石漠化治理的地境再造模式研究

黃景春, 王 玲, 寧立波

(1.河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,河南 鄭州 450006;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430074)

石漠化是“石質(zhì)荒漠化”的簡稱，指喀斯特地區(qū)的植被、土壤裸露轉(zhuǎn)變?yōu)閹r石喀斯特景觀的過程[1].我國石漠化的分布面積占國土面積的1/3，不僅造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失，而且致使我國西南等地的大部分山區(qū)民眾的生活仍處于貧困線以下.國家對石漠化治理非常重視，諸多學(xué)者結(jié)合科研實(shí)踐和治理實(shí)踐總結(jié)出了目前應(yīng)用廣泛的幾種治理模式，即封山育林、人工模擬構(gòu)建近自然生態(tài)林、林草植被恢復(fù)模式、綜合治理模式、生態(tài)農(nóng)業(yè)模式、生態(tài)經(jīng)濟(jì)型治理模式，混合農(nóng)、林、牧經(jīng)營模式，小流域綜合治理模式、生態(tài)工程技術(shù)治理模式等[2-4].

任何生態(tài)問題本質(zhì)上都可以歸結(jié)為地質(zhì)問題[5]，石漠化治理不僅僅是植被恢復(fù)，任何治理模式都需從地質(zhì)的角度出發(fā)，研究植被生存的地質(zhì)條件，進(jìn)而進(jìn)行植被恢復(fù)才是治理的根本.因此作者以生態(tài)地質(zhì)學(xué)理論為指導(dǎo)，從植物地境再造入手，探索石漠化治理的新模式.

1 地境再造模式

植物生境包括地上部分和地下部分，生態(tài)地質(zhì)學(xué)理論將植物的地下生境( plant below-ground habitat) 簡稱為“地境”[6].它是植物生存的地下空間，由土壤、部分母質(zhì)及包含在其中的水分、鹽分、空氣、有機(jī)質(zhì)等構(gòu)成.從植物生態(tài)學(xué)的角度看，植物地境具有明顯的層片規(guī)律，不同植物類型占據(jù)不同深度的地境范圍，是不同植物對不同地境條件適應(yīng)后的自然反應(yīng).而植物長勢不好的原因在于植物對地境條件的不適應(yīng).地境的生態(tài)學(xué)意義不僅在于它是植物生存繁衍不可或缺的資源提供者和活動空間，更重要的是,植物的許多形態(tài)學(xué)特征和生理行為產(chǎn)生的原因，都有可能通過地境的結(jié)構(gòu)分析獲得重要的信息和部分解答[6].

植物地境范圍與植物類型、氣候條件、地形地貌、水土條件、根系空間密切相關(guān).根據(jù)研究報(bào)道，植被地境深度在中高緯度區(qū)一般在0～100 cm[6]，在這個(gè)范圍內(nèi)喬木、灌木和草本植物的根群以與地表植物對應(yīng)的根系層片有規(guī)律分布在地境的不同深度，即不同深度空間存在著資源異質(zhì)性，為不同深度植物根群提供相應(yīng)的資源供應(yīng)，互不干涉，有規(guī)律地存在著[7,8].這個(gè)部位如果從水文地質(zhì)學(xué)的角度看屬于包氣帶的非飽和帶范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)水分以懸掛毛細(xì)水、結(jié)合水、汽態(tài)水等形式存在，這些水分的運(yùn)移并不完全符合達(dá)西定律，而是更多以溫度、水汽分壓驅(qū)動為主，符合熱力學(xué)規(guī)律.對于植物發(fā)育而言，水熱條件是必要的，因此在植物地境范圍內(nèi)主要考慮土水勢的作用和運(yùn)移規(guī)律.

基于以上理論，提出植物的地境再造模式，所謂地境再造即是以人工的方式依據(jù)治理區(qū)的地形地貌、植物地境特點(diǎn)及擬選擇物種塑造適于植物生長的地境條件，既要求有相應(yīng)的空間和深度，也要有滿足植物要求的水土條件和肥分.

