貴州喀斯特坡耕地水土資源配置研究現(xiàn)狀及其展望

關(guān)智宏，顧再柯，楊光檄

(1．貴州師范大學(xué)中國(guó)南方喀斯特研究院，貴州貴陽(yáng) 550001;2．貴州省水土保持監(jiān)測(cè)站，貴州貴陽(yáng) 550002)

貴州省地處我國(guó)西南喀斯特的核心區(qū)域，由于特殊的地理位置和強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了該區(qū)特殊而且十分脆弱的生態(tài)環(huán)境。由于喀斯特山區(qū)碳酸鹽巖的廣泛分布及其特殊性，同時(shí)，貴州山區(qū)地面坡度大，成土速率極低，導(dǎo)致全區(qū)土壤貧瘠，土層淺?。?］，加之，該區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的快速增長(zhǎng)，對(duì)坡耕地的保護(hù)不足，導(dǎo)致坡耕地水土流失十分嚴(yán)重，水土流失與土地退化已成為制約該區(qū)農(nóng)業(yè)乃至整個(gè)社會(huì)發(fā)展的重要因素。加快坡耕地水土流失綜合治理是當(dāng)務(wù)之急。2010～2012年，國(guó)家發(fā)改委、水利部在全國(guó)開展坡耕地水土流失綜合治理試點(diǎn)工程建設(shè)，從2013年開始，正式開展坡耕地水土流失綜合治理專項(xiàng)工程。坡面治理工程的設(shè)計(jì)和施工關(guān)系到工程效益發(fā)揮，因此迫切需要對(duì)貴州喀斯特坡耕地的水土資源優(yōu)化配置進(jìn)行研究，為坡耕地的治理提供技術(shù)支撐。

1 水土資源優(yōu)化配置概念和內(nèi)涵

土地資源的優(yōu)化配置是指為了達(dá)到一定的生態(tài)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化，依據(jù)土地特性與土地系統(tǒng)原理，依靠一定的技術(shù)與管理手段，對(duì)區(qū)域有限土地資源的利用結(jié)構(gòu)和方向，在時(shí)空尺度上，分層次進(jìn)行安排、設(shè)計(jì)和布局，以提高土地利用效率，維持土地生態(tài)系統(tǒng)的相對(duì)平衡，實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用［2］。水資源的優(yōu)化配置是指一定時(shí)期內(nèi)，在有效、公平與可持續(xù)原則的基礎(chǔ)之上，在特定區(qū)域內(nèi)對(duì)有限的、不同形式和質(zhì)量的水資源，通過(guò)工程與非工程措施在各用水對(duì)象之間進(jìn)行科學(xué)的分配［3］。水資源優(yōu)化配置的研究始于20世紀(jì)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(yōu)化配置是指在一定條件下，根據(jù)可持續(xù)發(fā)展和因地制宜的原則，依據(jù)水土資源的特性與系統(tǒng)原理，通過(guò)調(diào)整研究區(qū)域的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和布局，制定合理的區(qū)域開發(fā)規(guī)劃，并輔以先進(jìn)的技術(shù)手段，在時(shí)空尺度上對(duì)區(qū)域有限的水資源和土地資源進(jìn)行合理的安排、設(shè)計(jì)、組合與布局，以提高水土資源利用效率，維持土地生態(tài)系統(tǒng)的相對(duì)平衡與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)水土資源的可持續(xù)利用［9］。通過(guò)土地資源優(yōu)化配置與水資源優(yōu)化配置的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到水土資源的合理配置，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、生態(tài)效益的協(xié)調(diào)、統(tǒng)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(xiàn)狀 貴州省是我國(guó)西南亞熱帶地區(qū)喀斯特強(qiáng)烈發(fā)育的省份，可溶性碳酸鹽巖出露面積占全省國(guó)土面積的73%，95%的縣、市都有喀斯特分布［10］。由碳酸鹽巖風(fēng)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(zhǎng)緩慢［11］，加之貴州山區(qū)地形崎嶇，坡耕地面積占耕地總面積61．01%［12］。同時(shí)，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(nóng)作物生長(zhǎng)盛季(4～9月)的降雨量為780～1 270 mm，占全年降雨量的73% ～85%?！?0 mm暴雨日數(shù)每年平均3～4 d，多雨地區(qū)可達(dá)10～12 d;≥100 mm暴雨日數(shù)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(qū)年均徑流系數(shù)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(shí)短的高強(qiáng)度暴雨，以及不合理的土地利用方式，為水土流失的發(fā)生發(fā)展提供了條件。由于喀斯特地區(qū)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(qū)水分不足，干旱嚴(yán)重［13］。降雨的時(shí)空分布不均，使該區(qū)的水土資源難以達(dá)到合理的利用。如何通過(guò)實(shí)施相應(yīng)的工程技術(shù)措施，提高水土資源的綜合利用率是當(dāng)務(wù)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(guó)坡耕地最集中的山區(qū)省份之一。土地資源調(diào)查結(jié)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(gè)縣，30% ～40%的有8個(gè)縣，大于40%的有7個(gè)縣［14］，坡耕地土地資源已開發(fā)過(guò)度(表1)［12］。同時(shí)，坡耕地的土壤十分貧瘠，主要表現(xiàn)在土層淺薄，土壤肥力低下，砂化、石質(zhì)化、石礫化現(xiàn)象嚴(yán)重，障礙因素多。如貴州西部砂頁(yè)巖發(fā)育的紫色土耕層僅有12 cm左右，有機(jī)質(zhì)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(chǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)屬于掠奪式的經(jīng)營(yíng)方式。

