關于表土保護不可能三角的設想

張雪楊 仲康 黃斌 王旭東 方舒 馬力 程龍 王余杰

［關鍵詞］ 表土保護；不可能三角；有效范圍

［摘 要］ 近年來，在水土保持工程的實踐中，表土保護及其后續工作愈發得到關注。但是，如何同時實現表土保護的多重目的、確保表土保護設計的有效性，仍然缺乏明確規范或統一指導。為解釋表土保護工作的困難和復雜，以有效性為出發點，構建了表土保護不可能三角，在該三角上初步劃定了表土保護措施設計的理論有效范圍，并對可能出現的實際工況進行了舉例闡述。

［中圖分類號］ S157.6? [文獻標識碼] C? DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.01.003

1 表土保護工作體系

1.1 表土的自然防護

在施工擾動發生前，天然表土處于主要依靠自然防護、僅需少量人工管護的理想狀態。自然防護具體表現為：在未遭受顯著人工擾動的前提下，自然界里多數表土能夠與生態環境中的植被、地形等條件形成有機整體，能自發、有效地防治水土流失；初始表土農化性質相對較佳，大氣循環與水循環為土壤補充營養元素，水熱運動加速巖石分化過程、改善土壤質地，地殼運動和地表水文活動改變土層結構；表土內含有種類豐富且數量充足的植物種子，表土內部的環境可使種子自行萌發，團聚體水穩性好；僅需進行簡單的（人工）立地條件改良和補充少量植物管護，植被即可恢復，土壤即可長期達到穩定狀態，從而有效控制自身的水土流失。但是，在施工擾動發生后，由于大范圍的開挖，植物被刨出，因此表土內的種子遭到損害、難以萌發；原有的土體被打碎，土壤質地呈現粗?；翆咏Y構被打亂；心土裸露于土壤表面，表土失去植物提供的固氮、固碳、固土、運送水分及固定肥力等作用，速效養分和有機物均會發生顯著損失，土壤生物的生存環境顯著惡化，土壤生產力下降，土壤基本喪失原有的生態功能[1-2]。

總而言之，施工擾動會將以自然防護為主的表土理想狀態徹底破壞。因此，如果不采取有效的水土保持措施，那么表土將發生顯著的流失。

1.2 表土保護的目的及措施類型

表土保護工作需要同時達成3個目的：①防治表土在臨時堆存期內流失；②對農化性質不佳的表土進行改良，同時保護原有的優質表土；③盡量維持表土內原有的、較適宜的生物生存環境，若表土內原有的生物生存環境本就不佳或因臨時堆存而遭受顯著損失，則還需另加改善。

參考農林行業相關規范可知，生產建設項目中的表土保護措施可被劃分為立地條件改良、表土堆防護和臨時綠化三大類。其中：①立地條件改良包括表土培肥（針對農化性質較好的原有表土）、土壤熟化（針對生土或農化性質不佳的原有表土）、土壤質地改良和土層結構改良等四類措施，其主要目的是向土壤直接補充養分和有機質，改善土壤農化性質，恢復正常的土壤供肥能力，以便在覆土后土壤能盡快發揮正常的生態功能。②表土堆防護包括臨時攔擋、臨時苫蓋、臨時截排水，乃至表土堆布置（涉及表土堆的坡度、堆高、堆置形狀及占地面積大小等），其主要目的是減少表土堆在臨時堆存期內發生的水土流失，但是沒有向土壤補充養分或有機質的作用[3]。③臨時綠化包括栽植固氮、固碳、固土等作物，其主要目的是盡量維持表土內原有的、適宜的生物生存環境，向土壤間接補充養分和有機質，或作為前兩類措施的補充。

1.3 表土保護措施設計的基本思路

目前，設計人員通常按設計Ⅴ級棄渣場防護措施的思路對表土堆存場布設防護措施。

1）與棄土棄渣不同，為使表土具備正常的生態功能、可用作綠化覆土，在表土臨時堆存期內，需完成立地條件改良工作。

2）進行臨時綠化時，需栽植抗逆性較強的植物（例如聚合草、韭菜、蒲公英、蘿卜等）、固氮植物（例如白車軸草、苜蓿、合歡、軟莢紅豆等豆科植物）和覆蓋植物（例如黑麥草、紫云英等生長迅速的植物）。

3）若項目區水土流失嚴重，則需栽植固土能力極強的植物（例如腋花莧）。

4）為了減少征地面積和防護措施工程量，表土堆存場的設計堆高通?！? m，但是這會使表土堆過高，進而壓實下層表土，阻礙表土內的排水與換氣，在下層表土內形成漬水、厭氧環境，養分和有機質在該環境下容易分解、損失，多數土壤生物難以生存。因此，為減小對土壤生物生存環境的破壞，維持正常的表土生態功能，表土平均堆存高度應≤2.5 m（局部可放寬至3.0 m）。