1.1 研究區(qū)植物地境條件調(diào)查

植物的地境特征受限于區(qū)域的氣候條件、地形地貌、地層巖性、土壤組分、有機(jī)質(zhì)及肥分含量、水鹽含量等諸多因素，而且植物的生存和生長是受諸多條件協(xié)同作用影響的，不僅僅是某一個(gè)因子的變化而導(dǎo)致的，從這個(gè)意義上說植物生態(tài)學(xué)中的關(guān)鍵因子理論有值得商榷之處.因此，對一個(gè)地區(qū)進(jìn)行植物地境再造的前提是對該地區(qū)植物地境的特征調(diào)查，首先是對氣候條件的研究，在現(xiàn)實(shí)中不可能塑造一個(gè)熱帶植物的地境來種植干旱區(qū)植物，所以氣候條件的掌握是極其重要的；其次是對本地優(yōu)勢種植物群落的調(diào)查，此項(xiàng)工作可以通過植物樣方完成；第三是植物根群層片規(guī)律調(diào)查，通過樣坑開挖來進(jìn)行，根據(jù)文獻(xiàn)[6]的研究植物地境深度在地表以下100 cm范圍內(nèi)，因此樣坑開挖深度略深于此即可，在調(diào)查剖面上進(jìn)行植物根統(tǒng)計(jì)，分粗根、中根、細(xì)根進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用根系頻率反映根群層片規(guī)律；第四是地境溫度、水、土、肥等的數(shù)據(jù)分析，土壤溫度和水分運(yùn)用儀器現(xiàn)場測定，土壤的肥分等指標(biāo)通過剖面分層取樣，實(shí)驗(yàn)室測試完成，測試指標(biāo)主要包括有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等.這些調(diào)查工作完成后，進(jìn)行植物地境結(jié)構(gòu)分析，總結(jié)地境特征.

1.2 植物地境再造

植物地境再造與物種選擇密切相關(guān)，喬木、灌木與草本的地境要求各不相同，在石漠化地區(qū)植物地境再造以喬木和灌木為主.

1.2.1 地境空間再造

地境再造空間是指植物地境中為根系提供的發(fā)展空間，同時(shí)也包括土壤及其水肥存在的空間.此空間的適宜性與選擇的物種、巖性相關(guān)，如果空間過小不能為植物提供發(fā)育所需條件，如果過大則施工困難，且成本高昂.在石漠化地區(qū)，地境空間再造實(shí)際就是種植孔的開挖，涉及到三方面問題.

(1)種植孔的角度.此主要與地形特點(diǎn)、巖體裂隙發(fā)育、坡度大小等有關(guān)，需要把握住以下原則，一是有利于植物最大限度地截留降雨和流水?dāng)y帶物，二是能夠揭穿更大量的巖體裂隙，三是方便施工；

(2)種植孔的深度.雖然說植物的地境深度一般在100 cm左右，但是考慮到施工的成本和難度，不可能將種植孔深度打到100 cm，綜合考慮植物習(xí)性、根系發(fā)育特性、巖體裂隙發(fā)育、施工條件等因素，可將種植孔深度確定為50 cm左右；

(3)種植孔的孔徑.孔徑大小并沒有經(jīng)驗(yàn)可循，但需要考慮植物根系的發(fā)育空間及孔內(nèi)填充土壤量的問題，如果孔徑過小顯然無法為植物根系發(fā)育提供足夠的空間，且填充的土壤過少也無法給植物提供在其具有自組織能力的養(yǎng)分支撐；但如果孔徑過大，既增加施工難度和成本，也易造成巖體破碎.綜合考慮以上因素，孔徑確定為20 cm為宜.

圖1，2分別為正在施工的種植孔和施工完成的種植孔.

圖1 種植孔施工Fig.1 Planting hole construction

圖2 施工完畢的種植孔Fig.2 Constructed planting hole

1.2.2 植物土壤再造

土壤既是植物生存的資源，也是立地的固持基質(zhì).因此，土壤是植物地境再造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[9].土壤再造包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)，一是土壤基質(zhì)，所選土壤最好是熟土，即已經(jīng)有過種植歷史，或者說是耕植土；如果條件不允許使用耕植土，那么擬用土壤最好經(jīng)過短期的浸水處理，并拌入適量砂土，以增加土壤的透氣性；二是土壤肥分，即便是耕植土，其所含肥分也是有限和不全面的，所以需要根據(jù)所選擇物種的習(xí)性，適當(dāng)?shù)靥砑颖匾姆史?，如氮、磷、鉀等，如果條件允許添加農(nóng)家肥是最好的；應(yīng)該注意的是，添加的肥分并非越多越好，因?yàn)榉N植的均是幼苗，對肥分的需求量有限；三是土壤水分，毫無疑問土壤中的水分含量是決定植物成活或自然生長的關(guān)鍵因子.地境中的水分一方面需要在進(jìn)行地境再造時(shí)予以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)給，另一方面來自于巖體內(nèi)部.所以，在將土壤填入種植孔時(shí)需要增加土壤的含水量，但增加的量需要依據(jù)前面所調(diào)查的當(dāng)?shù)刂脖坏鼐辰Y(jié)構(gòu)中含水量而定，過小或過大都是不可取的.

