黃土丘陵溝壑區(qū)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(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)發(fā)展的重要生態(tài)障礙。由于其脆弱的自然生態(tài)系統(tǒng)和長期人類活動(dòng)，以及水土流失和生態(tài)環(huán)境惡化，相關(guān)政府部門和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)引起了關(guān)注。20世紀(jì)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(xué)者認(rèn)識(shí)到退耕坡地應(yīng)是黃土高原水土流失控制和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的關(guān)鍵著力點(diǎn)。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(jià)持續(xù)上漲,我國的糧食安全問題再次成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。在黃土高原和長江上游等地區(qū)連續(xù)實(shí)施“退耕還林(草)、封山綠化、個(gè)體承包、以糧代賑”的“賑濟(jì)退耕”政策8年后,一些學(xué)者開始呼吁:國家應(yīng)對(duì)“賑濟(jì)退耕”政策進(jìn)行“囤糧于田”的戰(zhàn)略調(diào)整,宜及早采取規(guī)模性坡改梯和淤地壩建設(shè)的舉措。基于此,筆者以位于黃土高原腹地的延安燕溝流域?yàn)槔?對(duì)坡改梯作物增產(chǎn)、保水減沙效益以及流域坡改梯實(shí)踐效果等進(jìn)行綜合分析,希望能為黃土高原退耕坡地及早實(shí)施坡改梯戰(zhàn)略提供一些科學(xué)依據(jù)。1陰山山地氣候特點(diǎn)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(jí)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(gòu)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(qū)。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(xiàn),年際變化也很大。天然植被為次生梢林,破壞嚴(yán)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(tài),肥力低下。據(jù)實(shí)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(shù)為33.12t/(km2·a)。流域有14個(gè)行政村和一個(gè)隸屬于柳林街道的溝口區(qū)。14個(gè)行政村2006年底總?cè)丝?133人,人口密度為67.8人/km2。農(nóng)村經(jīng)濟(jì)以大農(nóng)業(yè)為主體,農(nóng)林牧并舉。2006年農(nóng)村居民人均收入為2168元,農(nóng)村經(jīng)濟(jì)收入主要來源于種植業(yè)和蘋果(MaluspumilaMill.)業(yè),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(xué)習(xí)方法1坡度單位信息基于GIS技術(shù),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(shù)字地形圖生成并提取地形坡度數(shù)據(jù)信息;根據(jù)土地利用和地形坡度分異特征,設(shè)定可供WIN-YIELD軟件讀取的地塊單元數(shù)據(jù)文件。地塊單元數(shù)據(jù)文件按地形坡度間隔2.5°增加一個(gè)地塊單元,在0~30°之間共設(shè)計(jì)了13個(gè)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(tái)站數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和距離研究地域最近的氣象臺(tái)站的逐日氣象數(shù)據(jù),整理并將其轉(zhuǎn)化為WIN-YIELD軟件能夠讀取的數(shù)據(jù)格式。3作物水文特性根據(jù)WIN-YIELD軟件初始界面數(shù)據(jù)讀入要求,輸入對(duì)應(yīng)的參數(shù)(包括耕地保水參數(shù)、土壤水分參數(shù)、地下水埋深、作物敏感度系數(shù)、作物生長期及時(shí)間、作物根系生長率)、數(shù)據(jù)文件及其他數(shù)據(jù)項(xiàng),模擬出不同作物在坡耕地和梯田條件下的作物產(chǎn)量、水文特征數(shù)據(jù)、泥沙流失數(shù)據(jù)結(jié)果。4坡改梯中的地形坡度變化難以消除的原因依據(jù)軟件模擬結(jié)果,對(duì)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(chǎn)量、產(chǎn)生徑流及泥沙流失量的差異,進(jìn)而獲得坡改梯中存在的地形坡度變化關(guān)鍵性閾值。5研究地域坡改梯前后的實(shí)證結(jié)果依據(jù)近年黃土高原實(shí)施的“賑濟(jì)退耕”政策特點(diǎn)以及研究地域坡改梯后的土地利用格局,從實(shí)證角度對(duì)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(shí)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(xiàn)狀圖。地形坡度圖來源于等比例尺的數(shù)字地形圖(1984年版)。土地利用圖包括1988、1997和2003年3個(gè)年份,1988年土地利用圖根據(jù)黃土高原綜合科學(xué)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(xué)院水利部水土保持研究所野外調(diào)研勾繪和航空照片解譯成果。涉及到的數(shù)據(jù)和參數(shù)主要包括經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、作物數(shù)據(jù)、地塊單元數(shù)據(jù)以及土壤屬性參數(shù)、地貌類型參數(shù)、土地利用類型參數(shù)等。經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù)來源于農(nóng)戶抽樣調(diào)查或鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)計(jì)資料。氣象數(shù)據(jù)為2005年延安氣象站(距燕溝流域中心點(diǎn)的直線距離約5km)逐日平均氣溫、降水量、降水歷時(shí)、云量、蒸發(fā)量、平均相對(duì)濕度、最小相對(duì)濕度、白天和夜間風(fēng)速9個(gè)指標(biāo)。模擬作物為玉米、大豆和綠豆。