表1 貴州省坡耕地開發(fā)情況［12］

2．2．2 水土流失嚴(yán)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(guó)人均耕地面積0．10 hm2/人，但耕地中坡耕地比重較大，土地質(zhì)量差，耕作頻繁，復(fù)種指數(shù)較高，土地得不到休養(yǎng)，還存在順坡耕種的現(xiàn)象，坡耕地長(zhǎng)期處于松散的狀態(tài)，極易產(chǎn)生水土流失。全省坡耕地面積246．23萬(wàn)hm2，全部為水土流失面積，年土壤流失量16 303．16萬(wàn)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(dá)到強(qiáng)度以上。根據(jù)典型的喀斯特小流域觀測(cè)結(jié)果，平均土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)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(shè)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(duì)其投入與產(chǎn)出比等生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益的研究不足，而未能使水土資源達(dá)到優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水土資源的可持續(xù)利用。例如，坡改梯較高的資金和勞動(dòng)力投入、易垮塌及坡改梯后的高維護(hù)費(fèi)用等問題往往不被重視［17－18］。對(duì)貴州坡改梯工程調(diào)查表明，因資金、技術(shù)和管理等方面的原因，工程質(zhì)量未能得到保證，在暴雨等因素的誘導(dǎo)下，極易垮塌，影響該區(qū)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展［19］。同時(shí)，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(rèn)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(duì)農(nóng)作物種類、種植方式和耕作方式的水土保持作用機(jī)理和效益的單項(xiàng)研究［21－22］，但對(duì)特定地區(qū)坡耕地種植制度，特別是雨季高覆蓋作物品種選擇，種植時(shí)間、種植結(jié)構(gòu)、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(jī)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(shù)的同時(shí)，要加強(qiáng)水土資源優(yōu)化配置的研究，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水土資源的可持續(xù)利用，進(jìn)而促進(jìn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

3 水土資源優(yōu)化配置研究

3．1 研究現(xiàn)狀 人們已對(duì)水土資源的優(yōu)化配置做過(guò)大量的研究，但大多是對(duì)水資源和土資源的優(yōu)化配置分開進(jìn)行研究的，而將兩類資源結(jié)合起來(lái)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(jié)合不夠。因此，對(duì)水土資源優(yōu)化配置模型的研究一直是配置研究的重點(diǎn)。從數(shù)學(xué)方法上看，可分為基于系統(tǒng)工程的方法和基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法;從模型應(yīng)用目的上看，主要分為針對(duì)提高灌溉效率的模型、針對(duì)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的模型，以及針對(duì)水土資源開發(fā)利用系統(tǒng)的模型［23－24］。

