农牧废弃物改良沙化土壤原理与技术——以川西北为例

第1章 沙化土壤改良通用方法 　　土壤沙化和荒漠化是***严重的环境问题之一。国家林业局组织开展的第五次全国荒漠化和沙化监测结果显示，截至2014年，中国荒漠化土地面积261.16×104km2，占陆地国土总面积的27.20%；沙化土地面积172.12×104km2，占陆地国土总面积的17.93%，治沙形势十分严峻。了解土壤沙化类型及其危害，明确当前沙化土壤治理技术和改良措施，对分类指导和科学治理沙化土壤具有重要意义。本章介绍了我国不同程度沙化土壤特征，以及沙化土壤治理和改良技术措施。 　　1.1 土壤沙化与土地沙漠化 　　土壤沙化与土地沙漠化的重要过程是风蚀和风力堆积过程。在沙漠周边地区，由于植被破坏或草地过度放牧、开垦为农田，土壤中水分状况变得干燥，土壤粒子分散不凝聚，被风吹蚀，细颗粒含量逐渐降低，而在风力过后或减弱的地段，风沙颗粒逐渐堆积于土壤表层而使土壤沙化(祝列克，2006)。因此，土壤沙化包括草地土壤的风蚀过程及在较远地段的风沙堆积过程。沙漠化防治及生态环境保护是干旱、半干旱区面临的主要环境问题。 　　20世纪80年代，我国北方沙漠化土地面积约33.4×104km2，按照土壤发生层次A、B各层被风蚀破坏的程度分为若干种发展状态(陈隆享，1981)，其相对分布如表1-1所示。 　　表1-1 我国土壤沙化分级及其比例 　　1.1.1 土壤(地)沙化和沙漠化的类型 　　根据土壤沙化区域差异和发生发展特点，我国沙漠化土壤(地)大致可分为3种类型(黄昌勇和徐建明，2010)：①干旱荒漠地区的土壤沙化。主要分布在内蒙古的狼山、宁夏的贺兰山、甘肃的乌鞘岭以西的广大干旱荒漠地区，沙漠化发展快，面积大。根据研究，甘肃省河西走廊的沙丘每年向绿洲推进8m。该地区由于气候极端干旱，土壤沙化后很难恢复。②半干旱地区土壤沙化。主要分布在内蒙古中西部和东部、河北北部、陕北及宁夏东南部。该地区属农牧交错的生态脆弱带，由于过度放牧、农垦，沙化呈大面积区域化发展，这一沙化类型区人为因素很大，土壤沙化有逆转可能。③半湿润地区土壤沙化。主要分布在黑龙江、嫩江下游，其次是松花江下游、东辽河中游以北地区，呈狭带状断续分布在河流沿岸。沙化面积较小，发展程度较轻，并与土壤盐渍化交错分布，属林-牧-农交错的地区，年平均降水量在500mm左右。对这一类型的土壤沙化，控制和修复是完全可能的。 　　1.1.2 影响土壤沙化的因素 　　第四纪以来，随着青藏高原的隆起，西北地区气候干旱的现象日益加剧，风沙的活动促进了土壤沙化，但人为活动是土壤沙化的主导因子，这是因为：①人类经济的发展使水资源进一步萎缩，加剧了土壤的干旱化，促进了土壤的可风蚀性；②农垦和过度放牧使干旱、半干旱地区植被覆盖率大大降低(杨俊平和孙保平，2006)。例如，大兴安岭南部丘陵地区，由于农垦造成的土壤沙化面积已达400×104hm2；科尔沁左、右旗等地区20世纪50年代有次生林12×104hm2，80年代仅剩下4×104hm2，而沙化土壤面积增加到70×104hm2(黄昌勇和徐建明，2010)。 　　据统计，人为因素引起的土壤沙化占总沙化面积的94.5%，其中农垦不当占25.4%，过度放牧占28.3%，森林破坏占31.8%，水资源利用不合理占8.3%，开发建设占0.7%。 　　1.1.3 土壤沙化的危害 　　土壤沙化对经济建设和生态环境危害极大。一方面，土壤沙化使大面积土壤失去农、牧生产能力，使有限的土壤资源面临更为严重的挑战(彭云霄和魏威，2019)。1979～1989年我国草场每年退化约130×104hm2，人均草地面积由0.4hm2下降到0.36hm2。另一方面，土壤沙化还使大气环境恶化。由于土壤大面积沙化，风挟带大量沙尘在近地面大气中运移，极易形成沙尘暴，甚至黑风暴。例如20世纪30年代在美国，60年代在苏联均发生过强烈的黑风暴；70年代以来，我国新疆发生过多次黑风暴。 　　