水土保持,是生態(tài)的金課

水土保持,是生態(tài)的金課

中國南方的亞熱帶和亞熱帶非常高，夏季漫長，冬季短，南北沒有氣候意義。生物循環(huán)活躍,生物量增長迅速,增強(qiáng)了生態(tài)系統(tǒng)中的能源物質(zhì)流,為造就本區(qū)優(yōu)化生態(tài)環(huán)境十分有利。但是另一方面,南方紅壤系列土壤抗沖、抗蝕性差,土體易崩陷,土壤侵蝕嚴(yán)重;物質(zhì)的非閉合型循環(huán)愈演愈烈,土壤生物小循環(huán)受到障礙,植物營養(yǎng)缺乏,土壤整體抗旱能力低,韓江、北江上游的人們常以“晴天張牙舞爪,雨天頭破血流”、“紅色沙漠”等來形容當(dāng)?shù)貝毫拥纳鷳B(tài)環(huán)境;隨著社會(huì)發(fā)展,經(jīng)濟(jì)繁榮地球燃煤、石油越來越多、增加大氣中二氧化碳含量,地球溫室效應(yīng)嚴(yán)重了,常常出現(xiàn)反常天氣——高溫、暴雨、干旱災(zāi)害頻繁,多年來南方大范圍和區(qū)域性旱災(zāi)不斷,去年鄱陽湖干涸、云南連續(xù)三年大旱,更引起人們關(guān)注。水土資源是社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的基礎(chǔ)條件,是生物社會(huì)賴以生存繁衍的環(huán)境生態(tài)中重要組成部分,在這社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增加、物欲橫流的年代,不管你自覺或者不自覺地投身到追逐與取得自然資源的財(cái)富中,是交換還是索取,甚至掠奪,它不僅影響到社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的成敗和包括人類在內(nèi)整個(gè)生物界的盛衰與存亡,人類每每施于生態(tài)環(huán)境的各種行為,都將得到反饋,撬動(dòng)著人們的心。解放初期一位水土保持專家考察黃土高原水土流失,抵達(dá)陜、甘邊境子午嶺時(shí),看到當(dāng)?shù)卮紊直３炙列б?他建議“把黃土高原的居民全部遷移”、“當(dāng)前要改變當(dāng)?shù)鼐用竦纳盍?xí)慣,改食糧食為食肉(即食草的牛、羊肉)”,成為當(dāng)時(shí)水土保持學(xué)界的一段笑話;無獨(dú)有偶,另一位水土保持學(xué)家在陜西楊凌科學(xué)會(huì)堂作報(bào)告時(shí)建議:把黃土高原坡地用鋼筋、水泥筑起一道道排水溝,以保持水土,引起臺(tái)下聽眾哄堂大笑。其實(shí)兩位專家說得很精辟,含義深長,現(xiàn)在這兩位院士已經(jīng)仙逝,但他們要把黃土高原建成遍地牛羊的花果山和層層梯田的美好愿望,還沒有實(shí)現(xiàn)。我國黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人十分重視生態(tài)環(huán)境建設(shè),言傳身教,每年都親自參加植樹勞動(dòng),為水土保持立法、立規(guī),中央電視臺(tái)號召:“搞好水土保持,保衛(wèi)家園”,香港鳳凰電視臺(tái)呼吁:“山定權(quán)、樹定根、人定心”。這些都是為生態(tài)環(huán)境給力,使我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、民族繁榮昌盛的目的。1局部地區(qū)地貌水土保持源為土壤保持,首先出現(xiàn)在美國農(nóng)業(yè)部1910年,在該部出版的“農(nóng)訊”中。提倡普遍保護(hù)美國的各項(xiàng)自然資源。美國人班乃脫定義為:“水土保持以合理的土地利用為基礎(chǔ),一面使用土地,一面予以土地必須的處理,以維持土地生產(chǎn)力,延續(xù)久而不衰退”。當(dāng)前水土保持定義已大大擴(kuò)展,既要保土又要保水,沒有土植物就沒有立足之地,沒有水植物就不能活。水土保持要防止土壤侵蝕,又要保障水能,水、土資源二者不可偏廢,缺一不可。