關于表土保護不可能三角的設想

張雪楊 仲康 黃斌 王旭東 方舒 馬力 程龍 王余杰

［關鍵詞］ 表土保護；不可能三角；有效范圍

［摘 要］ 近年來，在水土保持工程的實踐中，表土保護及其后續(xù)工作愈發(fā)得到關注。但是，如何同時實現(xiàn)表土保護的多重目的、確保表土保護設計的有效性，仍然缺乏明確規(guī)范或統(tǒng)一指導。為解釋表土保護工作的困難和復雜，以有效性為出發(fā)點，構建了表土保護不可能三角，在該三角上初步劃定了表土保護措施設計的理論有效范圍，并對可能出現(xiàn)的實際工況進行了舉例闡述。

［中圖分類號］ S157.6? [文獻標識碼] C? DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.01.003

1 表土保護工作體系

1.1 表土的自然防護

在施工擾動發(fā)生前，天然表土處于主要依靠自然防護、僅需少量人工管護的理想狀態(tài)。自然防護具體表現(xiàn)為：在未遭受顯著人工擾動的前提下，自然界里多數(shù)表土能夠與生態(tài)環(huán)境中的植被、地形等條件形成有機整體，能自發(fā)、有效地防治水土流失；初始表土農化性質相對較佳，大氣循環(huán)與水循環(huán)為土壤補充營養(yǎng)元素，水熱運動加速巖石分化過程、改善土壤質地，地殼運動和地表水文活動改變土層結構；表土內含有種類豐富且數(shù)量充足的植物種子，表土內部的環(huán)境可使種子自行萌發(fā)，團聚體水穩(wěn)性好；僅需進行簡單的（人工）立地條件改良和補充少量植物管護，植被即可恢復，土壤即可長期達到穩(wěn)定狀態(tài)，從而有效控制自身的水土流失。但是，在施工擾動發(fā)生后，由于大范圍的開挖，植物被刨出，因此表土內的種子遭到損害、難以萌發(fā)；原有的土體被打碎，土壤質地呈現(xiàn)粗?；翆咏Y構被打亂；心土裸露于土壤表面，表土失去植物提供的固氮、固碳、固土、運送水分及固定肥力等作用，速效養(yǎng)分和有機物均會發(fā)生顯著損失，土壤生物的生存環(huán)境顯著惡化，土壤生產力下降，土壤基本喪失原有的生態(tài)功能[1-2]。

總而言之，施工擾動會將以自然防護為主的表土理想狀態(tài)徹底破壞。因此，如果不采取有效的水土保持措施，那么表土將發(fā)生顯著的流失。

1.2 表土保護的目的及措施類型

表土保護工作需要同時達成3個目的：①防治表土在臨時堆存期內流失；②對農化性質不佳的表土進行改良，同時保護原有的優(yōu)質表土；③盡量維持表土內原有的、較適宜的生物生存環(huán)境，若表土內原有的生物生存環(huán)境本就不佳或因臨時堆存而遭受顯著損失，則還需另加改善。

參考農林行業(yè)相關規(guī)范可知，生產建設項目中的表土保護措施可被劃分為立地條件改良、表土堆防護和臨時綠化三大類。其中：①立地條件改良包括表土培肥（針對農化性質較好的原有表土）、土壤熟化（針對生土或農化性質不佳的原有表土）、土壤質地改良和土層結構改良等四類措施，其主要目的是向土壤直接補充養(yǎng)分和有機質，改善土壤農化性質，恢復正常的土壤供肥能力，以便在覆土后土壤能盡快發(fā)揮正常的生態(tài)功能。②表土堆防護包括臨時攔擋、臨時苫蓋、臨時截排水，乃至表土堆布置（涉及表土堆的坡度、堆高、堆置形狀及占地面積大小等），其主要目的是減少表土堆在臨時堆存期內發(fā)生的水土流失，但是沒有向土壤補充養(yǎng)分或有機質的作用[3]。③臨時綠化包括栽植固氮、固碳、固土等作物，其主要目的是盡量維持表土內原有的、適宜的生物生存環(huán)境，向土壤間接補充養(yǎng)分和有機質，或作為前兩類措施的補充。

