馬文龍,趙鑫鈺
(華電四川雜谷腦水電開發(fā)公司,四川成都 610091)
據(jù)水利部近年統(tǒng)計(jì),我國(guó)國(guó)土水土流失面積達(dá)357萬(wàn)km2,每年流失的土壤總量約50億t,損失耕地100萬(wàn)畝。盡管經(jīng)過(guò)多年努力,水土流失的局部治理已見一定成效,有許多成功范例,但就全國(guó)國(guó)土總體形勢(shì)來(lái)看,水土流失已呈現(xiàn)出越來(lái)越嚴(yán)峻的態(tài)勢(shì)。目前,全國(guó)現(xiàn)有水土流失嚴(yán)重縣達(dá)646個(gè),亟待治理的面積近200萬(wàn)km2,每年因水土流失造成的經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)于GDP 的2.4%左右。換言之,國(guó)家若不采取強(qiáng)力、有效措施遏制水土流失的話,那么,占國(guó)土面積70%的山區(qū)荒漠化、石漠化必將進(jìn)一步加劇,不僅制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展,而且將嚴(yán)重威脅到我國(guó)的生態(tài)安全、糧食安全、防洪安全,甚至國(guó)家安全。
受地形、地貌、氣候條件的影響,高寒、高海拔、大溫差、干旱河谷、干熱河谷地區(qū)以及西南山區(qū)高陡坡體是水土保持及生態(tài)修復(fù)難以攻克的課題,尤其是經(jīng)過(guò)2008年5.12汶川特大地震后,災(zāi)區(qū)的水土保持及生態(tài)修復(fù)十分艱難、代價(jià)巨大。此外,西南地區(qū)干旱河谷水能資源、森林資源蘊(yùn)藏量相對(duì)豐富,人口密度高、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相對(duì)發(fā)達(dá)。與其對(duì)應(yīng)的是,由于高山峽谷自然環(huán)境脆弱、地質(zhì)條件復(fù)雜,地表巖層破碎、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍、地震頻發(fā),滑波、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重,而且隨著人口的轉(zhuǎn)移和增長(zhǎng),自然資源承受的人類生產(chǎn)活動(dòng)壓力不堪重負(fù),生態(tài)平衡遭到破壞,陡坡開墾、森林采伐、過(guò)度放牧等加劇了區(qū)域的水土流失,以致于其已成為河流泥沙的主要來(lái)源與土壤侵蝕最嚴(yán)重的地段。
自上個(gè)世紀(jì)90年代中后期始,特別是國(guó)家實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略以來(lái),西南山區(qū)已建、在建、擬建的大、中、小型電站數(shù)以千計(jì)。水電站建設(shè)從長(zhǎng)遠(yuǎn)看有利于生態(tài)環(huán)境和發(fā)展經(jīng)濟(jì),但毋庸置疑的是:其建設(shè)過(guò)程會(huì)對(duì)建筑物局地環(huán)境造成破壞。水電站建設(shè)初期,大規(guī)模開挖必然導(dǎo)致山體或河岸的水土流失。因此,科學(xué)、系統(tǒng)地研究高寒、高海拔、大溫差、干旱河谷、干熱河谷以及西南山區(qū)高陡坡體的水土保持及生態(tài)修復(fù)具有十分重要的意義。