水土保持包括自然環(huán)境優(yōu)化或衰退處理,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展包括農(nóng)、林、牧業(yè)、工礦、交通和城市化過程施以土壤各種手段,導(dǎo)致水土資源的惡化與修復(fù),豐富自然資源,美化環(huán)境。我國疆土廣闊,南、北自然條件差別很大,南方水土保持方針,作者曾經(jīng)建言:以蓄為主,蓄、排結(jié)合,因地制宜合理排水。水和土關(guān)系密切,土隨水來,土隨水走,其中水是土的載體。水土保持若不保水,土也保不住。南方泥砂主要來源是水帶來的,不是從天上掉下來的(沒有北方一樣大范圍的風(fēng)砂塵暴)。黃土丘陵溝壑區(qū),溝壑面積比溝間地大,泥砂主要來自溝壑,以治溝為主;而南方以侵蝕最嚴(yán)重的花崗巖水土流失區(qū)為例:小流域的溝壑面積所占比例約為26%,切溝密度為113～135km∕km2,徑流泥砂主要來自溝間地坡面,以坡面侵蝕為主。在我國南方水是土壤侵蝕的動(dòng)力,也是土壤位移、輸運(yùn)的載體,水土流失從降雨雨滴侵蝕開始,雨滴擊濺地表,使地表土粒分散和位移;雨水聚積,地面徑流以面流的水文形態(tài)在地面流動(dòng),剝蝕地表土壤;降雨繼續(xù),面流增加和匯集形成股流,股流的沖擊力,不只是剝蝕地表土粒,它可以沖走土壤團(tuán)聚體和土塊,在流路上留下溝紋和細(xì)溝,帶走侵蝕物質(zhì);地面水路網(wǎng)進(jìn)一步集中,股流由小到大,大股流沖刷力增大,一方面刷深溝底,還不斷擴(kuò)寬溝床,造成溝岸崩塌。這樣的水文過程,使地表土壤侵蝕形態(tài)由細(xì)溝發(fā)展到切溝,股流帶走的泥砂,已經(jīng)不再是土粒和土塊,還帶走母巖半風(fēng)化體和石塊,從坡面進(jìn)入江河水系。以排為主,水排走了,土也跟著跑了。如果把水留在山上,令水不下山或者少下山,土也不出溝或者少出溝了。從另一種意義上說,水固然是土運(yùn)移中的載體,也是植物生態(tài)系統(tǒng)中能量和物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)中的主要載體,沒有水就沒有生命。因此南方水土保持首先要在水字上做文章,千方百計(jì)蓄水保土。而作者參加?xùn)|江流域科學(xué)考察時(shí),在廣東龍門縣境內(nèi)看到的另一種水文過程形成的泥砂輸移、淤積過程,是由于上游稀土選礦,群眾稱之為“搬山采礦”造成的諾大大河,河流淤塞、河床抬高,河水?dāng)嗔鳌蛄簺_塌,是人為新的水土流失造成的。作者曾經(jīng)在東江科學(xué)考察簡報(bào)上選文吶喊,并在“東江流域防治水土流失措施與規(guī)劃”中記述。南方江河含砂量比中沙河長江小,更小于多沙河黃河。但是南方土壤流失物質(zhì)粗,在花崗巖土壤C層中的顆粒組成,沙粒含量占43%～74%,其中大于1mm的砂粒和石礫占40%以上,小于0.01mm粘粒一般在20%以下。南方嚴(yán)重水土流失的花崗巖區(qū),土壤侵蝕產(chǎn)生的泥砂,其顆粒組成大致與此類同,徑流攜帶著高地侵蝕來的物質(zhì)進(jìn)入江河水系,流速變小,首先把石塊、石礫沉積下來,其后隨著江河水系流程的增長,流速減弱,其攜帶的泥砂也由大到小逐步篩選,長途搬運(yùn)的主要是一些懸移質(zhì)。根據(jù)東江流域科學(xué)考察,東江流域廣東省境內(nèi)多年平均泥砂侵蝕量為1540.47萬t,搬運(yùn)到流域之外沉積的不足21%。大部分泥砂在流域內(nèi)的支流和溝谷沉積。這和黃河流域相比是截然不同的。南方侵蝕物質(zhì)粗,水中推移質(zhì)多,懸移質(zhì)少。而且輸入河流的粗砂和石礫又大部分沉積在江河上游及其支流上,使平均河床抬高,減少過水?dāng)嗝?河流泄洪能力下降,水位抬升,成為南方水災(zāi)多發(fā)點(diǎn)。而江河兩岸由于河床抬高,水位上升河水側(cè)滲補(bǔ)給,使低地積水成澇,高產(chǎn)的潴育性水稻土變成了低產(chǎn)的爛泥田、湖洋田、銹水田。故上游不治,下游難安。另外南方七山一水二分田,把70%山地的產(chǎn)沙量壓在20%的盆谷地上,從長遠(yuǎn)來說是難以承受的。故搞好水土保持刻不容緩。