1.3 表土保護措施設計的基本思路

目前，設計人員通常按設計Ⅴ級棄渣場防護措施的思路對表土堆存場布設防護措施。

1）與棄土棄渣不同，為使表土具備正常的生態(tài)功能、可用作綠化覆土，在表土臨時堆存期內，需完成立地條件改良工作。

2）進行臨時綠化時，需栽植抗逆性較強的植物（例如聚合草、韭菜、蒲公英、蘿卜等）、固氮植物（例如白車軸草、苜蓿、合歡、軟莢紅豆等豆科植物）和覆蓋植物（例如黑麥草、紫云英等生長迅速的植物）。

3）若項目區(qū)水土流失嚴重，則需栽植固土能力極強的植物（例如腋花莧）。

4）為了減少征地面積和防護措施工程量，表土堆存場的設計堆高通常≥5 m，但是這會使表土堆過高，進而壓實下層表土，阻礙表土內的排水與換氣，在下層表土內形成漬水、厭氧環(huán)境，養(yǎng)分和有機質在該環(huán)境下容易分解、損失，多數(shù)土壤生物難以生存。因此，為減小對土壤生物生存環(huán)境的破壞，維持正常的表土生態(tài)功能，表土平均堆存高度應≤2.5 m（局部可放寬至3.0 m）。

2 表土保護不可能三角

2.1 表土保護的理論基礎

對設計人員而言，在設計表土保護措施時，希望出現(xiàn)3種理想情況：

1）僅需低強度的立地條件改良（以下簡稱“理想情況1”）。初始表土農化性質極佳，表土剝離及回覆過程能嚴格參照土壤剖面分層情況設計，表土臨時堆存期內鮮有水土流失發(fā)生，因此僅需對表土開展低強度的立地條件改良。

2）僅需簡單且統(tǒng)一的表土堆防護（以下簡稱“理想情況2”）。施工期很短、表土臨時堆存期很短，或者施工時序設計合理、基本可以做到隨剝隨覆，因此僅需對表土堆布置簡單且統(tǒng)一的表土堆防護。

3）僅需功能簡單的植物管護（以下簡稱“理想情況3”）。表土內仍含有大量具備萌發(fā)能力的植物種子，表土內部的環(huán)境仍然可使種子自行萌發(fā)，因此僅需輔以少量功能簡單的人工（植物）管護。

本研究以表土保護為出發(fā)點，參考蒙代爾不可能三角理論，構建了表土保護不可能三角這一概念[4]。該三角理論的邏輯基礎是即便在表土農化性質極好、生態(tài)環(huán)境極佳的黑土分布區(qū)，區(qū)內土壤僅承受農業(yè)生產所帶來的擾動，便會出現(xiàn)顯著的水土流失問題，無法保證同時滿足理想情況1、2、3。在生產實踐中，挖掘作業(yè)帶來的擾動遠超農業(yè)生產所帶來的擾動，因此必然會使土壤劣化、打破土壤原有的自然防護，使土壤至多滿足原有的2種理想情況。

2.2 表土保護不可能三角的組成

圖1為表土保護不可能三角示意圖。以項目區(qū)初始表土農化性質極佳、生態(tài)環(huán)境極好為前提條件，該三角形的3個頂點分別代表3種理想情況，3個頂點對邊的中點則分別代表與理想情況絕對對立的3種最不理想情況，即必須采取高強度的立地條件改良、復雜且精確的表土堆防護或功能完備的臨時綠化。從3個頂點處分別朝對邊中點做連線（帶箭頭虛線），保護措施的難度及強度會沿線逐漸增加。三角形三邊中點的連線構成一個較小的三角形（陰影三角形），該三角形覆蓋的范圍即為表土保護設計的理論有效范圍[4]。

2.3 表土保護工作可能出現(xiàn)的實際工況

表1為可能出現(xiàn)的表土保護工作局面，由表1可知，在生產實踐中，可能出現(xiàn)的表土保護工作實際工況有：

1）若項目區(qū)初始表土農化性質、生態(tài)環(huán)境均為優(yōu)，則3種理想情況除不能同時出現(xiàn)外，可任意組合，這種情況主要存在于東三省黑土區(qū)、成都平原及赤水河中下游等生態(tài)環(huán)境良好、土壤肥沃的地區(qū)[5]。在該情況下，可直接采用表土不可能三角表示，3種臨界狀態(tài)均可出現(xiàn)。

