黃土丘陵區(qū)坡改梯生態(tài)經(jīng)濟耦合效應

徐 勇，黨麗娟,2，湯 青,*，高 雅,2

1 中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101 2 中國科學院大學，北京 100039

黃土丘陵區(qū)坡改梯生態(tài)經(jīng)濟耦合效應

徐 勇1，黨麗娟1,2，湯 青1,*，高 雅1,2

1 中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101 2 中國科學院大學，北京 100039

坡改梯是黃土丘陵區(qū)提高農(nóng)作物單產(chǎn)和控制水土流失的有效措施。基于坡改梯內生和外延效應的學術思路，構建了能定量刻畫坡改梯生態(tài)經(jīng)濟耦合狀況的數(shù)學模型；以位于黃土丘陵區(qū)腹地的延安燕溝流域為例，利用土地利用和數(shù)字地形等空間數(shù)據(jù)、作物產(chǎn)量和土壤侵蝕模擬數(shù)據(jù)以及監(jiān)測和調查數(shù)據(jù)，定量評價分析了燕溝流域坡改梯的生態(tài)經(jīng)濟耦合效應。結果表明：地形坡度越大，坡改梯的生態(tài)經(jīng)濟耦合效應越顯著；地形坡度5°和15°是兩個重要閾值，5°以下不必進行坡改梯，5°—15°之間應作為坡改梯的重點對象，15°以上宜退耕還林還草。坡改梯使燕溝流域農(nóng)耕地的生態(tài)經(jīng)濟耦合程度得到了顯著提高，坡改梯前生態(tài)經(jīng)濟耦合指數(shù)為1.805t/100元，坡改梯后下降為0.853t/100元，下降幅度達52.73%。隨著坡改梯和植被覆蓋率的提高，流域的洪水徑流量和輸沙模數(shù)均大幅度下降。

坡改梯；生態(tài)經(jīng)濟耦合；評價模型；燕溝流域；黃土丘陵區(qū)

黃土丘陵區(qū)先天脆弱的自然生態(tài)系統(tǒng)與人類長期不適當?shù)幕顒盈B加導致的水土流失和生態(tài)環(huán)境惡化問題一直受到有關政府部門及學術機構的廣泛關注[1- 4]。20世紀50年代末以來，隨著多角度研究工作的開展和不斷深入，許多學者認識到退耕坡地應是黃土丘陵區(qū)水土流失控制和生態(tài)環(huán)境恢復的關鍵著力點[5- 7]。與此同時，實踐方面以退耕坡地為主旨的諸如“梯田退耕[8]”、“壩系退耕[9]”、 “集雨工程[10]”、“生態(tài)移民[11]”等各種生態(tài)退耕模式陸續(xù)涌現(xiàn)，并都不同程度地取得了一定成效。尤其是針對我國大江大河下游地區(qū)出現(xiàn)的斷流或洪澇成災問題[12- 13]，中央于1999年提出在黃土高原和長江上游等地區(qū)實施“退耕還林(草)、封山綠化、個體承包、以糧代賑”的生態(tài)退耕政策，經(jīng)過十多年的不間斷努力，已使黃土高原的生態(tài)環(huán)境在全局上得到了顯著改善[14- 16]。但自2007年以來，隨著我國耕地面積逼近1.2億hm2的紅線和糧食價格的持續(xù)上漲，我國的糧食安全問題再次成為全社會關注的焦點[17- 18]，一些學者開始呼吁：國家應對“退耕還林(草)”政策進行“囤糧于田”的戰(zhàn)略調整，宜及早采取規(guī)模性坡改梯和淤地壩建設的舉措。基此，本文試以位于黃土丘陵區(qū)腹地的延安燕溝流域為例，針對坡改梯在控制水土流失和提高經(jīng)濟產(chǎn)出方面的雙效性特點，通過構建生態(tài)經(jīng)濟耦合評價數(shù)學模型，從內生和外延兩個方面定量對比分析坡改梯的生態(tài)經(jīng)濟耦合效應，希望能為黃土丘陵區(qū)實施坡改梯戰(zhàn)略提供一些科學依據(jù)。

1 研究地域、方法及數(shù)據(jù)

