景觀格局-生態(tài)過程理論在黃土丘陵溝壑區(qū)土地整治中的應(yīng)用
——以延安市寶塔區(qū)羊圈溝為例

韓霽昌，王 晶，馬增輝

(1.國土資源部 退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安710075；2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安710075；3.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安710075)

土地整治是增加耕地面積和提高耕地質(zhì)量的主要措施之一，也是實現(xiàn)耕地總量動態(tài)平衡的重要保障。在黃土丘陵溝壑區(qū)，開展土地整治對改善當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、提高糧食產(chǎn)量及土地利用率、解決水資源與土地資源的矛盾、增加農(nóng)民收入及保持社會安定具有重要作用。然而，由于黃土高原地處我國干旱半干旱地區(qū)，降水少而蒸發(fā)強烈，土壤具有易侵蝕的特點，加上受人類過度開發(fā)利用等多種因素的影響，因此成為我國生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一。這一地區(qū)的土地整治面臨著擾動土壤、加劇水土流失[1]、破壞生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[2-3]、缺少生態(tài)景觀建設(shè)[4]等問題，解決其開發(fā)整治和生態(tài)保護(hù)并重的難題就成為目前的迫切需求。

土地利用/景觀格局對水土生態(tài)過程具有顯著的影響，通過土地利用/景觀格局優(yōu)化能有效地控制水土流失發(fā)生[5]。目前，景觀格局理論在土地整治中的重要作用已經(jīng)受到重視，不少學(xué)者運用景觀格局指數(shù)進(jìn)行土地整治景觀生態(tài)評價研究[6-8]，但在黃土丘陵溝壑區(qū)類似的實際應(yīng)用還較少。因此，應(yīng)用景觀格局-生態(tài)過程的相互關(guān)系，研究和探討在土地整治過程中如何盡可能地減少水土流失，改善和優(yōu)化區(qū)域的土地利用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，不僅是促進(jìn)土地整治工程健康發(fā)展的保障，而且也是保證當(dāng)?shù)赝恋刭Y源可持續(xù)利用的關(guān)鍵。

1 土地整治中景觀格局-生態(tài)過程相關(guān)理論研究

空間格局對過程(能流、物流、信息流)具有重要的影響，格局決定著過程，同時過程也會促進(jìn)格局的改變[9]。土地利用作為人類利用土地進(jìn)行各種活動的綜合反映，是景觀格局時空演變和水土生態(tài)過程的直接驅(qū)動，研究表明以土壤侵蝕產(chǎn)沙及泥沙輸移為主要特征的水土流失過程與流域土地利用時空格局密切相關(guān)。土地整治工程一定程度上改變了土地利用方式和景觀格局，會導(dǎo)致降雨、地形、土壤等因子的空間分布變化，由此也會引起地表許多生態(tài)過程的演變[5,10]。因此，通過土地利用/景觀格局優(yōu)化控制生態(tài)過程，可以有效地緩解黃土丘陵溝壑區(qū)土地整治中水土流失嚴(yán)重和生態(tài)環(huán)境惡化問題，保證新增耕地的可持續(xù)利用。

1.1 “源-匯”景觀理論

在景觀生態(tài)學(xué)中，“源”景觀是指在格局與過程研究中，能促進(jìn)生態(tài)過程發(fā)展的景觀類型；“匯”景觀是指能阻止延緩生態(tài)過程發(fā)展的景觀類型[11]。在針對黃土丘陵溝壑區(qū)水土流失這一生態(tài)過程研究中，可以將增加土壤侵蝕的農(nóng)田、道路看成是“源”景觀，將有助于減少土壤侵蝕的林地、草地、壩系等看成是“匯”景觀。如果流域中“源-匯”景觀在空間分布上達(dá)到了平衡狀態(tài)，形成合理的空間分布格局，流域就會產(chǎn)生較少的水、沙輸出，反之如果流域景觀格局分布不合理，并有較多的“源”集中分布，而缺乏“匯”的滯蓄作用，流域?qū)休^多的水、沙輸出[9]。因此，流域的“源-匯”景觀格局的合理性對于其生態(tài)過程具有重要意義，通過優(yōu)化“源-匯”景觀格局，為控制土地整治區(qū)域水土流失提供了有效方法。