國(guó)外在干旱區(qū)域的植被恢復(fù)或生態(tài)修復(fù)方面曾經(jīng)作過(guò)許多探索,其研究成果提倡和施行的主要是以人為影響很小的自然生態(tài)恢復(fù),也有采用一些特殊技術(shù),充分、高效地利用可能的水分條件,保證植物的生長(zhǎng)發(fā)育,或者采用合適的植物種類(如根系深、適應(yīng)干旱能力強(qiáng)等),在利用微生物技術(shù)及保水劑確保植物成活或促進(jìn)植物生長(zhǎng)方面也進(jìn)行了有益探索。但各國(guó)有其迥異的國(guó)情,相當(dāng)多的國(guó)家人均國(guó)土面積比我國(guó)大、人均水資源稟賦比我國(guó)好,采取自然恢復(fù)具有較大的時(shí)間、空間優(yōu)勢(shì)。也就是說(shuō),自然生態(tài)恢復(fù)需要漫長(zhǎng)的時(shí)間和廣域空間來(lái)保證。而對(duì)于我國(guó)而言,人多地少,與水爭(zhēng)地、與山爭(zhēng)地已然成為城市(鎮(zhèn))化發(fā)展的必然,水土保持靠自然恢復(fù)不現(xiàn)實(shí),而加強(qiáng)人為干預(yù)的工程或植物措施進(jìn)行生態(tài)修復(fù)則成為當(dāng)務(wù)首選。
國(guó)內(nèi)水利部門對(duì)長(zhǎng)江、黃河流域干旱河谷的生態(tài)保護(hù)、泥石流滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的生態(tài)防治技術(shù)、小流域泥沙的綜合治理及控制技術(shù)方面亦進(jìn)行了各種研究實(shí)踐,或不乏成功案例,但主要目標(biāo)集中在以恢復(fù)植被和綠化方面,而以修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的綜合功能為目標(biāo)的研究和實(shí)踐尚待更大投入。
我們作為中央企業(yè)和國(guó)有電力開發(fā)建設(shè)單位,在西部高寒、高海拔、干旱河谷、干熱河谷的西南山區(qū)開發(fā)水電,難以避免會(huì)造成工程區(qū)域內(nèi)的水土流失。作為央企、國(guó)企,保護(hù)生態(tài)環(huán)境、防治水土流失是我們不可推卸的社會(huì)責(zé)任、法律責(zé)任。在研究和實(shí)踐工程區(qū)域的環(huán)境保護(hù)、控制施工過(guò)程中水土流失、修復(fù)局地生態(tài)環(huán)境方面我們已有一些成功經(jīng)驗(yàn),但在復(fù)雜地域尤其是高寒、高海拔、干旱河谷、干熱河谷地區(qū)控制施工過(guò)程的水土流失仍任重道遠(yuǎn)。一方面是待開發(fā)電站越來(lái)越深入到此類地區(qū),環(huán)境保護(hù)責(zé)任越來(lái)越重大;另一方面,研究、實(shí)踐實(shí)施的技術(shù)難度和投入愈發(fā)加大。這也使得我們必須加大力度和速度進(jìn)行創(chuàng)新性研究、實(shí)踐。2010年10月,筆者所在的水電流域公司獲得集團(tuán)公司科技創(chuàng)新基金支持,專題研究高寒、高海拔、干旱河谷、干熱河谷的水土保持及生態(tài)修復(fù)課題。
由政府實(shí)施的退耕還林、封山育林、退田還湖、禁止亂砍濫伐等水土保持宏觀舉措在一些地域已經(jīng)起到了一定作用。但在高寒、高海拔、干旱或干熱河谷的西南山區(qū),因自然形成的生態(tài)脆弱與多民族聚居;坡耕地集中、水分空間錯(cuò)位;降雨稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、水資源短缺、可耕地緊張、坡耕地分散、土壤侵蝕強(qiáng)烈等特點(diǎn),僅僅采用上述宏觀舉措不能從根本上解決水土流失問(wèn)題;水電工程造成的局域水土流失更無(wú)法選擇上述措施。而采用大規(guī)模工程措施,一則投入大,在短時(shí)間難以發(fā)揮生態(tài)作用;二則因未改變水氣條件,不能徹底治理水土流失;加之所有制問(wèn)題和所有(經(jīng)營(yíng))權(quán)不明晰,如果后續(xù)照管、維護(hù)跟不上,所取得的臨時(shí)效果也會(huì)很快消失。在這種宏觀微觀錯(cuò)綜復(fù)雜的大環(huán)境下,我們要履行環(huán)境保護(hù)的社會(huì)責(zé)任,只能創(chuàng)新思路,巧投入、找路徑、尋突破,以爭(zhēng)取持續(xù)效果。