1.1 研究地域

燕溝流域位于36°28′00″N—36°32′00″N，109°20′00″E—109°35′00″E，溝口距延安市3km，屬延河二級支流，主溝長8.6km，呈東南—西北流向，流域面積約48km2。流域東南高、西北低，海拔在986—1425m之間。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)。流域地形坡度構成以陡坡地為主，坡度大于25°占51.91%，15°—25°占28.75%，15°以下為19.34%。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，大于10℃積溫3268℃，多年平均降雨量558.4mm。天然植被為次生梢林，破壞嚴重，人工林主要由刺槐(RobiniapseudoacaciaL)、楊樹(PopulusbonatiiLevl)以及檸條(Caraganakorshinskii)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。從1997年開始，隨著世行貸款項目和國家科技攻關計劃項目的實施，燕溝流域通過坡地改建梯田，土地利用結構發(fā)生了巨大的變化[19]，生態(tài)環(huán)境得到了顯著改善。據(jù)實測資料[20- 21]，1998年燕溝河道常流水流量為0.0025m3/s，年徑流總量為37.83×104m3，其中洪水徑流量占79.3%，1998年溝口泥沙總量為133950t，流域輸沙模數(shù)為2856t km-2a-1；2007年燕溝年徑流總量為5.134×104m3，產(chǎn)生泥沙總量為1556.587t，侵蝕模數(shù)為33.12 t km-2a-1。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2011年總人口3459人，人口密度為72.1人/km2。農(nóng)村經(jīng)濟以種植業(yè)為主體，農(nóng)果并舉。2011年流域農(nóng)村經(jīng)濟總收入1938.24萬元，其中種植業(yè)占71.25%，農(nóng)民人均收入為3564元/人。

1.2 方法及模型

坡耕地改建梯田能帶來內生和外延兩個方面的效應，內生效應是針對改建為梯田的坡耕地而言，坡改梯后，梯田比原坡耕地具有較高的水土保持能力和提高作物單產(chǎn)的效果；因梯田單產(chǎn)的提高，部分坡耕地改建梯田即可保持作物總產(chǎn)量不變，未改建梯田的坡耕地通過退耕還林還草，進而增加區(qū)域(或流域)的植被覆蓋率和減少水土流失，這部分效益即指坡改梯的外延效應。內生效應是本研究生態(tài)經(jīng)濟耦合評價的重點，外延效應則可通過分析區(qū)域(或流域)的植被覆蓋率和水土流失的變化得到表征。黃土丘陵區(qū)坡改梯生態(tài)經(jīng)濟耦合效應評價的架構思路如圖1所示。

圖1 黃土丘陵區(qū)坡改梯生態(tài)經(jīng)濟耦合效應評價框架Fig.1 The frame of eco-economic coupling benefit evaluation of transforming slope farmland to terrace in the Loess Hilly-gully region

評判坡改梯內生效應的生態(tài)關鍵參數(shù)為土壤侵蝕量或地表徑流量，經(jīng)濟關鍵參數(shù)為經(jīng)濟產(chǎn)出或農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量。以土壤侵蝕量為目標函數(shù)構建生態(tài)評價數(shù)學模型，土壤侵蝕量越小，生態(tài)效益越好；以經(jīng)濟產(chǎn)出為目標函數(shù)構建經(jīng)濟評價數(shù)學模型，經(jīng)濟產(chǎn)出越高，則經(jīng)濟效果越好。構建生態(tài)經(jīng)濟耦合效應評價模型的實質是將生態(tài)評價模型和經(jīng)濟評價模型有機地結合在一起，其結果可以有效地表征坡改梯的生態(tài)經(jīng)濟耦合程度。這里所說的生態(tài)經(jīng)濟耦合程度是一個相對的概念，可進行同地域不同時間或不同地域同時間的對比。構建生態(tài)經(jīng)濟耦合效益評價模型一是要求模型的物理含義清晰，二是要求模型所含變量或參數(shù)的數(shù)據(jù)容易獲得。本研究試通過建立生態(tài)經(jīng)濟耦合指數(shù)來解決兩者的有機結合問題。

不失一般性，對于黃土丘陵區(qū)任何一塊具有同質特性的耕地而言，經(jīng)濟產(chǎn)出越高且土壤侵蝕量越小，說明其生態(tài)經(jīng)濟耦合的程度越好，反之亦然?；谏鷳B(tài)經(jīng)濟耦合程度與經(jīng)濟產(chǎn)出、土壤侵蝕量之間的這種關系，土壤侵蝕量與經(jīng)濟產(chǎn)出的比值即可定義為生態(tài)經(jīng)濟耦合指數(shù)。換句話說，生態(tài)經(jīng)濟耦合指數(shù)就是指單位經(jīng)濟產(chǎn)出所付出的土壤侵蝕代價。經(jīng)濟產(chǎn)出可以是貨幣形式，也可以是實物產(chǎn)量。另外，根據(jù)有關學者的建議，也可以將生態(tài)經(jīng)濟耦合指數(shù)定義為單位土壤侵蝕量所帶來的經(jīng)濟產(chǎn)出。事實上兩種定義所表達的含義是一致的，不同之處僅在于兩者互為倒數(shù)。若用EEC代表生態(tài)經(jīng)濟耦合指數(shù)，Q代表土壤侵蝕量，I代表經(jīng)濟產(chǎn)出，則對于同質的耕地，其生態(tài)經(jīng)濟耦合指數(shù)的數(shù)學表達式為：

