黃土丘陵溝壑區坡改梯效益分析

洛杉磯高原是中國黃河下游和華北平原經濟發展和社會發展的重要生態障礙。由于其脆弱的自然生態系統和長期人類活動，以及水土流失和生態環境惡化，相關政府部門和學術機構引起了關注。20世紀50年代末以來,隨著多角度研究工作的開展和不斷深入,許多學者認識到退耕坡地應是黃土高原水土流失控制和生態環境恢復的關鍵著力點。自2007年以來,隨著我國耕地面積逼近1.2億hm2的紅線和國際糧價持續上漲,我國的糧食安全問題再次成為全社會關注的焦點。在黃土高原和長江上游等地區連續實施“退耕還林(草)、封山綠化、個體承包、以糧代賑”的“賑濟退耕”政策8年后,一些學者開始呼吁:國家應對“賑濟退耕”政策進行“囤糧于田”的戰略調整,宜及早采取規模性坡改梯和淤地壩建設的舉措。基于此,筆者以位于黃土高原腹地的延安燕溝流域為例,對坡改梯作物增產、保水減沙效益以及流域坡改梯實踐效果等進行綜合分析,希望能為黃土高原退耕坡地及早實施坡改梯戰略提供一些科學依據。1陰山山地氣候特點燕溝流域位于E109°20′~109°35′,N36°28′~36°32′,溝口距延安市3km,屬延河二級支流,主溝長8.6km,呈東南—西北流向,流域面積約47km2。流域東南高、西北低,海拔986~1425m。地形坡度構成以陡坡地為主,坡度大于25°占51.91%、20°~25°占15.82%、15°~20°占12.93%、10°~15°占7.53%、5°~10°占6.29%、5°以下占5.52%。主溝比降為2.41‰,溝壑密度4.8km/km2,屬于典型的黃土丘陵溝壑區。氣候具有明顯的由半濕潤向半干旱過渡特征。多年平均氣溫9.8℃,無霜期約170d。多年平均降雨量558.4mm,其中,6—9月份降水量占全年降水量的70%以上,且多以暴雨形式出現,年際變化也很大。天然植被為次生梢林,破壞嚴重,人工林主要由刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、楊樹(Populus)以及檸條(CaraganakorshinskiiKom.)等灌叢組成。土壤以黃綿土(沙性黃土)為主,占90%以上,基本處于半熟化狀態,肥力低下。據實測資料,2007年燕溝降雨量為662.6mm,徑流總量為53.7萬m3,其中洪水徑流量占9.56%,洪水期溝口泥沙總量為1556.587t,流域輸沙模數為33.12t/(km2·a)。流域有14個行政村和一個隸屬于柳林街道的溝口區。14個行政村2006年底總人口3133人,人口密度為67.8人/km2。農村經濟以大農業為主體,農林牧并舉。2006年農村居民人均收入為2168元,農村經濟收入主要來源于種植業和蘋果(MaluspumilaMill.)業,種植的作物主要有玉米(ZeamaysL.)、馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)、谷子(SetariaitalicaL.)、大豆(Glycinemax)、綠豆(PhaseolusradiatusL.)和黑豆(Leguminosae)等,另有少量的人工苜蓿(Medicagosativa)。2學習方法1坡度單位信息基于GIS技術,利用遙感影像或航空照片編制研究地域土地利用圖,利用數字地形圖生成并提取地形坡度數據信息;根據土地利用和地形坡度分異特征,設定可供WIN-YIELD軟件讀取的地塊單元數據文件。地塊單元數據文件按地形坡度間隔2.5°增加一個地塊單元,在0~30°之間共設計了13個地塊單元,各地塊單元的面積1hm2、地形高程1100m、地形坡向180°(即正南向)。2日氣象臺站數據格式的建立收集研究地域土壤屬性、地貌屬性、主要作物、作物屬性數據和距離研究地域最近的氣象臺站的逐日氣象數據,整理并將其轉化為WIN-YIELD軟件能夠讀取的數據格式。3作物水文特性根據WIN-YIELD軟件初始界面數據讀入要求,輸入對應的參數(包括耕地保水參數、土壤水分參數、地下水埋深、作物敏感度系數、作物生長期及時間、作物根系生長率)、數據文件及其他數據項,模擬出不同作物在坡耕地和梯田條件下的作物產量、水文特征數據、泥沙流失數據結果。