砒砂巖區(qū)生態(tài)恢復的新途徑
——一種環(huán)境友好型抗蝕促生技術

姚文藝1，2， 劉 慧1,2， 梁止水3

(1.黃河水利科學研究院， 河南 鄭州 450003； 2.水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室， 河南 鄭州 450003； 3.東南大學 土木工學院， 江蘇 南京 210096)

位于黃河流域鄂爾多斯高原的砒砂巖區(qū)土壤侵蝕劇烈，生態(tài)退化嚴重，成為黃河粗泥沙來源的核心區(qū)，被稱之為“地球生態(tài)癌癥”。所謂砒砂巖，是指古生代二疊紀、中生代三疊紀、侏羅紀和白堊紀所形成的由砂巖、砂頁巖、泥質砂巖構成的巖石互層，屬于大陸相碎屑沉積巖類[1]。由于砒砂巖成巖程度低，其結構強度弱，顆粒間膠結程度差，具有無水堅如磐石、遇水易分解破碎的特性。砒砂巖區(qū)土壤侵蝕治理不僅對于保障黃河長治久安具有重要意義，也是實現(xiàn)中國生態(tài)文明建設重大戰(zhàn)略目標的迫切需求。長期以來，砒砂巖區(qū)被列入國家生態(tài)環(huán)境建設和水土流失治理的重點區(qū)[2]，砒砂巖侵蝕治理技術研發(fā)也成為水土保持、生態(tài)等領域一直關注的中心課題。在1985年水利部原部長錢正英提出的“以開發(fā)沙棘資源作為加速黃土高原治理的一個突破口”科學建議下，通過黃土高原水土保持世行貸款第一、二期項目實施[3]及晉陜蒙砒砂巖區(qū)沙棘生態(tài)工程等國家相關的投資項目[4-5]，開展了砒砂巖區(qū)種植沙棘的技術與措施研究，取得了改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、減少入黃泥沙的效益[6]。在利用沙棘治理砒砂巖的實踐基礎上，畢慈芬等[7-9]于1992年提出了植物“柔性壩”治理砒砂巖溝道侵蝕的技術，并開展相關的試驗研究。之后不斷探索了利用沙棘等生物措施治理砒砂巖的途徑，同時，還開展了利用砒砂巖風化物或溝道沉積物修建淤地壩的探索工作[1]，取得了不少研究成果。2011年，西北農(nóng)林科技大學引入美國雷諾教授研制的EN-1固化劑，開展了利用EN-1固化劑固化砒砂巖邊坡抗沖穩(wěn)定性機理試驗研究[10]。以往這些技術和措施均在一定程度上促進了砒砂巖區(qū)土壤侵蝕治理與生態(tài)恢復等實踐的發(fā)展。然而，由于砒砂巖區(qū)多動力復合侵蝕，侵蝕類型多且其過程復雜，復合侵蝕與生態(tài)退化互饋發(fā)生，侵蝕—地貌—植被耦合及其時空分異性突出[5,11]，以往的治理措施相對單一，功能獨立，治理局部化、零散化、間斷化的問題突出，缺乏全區(qū)域尺度復合侵蝕阻控、退化生態(tài)治理為一體的系統(tǒng)綜合解決方案與技術體系，還不能滿足砒砂巖區(qū)生態(tài)綜合治理的需求。另外，由于砒砂巖是我國鄂爾多斯高原特殊的地質體，目前，仍未見國外開展砒砂巖侵蝕治理技術的相關研究，僅有關于單一的砂巖或單一的泥質砂巖侵蝕治理方面的成果見諸報道[12-14]。因此，迫切需要解決我國砒砂巖區(qū)多類治理措施與復合性侵蝕有機匹配、阻控侵蝕與生態(tài)恢復多功能相協(xié)調(diào)的關鍵技術。為此，近年來黃河水利科學研究院聯(lián)合多家高校、科研單位及有關企業(yè)，對砒砂巖區(qū)抗蝕促生綜合治理技術進行了有益的探索，取得了明顯效益。本文基于作者近年研究分析，對砒砂巖侵蝕巖性機理，抗蝕促生機理與技術，以及應用效果進行系統(tǒng)介紹，并提出需要進一步研究的科學問題與關鍵技術，以期為砒砂巖區(qū)生態(tài)綜合治理提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況與試驗方法