EEC=Q/I(或EEC=I/Q)

(1)

黃土丘陵區(qū)一定區(qū)域的耕地存在地形(高程、坡度等)、地貌類型(梁峁、峁坡、溝坡等)及土壤屬性等自然條件分異，也存在作物品種的差異。因此，在將生態(tài)經(jīng)濟耦合指數(shù)應用在實際評價區(qū)域時，首先需要對研究區(qū)域的耕地進行同質性地塊單元劃分。若研究區(qū)域的耕地可被劃分為n個同質性地塊單元，且種植的作物品種是相同的，則該區(qū)域耕地的生態(tài)經(jīng)濟耦合指數(shù)可通過下列算式獲得：

(2)

(3)

(4)

式中, EEC為生態(tài)經(jīng)濟耦合指數(shù)的平均值；Q為土壤侵蝕總量；I為經(jīng)濟產(chǎn)出總量；Si為第i個地塊的面積；Lj為第i個地塊的土壤侵蝕模數(shù)；Pi為第i個地塊的單位面積經(jīng)濟產(chǎn)出；i為同質性地塊單元，i∈{1，2，…，n}；n為同質性地塊單元總數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)及來源

對照組：應用常規(guī)護理，遵醫(yī)囑進行相關治療，監(jiān)測病情變化，定期檢查血糖水平，給予患者飲食管理，心理干預，健康教育和用藥指導。

圖2 燕溝流域數(shù)字地形圖Fig.2 Digital topographic map of Yangou watershed

圖3 燕溝流域2010年土地利用圖Fig.3 The land use of Yangou watershed in 2010

(1)空間分析圖件

研究中涉及到圖件包括數(shù)字地形圖、土地利用圖和行政村界圖。數(shù)字地形圖來源于1966年版的1∶1萬地形圖。土地利用圖包括1997年、2003年和2010年3期，1997年未成圖，土地利用數(shù)據(jù)來源于世界銀行貸款延河項目區(qū)四岔鋪治理片資料；2003年土地利用圖根據(jù)航空照片結合實地調查編制而成(1∶1萬)；2010年土地利用圖是在2003年的基礎上利用遙感影像(來源于Google earth，從海拔2000m高空采集，分辨率<2.5m)更新獲得。行政村界圖來源于1∶1萬地形圖。

(2)作物產(chǎn)量和水土流失模擬基礎數(shù)據(jù)

涉及到的數(shù)據(jù)和參數(shù)主要包括氣象數(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)等，供模擬作物產(chǎn)量、農(nóng)田水文特征、泥沙流失的WIN-YIELD軟件之用，模擬方法及參數(shù)選擇參見相關文獻[22- 23]。氣象數(shù)據(jù)為延安氣象站(距燕溝流域中心點的直線距離約5km)逐日平均氣溫、降水、降水歷時、云量、平均相對濕度、最小相對濕度、白天和夜間風速8個指標；作物為玉米和豆類；地塊單元數(shù)據(jù)為高程、坡度和坡向；土壤屬性為沙性黃土；地貌類型為峁坡、溝坡和梯田?？紤]到黃土丘陵區(qū)氣候及降水情況的年際差異性，作物產(chǎn)量和水土流失數(shù)據(jù)采用2004、2005和2006年模擬數(shù)據(jù)的平均值。

(3)調查和監(jiān)測數(shù)據(jù)

各行政村人口、農(nóng)產(chǎn)品價格為2011年實地調查數(shù)據(jù)。燕溝溝口徑流總量和泥沙總量來源于中國科學院水利部水土保持研究所的監(jiān)測數(shù)據(jù)[21]。

2 結果分析

2.1 坡改梯內生效應

表1 2004—2006年燕溝流域不同坡度條件下坡耕地作物產(chǎn)量及土壤侵蝕量平均值Table 1 Average crop yield and soil erosion under different gradients on the slope farmland of Yangou watershed in 2004—2006