地塊單元主要根據(jù)燕溝流域地形地貌特點(diǎn),以反映地形坡度變化為主旨設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)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(chǎn)量2005年燕溝流域高程1100m處、坡向?yàn)檎舷驎r(shí),坡耕地種植玉米、大豆、綠豆3種作物的產(chǎn)量隨地形坡度變化的模擬值與相應(yīng)坡度條件下坡改梯后的作物產(chǎn)量模擬值的對(duì)比結(jié)果如圖1所示,縱坐標(biāo)坡改梯增產(chǎn)量是指梯田作物產(chǎn)量模擬值與坡耕地作物產(chǎn)量模擬值之差,即坡改梯增產(chǎn)量數(shù)值越大,表明增產(chǎn)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(chǎn)效益都呈增大趨勢,增產(chǎn)幅度依次為玉米、大豆和綠豆。對(duì)坡度為5°的坡耕地進(jìn)行坡改梯后,玉米、大豆和綠豆的增產(chǎn)量依次為30.5、11.0和2.0kg/hm2;15°時(shí),增產(chǎn)量依次為156.0、56.5和18.5kg/hm2;25°時(shí),增產(chǎn)量依次為374.5、109.5和49.5kg/hm2,分別較25°的坡耕地產(chǎn)量高出16.74%、5.58%和4.95%。4.2不同地形坡度對(duì)保水效益的影響圖2是2005年燕溝流域高程1100m處、坡向?yàn)檎舷驎r(shí),不同坡度條件下坡改梯作物產(chǎn)生徑流模擬值與相應(yīng)坡度條件下坡耕地產(chǎn)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(diǎn)呈現(xiàn)為:在0°~17.5°和22.5°~25°區(qū)間,保水效益都呈緩慢增加;在17.5°~22.5°區(qū)間,保水效益先急速增大,過20°后又急速下降。地形坡度5°時(shí),坡改梯玉米保水效益為0.117mm,大豆0.05mm,綠豆0.069mm;17.5°時(shí),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(shí),保水效益都達(dá)到了最大,分別為5.8、5.153和5.308mm;之后急速下降,22.5°時(shí)分別為1.282、0.465和0.667mm。關(guān)于20°左右坡改梯保水效益異常顯著的現(xiàn)象已被胡世雄等證實(shí)。4.3不進(jìn)行稻田改造的可行性圖3是2005年燕溝流域高程1100m處、坡向?yàn)檎舷驎r(shí),不同坡度條件下坡改梯種植3種作物土壤侵蝕模數(shù)模擬值與相應(yīng)坡度條件下坡耕地土壤侵蝕模數(shù)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(diǎn)呈現(xiàn)為:在0°~5°區(qū)間,坡改梯與坡耕地的土壤侵蝕模數(shù)幾乎是一樣的,表明地形坡度小于5°的坡耕地可以不進(jìn)行梯田改造;在5°~15°區(qū)間,坡改梯減沙效益呈持續(xù)增大趨勢,15°時(shí)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(shí)高出751、638和659t/(km2·a);在15°~20°區(qū)間,減沙效益急速增大,20°時(shí)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(shí)高出1989、1880和1901t/(km2·a);20°~22.5°區(qū)間,坡改梯減沙效益呈快速下降,22.5°時(shí)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(xiàn)為上升趨勢,到25°時(shí),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(shí)施坡改梯改造或退耕還林(草)。5邊坡重建的實(shí)踐效果分析5.1土地利用構(gòu)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(gè)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(qū)一樣,以坡耕地為主體的耕地呈現(xiàn)為動(dòng)態(tài)增加趨勢,而林地和草地處于動(dòng)態(tài)減少狀態(tài);1997年以后,隨著世行貸款項(xiàng)目和國家科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目的實(shí)施,流域的土地利用發(fā)生了與黃土高原大部分地區(qū)不同的巨大變化,其主要特點(diǎn)是大規(guī)模的坡改梯和建立在坡改梯基礎(chǔ)上的土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整。1988年流域的土地利用構(gòu)成為耕地37.23%、林地34.15%、草地24.95%、果園1.96%、居民點(diǎn)用地1.72%,耕地中坡耕地的比例高達(dá)92.11%。到1997年,流域的土地利用構(gòu)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(jiān)持“通過坡改梯,在實(shí)現(xiàn)糧食自給的基礎(chǔ)上,退耕全部坡耕地;通過強(qiáng)化退耕坡地和荒坡草地林草植被建設(shè),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(kuò)建蘋果園,發(fā)展商品性經(jīng)濟(jì)林果業(yè),提高農(nóng)民人均收入”的指導(dǎo)思想,在明確各級(jí)政府、研究機(jī)構(gòu)與農(nóng)民等各參與者的職能定位和責(zé)、權(quán)、利的基礎(chǔ)上,通過近5年的持續(xù)努力,流域坡改梯、果園改擴(kuò)建以及林草植被恢復(fù)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(gòu)成為耕地17.09%、林地45.99%、草地16.82%、果園13.9%、居民點(diǎn)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(shí)現(xiàn)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(dá)65.13%;荒溝坡草地從1224hm2減少到了773.3hm2,減少幅度達(dá)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(xiàn)在坡改梯后梯田相對(duì)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(gè)坡度段若分別按7.5°、12.5°、17.5°和25°時(shí)坡改梯保水減沙模擬值計(jì)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(jù)燕溝溝口的監(jiān)測數(shù)據(jù)(表2),從1998年到2006年,流域的洪水徑流量和輸沙模數(shù)均呈現(xiàn)為顯著下降趨勢。按照王萬忠等關(guān)于黃土高原侵蝕性降雨的研究結(jié)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(guī)則波動(dòng),而流域輸沙模數(shù)在總體趨于下降的過程中,前2年