砒砂巖區溝道人工濕地生態系統的構建和建議

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)

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砒砂巖區溝道人工濕地生態系統的構建和建議

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；溝道；生態系統；土壤水庫；人工濕地；水資源

砒砂巖區千溝萬壑，光山禿嶺，水土流失嚴重。為控制砒砂巖區支毛溝溝頭的嚴重土壤侵蝕，需要有計劃、有組織地在砒砂巖區開展大面積溝道人工濕地生態系統的構建研究，這是黃土高原多沙粗沙區生態建設的戰略基石。給出了構建的指導思想、基本原則、可操作性工程技術、可持續發展模式和實施計劃，提出沙棘柔性壩必須進行平茬試驗和喬木林替代試驗，建議把皇甫川沙圪堵以上1 351 km2的流域作為試驗平臺。

1　砒砂巖區范圍及環境特征

砒砂巖指古生代二疊紀和中生代三疊紀、侏羅紀、白堊紀的厚層砂巖、砂頁巖、泥質砂巖組成的紫色、粉紅色、白色、灰色巖石互層。其特點是：無水堅硬如頑石，有水則松軟如爛泥，遇風則風化剝蝕，凍融作用致溝谷坡表面的松散層達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。

砒砂巖區集中在晉陜蒙接壤地區，總面積1.12萬km2，是基巖產沙區的核心。砒砂巖區千溝萬壑，光山禿嶺，形如羊背的五花肉，被譽為“地球環境癌癥”。溝壑密度最大達6.8 km/km2。

該區年均降水量381 mm，是典型的干旱半干旱區。受季風的影響，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，冷空氣首當其沖，年均大風日數20～30 d，最多為80 d。大風集中在冬春季，平均風速2～6 m/s，最大達20 m/s。年均氣溫7.3 ℃，≥10 ℃年積溫3 472 ℃，日照時數3 101 h，無霜期148 d，蒸發量2 041 mm。

2　砒砂巖區溝道人工濕地生態系統的提出

黃河的癥結是泥沙問題，特別是來源于黃土高原7.86萬km2多沙粗沙區粒徑大于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、溝岸擴張、溝底下切。

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

2001年，水利部沙棘開發管理中心正式立項，對溝道植物柔性壩攔沙工程進行深入系統研究，完成了“砒砂巖地區支毛溝溝頭沙棘植物柔性壩壩系系統工程技術框架構思的設計與施工”成果。2001年3月新疆農業大學水利學院周著教授申請國家自然科學基金項目“粗沙地區沙棘柔性壩水動力學特性及其治沙機理研究”獲批[2]。2002年3月中國科學院地理科學與資源科學研究所許炯心研究員申請國家自然科學基金項目“基于地貌植被耦合的黃河中游侵蝕過程”獲批。2002年華美學會王文江博士申請臺灣中興工程科技研究基金項目“植物柔性壩在集水區治理上的應用”獲批[3]。2003年7月西安理工大學李懷恩教授申請國家自然科學基金項目“沙棘柔性壩水土保持生態效應與機理研究”，2005年獲批[4]。

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

3　砒砂巖區溝道人工濕地生態系統構建

研究和實踐證明，任何單一的水土保持技術，都不可能解決砒砂巖區的土壤侵蝕，必須采取多種技術綜合協調應對才能奏效。

3.1實踐啟迪

筆者在東一支溝沙棘植物柔性壩的試驗研究和推廣過程中，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年生實生苗或2～4年生根孽苗，就可形成單個柔性壩；再按溝道比降大小，計算布設柔性壩壩系，就可以將暴雨形成的股流改變為漫流，消減其剪切應力，使平衡輸沙變為不平衡輸沙。這是可以遏制砒砂巖區大比降、高產沙、多粗沙的支毛溝溝頭前進，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，它能把泥沙就近攔截在產沙源地。②沙棘柔性壩具有集攔沙、泄流、削峰、緩洪、溢流、抬高侵蝕基準面和恢復生態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系統。④1997—2000年西召溝平均年降水量僅為185.2 mm，該區地下水位普遍下降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生態建設的核心應是在產沙源頭的支毛溝中恢復森林植被，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，以促進干旱半干旱地區溝道人工濕地生態系統的發展，同時建成溝道基本農田，保證坡面退耕還林還草，實行全方位生態修復。因此，構建溝道人工濕地生態系統是可行的。

3.2構建溝道人工濕地生態系統的指導思想和基本原則

3.2.1指導思想

根據天人合一的哲學理念，以小流域為單元，在產沙源頭就近攔沙蓄水，實現“把水喝光，把泥沙吃凈”[20]的目標。通過溝道地貌和生物多樣性的恢復，建立一個以溝道地貌多樣性和生物群落多樣性相結合的溝道人工濕地生態系統，達到可持續發展的目標。