1.2 “斑塊-廊道-基質(zhì)”景觀結(jié)構(gòu)理論

景觀生態(tài)學(xué)提出的“斑塊-廊道-基質(zhì)”景觀結(jié)構(gòu)理論，揭示了農(nóng)村景觀中田塊、林地、道路等要素重要的生態(tài)學(xué)意義。農(nóng)田景觀是以林地、草地、水域、居民點和工礦企業(yè)等為鑲嵌體，以道路、河流和田坎等為廊道，以耕地為基質(zhì)的網(wǎng)格化景觀體系[12]?！鞍邏K”的大小、形狀等影響著農(nóng)田生產(chǎn)效率、生態(tài)涵養(yǎng)功能、景觀和物種多樣性；“廊道”的數(shù)量、構(gòu)成、寬度、質(zhì)量及連續(xù)性決定了斑塊之間物質(zhì)與能量流的運送效率、野生動物遷移效率和景觀美學(xué)等[13]?；凇鞍邏K-廊道-基質(zhì)”景觀結(jié)構(gòu)理論，通過保護(hù)和設(shè)計“斑塊”控制水土流失和面源污染，通過增加“廊道”類型提高景觀功能連通性，通過改變斑塊、廊道、基質(zhì)的空間配置提高景觀空間異質(zhì)性和多樣性，最終構(gòu)建整體性與和諧性相統(tǒng)一的黃土丘陵溝壑區(qū)農(nóng)村景觀。

1.3 景觀安全格局理論

景觀安全格局是基于景觀過程和格局的關(guān)系，通過景觀過程的分析和模擬，來判別對這些過程的健康與安全具有關(guān)鍵意義的景觀格局[14]。生態(tài)安全的景觀格局包含源地、緩沖區(qū)、源間聯(lián)結(jié)、輻射道和戰(zhàn)略點幾個組分，將各種存在的和潛在的景觀結(jié)構(gòu)組分進(jìn)行疊加組合，就形成某一安全水平上的生態(tài)保護(hù)安全格局；通過不同層次、不同要素的景觀安全格局組合，就能對景觀空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效控制[15]。因此，該理論在黃土區(qū)土地整治中有著重大的理論和實踐意義。李紅舉等[12]在黃土區(qū)土地整治項目實施中，從影響耕地生產(chǎn)的因素著手，分析主要因子——水體的特點，并基于水土安全分析結(jié)果，確定土地利用主要方向和區(qū)域，劃定土地平整的重點區(qū)域，擬定土地整治工程方案，調(diào)整不合理的基質(zhì)和斑塊；從維護(hù)區(qū)域內(nèi)農(nóng)田景觀安全格局出發(fā)，修建灌溉、排水和防洪基礎(chǔ)設(shè)施及必要的水土保持設(shè)施，為景觀安全格局理論在黃土區(qū)土地整治中的應(yīng)用提供了實例。