1.1 研究區(qū)概況

以黃河一級支流皇甫川的二老虎溝小流域為試驗研究區(qū)，在二老虎溝上游選取面積約0.1 km2的小流域作為試驗區(qū)。二老虎溝所在區(qū)域多年平均降水量約350 mm，屬典型的蓋土砒砂巖區(qū)，地形破碎、坡陡溝深，溝壑密度達7 km/km2，植被覆蓋度很低，平均不足25%[5]。該流域基巖大面積外露，以水蝕為主并復合風蝕、凍融侵蝕、重力侵蝕，水土流失極為嚴重，據(jù)1998—2000年觀測表明，裸露區(qū)侵蝕模數(shù)近2.00×104t/(km2·a)。

1.2 砒砂巖取樣方法

為揭示砒砂巖侵蝕巖性機理，提供研發(fā)抗蝕促生技術的理論依據(jù)，需要在試驗區(qū)采集砒砂巖試樣。試樣的采集遵循整體與局部、普遍與典型相結合的原則，重點考慮抗蝕促生治理措施實施地塊分布對取樣的技術要求而設計相應的取樣方案。參考土壤學取樣方法，采用傳統(tǒng)人工挖掘和機械挖掘相結合的水平分層取樣方法。在取樣時，若取樣深度為2 m以內(nèi)，采用傳統(tǒng)的人工挖掘方式；對于深度大于2 m的砒砂巖區(qū)，首先用機械將砒砂巖立面從上到下，從表向里挖掘2 m左右，然后通過人工挖掘的方式，在不同縱深處根據(jù)砒砂巖沉積特性進行分層取樣。按不同顏色，共采集7類試樣。

1.3 物理化學關鍵參數(shù)測驗方法

依據(jù)《土工試驗方法標準(GB/T50123-1999)》，《土工試驗規(guī)程(SL237-1999)》《FHZDZTR0026規(guī)定》《水泥化學分析方法(GB176-2008-T)》等規(guī)定，采用灌沙法測定砒砂巖原樣密度；采用電熱烘箱烘干法測定砒砂巖原樣含水率；利用高溫爐熔融法測定燒失量；二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵等含量均利用高溫爐熔融法進行測定；二氧化鈦、氧化鈣、氧化鎂等含量均利用滴定法進行測定；氧化鉀、氧化鈉等含量，以硫酸、氫氟酸、鹽酸、碳酸銨等作為試劑，用低溫加熱分解法測定。礦物成分分析采用X-射線法，儀器型號為D/max-2500PC，工作電壓40 kV，電流100 mA，射線種類為CuKa，將所取試樣研磨至200目，依據(jù)《轉靶多晶體X射線衍射方法通則》(JY/T009-1996)進行檢測，利用圖譜分析砒砂巖礦物含量。另外，采用ICPFT-IR分析砒砂巖的官能團構成。

1.4 試驗小區(qū)布設

在試驗小流域溝頭的陽坡區(qū)位布設2個自坡頂?shù)綔系椎淖匀蝗旅嬖囼炐^(qū)(圖1)，其中一個作為措施試驗區(qū)(A區(qū))，另一個作為裸露對比區(qū)(B區(qū))。2個小區(qū)的寬度均為3.5 m，全長43.5 m(包括長2 m，基本為水平的坡頂)，小區(qū)坡面上段的最大坡度達70°以上，每個小區(qū)水平投影面積約106 m2，小區(qū)四周用30 cm高的PVC板作為圍埂。在天然條件下，2個全坡面試驗區(qū)均為裸露砒砂巖。在2個小區(qū)下緣分別設置2個連通的由鋼板制成的集流桶，用于收集徑流泥沙，利用置換法測泥沙量。另外，在小區(qū)附近還設置自計雨量計1臺。

