黃土高原丘陵溝壑區典型小流域水土流失治理模式

袁和第,信忠保,*,侯 健,李宗善,楊 磊

1 北京林業大學水土保持學院, 北京 100083 2 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085

模式是指從不斷重復出現的事件中發現和抽象出的規律,是一個事物的標準樣式[1]。模式描述了在環境中不斷出現的問題,并將其解決方法歸納到理論高度。小流域水土流失治理模式即是運用多學科理論,以區域水土流失治理目標和社會經濟發展方向為指導[2],對治理措施組成、措施空間布置、措施之間功能搭配與鑲嵌組裝情況進行總結[3],詳細描述了該區域解決生態環境、社會經濟問題的核心,是在治理思想的經驗積累和實踐后,對流域水土流失治理的真實反映和高度概括[4]。例如蔣定生等[3]論述了黃土高原長城沿線風沙灘地丘陵生態脆弱帶綜合治理模式、黃土丘陵溝壑區綜合治理模式和黃土高塬溝壑區綜合治理模式；李生寶等人[5]認為在半干旱黃土丘陵區應以自然植被恢復、重點發展農業農村經濟為核心,并總結出庭院高效生態農業模式、坡面喬灌草空間配置模式和農林復合經營技術模式。

黃土高原位于亞洲大陸季風區,其獨特的氣候和土壤條件,加上人類長時間不合理開發,導致黃土高原成為世界上水土流失最為嚴重的地區之一[6]。水土流失問題不僅是嚴峻的生態環境問題,更深刻的影響了該地區的經濟社會發展[7]。近60年水土流失治理后,黃土高原植被覆蓋率已經上升到了2013年的59.6%[8],工程措施面積快速增長[9]；黃土高原地區徑流和輸沙量均明顯減少,黃河含沙量從1919—1959年之間的1.6×109t減少到小于0.1×109t,下降約90%[10-11]。地區社會經濟也取得長足發展,同時形成了大量成熟有效的水土流失治理模式。近30年以來,黃土高原不同類型區治理模式的構成內涵和服務目標方面已有大量總結工作[3,5,11-13],皆表明流域內水土保持措施的合理配置,能有效改善區域生態經濟條件,建立適合的水土流失治理模式,是小流域治理建設成功的保證。

黃土高原水土流失治理已經取得巨大成就,但水土流失仍是黃土高原最嚴重、最具代表性的環境問題,同時該區水資源承載力達到上限,為進一步開展生態修復及高質量發展工作[6-7],治理模式必將迎來調整[8,10,14]。現有黃土高原水土流失治理模式研究多以單流域、區域研究為主[3-5],缺乏整體上的黃土高原水土流失治理模式集成與總結,尤其在典型小流域水土流失治理模式野外調查基礎上的定量分析和治理模式總結。在黃土高原水土流失治理進入新時代背景下,迫切需要以多流域野外調查為基礎,開展黃土高原水土流失治理模式研究。本研究以黃土高原6個具有鮮明區域代表性的小流域,以野外實地調查為主,探究不同流域水土流失治理措施體系和治理現狀。以此基礎對治理模式進行梳理,從研究對象上比較不同區域水土流失治理模式的相似性、差異性,在自然條件和社會經濟需求等核心問題下探討流域水土流失治理模式的形成框架[15-16]。研究是對黃土高原水土流失治理模式的系統研究,可為新時代黃土高原水土流失治理新模式提出和黃河流域高質量發展提供依據。

1 研究區流域概況

調查的6個流域位于甘肅、陜西兩省,從東北到西南呈弧狀分布(34°38′N—38°47′N,104°29′E—110°22′E)(圖1),依次為神木六道溝、延安羊圈溝、安塞紙坊溝、慶陽南小河溝、天水羅玉溝、定西龍灘溝。研究區地處黃土高原水土流失最為嚴重的黃土丘陵溝壑區和黃土高塬溝壑區。氣候類型主要是干旱半干旱季風氣候,年均降水量在400—550 mm(表1)。水力侵蝕是研究區主要的侵蝕類型,治理前水土流失嚴重,流域內溝壑縱橫,水土流失速率可達5000 t km-2a-1以上。土壤以黃綿土為主,土壤黏性較差,滲透性強,保水性差。多年來水利部、中國科學院等科研院所對這些流域開展了大規模的水土保持與生態修復研究,旨在進一步探索不同生態經濟發展需求下的水土流失治理與生態恢復模式。

圖1 黃土高原水土流失治理模式調查流域空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of soil and water conservation model survey on the Loess Plateau

(1)陜西神木六道溝流域

小流域地處黃土高原的水蝕風蝕交錯區域,該區域是黃土高原侵蝕模數最大和含沙量最高的區域。脆弱的生態環境使流域形成了典型的蓋沙黃土丘陵景觀,為黃河下游河床提供了大量的粗沙。該流域是一個農礦業共同開發的特殊小流域,豐富的煤礦資源給流域帶來發展紅利的同時也帶來了環境上的損害,其治理模式包含著荒漠化和工礦業開發流域的治理精髓。

(2)陜西延安羊圈溝流域

流域屬于退耕還林示范市的延安,是生態恢復力度大,植被造林面積占比高的典型流域。同時流域內積極開展治溝造地工程,是土地可持續利用示范流域,其治理模式對需要進行大面積植被建設和生態修復的流域提供治理啟示,對流域增加可利用地的需求提供治理辦法。

(3)陜西延安紙坊溝流域

20世紀40年代該小流域迎來人口爆發,當地居民為了滿足增長的糧食需求大量開墾,致使當地生態系統遭到破壞,水力侵蝕嚴重,洪澇災害頻繁發生,阻礙了當地經濟發展[17]。其治理模式提供了一種以構建水土保持型生態農業為核心、優化流域產業結構的方法,治理上很好的兼顧了流域經濟發展和環境建設,構建了兩者之間相互促進的關系。

(4)甘肅西峰南小河溝流域

流域是黃土高塬溝壑區最具代表性的小流域,其最主要的特征是擁有面積寬廣而平坦的塬面,同時該流域有最長時間水土流失監測資料[18]。該流域治理模式是黃土高塬溝壑區中治理核心思想的體現,即積極協調塬面、溝坡治理關系,保證生態系統安全和區域經濟健康發展,也給需要發展旅游、科技示范園等產業的流域提供了治理思路。