4坡改梯中的地形坡度變化難以消除的原因依據軟件模擬結果,對比分析不同地形坡度條件下的坡耕地與坡改梯后的作物產量、產生徑流及泥沙流失量的差異,進而獲得坡改梯中存在的地形坡度變化關鍵性閾值。5研究地域坡改梯前后的實證結果依據近年黃土高原實施的“賑濟退耕”政策特點以及研究地域坡改梯后的土地利用格局,從實證角度對比分析研究地域坡改梯前后在土地利用變化、植被覆蓋變化以及保水減沙等方面的實際效果。3解譯成果的來源涉及到的圖件為燕溝流域1∶1萬地形坡度圖和土地利用現狀圖。地形坡度圖來源于等比例尺的數字地形圖(1984年版)。土地利用圖包括1988、1997和2003年3個年份,1988年土地利用圖根據黃土高原綜合科學考察的樣帶航空照片解譯獲得,1997和2003年土地利用圖分別來源于中國科學院水利部水土保持研究所野外調研勾繪和航空照片解譯成果。涉及到的數據和參數主要包括經濟社會數據、氣象數據、作物數據、地塊單元數據以及土壤屬性參數、地貌類型參數、土地利用類型參數等。經濟社會數據來源于農戶抽樣調查或鄉鎮統計資料。氣象數據為2005年延安氣象站(距燕溝流域中心點的直線距離約5km)逐日平均氣溫、降水量、降水歷時、云量、蒸發量、平均相對濕度、最小相對濕度、白天和夜間風速9個指標。模擬作物為玉米、大豆和綠豆。地塊單元主要根據燕溝流域地形地貌特點,以反映地形坡度變化為主旨設計數據文件。土壤屬性為沙性黃土,地貌類型為坡地和梯田,土地利用類型為耕地。4邊坡梯度分析4.1不同地形坡度坡改梯增產量2005年燕溝流域高程1100m處、坡向為正南向時,坡耕地種植玉米、大豆、綠豆3種作物的產量隨地形坡度變化的模擬值與相應坡度條件下坡改梯后的作物產量模擬值的對比結果如圖1所示,縱坐標坡改梯增產量是指梯田作物產量模擬值與坡耕地作物產量模擬值之差,即坡改梯增產量數值越大,表明增產效益越顯著。從圖1可以看出,隨著地形坡度的增大,3種作物的坡改梯增產效益都呈增大趨勢,增產幅度依次為玉米、大豆和綠豆。對坡度為5°的坡耕地進行坡改梯后,玉米、大豆和綠豆的增產量依次為30.5、11.0和2.0kg/hm2;15°時,增產量依次為156.0、56.5和18.5kg/hm2;25°時,增產量依次為374.5、109.5和49.5kg/hm2,分別較25°的坡耕地產量高出16.74%、5.58%和4.95%。4.2不同地形坡度對保水效益的影響圖2是2005年燕溝流域高程1100m處、坡向為正南向時,不同坡度條件下坡改梯作物產生徑流模擬值與相應坡度條件下坡耕地產生徑流模擬值之差(即坡改梯保水效益)隨地形坡度的變化,可以看出,坡改梯種植3種作物,其保水效益隨地形坡度變化的基本趨勢是一致的,變化特點呈現為:在0°~17.5°和22.5°~25°區間,保水效益都呈緩慢增加;在17.5°~22.5°區間,保水效益先急速增大,過20°后又急速下降。地形坡度5°時,坡改梯玉米保水效益為0.117mm,大豆0.05mm,綠豆0.069mm;17.5°時,坡改梯玉米、大豆和綠豆的保水效益分別為0.813、0.313和0.431mm;20°時,保水效益都達到了最大,分別為5.8、5.153和5.308mm;之后急速下降,22.5°時分別為1.282、0.465和0.667mm。關于20°左右坡改梯保水效益異常顯著的現象已被胡世雄等證實。4.3不進行稻田改造的可行性圖3是2005年燕溝流域高程1100m處、坡向為正南向時,不同坡度條件下坡改梯種植3種作物土壤侵蝕模數模擬值與相應坡度條件下坡耕地土壤侵蝕模數模擬值之差(即坡改梯減沙效益)隨地形坡度的變化,可知,坡改梯種植3種作物,其減沙效益隨地形坡度變化的基本趨勢是一致的,變化特點呈現為:在0°~5°區間,坡改梯與坡耕地的土壤侵蝕模數幾乎是一樣的,表明地形坡度小于5°的坡耕地可以不進行梯田改造;在5°~15°區間,坡改梯減沙效益呈持續增大趨勢,15°時坡改梯減沙效益玉米為761t/(km2·a)、大豆為643t/(km2·a)、綠豆為665t/(km2·a),分別較5°時高出751、638和659t/(km2·a);在15°~20°區間,減沙效益急速增大,20°時坡改梯的減沙效益玉米為2750t/(km2·a)、大豆為2523t/(km2·a)、綠豆為2566t/(km2·a),分別較15°時高出1989、1880和1901t/(km2·a);20°~22.5°區間,坡改梯減沙效益呈快速下降,22.5°時3種作物的減沙效益分別較20°下降了16.47%、22.91%和21.59%;22.5°以后,坡改梯減沙效益又呈現為上升趨勢,到25°時,玉米、大豆和綠豆3種作物坡改梯減沙效益分別為2337、1957和2032t/(km2·a)。