2 砒砂巖侵蝕巖性機理

巖石成分檢測的結果表明，砒砂巖的主要礦物成分包括石英、長石、方解石、蒙脫石、高嶺石等。與不少類的巖石相比，砒砂巖礦物組成的最大特點是石英含量相對較低而蒙脫石含量高，其中石英的含量多在40%以下，蒙脫石的含量在10%～30%，后者是一般巖石的數(shù)10倍。石英是一種很穩(wěn)定的礦物質，自然條件下幾乎不發(fā)生化學溶解反應，只發(fā)生機械磨蝕作用，抵抗風化的能力較強，因此從巖性角度分析，石英不是引起砒砂巖抗蝕性弱的主要原因。蒙脫石遇水極易膨脹，使孔隙式膠結的砒砂巖巖體中的孔隙關閉，氣體壓力增大，從而導致巖體微結構破壞，因此其含量相對較高的蒙脫石是砒砂巖抗蝕性弱的主要成分。砒砂巖中蒙脫石的含量在黏土礦物組分中含量最高，因此，蒙脫石對砒砂巖的影響大于其他黏土礦物組分。蒙脫石是在風化或沉積環(huán)境中產(chǎn)生的，這種礦物在風化帶中是相當穩(wěn)定的，它不會在干燥的環(huán)境中造成巖體破壞，但遇水其體積可膨脹約150%，對巖體產(chǎn)生巨大壓力。一旦遇水蒙脫石就會發(fā)生膨脹，使巖石微結構遭受破壞。另外，在蒸發(fā)過程中受溫度的影響，溶解的礦物成分會通過再結晶產(chǎn)生化學沉淀，并重復溶解和結晶，也會使巖石結構遭受破壞。因此，為研發(fā)抗蝕促生技術，需要從改善砒砂巖潰散的角度出發(fā)，研究如何有效抑制蒙脫石等礦物的膨脹，使砒砂巖巖性結構趨于穩(wěn)定。

注：A措施區(qū)； B裸露對照區(qū)。

砒砂巖的主要化學成分是SiO2(表1)，其中紅色砒砂巖的氧化鐵Fe2O3含量較白色的高，SiO2，MgO，總Fe的含量也較白色的高，而白色砒砂巖的CaO含量較紅色的高。因此，水與紅色砒砂巖具有更高的親和性，水一旦與紅色砒砂巖接觸，在0.2 s內(nèi)就可以完全滲透到試樣體內(nèi)。

表1 研究區(qū)砒砂巖化學成分組成

注：砒砂巖樣品按色度由深至淺編號，其中1#—4#為紅色系，5#—6#為黃色系，7#為白色。

砒砂巖中Na2O，K2O和CaO總的平均含量為8.6%，雖然它們的含量遠低于其他組分的含量，但這些成分化學性質活潑，在適當?shù)臈l件下，會在局部富集或被水流帶走，從而使巖石的孔隙逐漸增大，化學風化作用加強，最終導致巖體結構破壞。巖石的化學風化程度受多種因素控制，如地形地貌、巖石巖性、氣候特征(主要是降雨)等，而巖石中性質活潑的化學成分是影響巖石風化的重要因素，其風化順序為:CaO>Na2O>K2O。根據(jù)測試，紫色和粉紅色砒砂巖中的Fe2O3含量高于白色和灰色砒砂巖，表明紫色和粉紅色的砒砂巖以鐵質膠結為主，而白色和灰色的砒砂巖以二氧化硅膠結為主。氧化鋁主要出現(xiàn)在黏土礦物中，氧化鋁含量低說明黏土礦物含量低，巖石風化程度高。在水土泥質化作用后，內(nèi)層砒砂巖黏土礦物含量較高，因此，隨著深度的增加，砒砂巖中Al2O3呈增加趨勢，而CaO呈下降趨勢。此外，Al2O3和Fe2O3的含量隨深度增加呈先增加后減少趨勢(除了粉紅色砒砂巖，隨深度增加而增加)。此過程可以解釋為鐵鋁成分從表層風化砒砂巖部分進入中間層砒砂巖，沉積在巖石裂縫和孔隙處而引起的。砒砂巖風化表層的黏土礦物具有很強的陽離子交換能力，由地下水變化引起的陽離子吸附交換是引起巖石性質變化的第一步。因此，測定砒砂巖巖體中的陽離子交換量是研發(fā)抗蝕促生材料的重要基礎數(shù)據(jù)。砒砂巖的最大pH值為10.26，最小值為8.91，平均值為9.49，明顯呈堿性。雨水的pH值通常小于或等于7，因此砒砂巖中由雨水形成的裂隙水和孔隙水，與巖石中較活潑的化學物質非常容易發(fā)生反應。隨著水的遷移，反應需要不斷地達到新的平衡，進而使得該反應一直循環(huán)進行，導致巖石的裂縫和孔隙逐漸擴大，巖石的風化程度逐漸加強。這個過程是緩慢的，但對砒砂巖結構的破壞是巨大的，從而最終使得砒砂巖的力學性能降低，因此高堿性也是砒砂巖遇水極易侵蝕的主要動因。由于砒砂巖具有上述巖性特征，具有較高的可蝕性，根據(jù)試驗觀測[15]，紅棕色、紫紅色砒砂巖與黃綿土相比，在同樣降雨條件下，單位徑流產(chǎn)沙量的大小順序為：紫紅色砒砂巖>紅棕色砒砂巖>黃綿土?；谏鲜鰧ε皫r礦物組成、化學成分及酸堿度等在侵蝕中的驅動機理分析，可進一步假設：巖石是由許多個顆粒通過粒間的物質膠結在一起的，這些組成巖石的微觀顆粒為圓形顆粒，據(jù)此可由圖2描述砒砂巖遇水破壞的過程。砒砂巖顆粒間以膠結連接方式為主，在自然干燥狀態(tài)下，砒砂巖結構比較緊密，其強度相對較大，即人們所說的堅硬如石。在砒砂巖與水的初期接觸時，其膠結物黏土礦物所具有的強親水性使其發(fā)生反應而失去膠結作用，致使砒砂巖結構產(chǎn)生破壞。此時，砒砂巖顆粒在自身重力的作用下，其間接觸比較緊密，干燥狀態(tài)下硬度相對較大。如果砒砂巖進一步與水接觸，一方面會繼續(xù)侵蝕砒砂巖的膠結物，另一方面水會潤滑顆粒間的接觸面使摩擦力減小，易于發(fā)生滑動，砒砂巖結構最終發(fā)生破壞，形成潰散侵蝕。

