貴州喀斯特坡耕地水土資源配置研究現狀及其展望

關智宏，顧再柯，楊光檄

(1．貴州師范大學中國南方喀斯特研究院，貴州貴陽 550001;2．貴州省水土保持監測站，貴州貴陽 550002)

貴州省地處我國西南喀斯特的核心區域，由于特殊的地理位置和強烈的地質構造運動，形成了該區特殊而且十分脆弱的生態環境。由于喀斯特山區碳酸鹽巖的廣泛分布及其特殊性，同時，貴州山區地面坡度大，成土速率極低，導致全區土壤貧瘠，土層淺薄［1］，加之，該區社會經濟的發展，人口的快速增長，對坡耕地的保護不足，導致坡耕地水土流失十分嚴重，水土流失與土地退化已成為制約該區農業乃至整個社會發展的重要因素。加快坡耕地水土流失綜合治理是當務之急。2010～2012年，國家發改委、水利部在全國開展坡耕地水土流失綜合治理試點工程建設，從2013年開始，正式開展坡耕地水土流失綜合治理專項工程。坡面治理工程的設計和施工關系到工程效益發揮，因此迫切需要對貴州喀斯特坡耕地的水土資源優化配置進行研究，為坡耕地的治理提供技術支撐。

1 水土資源優化配置概念和內涵

土地資源的優化配置是指為了達到一定的生態經濟最優化，依據土地特性與土地系統原理，依靠一定的技術與管理手段，對區域有限土地資源的利用結構和方向，在時空尺度上，分層次進行安排、設計和布局，以提高土地利用效率，維持土地生態系統的相對平衡，實現土地資源的可持續利用［2］。水資源的優化配置是指一定時期內，在有效、公平與可持續原則的基礎之上，在特定區域內對有限的、不同形式和質量的水資源，通過工程與非工程措施在各用水對象之間進行科學的分配［3］。水資源優化配置的研究始于20世紀60年代初，隨著水資源供需矛盾日益突出，而逐漸引起人們的重視［4－8］。水土資源優化配置是指在一定條件下，根據可持續發展和因地制宜的原則，依據水土資源的特性與系統原理，通過調整研究區域的內部結構和布局，制定合理的區域開發規劃，并輔以先進的技術手段，在時空尺度上對區域有限的水資源和土地資源進行合理的安排、設計、組合與布局，以提高水土資源利用效率，維持土地生態系統的相對平衡與區域生態系統的穩定，實現水土資源的可持續利用［9］。通過土地資源優化配置與水資源優化配置的有機結合，達到水土資源的合理配置，從而實現區域經濟效益、社會效益、生態效益的協調、統一。

2 貴州喀斯特坡耕地水土資源配置存在的問題

2．1 貴州喀斯特坡耕地水土資源配置的現狀 貴州省是我國西南亞熱帶地區喀斯特強烈發育的省份，可溶性碳酸鹽巖出露面積占全省國土面積的73%，95%的縣、市都有喀斯特分布［10］。由碳酸鹽巖風化形成的土壤，成土速度慢，土層淺薄，土壤貧瘠，易旱，植物生長緩慢［11］，加之貴州山區地形崎嶇，坡耕地面積占耕地總面積61．01%［12］。同時，貴州省年均降水量為1 100～1 300 mm，降雨量由南向北、向東、向西逐漸減少。農作物生長盛季(4～9月)的降雨量為780～1 270 mm，占全年降雨量的73% ～85%。≥50 mm暴雨日數每年平均3～4 d，多雨地區可達10～12 d;≥100 mm暴雨日數平均每年約為1 d。各地年均徑流深為300～1 100 mm，平均值為590 mm，大部分地區年均徑流系數為0．45～0．55。豐富的降雨量和徑流量，加之常有的大雨和歷時短的高強度暴雨，以及不合理的土地利用方式，為水土流失的發生發展提供了條件。由于喀斯特地區裸巖面積大，地面容易形成徑流，溶洞、漏斗、巖縫等又易使地表徑流變成地下徑流，從而造成該區水分不足，干旱嚴重［13］。降雨的時空分布不均，使該區的水土資源難以達到合理的利用。如何通過實施相應的工程技術措施，提高水土資源的綜合利用率是當務之急。