2 黃土丘陵溝壑區(qū)土地整治實施途徑

在黃土丘陵溝壑區(qū)土地整治中，制定景觀生態(tài)規(guī)劃、優(yōu)化土地利用格局是生態(tài)化土地整治的重中之重。在黃土高原生態(tài)系統(tǒng)中，林草是徑流的滯納區(qū)，是“匯”景觀，而耕地、道路邊坡等是徑流產(chǎn)生區(qū)，是“源”景觀。如果通過合理的規(guī)劃布局，讓“源-匯”景觀在流域空間上合理布局，生態(tài)系統(tǒng)之間產(chǎn)流與截流兩種作用相互平衡，就可以有效控制流域水土流失。如在坡面上部增加耕地，在坡面下部可增設(shè)排洪溝、壩系等水土保持措施；在流域上游增加耕地、道路等“源”景觀，在流域下游或流域出口環(huán)境條件較好的地方新增草地或林網(wǎng)等“匯”景觀。另外，通過合理布局耕地、道路、林網(wǎng)、壩系等“源-匯”景觀，優(yōu)化土地利用格局，可以使植物群落結(jié)構(gòu)多樣化，提高景觀空間異質(zhì)性和景觀多樣性，改善生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、生態(tài)系統(tǒng)脆弱的狀況，提高黃土丘陵溝壑區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時，在土地工程實施的各個環(huán)節(jié)中，也應(yīng)充分利用景觀格局-生態(tài)過程相互關(guān)系，重視生態(tài)化設(shè)計。

2.1 土地平整工程

不論是土地平整過程中形成的裸露土地還是平整后開發(fā)的耕地，都是對區(qū)域水土流失貢獻(xiàn)較大的“源”景觀。為了使“源”景觀在降雨徑流過程發(fā)生時產(chǎn)生最小程度的水土流失，在黃土丘陵溝壑區(qū)土地平整過程中，坡度較大的坡耕地應(yīng)設(shè)計合理的坡比，改坡為梯，田邊修筑埂坎，攔蓄部分地面徑流和泥沙，有效減少農(nóng)田土壤侵蝕；對于坡高在5 m以上的邊坡，宜采用臺階式坡型設(shè)計，臺階式坡型形成斜坡和平臺交替分布的“階坡式”布局，有利于提高斜坡段的安全坡度和坡比，減輕邊坡土體對坡腳的壓力，增強邊坡穩(wěn)定性。

2.2 田間道路工程

道路是農(nóng)田景觀中的廊道，具有維護(hù)基質(zhì)安全、斑塊穩(wěn)定、物種交流的功能。在黃土丘陵溝壑區(qū)道路工程中，田間路和生產(chǎn)路承擔(dān)著生物遷徙的功能，應(yīng)生態(tài)化而非過度硬化，可設(shè)計為泥結(jié)碎石路面或土路；而為運輸石油等修建的車行主干道則應(yīng)采取硬化措施，確保道路使用壽命，并可減少道路水土流失，避免揚塵對空氣的污染。道路兩旁宜種植一定寬度的生境斑塊帶，構(gòu)成黃土丘陵溝壑區(qū)的道路生態(tài)防護(hù)系統(tǒng)。

2.3 農(nóng)田水利工程

黃土高原水資源極度匱乏，而土地整治增加了耕地面積及糧食產(chǎn)出，這相應(yīng)地會提高水資源需求量，因此農(nóng)田水利工程是優(yōu)化水資源配置和水土保持的必要措施。在土地整治中，對于匯水面積較大的坡面，可因地制宜地布設(shè)一定數(shù)量的蓄水池、水窖等，田間宜采用自流灌溉或噴灌，田塊兩側(cè)布設(shè)排洪渠或溢洪道，這樣不僅可以攔蓄地表徑流、提高水資源的有效利用，還可減少漫灌對耕地侵蝕的影響，防止坡面發(fā)生嚴(yán)重的水土流失。同時，將農(nóng)田水利工程與林草工程相結(jié)合，如可在渠道周圍規(guī)劃林草植物以形成蔭蔽環(huán)境，避免日光直接照射，緩和水溫的變化，營造野生動植物棲息的有利環(huán)境。