2）若項目區(qū)初始表土農化性質一般、生態(tài)環(huán)境一般，則與初始表土農化性質為優(yōu)時相比，由于初始表土農化性質一般，且表土堆防護措施沒有補充養(yǎng)分或有機質的作用，不能僅靠該措施解決表土生產力相對不足的問題，因此理想情況1和理想情況3不能同時出現(xiàn)，即不存在臨界狀態(tài)2或近似臨界狀態(tài)2，表土保護措施的強度須更大，且表土保護設計的理論有效范圍（陰影三角形的面積）將向內有限縮小，但是近似臨界狀態(tài)仍然存在。這種情況在我國廣泛存在，是最常見的表土保護工作局面[6]，主要存在于以荊門市東寶區(qū)為代表的土壤較肥沃的平原或低矮丘陵區(qū)域（見圖2）。當?shù)仄皆^多，地形平緩，土壤發(fā)育普遍較好，鐵錳膠膜顯著，因此有機質含量較高；表土層厚30～35 cm，局部25～30 cm，且不同地塊成土效果的差異較小，因此不存在普遍的、顯著的立地條件障礙，僅需結合園藝措施，適當對表土補充有機肥和速效化肥。建議改良措施有：①土壤熟化。按比例對生土施加有機肥，再將生土和熟土按比例進行充分混合，以增殖熟土中原有的、功能完整的微生物群落，并適當混入綠肥。②土壤質地改良。在熟土內混入一定量的砂粒，進行充分混合，以提高土壤孔隙度。

在該情況下，陰影三角形向內僅有限收縮，近似臨界狀態(tài)仍然存在，仍可采用表土不可能三角表示，3種近似臨界狀態(tài)均可出現(xiàn)。

3）若項目區(qū)初始表土農化性質和生態(tài)環(huán)境均較惡劣，則與初始表土農化性質為優(yōu)時相比，無法同時出現(xiàn)2種及以上的理想情況，表土保護措施的強度須進一步增大，表土保護設計的理論有效范圍將進一步縮小，不再存在近似臨界狀態(tài)。

這種情況主要存在于土壤較貧瘠的高陡丘陵區(qū)域[7]。以宜昌市夷陵區(qū)為例（見圖3），該地區(qū)山地較多，地形地勢復雜，多坡地；臨近三峽庫區(qū)，水域較多，降雨豐富；表土層普遍較薄、厚15～25 cm，且不同地塊成土大；當陽市至夷陵區(qū)的土壤沙化現(xiàn)象逐漸變顯著，且以粗砂為主，部分地塊表層混雜一定量的塊石或礫石。因此，當?shù)氐牧⒌貤l件障礙是土壤沙化、粗骨化及土壤貧瘠。

在現(xiàn)場勘察中，筆者發(fā)現(xiàn)當?shù)厝似毡椴捎脴嬛疤锏霓k法（覆蓋耕作技術中的一種）進行改良，即就地利用卵石、礫石、粗砂、細砂的混合物，將其作為覆蓋材料，鋪在經過深耕、施肥、壓平作業(yè)后的農地上，以此達到保墑、保溫、保土、增產的作用。這種改良產物與“上黏下砂”的蒙金型土層結構相近，堪稱就地取材進行立地條件改良的典范。立地條件改良后，補充土壤熟化的措施，達到最終改良效果。在該情況下，陰影三角形將向內較大幅度地收縮，不再存在任何近似臨界狀態(tài)。

4）若項目區(qū)初始表土農化性質及生態(tài)環(huán)境均極惡劣，則與初始農化性質為優(yōu)時的表土相比，3種理想情況都不能出現(xiàn)，表土保護措施的強度須增至最高水平，且表土保護設計的理論有效范圍將向內縮小至最小面積。這種情況主要存在于金沙江干熱河谷上游地區(qū)等生態(tài)環(huán)境極端惡劣的區(qū)域[7]。

