ 470.5 mm之间,具备冻融侵蚀发生的气候条件。唐政洪等[23]在砒砂岩区设立的冻融风化小区的观测结果显示,侵蚀沟道的年冻融风化厚度在1.94 ~ 3.50 cm之间,冻融侵蚀过程是典型的层状侵蚀,表层剥离后深入循环。而相比于冻融侵蚀的现象,专家学者更为关注基岩的岩体结构与冻融侵蚀的关系,相关研究显示,基岩中泥岩层与粉细砂岩层透水性的差异,使得水分能在在岩层间保存,水分结冰后冻胀作用破坏岩体的孔隙结构,使基岩结构疏松甚至破碎,消融作用则使疏松岩体剥落,导致顺层面的差异滑落,因此冻融侵蚀过程主要发生在基岩大面积出露的侵蚀沟内[35-38]。砒砂岩区的冻融侵蚀研究起步相对较晚,冻融侵蚀对土地生产力破坏作用相对较小,其主要作用是为其他类型侵蚀创造积累易侵蚀环境和砂物质基础,因而大部分专家学者更为重视冻融侵蚀与其他类型侵蚀的交互影响作用。

      综上所述,砒砂岩区水力、风力、重力和冻融侵蚀机理的研究成果较为丰富,明确了各类外营力作用下的侵蚀产沙规律,初步建立了适宜砒砂岩区的侵蚀产沙模型。但是,无论何种类型的侵蚀作用都与砒砂岩区独特的基岩性质密切相关,现有侵蚀机理的研究仍将研究对象视作匀质土壤条件,并未考虑基岩岩性对侵蚀产沙规律的影响,这与砒砂岩区的实际侵蚀规律存在着较大误差。

    • 生态修复技术是指生态系统在具备一定自恢复和自调节能力的基础上,通过适当的人为干预措施,引导和加速生态系统恢复过程的技术[39]。砒砂岩区植被类型以草原植被为主,区域气候、地貌和土壤等自然条件复杂多变,生态系统的抵抗力稳定性和恢复力稳定性相对较差,长期而剧烈的土壤侵蚀作用造成了土壤养分的流失、植被的退化和生态系统的破坏,因此土壤侵蚀治理是砒砂岩区生态修复工作的重点内容。

      表1为近40年砒砂岩区的主要生态修复技术模式,20世纪80年代,砒砂岩区开展了小流域的综合治理和植物引种试验[40]。20世纪90年代,专家学者们注重并开始了生物治理砒砂岩区水土流失的新战略,到20世纪初期,砒砂岩区生态修复技术已基本成熟,形成了完善的坡面和沟道工程治理技术体系。砒砂岩区的土壤侵蚀趋势基本得到控制,生态环境明显好转。2010年以来,治理思路开始转变,部分企业和高校开始探索将砒砂岩资源化处理,与此同时,新技术、新材料和新理论的引进吸收,为砒砂岩区生态修复技术的研究和发展开辟了新途径。

      表 1  砒砂岩区主要生态修复技术模式

      Table 1.  Main ecological restoration technology models in the feldspathic sandstone region

      时间
      Time
      实施单位
      Executing units
      主要专家
      Chief expert
      技术模式
      Technical mode
      80年代
      80 s
      黄河水利委员会天水水保站
      Tianshui soil and water conservation scientific research station
      试点小流域综合治理,淤地坝试验,飞播试验,优良植物种引种试验
      The experiments of comprehensive management of small watersheds, silt arrester and aerial seeding. Introduction, selection and application of high quality plant
      90年代 ~ 20世纪初
      90 s to the early 20th century
      黄河上中游管理局
      The management bureau of the middle yellow river basin
      毕慈芬等[41-42]
      Bi Cifen, et al.
      “沙棘柔性坝”治理技术体系
      The technique system of seabuckthorn plant flexible dam
      2010 ~ 2018 陕西省地产开发服务总公司
      Shaanxi province estate development service corporation,
      韩霁昌等[43]
      Han Jichang, et al.
      砒砂岩与沙土复配土
      The feldspathic sandstone and sand compound soil
      中国科学院水利部水土保持研究所
      Institute of soil andwater conservation,
      Cas & Mwr
      张兴昌等[44]
      Zhang Xingchang, et al.
      EN-1坡面固化剂治理技术体系
      The technique system of EN-1 soil stabilizer
      黄河水利科学研究院
      Yellow River institute of hydraulic research
      姚文艺等[45]
      Yao Wenyi, et al.
      抗蚀促生技术体系
      The technique system of anti-erosion and vegetation-promoting
      内蒙古农业大学
      Inner Mongolia agricultural university
      秦富仓等[46-48]
      Qin Fucang, et al.
      植物缓冲带技术体系、水土保持植被精准配置
      The technique system of vegetation buffer stripThe precise configuration of soil and water conservation vegetation

