基于微地形的黃土侵蝕溝壑農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式研究

郭妙玲，王曉軍，王兵

（山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西太原030006）

基于微地形的黃土侵蝕溝壑農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式研究

郭妙玲，王曉軍，王兵

（山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西太原030006）

黃土流域侵蝕溝壑區(qū)水土流失問題長期得到人們關(guān)注。采用蓄水原理和農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)原理，結(jié)合復(fù)雜系統(tǒng)理論，基于微地形分析方法，以山西省壽陽縣三眼井小流域的2條典型黃土侵蝕溝壑為例，探索接近自然的農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式。結(jié)果表明，黃土侵蝕溝壑治理的關(guān)鍵是蓄水保水，水分行為過程遵循補(bǔ)給-排出序列規(guī)律；采用高分辨率影像疊加大比例尺地形圖進(jìn)行微地形分析的方法，可以準(zhǔn)確地識(shí)別平地-陡坎和田面-田坎序列，進(jìn)而合理配置植物材料；這種應(yīng)用微地形分析的方法提出的農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式符合黃土侵蝕溝壑的自然蓄水規(guī)律，可以正常發(fā)揮黃土侵蝕溝壑蓄水功能。以蓄水為核心的農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式，是從根本上治理黃土侵蝕溝壑的有效途徑，從而實(shí)現(xiàn)自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)合的生態(tài)建設(shè)目標(biāo)。

黃土侵蝕溝壑；農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)；蓄水；微地形；植物配置

黃土高原是中國以及世界遭受水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)[1-2]，這里覆蓋的黃土在水蝕作用下，極易水土流失，形成溝壑縱深的侵蝕溝壑[3-4]。黃土被侵蝕后土壤退化，含蓄水能力減弱，生態(tài)環(huán)境惡化[5]。多年來國內(nèi)外許多學(xué)者都對治理黃土侵蝕溝壑的農(nóng)業(yè)措施進(jìn)行研究，如坡地改梯田，通過治理坡面來減少水土流失[6-8]。雖然傳統(tǒng)農(nóng)耕對自然的應(yīng)用中存在大量的農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式，但這方面的理論研究相對滯后。

傳統(tǒng)農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式經(jīng)過幾千年的應(yīng)用，其有效性、合理性和可持續(xù)性是毋庸置疑的。它的核心在于準(zhǔn)確把握黃土侵蝕溝壑的自然規(guī)律，表現(xiàn)為合理調(diào)蓄雨洪（水）和提高土地生產(chǎn)力（土）。然而，目前國內(nèi)外研究對一些問題的認(rèn)識(shí)仍存在不足：一是如何使水在黃土侵蝕溝壑區(qū)蓄存并有效利用？二是如何使農(nóng)作物和植物材料的配置更為合理？這些問題實(shí)際上都是對如何遵循黃土侵蝕溝壑自然規(guī)律的探討。

黃土侵蝕溝壑實(shí)質(zhì)是一個(gè)復(fù)雜開放系統(tǒng)，因而，對于黃土侵蝕溝壑自然規(guī)律的研究只能采用復(fù)雜系統(tǒng)理論[9]。本研究采用微地形蓄水原理和農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)原理，結(jié)合復(fù)雜系統(tǒng)理論，基于微地形分析方法，以山西省壽陽縣三眼井小流域的2條典型黃土侵蝕溝壑為例，探索接近自然的農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式，以達(dá)到黃土侵蝕溝壑區(qū)自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)合的生態(tài)建設(shè)目標(biāo)[10]。

1 黃土侵蝕溝壑農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式理論基礎(chǔ)

1.1 微地形蓄水原理

黃土侵蝕溝壑是由于水土流失侵蝕形成的凹凸不平的區(qū)域。黃土侵蝕溝壑微地形因子有溝底、溝坡、溝沿、匯水區(qū)。溝底是侵蝕溝凹陷下去的部分，地形高低不平；溝坡是侵蝕溝兩側(cè)坡度較陡、落差較大的區(qū)域；溝沿位于溝坡和匯水區(qū)銜接處，寬度約為1 m；匯水區(qū)是侵蝕溝梁上地形平坦的區(qū)域，多為梯田。