以云南省德欽縣為例（見圖4）。首先，由于長期的江水沖刷和高溫干旱，當?shù)厮亮魇乐兀寥乐械乃趾宛B(yǎng)分均容易快速流失，土壤粉粒的含量普遍偏低，因此在沿江兩岸可以輕易采集到不適宜植被生長的壤質砂土、粉砂質壤土、粉砂質黏壤土乃至基本喪失生態(tài)功能的礫石土或礫質土，簡言之，土壤質地（或級配）極其糟糕。其次，由于當?shù)睾拥狼垡鬃?，生產力較低的土壤在河道兩岸不規(guī)則分布，土壤改良障礙也不大相同，因此在缺乏精確調查、未制定精確調配計劃的前提下，不能采用慣例，即簡單地混合不同地塊的表土并采用同一套改良工藝進行土壤改良。再次，在表土中普遍嚴重缺乏粉粒、混雜大量的砂礫或礫石，土層難以構成保水、保肥的土層結構，土壤生產力及供肥能力堪憂，部分土層甚至呈現(xiàn)“上黏下砂”的沙漏型土層結構。此外，沿江兩岸表土資源總量嚴重不足，難以通過簡單的表土調配和表土培肥來滿足項目綠化覆土的需求，如何填補覆土的缺口成為難題。

因此，在當?shù)兀瑧紫韧ūP考慮如下問題并設計改良方案：表土資源利用（包括表土剝離、培肥、回覆及土壤熟化）、表土堆存與防護、立地條件改良（主要包括土壤生產力及級配的改良、土層結構改良等）及植被恢復。然后開展現(xiàn)場小試，根據(jù)小試結果調整改良方案。

在當?shù)氐牧⒌貤l件改良過程中，關鍵點在于：為恢復土壤保水性、保肥性及生產力，首先必須在原有表土內篩掉粒徑＞2 mm的大顆粒，然后混入大量外源粉粒，使粉粒的體積比≥25%，以此重構土壤的級配；其次為減少外源有機質的使用量、恢復土壤生物生存環(huán)境，應該栽植大量綠肥植物（常用豆科植物，例如大豆、苜蓿等）；最后，當?shù)匚挥诟蔁岷庸壬嫌蔚貐^(qū)，有機肥應選取冷性的牛糞或偏冷性的豬糞，以減緩有機肥的分解速度，提高有機質的利用效率。在該情況下，陰影三角形將向內縮至最小面積，無任何近似臨界狀態(tài)。

3 研究意義及展望

3.1 研究意義

1）表土保護不可能三角反映的是定性概念，足以證明以項目區(qū)內初始表土農化性質極佳、生態(tài)環(huán)境極好為前提條件，在施工擾動發(fā)生后，3種理想情況不再可能同時發(fā)生。

2）證明若項目區(qū)內初始表土農化性質及生態(tài)環(huán)境條件不佳，則立地條件改良的難度會增加，其強度也必須增加，理想情況越來越難出現(xiàn)。

3）可用該概念向業(yè)主及審查專家闡述在生態(tài)脆弱區(qū)開展高強度表土保護工作的艱巨性。

3.2 研究展望

若以項目區(qū)內初始表土農化性質極佳、生態(tài)環(huán)境極好為前提條件，則可構成一個正三角形，表土保護設計的理論有效范圍即陰影三角形也為正三角形，且陰影三角形三個頂點分別位于黑色三角形的三邊中點上，但若某些初始條件相對惡劣，則陰影三角形將按不確定比例縮小。具體解決方案是須將3種理想情況進行加權處理，據(jù)此繪制不同前提條件下的表土保護不可能三角形[8-9]。

4 結束語

本研究通過構建表土保護不可能三角這一概念，反映表土保護工作的必要性和艱巨性。表土保護方案大體可根據(jù)如下思路設計：基于對植物、土壤、微生物的廣泛調查與長期監(jiān)測，根據(jù)數(shù)學模型及加權矩陣評估各項保護措施的重要性，精確設計表土保護措施，計算工作量[9]。

綜上所述，只有通過開展生態(tài)調查及研究式的勘察設計，才能真正做好生產建設項目的表土保護及生態(tài)恢復工作。

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