2.4 林草措施與工程措施

林草措施在生態(tài)環(huán)境脆弱、水土流失嚴(yán)重地區(qū)的土地整治中顯得尤為重要，它可增加地表植被的覆蓋度，涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固土。傳統(tǒng)的林草措施較多地考慮開挖面、道路溝渠的植物防護(hù)，而在黃土丘陵溝壑區(qū)，還應(yīng)全面考慮溝頭、壩坡、埂坎、道路邊坡等易發(fā)生水土流失區(qū)域的林草建設(shè)。林草措施應(yīng)根據(jù)黃土丘陵溝壑區(qū)自然條件，構(gòu)建喬灌草相結(jié)合、針闊葉混交的植物群落和防護(hù)林，樹種喬木以刺槐、楊樹，灌木以沙棘、檸條等地帶性優(yōu)勢種、鄉(xiāng)土樹種和低耗水率的樹種為主，這樣不僅可以提高林草植被的成活率，而且能夠增加區(qū)域內(nèi)物種種類和數(shù)量，健全區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)。另外，應(yīng)考慮修筑谷坊、溝頭防護(hù)、淤地壩等工程，以抬高溝底侵蝕基準(zhǔn)點，攔蓄泥沙，防止溝頭前進(jìn)、溝底下切和溝岸擴張。水土保持工程措施與林草措施相結(jié)合，可層層攔蓄與防控并舉，充分發(fā)揮較強的削峰、滯洪能力和“上攔下?！钡淖饔?，從而有效地防范洪水和泥沙災(zāi)害。

3 延安市寶塔區(qū)羊圈溝土地整治工程

本研究以延安市寶塔區(qū)羊圈溝土地整治工程為例，說明景觀格局-生態(tài)過程理論在黃土丘陵溝壑區(qū)土地整治中的應(yīng)用。

羊圈溝為延河左岸的二級支溝，系碾莊溝的一級支流，流域面積2.02 km2，屬黃土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)，年日照時數(shù)2 528.8 h，年均氣溫 9.4 ℃，氣溫年較差29.4 ℃，≥10 ℃的活動積溫2 500～3 400 ℃，年無霜期140～165 d，為半干旱大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量535 mm，降水多集中在 7—9月，年際變化大。區(qū)域地貌類型為黃土梁和黃土溝，海拔1 050—1 295 m，溝谷密度為2.74 km/km2。流域內(nèi)有1條主溝和3條較大的支溝，主溝為由北到南走向，主溝道長約2.7 km，高差245 m。流域最大坡度72.6°，平均坡度為29.5°。植被多為人工種植而成的次生植被，喬木主要有刺槐、柳和楊等。項目區(qū)除少部分居民點外，絕大部分為耕種的坡旱地，田塊較為凌亂，田坎過多、道路溝渠不規(guī)整、農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施不完善，水土流失嚴(yán)重，土地產(chǎn)出率低下。

項目總規(guī)劃田塊建設(shè)規(guī)模27.84 hm2，其中新增田塊面積為4.88 hm2，原有耕地治理面積為22.96 hm2。

3.1 土地平整工程

項目區(qū)地形狹長、高低起伏且極不規(guī)則，田塊的布局必然受到地形的限制，田塊劃分以現(xiàn)狀符合要求的田坎、排水溝、可利用的原有道路及新規(guī)劃道路為骨架，面積大小不等。田塊布設(shè)順山坡地形，大彎就勢，小彎取直，耕作田塊為長方形或帶形，田塊長邊與等高線平行。

項目區(qū)內(nèi)耕地全部整理為水平梯田，位于河谷川臺地上的緩坡耕地(坡度一般在3°以下，少數(shù)為5°～8°)按緩坡梯田標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，梯田田面寬20～50 m，田塊長200～400 m，田坎高度小于3 m；位于梁、峁坡上的坡耕地(坡度一般為8°～15°)按陡坡梯田標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，田面寬10～20 m，田塊長100～200 m，田坎高度小于5 m；同時結(jié)合梯田現(xiàn)狀，對不規(guī)整、面積小、田面窄、田坎多而低且布置凌亂的田塊進(jìn)行合并平整，對田面坡度不符合設(shè)計要求且田面較寬的寬幅梯田在單塊田內(nèi)進(jìn)行土方平衡，對梯田較規(guī)則、田面坡度符合設(shè)計要求的予以保留，只在田邊修蓄水埂。梯田田面坡度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為：水澆地順灌水方向田面坡度為1/500～1/800；旱地橫向坡度<1/30以滿足蓄水保墑和機耕要求，縱向坡度根據(jù)地形情況<1/300。田邊設(shè)蓄水埂，埂高0.4 m、頂寬0.3 m，內(nèi)外坡比為1 ∶0.5；田坎統(tǒng)一為土坎，外側(cè)坡為76°(坡比1 ∶0.25)。