(5)甘肅天水羅玉溝流域

流域溝深坡陡,地貌上屬于典型的黃土梁狀地貌。流域自1986年對降水、徑流和泥沙進行觀測[19]。流域內人口密度較大,對經濟發展有強烈需求,劇烈的水蝕和人為破壞使得流域治理難度大。該流域的治理模式較為注重經濟發展,積極利用當地優勢條件協調發展與生態建設的關系,緩解當地人地沖突的矛盾。

(6)甘肅定西龍灘溝流域

流域屬典型半干旱黃土丘陵溝壑區,海拔高達1900 m,其最主要的特征是降雨稀少、氣候干旱、水土流失嚴重。脆弱的生態環境嚴重限制了當地的經濟發展。20世紀50年代流域便開始水土流失綜合治理,治理上強調調和當地生態脆弱和經濟發展落后的矛盾,主要通過對稀缺的水資源攔蓄利用,大力發展水土保持型農業。

表1 研究區基本信息

2 研究方法

2.1 流域信息調查

本研究采用野外實地踏查法搜集各流域當地氣候情況、水土流失類型、水土流失現狀、經濟支柱產業等基本信息,對整個小流域進行全面考察記錄。

2.2 土地利用及水保措施識別

于2018年7—10月,以流域土地利用和水土保持情況的實地調查為基礎,根據分類體系簡化和合并[20],將6個調查流域的土地利用類型劃分為6個一級分類和17個二級分類；水保措施分類為植物措施、工程措施和耕作措施進行調查。以實地步行調查為基礎,在措施布設地詳細辨識了土地利用和水保措施類型。文中土地利用和水土保持措施數據皆是現場調查所記錄信息。

2.3 面積計算

利用基于Google API和Sogou API的跨平臺地圖瀏覽器,根據軟件系統的定位導航功能,以野外實地調查為基礎,在詳細考察整個流域時,利用衛星遙感地圖記錄考察路徑,在地圖上標記實地調查的土地利用類型和水保措施位置。在地圖瀏覽器實時的衛星影像上配合標記進行目視解譯,生成并導出KML格式文件,利用ArcGIS 10.2,計算出每個流域的各土地利用面積以及各水土流失治理措施面積和分布和措施平均高程、坡度。

3 小流域土地利用現狀及水保措施體系

3.1 流域土地利用組成情況

土地利用,是指人類通過土地的某些屬性來進行生產性或非生產性活動所采用的方式、利用的過程以及產生的結果[21-22]。一般來說,影響土地利用變化最主要的驅動因子是人類活動、生態建設、社會經濟發展等人為因素, 而自然因素的影響作用次之。對流域土地利用情況的解析可以反映出人與土地的交互模式和結果。流域內的土地利用方式、分布情況和比例大小,是經過治理后流域內生態環境、社會經濟和治理技術的綜合體現[23-24]。

如表2所示,總體上6個典型調查流域的主要土地利用類型為：林地(灌木林、有林地、疏林地,三者占調查流域總面積的46.7%,其中灌木林占11.6%)、草地(25.9%)和農地(17.7%)。林、灌、草、農四種土地利用的組成比例在6個研究流域中存在差異,各流域面積最大的都是林地和草地,都顯著高于農地面積占比(圖2)；每個流域50%以上的面積都是林地和草地,但不同流域中林草組成結構存在差異,例如6個流域中林地占總面積比最大為72.24%,最小才17.16%,而草地面積占比最大的為38.72%,最小為12.32%。

圖2 黃土高原典型流域的土地利用分類圖Fig.2 Land use classification map of typical small watersheds on the Loess Plateau

流域的林灌草面積比例反映了流域的治理側重,各不相同(圖3)。隨著降雨量的減少,林灌草面積組成結構表現為草地面積增多、林地面積減少,這是由于植被建設面積及組成取決于植物需水與流域供給的平衡。以水分條件最好和最差的兩個流域為例：(1)羊圈溝是典型的生態治理型流域,年均降雨量為535 mm,流域內植被建設面積占流域總面積的85.56%,農地面積僅占11.57%。羊圈溝有林地面積1.53 km2,占流域總面積的72.24%,是林地占比最大的流域,而草地面積為0.26 km2,僅為林地面積的1/6,是6個流域中草地占比最小的。(2)龍灘溝年均降雨量為386.3 mm,水分稀缺。草地面積為6.21 km2,占流域總面積的38.72%,是林地的1.5倍,是草地面積最大的流域。雖然喬木有更好的水土保持能力,但較草地相比有更高的需水量[25],在水分如此稀缺的環境下,大面積的種植喬木會導致水分供需失衡[8],致使流域干旱,因此草地和灌木是當地水土保持的主要植物措施。從6個流域的林灌草組成結構可以看出,在不同環境下“適地適樹”,靈活發揮各植被特性是植被建設的核心思想,在治理上應避免盲目種植大面積的喬木林。通過構建健康的生態系統,維持好植物用水與土壤水分與之間平衡,從而獲得最好的水土保持效益。

表2 典型小流域土地利用面積占比表

圖3 林灌草組成結構Fig.3 The structure of forest and grass

農地主要分布區域為梯田和壩地。農地面積占比最大的羅玉溝流域,農業用地面積為32.27 km2,占流域總面積的43.3%。羅玉溝南面大面積的緩坡長坡,保水能力強的土壤,良好的地貌條件為農業的發展提供了基礎；同時羅玉溝充沛的降雨量,日照充足、積溫較高,都為當地的果樹種植提供了良好的氣候條件；經濟上,羅玉溝人地矛盾、脫貧發展壓力大,因此農地面積所占比重最大,其中農田面積18.51 km2、果園面積13.76 km2。相反,經濟發展以工礦業為主的六道溝是農地面積占比最小的流域,農地面積為0.47 km2,占總面積的6.75%。

羊圈溝壩地的面積為0.13 km2,占總面積的6.14%,是壩地面積占比最大的流域。羊圈溝農業發展的空間受到大面積的林草措施擠壓,同時嚴重的水力侵蝕導致溝道下切,選擇修建淤地壩來保護溝道、穩固溝坡,增加可利用地同時能發揮出最好的生態效益。