      砒砂岩区生态修复工作在取得巨大成效的同时,也改变了该区的土地利用结构。以皇甫川流域为例,1980—2010年间流域林地和灌丛面积分别增长了4.93%和11.96%,流域内淤地坝增加了近200座,坝控流域面积增长了约1 000 km2。可见,生态修复治理形成了大面积宝贵的坝地和水库资源,也使人工林地成为了该区最主要的景观类型,大面积的治理资源如果缺乏有效的管护和利用,将面临退化的风险,如何提升人工植被的生态稳定性,并对现有治理资源进行合理利用以促进地方经济高质量发展,成为了摆在当前砒砂岩区生态修复工作面前的新难题。

    • 综上所述,砒砂岩区气候、植被、基岩岩性与人类活动等因素对土壤侵蚀机理的影响已初步探明并被加以利用,但同时也存在一些空白领域、生产实践问题和科技方法的瓶颈,需要广大专家学者去进一步探索、解决和突破。为了能更加深刻且准确地揭示土壤侵蚀的机制,国际上的学者已经开展了土壤侵蚀与风化基岩关系的研究[49-50]。随着我国新时代对于生态文明建设的强力推进,对于黄河泥沙的综合治理也提出了更为有效、更为精准和更为科学的新需求,因而砒砂岩岩性与土壤侵蚀和生态修复的耦合关系必将成为土壤侵蚀学科研究的热点之一。

      (1)砒砂岩区裸露基岩—土壤复合坡面土壤侵蚀机理研究。砒砂岩区基岩埋藏深度不均匀,自然坡面普遍存在裸露基岩与土壤交错分布的现象,而裸露基岩与土壤的产流产沙机制存在显著的差异,但目前砒砂岩区土壤侵蚀机理的研究仍沿用黄土高原区的试验方法将坡面视作匀质土壤,得出的侵蚀规律和侵蚀模型与砒砂岩区的实际情况存在较大出入。砒砂岩区土壤侵蚀机理今后的研究中应加大对复合型坡面关注,并在此基础上构建一系列更贴近实际也更为精细化的侵蚀模型。

      (2)砒砂岩区基岩岩性影响下的侵蚀微地貌重塑机制研究。基岩的侵蚀产沙作用是砒砂岩区土壤侵蚀机理有别于其他区域的重要特征,基岩的岩性特征决定了地表的蚀积规律和微地貌的产生过程,现有的研究中虽然已经意识到了基岩岩性的重要性,但缺乏将基岩岩性与土壤侵蚀过程相联系的研究。因此,砒砂岩区基岩岩性与土壤耦合侵蚀影响下的微地貌重塑过程和土壤养分迁移规律的研究,是下阶段砒砂岩区土壤侵蚀机理研究的重点方向。

      (3)砒砂岩区复合侵蚀时空分异规律研究。砒砂岩区的土壤侵蚀作用是多营力参与的复合侵蚀过程,水蚀、风蚀、冻融侵蚀和重力侵蚀在时间和空间上的交互作用,通过基岩岩性变化产生的侵蚀物质彼此紧密联系,但目前仅水力侵蚀方面可以实现定量化研究,风力、冻融和重力侵蚀过程相互交错复合,分离定量研究较为困难,只能给出定性的侵蚀规律。各类型侵蚀的定量研究、复合侵蚀的时空作用机制及相应侵蚀模型的构建可以作为下阶段砒砂岩区土壤侵蚀机理研究的方向之一。

      (4)砒砂岩风化层水分资源化研究。水分短缺是制约砒砂岩区生态修复成效的主要因素,提高该区的水分利用效率对于提升植被成活率有重要意义。砒砂岩具有极强的亲水性,但各岩层的透水性能有所差异,雨水经过土壤和透水岩层入渗,在质密不透水岩层界面积蓄。砒砂岩区基岩风化层中水分的运移贮存机制,以及风化层水分资源化的研究,是下阶段砒砂岩区生态修复技术研究的重点方向。

      (5)砒砂岩区生态治理成果资源化及高质量发展模式研究。砒砂岩区的生态修复工作取得显著成效,积累了大面积的人工植被资源、坝地资源和水库资源,但现有资源利用缺乏统一筹划和有序开发,出现了部分资源无人问津,部分资源过度利用面临退化的现实问题。下一阶段,砒砂岩区的生态修复工作应将工作重心由生态治理转向高质量发展,合理有序的对生态治理成果进行资源化的转化,构建以良好生态为发展主题,以丰富资源为发展保障,农林牧渔业协同发展的高质量发展模式。

参考文献 (50)

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