在侵蝕溝尺度上，侵蝕溝溝底地形高低起伏，會(huì)形成自上而下的平地-陡坎序列。上部的平地是水分補(bǔ)給（Recharge）的主要場所，下部的陡坎阻擋了水的流出，是水流排出（Discharge）的地方[11-12]。平地和陡坎對水的調(diào)節(jié)在水分行為上表現(xiàn)為補(bǔ)給（Recharge）和排出（Discharge）序列性（圖1）。并且，匯水區(qū)-溝沿-溝坡是平地-陡坎序列的另一種表現(xiàn)形式，其水分行為也是補(bǔ)給-排出序列。

在田面尺度上，黃土侵蝕溝壑匯水區(qū)梯田的田面-田坎水分行為也是在田面處補(bǔ)給，在田坎處排出，同樣構(gòu)成一組微小尺度的補(bǔ)給-排出序列。

1.2 農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)原理

農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)（Agroforestrysystem）是指在同一土地單元內(nèi)將農(nóng)作物與林業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)結(jié)合起來（它們在時(shí)間上或同時(shí)或交替），使土地總生產(chǎn)力得以提高的持續(xù)性土地經(jīng)營系統(tǒng)[13]。農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)將農(nóng)作物和植物材料合理配置，建立聯(lián)系，構(gòu)建了一個(gè)新的生態(tài)系統(tǒng)，這顯然在生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益上都比單一農(nóng)作物種植要更加優(yōu)越[14-15]，體現(xiàn)了對土地的適應(yīng)性管理（Adaptive Management，AM）[16-17]。

本研究對農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)的利用，是在平地和田面經(jīng)營農(nóng)作物，在陡坎和田坎經(jīng)營林產(chǎn)品。陡坎和田坎的植物根系可以增強(qiáng)土壤的水分吸收，促進(jìn)水的有效入滲，從而減輕干旱時(shí)節(jié)對平地和田面農(nóng)作物的脅迫，實(shí)現(xiàn)物種間的生態(tài)互補(bǔ)[18]。同時(shí)，農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)也可以改善土壤基質(zhì)，增強(qiáng)土壤肥力[19-20]，實(shí)現(xiàn)保土-保水-保肥的生態(tài)建設(shè)目標(biāo)。

在黃土侵蝕溝壑區(qū)，建立農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式的核心是要識(shí)別平地-陡坎和田面-田坎，在平地和田面種植農(nóng)作物，在陡坎和田坎采取不同的植物措施。建立農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式的目的是通過植物措施，加強(qiáng)陡坎和田坎對雨洪的攔截能力，同時(shí)提高平地和田面對雨洪的集蓄能力，有效地調(diào)蓄雨洪，進(jìn)而大大提高黃土侵蝕溝壑生態(tài)系統(tǒng)的供水能力。

因此，掌握平地-陡坎和田面-田坎的雨洪調(diào)蓄結(jié)構(gòu)和水分行為的方法是本研究的關(guān)鍵。筆者嘗試采用高分辨率影像和大比例尺地形圖進(jìn)行微地形分析[21]，識(shí)別平地-陡坎和田面-田坎的空間分布特征，提出適宜當(dāng)?shù)氐狞S土侵蝕溝壑農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式，重建接近自然的荒溪水循環(huán)生態(tài)過程。

2 研究方法和材料

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)是位于山西省壽陽縣三眼井小流域（E113°1′43″～113°2′43″，N37°45′45″～37°45′53″）中2條典型的侵蝕溝壑（圖2），距離壽陽縣城約15 km，溝谷方向?yàn)闁|西向，總面積為19.84 hm2。該區(qū)域海拔在996～1 160 m，地貌類型屬于黃土殘塬溝壑區(qū)，氣候類型為半干旱季風(fēng)氣候，年均氣溫7.3℃，年均降雨量為462 mm，降水主要集中在6—8月。流域內(nèi)土壤以灰褐土為主，土地利用類型以旱作梯田為主，玉米、馬鈴薯、谷子為主要農(nóng)作物。植被主要有油松、北京楊、刺槐等喬木，沙棘、酸棗等灌木，以及蒿、禾本科等草本。