3.2 主導治理措施類型

水土保持措施通過增加地表覆蓋、減緩地表徑流的產生,固水保土、改善土壤質量來提高生態系統服務功能[26],相比自然侵蝕條件下,水土保持措施的應用能改善植被生長狀況,極大程度的減少水土資源流失,提高流域生態系統服務功能[26-27],是遏制區域水土流失和土地退化態勢主要手段[7]。

在生產實踐中,將水土保持措施一級類型分為3類,即植物措施、工程措施和耕作措施[28]。凡是用種植和培育生物,增加地表覆蓋的措施稱為植物措施；必須用推土機、挖掘機、或人工修筑建造,而無法用一般耕作工具在耕作過程中完成的措施稱為工程措施,如梯田、谷坊等；凡是用犁地、中耕等耕作工具在耕作過程中完成的措施稱為耕作措施。6個典型小流域根據自身流域特點,將水土保持措施進行了適宜的搭配應用(圖4)。

圖4 黃土高原典型小流域水土保持措施類型和分布Fig.4 Types and distribution of soil and water conservation measures in typical small watersheds of the Loess Plateau

調查發現,黃土高原的植物措施以退耕還林、封山育林和荒山造林為主,植被措施雖然有更好的水土保持效益,但在黃土高原氣候條件下要維持高植被蓋度是非常困難,因此與工程措施的搭配至關重要[29]。在流域進行生態恢復的前期,工程措施能為植物的生長提供先行的水保功能,創造植物生長的環境,保障其正常發揮水土保持作用[26, 30]。黃土高原坡面水土流失治理主要工程措施包括梯田、水平階、水平溝(表3)。

梯田是最為常見的工程措施(圖5),6個流域梯田面積占總流域面積的20.7%。梯田的修建為發展農業提供了優質的耕作環境,是調節區域生態壓力和發展壓力的重要措施[29,31]。羅玉溝是6流域中梯田面積占比最大的流域,占流域總面積的58.35%,其梯田一般用作農地和果園地,各占18.5 km2和13.8 km2。梯田占比最小的是有煤礦開發的六道溝流域,面積占比僅占4.63%。野外實地調查發現,梯田能快捷的協助小流域經營模式的調整,如用于解決因退耕還林后人均耕地減少的問題以及坡耕地水土流失導致的土地生產力下降的問題。

圖5 調查小流域中的梯田措施Fig.5 Terrace in small watersheds

表3 主導措施面積表

3.3 治理措施的布設位置

生產實踐中流域治理措施的布設與地形地勢關系密切,與坡度關系尤其密切(圖6)。水平階、水平溝、魚鱗坑等措施布設坡位較靠上、坡度偏高,能夠減少工程量,發揮其最佳效果。水平階通常用于配合植樹造林,樹種以油松、刺槐為主,多分布在10—20°坡度之間,布設于在土層較厚、坡度較大的坡面。水平溝的布設更加靈活,運用形式更加多樣,通常布設于在方便施工的坡度(15—25°),以配合灌木和草本種植,能有效消減坡面徑流,創造適宜植物生長的土壤條件,樹種上多為沙棘、檸條等,草本以當地優勢種為主。魚鱗坑,因其土方量少、施工簡單、適用靈活的優點,適用于坡度在25°以上或坡面破碎、水土流失嚴重的區域。梯田多位于平均坡度在10—15°之間的緩坡位和中下部坡位,多分布于溝道兩側和村莊附近,常配置地埂防護林用作耕地和果園。水土保持林的配置多在風蝕較弱、水分條件較好的緩坡和溝坡。溝道治理以谷坊、淤地壩等攔蓄措施,配合溝道防護林為主,用以減緩溝坡溝道的侵蝕,增強流域水土資源的利用。

圖6 6流域措施平均高程坡度Fig.6 The average elevation and average slope of the major measures

4 水土流失治理模式

水土流失治理模式,是流域在應對生態系統破壞和退化,并滿足區域經濟發展的治理思想、方法和技術的集成,是生態需求和經濟需求相互協調作用后的產物,是水土流失治理措施體系在小流域水土流失治理工作的高維體現。通過對小流域的生態系統、經濟系統和社會系統進行系統分析和調查,結合小流域的水土流失治理措施體系,總結了以下6種小流域水土流失綜合治理模式。

4.1 黃土高原丘陵溝壑區治溝造地模式

陜西延安羊圈溝流域屬于黃土高原丘陵溝壑區治溝造地模式。流域地處退耕還林示范市,林地面積(1.53 km2)占流域總面積的72.24%,退耕力度大。流域植樹造林工程推進導致林地面積急速增多,草地、耕地的面積減少[32]。因此為了解決因退耕還林后耕地面積減少的問題,流域開始推廣治溝造地工程,壩地建設面積已達流域總面積的6.14%,有效了增加耕作方便的高標準農田面積,實行退耕、林、田、壩、路、渠、排水、產業的綜合開發。

模式按照“山上退耕還林、山下治溝造地”的空間布局立體整治[33]。梁頂上以耐旱的灌木和喬木種如檸條、沙棘、側柏等構建防護林,為保證造林存活率選擇搭配魚鱗坑、水平階等整地措施。坡面治理以全坡面生態恢復為主,構建植被防護體系,在陡峭、破碎的坡面形成規模種植草、灌,以加固坡面；在坡度較緩、連貫的坡面開展水平階造林,充分發揮喬木優秀的保水固土能力。25°以上的坡耕地進行全面退耕,作為代替在人口聚集處密集處發展梯田農業。

溝道中構建壩地系統,層層攔蓄防控。充分發揮淤地壩優秀的攔蓄能力,對水沙資源進行利用造地。為穩固邊坡,增加耕地面積,在主溝道兩側以及特殊陡峭部位采取分級削坡填溝。同時構建防洪系統,增強區域的抗洪能力,主要通過在溝道中修建排洪渠、溢洪道,邊坡修建截排水溝,用以協調提升流域治理措施攔、蓄、排、灌的能力,實現壩地農業的高產穩產。

該模式適用于以農業開發為主、擁有良好治理基礎的流域,模式以解決生態修復中出現的人地矛盾為核心,是“兩山精神”的體現。模式既包含對生態建設成果的保護,又保證農業用地面積,同時平闊肥沃的壩地種植能減少農民支出,使得該模式的實施推廣得到農民的理解支持,是新時代脫貧攻堅和生態建設等要求指導下的成功經驗。