3．2 水土資源優(yōu)化配置的原則 根據(jù)貴州省降雨時(shí)空分布的不均勻性、坡耕地的分布特點(diǎn)和坡耕地的利用現(xiàn)狀，以及坡耕地綜合整治的原則，堅(jiān)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(shí)現(xiàn)坡耕地水土資源的優(yōu)化配置與合理利用，保證全省糧食與生態(tài)安全。因此，在水土資源優(yōu)化配置中遵循的主要原則是:立足生態(tài)保護(hù)，即在水土資源的優(yōu)化配置中首先考慮生態(tài)環(huán)境效益;統(tǒng)籌兼顧經(jīng)濟(jì)效益，即在滿足一定生態(tài)要求的基礎(chǔ)上追求最優(yōu)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，是保持已取得生態(tài)效益的基本保障;因地制宜，根據(jù)不同地區(qū)坡耕地的特征以及水資源供給條件，確定水土資源的最優(yōu)利用方法［25］。

3．3 模型選擇 貴州省坡耕地為農(nóng)業(yè)用地，而用于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)化方法較多，如線性規(guī)劃、目標(biāo)規(guī)劃、多目標(biāo)規(guī)劃等，由于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中有很多不確定性的因素，灰色系統(tǒng)理論能夠很好地解決這類問題，因而選擇灰色線性規(guī)劃［26］方法來(lái)對(duì)水土資源進(jìn)行優(yōu)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(biāo)函數(shù)的價(jià)值系數(shù)向量;?(A)為約束條件的系數(shù)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(duì)應(yīng)一組約束方程。

3．4 最優(yōu)方案模型的篩選 采用灰色線性規(guī)劃獲得的是在不同投入水平、不同經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下的一簇水土資源優(yōu)化配置方案，還需對(duì)方案進(jìn)行篩選來(lái)實(shí)現(xiàn)。模糊綜合評(píng)判模型可滿足這一要求，其表達(dá)式為:

式中，Pj為方案 j優(yōu)劣度評(píng)判指數(shù)，j=1，2，3，…;Xij為相應(yīng)方案的效益指標(biāo)(包括生態(tài)效益和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益);Ykj為相應(yīng)方案的可行性指標(biāo);Wi、Wk分別為效益指標(biāo)和可行性指標(biāo)的權(quán)重，其值通過(guò)Delphi法(專家打分)來(lái)確定［27］。最終計(jì)算出P1、P2、P3等值，其中最大的所對(duì)應(yīng)的方案為篩選出的最佳方案。

3．5 優(yōu)選方案的空間落實(shí) 只有將水土資源優(yōu)化配置的數(shù)據(jù)指標(biāo)落實(shí)到空間上，才能為貴州省坡耕地生態(tài)建設(shè)與水土資源調(diào)整提供可參照的依據(jù)。近年來(lái)，“3S”技術(shù)的應(yīng)用已成為人們研究的重點(diǎn)，如運(yùn)用“3S”技術(shù)，建立農(nóng)田水土資源配置輔助決策支持系統(tǒng)［28］，并在GIS支持下，將節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)、耕作技術(shù)等與區(qū)域空間結(jié)構(gòu)及資源環(huán)境條件有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水土資源的優(yōu)化配置;應(yīng)用GIS技術(shù)，從遙感影像及其他資料上提取具有地理空間屬性的數(shù)據(jù)作為水土資源優(yōu)化配置的數(shù)據(jù)來(lái)源［29］，并與空間地塊單元進(jìn)行匹配，獲得最優(yōu)配置方法。貴州喀斯特坡耕地分布廣泛，綜合運(yùn)用“3S”技術(shù)，同時(shí)與優(yōu)選方案模型相結(jié)合，對(duì)貴州喀斯特坡耕地的水資源和土資源利用進(jìn)行匹配，而最終使優(yōu)選方案落實(shí)在坡耕地的地塊單元上，為坡耕地水土資源的優(yōu)化配置提供支持。

4 貴州喀斯特坡耕地水土資源優(yōu)化配置研究展望

在理論和方法上，以往的水土資源優(yōu)化配置研究都有取得了顯著的進(jìn)展，并且隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷完善，取得了很有價(jià)值的成果。但由于水土資源優(yōu)化配置所涉及的不僅僅是兩種自然資源，而是一個(gè)由經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)、環(huán)境、資源、人口等因素組成的復(fù)雜系統(tǒng)，特別是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，以及面對(duì)貴州喀斯特坡耕地復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)水土資源配置的要求越來(lái)越高。

