黃土高原坡改梯綜合效益分析——以燕溝流域為例

徐勇,安祥生,楊波,劉普靈

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,100101,北京;2.太原師范學(xué)院,030012,太原;3.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,712100,陜西楊凌)

黃土高原坡改梯綜合效益分析
——以燕溝流域為例

徐勇1,安祥生2,楊波1,劉普靈3

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,100101,北京;2.太原師范學(xué)院,030012,太原;3.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,712100,陜西楊凌)

退耕坡地是近年來黃土高原整治生態(tài)環(huán)境和控制水土流失的關(guān)鍵措施,但對于如何退耕,學(xué)術(shù)界存在多種不同觀點,實踐方面存在多種不同模式。以延安燕溝流域坡改梯為例,利用 2005年延安站的逐日氣象數(shù)據(jù)和燕溝流域地貌、土壤及土地利用等資料,借助WIN-YIELD軟件,對不同地形坡度條件下坡改梯在作物增產(chǎn)、保水減沙效益以及燕溝流域坡改梯實踐效果進(jìn)行模擬、對比和實證分析。結(jié)果表明:地形坡度越大,坡改梯作物增產(chǎn)、保水和減沙效益越顯著;坡度小于 5°的坡耕地可以不進(jìn)行梯田改造,坡度大于 15°的坡耕地應(yīng)及早實施坡改梯或退耕還林(草)。

坡改梯;綜合效益;燕溝流域;黃土高原

黃土高原是我國黃河下游及華北平原經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會發(fā)展的重要生態(tài)屏障,其先天脆弱的自然生態(tài)系統(tǒng)與人類長期不適當(dāng)活動疊加導(dǎo)致的水土流失和生態(tài)環(huán)境惡化問題一直受到有關(guān)政府部門及學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的普遍關(guān)注[1-5]。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[6-10]認(rèn)識到退耕坡地應(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。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(xù)上漲,我國的糧食安全問題再次成為全社會關(guān)注的焦點。在黃土高原和長江上游等地區(qū)連續(xù)實施“退耕還林(草)、封山綠化、個體承包、以糧代賑”的“賑濟(jì)退耕”政策 8年后,一些學(xué)者[11-15]開始呼吁:國家應(yīng)對“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?；诖?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(chǎn)、保水減沙效益以及流域坡改梯實踐效果等進(jìn)行綜合分析,希望能為黃土高原退耕坡地及早實施坡改梯戰(zhàn)略提供一些科學(xué)依據(jù)。

1 研究流域概況

燕溝流域位于 E 109°20′～ 109°35′,N 36°28′～36°32′,溝口距延安市 3 km,屬延河二級支流,主溝長 8.6 km,呈東南—西北流向,流域面積約 47 km2。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 4.8 km/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 170 d。多年平均降雨量 558.4 mm,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(Robinia pseudoacacia L.)、楊樹(Populus)以及檸條(Caragana korshinskii Kom.)等灌叢組成[16]。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)實測資料[17],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 1556.587 t,流域輸沙模數(shù)為33.12 t/(km2?a)。

流域有 14個行政村和一個隸屬于柳林街道的溝口區(qū)。14個行政村 2006年底總?cè)丝?3 133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2 168元,農(nóng)村經(jīng)濟(jì)收入主要來源于種植業(yè)和蘋果(Malus pumila Mill.)業(yè),種植的作物主要有玉米(Zea mays L.)、馬鈴薯 (Solanum tuberosum L.)、谷子 (Setaria italica L.)、大豆 (Glycine max)、綠豆(Phaseolus radiatus L.)和黑豆 (Leguminosae)等,另有少量的人工苜蓿(Medicago sativa)。

2 研究方法

1)圖件制備與參數(shù)設(shè)定?；?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 WINYIELD軟件[18]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°增加一個地塊單元,在 0～30°之間共設(shè)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)數(shù)據(jù)收集與整理。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)應(yīng)用 WIN-YIELD軟件模擬計算。根據(jù)WIN-YIELD軟件初始界面數(shù)據(jù)讀入要求,輸入對應(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)、作物生長期及時間、作物根系生長率)、數(shù)據(jù)文件及其他數(shù)據(jù)項,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)坡改梯效益分析。依據(jù)軟件模擬結(jié)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(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)實踐效果對比分析。依據(jù)近年黃土高原實施的“賑濟(jì)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 數(shù)據(jù)及來源

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[18]。經(jīng)濟(jì)社會數(shù)據(jù)來源于農(nóng)戶抽樣調(diào)查或鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)計資料。氣象數(shù)據(jù)為 2005年延安氣象站(距燕溝流域中心點的直線距離約 5 km)逐日平均氣溫、降水量、降水歷時、云量、蒸發(fā)量、平均相對濕度、最小相對濕度、白天和夜間風(fēng)速 9個指標(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,以反映地形坡度變化為主旨設(shè)計數(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 坡改梯效益分析

4.1 作物增產(chǎn)效益

2005年燕溝流域高程 1 100m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(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 2.0 kg/hm2;15°時 ,增產(chǎn)量依次為 156.0、56.5和 18.5 kg/hm2;25°時 ,增產(chǎn)量依次為 374.5、109.5和 49.5 kg/hm2,分別較 25°的坡耕地產(chǎn)量高出 16.74%、5.58%和 4.95%。

圖 1 2005年不同地形坡度條件下坡改梯作物增產(chǎn)量模擬值Fig.1 Simu lated increasing production benefits of different crops after farmland terracing under different gradients in 2005