圖2 砒砂巖侵蝕的巖性作用過程

3 抗蝕促生技術與應用

3.1 抗蝕促生技術

抗蝕促生技術是指通過在砒砂巖表面實施一種環(huán)境友好型的復合材料，固結砒砂巖表面巖層，達到抗風蝕、水蝕，促進植物生長的綜合治理效果。本研究基于對砒砂巖侵蝕巖性機理的揭示，分別以聚丙烯脂類、聚氨酯類材料為基質，添加固結、保水、增肥、抗拉防衰等多種功能性的改性材料，通過特定溫度、時間、配比條件的控制劑優(yōu)化，聚合得到不同類型的抗蝕促生材料。

在抗蝕促生材料研發(fā)中充分利用包裹與聚合技術，使其可以與砒砂巖表層巖石顆粒形成包裹層，有效防止因“結皮”而脫落的現(xiàn)象發(fā)生?？刮g促生材料分子由軟段和硬段構成，表現(xiàn)出熱力學不相容性和微相分離特性，可以在空間上形成相域和微相域，且分子中的異氰酸根和極性基團與水反應后，形成氫鍵、氨酯鍵及脲鍵等基團，這些基團的內(nèi)聚能較高，能形成高界面張力的黏結層，具有良好的力學性能。根據(jù)浸潤性和抗蝕性試驗，在砒砂巖表面噴灑抗蝕促生材料后，其可以有效的調(diào)控水分進入速率，說明材料溶液在滲透過程中與砒砂巖顆粒形成了包裹層，可將松散的表層顆粒連接成一個大型網(wǎng)狀結構層(圖3)，從而既可以避免砒砂巖表面的水力侵蝕，維持砒砂巖表面的完整性和穩(wěn)定性，同時又可以滿足植物生長的水分需求。

原狀結構 抗蝕促生網(wǎng)狀結構

圖3砒砂巖原狀結構與抗蝕促生改性結構電鏡掃描圖

根據(jù)紅外光譜分析，抗蝕促生材料中含有部分異氰酸酯、聚醚和酰胺分子，而主要成分為酯，且這些分子的聚合體形成分子交叉，是形成網(wǎng)狀結構、包裹砒砂巖顆粒的主要機制(圖4)。

圖4 抗蝕促生層構建及效果

這種結構易于吸收水分、肥料等植物生長的必要成分，且吸收的水分在干燥的條件下可以緩慢釋放，因而在一定時期內(nèi)，抗蝕促生材料能為植物的生長提供必要的水分，促進植物的生長。抗蝕促生材料具有保水控滲、包裹透氣、固結抗蝕、增肥促生多功能為一體的突出特性。根據(jù)PONY等第三方權威檢測機構的測驗，該材料對植被不產(chǎn)生藥害，對生態(tài)環(huán)境不造成二次污染。根據(jù)不同用途，利用調(diào)控不同功能性成分的添加量，可以分別制成用于防止砒砂巖陡坡(如坡度>60°)崩塌的固結抗蝕材料和用于緩坡的阻控侵蝕、促進植被恢復的抗蝕促生材料。