2.2 研究方法

本研究采用Quickbird高清晰（1.0 m）正射影像和實(shí)測1∶2 000地形圖，在ArcGIS10.0平臺(tái)上將兩圖疊加，按等高線的疏密程度，分析地形地貌，識(shí)別出田面-田坎和平地-陡坎的斑塊；然后進(jìn)行野外核驗(yàn)，確認(rèn)識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性，再于室內(nèi)生成微地形因子專題地圖；最后在微地形分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過合理的植物配置，探索出符合自然生態(tài)規(guī)律的黃土侵蝕溝壑農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式。

3 結(jié)果與分析

3.1 地形分析

本研究將實(shí)時(shí)高清正射影像圖和大比例尺地形圖疊加，進(jìn)行微地形分析（圖3）。1號(hào)侵蝕溝壑位于北側(cè)，2號(hào)侵蝕溝壑位于南側(cè)，2條侵蝕溝壑都是東西向分布，呈西高東低的趨勢。研究區(qū)最高處位于西部的梯田上，海拔1 148 m，最低處位于2號(hào)侵蝕溝底的東部，海拔1 041 m。

根據(jù)影像和等高線疏密程度，劃分出田面、田坎、平地、陡坎、溝沿、溝坡斑塊（圖4），共劃分出237個(gè)斑塊，其中，田面80個(gè)，面積為7.70 hm2；田坎73個(gè)，面積為1.94 hm2；平地38個(gè)，面積為4.86 hm2；陡坎38個(gè)，面積為2.36 hm2；溝坡8個(gè)，面積為2.98 hm2；溝沿2條，長度為4.42 km。

3.2 農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)植物配置

3.2.1 田面-田坎植物配置

3.2.1.1 植物選取田坎植物以灌木為主，灌木選擇酸棗和沙棘。之所以選擇酸棗，是由于它為深根系物種，可以充分吸納水分，并且未來可以嫁接棗樹，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值。沙棘是防風(fēng)固沙、保持水土的優(yōu)良樹種，是當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土植物，成本較低。

3.2.1.2 栽植方式在田坎上種植2行矮灌木，其中1行為酸棗，1行為沙棘。田坎灌木種植采用“品”字形排列，酸棗和沙棘栽植株行距均為2 m×2 m。田面上種植玉米、馬鈴薯、谷子等農(nóng)作物。田坎上的灌木能夠?yàn)樘锩嫘罘e雨洪，并輸送養(yǎng)分，實(shí)現(xiàn)田面-田坎農(nóng)業(yè)生態(tài)良性循環(huán)。

3.2.2 黃土侵蝕溝壑溝底平地-陡坎植物配置

3.2.2.1 植物選取黃土侵蝕溝壑溝底陡坎的植物選取旱柳叢，平地上栽植玉米、馬鈴薯、谷子等農(nóng)作物（圖5）。旱柳叢可以就近選取，樹枝可長可短、可大可小、可粗可細(xì)，無固定標(biāo)準(zhǔn)。選取旱柳叢而不栽植柳樹，是由于旱柳叢可以很好地保證通透性，既阻又通，阻可以保證減緩流速，使水流盡可能地慢下來，減少水土流失，同時(shí)又要使水流僅僅在陡坎處減緩，并不截留，而是流到位于陡坎下游的平地，使水蓄存下來，起到保土保水的作用。

3.2.2.2 栽植方式溝底陡坎上旱柳叢的栽植方法是枝條亂栽，逐節(jié)布設(shè)。旱柳叢寬度要以溝底寬度為主，略大于溝底的寬度，兩側(cè)要栽植到位。每處柳樹叢并不是栽植一排，而是多排插放。一般要求每處插3～5排，這樣每一處柳樹叢便形成了一處多層柳障，逐節(jié)阻攔，有效實(shí)現(xiàn)水流流速的降低。溝底平地上栽植玉米、馬鈴薯、谷子等農(nóng)作物。