3.2 田間道路工程

田間道路的設(shè)置結(jié)合地形、村莊布局，盡量與村莊、管道相鄰，并與項目區(qū)內(nèi)外已有的道路相連接。項目區(qū)內(nèi)道路規(guī)劃主要是新增田間道和生產(chǎn)路，從公路、農(nóng)村道路延伸至田間或河堤，以便小型農(nóng)機具通行。田間道或生產(chǎn)路通達(dá)每一地塊，道路過河時設(shè)交通橋。

本項目新增田間道路8條，為泥結(jié)碎石路面，合計長度為1 367 m，路面寬3.0 m；新增生產(chǎn)路2條，為素土壓實路面，合計長度為114 m，路面寬2.0 m；設(shè)3座交通橋(防洪石拱橋)，橋基置于堅硬的基巖內(nèi)。

3.3 農(nóng)田水利工程

根據(jù)項目區(qū)水文條件、水資源量和水質(zhì)情況，采用羊圈溝流域地表水，通過泵站引水，田間采用低壓管道灌溉。管道分干管和支管二級，一般支管垂直于干管布置，呈梳子形或“豐”字狀。根據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉要求，結(jié)合地形，在河岸附近設(shè)置4臺潛水泵站，建漿砌塊石高位蓄水池1座、集水坑1座、水壩3座，出水口設(shè)螺桿壓蓋型給水栓，管道末端設(shè)泄水井。

3.4 水土保持工程

3.4.1 農(nóng)田防護(hù)林

項目區(qū)保持原林地、果園不變，結(jié)合河道、道路和項目區(qū)外植被情況，按照因害設(shè)防的原則，建立河堤防沖林、農(nóng)田防護(hù)林和護(hù)路林相結(jié)合的林網(wǎng)體系。以“林隨水走”，在田塊和河道之間的溝岸邊坡上栽植兩排河道防沖林；以“林隨路走”，在公路兩側(cè)、田間道一側(cè)栽植一排護(hù)路林，樹種均為旱柳。樹苗選用一級苗，采用穴狀整地栽植，規(guī)格0.4 m×0.4 m×0.4 m，行距1.5 m，株距2.0 m。項目區(qū)共植樹2萬棵。

3.4.2 排水溝和渠道

項目區(qū)內(nèi)已有多條小型水溝，本次設(shè)計在原水溝基礎(chǔ)上整修利用，以增加排水能力和耕地面積。排水溝行洪斷面為梯形，邊坡坡比為1 ∶1.25，設(shè)計溝道長度1 935 m。項目區(qū)設(shè)計渠道長度1 703 m。

4 展 望

(1)黃土丘陵溝壑區(qū)水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，近些年國家十分重視這一地區(qū)的生態(tài)建設(shè)，實施了退耕還林還草建設(shè)項目。黃土丘陵溝壑區(qū)的土地整治工程要有效地控制水土流失、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、緩解建設(shè)與保護(hù)的矛盾，促進(jìn)補充耕地數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，需要加強土地整治工程的生態(tài)景觀建設(shè)，同時保證土地資源的可持續(xù)利用問題也成為土地整治研究的重點和難點。

(2)將景觀格局-生態(tài)過程的理論與方法引入黃土丘陵溝壑區(qū)的土地整治中，為土地整治制定科學(xué)的景觀生態(tài)規(guī)劃設(shè)計、確定合理的工程技術(shù)模式提供了新的途徑。同時，這一地區(qū)未來的土地整治景觀生態(tài)研究重點也必然會圍繞景觀格局和水土生態(tài)過程在以上幾方面開展。

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