冀北山區(qū)強風化巖坡面水土流失治理技術(shù)

陳志學，張 懷，謝永生，郝曉東，周 偉

(1.承德市水土保持科學研究所，河北 承德 067000；2.中國科學院/水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

1 強風化巖坡面的特點和治理現(xiàn)狀

1.1 強風化巖坡面的分布與危害

冀北山區(qū)地處潮河、灤河上游，是京津地區(qū)的天然生態(tài)屏障，也是密云水庫、潘家口水庫的重要水源地，植被的恢復(fù)與重建十分重要。本區(qū)屬半干旱山區(qū)，多年平均氣溫1.0～9.0 ℃，多年平均降水量350～650 mm。冀北山區(qū)的荒坡，土壤侵蝕強度多數(shù)為輕度，少數(shù)為中度，強烈以上侵蝕很少且多為強風化巖坡面，在本區(qū)的中北部分布較多。

強風化巖坡面雖然所占面積比例很小，但侵蝕強度大，水土流失嚴重。此類坡面冬春季凍融風化，夏季雨水沖刷，每年形成的風化層遇暴雨隨徑流向坡腳聚集，一部分進入溝道、河道，成為該類地區(qū)小流域輸沙的主要源地之一。以平泉縣東北溝為例，試點小流域總面積19.34 km2，現(xiàn)狀水土流失面積869.71 hm2，占總面積的45.0%，現(xiàn)場勘查表明小流域共有風化巖面積314.78 hm2，占小流域總面積的16.3%，年侵蝕量約1.2萬t，占小流域年總侵蝕量的63.2%，其中強風化巖面積37.40 hm2，僅占小流域總面積的1.9%，但年侵蝕量約5 600 t，占小流域年總侵蝕量的29.5%。因此，對本區(qū)強風化巖坡面的治理是減輕水土流失危害、減少小流域輸沙的關(guān)鍵之一。

1.2 立地條件分析

強風化巖坡面是冀北山區(qū)干旱陽坡的重要組成部分，也是最不易治理、侵蝕最為嚴重的部分。其主要特點是立地條件惡劣，坡度陡，硬度大，風化層干旱貧瘠，夏季地表最高溫度可達65 ℃。本課題通過對立地條件因子分析篩選，認為影響強風化巖坡面造林成活和生長的主導因子是土壤水分。為了找出此類坡面的特殊性，課題組分別選擇秋季造林時間、汛期下過透雨后1天、嚴重干旱時(初秋，連續(xù)21天無雨)3種情況，測定土壤含水量。

通過數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論：強風化巖坡面的土壤含水量一直處于較低水平，并且隨季節(jié)變化小，造林季節(jié)在2%～4%，0—30 cm分層含水量變化不顯著；雨季含水量也不高，即使前一天剛下過透雨，含水量也只有5%～6%，分層也不顯著；在遇到嚴重干旱的情況下，各層含水量下降都極為顯著，0—20 cm降至2%以下，這樣低的含水量會造成淺根性植物不能正常生長，新栽植的苗木很難成活。因此，加大栽植深度達到20～30 cm，是提高造林成活率的關(guān)鍵之一，但由于強風化巖坡面過于堅硬，這個栽植深度并不容易實現(xiàn)。

1.3 治理現(xiàn)狀調(diào)查

強風化巖坡面與一般風化巖坡面不同。在試點及周邊區(qū)域，一般風化巖坡面的植被覆蓋度在50%以上，屬于輕度、中度侵蝕坡面，自然生長著少量的山杏、油松，在以往的小流域治理中栽植了部分刺槐，現(xiàn)狀調(diào)查長勢良好，是當?shù)厮帘３植块T成功的治理典型。而強風化巖坡面的植被覆蓋度在50%以下，侵蝕強度在強烈以上，坡面的地表風化物類似沙丘，里層物質(zhì)卻是堅硬的巖石，這樣的土層結(jié)構(gòu)既有沙丘干旱、松散、造林不易成活的特點，又不易整地，比治理沙丘還難。長期以來，除了對風化層較厚的坡腳進行部分造林外，多數(shù)處于自然狀態(tài)，沒有治理。

2 強風化巖坡面的分類和治理方案

2.1 強風化巖坡面的分類

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，因長期的風化與侵蝕，強風化巖坡面演變得非常復(fù)雜，坡度、坡位、坡形、土壤侵蝕這些常規(guī)的分類因子，不管哪一個單獨使用都無法描述這個坡與那個坡的區(qū)別。通過分析篩選，本課題組認為植被覆蓋度這一因子既能體現(xiàn)立地條件又簡單實用。按照現(xiàn)狀的地表植被覆蓋度，可將強風化巖坡面劃分為3種類型，各類型及特點如下：