4．1 模型的優(yōu)化 水土資源優(yōu)化配置模型采用的數(shù)學(xué)方法主要有一般線性規(guī)劃模型、灰色線性規(guī)劃模型、動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型、多目標(biāo)規(guī)劃模型和SD模型等，但這些模型各有優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍，仍有很多需要完善和改進(jìn)的方面。該研究提出的灰色線性規(guī)劃模型與模糊評(píng)價(jià)模型相結(jié)合，雖然可以有效地得出較優(yōu)的模型方法，但是貴州喀斯特坡耕地不同于其他地區(qū)的坡耕地，巖溶發(fā)育特別強(qiáng)烈，地形崎嶇，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。因此，在對(duì)其水土資源優(yōu)化配置模型的選取與優(yōu)化時(shí)，不能機(jī)械地運(yùn)用其他地區(qū)的模型與優(yōu)化方法，在前人模型研究的基礎(chǔ)之上，建立適合貴州喀斯特坡耕地的模型及其優(yōu)化方法，應(yīng)是亟待解決的問題。

4．2 注重宏觀和微觀的結(jié)合 宏觀尺度上的水土資源優(yōu)化配置，主要從整體上對(duì)區(qū)域進(jìn)行把握，在不同的側(cè)重點(diǎn)和主題的引導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)不同行業(yè)和不同水土資源利用單位的優(yōu)化，從而可以提高區(qū)域水土資源配置效率;微觀尺度上的配置，主要通過(guò)對(duì)更小區(qū)域的農(nóng)作物生長(zhǎng)與結(jié)構(gòu)、耕作方式、農(nóng)業(yè)灌溉措施等的優(yōu)化，從而提高區(qū)域水土資源利用效率。基于貴州省特殊的地質(zhì)地貌與氣候因素，在對(duì)區(qū)域宏觀尺度上水土優(yōu)化配置的基礎(chǔ)上，對(duì)坡耕地進(jìn)行因地制宜的微觀尺度上的優(yōu)化配置，將兩者結(jié)合起來(lái)，可以有效地解決貴州省坡耕地的水土資源配置問題，實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益的雙贏。

4．3 專家、政府、社區(qū)的相互配合 實(shí)現(xiàn)貴州省坡耕地水土資源的優(yōu)化配置，還應(yīng)該將專家、政府、社區(qū)有效結(jié)合。在實(shí)地調(diào)研之后，專家建立有效的配置模型和分析因子，政府聯(lián)系和引導(dǎo)社區(qū)積極參與，將專家的方法和模型運(yùn)用到實(shí)際當(dāng)中，改變坡耕地的水土資源利用模式，在政府區(qū)域規(guī)劃的基礎(chǔ)上，合理配置坡面水系工程、林草措施和田間道路體系，實(shí)現(xiàn)坡耕地的可持續(xù)利用。

5 結(jié)語(yǔ)

貴州省國(guó)土面積中，山地占61．7%，丘陵占30．8%，盆地占7．5%，是全國(guó)唯一沒有平原的省份，其中山地和丘陵占全省國(guó)土面積的92．5%，是坡耕地集中分布的地區(qū)，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(qū)，多為“三跑田”。因此，加強(qiáng)對(duì)貴州省坡耕地水土資源優(yōu)化配置的研究，實(shí)現(xiàn)坡耕地水土資源的優(yōu)化利用，變“三跑田”為“三保田”，對(duì)于貴州省未來(lái)的發(fā)展和人民生活水平的提高都具有重大的意義。

通過(guò)對(duì)貴州喀斯特水土流失現(xiàn)狀的分析和貴州喀斯特坡耕地水土保持措施的研究，認(rèn)為實(shí)現(xiàn)坡耕地水土資源優(yōu)化配置，最終實(shí)現(xiàn)坡耕地的保水固土及其生產(chǎn)能力的恢復(fù)，將會(huì)是貴州喀斯特坡耕地綜合整治的新的突破點(diǎn)。目前，關(guān)于喀斯特地區(qū)坡耕地基于水土保持的水土資源優(yōu)化配置方法的研究較少，通過(guò)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(jìn)行提供一種新的思路。雖然灰色線性規(guī)劃模型及模糊評(píng)判法對(duì)坡耕地水土資源優(yōu)化配置有很好的指導(dǎo)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(yōu)化配置的模型，并實(shí)現(xiàn)模型與貴州省喀斯特地區(qū)坡耕地結(jié)合而解決實(shí)際問題，有待進(jìn)一步分析。

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