畢慈芬，王富貴，趙光耀，李子鏞

(黃河上中游管理局，陜西 西安 710021)

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砒砂巖區(qū)溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建和建議

畢慈芬，王富貴，趙光耀，李子鏞

(黃河上中游管理局，陜西 西安 710021)

砒砂巖區(qū)；溝道；生態(tài)系統(tǒng)；土壤水庫；人工濕地；水資源

砒砂巖區(qū)千溝萬壑，光山禿嶺，水土流失嚴(yán)重。為控制砒砂巖區(qū)支毛溝溝頭的嚴(yán)重土壤侵蝕，需要有計(jì)劃、有組織地在砒砂巖區(qū)開展大面積溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建研究，這是黃土高原多沙粗沙區(qū)生態(tài)建設(shè)的戰(zhàn)略基石。給出了構(gòu)建的指導(dǎo)思想、基本原則、可操作性工程技術(shù)、可持續(xù)發(fā)展模式和實(shí)施計(jì)劃，提出沙棘柔性壩必須進(jìn)行平茬試驗(yàn)和喬木林替代試驗(yàn)，建議把皇甫川沙圪堵以上1 351 km2的流域作為試驗(yàn)平臺。

1　砒砂巖區(qū)范圍及環(huán)境特征

砒砂巖指古生代二疊紀(jì)和中生代三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)的厚層砂巖、砂頁巖、泥質(zhì)砂巖組成的紫色、粉紅色、白色、灰色巖石互層。其特點(diǎn)是：無水堅(jiān)硬如頑石，有水則松軟如爛泥，遇風(fēng)則風(fēng)化剝蝕，凍融作用致溝谷坡表面的松散層達(dá)5～10 cm厚。群眾深受其水土流失危害，形容這種巖石毒如砒霜，故稱砒砂巖。

砒砂巖區(qū)集中在晉陜蒙接壤地區(qū)，總面積1.12萬km2，是基巖產(chǎn)沙區(qū)的核心。砒砂巖區(qū)千溝萬壑，光山禿嶺，形如羊背的五花肉，被譽(yù)為“地球環(huán)境癌癥”。溝壑密度最大達(dá)6.8 km/km2。

該區(qū)年均降水量381 mm，是典型的干旱半干旱區(qū)。受季風(fēng)的影響，每年75%的降水集中在6—9月，暴雨多、沙量大，易形成高含沙洪水。

該區(qū)冬春季常處于蒙古高壓中心的東南緣，氣壓梯度大，冷空氣首當(dāng)其沖，年均大風(fēng)日數(shù)20～30 d，最多為80 d。大風(fēng)集中在冬春季，平均風(fēng)速2～6 m/s，最大達(dá)20 m/s。年均氣溫7.3 ℃，≥10 ℃年積溫3 472 ℃，日照時(shí)數(shù)3 101 h，無霜期148 d，蒸發(fā)量2 041 mm。

2　砒砂巖區(qū)溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的提出

黃河的癥結(jié)是泥沙問題，特別是來源于黃土高原7.86萬km2多沙粗沙區(qū)粒徑大于0.05 mm的粗顆粒泥沙。黃土高原的水土流失以溝蝕為主，溝蝕主要集中于支毛溝溝頭。在溝壑中修建淤地壩可取得顯著攔沙成效，但面對千溝萬壑、形態(tài)各異、大比降的支毛溝溝頭，淤地壩并不能控制溝頭延伸、溝岸擴(kuò)張、溝底下切。

1992年8月，筆者隨中國水土保持學(xué)會沙棘專業(yè)委員會赴砒砂巖地區(qū)考察沙棘生長情況時(shí)，在陡坡種植沙棘成功的基礎(chǔ)上[1]，受1985年水利部原部長錢正英提出“以開發(fā)沙棘資源作為加速黃土高原治理的一個(gè)突破口”科學(xué)建議的啟迪，為控制砒砂巖區(qū)支毛溝溝頭的嚴(yán)重土壤侵蝕，在座談會上提出在砒砂巖地區(qū)進(jìn)行沙棘植物柔性壩試驗(yàn)研究。1993年開始收集資料、查閱文獻(xiàn)、進(jìn)行野外調(diào)查，選鄂爾多斯市水土保持科學(xué)研究所位于準(zhǔn)格爾旗西召溝小流域試驗(yàn)基地左岸的東一支溝(面積1.67 km2、溝長1 682 m)進(jìn)行試驗(yàn)。1995年11月23日該研究課題在黃河上中游管理局正式立項(xiàng)，后經(jīng)5年試驗(yàn)取得了創(chuàng)新性成果。