由圖4可知，坡耕地種植豆類和玉米，兩者的EEC值變化的總體趨勢是隨地形坡度的增大而增大，表明坡度越大，單位經(jīng)濟收入所付出的土壤侵蝕代價亦越大；兩種作物的不同之處在于玉米的EEC值顯著高于豆類，且兩者的差值隨著坡度的增大而增大，0°時差值為0.25 t/100元，30°時達到0.81t/100元，表明坡耕地種植玉米所付出的土壤侵蝕代價遠大于豆類。豆類在0°—5°區(qū)間，EEC值變化不大，5°較0°僅增加0.04t/100元；在5°—7.5°區(qū)間，EEC值升幅相對較大，7.5°較5°增加了0.09t/100元；7.5°后，EEC值呈平緩上升趨勢，30°時EEC值為0.91t/100元，較7.5°增加了0.21t/100元。玉米在0°—5°區(qū)間，EEC值變化也不大，5°較0°僅增加0.01t/100元；在5°—15°區(qū)間，EEC值升幅相對平緩，15°時EEC值為1.06t/100元，較5°增加了0.23t/100元；15°后，EEC值呈較快上升趨勢，30°時EEC值為1.72t/100元，較15°增加了0.66t/100元。

圖4 燕溝流域坡耕地EEC (2004—2006年平均值)隨地形坡度的變化Fig.4 The change of EEC (average in 2004—2006) following gradient on the slope farmland for bean and corn of Yangou watershed

圖5 燕溝流域梯田EECT與坡耕地EECP之差值隨地形坡度的變化(2004—2006年的平均值)Fig.5 The gap between EECT of terrace and EECP of slope farmland according to gradient in Yangou watershed (average in 2004—2006)

從圖5可以看出，豆類的梯田EECT與坡耕地EECP之差值隨地形坡度增大的變化趨勢較為平緩，5°坡改梯兩者的差值為-0.04t/100元，15°坡改梯差值為-0.23t/100元，30°的差值為-0.34t/100元，即同樣得到100元的經(jīng)濟產(chǎn)出，但對30°坡耕地實施坡改梯可減少0.34t的土壤侵蝕量。玉米的EECT與EECP之差值隨地形坡度增大的變化趨勢在0°—15°區(qū)間與豆類基本一致，但在大于15°以后呈現(xiàn)出快速下降趨勢。15°坡改梯兩者的差值為-0.24t/100元，到30°時差值達到了-0.9t/100元。從坡改梯與坡耕地EEC值的對比分析看，隨著地形坡度的增大，坡改梯的生態(tài)經(jīng)濟耦合程度越高。

2.2 坡改梯前后的流域農(nóng)耕地EEC對比分析

為了對比燕溝流域坡改梯前后農(nóng)耕地經(jīng)濟產(chǎn)出、土壤侵蝕量及其生態(tài)經(jīng)濟耦合程度的變化情況，將1997年和2010年分別設定為坡改梯前后的起始和終止年份，以1997年的坡耕地及其地形坡度分級數(shù)據(jù)和2010年的梯田數(shù)據(jù)為基礎，按照坡耕地種植豆類、梯田種植玉米，采用前面隨地形坡度變化的坡耕地作物單產(chǎn)和土壤侵蝕數(shù)據(jù)(0—3°取2.5°的值，3—10°取7.5°的值，10—15°取12.5°的值，15—20°取17.5°的值，20—25°取22.5°的值，25°以上取27.5°的值)，則在2005年的年景條件下，計算得到的燕溝流域坡改梯前后各村(未包括溝口區(qū))農(nóng)耕地產(chǎn)值、土壤侵蝕量以及EEC值對比情況如圖6—圖8所示。

圖6 燕溝流域坡改梯前后各村農(nóng)耕地產(chǎn)值對比Fig.6 The output contrast between the slope farmland and terrace in villages of Yangou watershed

圖7 燕溝流域坡改梯前后各村農(nóng)耕地土壤侵蝕量對比Fig.7 The contrast of soil erosion between the slope farmland and terrace in villages of Yangou watershed

圖8 燕溝流域坡改梯前后各村農(nóng)耕地EEC值對比 Fig.8 The EEC contrast between the slope farmland and terrace in villages of Yangou watershed