2．2 貴州喀斯特坡耕地水土資源利用中存在的問題

2．2．1 土地利用方式不合理。貴州省是全國坡耕地最集中的山區省份之一。土地資源調查結果表明，坡耕地占耕地面積的90%，大于20°坡耕地占18．17%。在坡耕地中，大于25°陡坡種植比例為20% ～30%的有23個縣，30% ～40%的有8個縣，大于40%的有7個縣［14］，坡耕地土地資源已開發過度(表1)［12］。同時，坡耕地的土壤十分貧瘠，主要表現在土層淺薄，土壤肥力低下，砂化、石質化、石礫化現象嚴重，障礙因素多。如貴州西部砂頁巖發育的紫色土耕層僅有12 cm左右，有機質含量 8．9 g/kg，全氮1．3 g/kg，全磷1．3 g/kg，全鉀54 g/kg，糧食生產能力低，平均不足1 500 kg/hm2，有的陡坡耕地甚至只有750 kg/hm2左右［15］。不合理的土地利用方式，加之施肥能力的低下，農業生產屬于掠奪式的經營方式。

表1 貴州省坡耕地開發情況［12］

2．2．2 水土流失嚴重。貴州省人地矛盾十分突出，人均耕地面積0．11 hm2/人，雖然高于全國人均耕地面積0．10 hm2/人，但耕地中坡耕地比重較大，土地質量差，耕作頻繁，復種指數較高，土地得不到休養，還存在順坡耕種的現象，坡耕地長期處于松散的狀態，極易產生水土流失。全省坡耕地面積246．23萬hm2，全部為水土流失面積，年土壤流失量16 303．16萬t左右，占全省水土流失總量的一半以上，是水土流失的主要策源地，特別是一些陡坡耕地，水土流失已達到強度以上。根據典型的喀斯特小流域觀測結果，平均土壤侵蝕模數高達3 022 t/(km2·a)，坡耕地平均流失表土10 mm/a［16］，所有坡耕地都有不同程度水土流失。

2．2．3 坡耕地治理工程中的水土資源配置問題。貴州喀斯特坡耕地治理措施主要有3種:①工程措施:包括以坡改梯為主的坡面工程措施和以坡面水系建設為主的溝道工程措施;②耕作措施:包括秸稈覆蓋、聚土免耕、等高種植等;③植被措施:目前主要為退耕還林還草，增加覆蓋度，防治水土流失。雖然3種措施在不同程度上起到了保水固土的作用，但對其投入與產出比等生態經濟效益的研究不足，而未能使水土資源達到優化配置，實現區域水土資源的可持續利用。例如，坡改梯較高的資金和勞動力投入、易垮塌及坡改梯后的高維護費用等問題往往不被重視［17－18］。對貴州坡改梯工程調查表明，因資金、技術和管理等方面的原因，工程質量未能得到保證，在暴雨等因素的誘導下，極易垮塌，影響該區農業的生產和發展［19］。同時，由于貴州喀斯特坡耕地土層薄、坡度大，地塊小而分散，并非每一塊坡耕地都能建成配套的坡面水系工程，通常只限于交通條件較好、耕地連片的地段［20］。普遍認為，較高的植被覆蓋率能夠有效防治水土流失，而這方面的研究主要集中在對農作物種類、種植方式和耕作方式的水土保持作用機理和效益的單項研究［21－22］，但對特定地區坡耕地種植制度，特別是雨季高覆蓋作物品種選擇，種植時間、種植結構、空間布局，以及種植制度與耕作方式相互配套的水土保持作用機理和功能研究較少［20］。因此，在研究和推廣坡耕地水土保持技術的同時，要加強水土資源優化配置的研究，實現區域水土資源的可持續利用，進而促進區域的可持續發展。