2001年，水利部沙棘開發(fā)管理中心正式立項(xiàng)，對溝道植物柔性壩攔沙工程進(jìn)行深入系統(tǒng)研究，完成了“砒砂巖地區(qū)支毛溝溝頭沙棘植物柔性壩壩系系統(tǒng)工程技術(shù)框架構(gòu)思的設(shè)計(jì)與施工”成果。2001年3月新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院周著教授申請國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“粗沙地區(qū)沙棘柔性壩水動力學(xué)特性及其治沙機(jī)理研究”獲批[2]。2002年3月中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源科學(xué)研究所許炯心研究員申請國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于地貌植被耦合的黃河中游侵蝕過程”獲批。2002年華美學(xué)會王文江博士申請臺灣中興工程科技研究基金項(xiàng)目“植物柔性壩在集水區(qū)治理上的應(yīng)用”獲批[3]。2003年7月西安理工大學(xué)李懷恩教授申請國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“沙棘柔性壩水土保持生態(tài)效應(yīng)與機(jī)理研究”，2005年獲批[4]。

筆者在長達(dá)10年的試驗(yàn)研究過程中同時(shí)進(jìn)行了很多相關(guān)的研究[5-19]，在文獻(xiàn)[13]中第一次提出在溝頭形成人工沙棘林生態(tài)、中段形成人工濕地生態(tài)、溝口形成人工湖生態(tài)。為此需要有組織地開展大面積溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建研究，用沙棘這個(gè)“生物武器”進(jìn)行一場圍剿粗泥沙集中來源區(qū)核心——砒砂巖區(qū)的攻堅(jiān)試驗(yàn)。

3　砒砂巖區(qū)溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建

研究和實(shí)踐證明，任何單一的水土保持技術(shù)，都不可能解決砒砂巖區(qū)的土壤侵蝕，必須采取多種技術(shù)綜合協(xié)調(diào)應(yīng)對才能奏效。

3.1實(shí)踐啟迪

筆者在東一支溝沙棘植物柔性壩的試驗(yàn)研究和推廣過程中，獲得以下啟迪：①針對30 km2左右的小流域，在4、5級支毛溝中用沙棘植物作為壩工框架材料，垂直水流方向按梅花形挖成條槽或穴狀種植2年生實(shí)生苗或2～4年生根孽苗，就可形成單個(gè)柔性壩；再按溝道比降大小，計(jì)算布設(shè)柔性壩壩系，就可以將暴雨形成的股流改變?yōu)槁?，消減其剪切應(yīng)力，使平衡輸沙變?yōu)椴黄胶廨斏?。這是可以遏制砒砂巖區(qū)大比降、高產(chǎn)沙、多粗沙的支毛溝溝頭前進(jìn)，且能巧妙地利用不斷高生長的天然溝頭植物攔沙的工程技術(shù)，它能把泥沙就近攔截在產(chǎn)沙源地。②沙棘柔性壩具有集攔沙、泄流、削峰、緩洪、溢流、抬高侵蝕基準(zhǔn)面和恢復(fù)生態(tài)等多功能于一體的特殊功能，并能同步形成土壤水庫。③在沙棘植物柔性壩下游布設(shè)兩座小型淤地壩，8年后在上部淤地壩中就可生長出蘆葦，在兩壩之間的溝道中可挖出腐泥，原來寸草不生的暴雨溝就可變成草綠樹茂的人工濕地生態(tài)系統(tǒng)。④1997—2000年西召溝平均年降水量僅為185.2 mm，該區(qū)地下水位普遍下降3 m，但在東一支溝0#沙棘柔性壩下游曾挖了兩口土井，給4戶17口人提供了3年多的生活用水，還灌溉了0.133 hm2蔬菜和玉米。這充分說明砒砂巖區(qū)生態(tài)建設(shè)的核心應(yīng)是在產(chǎn)沙源頭的支毛溝中恢復(fù)森林植被，形成支毛溝溝頭土壤水庫，增加暴雨徑流的接收面積和入滲量，以促進(jìn)干旱半干旱地區(qū)溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，同時(shí)建成溝道基本農(nóng)田，保證坡面退耕還林還草，實(shí)行全方位生態(tài)修復(fù)。因此，構(gòu)建溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)是可行的。