4.2 風蝕水蝕交錯區防蝕固沙模式

六道溝流域位于晉陜蒙風蝕水蝕交錯帶的強烈侵蝕中心區,是典型的蓋沙黃土丘陵地貌,草地沙化、土壤退化嚴重。因其礦產豐富,95%以上的男性勞動力都投入到煤炭產業中[34],產業變更深刻影響了流域內治理方式和土地利用結構。

20世紀60年代,流域開始推動農業耕作條件的改善,經歷“三北防護林”建設后,一些研究者認為應控制流域內喬木數量[34-35]；在村民支持退耕還林、工礦業高紅利的大背景下,流域內耕地面積開始快速減少、林草面積迅速增加,逐漸形成強調建造植被、優化植被結構和優化農田結構來高產穩產的治理思路。治理上以防治水蝕風蝕為中心,配合工礦業開發,為區域經濟環境可持續發展創造條件。在流域風蝕水蝕逆境下,流植被建造的主要矛盾是干旱缺水[35],因此流域植物措施以灌草為主,減少使用高耗水的喬木,形成了植被建造面積中28.85%為灌木、36.84%為草地、16.79%為喬木的格局。

坡面植被防護體系構建上,在撂荒地、退化草地上以水平溝種植草灌為主,采用灌、草間作增加地表覆蓋率；在坡度較緩、連續的坡面興修梯田,但因人口減少和從農意愿降低,控制梯田面積,僅保留條件較好、離村莊較近的梯田發展農業,其余皆優化為生態恢復,優化面積占梯田總面積的43.75%。蓋沙區治理上在水分條件較好、地勢平坦的區域構建密度適中的防風固沙林；在水分較差、坡度較大的區域采取沙障固定。開發區治理主要以礦區恢復和園區綠化為主,重點是加強對工礦開發、環境保護的法制管理。溝道治理主要是建設塘壩和淤地壩,合理搭配上溝道防護林,通過壩地高效農業的構建,既促進坡面耕地的退耕,減少梯田的管理支出,又積極適應了區域勞動力變化趨勢。

依靠先天煤炭資源優勢,六道溝小流域發展了高紅利的煤礦業,擁有良好的經濟基礎,因此農民這一主體對當地生態建設的熱情減少,導致精細化的果樹管理、梯田種植、措施維護和后續配套保障體系實施的投入變少。該模式形成了依靠植被建設構建防災減災、防風固沙體系的治理思路,溝道中的沖蝕防治技術應用和淤地壩布設,提供了高效的壩地農田,在滿足當地生態安全建設的同時滿足當地基本的糧食需求。流域因發展礦業,勞動力轉移,導致需要精細化管理的梯田等水土保持措施粗放化,但該模式注重以治理促發展,以發展保治理的流域發展方向,有效的解決了這一問題。

4.3 生態經濟友好型水土保持生態農業發展模式

從1973年開始,為應對人口增長、無節制開墾帶來生態環境嚴重的破壞,流域內通過水土流失綜合治理,經歷開始—平穩—良性發展等三個階段,先后滿足流域居民生存和長期發展的需要[36]。流域治理從僅注重水土保持和生態修復向構建生態經濟的良性發展轉變[37-38],農林牧結構從1991年的1∶2.5∶0.8、2008年1∶6.0∶4.3演變到現在的1∶5.2∶2.2。治理上協調經濟發展和環境治理之間的關系,調整產業結構發展養殖業、果業等逐漸減弱農業需求壓力；調整耕地結構發展梯田、壩地來提高農業資源生產能力,發展經濟和治理環境兩手抓,促進流域農業經濟系統和農業生態系統的有機統一。

該治理模式主要包含農林復合發展和生態防護體系構建。農林復合發展體系的構建是以村莊為輻射核心,修建水窖、排水渠等小型水利措施發展庭院經濟。在環村莊的緩坡上修建梯田營造高效農業,同時在梯田周圍構建水平溝灌草防護林,形成農林間作體系。流域以水熱資源配置合理利用、強化降雨的就地入滲為核心,優化農林果業的布局；通過優化道路系統,促進農、林、畜牧養殖的多元產業發展。在保護生態的同時,加強經濟林管理和管護,保證果品產量質量。

生態防護體系是通過措施布設構建以生態修復為主的治理體系,布設區域在流域嚴重的水土流失區域,主要是難以發展農業、遠離村莊的區域。遠離村莊的流域上游和下游位置,以植物措施為主,工程措施為輔,對區域進行全面生態修復。在緩坡地進行退耕還林還草,在大于25°的坡面、上坡位構建水土保持林,退化嚴重的區域使用整地措施種植草灌。

該模式的主要特征是兼顧生態效益與經濟效益,生態修復和發展經濟兩手抓。流域內部耕地結構的調整有效提高了農業資源生產能力。同時積極調整產業結構,通過發展果業、養殖業等多元產業,使各類農副產品不僅可以滿足流域內農民需求,還有一部分富余能用作社會商品,可以提高農戶的收入。流域經過治理后,各項措施用地比較合理,形成了通過協調環境治理和經濟發展,促進流域農業經濟系統、農業生態系統有機統一的模式。

4.4 黃土高塬“三大體系”多元發展治理模式

南小河溝流域是典型的黃土高塬溝壑區,土壤侵蝕導致塬區面積的萎縮是其主要治理問題。經過60多年的水土流失治理,流域治理從單純水土流失治理變化到治理與開發相結合發展,形成了構建多層次穩固體系,以服務塬區發展、保護塬區面積為核心的治理模式。

塬區治理、溝坡治理和溝道治理治理體系稱為流域的“三大體系”,流域治理上三大體系互相支撐、互相影響,目的是減少徑流線從上往下的流動[39]。

塬區治理體系以減少徑流產生和下泄為核心,形成路、田、林攔蓄體系。通過種植道路防護林、農田防護林來構建塬區防護林網帶；依靠建設水渠、水窖、澇池,構建塬區徑流調控體系,在塬面緣上構建植物地埂,加強對塬面徑流攔截。

溝坡治理主要通過水平溝、水平階等整地措施,集水造林種草,配合耐旱牧草、護坡林的種植穩固坡面,加強降雨的就地入滲；溝道治理通過修建谷坊、淤地壩攔沙淤地,搭配溝道防護林,抬高侵蝕基準線,加固溝坡。三個體系互相配合,為相鄰體系的水土保持提供基礎。