(1)裸坡：植被覆蓋度小于10%，分布于坡度陡的侵蝕坡面，多在中上部坡位，少數(shù)在下部坡位。

(2)低覆蓋坡：植被覆蓋度10%～30%，分布于坡度陡的侵蝕坡面、淤積坡面，多在中上部坡位，少數(shù)在下部坡位。

(3)高覆蓋坡：植被覆蓋度30%～50%，分布于坡度緩的淤積坡面，基本都是在下部坡位。

2.2 不同類型坡面的治理方案

以“水土保持原理”“聚流生產(chǎn)理論”為指導，在不同類型的強風化巖坡面布置不同的高標準整地措施，改善小地形條件，提高造林成活率。

(1)裸坡：采用水平溝編籬技術(shù)，寬行密株栽植灌木樹種，實現(xiàn)坡面綠化。

(2)低覆蓋坡：采用隔坡生物籬技術(shù)，寬行密株栽植灌木樹種、稀植喬木樹種，在實現(xiàn)坡面綠化的同時，提高土地生產(chǎn)力。

(3)高覆蓋坡：以恢復(fù)自然植被為主，采用小魚鱗坑整地，稀植喬灌樹種，提高土地生產(chǎn)力。

3 試驗過程和結(jié)果

3.1 適生樹種篩選

3.1.1 試驗樹種

長期以來，本區(qū)風化巖坡面的造林樹種主要是刺槐，成活率和生長情況都較好。但刺槐為小喬木，枝葉覆蓋效果較差，減輕侵蝕能力較弱。為了找到更為合適的樹種，本課題組根據(jù)強風化巖坡面的立地條件，初步篩選出沙棘、檸條、刺槐、油松4個備選樹種進行優(yōu)選試驗。

3.1.2 試驗布置

沙棘、檸條為1年生播種苗，大小都用，沒有進行分級處理，以體現(xiàn)實際施工情況。刺槐為1年生截干苗，油松為2年生容器苗。沙棘、檸條、刺槐為水平溝整地，油松為魚鱗坑整地，共計布置試驗樣地14個。

3.1.3 數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

通過栽植后兩年(2011、2012年)的調(diào)查數(shù)據(jù)分析，可得出如下結(jié)論：

(1)從苗木情況看，沙棘與檸條高度相近(25～35 cm)，但沙棘的地徑(3.4～5.6 mm)遠大于檸條(2.3～3.1 mm)；從生長情況看，在各類坡面沙棘、檸條的成活率、保存率都較高(60%～95%)，株高和新枝長也相近，但沙棘的冠幅和地徑(35～80 cm，5.6～9.2 mm)遠大于檸條(10～50 cm，3.2～5.5 mm)，且分枝多。就目前而言，沙棘明顯優(yōu)于檸條，是強風化巖坡面的一個優(yōu)選灌木樹種。至于長期生長情況，還有待于繼續(xù)觀察。

(2)在各類坡面，刺槐、油松的成活率、保存率都較高(刺槐70%以上，油松85%以上)，生長也很旺盛，但刺槐分枝少，不適合強風化巖坡面對樹種生長的要求，可用于一般風化巖坡面造林。油松成活率高，與選用的苗木為容器大苗有很大關(guān)系，又具有四季常綠、枝葉茂密的特點，可以確定為強風化巖坡面的一個優(yōu)選喬木樹種。

(3)各試驗樹種只要第一年成活，第二年幾乎沒有死亡現(xiàn)象，而第二年秋季的氣象條件又恰是非常干旱(初秋，連續(xù)21天無雨)，表明4個試驗樹種都具有極強的抗干旱能力。

3.2 水平溝編籬技術(shù)

3.2.1 試驗布置

在植被覆蓋度小于10%的裸坡進行試驗，面積1.32 hm2。一半試驗水平溝整地(無編籬)技術(shù)，一半試驗水平溝整地、外沿編籬技術(shù)。

(1)水平溝整地。開挖長度：因地形而異，一般8～20 m。開挖寬度：坡溝或坡下的松軟坡面挖寬0.7 m、埂寬0.2 m；一般坡面挖寬0.5 m、埂寬0.15 m；堅硬坡面挖寬0.3 m、埂寬0.1 m。開挖深度：30 cm。堅硬坡面無法挖深的，可將上方坡面表層風化物鏟下，堆積至30 cm。外沿土埂須培高10 cm左右。上下兩溝間距：以小地形為準，避開裸巖或不利地形，避開灌叢、密草。一般間距為2～5 m(水平距)，其中緩坡2～3 m，陡坡3～4 m，特殊情況4～5 m。開挖次序：施工時從最上部開挖，依次向下。每條水平溝向內(nèi)、向深挖，用挖出的沙土培埂，多余的沙土順坡溜下；挖出的深溝用上部坡面摟下的表層沙土填平，整理成臺面。