3.2 抗蝕促生技術應用效果

根據(jù)準格爾旗水土保持監(jiān)督檢查站對抗蝕促生示范試驗效果的觀測，抗蝕促生技術對于防治砒砂巖侵蝕、恢復植被具有明顯的效果。從植被恢復效果看,在2014年抗蝕促生措施實施的當年，措施小區(qū)的覆蓋度既可達到95%左右(圖5)，而且到目前，其長勢依然良好。另外，通過對二老虎溝小流域大面積治理，植被覆蓋度由2013年的25%左右到2016年增加到了75%左右。

圖5 試驗小區(qū)植被修復效果與裸露小區(qū)對比

從抗蝕效果看，根據(jù)2014年7月1日至2016年8月17日6場降雨的產(chǎn)流產(chǎn)沙觀測(表2)，最大日降雨量為2016年8月17日的121.8 mm，最小的為2014年7月1日的16.4 mm，與無措施的裸露小區(qū)相比，在不同場次降雨條件下，噴灑抗蝕促生材料的小區(qū)不僅植被得到良好修復，而且產(chǎn)流產(chǎn)沙量明顯減少，徑流量約減少70%～94%，產(chǎn)沙量減少95%以上，其中在2016年8月17日次降雨量達到121.8 mm的條件下，其減沙量仍可達到97%。由此可見，實施抗蝕促生技術，能夠起到非常顯著的減水減沙效果。根據(jù)觀測(圖5)，在裸露對比小區(qū)，因徑流沖刷，侵蝕溝發(fā)育非常明顯，瀉溜等重力侵蝕現(xiàn)象時有發(fā)生，而抗蝕促生試驗小區(qū)的地表未見有明顯的侵蝕現(xiàn)象。

表2 抗蝕促生試驗區(qū)減水減沙效益觀測結果

4 結論與討論

4.1 結 論

(1) 砒砂巖遇水潰散的主要影響因素包括礦物組成、化學成分、孔隙結構等，其決定了砒砂巖的空隙性、透水性和粘結力。砒砂巖遇水潰散的驅動機制主要在于含量較高的蒙脫石遇水體積膨脹導致微結構破壞；所含性質活潑的CaO等化學物質遇水極易反應而被水流帶走致使巖體結構破壞；砒砂巖表層結構松散透水性強，增加水巖反應界面而驅動化學侵蝕過程發(fā)生。因此，抗蝕的原理就是有效抑制蒙脫石膨脹、改善孔隙結構、減緩水化學反應等，進而提高砒砂巖顆粒間的黏結性和整體性。

(2) 研發(fā)的抗蝕促生材料的促生原理是控滲透氣保肥，促進種子發(fā)育和植物生長。通過包裹和聚合技術的融合，抗蝕促生材料可以在砒砂巖表層形成具有良好力學性能的網(wǎng)狀多孔包裹層，不僅可阻控侵蝕，同時具備緩慢吸水、釋水、透氣和保肥性能，從而達到促生的作用。

(3) 通過全坡面徑流小區(qū)、小流域等不同范圍的示范應用表明，利用抗蝕促生技術，可以取得明顯的阻控侵蝕、恢復植被的效果，實現(xiàn)了抗蝕促生功能的一體化，為砒砂巖區(qū)生態(tài)綜合治理探索了一條新途徑。

4.2 討 論

基于砒砂巖侵蝕巖性機理研發(fā)的抗蝕促生材料，不失為一項值得探索的新技術新方法。由于砒砂巖侵蝕機理極為復雜，水蝕風蝕重力侵蝕復合交替，加之該地區(qū)屬于我國由半干旱向干旱過渡，由黃土向沙地過渡的地帶，氣候條件及立地條件不利于植被恢復，生態(tài)極度脆弱，因此，對其治理的難度很大，目前提出的抗蝕促生技術還屬于第一階段性的探索，仍有必要對抗蝕促生措施及治理技術進行完善，深入研究，并開展大區(qū)域推廣示范研究。對以下問題需要進一步研究： ①抗蝕促生材料對復合侵蝕的適用性，拓展其阻控多類侵蝕的功能。 ②砒砂巖區(qū)治理的生態(tài)承載力約束條件，砒砂巖區(qū)生態(tài)承載力維持與提升機制。 ③抗蝕促生材料的促生作用臨界及其適用于大范圍的施工技術等。另外，還需要深化抗蝕促生技術在砒砂巖區(qū)生態(tài)綜合治理中的作用與應用研究，形成生物—植生固結—工程—砒砂巖改性等綜合措施體系及治理模式，實現(xiàn)砒砂巖全區(qū)域—侵蝕全類型—生態(tài)全要素的綜合治理，解決生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)退化的侵蝕環(huán)境問題。