從坡改梯前后農(nóng)耕地經(jīng)濟產(chǎn)出總體情況看，14個村合計坡改梯前產(chǎn)值為377.52萬元，坡改梯后下降為298.57萬元，下降幅度達20.91%。但從14個村的情況看，有升有降，各村之間存在著顯著差異。坡改梯后較坡改梯前產(chǎn)值有所上升的村包括老莊坪、麻塔和稍塬梁，上升幅度分別為31.64%、7.81%和2.48%；其余各村均有所下降，下降幅度最大的是石頭溝村(80.82%)和楊家畔(49.4%)，其它依次為吳棗園(28.44%)、南莊河(27.2%)、四岔鋪(26.76%)、趙莊(23.8%)、雞蛋峁(17.77%)、秋樹塔(8.36%)、廟河(8.2%)、揪溝(6.42%)和康圪嶗(2.76%)。

從坡改梯前后農(nóng)耕地土壤侵蝕量對比看，坡改梯后較坡改梯前均呈現(xiàn)為大幅度下降。14個村合計坡改梯前土壤侵蝕總量為68136.75t，坡改梯后下降為25475.74t，下降幅度達62.61%。14個村中，除老莊坪(38.23%)和麻塔(46.04%)下降幅度相對較低外，其它各村都在50%以上，最高的石頭溝村達90.88%，楊家畔村達76.71%。表明實施坡改梯后減沙效益極為顯著。

從坡改梯前后農(nóng)耕地的EEC值對比看，坡改梯后農(nóng)耕地的生態(tài)經(jīng)濟耦合度顯著高于坡改梯前。14個村合計坡改梯前EEC值為1.805t/100元，坡改梯后下降為0.853t/100元，下降幅度達52.73%。坡改梯EEC值的下降在14個村之間的差異不顯著，下降幅度都維持在49%—55%之間。表明實施坡改梯使燕溝流域農(nóng)耕地的生態(tài)經(jīng)濟耦合度提高了1倍。

2.3 坡改梯外延效應

燕溝流域坡改梯的外延效應主要體現(xiàn)在土地利用結構變化、林草植被覆蓋率提高和水土流失顯著下降等方面。據(jù)有關研究成果[19]，從1949年到2010年，燕溝流域土地利用變化可大致以20世紀80年代中期和1997年為界劃分成3個不同的時期。前期以土地的空間規(guī)模性擴墾和天然次生林向南減縮為主要特征，1966年土地開墾率為68.02%，天然次生林面積尚有1507.74hm2，占流域土地總面積31.98%，到1988年土地開墾率已達91.95%，天然次生林分布退縮南部一隅，面積僅379.54 hm2，是1966年的25.17%，已墾土地多為粗放利用。中期土地利用結構變化不大，出現(xiàn)了合理調整的跡象。后期從1997年開始，隨著世行貸款項目和國家科技攻關計劃項目的實施，燕溝流域的土地利用結構發(fā)生了巨大的變化(表2)。1997年流域有耕地1831.1hm2，占流域面積的38.4%，其中坡耕地為1617.6hm2，占耕地的比重高達88.34%，梯田面積66.32hm2，占流域面積的比例僅1.39%；到2003年，耕地面積下降為798.19hm2，占流域面積的比例下降為16.72%，其中梯田面積增加到了582.3hm2，占流域面積的比例達到了12.2%，坡耕地實現(xiàn)了全部退耕。園地從1997年的174.1 hm2上升到了2003年的651.48 hm2，增加了10個百分點。林地1997年為1458.2 hm2，2003年達2149.64 hm2，增加近15個百分點?；臏掀虏莸?997年為1224 hm2，2003年下降為764.24hm2，6年間下降了近10個百分點。2003年至2010年期間，燕溝流域的土地利用結構基本上保持了相對穩(wěn)定的狀態(tài)，較小的變化主要體現(xiàn)為荒溝坡草地已演化為灌叢草地，人工喬灌林地增加了3個百分點，川壩地和水域因居住用地擴展而有所減少。

表2 1997—2010年燕溝流域土地利用變化Table 2 Land use change of Yangou watershed from 1997 to 2010

在林草植被方面，2010年與1997年相比，喬灌林覆蓋率提高了17.69%；若加上果園和草地，流域的永久性植被覆蓋率超過80.02%，較1997年增加了20.12%。隨著坡改梯和植被覆蓋率的提高，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)，從1998年到2007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(圖9)，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程是一致的。1998年流域的洪水徑流量為37.83×104m3，輸沙模數(shù)為2850t km-2a-1；到2000年洪水徑流量和輸沙模數(shù)都快速下降，分別為22.70×104m3和581t km-2a-1，較1998年下降幅度為39.99%和79.61%。后7年的洪水徑流量都在18×104m3以下，最低者出現(xiàn)在2003年和2006年，分別為4.63×104m3和3.31×104m3；輸沙模數(shù)基本都在600t km-2a-1以下，最低者出現(xiàn)在2006年，僅0.068 t km-2a-1。