(2)編籬外沿施工。打樁：在水平溝外沿打木樁，木樁長60 cm，大頭直徑3～4 cm，兩樁間距50～60 cm。木樁打入地下深25～30 cm，地面之上高30～35 cm。編籬：選用當?shù)仃幤律L的天然柞樹枝條，長2～3 m，編織于木樁之上，粗細搭配，壓緊防止漏沙。編籬完成后，再次將上部坡面的表層沙土摟下填平，外沿稍高形成小反坡。

(3)水平溝內(nèi)造林。在水平溝內(nèi)栽植沙棘2行，密植，株距0.3 m，每穴栽植1株。

3.2.2 觀測項目

(1)造林成活率、保存率及生長情況。兩年的調(diào)查結(jié)果表明，水平溝編籬與無編籬，沙棘的成活率、保存率均為60%～70%，在株高、冠幅、新枝長、地徑等生長方面沒有顯著區(qū)別。

(2)措施攔沙效果。經(jīng)估算，水平溝整地(無編籬)的單位面積攔沙總量約為12 000 t/km2，水平溝編籬的單位面積攔沙總量約為36 000 t/km2，是無編籬的3倍。

3.2.3 試驗結(jié)論

裸坡是強風化巖中最難治理的坡面類型，本次試驗的水平溝編籬技術(shù)，造林成活率高、攔沙效果好，是治理裸坡的一項實用技術(shù)。缺點是外沿編籬耗材多、用工多，造成投資顯著增加。調(diào)查結(jié)果表明，除了陡峭的裸坡外，大部分裸坡可以直接采用水平溝整地(無編籬)技術(shù)，省去編籬這一步，以節(jié)省投資。

3.3 隔坡生物籬技術(shù)

3.3.1 試驗布置

試點對比溝小區(qū)屬低覆蓋坡，由1個治理小區(qū)和1個對照小區(qū)組成。在治理小區(qū)采用隔坡生物籬、魚鱗坑整地技術(shù)進行試驗，面積684 m2。

(1)隔坡生物籬。整個坡面呈隔坡帶狀，上下兩帶隔坡間距(水平距)為10 m，小區(qū)內(nèi)共布置3個隔坡帶，每帶由3條水平溝內(nèi)造林形成的生物籬構(gòu)成，帶寬為2 m。配置時先在坡腳布設(shè)一帶，然后自下而上依次布設(shè)。在水平溝內(nèi)栽植檸條1行，密植，株距0.3 m，每穴栽植1株。

(2)竹枇護埂魚鱗坑。魚鱗坑整地：為了減少破土面積，找到適合竹枇護埂的整地規(guī)格，本課題試驗了不同尺寸的魚鱗坑整地，從中優(yōu)選出了小魚鱗坑整地形式，規(guī)格為長60～70 cm、寬50～60 cm、深30 cm。開挖魚鱗坑位置以現(xiàn)場小地形、土層厚度為準，稀植，避開裸巖或不利地形，株行距大致為2 m×3 m。竹枇護埂施工：竹枇尺寸為30 cm長、3～4 cm寬，每坑所用竹枇數(shù)量為25～35個。將竹枇一頭削尖，打入地下10～15 cm，在魚鱗坑外沿圍成半圈。

(3)魚鱗坑內(nèi)外造林。在帶間的隔坡面上營造檸條、油松混交林，魚鱗坑內(nèi)栽植油松1株；魚鱗坑外混栽檸條，無整地，開挖小穴，隨栽隨挖，每穴栽植3株。

3.3.2 觀測項目

(1)造林成活率、保存率及生長情況。兩年的調(diào)查結(jié)果表明：檸條的成活率為90%，保存率為90%；油松的成活率為93%，保存率為93%。各樹種生長良好。

(2)措施攔沙效果。經(jīng)估算，隔坡生物籬的單位面積攔沙總量約為12 000 t/km2，竹枇護埂魚鱗坑的單位面積攔沙總量約為4 000 t/km2，二者合計單位面積攔沙總量為16 000 t/km2。