3.2.3 侵蝕溝溝坡植物配置

3.2.3.1 植物選取侵蝕溝溝坡植物選擇一些灌木和草本，灌木選擇檸條錦雞兒、黃刺玫、多花胡枝子、枸杞，草本選擇草木犀、紫苜蓿。

3.2.3.2 栽植方式侵蝕溝溝坡為灌-草混交種植，種植密度分別為：灌木達(dá)到450株/hm2，草木犀、紫苜蓿向上沿伸到梁頂，大面積種植。灌-草混交林地改變了地表形態(tài)，將降水及坡面徑流吸納入土壤中，形成“土壤水庫”。同時(shí)，灌-草混交能使樹種合理搭配，充分利用空間，從而形成穩(wěn)定的森林斑塊，以改善地表生境。所選植物均為該區(qū)廣布種，成本較低。

3.2.4 侵蝕溝溝沿植物配置

3.2.4.1 植物選取侵蝕溝溝沿植物選擇一些灌木，酸棗、大果榆、河朔蕘花、沙棘、桑、檸條錦雞兒等。

3.2.4.2 栽植方式侵蝕溝溝沿是灌木混交種植，溝沿上下各種植2 m。所選灌木均為深根系植物，發(fā)達(dá)的根系相互纏繞形成網(wǎng)絡(luò)，可以增強(qiáng)土壤的蓄水功能，同時(shí)也使土體的抗沖性能更強(qiáng)大，阻擋溝沿土壤流失到溝坡。種植酸棗、沙棘等還可以產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4 效益分析

4.1 生態(tài)效益

黃土侵蝕溝壑農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式的前提是全溝禁牧。因放牧?xí)茐纳鷳B(tài)，造成土地硬化，一旦放牧，無論進(jìn)行怎樣的治理都是無濟(jì)于事。本研究提出的黃土侵蝕溝壑農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式，首先對黃土侵蝕溝壑進(jìn)行了微地形分析，依據(jù)微地形差異，對溝底的平地-陡坎和匯水區(qū)梯田的田面-田坎，以及溝沿和溝坡都提出了不同的植物配置，體現(xiàn)了土地資源的適應(yīng)性管理。農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)使水能有效地存儲(chǔ)在土壤中，并能夠合理利用，真正實(shí)現(xiàn)了生態(tài)農(nóng)業(yè)。短時(shí)間內(nèi)，每次土壤侵蝕都會(huì)逐步加深田坎和陡坎處的植物根系，并進(jìn)行土壤的養(yǎng)分循環(huán)。幾年后，淤積下的盆地不僅儲(chǔ)存了土壤水分，還會(huì)累積更多的土壤養(yǎng)分，變成更加肥沃的良田，真正實(shí)現(xiàn)保水、保土、保肥的生態(tài)目標(biāo)。此外，種植植物提高了植被覆蓋度和植物物種的豐富度，有效地改善了土壤質(zhì)量，提高了土壤肥力，使侵蝕溝形成穩(wěn)定的森林斑塊，實(shí)現(xiàn)良好的生態(tài)功能[22]。因此，黃土侵蝕溝壑農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式具有很好的生態(tài)效益。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

黃土侵蝕溝壑農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式是在平地和田面經(jīng)營農(nóng)作物，在陡坎和田坎經(jīng)營林產(chǎn)品。在投入成本方面，侵蝕溝溝底陡坎處栽植的旱柳叢是就地取材，幾乎無投入，田坎、溝沿、溝坡的植物選擇都是當(dāng)?shù)貜V布鄉(xiāng)土植物，在成本上比起其他治理措施具有極大優(yōu)越性。在經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出方面，農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式能夠保水、保土、保肥，使農(nóng)作物產(chǎn)量增加；田坎處的酸棗、沙棘等灌木都具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，并可作畜禽養(yǎng)殖飼料；溝底陡坎處的旱柳叢是早春的重要蜜源，同時(shí)柳枝又可作編織材料，發(fā)展手工業(yè)。因此，黃土侵蝕溝壑農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 社會(huì)效益