2雨的大小、大小和侵蝕強(qiáng)度我國南方降雨量多,降雨強(qiáng)度大,而且降雨常常伴隨大風(fēng),臺(tái)風(fēng)暴雨,雨滴在下落的過程中,由于風(fēng)力大大加速了雨滴降落速度,雨滴重力加速度增強(qiáng)了雨滴對土壤的擊濺力,使土粒分散、飛濺、位移,土壤面蝕異常強(qiáng)烈,故地面覆蓋是南方水土保持十分重要的關(guān)鍵措施。我國南方降雨主要來自太平洋的東南季風(fēng),而境內(nèi)山脈走向多為東北—西南走向,基本上與風(fēng)向垂直。受風(fēng)力影響一般迎風(fēng)坡面大于背風(fēng)坡(圖1),其受雨滴打擊力可表示為:Fs=Fsin(θ+α)(1)Fn=Fsin(θ-α)(2)式中Fs為雨滴對迎風(fēng)坡單位面積的打擊力;Fn為雨滴對背風(fēng)坡單位面積打擊力;θ為雨滴路徑與水平面夾角;α為坡面坡度。設(shè)迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡坡度相等,代入式(1)、式(2)可得:當(dāng)雨滴與平面的入射角為60°時(shí),坡度20°的迎風(fēng)坡受到的雨滴打擊力,為背風(fēng)坡的1.53倍;而坡度30°時(shí)為2.00倍。暴雨的雨滴濺蝕按五華縣1961-1983年資料:十年一遇雨量為1650.7mm,十年一遇60min雨強(qiáng)為132.5mm,30min最大雨強(qiáng)為81.4mm,10min最大雨強(qiáng)為54.8mm。根據(jù)貝斯特研究,雨滴大小可表達(dá)為:D50=aI10b(3)式中D50為雨滴中數(shù)直徑;I10為10min最大雨強(qiáng)。根據(jù)他實(shí)驗(yàn)求得不同情況下的a、b值,代入式(3),十年一遇暴雨直徑為4.77mm;它的體積=0.057cm3;這類雨滴下落速度,根據(jù)埃利森的試驗(yàn)研究為9.1m/s。雨滴對土壤的打擊能量(E0)為:E0=r0S0V202g(4)E0=r0S0V022g(4)式中S0為雨滴終速;V0為雨滴體積;r0為水容重;g為重力加速度。求得E0=16.5J。比爾研究雨滴對土壤的擊濺量有如下關(guān)系:G=KDV01.46(5)式中K為比例系數(shù),摩根研究5～8月K=0.17,9～4月K=0.031,代入式(3),十年一遇暴雨濺蝕量G=1.78g/m2,相當(dāng)于1780t/km2。筆者曾經(jīng)在珠海高丘陵分水嶺附近凸形坡上調(diào)查到,粗粒花崗巖赤紅壤光板地上300余年的古墓,根據(jù)墓基出露高度,計(jì)算出土壤侵蝕模數(shù)為9200t/(km2·a),土壤A、B層已經(jīng)侵蝕殆盡,C層出露地表,土壤養(yǎng)分含量低,土壤物理性質(zhì)惡化,結(jié)構(gòu)性差,孔隙度小,非毛管孔隙缺乏,土壤整體抗旱能力低,只有極少的“小老頭松”零星生長,其它草木植物不生,光禿一片。南方土壤面蝕嚴(yán)重,光板地常?？梢钥吹揭粋€(gè)個(gè)直徑為5～10mm、高度為3～7cm的小土柱,在小土柱上面頂著一塊小石頭或者母巖半風(fēng)化體,這些小土柱一個(gè)個(gè)屹立在地面上,成群的小土柱(土林)比比皆是,顯然是土壤面蝕形成的,這種景象在北方是沒有的(北方只有雨滴窩)。在山地、丘陵嚴(yán)重面蝕的坡地上,基巖裸露,土層薄,大小石塊覆蓋地表,成為類戈壁景象,根據(jù)廣東省五華水保站和南雄水保站實(shí)測地面溫度,都出現(xiàn)過70℃的記錄。作者在五華縣水保站分水嶺土壤水份狀況研究表明:土壤經(jīng)常處于凋萎濕度范圍。南方嚴(yán)重面蝕的坡耕地,一般種植3a撂荒一次,有些坡地石多土少,只得棄耕,當(dāng)?shù)厝苏f:“山光光,水黃黃,想家鄉(xiāng),淚汪汪”。在缺水缺糧的環(huán)境下,居民不得不集體遷村,這一現(xiàn)象在我國南方已有發(fā)生。另一方面嚴(yán)重的水土流失,雨季河流暴漲暴落,枯水季節(jié)流量變小,水深變淺,過水?dāng)嗝鎸挾茸冋?結(jié)果在原來的河流上出現(xiàn)大小不同沙灘,并且使河流的泄洪能力降低,防洪壓力加重。上述從降雨形成面流開始及其發(fā)展的水文過程和從雨滴擊濺地面,造成土粒位移開始及泥砂輸運(yùn)過程,可見地面覆蓋保持水土的必要性。