圖9 1998—2007年燕溝流域年降水量和輸沙模數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù) Fig.9 The observation data of rainfall and soil loss modulus in Yangou watershed from 1998 to 2007

3 討論和結論

3.1 討論

從坡耕地和梯田種植豆類或玉米的生態(tài)經(jīng)濟耦合指數(shù)對比看，地形坡度5°和15°是兩個坡耕地是否進行梯田改造的相對“質變點”，表明5°以下可以不進行梯田改造，5°—15°之間是進行坡改梯的最佳區(qū)間，15°以上宜退耕還林(草)。關于坡耕地退耕還林的界限，有的學者認為地形坡度25°是陡坡地的下限，25°應該作為坡耕地退耕的界限；而另一些學者則認為將25°作為退耕界限缺乏科學依據(jù)。唐克麗等根據(jù)實驗模擬結果[5]，認為退耕界限應設定在17°—18°之間。從近年黃土丘陵區(qū)梯田建設的標準要求看，寬度不小于10m、梯坎高度不超過3m的梯田，對應的地形坡度應在17°以下。因此，理論上的合理退耕下限應在15°至17°之間。

另外，需要特別提出的是采用Win-yield軟件模擬豆類作物產(chǎn)量與實際調查值較為一致，但玉米的模擬值普遍低于實地調查值，模擬值多在2600—3400kg/hm2之間，調查值在3200—4500kg/hm2之間，表明梯田玉米的實際生態(tài)經(jīng)濟耦合程度高于本研究的結果。經(jīng)研究分析，導致兩者差異的主要原因在于Win-yield軟件的作物產(chǎn)量模型是基于20世紀80年代末和90年代初的作物種植條件構建的[24]，未考慮90年代后期在黃土丘陵區(qū)梯田玉米種植中普遍采取的大壟溝種植、密植和地膜覆蓋等技術措施。未來，Win-yield軟件尚需要做進一步的修改和訂正。

3.2 結論

(1)燕溝流域坡改梯實證研究表明，從內生和外延兩個方面進行坡改梯生態(tài)經(jīng)濟耦合效應評價的學術思路是可行的，采用單位經(jīng)濟產(chǎn)出所付出的土壤侵蝕代價(即生態(tài)經(jīng)濟耦合指數(shù))可定量且有效刻畫坡改梯的生態(tài)經(jīng)濟耦合程度。

(2)隨著地形坡度的增大，坡改梯的生態(tài)經(jīng)濟耦合程度越高。地形坡度5°和15°是兩個重要閾值，5°以下不必進行坡改梯，5°—15°之間應作為坡改梯的重點對象，15°以上宜退耕還林還草。

(3)坡改梯使燕溝流域農(nóng)耕地的生態(tài)經(jīng)濟耦合程度得到了顯著提高，坡改梯前生態(tài)經(jīng)濟耦合指數(shù)為1.805t/100元，坡改梯后下降為0.853t/100元，下降幅度達52.73%。隨著坡改梯和植被覆蓋率的提高，流域的洪水徑流量和輸沙模數(shù)均大幅度下降，水土流失狀況得到了明顯的改善。

[1] 李鳳民, 徐進章, 孫國鈞. 半干旱黃土高原退化生態(tài)系統(tǒng)的修復與生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展. 生態(tài)學報, 2003, 23(9): 1901- 1909.

[2] 陳奇伯, 王克勤, 齊實, 孫立達. 黃土丘陵區(qū)坡耕地水土流失與土地生產(chǎn)力的關系. 生態(tài)學報, 2003, 23(8): 1463- 1469.

[3] 周德翼, 楊海娟. 黃土高原治理中中央、地方、農(nóng)民間的博弈分析. 水土保持通報, 2002, 22(3): 35- 38.

[4] Lu C H, Van Ittersum M K. A trade-off analysis of policy objectives for Ansai, the Loess Plateau of China. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2004, 102(3): 235- 246.

[5] 唐克麗, 張科利, 雷阿林. 黃土丘陵區(qū)退耕上限坡度的研究論證. 科學通報, 1998, 43(2): 200- 203.