黃土侵蝕溝壑農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式不但提高農(nóng)作物產(chǎn)量，而且為手工業(yè)提供原料，為畜禽養(yǎng)殖提供飼料，滿足當(dāng)?shù)卮迕竦幕拘枨蟛⒃黾邮杖?。同時(shí)，農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式能夠改善人們的生存條件，凈化空氣，美化環(huán)境，增加視覺和美學(xué)享受，使人們能夠親近自然[23]。因此，黃土侵蝕溝壑農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式具有一定的社會(huì)效益。

5 結(jié)論與討論

本研究在黃土侵蝕溝壑區(qū)，運(yùn)用蓄水原理和農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)原理，結(jié)合復(fù)雜系統(tǒng)理論，基于微地形分析方法，以山西省壽陽縣三眼井小流域的2條典型黃土侵蝕溝壑為例，探索適合當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式。

在黃土侵蝕溝壑區(qū)，傳統(tǒng)農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式遵循了自然生態(tài)規(guī)律。黃土侵蝕溝壑區(qū)最主要的環(huán)境問題是缺水，由于黃土侵蝕溝壑的生境機(jī)能失調(diào)，地表無植被覆蓋，導(dǎo)致在降水集中的月份雨洪也無法集蓄，水資源不能得到有效合理的利用。所以，治理黃土侵蝕溝壑的關(guān)鍵是運(yùn)用微地形蓄水原理，掌握其因微地形起伏陡緩而產(chǎn)生補(bǔ)給-排出序列的水分行為。

為實(shí)現(xiàn)蓄水保水的生態(tài)目標(biāo)，要利用黃土侵蝕溝壑的微地形變化特點(diǎn)，識(shí)別出田地-田坎和平地-陡坎序列?；谖⒌匦畏治?，將不同農(nóng)作物和植物有效合理的配置，實(shí)現(xiàn)農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式保土、保水、保肥的生態(tài)建設(shè)目標(biāo)。這種模式目前還處于試驗(yàn)研究階段，但預(yù)期效益非常高。

深入分析黃土侵蝕溝壑區(qū)的傳統(tǒng)農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式是構(gòu)建自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的有效途徑。以蓄水為核心的農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)模式，可以從根本上解決黃土侵蝕溝壑區(qū)的環(huán)境問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)具有生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)綜合效益的生態(tài)建設(shè)目標(biāo)。

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Study on the Model of Agroforestry System in Erosion Gully of Loess Based on Microtopography

GUOMiaoling，WANGXiaojun，WANGBing
（College ofEnvironmental and Resources，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

The soil and water loss problem is concerned by people in erosion gully of loess.Based on the principle of water storage and agroforestry system combined with complex system theory,this paper used the microtopography analysis method,which focused on two typical erosion gully of loess in Sanyanjing watershed,Shouyang county,Shanxi province,to explore the mode of agroforestry system which was close to nature.The results showed that the water storage and water conservation was the key to the control of erosion gully of loess.The process of water behavior followed the law of recharge-discharge sequence.The method that using superposition of high resolution images of large scale topographic map for microtopography analysis could accurately identify the flat place-scarp and field surface-anatomized,and could rationally allocate plant materials.The model of agroforestry system,which was formed by applying the method of microtopography analysis,was consistent with the natural water storage law of erosion gully of loess, and could play the water storage function of erosion gully of loess normally.The agroforestry system model with water storages as core is an effective way to fundamentally control the erosion gully of loess,to achieve the goal of ecological construction of the natural-economic-social complex.

erosion gullyofloess;agroforestrysystem；water storage;microtopography;plant arrangement

F326.2

A

：1002-2481（2017）02-0242-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.02.25

2016-10-24

國家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（41201277）

郭妙玲（1992-），女，山西介休人，在讀碩士，研究方向：黃土高原整治。王曉軍為通信作者。