從所收集的資料中不難發(fā)現(xiàn),一些僅有的在高海拔、干熱河谷中使用的水土保持及生態(tài)恢復(fù)既植被恢復(fù)的研究成果中的主要措施多集中在物種選擇培育方面,那些經(jīng)過(guò)篩選可以在干旱河谷不同母巖發(fā)育土壤中存活及生長(zhǎng)的植物種類由于缺乏后期投入與管護(hù)亦難以能存活。在個(gè)別地段的成功,尚不適宜擴(kuò)大及推廣。本課題的研究,就是摒棄走“單一環(huán)境、同類實(shí)驗(yàn)”的研究老路,目標(biāo)是探索一種適應(yīng)性強(qiáng)、便于推廣、資金投入不大、方法簡(jiǎn)單、經(jīng)營(yíng)與管護(hù)結(jié)合的保土保水長(zhǎng)效機(jī)制。具體說(shuō):就是因地制宜、因時(shí)制宜,針對(duì)每個(gè)環(huán)境條件因子,發(fā)揮每個(gè)改造主體的能動(dòng)而有效的作用,譬如:任何一個(gè)適地居住的承包經(jīng)營(yíng)農(nóng)戶,在高海拔、高寒地帶,以不同高程和水氣條件輔以小微規(guī)模工程措施并研究結(jié)合不同耐寒、耐旱且適應(yīng)低溫的經(jīng)濟(jì)植物(花椒等);或在西南干旱河谷、干熱河谷除選擇適宜的經(jīng)濟(jì)植物品種外再分不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境、對(duì)象,采用本研究課題創(chuàng)新的關(guān)鍵技術(shù),即通過(guò)數(shù)十組(水泥、粉煤灰、黏土等)微量膠凝材料與水、當(dāng)?shù)?沙、雜)土、草屑進(jìn)行不同比例摻拌,人工鋪撒在邊坡、陡坡上,實(shí)現(xiàn)固土、穩(wěn)坡、保土保水效果。
采取細(xì)微工程措施與低投入生態(tài)植物措施以改善小環(huán)境,通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取水土保持的簡(jiǎn)便方法,擬構(gòu)建多種適合干旱、干熱河谷(不同海拔與氣候以及人為活動(dòng)強(qiáng)度等)區(qū)域的生態(tài)修復(fù)技術(shù)體系,實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)及面、左右延展、上下依托的立體水土保持生態(tài)效果。本研究課題以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)為主,配合少量的實(shí)驗(yàn)室對(duì)比性(主要是植物在各類摻拌土環(huán)境下的存活與生長(zhǎng))實(shí)驗(yàn),再將實(shí)驗(yàn)成果推介給當(dāng)?shù)卣娃r(nóng)戶。本課題研究探索內(nèi)容采用的技術(shù)路線為:
(1)高寒、高海拔、干旱、干熱河谷現(xiàn)狀調(diào)查;
(2)同區(qū)域高陡坡體植被的適應(yīng)性調(diào)查;
(3)生態(tài)修復(fù)機(jī)理研究;
(4)具有代表性的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地優(yōu)選;
(5)微量膠凝材料(水泥、粉煤灰、黏土等)不同比例的摻拌實(shí)驗(yàn);
(6)干拌和濕拌摻草屑實(shí)驗(yàn);
(7)同上條件高陡坡體鋪設(shè)土模擬雨水沖刷實(shí)驗(yàn);
(8)內(nèi)外對(duì)比實(shí)驗(yàn);
(9)效果與效益評(píng)估。
本研究課題采用的技術(shù)路線為:
資料收集→高寒、高海拔、干旱、干熱河谷現(xiàn)狀調(diào)查→同區(qū)域高陡坡體植被的適應(yīng)性調(diào)查→生態(tài)修復(fù)機(jī)理研究→具有代表性試驗(yàn)場(chǎng)地優(yōu)選→微量膠凝材料(水泥、粉煤灰、黏土等)不同比例摻拌實(shí)驗(yàn)→干拌和濕拌摻草屑實(shí)驗(yàn)→模擬雨水沖刷實(shí)驗(yàn)→實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析→效果與效益評(píng)估。本課題技術(shù)路線及研究程序見圖1。

圖1 技術(shù)路線及研究程序圖
本研究課題實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)主要選在川西岷江上游海拔1500~2300 m 的干旱河谷。這樣的選擇是考慮到“5.12”特大地震發(fā)生后區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)成為四川經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急,研究成果便于直接在重災(zāi)區(qū)發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。川西岷江上游的理縣、茂縣、汶川縣域都是地震重災(zāi)區(qū),地質(zhì)情況復(fù)雜、巖石破碎、山地地表灰褐土母質(zhì)多為變質(zhì)巖的風(fēng)化物,由坡積母質(zhì)發(fā)育而成;坡體全強(qiáng)風(fēng)化沙土顆粒粗、土質(zhì)連接松散、結(jié)構(gòu)性差、土粒干燥,呈堿性反應(yīng),有機(jī)質(zhì)含量較低,土壤普遍缺磷,表土礫石較多。采用多組不同膠凝材料(水泥、粉煤灰、黏土等)摻量和以不同比例的植物種子、水、當(dāng)?shù)赝痢⒉菪紦桨瑁瑨伻龌蜾佋O(shè)在陡坡、邊坡上,形成保土、保水、保肥的一層“殼”。
摻拌微量膠凝材料的目的是固土,擬改變土質(zhì)顆粒松散、結(jié)構(gòu)性差、細(xì)顆粒容易被大風(fēng)吹走、坡體不能抵御雨水沖刷等水土流失問(wèn)題。所謂“微量摻拌”,就是將膠凝材料控制在1%~5%范圍內(nèi),既要保土,又不能較大程度地改變土質(zhì)酸堿性。在膠凝材料摻拌實(shí)驗(yàn)中,只允許黏土比例適當(dāng)提高。
摻拌草屑,就是將收集或購(gòu)買的雜草切割成8~10 cm 長(zhǎng)的草屑,用鍬由人工干摻或加適量水或與膠凝材料一起摻拌并鋪設(shè)于坡體。摻拌草屑,一方面起土體加強(qiáng)筋的(固土)作用;另一方面,草屑形成腐殖質(zhì),在土體內(nèi)腐爛后作肥料,有利于植物生長(zhǎng)。
摻水人工拌和的目的是使土體較為均勻地鋪設(shè)在陡坡坡面上,粗顆粒不易離析、滾落、分離。摻水又分單獨(dú)摻水、與膠凝材料合摻、與草屑及膠凝材料混摻等實(shí)驗(yàn)組項(xiàng),也有不加水干摻組項(xiàng)。
分別摻拌微量膠凝材料、摻拌草屑和摻水與否的多種實(shí)驗(yàn)就是擬找到一種農(nóng)戶個(gè)體都能夠方便實(shí)施、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的水土保持與生態(tài)修復(fù)方法。每個(gè)農(nóng)戶、每個(gè)土地承包經(jīng)營(yíng)者都能采用這種方法改善耕地、林地、草地或“房前屋后”植被種植環(huán)境,讓任何土地、坡地變成良田、果園。這種從微觀上突破的創(chuàng)新思路與修復(fù)生態(tài)的技術(shù),正是本科研課題的關(guān)鍵技術(shù)與核心內(nèi)容。
