巖溶石漠化農(nóng)業(yè)園區(qū)鑿巖爆破造裂蓄水種植建議

張 翼，李永剛，王文杰，李仁啟

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一0一地質(zhì)大隊，貴州 凱里 556000)

海綿城市

中圖分類號：X 171.4文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-2239(2022)06-0151-05

土壤是植物生長的基礎(chǔ)物質(zhì)，不僅為植物生長提供機械的支撐物質(zhì)，而且為植物生長提供養(yǎng)分、水分、熱量、空間等，這些性質(zhì)都將影響到植物的生長。在巖溶生態(tài)系統(tǒng)中，由于碳酸鹽巖母質(zhì)的影響使土壤成土速度慢且厚度薄，微偏堿性，鈣、鎂豐富，其他營養(yǎng)元素的有效性受抑制[1]。同時，由于巖溶作用，土壤多散布于石溝、石縫、石窩等巖溶負(fù)地形中，土壤持、滯水能力小，并且土壤與母巖之間界面明顯，缺乏過渡層，結(jié)合力差，非常容易水土流失。巖溶生態(tài)系統(tǒng)中土壤形成速度極慢[2]，形成1 cm厚土層需1 000～3 000年[3]，如果考慮成土過程中因淋溶和地表徑流的常態(tài)侵蝕，形成1 cm厚土層需1.3萬～3.2萬年[4]。因此，巖溶生態(tài)系統(tǒng)中土壤一旦流失就很難恢復(fù)，缺水少土嚴(yán)重地影響了退化巖溶地區(qū)植被的生長發(fā)育，導(dǎo)致石漠化的形成，石漠化惡化了地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，加劇了地區(qū)的貧困率，成為制約鄉(xiāng)村振興的瓶頸。如何有效治理巖溶石漠化成為這些地區(qū)生態(tài)重建，助力地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和鄉(xiāng)村振興的當(dāng)務(wù)之急。目前，針對喀斯特地區(qū)石漠化治理主要采取退耕還林、封山育林、坡改梯、改良土壤和種植適生經(jīng)濟作物等措施[5-7]，但對于缺水少土的巖溶石漠化農(nóng)業(yè)園區(qū)，其效果并不理想。

本試驗依托印江縣耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價成果，選擇印江石漠化農(nóng)業(yè)公園為研究對象。在前人研究的基礎(chǔ)上，通過實地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)治理區(qū)新種植果樹生長旺盛，掛果率高，水果品質(zhì)較好，但果樹生物總量普遍較低，這主要受限于土壤總量和儲水能力，也是石漠化治理區(qū)植被恢復(fù)重建的主要障礙因子[8-10]。因此，提出采用鑿巖爆破造裂蓄水種植的建議，即鉆孔打眼裝藥爆破，利用爆破形成的囊狀裂隙空間構(gòu)建局部地下水倉和土壤儲存場所，為植物生長提供更多養(yǎng)分、水分、空間等制約植物生長因子，提高經(jīng)果林成活率和產(chǎn)量；制造的裂隙可以存儲相當(dāng)部分雨水，還能起到如“海綿城市”的效果。該方法簡單易行，在類似石漠化地區(qū)推廣使用，可望達到修復(fù)生態(tài)環(huán)境和助力地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的作用。

1 巖溶石漠化典型特征

石漠化是巖溶地區(qū)土地退化的極端形式，被稱為“地球之癌”，石漠化地區(qū)缺少植被，不能涵養(yǎng)水源，與水土嚴(yán)重流失形成惡性循環(huán)。印江縣巖溶石漠化農(nóng)業(yè)公園土壤類型相對單一，其主要土壤類型包括山地黃棕壤、黃壤、石灰土等，土層厚度一般20～40 cm，石礫含量5%[11]，基巖裸露率達到50%以上。土壤多散布于石溝、石縫、石窩等巖溶負(fù)地形中，土壤持、滯水能力小，并且土壤與母巖之間界面明顯，缺乏過渡層，結(jié)合力差，非常容易水土流失(圖1)，是典型的巖溶石漠化區(qū)。

注：a為朗溪鎮(zhèn)昔蒲村的石漠化治理區(qū)[12]；b～e為朗溪鎮(zhèn)塘岸村的石漠化治理區(qū)。圖1 印江石漠化農(nóng)業(yè)公園部分治理區(qū)