土壤沙化会造成土壤贫瘠、环境恶劣，威胁人类的生存。我国汉代以来，西北的不少地区是一些古国的所在地，如宁夏地区是古西夏国的范围，塔里木河流域是楼兰古国的地域，大约在1500年前还是魏晋农垦之地，但现在上述古文明已从地图上消失了。从近代来看，1961年新疆生产建设兵团32团开垦的土地，至1976年才15年时间，已被高1～1.5m的新月形沙丘所覆盖(祝列克，2006)。 　　1.1.4 土壤沙化的防治 　　土壤沙化的防治必须重在防。从地质背景上看，土地沙漠化是不可逆的过程。因此，防治重点应放在农牧交错带和农林草交错带，在技术措施上要因地制宜(朱俊凤和朱震达，1999)。主要防治途径有以下几种。 　　1.1.4.1 营造防沙林带 　　我国沿吉林白城地区的西部—内蒙古的兴安盟东南—通辽市和赤峰市—古长城沿线是农牧交错带地区，土壤沙化正在发展。我国已实施建设“三北”地区防护林体系工程，应进一步建成“绿色长城”。一期工程已完成600×104hm2的植树造林任务。目前已使数百万公顷农田得到保护，轻度沙化得到控制。 　　1.1.4.2 实施生态工程 　　我国的河西走廊地区，昔日被称为“沙窝子”“风库”，当地因地制宜，因害设防，采取生物工程与石工程相结合的办法，在北部沿线营造了1220km的防风固沙林13.2×104hm2，封育天然沙生植被26.5×104hm2，在走廊内部营造起约5×104hm2农田林网，因此河西走廊一些地方如今已成为林茂粮丰的富庶之地。 　　1.1.4.3 建立生态复合经营模式 　　鉴于内蒙古东部、吉林白城、辽西等半干旱、半湿润地区，有一定的降雨量资源，土壤沙化发展较轻，因此应建立林农草复合经营模式。 　　1.1.4.4 合理开发水资源 　　这一问题在新疆、甘肃的黑河流域应得到高度重视。塔里木河在新中国成立初，年径流量为100×108m3，50年代后上游区尚稳定在40×108～50×108m3。但在只有2万人口、2000hm2土地、30多万只羊的中游地区消耗掉约40×108m3的水资源，中游区大量耗水致使下游断流，300多千米地段的树、草枯萎和残亡，下游地区的4万多人口、1×104hm2土地面临着生存威胁。因此，应合理规划和调控河流上、中、下游流量，避免下游干涸，控制下游地区的进一步沙化(黄昌勇和徐建明，2010)。 　　1.1.4.5 控制农垦 　　对于土地沙化正在发展的农区，应合理规划和控制农垦，草原地区应控制载畜量。草原地区原则上不宜农垦，旱粮生产也应因地制宜控制在沙化威胁小的地区(韩丽文等，2005)。例如，印度在1.7×108hm2草原上放牧4亿多头羊，使一些稀疏草原很快成为荒漠；内蒙古草原的理论载畜量应为每公顷0.49只羊，而实际载畜量却达到每公顷0.65只羊，超出33%。因此，从牧业持续发展角度看，必须减少放牧量，实行牧草与农作物轮作，培育土壤肥力。 　　1.1.4.6 完善法制，严格控制破坏草地 　　在草原、土壤沙化地区，工矿、道路以及其他开发工程建设必须进行环境影响评价。对人为盲目垦地种粮、挖掘药材等活动要依法从严控制。 　　1.2 土地沙化治理技术 　　如今，土地沙化防治是全球性环境科技研究热点，包括中国在内的几十个国家都制定了或正在制定本国防治土地沙化和荒漠化的国家行动方案。各国的情况不同，防治对策也不同。防治沙化的方法繁多，从技术层面讲主要包括生物措施、化学措施、机械措施以及不同类型措施相结合的综合治理措施等，而机械措施和化学措施一般又统称为工程措施。 　　1.2.1 工程治沙技术 　　工程治沙是指采用机械工程手段，通过固、阻、输、导等方式在沙面上设置沙障或覆盖沙面，或采用各种阻沙措施将上风向的来沙阻挡在远离防护区的地段，或将风沙流导向防护区的下风向等，以达到减轻或消除风沙危害的目的。