我國(guó)水土流失涉及范圍廣、影響大、危害重,是關(guān)乎國(guó)家生態(tài)安全的重大環(huán)境問(wèn)題。隨著近年來(lái)我國(guó)工業(yè)化、城市化、新農(nóng)村建設(shè)進(jìn)程的加快,開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目所造成的水土流失問(wèn)題已不容等閑輕視。水土保持已上升為促進(jìn)人與自然和諧、保障國(guó)家生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)期戰(zhàn)略任務(wù)。治理水土流失、修復(fù)生態(tài)環(huán)境需要?jiǎng)?chuàng)新思路、培養(yǎng)人才、加大責(zé)任及違法懲處力度。中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院的數(shù)十位院士、科學(xué)家一致建議國(guó)家設(shè)置水土保持與荒漠化防治一級(jí)學(xué)科,并著手研究水土流失、荒漠化、石漠化、農(nóng)地退化、山地災(zāi)害以及開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目造成的環(huán)境脆弱和生態(tài)退化問(wèn)題。
本研究課題選擇在川西山區(qū),正是希望研究地域同時(shí)滿足高寒、高海拔、干旱河谷、干熱河谷、高陡坡體復(fù)雜脆弱的生態(tài)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)域所在氣候?qū)俅ㄎ鞲咴瓪夂騾^(qū),主要受西伯利亞的西風(fēng)氣流、印度洋暖流和太平洋東南季風(fēng)的影響,具有季風(fēng)氣候的特點(diǎn)。域內(nèi)海拔高差懸殊、地形復(fù)雜,氣候差異顯著,具有山地立體型氣候特征,小氣候多樣。區(qū)位在北緯31°12'~31°55'、東經(jīng)102°36'~103°39'之間。全域呈扇形,南、西、北三面為群山環(huán)抱。
根據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)資料,實(shí)驗(yàn)區(qū)西部多年平均氣溫為11.2℃,多年平均年降水量為613.3 mm,多年平均年蒸發(fā)量為1432.4 mm;多年平均日照時(shí)數(shù)為1671.4 h;多年平均相對(duì)濕度67%,為典型的干旱河谷氣候。實(shí)驗(yàn)區(qū)東部多年平均氣溫為13.5℃、多年平均年降水量為537.9 mm、多年平均年蒸發(fā)量為1599.2 mm、多年平均相對(duì)濕度69%,屬山地干旱河谷和半干旱河谷氣候區(qū)。本課題實(shí)驗(yàn)研究充分考慮到自然氣候條件,探索了適配的生態(tài)修復(fù)技術(shù)與方法。
2011年4~10月,實(shí)驗(yàn)課題組選擇某水電工程3座(2#、3#、4#)棄渣場(chǎng),取5 m×10 m 為一個(gè)實(shí)驗(yàn)塊,采用加水加草屑拌和當(dāng)?shù)厣惩梁?jiǎn)單鋪設(shè)在37°的斜坡上(厚10 cm)與坡頂拋撒(厚20 cm)未加水及草屑拌和的沙土20個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組相對(duì)比,結(jié)果發(fā)現(xiàn)水土保持與植被存活效果有明顯差異。加水加草屑拌和的、加水未加草屑拌和的實(shí)驗(yàn)組都比坡頂拋撒的組塊植被長(zhǎng)勢(shì)好。而且坡頂拋撒組塊在暴雨后被雨水沖刷有多條深溝,視覺效果見圖2。

圖2 某電站2#渣場(chǎng)摻拌草屑實(shí)驗(yàn)圖

圖3 某電站3#、4#渣場(chǎng)摻拌膠凝材料實(shí)驗(yàn)圖