而水土保持措施從降雨雨滴濺蝕開始,從形成地面徑流源開始,從平坦和緩斜坡的高地開始,它(地面覆蓋)無疑是水土保持第一道防線,也是防治危害性大、潛在危險(xiǎn)性險(xiǎn)惡的土壤面蝕的重要手段。全文智碩士曾經(jīng)在20世紀(jì)八十年代,采用秸稈進(jìn)行地面覆蓋試驗(yàn),取得了可喜的成果。在防止雨滴擊濺、延緩地面徑流形成,增加土壤入滲,減少徑流、保護(hù)土壤方面,都有顯著的作用。近年來這方面的試驗(yàn)結(jié)果陸續(xù)在報(bào)端、雜志上有所報(bào)導(dǎo)不再重復(fù)贅述。其實(shí)我國農(nóng)民在茶園、果園內(nèi)種植綠肥植物保護(hù)地面和地埂,已有悠久的歷史,國外也有作物收割時(shí)留茬保護(hù)土壤的做法;在香港鐵路、公路沿線和開發(fā)區(qū)平整土地上,都可以看到薄膜覆蓋,保護(hù)土壤的處理;這些做法在珠三角地區(qū)各市、縣也逐漸盛行,廣為采用,可見地面覆蓋保持水土的可行性和有效性。3水土保持工程的作用及控制對策為了保護(hù)南方自然資源,優(yōu)化和修復(fù)衰退的自然環(huán)境,認(rèn)真實(shí)施水利部制訂的水土保持措施等全國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),無疑是有效的、適合的,但是我國南、北自然因素差別大,相同的措施其規(guī)劃、設(shè)計(jì)在南、北應(yīng)該不同。除了林草措施和工程措施相結(jié)合外,南方強(qiáng)調(diào)植物多層覆蓋,水保工程重重?cái)r截;著重喬、灌、草植物配合。多種水保工程配合及各種措施本身的增量配合。阻滯、延緩徑流形成和徑流匯集過程,增加地面水入滲,把水盡量留在坡面上,減少徑流,減輕土壤侵蝕,減少入河泥砂,調(diào)節(jié)河流洪水期和枯水期流量,改變河流形態(tài)(包括河床淤積、河流坡降、河寬、水深)。根據(jù)南方水多勢猛,采用喬、灌、草植物群體配合,組成空中喬木攔截、中間灌木阻擊、地面草被覆蓋三層防護(hù)措施是必要的。喬木單層覆蓋可能事與愿違,造成更嚴(yán)重的土壤面蝕,作者曾經(jīng)在粵西吳川縣考察時(shí)看見,大片桉樹林下,赤地千里,地表樹根出露,侵蝕溝較少,但土壤面蝕嚴(yán)重;國外也有,降雨在樹冠上形成的水滴,造成更強(qiáng)烈土壤面蝕報(bào)導(dǎo)。水土保持林草植物群體措施,作者曾經(jīng)在廣東省五華縣進(jìn)行過生物工程試驗(yàn)研究,采用山頂戴帽、山腰綠化、山下果園農(nóng)田方式。即山頂分水嶺地帶及其凸形坡種草和灌木,進(jìn)行地面覆蓋,防止雨滴侵蝕,延緩徑流形成,增加地面水入滲;山腰營造以喬木為主,喬、灌、草結(jié)合與坡向垂直和等高線平行的林帶,分散徑流,改變徑流垂直等高線流向變?yōu)檠刂仓昀@流的水文形態(tài),從而延長流程、減弱流速,增加水分入滲,減少徑流;山下種植果樹和水稻。這樣的林草植物群體布局,改變了光板地和侵蝕地的地面水文過程,達(dá)到對徑流阻滯—分散—入滲,使一部分徑流轉(zhuǎn)化為潛流或地下水,既避免土壤侵蝕,也減少了雨季河流流量,不致形成河流暴漲暴落,增加了枯水期水量,同時(shí)改變了地下土壤水文,增加山地、丘陵蓄水量,提高土壤整體抗旱能力,提高土地生產(chǎn)力,優(yōu)化自然環(huán)境。水土保持工程群體措施,宜按坡面水路網(wǎng)不同的水文形態(tài),布設(shè)水土保持工程,以及按地形設(shè)置分水嶺防護(hù)工程(包括地表覆蓋)、坡面水保工程和山下梯田工程互相配合,提高水土保持效益。而坡面上的溝壑主要是切溝和崩崗治理。溝壑治理在坡面工程的配合下,于溝床內(nèi)重重設(shè)置土壩和生物壩形成壩系,分段節(jié)節(jié)攔截徑流就地入滲的群體措施。在南方山地(包括丘陵),實(shí)施水保工程,應(yīng)根據(jù)南方自然條件,遵循水土資源客觀規(guī)律,切忌頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳的單一水保工程措