1.2.3 種植過程

種植空間的逼仄性決定了地境再造中的植物種植不可能像田間或園林植物種植那樣從容，而是有自身特別的種植方式，主要有以下幾個(gè)步驟：

(1)驗(yàn)證種植孔的透水性，透水能力過差的孔不適合種植；

(2)在孔中填入孔深85%深度的土壤，并壓實(shí)；

(3)將苗木種進(jìn)孔中，先壓實(shí)，然后稍稍提起植物，使其根系不致受困；

(4)在孔中注入適量的水.

另外，在植物全部種植后一般會有個(gè)后期養(yǎng)護(hù)過程，但就地境再造模式而言需要根據(jù)局地氣候而定，如果在干旱半干旱地區(qū)，應(yīng)根據(jù)植物情況和降雨情況，予以適當(dāng)養(yǎng)護(hù)，即在種植一周后澆一次水，此后再根據(jù)情況決定是否澆水，但在確定植物成活后就不必再澆水養(yǎng)護(hù)；如果在降雨較豐富的地區(qū)，如長江以南地區(qū)，理論上是不需要養(yǎng)護(hù)的，除非出現(xiàn)極端的干旱天氣.

2 應(yīng)用實(shí)例

河南省宜陽縣城南山地由于劇烈的人類活動，植被嚴(yán)重退化，生態(tài)環(huán)境遭到破壞，石漠化現(xiàn)象突出.2014年河南省國土廳決定對此區(qū)進(jìn)行治理.此區(qū)氣候干燥少雨，山體巖性為奧陶系灰?guī)r，裂隙發(fā)育.當(dāng)年，設(shè)計(jì)和施工單位運(yùn)用植物地境再造方式對該石漠化區(qū)域進(jìn)行治理，所選物種主要為黃櫨、連翹、丁香等，種植后施工單位養(yǎng)護(hù)一個(gè)月，澆水二次.目前，經(jīng)過近三年的檢驗(yàn)，植物成活率達(dá)85%左右，長勢良好(見圖3，4).

圖3 單株黃櫨 圖4 成片的黃櫨 Fig.3 A cotinus coggygria Fig.4 Pieces of cotinus coggygria

3 討 論

由植物成活率和覆綠效果可以看出，地境再造技術(shù)在石漠化治理中具有突出的特點(diǎn)，在結(jié)合治理區(qū)域地形地貌、地質(zhì)條件、氣象條件的前提下，強(qiáng)調(diào)“尊重自然，效法自然，回歸自然”的生態(tài)理念，最終使植物具有自組織能力，在降低施工和養(yǎng)護(hù)成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了植被的自我生存、自我發(fā)展能力.

從理論角度看，植被地境再造是生態(tài)地質(zhì)學(xué)理論與治理實(shí)踐的成功結(jié)合，地境的耗散結(jié)構(gòu)特性使植被系統(tǒng)與其環(huán)境之間有著持續(xù)的物質(zhì)、能量的交換，使得系統(tǒng)具有自我發(fā)展、自我調(diào)節(jié)的能力，實(shí)現(xiàn)植物群落的自然演替和良性循環(huán).

從恢復(fù)生態(tài)學(xué)的角度看，荒漠化治理就是重構(gòu)已損害或退化的生態(tài)系統(tǒng)，恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)和功能過程，植被恢復(fù)的生態(tài)效應(yīng)不但影響林地本身，也影響周圍的環(huán)境，進(jìn)而對區(qū)域的生態(tài)平衡有所貢獻(xiàn)[10].

從施工成本角度而言，一般的治理模式大多成本較高，很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的治理，而此模式所需成本不到200元/m2，能夠滿足各種治理規(guī)模的需求.

4 結(jié) 論

(1)石漠化問題的根本是地質(zhì)問題，所以解決問題的根源需從地質(zhì)條件入手，無論是何種治理模式，脫離了治理區(qū)的基本地質(zhì)條件，為治理而治理的結(jié)果必然是徒勞的；

(2)植物地境再造模式以生態(tài)地質(zhì)學(xué)理論為指導(dǎo)，在查明治理區(qū)基本地質(zhì)條件與植物地境特征的基礎(chǔ)上，以人工再造的方式為植物提供適宜其生長的地境條件，再輔以適當(dāng)?shù)暮笃陴B(yǎng)護(hù)，不僅使植物的成活率大幅度提高，而且使得植物很快具有自組織能力，回歸自然，自我成長；

(3)地境再造的關(guān)鍵在于：一是種植孔的構(gòu)筑，孔徑應(yīng)在20 cm、孔深應(yīng)在50 cm；二是地境再造所需的水分、肥分；三是物種選擇，根據(jù)需要選擇本地種和景觀植物或經(jīng)濟(jì)植物.

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