工程治沙措施通常采用的材料有干草、树枝、板条、秸秆、黏土、卵石等，具有施工简便、不污染环境、对植物无副作用、技术要求不高、固沙效果显著等特点(董治宝等，2000；董智等，2004；赵建新，2007；丁新辉等，2019)。工程治沙措施因其具备就地取材、材料多种多样、无须细致加工、技术要求不高、施工简便、造价低廉、固阻流沙效果显著，而且一般对植物的生长发育无副作用等优点，因而被广泛用于铁路、公路、城镇、文物古迹等的沙害防治(许林书和许嘉巍，1996；张春来等，2018)，但缺点是在风沙较大的区域很难达到固沙效果，且随着时间推移容易失效，因此只是一种临时的辅助性固沙措施。工程治沙主要分为机械阻沙和沙障固沙。 　　1.2.1.1 机械阻沙 　　机械阻沙的主要方法是采用阻沙栅栏、阻沙网、挡沙墙、下导风板和羽毛排导风板等工具来阻挡风沙和引导沙粒的走向，将上风向来沙阻挡在远离防护区的地段，或将风沙流疏导至保护区的下风向，以防止积沙，阻止沙漠的进一步扩张(王玉才和张恒嘉，2016；高承兵等，2010)。阻沙措施一般用于沙源丰富地区或戈壁风沙流盛行的地区，作为保护机械固沙袋和植物固沙袋的外围屏障。鉴于在流动沙丘上栽植和播种固沙的植物初期常常受到风蚀和沙埋的影响而难以成活，因此机械治沙措施常常作为生物治沙措施的辅助性或过渡性措施，常用材料有作物秸秆、砂砾石、黏土等。 　　1.2.1.2 沙障固沙 　　沙障固沙通常是在沙漠表面铺设障碍物，改变风沙流动的速度、方向和风沙流结构等，进而减弱风沙移动及影响区域微地貌状况等。沙障(机械沙障与生物沙障)作为工程治沙的一项重要措施，主要是采用各种材料在沙面上设置机械或植物障碍物(张利文等，2014)，以此控制风沙流动的方向、速度、结构，改变蚀积状况，达到防风阻沙，改变风的作用力及地貌状况等目的。 　　机械沙障可分为高立式沙障、立式沙障、半隐蔽式沙障和隐蔽式沙障。半隐蔽式草方格沙障在中国北方各沙区应用*广，是固定流沙、稳定沙面*经济有效的措施之一(姚正毅等，2006)。机械沙障的作用在于削弱地面风力、固定沙面、减少和防止就地起沙，为初期栽植或播种的固沙植物创造稳定的生长发育环境。在自然条件恶劣的地区，机械沙障是治沙的主要措施，在自然条件较好的地区，机械沙障是植物治沙的必要前提。 　　机械沙障一般就地取材，用料多种多样，无须精细加工，造价低廉，如广为利用的草沙障、乔灌枝条沙障、黏土沙障、砾石沙障等原料增大沙表面粗糙度，改变风的作用力及地貌状况等，以达到防风阻沙目的(张风春和蔡宗良，1997；卢广伟，2007)。在各种治沙方式中，机械沙障治沙占有举足轻重的作用。从机械沙障的类型上看，用于制作沙障的材料很多，一般多采用麦草、稻草、芦苇、高草、纸条、土工布、板条、砾石、戮土等较易取得的材料(展秀丽等，2011；孙涛等，2012)。本书将其分为以下几类：植物枝杆类、天然黏土砾石类以及一些人工合成材料。 　　(1)植物枝杆类：在中国建成的世界上**条穿越流动沙丘的铁路干线——包兰铁路，为防治风沙危害，构建了前沿高的立式栅栏阻沙袋，内侧草方格沙障固沙袋和砾石平台缓冲输沙袋的防护体系，保证了铁路的安全运营(张克存等，2019)。高永等(2015)研究了11种不同规格沙柳沙障输沙率与风速之间的关系，发现了不同规格沙障的防护效益。在大风条件下，小规格沙障的成本效益高于大规格的沙障；在小风情况下，大规格沙障的成本效益高于小规格沙障。同时计算出，当沙障面积小于1.27m2时，障内没有风蚀，面积等于或者小于1m2的沙障可以完全控制地表的风蚀；当沙障面积为1.5m2时，有少量的风蚀，当沙障面积增加到一定程度后，风蚀深度增加很快。屈建军等(2005)研究得出半隐蔽格状沙障，特别是麦草和碾压芦苇方格沙障，是近地风沙流边界层防止风沙危害的一种经济实用、功能独特、效果显著且应用*为广泛的固沙措施。其增大了下垫面的粗糙度，明显降低了底层风速，进而减弱了输沙强度，使流沙表面得以稳定。研究还发现在格状边框内，