2 表土保護不可能三角

2.1 表土保護的理論基礎

對設計人員而言，在設計表土保護措施時，希望出現3種理想情況：

1）僅需低強度的立地條件改良（以下簡稱“理想情況1”）。初始表土農化性質極佳，表土剝離及回覆過程能嚴格參照土壤剖面分層情況設計，表土臨時堆存期內鮮有水土流失發生，因此僅需對表土開展低強度的立地條件改良。

2）僅需簡單且統一的表土堆防護（以下簡稱“理想情況2”）。施工期很短、表土臨時堆存期很短，或者施工時序設計合理、基本可以做到隨剝隨覆，因此僅需對表土堆布置簡單且統一的表土堆防護。

3）僅需功能簡單的植物管護（以下簡稱“理想情況3”）。表土內仍含有大量具備萌發能力的植物種子，表土內部的環境仍然可使種子自行萌發，因此僅需輔以少量功能簡單的人工（植物）管護。

本研究以表土保護為出發點，參考蒙代爾不可能三角理論，構建了表土保護不可能三角這一概念[4]。該三角理論的邏輯基礎是即便在表土農化性質極好、生態環境極佳的黑土分布區，區內土壤僅承受農業生產所帶來的擾動，便會出現顯著的水土流失問題，無法保證同時滿足理想情況1、2、3。在生產實踐中，挖掘作業帶來的擾動遠超農業生產所帶來的擾動，因此必然會使土壤劣化、打破土壤原有的自然防護，使土壤至多滿足原有的2種理想情況。

2.2 表土保護不可能三角的組成

圖1為表土保護不可能三角示意圖。以項目區初始表土農化性質極佳、生態環境極好為前提條件，該三角形的3個頂點分別代表3種理想情況，3個頂點對邊的中點則分別代表與理想情況絕對對立的3種最不理想情況，即必須采取高強度的立地條件改良、復雜且精確的表土堆防護或功能完備的臨時綠化。從3個頂點處分別朝對邊中點做連線（帶箭頭虛線），保護措施的難度及強度會沿線逐漸增加。三角形三邊中點的連線構成一個較小的三角形（陰影三角形），該三角形覆蓋的范圍即為表土保護設計的理論有效范圍[4]。

2.3 表土保護工作可能出現的實際工況

表1為可能出現的表土保護工作局面，由表1可知，在生產實踐中，可能出現的表土保護工作實際工況有：

1）若項目區初始表土農化性質、生態環境均為優，則3種理想情況除不能同時出現外，可任意組合，這種情況主要存在于東三省黑土區、成都平原及赤水河中下游等生態環境良好、土壤肥沃的地區[5]。在該情況下，可直接采用表土不可能三角表示，3種臨界狀態均可出現。

2）若項目區初始表土農化性質一般、生態環境一般，則與初始表土農化性質為優時相比，由于初始表土農化性質一般，且表土堆防護措施沒有補充養分或有機質的作用，不能僅靠該措施解決表土生產力相對不足的問題，因此理想情況1和理想情況3不能同時出現，即不存在臨界狀態2或近似臨界狀態2，表土保護措施的強度須更大，且表土保護設計的理論有效范圍（陰影三角形的面積）將向內有限縮小，但是近似臨界狀態仍然存在。這種情況在我國廣泛存在，是最常見的表土保護工作局面[6]，主要存在于以荊門市東寶區為代表的土壤較肥沃的平原或低矮丘陵區域（見圖2）。當地平原較多，地形平緩，土壤發育普遍較好，鐵錳膠膜顯著，因此有機質含量較高；表土層厚30～35 cm，局部25～30 cm，且不同地塊成土效果的差異較小，因此不存在普遍的、顯著的立地條件障礙，僅需結合園藝措施，適當對表土補充有機肥和速效化肥。建議改良措施有：①土壤熟化。按比例對生土施加有機肥，再將生土和熟土按比例進行充分混合，以增殖熟土中原有的、功能完整的微生物群落，并適當混入綠肥。②土壤質地改良。在熟土內混入一定量的砂粒，進行充分混合，以提高土壤孔隙度。

在該情況下，陰影三角形向內僅有限收縮，近似臨界狀態仍然存在，仍可采用表土不可能三角表示，3種近似臨界狀態均可出現。

3）若項目區初始表土農化性質和生態環境均較惡劣，則與初始表土農化性質為優時相比，無法同時出現2種及以上的理想情況，表土保護措施的強度須進一步增大，表土保護設計的理論有效范圍將進一步縮小，不再存在近似臨界狀態。

這種情況主要存在于土壤較貧瘠的高陡丘陵區域[7]。以宜昌市夷陵區為例（見圖3），該地區山地較多，地形地勢復雜，多坡地；臨近三峽庫區，水域較多，降雨豐富；表土層普遍較薄、厚15～25 cm，且不同地塊成土大；當陽市至夷陵區的土壤沙化現象逐漸變顯著，且以粗砂為主，部分地塊表層混雜一定量的塊石或礫石。因此，當地的立地條件障礙是土壤沙化、粗骨化及土壤貧瘠。