[6] 胡世雄, 靳長興. 坡面土壤侵蝕臨界坡度問題的理論與實驗研究. 地理學報, 1999, 54(4): 347- 356.

[7] 蔡強國, 陸兆熊, 王貴平. 黃土丘陵溝壑區(qū)典型小流域侵蝕產(chǎn)沙過程模型. 地理學報, 1996, 51(2): 108- 117.

[8] 徐勇, 田均良, 劉普靈. 黃土丘陵區(qū)“梯田退耕”生態(tài)重建規(guī)劃方法-以燕溝流域為例. 自然資源學報, 2004, 19(5): 637- 645.

[9] 康曉光. 壩系農(nóng)業(yè)——治黃之本. 科技導報, 1993, 62(8): 3- 6.

[10] 肖國舉, 王靜. 黃土高原集水農(nóng)業(yè)研究進展. 生態(tài)學報, 2003, 23(5): 1901- 1909.

[11] 李繼翠, 程默. 西北農(nóng)村人口對生態(tài)環(huán)境的壓力與生態(tài)移民的戰(zhàn)略選擇. 哈爾濱工業(yè)大學學報: 社會科學版, 2007, 9(1): 85- 88.

[12] 劉昌明, 成立. 黃河干流下游的斷流的徑流序列分析. 地理學報, 2000, 55(3): 257- 264.

[13] 周成虎, 萬慶, 黃詩峰, 陳德清. 基于GIS的洪水災害風險區(qū)劃研究. 地理學報, 2000, 55(1): 15- 24.

[14] 景可, 焦菊英. 黃土丘陵溝壑區(qū)水土流失治理模式、治理成本及效益分析——以米脂縣高西溝流域為例. 中國水土保持科學, 2009, 7(4): 20- 25.

[15] Hu S X, Jin C X. Theoretical analysis and experimental study on the critical slope of erosion. Acta Geographica Sinica, 1999, 54(4): 347- 356.

[16] Cai Q G, Luk S, Wang G P. Process-based soil erosion and sediment yield model in a small basin in the Hilly Loess Region. Acta Geographica Sinica, 1996, 51(2): 108- 117.

[17] 吳文斌, 唐華俊, 楊鵬, 周清波, 陳仲新, Shibasaki R. 基于空間模型的全球糧食安全評價. 地理學報, 2010, 65(8): 907- 918.

[18] 胡文海. 我國中部地區(qū)糧食生產(chǎn)特征及其對我國糧食安全的影響. 地理研究, 2008, 27(4): 885- 896.

[19] Kang X G. Dam system agriculture is the basis of harnessing the Yellow River. Science & Technology Review, 1993, 62(8): 3- 6.

[20] 琚彤軍, 劉普靈, 鄭世清, 馮秉琦. 燕兒溝流域泥沙監(jiān)測初報. 水土保持研究, 2000, 7(2): 176- 178.

[21] 劉普靈, 鄭世清, 琚彤軍, 王栓全, 徐勇. 黃土高原燕溝流域生態(tài)環(huán)境建設模式及效益研究. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2007, 15(3): 175- 178.

[22] 劉高煥, 朱會義, 蔡強國, 甘國輝, Csillag F, Maclaren V. 小流域綜合管理信息系統(tǒng)集成研究. 地理研究, 2002, 21(1): 25- 33.

[23] Li J C, Cheng M. Ecology environmental pressure by northwest rural population and strategy choice of eco-migration. Journal of Harbin Institute of Technology(Social Sciences Edition), 2007, 9(1): 85- 88.

[24] 徐勇, 甘國輝, 王志強. 基于WIN-YIELD軟件的黃土丘陵區(qū)作物產(chǎn)量地形分異模擬. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2005, 21(7): 61- 64.

[25] Zhou C H, Wan Q, Huang S F, Chen D Q. A GIS-based approach to flood risk zonation. Acta Geographica Sinica, 2000, 55(1): 15- 24.

[26] Jing K, Jiao J Y. Mode, cost and benefit of soil and water conservation on the Loess Plateau: A case study in Gaoxigou watershed in Mizhi County. Science of Soil and Water Conservation, 2009, 7(4): 20- 25.

[27] Xu Y, Tang Q, Zhang T S, Yang Q K. Influence of ecological defarming scenarios on agriculture in Ansai county, Loess Plateau, China. Mountain Research and Development, 2009, 29(1): 36- 45.

[28] Liu J G, Li S X, Ouyang Z Y, Tam C, Chen X D. Ecological and socioeconomic effects of China′s policies for ecosystem services. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2008, 105(28): 9477- 9482.