表明地形坡度大于15°的坡耕地必須實施坡改梯改造或退耕還林(草)。5邊坡重建的實踐效果分析5.1土地利用構成1988—2003年期間,燕溝流域的土地利用變化可以1997年為界劃分為前后2個不同的階段(表1)。1997年以前,流域的土地利用變化與黃土高原大部分地區一樣,以坡耕地為主體的耕地呈現為動態增加趨勢,而林地和草地處于動態減少狀態;1997年以后,隨著世行貸款項目和國家科技攻關計劃項目的實施,流域的土地利用發生了與黃土高原大部分地區不同的巨大變化,其主要特點是大規模的坡改梯和建立在坡改梯基礎上的土地利用結構調整。1988年流域的土地利用構成為耕地37.23%、林地34.15%、草地24.95%、果園1.96%、居民點用地1.72%,耕地中坡耕地的比例高達92.11%。到1997年,流域的土地利用構成基本保持了1988年的格局,不同之處是耕地、草地和園地較1988年有少量增加,增幅分別為1.83%、1.16%和1.75%,而林地減少了3.04%;增加的耕地主要為梯田和川壩地,坡耕地基本沒有變化。從1998年開始,燕溝流域堅持“通過坡改梯,在實現糧食自給的基礎上,退耕全部坡耕地;通過強化退耕坡地和荒坡草地林草植被建設,提高林草植被覆蓋率,使水土流失得到有效控制;通過改造和擴建蘋果園,發展商品性經濟林果業,提高農民人均收入”的指導思想,在明確各級政府、研究機構與農民等各參與者的職能定位和責、權、利的基礎上,通過近5年的持續努力,流域坡改梯、果園改擴建以及林草植被恢復等工程性措施相繼完成,到2003年,土地利用格局基本定型。2003年燕溝流域的土地利用構成為耕地17.09%、林地45.99%、草地16.82%、果園13.9%、居民點用地2.5%、水域0.4%、難利用地3.31%。與1997年相比,2003年流域耕地面積從1831.1hm2下降到了803.24hm2,實現了坡耕地全部退耕;果園面積從174.1hm2增加到了653.04hm2,是1997年的3.75倍;人工喬灌林地從1078.66hm2增加到了1781.19hm2,增幅達65.13%;荒溝坡草地從1224hm2減少到了773.3hm2,減少幅度達36.82%。5.2不同流域保水減沙效果燕溝流域坡改梯的水土保持效果主要體現在坡改梯后梯田相對于坡耕地的保水減沙、退耕坡地以及林草植被覆蓋率提高等方面。2003年流域坡改梯地形坡度的分布情況為:小于10°的坡改梯面積占31.76%,10°~15°占26.26%,15°~20°占30.59%,20°以上占11.38%。以上4個坡度段若分別按7.5°、12.5°、17.5°和25°時坡改梯保水減沙模擬值計算,則2005年燕溝流域的坡改梯全部種植玉米減少徑流量3610.56m3,減少泥沙流失量5896.60t,全部種植綠豆減少徑流量1919.49m3,減少泥沙流失量5177.02t。在林草植被方面,2003年與1997年相比,喬灌林覆蓋率提高了14.88%;若加上果園和草地,流域的永久性植被覆蓋率超過76%,較1997年增加了15.42%。隨著坡改梯和土地覆被的趨良變化,流域的水土流失狀況得到了明顯的改善。根據燕溝溝口的監測數據(表2),從1998年到2006年,流域的洪水徑流量和輸沙模數均呈現為顯著下降趨勢。按照王萬忠等關于黃土高原侵蝕性降雨的研究結果(即次降雨量大于9.9mm、10min降雨量大于5.2mm或30min降雨量大于7.2mm),燕溝流域1998—2006年期間各年份的侵蝕性降雨量在437.5~198.6mm之間呈不規則波動,而流域輸沙模數在總體趨于下降的過程中,前2年