3.2.2基本原則

根據整體性、系統性、協調性的原則，首先要因地制宜，統一規劃，集中治理，連片治理；其次，以溝為主，溝坡兼治，溝道以人工干預為主、以生態自然恢復為輔，坡面以生態自然恢復為主、以人工干預為輔；再次，剛柔工程并舉，協調沙、水、土資源，合理布局喬、灌、草，生態與經濟協調發展，試驗與監測同步進行。

3.3溝道人工濕地生態系統可操作模式

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田和濕地植物經濟作物區；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、人工灘地攔截細沙的格局。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，發展養殖業，供人畜飲水，達到粗細沙、水沙分治，使水沙平衡、生態平衡，達到生態經濟可持續發展的目的。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在支毛溝溝頭布設沙棘柔性壩壩系工程

在支毛溝溝頭布設沙棘柔性壩，沙棘柔性壩壩系須當年施工次年補苗，并在柔性壩下游設兩座小型淤地壩，以上兩部分可形成支毛溝溝頭土壤水庫。同時，在溝谷坡腳種植兩行沙棘導流屏，在溝谷坡面布設沙棘防護網，溝頭坡度60°～90°的在溝頭底部布設沙棘柔性圈，在溝沿線布設沙棘分流防護帶。

3.4.2開展沙棘柔性壩平茬試驗和替代試驗

因為沙棘只有10～15年壽命，所以當柔性壩用到第7年，就應開始隔壩平茬，以延長柔性壩的使用時間，同時保護柔性壩上下游的自繁柔性壩。從第10年開始，應在溝道種植當地適生的油松、白榆、青楊和山杏，進行喬木林替代試驗，觀其后效，其目的是最終形成喬、灌、草生態系統，一改光山禿嶺之貌。

3.4.3在主溝上中游建設壩系工程

在主溝上中游布設淤地壩壩系工程，形成溝道壩地生態系統。待淤地壩發展到一定程度(一般5～10年，根據上游來沙而定)，可在淤地壩回水末端布設沙棘柔性壩，相當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沙棘植物導流屏，在溝沿線布設沙棘分流帶。

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，同時布設泄水建筑。

4　建　議

(1)試驗地點應選在皇甫川沙圪堵以上1 351 km2區域內，這里是砒砂巖的核心區，試驗實施后能通過水文站資料進行對比分析。同時該試驗平臺可成為我國研究生物地貌和植物柔性工程學的原型試驗基地。

(2)根據沙圪堵以上支溝柔性壩、淤地壩建設的實際情況分類處理。砒砂巖地區是國家生態建設的重點地區，因此在進行溝道人工濕地生態系統構建時，要根據實際情況分類處理，缺什么補什么。

(3)國家沙棘生態建設和淤地壩建設項目應選擇皇甫川沙圪堵以上流域為試驗區，加速大面積溝道人工濕地生態系統的構建。

(4)在溝道人工濕地生態系統的構建過程中應進行以下研究：①砒砂巖區產流產沙規律研究；②控制產流產沙全過程觀測研究；③土壤水庫形成的條件、過程、結果及生態效應研究；④生物多樣性研究；⑤沙棘柔性壩橫根爬坡全過程研究；⑥溝道人工濕地生態系統形成的條件、過程、發展前景研究；⑦溝道人工濕地生態系統水文效應研究；⑧溝道人工濕地生態系統森林水文效應研究；⑨溝道人工濕地生態系統生態經濟效應的研究；⑩溝道人工濕地生態系統對區域氣候環境影響的研究。

5　結　語

砒砂巖地區溝道人工濕地生態系統的構建是該區生態文明建設的基石，其科學試驗和大面積實踐具有劃時代的意義。如果說1992年筆者提出的砒砂巖地區沙棘植物柔性壩試驗研究成果，一改支毛溝溝頭前進、溝岸擴張、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，達到了剛性壩達不到的效果，彌補了淤地壩的不足的話，那么筆者在本文提出的砒砂巖區溝道人工濕地生態系統的構建與建議是針對干旱半干旱區水資源短缺、儲水調水的又一項基石工程，也是筆者研究砒砂巖區以小流域為單元實施溝道水土保持綜合治理技術在大面積范圍內一次有價值的試驗。

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[3] 王文江.植物柔性壩在集水區治理上之應用[M].美國：Multech Engineering Consultants INC,2003.

[4] 楊方社,李懷恩.沙棘柔性壩水土保持生態效應與機理研究[M].北京:中國環境科學出版社,2010:92-154.

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(責任編輯徐素霞)

S157.2

C

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、三門峽庫區泥沙問題、黃土高原生態經濟、治理途徑和植物攔沙研究。

2016-07-18