4.2 保水效益

圖 2是 2005年燕溝流域高程 1 100m處、坡向為正南向時,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,坡改梯玉米保水效益為 0.117 mm,大豆 0.05 mm,綠豆 0.069 mm;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(dá)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 0.667 mm。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[7]證實。

圖 2 2005年不同地形坡度條件下坡改梯后不同作物的保水效益模擬值Fig.2 Simu lated water conservation benefits of different crops after farmland terracinge under different gradients in 2005

4.3 減沙效益

圖 3是 2005年燕溝流域高程 1 100m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(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°時坡改梯減沙效益玉米為 761 t/(km2?a)、大豆為 643 t/(km2?a)、綠豆為665 t/(km2?a),分別較 5°時高出 751、638和 659 t/(km2?a);在 15°～ 20°區(qū)間,減沙效益急速增大,20°時坡改梯的減沙效益玉米為 2 750 t/(km2?a)、大豆為 2 523 t/(km2?a)、綠豆為 2 566 t/(km2?a),分別較 15°時高出 1 989、1 880和 1 901 t/(km2?a);20°～22.5°區(qū)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(xiàn)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 2 337、1957和 2 032 t/(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)。

圖 3 2005年不同地形坡度條件下坡改梯后不同作物的減沙(蝕)效益模擬值Fig.3 Simulated decreasing soil loss of different crops after farmland terracing under different gradients in 2005

5 坡改梯實踐效果分析

5.1 坡改梯及土地利用變化

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(qū)一樣,以坡耕地為主體的耕地呈現(xiàn)為動態(tài)增加趨勢,而林地和草地處于動態(tài)減少狀態(tài);1997年以后,隨著世行貸款項目和國家科技攻關(guān)計劃項目的實施,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。

表 1 燕溝流域土地利用結(jié)構(gòu)變化(1988—2003年)Tab.1 Change of land use structure in Yangou Watershed(1988—2003)

從 1998年開始,燕溝流域堅持“通過坡改梯,在實現(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[17],在明確各級政府、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[19]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 1 831.1 hm2下降到了 803.24 hm2,實現(xiàn)了坡耕地全部退耕;果園面積從 174.1 hm2增加到了 653.04 hm2,是 1997年的 3.75倍;人工喬灌林地從1 078.66hm2增加到了 1781.19hm2,增幅達(dá)65.13%;荒溝坡草地從 1 224 hm2減少到了 773.3 hm2,減少幅度達(dá) 36.82%。

5.2 水土保持效果

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 3 610.56 m3,減少泥沙流失量5 896.60 t,全部種植綠豆減少徑流量 1 919.49m3,減少泥沙流失量 5 177.02 t。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[20]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 30m in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,而流域輸沙模數(shù)在總體趨于下降的過程中,前 2年的下降幅度尤為突出,這與流域坡改梯和退耕坡地的進(jìn)程是一致的,后 6年基本都在 600 t/(km2?a)以下 。

表 2 1998—2006燕溝流域降雨及徑流和泥沙監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.2 Observation data of rain fall,runoff and sediment in Yangou Watershed from 1998 to 2006

6 結(jié)論

1)地形坡度越大,坡改梯作物增產(chǎn)、保水和減沙效益越顯著。地形坡度 15°坡改梯,玉米、大豆和綠豆的增產(chǎn)效益分別為 6.35%、2.8%和 1.79%,減沙效益分別為 18.57%、17.82%和 18.01%;地形坡度 25°坡改梯,玉米、大豆和綠豆的增產(chǎn)效益分別達(dá)16.74%、5.58%和 4.95%,減沙效益分別達(dá)41.18%、39.75%和 40.17%。

2)地形坡度 5°和 15°是坡地利用中的 2個重要閾值。坡度小于 5°的坡耕地可以不進(jìn)行梯田改造;坡度大于 15°的坡耕地應(yīng)及早實施坡改梯或退耕還林(草)。

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Synthetic analyses of effects of farm land terracing on the Loess Plateau:A case study of Yangou Watershed

Xu Yong1,An Xiangsheng2,Yang Bo1,Liu Puling3

(1.Institute ofGeographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,100101,Beijing;2.Taiyuan Normal University,030012,Taiyuan;3.Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciencesand Ministry ofWater Resources,712100,Yangling,Shaanxi:China)

Farmland terracing is an effective measure for the improving of eco-environment and the reducing of soiland water losson the Loess Plateau.This paper takes Yangou Watershed as a case study for research on benefits of farmland terracing.Using dailymeteorological data of Yan'an Station in 2005 and data of terrain features,soil and land use of YangouWatershed,this research simulates and analyzes the benefitsof increasing yield and soil and water conservation under different topographic conditions by the aid of WIN-YIELD software and applies an empirical analysis on the effects of farm land terracing in Yangou Watershed.The results show that the bigger the gradient of farmland,themore benefits of increasing yield and soil and water conservation.The slope farm land less than 5°should notbe terraced.The slope farm land more than 15°should be terraced as early as possible.

farm land terracing;synthetic benefits;Yangou Watershed;Loess Plateau

2009-09-07

2009-11-02

項目名稱:國家科技支撐計劃課題“黃土高原水土流失綜合防治技術(shù)研究”(2006BAD09B10);國家自然科學(xué)基金項目“黃土高原生態(tài)退耕脆弱性分析與農(nóng)民可持續(xù)生計評估”(40771086)

徐勇(1964—),男,研究員,博士。主要研究方向:農(nóng)業(yè)與農(nóng)村發(fā)展、土地利用變化、人地關(guān)系與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展等。E-mail:xuy@igsnrr.ac.cn

(責(zé)任編輯:程 云)