該治理模式實現了環境、糧食、旅游、教育、文化的多元發展。治理后在塬區發展農業、果業,溝道修建水庫發展漁業,把握流域良好的水、林環境資源開發旅游業。生態旅游的發展能為流域治理注入血液,使創收與治理兼顧,改變流域治理只投入的現象。景區與科技示范園的積極建設,有力推動當地生態文明的建設進程。

4.5 梯田特色果業開發模式

模式來源羅玉溝流域,屬于黃土高原丘陵溝壑區。人口密度大、貧困人口多是流域內一大問題,該流域1986年的人口為16066人,2004年增長到19019人,年增長率為0.83%,同時人口增長伴隨生態修復工程的實施,1986年到2002年間,人均耕地從0.33 hm2減少到0.24 hm2,年減少率達6.25%[40-41]。小流域治理前基本屬于掠奪式經營,為解決嚴重的水土流失問題,避免無節制的開墾導致的環境退化,緩解流域人地間的矛盾,流域采用以梯田利用為主的特色果業開發模式,有效的使流域內低值林草農向更高值的果蔬轉移,平衡區域內農民脫貧致富與生態建設兩方面的需求。

治理上梁、坡、溝綜合治理,層次分明,大力發展果業。梁上構建生態防護林,防治梁面水蝕風蝕,有效減少水沙下泄,從而為流域內果園等產業的發展創造良好的生態環境；通過對緩坡坡面梯田化(梯田化面積為43.4 km2,占流域總面積58.35%),加強降雨就地入滲,攔蓄徑流,同時高效利用雨水資源集雨灌溉,為發展果園產業提供優質的水肥條件和生長環境。流域氣候適中、光照時間長,是黃土高原最適合發展果樹種植的區域之一,通過營造梯田種植體系,構建了大櫻桃、蘋果、核桃等特色林果基地。種植措施上利用起壟覆膜(地布)、果實套袋、合理間作套種、抗旱保墑、病蟲害綜合防控、改良土壤等高新技術,提高產果質量和經濟收入；開發措施上優化產業結構、培養專業團隊、建立高新示范園區,為流域的果業發展創造完善的治理—種植—經營銷售鏈。

流域溝道比降較大、深切狹窄,在溝道治理上選擇防治效果較好、工程量較小的中小型攔蓄工程,同時在溝頭、溝道兩側、溝底種植溝道防護林,結合植物措施控制溝頭前進、溝岸擴張和溝道下切。

模式能有效改善流域經濟收入,為解決流域人地矛盾,提供了開發和治理思路。通過積極發展特色經果業的開發思路,貫徹“因地制宜,因害設防,綜合利用,為農業生產服務”的思想,把水土流失治理、改善生態環境同合理開發利用土地、提高經濟效益統一起來[42]。利用梯田優秀的攔蓄能力,充分利用水土資源創收。治理思路上護梁、保坡、固溝并行,梁頂、溝道等在不適宜進行開發的部位營造生態防護林,坡面構建梯田為主的坡耕地改造,保水保土,在人類發展空間和生態修復和之間創造平衡。

4.6 半干旱半貧困水土資源高效利用模式

流域屬于半干旱黃土丘陵區,降水較少,蒸發強烈,水資源短缺是該地區植被恢復和生態建設最主要制約因子[35,43]。在隴中地區脆弱生態環境下形成的旱作文明是該地區農民賴以生存的傳統產業、基礎性產業和支柱性產業[44]。土地是流域內農民的零成本資產,也是流域內農民穩定生存和可持續發展的先決條件。但流域人口增長與過度開墾問題、嚴酷的自然條件、極端脆弱的生態環境,都導致流域嚴重的水土流失和土地生產力下降,使以農耕為基礎產業的流域進入越墾越窮的惡性循環。在退耕還林等生態修復工程的實施后,流域內人均耕地面積又面臨減少的問題。因此為了滿足改善脆弱的生態環境、緩解人口增長壓力的雙重要求,該治理模式以水資源的高效利用為核心,通過對自然降雨的科學管理緩解流域干旱,采用集雨節灌使自然降雨就地入滲,減少水土流失,從而改善流域內生態、農業環境。

流域治理主要以坡面和村莊道路治理為主。坡面的治理上,對坡度25°以上的區域,進行全面的退耕還林還草。在荒蕪溝坡區,修建構造魚鱗坑、水平溝、水平階等工程整地措施共計3.99 km2,占到流域總面積的24.8%,結合植物措施構建蓄水固土為主要目的的水土保持體系。以當地實際水分條件出發,在坡度較大的區域,采取水平溝、水平階等工程措施整地,營造以灌木為主的灌草間作,改善土壤水分和養分條件,為坡面的穩固防護體系建立提供基礎；在坡度較緩的區域,配合整地措施,種植密度適中的油松、山杏等優勢抗旱植物種。農田區建設以坡改梯為核心,全面改造坡耕地為梯田,流域內梯田面積已達6.18 km2,占流域總面積的36.49%,梯田化程度達到96.5%。同時將糧食地膜種植等旱作農業適用技術進行推廣,配套抗旱集雨節灌工程,建立“兩高一優”(高產、高效、優質)農業,將當地農業生產從廣種薄收向少種高產多收發展,解決當地貧困問題[45]。在村莊道路等的治理上,通過修建排水渠、澇池、水窖等集水蓄水措施來攔蓄降水,解決人畜用水與農田灌溉,發展庭院經濟,充分高效的利用該區域的水資源。

類似龍灘溝這樣以農業產業為主要支柱、半干旱半貧困的流域,發展轉型困難。在當前我國對區域脫貧攻堅的要求下,提高當地的農業生產力水平、充分改善當地農業的生態環境、緩減人地矛盾是發展流域農業經濟的首要問題。該模式通過構建水資源高效利用體系,深入發掘流域的自然資源潛力,采取主動抗旱、以水治旱、高效利用的治理思想,積極發展高效高產的可持續農業。

5 水土流失治理模式形成機制

流域水土流失治理模式的形成受到自然地理環境和社會經濟發展情況的共同驅動,具有長期性和復雜性。因此確定流域的水土流失治理模式,是開展流域水土流失治理過程中重要的基礎性工作。

圖7 水土流失治理模式的形成框架Fig.7 The formation framework of soil and water conservation model