研究區(qū)土壤母質(zhì)主要為石灰?guī)r，養(yǎng)分全量高，有效態(tài)高。土壤偏酸性，有機質(zhì)含量偏低；土壤垂向剖面表現(xiàn)出Ca、Mg元素含量隨采樣深度增加而增加，耕地質(zhì)量總體較好，耕地土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級優(yōu)良以上占比96.16%；富硒耕地198.65 hm2，富鍺耕地320.30 hm2。評價結(jié)果顯示，農(nóng)作物樣品環(huán)境元素含量較低，一般低于標(biāo)準(zhǔn)1～2個數(shù)量級。

有研究表明，母質(zhì)為石灰?guī)r的土壤，全P較高，速效P中等，速效K豐富，有機質(zhì)含量與氮含量呈正相關(guān)關(guān)系[13]。但也有不同的觀點，蔣忠誠等[14]在廣西弄拉的研究結(jié)果表明，母質(zhì)為石灰?guī)r的土壤偏堿、富鈣鎂，盡管土壤陽離子交換量和有機質(zhì)含量較高，但土壤中Mn、Fe、Zn、P等元素有效性低[15]，即養(yǎng)分全量高而有效態(tài)低。本研究區(qū)土壤母質(zhì)主要為石灰?guī)r，出現(xiàn)與前者類似的結(jié)果，養(yǎng)分全量高，有效態(tài)高，有機質(zhì)含量偏低，土壤偏酸性。

總之，研究區(qū)土壤養(yǎng)分元素豐富，質(zhì)量好，但是土壤分布零散，面積小且土層薄，導(dǎo)致其保水性差，這成為制約當(dāng)?shù)厮N植的瓶頸。為巖溶石漠化特色農(nóng)業(yè)園區(qū)擴能增效和助力地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，提出“鑿巖爆破造裂蓄水種植”的應(yīng)用建議。

2 鑿巖爆破造裂蓄水種植建議

2.1 鑿巖爆破造裂蓄水種植法及應(yīng)用

2.1.1鑿巖爆破造裂蓄水種植法

所謂鑿巖爆破造裂蓄水種植[16]，就是在坡度適宜且無地質(zhì)災(zāi)害等不良環(huán)境地質(zhì)問題的地形地貌有利地帶，按照一定網(wǎng)度鉆取2～3 m深的炮眼，裝上適量硝酸銨炸藥及雷管，通過爆破將巖體適當(dāng)震松，利用爆破漏斗的一系列裂隙作為地下水儲集介質(zhì)而構(gòu)建局部地下水倉，并在地表鑿巖挖出0.5～1 m深坑口然后培土種植，如圖2示意。是基于多裂隙的白云巖地區(qū)植樹造林的成功事例[16]，結(jié)合巖溶石山區(qū)淺表地下水賦存特征，構(gòu)建一種主動蓄積地下水的植樹造林方法，目的是為解決“缺水少土”的石漠化地區(qū)進行植樹造林，以加快石漠化地區(qū)生態(tài)修復(fù)的進程。

2.1.2鑿巖爆破造裂蓄水種植的應(yīng)用

印江縣巖溶石漠化農(nóng)業(yè)公園基巖裸露率達到50%以上，土壤容量較少，滯水能力較差，生態(tài)環(huán)境脆弱；治理區(qū)新種植果樹生長旺盛，掛果率高，水果品質(zhì)較好，但果樹生物總量普遍較低。提出鑿巖爆破造裂蓄水種植經(jīng)果林的應(yīng)用建議，即在印江石漠化農(nóng)業(yè)公園核心區(qū)，選擇已有一定經(jīng)果林種植基礎(chǔ)，石漠化較重，交通相對較好的塘岸、河西、昔蒲、三村村作為試點。采用上述鑿巖爆破方法，但在爆破前灌入原地土壤調(diào)制好的泥漿，爆破后將形成楔狀泥脈，裂隙充填泥漿后形成含水體及相對隔水體而“蓄水”；利用鑿巖挖出的巖石砌墻，增加容納土壤空間，優(yōu)先使用原地土壤，但對巖石裸露區(qū)，即裸地區(qū)域(圖1)，沒有土壤或土壤極少，植物難以生長，將合水鎮(zhèn)至木黃鎮(zhèn)一帶，因工程施工產(chǎn)生的廢棄土壤，合理培育，作為客土種植果樹如圖2示意，可望達到修復(fù)生態(tài)環(huán)境和助力地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的作用。

