陜北地區(qū)植物固坡防控對策研究

張釗熔 石海蘭

（1陜西省土地工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司，陜西西安 710075；2陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西西安 710021；3自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西西安 710021；4陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西西安 710021）

陜北地處我國農(nóng)牧過渡帶，區(qū)域氣候及生態(tài)環(huán)境多樣、復(fù)雜且脆弱。過渡性氣候引起了土壤向沙漠地貌轉(zhuǎn)變，從而使得區(qū)域植被具有荒漠、荒漠性草原向森林草原過渡的特征。同時，陜北工礦業(yè)活動頻繁也加劇了區(qū)域生態(tài)的不穩(wěn)定，這使得陜北地區(qū)的生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展受干旱、風(fēng)沙、水土流失、工礦場地污染等自然或人為因素的強烈影響[1]。近年來，針對以上問題，在陜北地方政府的主導(dǎo)下，水利工程、人工植被建設(shè)以及其他生態(tài)修復(fù)防治等措施有效地緩解了地區(qū)干旱、風(fēng)沙、水土流失等環(huán)境問題，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境有一定的改善[2-4]。

陜北從南向北自黃土高原連接到毛烏素沙漠南緣，由于黃土溝壑發(fā)育易受雨水侵蝕，沙丘又在風(fēng)的作用下極易遷移。因此，在小尺度上，如何保護黃土、沙地或耕地邊坡，減小雨水沖刷或風(fēng)蝕造成的土壤組分、礦物和養(yǎng)分流失成為重要問題。本文通過對陜北榆林地區(qū)進行野外考察，結(jié)合對現(xiàn)有植被固坡理論相關(guān)研究的學(xué)習(xí)了解，旨在為陜北地區(qū)解決這一實際問題尋找已有的理論方法，為區(qū)域小尺度植被固坡提供一些建議。

1 植物固坡的理論研究

現(xiàn)今固坡理論以及工程技術(shù)手段有工程固坡、植物固坡以及這2種手段結(jié)合固坡。與傳統(tǒng)的土木工程不同，植物邊坡加固理論將植被及其對邊坡穩(wěn)定性的影響與侵蝕過程聯(lián)系起來，形成“土壤植被系統(tǒng)”。該系統(tǒng)既具有生物和生態(tài)屬性，又有一定的工程實用價值[5]，既能達到固坡效果，減少后期維護，還有一定的經(jīng)濟、社會效益。

現(xiàn)有研究認(rèn)為，植物根系的發(fā)達程度對抵抗坡體淺層坡滑坡和表土受雨水侵蝕等起著巨大的作用。植物根系通過自身的抗拉強度、密度改變土體結(jié)構(gòu)，從而加強土體的抗剪強度，發(fā)揮固坡效應(yīng)[6]。目前，已有多種研究植物根系與土體間相互作用的理論模型，但普遍接受、適用較多的仍是Wu-Waldron模型[7-8]。該模型具有理論簡單、相關(guān)變量較少、方便快捷等優(yōu)點，因而應(yīng)用廣泛[9]。該模型表明，植物根系作用與土體產(chǎn)生的抗剪強度受植物根系的平均抗拉強度和根面積比2個因素的影響。試驗分析認(rèn)為，土體抗剪強度的增量與根系的平均抗拉強度和根面積比成正比，因而該模型的2個重要自變量為植物根系的平均抗拉強度和根面積比。更進一步的理論研究發(fā)現(xiàn)，植物根系中直徑小于1 mm的須根才是影響植物土壤抗剪強度和抵抗侵蝕的關(guān)鍵因素，須根不但能通過增加土壤水性團聚體的數(shù)量與粒徑等來提高土壤的穩(wěn)定性，從而抵抗水流分散，還能有效地增加土壤孔隙度，改善土壤滲透性，減少地表徑流，從而減輕水體對土壤的沖蝕作用。該研究還認(rèn)為，土壤抗侵蝕性將隨著植物根系數(shù)量的增加而提高，但其定量函數(shù)關(guān)系還未明確[10]。

植被固坡的原理是植被根系具有加強土體間相互作用力和增加土質(zhì)強度的機能作用。這一作用力的主要影響因素有坡面基巖（土體）自身的物理化學(xué)性質(zhì)、坡面土層厚度和坡度、植物種類組成、植物生長年齡等[11]。已有研究表明，不同坡度下植被的固坡效果不同，當(dāng)坡度為23°左右時，坡體穩(wěn)定性最好，且具有最優(yōu)承載性能；坡度在30°～40°之間時，植被固坡效果穩(wěn)定[12]。也有研究指出，沙棘林固土的有效根密度在坡度≤20°和>20°時分別為 60個/100 cm2和118 個/100 cm2以上； 在坡度為 15°、20°和 30°時，根系固土的有效深度分別為40、30、20 cm土層[13]。

植物固坡能夠顯著改良當(dāng)?shù)赝寥罓顩r，改善生態(tài)環(huán)境[14-17]。已有研究表明，荒漠草原檸條人工林固沙區(qū)，檸條林發(fā)育生長和灌木形態(tài)的改變不僅影響土壤營養(yǎng)條件，而且還可以調(diào)控由季節(jié)改變引起的土壤溫濕度變化，檸條林齡和季節(jié)更替二者交互作用，共同影響地表草本植被的季節(jié)變化特征[18]。沙棘等優(yōu)勢樹種對陜北黃土退耕還林（草）區(qū)土壤有機碳具有明顯的碳匯作用[19]。