3 水土資源優化配置研究

3．1 研究現狀 人們已對水土資源的優化配置做過大量的研究，但大多是對水資源和土資源的優化配置分開進行研究的，而將兩類資源結合起來的研究還比較少，已有的研究也多偏重于水資源的配置，與土地資源的結合不夠。因此，對水土資源優化配置模型的研究一直是配置研究的重點。從數學方法上看，可分為基于系統工程的方法和基于系統動力學的方法;從模型應用目的上看，主要分為針對提高灌溉效率的模型、針對農業結構調整的模型，以及針對水土資源開發利用系統的模型［23－24］。

3．2 水土資源優化配置的原則 根據貴州省降雨時空分布的不均勻性、坡耕地的分布特點和坡耕地的利用現狀，以及坡耕地綜合整治的原則，堅持以坡改梯為主，坡面水系配套工程、林草措施與田間道路合理配置體系，控制水土流失，實現坡耕地水土資源的優化配置與合理利用，保證全省糧食與生態安全。因此，在水土資源優化配置中遵循的主要原則是:立足生態保護，即在水土資源的優化配置中首先考慮生態環境效益;統籌兼顧經濟效益，即在滿足一定生態要求的基礎上追求最優的社會、經濟效益，是保持已取得生態效益的基本保障;因地制宜，根據不同地區坡耕地的特征以及水資源供給條件，確定水土資源的最優利用方法［25］。

3．3 模型選擇 貴州省坡耕地為農業用地，而用于農業系統的優化方法較多，如線性規劃、目標規劃、多目標規劃等，由于農業系統中有很多不確定性的因素，灰色系統理論能夠很好地解決這類問題，因而選擇灰色線性規劃［26］方法來對水土資源進行優化配置。其基本形式為:

式中，X=［x1，x2，…，xn］T，為決策變量向量;C=［c1，c2，…，cn］為目標函數的價值系數向量;?(A)為約束條件的系數矩陣，A為?(A)的白化矩陣分別為?ij的下限和上限，?ij取其間任意值，每取一組白化值對應一組約束方程。

3．4 最優方案模型的篩選 采用灰色線性規劃獲得的是在不同投入水平、不同經濟技術條件下的一簇水土資源優化配置方案，還需對方案進行篩選來實現。模糊綜合評判模型可滿足這一要求，其表達式為:

式中，Pj為方案 j優劣度評判指數，j=1，2，3，…;Xij為相應方案的效益指標(包括生態效益和社會經濟效益);Ykj為相應方案的可行性指標;Wi、Wk分別為效益指標和可行性指標的權重，其值通過Delphi法(專家打分)來確定［27］。最終計算出P1、P2、P3等值，其中最大的所對應的方案為篩選出的最佳方案。

3．5 優選方案的空間落實 只有將水土資源優化配置的數據指標落實到空間上，才能為貴州省坡耕地生態建設與水土資源調整提供可參照的依據。近年來，“3S”技術的應用已成為人們研究的重點，如運用“3S”技術，建立農田水土資源配置輔助決策支持系統［28］，并在GIS支持下，將節水農業技術、耕作技術等與區域空間結構及資源環境條件有機地結合起來，實現區域水土資源的優化配置;應用GIS技術，從遙感影像及其他資料上提取具有地理空間屬性的數據作為水土資源優化配置的數據來源［29］，并與空間地塊單元進行匹配，獲得最優配置方法。貴州喀斯特坡耕地分布廣泛，綜合運用“3S”技術，同時與優選方案模型相結合，對貴州喀斯特坡耕地的水資源和土資源利用進行匹配，而最終使優選方案落實在坡耕地的地塊單元上，為坡耕地水土資源的優化配置提供支持。

4 貴州喀斯特坡耕地水土資源優化配置研究展望

在理論和方法上，以往的水土資源優化配置研究都有取得了顯著的進展，并且隨著社會和科學技術的進步而不斷完善，取得了很有價值的成果。但由于水土資源優化配置所涉及的不僅僅是兩種自然資源，而是一個由經濟、社會、生態、環境、資源、人口等因素組成的復雜系統，特別是可持續發展戰略的實施，以及面對貴州喀斯特坡耕地復雜的系統，對水土資源配置的要求越來越高。