圖2 鑿巖爆破造裂蓄水砌墻客土種植示意圖

2.2 鑿巖爆破造裂蓄水種植的可行性

2.2.1裂隙蓄水問題

天然狀態(tài)下，巖溶地區(qū)因為水對可溶性巖石的侵蝕以及兩者之間的能量物質(zhì)交換形成了該地區(qū)特有的地形地貌形態(tài)，這種地形地貌形態(tài)可以分為地下和地表兩個子系統(tǒng)。其中管道、溶洞、地下暗河等組成了地下子系統(tǒng)，而峰叢、溶溝、溶槽、溶隙、巖溶漏斗、天窗、落水洞等是地表子系統(tǒng)的組成部分[14,17-19]。巖溶水徑流在地表發(fā)生并分配，然后在地表和地下子系統(tǒng)中輸送和調(diào)蓄。

巖溶地下系統(tǒng)存在孔隙、裂隙和管道 3 種介質(zhì)空間，孔隙流、裂隙流和管道流并存。天然狀態(tài)下，巖溶地區(qū)水土流失的主要表現(xiàn)形式不是隨降雨攜帶泥沙順勢而下，而是泥沙隨降雨首先進入地下孔隙、裂隙和管道[21]。在雨季，大量增加的地下水無法迅速通過巖溶裂隙向地下暗河或河流排泄，大部分地下水儲存在表層巖溶裂隙帶[22-23]，因此表層巖溶裂隙帶具有一定的蓄水功能。眾多生產(chǎn)事例和科學(xué)研究成果都能說明這一觀點，如在研究區(qū)當(dāng)?shù)毓r(nóng)經(jīng)常利用天然形成的溶溝或溶槽儲集大氣降雨，及朱守謙在貴陽花溪石灰?guī)r山丘上的觀測發(fā)現(xiàn)雨后連續(xù)晴天4 d，靠近表層巖溶裂隙帶土壤含水量達到67.7%[24]。

人工爆破制造的裂隙與天然狀態(tài)下形成的裂隙是有區(qū)別的，人工制造的裂隙延伸有限，具有尖滅性[25]；長期巖溶作用和地質(zhì)構(gòu)造作用下形成的裂隙，多延伸較遠(yuǎn)，隨著時間的推移，多演變?yōu)榭紫痘蚬艿?，相互間交錯連接，地下水排泄能力較強[23]。

通過人工爆破造裂，局部巖體的節(jié)理裂隙密度增大，雨水挾帶泥沙滲入并充填于裂隙中，使爆破裂隙構(gòu)成相對封閉的容水空間，阻礙地下水向周圍徑流疏干而蓄積較長時間，同時泥土本身賦存水分。爆破制造的裂隙既是水分和養(yǎng)分的儲存空間和運轉(zhuǎn)通道，也是植物根系穿竄的通徑，根系可從地表以下較深的巖石裂隙中不斷得到量少但相對穩(wěn)定的水分與養(yǎng)分補充。

2.2.2經(jīng)濟和生態(tài)問題

1) 經(jīng)濟效益

本文提出的鑿巖爆破造裂蓄水種植，工作流程：爆破孔施工→裝藥爆破→鑿巖挖坑→砌墻客土→果樹種植。按照單項工程分部預(yù)算原則，預(yù)計施工完成每坑/株綜合成本約190元，按照4 m×4 m的網(wǎng)度，種樹42株/667 m2，石漠化山地植樹成本約7 980元/667 m2。

農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營模式，經(jīng)果林平均投入產(chǎn)出比大于8.0[26]，在研究區(qū)選擇了11個地塊進行訪問試調(diào)查，其產(chǎn)投比為5.1～10.9，平均值7.2。2018年10月，人民網(wǎng)對印江自治縣朗溪鎮(zhèn)昔蒲村的柑橘種植面積，產(chǎn)量和產(chǎn)值做過報道，全村柑橘種植達113 hm2，預(yù)計年產(chǎn)量達350萬kg，產(chǎn)值達800多萬元[27]，即產(chǎn)值4 706元/667 m2。