流域的水土流失治理模式需要綜合考慮整體和局部、生態和經濟、長期和短期、個人和集體等問題,由流域自然地理、人文、社會經濟狀況共同決定,具有明顯區域自然資源特色和顯著的階段性。因此流域的治理模式是一個動態的治理過程,會隨著流域的治理需求和文化經濟發展方向的變化而變化,在治理過程中對治理措施配置進行適當的調整,對流域水土流失治理的空間配置、生態可持續發展方案進行逐漸的細化(圖7)。立足于流域地理區位條件,從國家生態建設理念、當地政府以及流域所在人民實際需求出發,將流域水土流失治理、區域生態環境保護和社會經濟發展結合來確定流域發展的主導方向,包括保護為主、保護與開發兼顧、開發為主等不同類型。充分考慮流域氣候、地形、土壤、植被等自然地理條件,尤其是水土流失治理現狀,診斷當前所存在主導性生態環境問題和主要生態、社會經濟需求。以流域空間分區為基礎,確定各分區功能定位和水土流失治理方向,確定與之對應的治理措施,形成流域水土流失治理模式。

5.1 水土流失治理模式的比較

黃土高原不同流域的水土流失治理模式存在眾多共同點,這是由于相似的自然地理特征和生態環境問題所決定的。從出發點上,黃土高原水土流失治理的終極目的都是改善環境,創造人與自然和諧可持續發展的環境,從而改善人類生存和發展空間。從治理技術上,徑流調控都是流域水土流失治理的核心,都是通過林草措施和工程措施相互配合來改善生態環境的技術手段[5,10-12],工程措施主要以梯田、淤地壩發展經濟[33,37]。措施的布設上都是以村莊為中心向外輻射,靠近村莊的多布設為交互型措施,例如梯田、經濟林；遠離村莊的為恢復型,例如封禁、生態林。

但在不同的小流域環境下,水土流失治理模式有不同的表現形式,其治理模式存在差異性[11,29]。治理技術上,降雨多少區分了水土保持工作中流域徑流調控的內涵,降雨較為充沛的流域強調蓄水、保土更多,降雨少的流域更加強調水資源調控和保水。在目的上,根據當地環境構建不同的特色發展方向,不同流域細分為不同需求,例如水土流失治理型、山地災害防護型、經濟開發型等,治理上各有重心。

5.1.1黃土高原水土流失治理的相似性

在水土流失治理上,黃土高原上不同流域存在著眾多相同點,這是由水土流失治理以人為本的本質決定的。

從出發點來看,黃土高原流域水土流失治理有個兩目的。一是修復由于人類不合理活動導致的自然環境的破壞,例如大面積的、不合理的土地開墾使生態環境遭到破壞,導致農業生產基礎缺失,迫使流域發展陷入越墾越窮的怪圈；二是流域治理是為區域的發展和生產建設服務,貫徹“兩山”精神,治山、水同時也要治窮。總的來說,黃土高原水土流失治理的終極目的是改善生態環境,從而改善人類的生存發展空間。

從指導思想上看來,黃土高原的流域治理都遵循因地制宜、因害設防的總體方針。將流域視為整體進行規劃,強調山水林田湖草統籌,綜合、集中、連續治理,預防與治理并重。流域建設發展始終秉持可持續發展、高質量發展、以人為本的理念,治理上都嚴格遵循生態科學的思想指導,以徑流調控、水量平衡等科學理論作為支撐。

從流域治理技術體系上,徑流調控都是各流域水土流失治理的中心,通過植物措施和工程措施的搭配,來改善生態環境,協調生態環境治理和社會經濟發展。黃土高原小流域治理在工程措施和植物措施的搭配都是相似的,植物措施與工程措施相結合,草灌先行、坡溝皆治；植物措施,一般會配合魚鱗坑、水平階、水平溝等整地措施實施；工程措施以梯田、淤地壩等攔蓄措施為主,提高作物產量、緩解區域人地壓力的同時對流域生態修復做出了巨大貢獻。措施布置具有相似的垂直結構和水平結構,垂直結構上以流域為整體,根據地形地貌特點,從山頂到溝底配套相應的植物、工程和耕作措施；水平結構上以村莊為中心輻射,例如梯田、經濟林等需要人類活動參與的交互型措施布設在村莊周圍,恢復型措施如封禁、生態林等遠離村莊布設,措施布設上形成一個完整的治理技術體系。

5.1.2黃土高原水土流失治理的差異性

黃土高原不同的流域環境下,水土流失治理模式有不同的表現形式。根據不同小流域的生態環境現狀、社會經濟條件和自然資源稟賦,流域有不同的生態系統健康問題和生態系統退化驅動力。治理模式按照流域治理目的可大致分為生態型小流域、經濟型小流域和綜合型小流域。

(1)生態型小流域

生態型小流域主要以治理為主,在治理上側重滿足流域的生態和社會效益,其水土流失治理技術體系多以植物措施為主導。流域在進行綜合治理后,糧食產出和經濟發展能基本滿足流域內農民的需要,人類活動對流域的生態環境擾動變小。例如羊圈溝流域,進行良好的生態治理后,林地面積已占流域總面積72.24%,農民的生活生產已變為流域內和諧的一部分。生態型小流域的基本特征是有較高的植被覆蓋率,以服務生態建設為主指導土地利用,治理上注重流域的生態效益。

(2)經濟型小流域

經濟型小流域,是指在流域的綜合治理上偏重于配合和支持區域的經濟建設和發展,以梯田、耕作措施等治理措施的建設為主,提高土地生產力,使流域內的產出不僅能滿足流域的內部經濟需求,還能以市場交換轉變的形式為社會商品。例如羅玉溝流域通過興建果園,流域內農民的年凈收入從2000年的831元,增加到2005年的1205元,僅通過種植美國大櫻桃年收入就達8000多萬元[41]。該類型流域基本特征是依托梯田、淤地壩等工程措施的建設,能提高土地生產力,擁有較發達道路系統,植被覆蓋率相對較低。

(3)綜合型小流域

綜合型小流域的主要特征是兼顧經濟效益和生態效益,流域內農副產品的產出,不僅能滿足農民的需求,還有一定的富余可以用作社會商品,流域經過治理后各項措施用地和分布比較合理。以紙坊溝流域為例,以耕地結構調整為手段來提高農業資源的生產能力,通過產業結構的調整,多元發展農業、果業、養殖業等產業,協調環境治理和經濟發展的關系,促進農業經濟系統和農業生態系統的有機統一。