4．1 模型的優化 水土資源優化配置模型采用的數學方法主要有一般線性規劃模型、灰色線性規劃模型、動態規劃模型、多目標規劃模型和SD模型等，但這些模型各有優缺點和應用范圍，仍有很多需要完善和改進的方面。該研究提出的灰色線性規劃模型與模糊評價模型相結合，雖然可以有效地得出較優的模型方法，但是貴州喀斯特坡耕地不同于其他地區的坡耕地，巖溶發育特別強烈，地形崎嶇，地質構造復雜。因此，在對其水土資源優化配置模型的選取與優化時，不能機械地運用其他地區的模型與優化方法，在前人模型研究的基礎之上，建立適合貴州喀斯特坡耕地的模型及其優化方法，應是亟待解決的問題。

4．2 注重宏觀和微觀的結合 宏觀尺度上的水土資源優化配置，主要從整體上對區域進行把握，在不同的側重點和主題的引導下，實現區域內不同行業和不同水土資源利用單位的優化，從而可以提高區域水土資源配置效率;微觀尺度上的配置，主要通過對更小區域的農作物生長與結構、耕作方式、農業灌溉措施等的優化，從而提高區域水土資源利用效率。基于貴州省特殊的地質地貌與氣候因素，在對區域宏觀尺度上水土優化配置的基礎上，對坡耕地進行因地制宜的微觀尺度上的優化配置，將兩者結合起來，可以有效地解決貴州省坡耕地的水土資源配置問題，實現生態效益與經濟、社會效益的雙贏。

4．3 專家、政府、社區的相互配合 實現貴州省坡耕地水土資源的優化配置，還應該將專家、政府、社區有效結合。在實地調研之后，專家建立有效的配置模型和分析因子，政府聯系和引導社區積極參與，將專家的方法和模型運用到實際當中，改變坡耕地的水土資源利用模式，在政府區域規劃的基礎上，合理配置坡面水系工程、林草措施和田間道路體系，實現坡耕地的可持續利用。

5 結語

貴州省國土面積中，山地占61．7%，丘陵占30．8%，盆地占7．5%，是全國唯一沒有平原的省份，其中山地和丘陵占全省國土面積的92．5%，是坡耕地集中分布的地區，加之貴州省人地矛盾十分突出，耕地面積中坡耕地所占的比重大，并且均為水土流失區，多為“三跑田”。因此，加強對貴州省坡耕地水土資源優化配置的研究，實現坡耕地水土資源的優化利用，變“三跑田”為“三保田”，對于貴州省未來的發展和人民生活水平的提高都具有重大的意義。

通過對貴州喀斯特水土流失現狀的分析和貴州喀斯特坡耕地水土保持措施的研究，認為實現坡耕地水土資源優化配置，最終實現坡耕地的保水固土及其生產能力的恢復，將會是貴州喀斯特坡耕地綜合整治的新的突破點。目前，關于喀斯特地區坡耕地基于水土保持的水土資源優化配置方法的研究較少，通過該研究，以期為一線工作者提供一種方法，為貴州喀斯特坡耕地水土保持工作的進行提供一種新的思路。雖然灰色線性規劃模型及模糊評判法對坡耕地水土資源優化配置有很好的指導意義，但貴州喀斯特坡耕地的特殊性，使得如何建立適合貴州喀斯特坡耕地水土資源優化配置的模型，并實現模型與貴州省喀斯特地區坡耕地結合而解決實際問題，有待進一步分析。

［1］林昌虎，朱安國．貴州喀斯特山區土壤侵蝕與防治［J］．水土保持研究，1999，6(2):109 －114．

［2］劉彥隨．區域土地利用優化配置［M］．北京:學苑出版社，1999．

［3］馮耀龍，韓文秀，王宏江，等．面向可持續發展的區域水資源優化配置研究［J］．系統工程理論與實踐，2003(3):133－138．

［4］吳澤寧，索麗生．水資源優化配置研究進展［J］．灌溉排水學報，2004，23(2):1－5．

［5］SCHREIDER S Y．Integrative modelling for sustainable waterallocation:Editorial notes on the special issue［J］．Journal of Environmental Management，2005，77(4):267 －268．