2 陜北固坡植物

陜北地區(qū)坡面主要為黃土或者沙土，植被組成則依據(jù)陜北地區(qū)特有植被類型。依據(jù)陜北地區(qū)的氣候環(huán)境條件（干旱、風(fēng)沙等），可選擇的固坡灌木有檸條、沙棘、踏郎等，喬木主要是樟子松[20]。檸條對土壤肥力的改良效果顯著，是優(yōu)秀的固沙植物[21]。沙棘、樟子松和踏郎的耐旱性、環(huán)境適應(yīng)性強，也對土壤具有一定的改良作用。灌木固沙林能有效降低風(fēng)速，減少泥沙輸移，改善沙地生態(tài)環(huán)境，在短時間內(nèi)扭轉(zhuǎn)流動沙地的半固定沙和固定沙。在流動沙地上建設(shè)灌木固沙林具有投資少、效益快、經(jīng)濟效益可觀的優(yōu)點[22]。

影響植物生長的因素有坡向、坡位、地形、土壤水分和植物密度等，了解檸條等固坡植物種植生長因素，能提高植物長勢，加強植物固坡效果。已有研究表明，對檸條生長有顯著影響的因素有坡向、坡面地形、土壤水分及灌木密度。東坡檸條生長好于南坡，而坡位對檸條生長影響較小。淺層土壤水分充足則檸條生長良好，灌木密度和深層土壤水分對檸條生長具有一定的負(fù)面影響。檸條生長的空間分布格局受坡面地形、土壤水分及灌木密度的相互影響[23-24]。除陽坡外，其余坡向的緩坡（坡度15°～25°）和平緩坡（坡度5°～15°）適宜沙棘林生長，且影響當(dāng)?shù)厝斯ど臣炙ネ怂劳龅闹饕蛩厥顷儽钡貐^(qū)年降水量不足500 mm[25]。

現(xiàn)今應(yīng)用于我國干旱地區(qū)造林的優(yōu)勢喬木樟子松因耐旱、生長速度快、綜合抗性強而在西北地區(qū)廣泛種植。影響樟子松造林成活的主要因素有種植時樟子松根系埋深程度、種植地形、種植時間和種植技術(shù)。樟子松種植時需要深植，地形應(yīng)選背風(fēng)的陽坡，種植最佳時節(jié)為春季，同時，對種植人員進行種植技術(shù)培訓(xùn)[26-27]。踏郎下坡生長趨勢最好，上坡生長趨勢好于中坡。在流動沙丘上種植踏郎后，表層土壤營養(yǎng)狀況得到了極大的改善。已有研究表明，在生長過程中，踏郎不僅不會消耗沙土中非常有限的土壤養(yǎng)分，而且極大地改善了土壤的立地質(zhì)量[28]。踏郎具有很強的發(fā)芽和繁殖能力，在沙丘移動過程中，流沙堆積是踏郎繁殖的有利條件[29]。

3 固坡建議

在陜北地區(qū)氣候條件下，應(yīng)根據(jù)不同的固坡對象、不同巖土體地理、地質(zhì)條件運用不同的固坡手段。對交通道路或者壩體，可以優(yōu)先考慮工程技術(shù)并輔以植物坡面生態(tài)工程的技術(shù)手段；在小尺度上如耕地邊坡、黃土溝壑邊坡、沙質(zhì)土壤邊坡等亟須合適的技術(shù)手段來減少沖蝕帶來的土壤結(jié)構(gòu)改變和養(yǎng)分缺失。以政府或當(dāng)?shù)鼐用駷橹鲗?dǎo)的植被固坡，其經(jīng)濟壓力均較小，對土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分也有一定的改良作用。因此，對這些小尺度區(qū)域可以優(yōu)先考慮植物固坡。為了獲得更好的固坡效果，需要考慮土體物理化學(xué)性質(zhì)和坡地對植物的生長影響，可以先對坡地施工，減緩坡度，再考慮坡向和土壤含水量等因素選擇合適的植物。

通過分析根系對坡面穩(wěn)定性影響的幾種因素和陜北特有植物生長特性，可以采取工程技術(shù)手段用以輔助植被固坡。針對土體本身的物理化學(xué)性質(zhì)，通過添加改良劑等方法，改變土壤原有的物理化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，使其減少侵蝕或適宜固坡植物生長。植被固坡可以結(jié)合地形條件選擇合適的工程措施，例如通過工程技術(shù)緩減坡面角度，將陡坡改造為較為平緩的坡地，加強坡體穩(wěn)定性；結(jié)合坡向、坡位和植物生長，選擇合適的植物，陽坡種檸條、陰坡種沙棘等，還可以選擇間種，下坡和上坡種植踏郎，中坡選擇其他植被等。在植物種植后，需要對植物進行一定的管理維護措施，確保植物存活和正常生長。土壤表層水分和種植密度對植物生長影響較大且易于控制。因此，在植物的不同生長階段，需要根據(jù)土壤水分和植物承載力實施必要的管理措施（如平茬、間伐等）。植物年齡也是影響植被固坡效果的重要因素，在條件允許的情況下，可以對固坡植物進行監(jiān)測維護，不但能保證坡面植被的穩(wěn)定生長，還能對比不同年齡段植物的固坡能力，從而確保植物固坡效果。