5.2 自然條件對流域水土流失治理的影響

5.2.1氣象水文的影響

水土資源作為水土保持中的主體,是自然環境中的重要組成部分,對其治理和保護的行為模式被氣候條件深刻影響[7,14]。水土流失治理則是通過對可控因素的改造,去適應無法顯著改變的自然因素(如降水、溫度等氣象因素),來滿足區域治理和發展需求。通過比較6個流域水土保持措施種類、數量關系發現,降水量深刻影響著植物措施的結構種類和數量關系,降水量充沛的流域會優先使用高耗水但水保效益更高的喬木,其他學者的研究結果也反映了這一現象[39,41]。植物措施與工程措施的結合就是通過改造地形,適應無法顯著改變因素[26,29,32],通過發揮梯田、水平階、水平溝、魚鱗坑等的攔蓄能力,確保植物措施能正常的發揮其水土保持效益。

降水影響著植被措施的組成結構。植被措施中喬灌草比例結構隨著降水量的變化而變化,降水量越充沛的流域,喬木比例更高。選擇高耗水的喬木在水分條件好的地方建設植被,相比灌草,能發揮出更良好的土壤和小氣候改良能力,例如年均降水量較高的和紙坊溝流域(548.7 mm)和羊圈溝流域(535 mm),林、灌、草比例分別為4∶2∶4、5.6∶0.6∶3.8；而在降水稀少的流域,草地通過更低的耗水來改變下墊面環境,保護水土資源,充分體現“因地制宜”的治理思想,年均降水量較低的六道溝流域(437.4 mm)、龍灘溝流域(386.3 mm),林、灌、草比例分別為2.1∶3.6∶4.3、1∶3∶6,其灌草占比明顯更高。退耕還林工程后,羅玉溝流域由于林地面積變多,導致平均徑流量從 0.96 m3/s下降到0.88 m3/s[41],反映了治理措施的選擇應遵循水量平衡原理,若不考慮流域實際情況選擇植物措施,很可能會導致植物的需水大于流域的供給。

溫度深刻影響區域農業生產方式。根據Xiao等[46]的分區,調查的6個小流域中,羊圈溝、紙坊溝、南小河溝和羅玉溝處于黃土高原的高溫多雨區,六道溝、龍灘溝處于低溫多雨區。高溫區較高的溫度會使植物內部的化學反應加快,植被的生長季更長；低溫多雨區海拔高,植被因為更低的氣溫導致植被生長季較短,植被蓋度的增加較為困難。日照時間長、溫度較高的流域,以羅玉溝流域和紙坊溝流域為例,其年均溫分別是10.7℃和8.8℃,良好的溫度條件為流域種植業的發展提供了基礎,流域可以構建梯田農地來優先發展果業、農業等。同時溫度也是流域內措施布設的影響因素之一,羅玉溝在東坡的果園面積,占流域總面積百分比從6.98%變化至30.00%,和其它坡向相比有大幅度提升,這是由于在果園建設中,向陽面的東坡可以為果樹提供更長的光照時間,從而使果園高質增產[41]。

5.2.2地形地貌的影響

針對不同地貌位置水土流失特點布設有效的水土保持措施。在坡頂等水分條件較差的部位,風蝕水蝕更為嚴重,該部位會優先構建方便施工的工程整地措施,例如使用水平階構造防護林帶,能有效攔蓄降雨,緩解徑流對坡面的沖刷,同時為坡面植物措施的構建創造良好的生長條件,有利于水土保持措施長期發揮固土保水效益。在坡中部位,水分條件、交通條件較好,通過梯田的修建來改變坡中小地形,截斷坡面的徑流線,促進降雨的就地入滲,從而發展高效穩產的梯田農業；在進行耕作時利用水土保持耕作措施,同時利用植物措施加固梯田田坎,三位一體蓄水保土、增加降雨入滲、減少水分蒸發。在坡下位水分條件較好,良好的水分條件為喬木生長提供了保障,可以構建水土保持林等措施。

坡度是退耕還林還草的重要標準。當坡面平整、坡度平緩(≤l5°)的條件下,可整修緩坡梯田用于發展經果林,配合防護林帶的種植,構建農林復合經營體系。坡度稍大(>15°),可采用工程整地,利用魚鱗坑、水平溝和水平階等方式,選擇種植合適的樹種。

在特定退化條件下,根據該區域的治理目的和特殊需求,適地適樹,因害設防的靈活選擇布設手段。例如六道溝流域的蓋沙區治理,采用死沙障對水分條件較差的坡頂部位流沙進行固定,在水分條件較好的坡中部位,選擇構建防風固沙林和活沙障的方法。為防治沙區的擴張,防治現有植被的退化,植物種的選擇上以抗干旱抗貧瘠為主,來改善沙區的土壤環境。

在溝道治理上,對于降水量較大,坡面水蝕和溝道沖刷劇烈的流域,為防治坡面徑流對溝道的沖刷,通常選擇建造淤地壩,通過攔蓄泥沙抬高溝道的侵蝕基準面,同時對溝坡進行加固,與坡面治理相互配合。類似流域有羊圈溝、南小河溝等流域。在降雨量稀少、在水土保持措施作用下坡面產流少、防洪壓力小的流域,淤地壩不是最佳選擇。如龍灘溝流域,實地調查發現,當地降水稀缺。溝道狹窄呈“U”狀,在該流域淤地壩并不能充分發揮其攔蓄作用,該流域的溝道治理上主要是減少人類活動干擾、以自然恢復為主。

5.3 社會經濟對流域水土流失治理的影響

5.3.1水土流失治理受到治理效益的需求影響

水土流失治理工作不僅是單一的減少流域水土流失,更蘊含著流域高質量可持續發展的核心思想,流域發展需求決定著水土流失的治理方向[11,13]。流域的治理需求各不相同,可分為三個階段。基礎階段是在強烈侵蝕條件下,流域內對生態環境退化的恢復需求,該階段的治理以減少水土流失、防災減災、改善生態環境為主,驅動環境恢復進入良性循環；第二階段是在水土流失得到有效治理后,將生態和經濟建設的雙重需求作為治理的主要方向,治理環境與治理貧困同步進行。水土保持措施配置上建立可交互性強的措施體系,例如建立防護林-梯田-淤地壩體系。治理上協調生態修復與生存空間的矛盾,將治理融入到流域發展,構建“以治理促發展-發展鞏固治理”的良性循環體系。