［6］SALMAN A Z，AL-KARABLIEH E K，FISHER F M．An inter-seasonal agricultural water allocation system(SAWAS)［J］．Agricultural Systems，2001，68(3):233－252．

［7］FRANK MESSNER，OLIVER ZWIRNER，MATTHIAS KARKUSCHKE．Participation in multi-criteria decision support for the resolution of a waterallocation problem in the Spree River basin［J］．Land Use Policy，2006，23(1):63－75．

［8］左其亭，陳曦．面向可持續發展的水資源規劃與管理［M］．北京:中國水利水電出版社，2003．

［9］姚華榮，鄭度，吳紹洪．首都圈防沙治沙典型區水土資源優化配置——以河北省懷來縣為例［J］．地理研究，2002，21(5):531－542．

［10］徐燕，龍健．貴州喀斯特山區土壤物理性質對土壤侵蝕的影響［J］．水土保持學報，2005，19(1):157 －159．

［11］韋啟播．我國南方喀斯特地區土壤侵蝕特點及防治途徑［J］．水土保持研究，1996，3(4):72 －76．

［12］林昌虎，解德蘊，涂成龍，等．貴州山區坡耕地綜合利用與整治［J］．水土保持研究，2004，11(3):211 －213．

［13］何騰兵．貴州喀斯特山區水土流失狀況及生態農業建設途徑探討［J］．水土保持學報，2000，1(5):28 －34．

［14］解德蘊．貴州省坡耕地的利用與整治探討［J］．耕作與栽培，2002(1):1－2．

［15］林昌虎．貴州山區坡耕地的利用與保護［J］．水土保持通報，1992，12(4):43－47．

［16］陳文貴．貴州省喀斯特地區解決小流域糧食問題途徑［J］．水土保持通報，1999，19(1):52 －55．

［17］廖曉勇，陳治諫，羅輯．農耕地坡改梯增值評價［J］．水土保持研究，2004，11(2):173 －175．

［18］朱鐘麟，卿明福，劉定輝，等．蓑草根系特征及蓑草經濟植物埂的水土保持功能［J］．土壤學報，2006，43(1):164 －167．

［19］蔡雄飛，王玉寬，徐佩，等．我國南方山區坡耕地水土保持措施研究進展［J］．貴州農業科學，2012，40(9):97 －100．

［20］葉紅，周蕓．四川坡面水系水土保持成技術應用簡介［J］．四川水利，2005(1):30－34．

［21］李成亮，何圓球，林天．種植制度對地表徑流的影響［J］．水土保持通報，2004，24(1):29 －31．

［22］袁東海，王兆騫，陳欣，等．不同農作措施下紅壤坡耕地土壤鉀素流失特征的研究［J］．應用生態學報，2003，14(8):1257 －1261．

［23］張漢雄．系統動力學在水土保持規劃中的應用［J］．水土保持通報，1996，16(1):124－129．

［24］張正棟．榆中縣灌溉型水土資源利用系統模型的調控與優化［J］．西北師范大學學報:自然科學版，1995，31(2):73－79．

［25］姚華榮，吳紹洪，曹明明，等．區域水土資源的空間優化配置［J］．資源科學，2004，26(1):99 －106．

［26］徐建華．現代地理學中的數學方法［M］．北京:高等教育出版社，2002．

［27］康慕誼，姚華榮，劉碩．陜西關中地區土地資源優化配置研究［J］．自然資源學報，1999，14(4):363 －367．

［28］徐東瑞，朱建軍．河北低平原農業技術體系與水土資源的空間配置研究［J］．河南農業科學，2003(8):45－47．

［29］姚華榮，吳紹洪，曹明明．GIS支持下的區域水土資源優化配置研究［J］．農業工程學報，2004，20(2):31－35．