2012年3~11月,實(shí)驗(yàn)課題組選擇另一水電工程3座(2#、4#、5#)棄渣場(chǎng),采用摻拌微量(當(dāng)?shù)厣惩林亓?%~5%)的膠凝材料(水泥、粉煤灰、黏土等),與此前(2012年3~11月)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重復(fù)做40組類同實(shí)驗(yàn),分別鋪設(shè)在25°~45°的斜坡上。如果說(shuō)有差別,則主要是加膠凝材料及比例的多少。其后,又增加了摻拌黏土比例(2%~10%)的實(shí)驗(yàn)組數(shù),目的是檢驗(yàn)土體在極度干旱條件下是否產(chǎn)生“板結(jié)”以及植物存活狀態(tài)。另外,草種由一般雜草增加為雜草、三葉草、油菜籽等。通過(guò)近兩年的實(shí)驗(yàn)和觀察發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)取得了較為理想的效果(圖3)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:加水摻拌進(jìn)實(shí)驗(yàn)塊的雜草、三葉草、油菜籽等植物種子,3~4 d 后紛紛長(zhǎng)出綠芽,尤其是油菜籽長(zhǎng)勢(shì)較好;而僅由草屑、雜土加水摻拌的實(shí)驗(yàn)塊植物長(zhǎng)勢(shì)更好,只是在一場(chǎng)暴雨過(guò)后有表土流失痕跡,比沒(méi)有加水、加草屑(自然)的狀態(tài)好很多。與此對(duì)應(yīng),摻拌有微量膠凝材料(水泥、粉煤灰、黏土等)的實(shí)驗(yàn)塊植物長(zhǎng)勢(shì)稍差,但坡面明顯形成薄薄的硬殼,十分有利于保土。經(jīng)過(guò)一個(gè)雨季的檢驗(yàn),也證實(shí)了其保土效果良好。
盡管水泥、粉煤灰、黏土、硅粉等都屬于膠凝材料,微量摻拌沒(méi)有較大程度地改變土體土質(zhì)及酸堿性,植物長(zhǎng)勢(shì)也未呈現(xiàn)根本改變,但實(shí)驗(yàn)區(qū)土壤本身偏堿性,再加入弱堿性膠凝材料是否改變了土壤質(zhì)量還有待較長(zhǎng)時(shí)間的觀察檢驗(yàn)。在抗沖刷實(shí)驗(yàn)研究中,我們擬定了摻與不摻膠凝材料、摻與不摻草屑以及膠凝材料和草屑都摻拌3種情況、9組實(shí)驗(yàn)塊進(jìn)行表土抗沖刷對(duì)比,采用可調(diào)節(jié)水量的噴淋裝置,加水表控制水量,模擬大雨、暴雨從1000 mm 高度直接沖刷實(shí)驗(yàn)組塊(坡面)。通過(guò)30~60 min 的觀測(cè),摻拌膠凝材料和草屑的坡體表面水土流失很小,沒(méi)有摻拌草屑的坡面次之,自然松散鋪設(shè)在坡面的表土抗沖刷情況較差。
在高寒、高海拔、干旱河谷、干熱河谷及高陡坡體進(jìn)行水土保持和生態(tài)修復(fù)實(shí)驗(yàn)的目的是取得保土經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便的方法。保土就能夠保住水、保住肥,這不僅是農(nóng)業(yè)意義上的土、水、肥問(wèn)題,而且是山地生態(tài)之根本,能為復(fù)雜、脆弱環(huán)境植物的存活生長(zhǎng)創(chuàng)造基質(zhì)條件。此項(xiàng)研究,雖沒(méi)有復(fù)雜的理論支持,也無(wú)須精確計(jì)算,但也的確為一種務(wù)實(shí)的探索和有推廣和實(shí)用價(jià)值的實(shí)驗(yàn),用步步為營(yíng)的微觀方式,處理全國(guó)十分麻煩的宏觀生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,無(wú)數(shù)個(gè)經(jīng)濟(jì)單元或承包經(jīng)營(yíng)農(nóng)戶、林戶都可以采用其改善水土流失問(wèn)題。經(jīng)科技情報(bào)檢索,國(guó)內(nèi)外業(yè)界均無(wú)此類實(shí)驗(yàn)研究先例。本研究課題的意義亦不僅局限在生態(tài)環(huán)境,而且對(duì)于重新認(rèn)識(shí)土地,開發(fā)利用山區(qū)坡地,為農(nóng)戶拓展經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間的作用不可限量。