3.3.3 試驗結(jié)論

調(diào)查結(jié)果表明，隔坡生物籬技術(shù)是低覆蓋坡治理的一項實用技術(shù)，在隔坡開挖的水平溝中栽植檸條構(gòu)成生物籬，可以起到截短坡長的作用，減輕了徑流侵蝕，攔截了部分泥沙；在隔坡面布置魚鱗坑整地，栽植油松、檸條，可以提高土地生產(chǎn)力，快速提高地表植被覆蓋度。

竹枇護埂一方面為魚鱗坑整地提供了工程防護，一方面攔截了部分泥沙，為苗木的成活和生長提供了土壤基礎(chǔ)，因此在一些重要地段的陡坡，竹枇護埂是一項不錯的防護技術(shù)。其缺點是投資大、施工慢，如果不是必須的情況，還是建議采用普通魚鱗坑整地。

3.4 小魚鱗坑整地技術(shù)

3.4.1 試驗布置

在植被覆蓋度30%～50%的高覆蓋坡，進行小魚鱗坑整地、稀植喬灌樹種試驗。小魚鱗坑整地規(guī)格為0.8 m×0.6 m×0.4 m(埂高10 cm，活土層深30 cm)；沙棘每穴栽植3株，油松每穴栽植1株。各栽植點以小地形為準，避開裸巖或不利地形，避開灌叢、密草，只找坡面裸露處栽植，不規(guī)定株行距，總體為稀植(大致為3 m×3 m 或3 m×4 m)。

3.4.2 觀測項目

(1)造林成活率、保存率及生長情況。兩年的調(diào)查結(jié)果表明：沙棘的成活率為95%，保存率為95%；油松的成活率為97%，保存率為97%。各樹種生長良好。

(2)措施攔沙效果。高覆蓋坡以淤積為主，大量中上部坡面的風化物在此處淤積，造林整地只是為了有利于苗木成活，沒有攔沙的要求和意義，故此不再估算攔沙效果。

3.4.3 試驗結(jié)論

調(diào)查結(jié)果表明，在高覆蓋坡以恢復(fù)自然植被為主，進行小魚鱗坑整地，稀植沙棘、油松，造林成活率高，植被生長良好，對原地貌自然生態(tài)的破壞也降到了最低程度。

4 總體結(jié)論

(1)冀北山區(qū)是京津地區(qū)的重要水源地，植被的恢復(fù)與重建十分重要。強風化巖坡面在本區(qū)的中北部分布較多，雖然所占面積比例很小，但侵蝕強度大，是本區(qū)最不易治理、侵蝕最為嚴重的部分。

(2)強風化巖坡面立地條件惡劣，持水能力非常低，是此類坡面難以自然恢復(fù)、造林成活率低的主要原因。解決的辦法是增加整地深度(30～40 cm)，以保證足夠的栽植深度(20～30 cm)。

(3)樹種選擇不當，是影響強風化巖坡面造林成活率的另一個主要原因。試驗結(jié)果表明，沙棘1年生播種苗苗木健壯，油松容器大苗抗逆性強，是治理此類坡面的優(yōu)選樹種。

(4)強風化巖坡面演變得非常復(fù)雜，需要進行實用性強的分類。通過調(diào)研，本課題組以植被覆蓋度為分類因子，將強風化巖坡面劃分為裸坡、低覆蓋坡、高覆蓋坡3種類型。

(5)對上述3種類型的坡面分別采用水平溝編籬技術(shù)、隔坡生物籬技術(shù)、小魚鱗坑整地技術(shù)進行綜合治理，經(jīng)過3年的試驗示范，治理成效顯著。

5 存在的問題及進一步研究設(shè)想

栽植深度達不到技術(shù)要求是強風化巖坡面造林的最大問題。水平溝整地、外沿編籬其實都是為了在栽植深度方面起作用。但盡管如此費力施工，實際栽植深度還是達不到20 cm的技術(shù)要求，栽植時人為造成苗木根系彎曲的現(xiàn)象十分嚴重。分析原因主要有兩個：一是整地土方量太大，坡度陡導致水平溝寬度、深度增加，開挖的土方量成倍增加；二是施工困難，高強度開挖對原地貌擾動劇烈，一鎬下去，往往造成開挖點上部風化巖呈塊狀脫落,下部風化巖也松動下滑。因此，如何使整地深度達標，又對原地貌影響小，是下一步要解決的技術(shù)問題。