[29] Wu W B, Tang H J, Yang P, Zhou Q B, Chen Z X, Shibasaki R. Scenario-based assessment of future food security. Journal of Geographical Sciences, 2010, 65(8): 907- 918.

[30] Hu W H. Characteristics of grain production in Central China and its influence on national grain safety. Geographical Research, 2008, 27(4): 885- 896.

[31] Xu Y, Tang Q. Land use optimization at small watershed scale on the Loess Plateau. Journal of Geographical Sciences, 2009, 19(5): 577- 586.

[32] Ju T J, Liu P L, Zheng S Q, Feng B Q. Primary Report on Monitoring Sediment in Yan′er Gully Valley. Research of Soil and Water Conservation, 2000, 7(2):176- 178.

[33] Liu P L, Zheng S Q, Ju T J, Wang S Q, Xu Y. Eco-environment construction in Yangou Basin of Loess Plateau: Modes and benefits. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2007, 15(3): 175- 178.

[34] Liu G H, Zhu H Y, Cai Q G, Gan G H, Csillag F, Maclaren V. A land-unit based integration method of geographic information system for small watershed management. Geographical Research, 2002, 21(1): 25- 33.

[35] Xu Y, Yang B, Liu G B, Liu P L. Topographic differentiation simulation of crop yield and soil and water loss on the Loess Plateau. Journal of Geographical Sciences, 2009, 19(3): 331- 339.

[36] Xu Y, Gan G H, Wang Z Q. Topographic differentiation simulation of crop yield based on WIN-YIELD software in the loess hilly-gully region. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2005, 21(7): 61- 64.

Ecological-economic coupling effects of transforming slope farmland to terraces in the hilly-gully region of Loess Plateau

XU Yong1, DANG Lijuan1,2, TANG Qing1,*, GAO Ya1,2

1InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China

Transforming slope farmland to terraces has been an effective measure to improve crop yield per unit and control soil and water loss. Based on the theory of internal and external effects of transforming slope farmland to terraces, this paper constructs the mathematical model for quantitatively evaluating ecological-economic coupling status. Taking the Yangou watershed of Yan′an city which is located in the core area of the hilly-gully region of Loess Plateau as a case, using spatial data of land use and DEM, crop yield and soil erosion modeling data, and monitoring and survey data, this paper quantitatively assesses and analyzes ecological-economic coupling effects of transforming slope farmland to terraces. The results show that: (1) it is feasible to evaluate ecological-economic coupling effects of transforming slope farmland to terraces from the internal and external aspects. Soil erosion cost per economic yield unit (Ecological-economic coupling index) can quantitatively and effectively reflects ecological-economic coupling level. (2) Assuming beans and corn are cultivated on the slope farmland, the changing trend of ecological-economic coupling index shows that it ascends as the topographic gradient rises. This indicates that the higher topographic gradient, the more soil erosion cost of per economic yield unit. Topographic gradient 5° and 15° are two important thresholds. There is no need to transform slope farmland below 5°. However, slope farmland between 5° and 15° should be the key object of transformation to terraces. Slope farmland above 15° needs to be converted to forest and grassland. (3) Transforming slope farmland to terraces has dramatically enhanced ecological-economic coupling level of cultivated land in the Yangou watershed. Before and after transforming slope farmland to terraces, the ecological-economic coupling index is 1.805 t/100 yuan, 0.853 t/100 yuan, respectively, decreased by 52.73%. As the transformation from slope farmland to terraces and the enhancement of vegetation coverage rate, the flood runoff and sediment transport modulus have sharply declined, and the soil and water loss situation has been obviously improved.

Transforming slope farmland to terraces; ecological-economic coupling; evaluation model; Yangou watershed; the hilly-gully region of Loess Plateau

國家自然科學基金項目(41171449); 中國科學院重點部署項目(KZZD-EW- 06- 01)

2013- 04- 24;

日期:2014- 04- 11

10.5846/stxb201304240796

*通訊作者Corresponding author.E-mail: tangq@igsnrr.ac.cn

徐勇，黨麗娟，湯青，高雅.黃土丘陵區(qū)坡改梯生態(tài)經(jīng)濟耦合效應.生態(tài)學報,2015,35(4):1258- 1266.

Xu Y, Dang L J, Tang Q, Gao Y.Ecological-economic coupling effects of transforming slope farmland to terraces in the hilly-gully region of Loess Plateau .Acta Ecologica Sinica,2015,35(4):1258- 1266.