在現場勘察中，筆者發現當地人普遍采用構筑砂田的辦法（覆蓋耕作技術中的一種）進行改良，即就地利用卵石、礫石、粗砂、細砂的混合物，將其作為覆蓋材料，鋪在經過深耕、施肥、壓平作業后的農地上，以此達到保墑、保溫、保土、增產的作用。這種改良產物與“上黏下砂”的蒙金型土層結構相近，堪稱就地取材進行立地條件改良的典范。立地條件改良后，補充土壤熟化的措施，達到最終改良效果。在該情況下，陰影三角形將向內較大幅度地收縮，不再存在任何近似臨界狀態。

4）若項目區初始表土農化性質及生態環境均極惡劣，則與初始農化性質為優時的表土相比，3種理想情況都不能出現，表土保護措施的強度須增至最高水平，且表土保護設計的理論有效范圍將向內縮小至最小面積。這種情況主要存在于金沙江干熱河谷上游地區等生態環境極端惡劣的區域[7]。

以云南省德欽縣為例（見圖4）。首先，由于長期的江水沖刷和高溫干旱，當地水土流失嚴重，土壤中的水分和養分均容易快速流失，土壤粉粒的含量普遍偏低，因此在沿江兩岸可以輕易采集到不適宜植被生長的壤質砂土、粉砂質壤土、粉砂質黏壤土乃至基本喪失生態功能的礫石土或礫質土，簡言之，土壤質地（或級配）極其糟糕。其次，由于當地河道曲折易變，生產力較低的土壤在河道兩岸不規則分布，土壤改良障礙也不大相同，因此在缺乏精確調查、未制定精確調配計劃的前提下，不能采用慣例，即簡單地混合不同地塊的表土并采用同一套改良工藝進行土壤改良。再次，在表土中普遍嚴重缺乏粉粒、混雜大量的砂礫或礫石，土層難以構成保水、保肥的土層結構，土壤生產力及供肥能力堪憂，部分土層甚至呈現“上黏下砂”的沙漏型土層結構。此外，沿江兩岸表土資源總量嚴重不足，難以通過簡單的表土調配和表土培肥來滿足項目綠化覆土的需求，如何填補覆土的缺口成為難題。

因此，在當地，應首先通盤考慮如下問題并設計改良方案：表土資源利用（包括表土剝離、培肥、回覆及土壤熟化）、表土堆存與防護、立地條件改良（主要包括土壤生產力及級配的改良、土層結構改良等）及植被恢復。然后開展現場小試，根據小試結果調整改良方案。

在當地的立地條件改良過程中，關鍵點在于：為恢復土壤保水性、保肥性及生產力，首先必須在原有表土內篩掉粒徑＞2 mm的大顆粒，然后混入大量外源粉粒，使粉粒的體積比≥25%，以此重構土壤的級配；其次為減少外源有機質的使用量、恢復土壤生物生存環境，應該栽植大量綠肥植物（常用豆科植物，例如大豆、苜蓿等）；最后，當地位于干熱河谷上游地區，有機肥應選取冷性的牛糞或偏冷性的豬糞，以減緩有機肥的分解速度，提高有機質的利用效率。在該情況下，陰影三角形將向內縮至最小面積，無任何近似臨界狀態。

3 研究意義及展望

3.1 研究意義

1）表土保護不可能三角反映的是定性概念，足以證明以項目區內初始表土農化性質極佳、生態環境極好為前提條件，在施工擾動發生后，3種理想情況不再可能同時發生。

2）證明若項目區內初始表土農化性質及生態環境條件不佳，則立地條件改良的難度會增加，其強度也必須增加，理想情況越來越難出現。

3）可用該概念向業主及審查專家闡述在生態脆弱區開展高強度表土保護工作的艱巨性。

3.2 研究展望

若以項目區內初始表土農化性質極佳、生態環境極好為前提條件，則可構成一個正三角形，表土保護設計的理論有效范圍即陰影三角形也為正三角形，且陰影三角形三個頂點分別位于黑色三角形的三邊中點上，但若某些初始條件相對惡劣，則陰影三角形將按不確定比例縮小。具體解決方案是須將3種理想情況進行加權處理，據此繪制不同前提條件下的表土保護不可能三角形[8-9]。

4 結束語

本研究通過構建表土保護不可能三角這一概念，反映表土保護工作的必要性和艱巨性。表土保護方案大體可根據如下思路設計：基于對植物、土壤、微生物的廣泛調查與長期監測，根據數學模型及加權矩陣評估各項保護措施的重要性，精確設計表土保護措施，計算工作量[9]。

綜上所述，只有通過開展生態調查及研究式的勘察設計，才能真正做好生產建設項目的表土保護及生態恢復工作。

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