3.2構(gòu)建溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的指導(dǎo)思想和基本原則

3.2.1指導(dǎo)思想

根據(jù)天人合一的哲學(xué)理念，以小流域?yàn)閱卧?，在產(chǎn)沙源頭就近攔沙蓄水，實(shí)現(xiàn)“把水喝光，把泥沙吃凈”[20]的目標(biāo)。通過溝道地貌和生物多樣性的恢復(fù)，建立一個(gè)以溝道地貌多樣性和生物群落多樣性相結(jié)合的溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

3.2.2基本原則

根據(jù)整體性、系統(tǒng)性、協(xié)調(diào)性的原則，首先要因地制宜，統(tǒng)一規(guī)劃，集中治理，連片治理；其次，以溝為主，溝坡兼治，溝道以人工干預(yù)為主、以生態(tài)自然恢復(fù)為輔，坡面以生態(tài)自然恢復(fù)為主、以人工干預(yù)為輔；再次，剛?cè)峁こ滩⑴e，協(xié)調(diào)沙、水、土資源，合理布局喬、灌、草，生態(tài)與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，試驗(yàn)與監(jiān)測同步進(jìn)行。

3.3溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)可操作模式

可操作的模式是：柔性壩+中小型淤地壩+人工灘地+人工濕地+骨干壩+微型水庫，即：以沙棘柔性壩壩系攔沙工程為主體，攔沙、削峰、緩洪、泄流、抬高侵蝕基準(zhǔn)面，形成土壤水庫；以溝道淤地壩淤成的人工灘地、人工濕地為溝底基本農(nóng)田和濕地植物經(jīng)濟(jì)作物區(qū)；以骨干壩為依托，以微型水庫為保證，形成支毛溝溝頭攔截粗沙，溝道壩地、人工灘地?cái)r截細(xì)沙的格局。壩與壩之間形成人工濕地，增加天然徑流的入滲量。微型水庫提供清水，發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)，供人畜飲水，達(dá)到粗細(xì)沙、水沙分治，使水沙平衡、生態(tài)平衡，達(dá)到生態(tài)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的目的。西召溝小流域各類壩庫的配置為1座微型水庫、3座骨干壩、9座中小型淤地壩、117座柔性壩。

3.4措施布局

3.4.1在支毛溝溝頭布設(shè)沙棘柔性壩壩系工程

在支毛溝溝頭布設(shè)沙棘柔性壩，沙棘柔性壩壩系須當(dāng)年施工次年補(bǔ)苗，并在柔性壩下游設(shè)兩座小型淤地壩，以上兩部分可形成支毛溝溝頭土壤水庫。同時(shí)，在溝谷坡腳種植兩行沙棘導(dǎo)流屏，在溝谷坡面布設(shè)沙棘防護(hù)網(wǎng)，溝頭坡度60°～90°的在溝頭底部布設(shè)沙棘柔性圈，在溝沿線布設(shè)沙棘分流防護(hù)帶。

3.4.2開展沙棘柔性壩平茬試驗(yàn)和替代試驗(yàn)