第三階段即是當前階段,對流域水土流失治理已經上升到了生態文明建設的高度[15-16]。以營造穩固、可持續的生態系統為目的,是統籌山水林田湖路草的平衡、人與自然和諧相處的生態文明建設。把流域的治理成果輻射到周邊區域,提升居民的生活品質,也為流域的維護提供經濟來源；積極宣傳人與自然和諧相處的思想,構建良好的生態環境。

5.3.2水土流失治理受社會經濟條件限制

根本上,水土流失治理是以人為本、為流域可持續發展服務的,最終使當地居民的生產生活狀況得到改善的一項治理活動,其活動方式深刻受到流域內社會經濟發展需求的影響[47]。因此小流域的經濟發展需求決定了水土保持措施的應用情況,不同人口情況、產業結構組成和治理的需求導致水土保持措施的選用、空間布設和結構組成存在差異。措施的布設要調節人與自然的關系,減緩生態恢復和經濟發展的沖突[48]。

對于人口壓力大,以治促富需求強烈的流域。在治理模式的結構選擇上,既要保障農民安全良好的生產生活環境,又要調節環境治理和經濟發展之間的關系,避免出現壓縮經濟發展空間來為流域生態修復提供空間、或把生態恢復的空間壓縮來發展經濟的現象。該類型流域多利用梯田等措施,根據流域情況選擇適合的生產創收方式,協調生態與經濟的關系改變貧困。以羅玉溝和龍灘溝為例,治理上建設大面積的梯田緩解人地矛盾和生態經濟矛盾。羅玉溝從當地生態環境出發,發展特色經果業,其農地、林地、草地的比例為5∶2∶1,以脫貧致富為出發點,措施布設強調生態系統的穩定,例如植物措施以生態林種植為主,為梯田的穩產高產提供基礎；龍灘溝降雨量少,就業依賴農業,農林草比例為4∶1∶4。在治理措施上強調集水蓄水,以科學調配流域內的水資源為核心,植物措施采用灌草,來適應半干旱條件下的流域發展需求。

對于人口壓力中等,擁有多元或支撐性就業結構的流域,以良好的經濟效益為基礎,核心工作是保護水土流失治理成果,推動實現人與自然和諧發展。例如六道溝流域,流域內高紅利的工礦業開發,保障了當地的收入條件,導致農民對農業的開展熱情一般,梯田大多退耕。為了預防山地災害和滿足流域內的基本糧食需求,流域治理上大力發展壩地農地高效農業。紙坊溝流域村莊集中于流域中部,流域內多元發展農、果、畜牧等產業,依靠生態經濟的建設改善當地的收入,形成了流域中部村莊為發展圓心,上下游集中治理的結構。

對于人口壓力小,經濟發展壓力小的流域,生態治理上將占據大部分空間。人口較少的羊圈溝流域,其糧食需求只需要小面積的耕地就能滿足。其治理模式結構上,坡面幾乎進行全面的生態恢復,高效的壩地農業用以解決流域內的農業需求,其農、林、草比例為1∶6∶1。南小河溝流域平坦的塬面為發展經濟提供了良好的基礎,在其治理上以強調保證塬面面積,防止其減少為重點。對溝道進行全面治理,為塬面發展服務,建設水庫漁業、壩地農業,同時利用治理成果建設治理示范區和旅游風景區。

5.3.3水土流失治理模式以區域政策為指導

在流域的改造過程中,當地農戶的參與程度和方式不僅受到農戶自身經濟條件的影響,還受到當地政府政策的影響[49]。就農戶受區域政策的影響而言,一些農戶不會采用的水土保持技術,在政府的組織、宣傳、要求、推廣和支持下可能會被農戶所采用,政策對水保技術的激勵、投資和補貼會促使農戶改變決策,從而參與到治理技術的更替中來。以羅玉溝為例,政府政策對農戶水土保技術的采用行為有著重要作用,在政府未推行生態修復政策前,流域處于低投入低產出-開墾新地-水土流失加劇-低產的惡性循環中。政府在1980年在流域內推行開展大規模的梯田農田建設政策,7年間梯田面積從11700 hm2增長到了15800 hm2[50]。2008年流域全面開展退耕還林還草工作,政策的大力宣傳推廣得到了農戶們的積極響應,因此流域內土地利用的結構開始發生劇烈變化,其中25°以上耕地面積由政策實施前的771.98 hm2減少到了339.21 hm2,共減少432.77 hm2[41]。流域實地調查過程中詢問當地農戶發現,在停止發放退耕還林工程的補貼時,有退耕地被重新開墾的現象發生。可以看出,農戶對水土保持技術的采用行為深刻受到區域政策的影響。

6 結論

水土流失治理模式,是集成流域內所有水土流失工作治理思想的結晶,通過對過去幾十年治理效果良好的6個流域的治理技術體系和模式進行總結,為新時代背景下的水土流失治理和工作提供基礎。

(1)黃土高原小流域水土流失治理措施深刻受到當地自然環境和社會經濟的影響。植物措施的布設貫徹“因害設防、因地制宜”思想,遵循當地的水分條件調整植物措施的結構；工程措施主要以改變地形為目的的坡面整地工程,包括魚鱗坑、水平階、水平溝和梯田等,其中梯田因其能同時發揮優秀的水土保持生態效益和經濟效益,是解決生態和經濟發展沖突問題的調和劑。

(2)黃土高原小流域水土流失治理模式具有鮮明的流域特色。流域水土流失治理在根本上是為了改善流域的生態條件,為當地居民創造更安全、更高收入的生產生活環境,但實現這個目的的途徑各有特色,必須考慮流域實際自然地理條件和社會經濟條件,要避免生搬硬套其他流域的成功治理經驗。

(3)生態文明建設是新時代黃土高原水土流失治理的新目標。隨著中國跨入新時代,傳統的水土流失治理模式可能已不適宜未來的發展趨勢。流域治理需求從以往的改善生態環境、脫貧致富,逐漸向人與自然和諧相處發展。既要滿足人們對美好生活條件的追求,又要保障生態的安全可持續發展。這都對黃土高原水土流失治理提出了新的要求,優化流域內的經濟結構,使人這一主體進入小流域治理的可持續性、良性循環和上升中。