考慮樹齡、掛果率等影響因素，前三年產(chǎn)投比為0，第四年起產(chǎn)投比為7.2，則投資回報期為6年。印江石漠化農(nóng)業(yè)公園核心區(qū)尚有近“萬畝”連片荒山，還未治理和開發(fā)利用，連片治理還可提高產(chǎn)業(yè)規(guī)模，增厚產(chǎn)值，縮短投資回報期。

2) 生態(tài)效益

耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)土壤總量少，局部完全無土壤，生物總量極低，生態(tài)環(huán)境極脆弱。使用因工程施工產(chǎn)生的廢棄土壤作為客土，種植果樹，如圖2示意，可以有效提高擬治理區(qū)土壤總量，一定程度改善擬治理區(qū)土壤性質(zhì)，促進植物生長，增加植物生物總量的效果，加快生態(tài)環(huán)境修復(fù)。

通過人工爆破造裂，局部巖體的節(jié)理裂隙密度增大。在雨季，特別是暴雨期，制造的裂隙可以存儲相當(dāng)部分雨水，起到如“海綿城市”的效果，緩解峽谷內(nèi)雨水的排泄壓力。

雖然回報期較長，但該方法可以提高果樹總生物量，起到擴能增效的作用，而且在石頭上種植果樹，可望增加朗溪精品水果品牌價值，達到修復(fù)生態(tài)環(huán)境和助力地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的作用。

2.3 鑿巖爆破造裂蓄水種植的作用和意義

盡管印江縣于2019年已經(jīng)實現(xiàn)脫貧摘帽，但是其實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的任務(wù)依舊十分艱巨，其中最主要的原因在于石漠化嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)靥厣r(nóng)業(yè)的發(fā)展。因此治理石漠化可以為當(dāng)?shù)貙崿F(xiàn)鄉(xiāng)村振興提供巨大支撐。本文提出的鑿巖爆破方法是治理石漠化的有效手段。

鑿巖爆破造裂蓄水種植，增加的土壤空間和儲水量，可促進植物根系發(fā)育，提高成活率及抗旱能力，實現(xiàn)高產(chǎn)投比，獲得石漠化治理高附加值。在雨季，制造的裂隙可以存儲相當(dāng)部分雨水，起到如“海綿城市”的效果，緩解峽谷內(nèi)雨水的排泄壓力。達到經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的雙豐收，形成石漠化治理模式的良性循環(huán)。

土壤是石漠化地區(qū)生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵因子，一旦流失很難自然恢復(fù)。因研究區(qū)呈單斜下坡地貌，有盤山公路，把裸地區(qū)域作為附近工程建設(shè)“臨時排土場”，通過科學(xué)合理培土，可有效增加治理區(qū)生物總量，改善石漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境。

鑿巖爆破造裂蓄水種植方法簡單，隨著國家石漠化治理的深入，結(jié)合石漠化區(qū)“石中植綠、綠上結(jié)果、果下見景、景點留人”的發(fā)展方式，可望通過土地流轉(zhuǎn)等方式，大規(guī)模應(yīng)用，不僅改善生態(tài)環(huán)境，減少水土流失，而且降低區(qū)域洪澇災(zāi)害的發(fā)生幾率，具有重要的生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟多重價值。

3 結(jié) 語

鑿巖爆破造裂蓄水種植方法，原理簡單，操作方便，適宜面廣。在石漠化農(nóng)業(yè)園實施，不僅能保證較高林木成活率及抗旱能力，實現(xiàn)高產(chǎn)投比，獲得石漠化治理高附加值。

該方法雖然原理簡單，操作方便，但筆者僅通過野外調(diào)查，結(jié)合前人研究成果提出該方法，并與相關(guān)單位合作正在進行相關(guān)實踐。在實施過程中，需對比研究，爆破制造裂隙量、裂隙蓄水能力、炮孔深度、炸藥量與巖石性質(zhì)等因子之間的相互關(guān)系，及這些因子對治理區(qū)生物總量的影響程度；使用客土，還應(yīng)進行詳細(xì)的環(huán)境元素和養(yǎng)分元素評價，確?？屯劣行?，且不造成二次污染；使用該方法，還需要對擬治理區(qū)進行環(huán)境影響評價。