因?yàn)樯臣挥?0～15年壽命，所以當(dāng)柔性壩用到第7年，就應(yīng)開始隔壩平茬，以延長柔性壩的使用時(shí)間，同時(shí)保護(hù)柔性壩上下游的自繁柔性壩。從第10年開始，應(yīng)在溝道種植當(dāng)?shù)剡m生的油松、白榆、青楊和山杏，進(jìn)行喬木林替代試驗(yàn)，觀其后效，其目的是最終形成喬、灌、草生態(tài)系統(tǒng)，一改光山禿嶺之貌。

3.4.3在主溝上中游建設(shè)壩系工程

在主溝上中游布設(shè)淤地壩壩系工程，形成溝道壩地生態(tài)系統(tǒng)。待淤地壩發(fā)展到一定程度(一般5～10年，根據(jù)上游來沙而定)，可在淤地壩回水末端布設(shè)沙棘柔性壩，相當(dāng)于在壩體外加高壩體，以保證攔沙庫容。在兩岸溝谷坡腳布設(shè)沙棘植物導(dǎo)流屏，在溝沿線布設(shè)沙棘分流帶。

3.4.4在主溝下游出口處建造微型水庫工程

在主溝下游出口處選合適壩址，建造500～1 000萬m3的微型水庫，同時(shí)布設(shè)泄水建筑。

4　建　議

(1)試驗(yàn)地點(diǎn)應(yīng)選在皇甫川沙圪堵以上1 351 km2區(qū)域內(nèi)，這里是砒砂巖的核心區(qū)，試驗(yàn)實(shí)施后能通過水文站資料進(jìn)行對比分析。同時(shí)該試驗(yàn)平臺可成為我國研究生物地貌和植物柔性工程學(xué)的原型試驗(yàn)基地。

(2)根據(jù)沙圪堵以上支溝柔性壩、淤地壩建設(shè)的實(shí)際情況分類處理。砒砂巖地區(qū)是國家生態(tài)建設(shè)的重點(diǎn)地區(qū)，因此在進(jìn)行溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況分類處理，缺什么補(bǔ)什么。

(3)國家沙棘生態(tài)建設(shè)和淤地壩建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)選擇皇甫川沙圪堵以上流域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)，加速大面積溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建。

(4)在溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建過程中應(yīng)進(jìn)行以下研究：①砒砂巖區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律研究；②控制產(chǎn)流產(chǎn)沙全過程觀測研究；③土壤水庫形成的條件、過程、結(jié)果及生態(tài)效應(yīng)研究；④生物多樣性研究；⑤沙棘柔性壩橫根爬坡全過程研究；⑥溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)形成的條件、過程、發(fā)展前景研究；⑦溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)水文效應(yīng)研究；⑧溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)森林水文效應(yīng)研究；⑨溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的研究；⑩溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)對區(qū)域氣候環(huán)境影響的研究。

5　結(jié)　語

砒砂巖地區(qū)溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建是該區(qū)生態(tài)文明建設(shè)的基石，其科學(xué)試驗(yàn)和大面積實(shí)踐具有劃時(shí)代的意義。如果說1992年筆者提出的砒砂巖地區(qū)沙棘植物柔性壩試驗(yàn)研究成果，一改支毛溝溝頭前進(jìn)、溝岸擴(kuò)張、溝底下切的狀況，種植沙棘形成的柔性壩隨著水土流失和泥沙淤積不斷長高，達(dá)到了剛性壩達(dá)不到的效果，彌補(bǔ)了淤地壩的不足的話，那么筆者在本文提出的砒砂巖區(qū)溝道人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建與建議是針對干旱半干旱區(qū)水資源短缺、儲水調(diào)水的又一項(xiàng)基石工程，也是筆者研究砒砂巖區(qū)以小流域?yàn)閱卧獙?shí)施溝道水土保持綜合治理技術(shù)在大面積范圍內(nèi)一次有價(jià)值的試驗(yàn)。

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(責(zé)任編輯徐素霞)

S157.2

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1000-0941(2016)09-0076-03

畢慈芬(1935—)，女，陜西華縣人，高級工程師，曾從事黃河下游河床演變、三門峽庫區(qū)泥沙問題、黃土高原生態(tài)經(jīng)濟(jì)、治理途徑和植物攔沙研究。

2016-07-18