黄土丘陵沟壑区坡改梯效益分析

黄土丘陵沟壑区坡改梯效益分析

洛杉矶高原是中国黄河下游和华北平原经济发展和社会发展的重要生态障碍。由于其脆弱的自然生态系统和长期人类活动，以及水土流失和生态环境恶化，相关政府部门和学术机构引起了关注。20世纪50年代末以来,随着多角度研究工作的开展和不断深入,许多学者认识到退耕坡地应是黄土高原水土流失控制和生态环境恢复的关键着力点。自2007年以来,随着我国耕地面积逼近1.2亿hm2的红线和国际粮价持续上涨,我国的粮食安全问题再次成为全社会关注的焦点。在黄土高原和长江上游等地区连续实施“退耕还林(草)、封山绿化、个体承包、以粮代赈”的“赈济退耕”政策8年后,一些学者开始呼吁:国家应对“赈济退耕”政策进行“囤粮于田”的战略调整,宜及早采取规模性坡改梯和淤地坝建设的举措。基于此,笔者以位于黄土高原腹地的延安燕沟流域为例,对坡改梯作物增产、保水减沙效益以及流域坡改梯实践效果等进行综合分析,希望能为黄土高原退耕坡地及早实施坡改梯战略提供一些科学依据。1阴山山地气候特点燕沟流域位于E109°20′~109°35′,N36°28′~36°32′,沟口距延安市3km,属延河二级支流,主沟长8.6km,呈东南—西北流向,流域面积约47km2。流域东南高、西北低,海拔986~1425m。地形坡度构成以陡坡地为主,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%。主沟比降为2.41‰,沟壑密度4.8km/km2,属于典型的黄土丘陵沟壑区。气候具有明显的由半湿润向半干旱过渡特征。多年平均气温9.8℃,无霜期约170d。多年平均降雨量558.4mm,其中,6—9月份降水量占全年降水量的70%以上,且多以暴雨形式出现,年际变化也很大。天然植被为次生梢林,破坏严重,人工林主要由刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、杨树(Populus)以及柠条(CaraganakorshinskiiKom.)等灌丛组成。土壤以黄绵土(沙性黄土)为主,占90%以上,基本处于半熟化状态,肥力低下。据实测资料,2007年燕沟降雨量为662.6mm,径流总量为53.7万m3,其中洪水径流量占9.56%,洪水期沟口泥沙总量为1556.587t,流域输沙模数为33.12t/(km2·a)。流域有14个行政村和一个隶属于柳林街道的沟口区。14个行政村2006年底总人口3133人,人口密度为67.8人/km2。农村经济以大农业为主体,农林牧并举。2006年农村居民人均收入为2168元,农村经济收入主要来源于种植业和苹果(MaluspumilaMill.)业,种植的作物主要有玉米(ZeamaysL.)、马铃薯(SolanumtuberosumL.)、谷子(SetariaitalicaL.)、大豆(Glycinemax)、绿豆(PhaseolusradiatusL.)和黑豆(Leguminosae)等,另有少量的人工苜蓿(Medicagosativa)。2学习方法1坡度单位信息基于GIS技术,利用遥感影像或航空照片编制研究地域土地利用图,利用数字地形图生成并提取地形坡度数据信息;根据土地利用和地形坡度分异特征,设定可供WIN-YIELD软件读取的地块单元数据文件。地块单元数据文件按地形坡度间隔2.5°增加一个地块单元,在0~30°之间共设计了13个地块单元,各地块单元的面积1hm2、地形高程1100m、地形坡向180°(即正南向)。2日气象台站数据格式的建立收集研究地域土壤属性、地貌属性、主要作物、作物属性数据和距离研究地域最近的气象台站的逐日气象数据,整理并将其转化为WIN-YIELD软件能够读取的数据格式。3作物水文特性根据WIN-YIELD软件初始界面数据读入要求,输入对应的参数(包括耕地保水参数、土壤水分参数、地下水埋深、作物敏感度系数、作物生长期及时间、作物根系生长率)、数据文件及其他数据项,模拟出不同作物在坡耕地和梯田条件下的作物产量、水文特征数据、泥沙流失数据结果。4坡改梯中的地形坡度变化难以消除的原因依据软件模拟结果,对比分析不同地形坡度条件下的坡耕地与坡改梯后的作物产量、产生径流及泥沙流失量的差异,进而获得坡改梯中存在的地形坡度变化关键性阈值。5研究地域坡改梯前后的实证结果依据近年黄土高原实施的“赈济退耕”政策特点以及研究地域坡改梯后的土地利用格局,从实证角度对比分析研究地域坡改梯前后在土地利用变化、植被覆盖变化以及保水减沙等方面的实际效果。3解译成果的来源涉及到的图件为燕沟流域1∶1万地形坡度图和土地利用现状图。地形坡度图来源于等比例尺的数字地形图(1984年版)。土地利用图包括1988、1997和2003年3个年份,1988年土地利用图根据黄土高原综合科学考察的样带航空照片解译获得,1997和2003年土地利用图分别来源于中国科学院水利部水土保持研究所野外调研勾绘和航空照片解译成果。涉及到的数据和参数主要包括经济社会数据、气象数据、作物数据、地块单元数据以及土壤属性参数、地貌类型参数、土地利用类型参数等。经济社会数据来源于农户抽样调查或乡镇统计资料。气象数据为2005年延安气象站(距燕沟流域中心点的直线距离约5km)逐日平均气温、降水量、降水历时、云量、蒸发量、平均相对湿度、最小相对湿度、白天和夜间风速9个指标。模拟作物为玉米、大豆和绿豆。地块单元主要根据燕沟流域地形地貌特点,以反映地形坡度变化为主旨设计数据文件。土壤属性为沙性黄土,地貌类型为坡地和梯田,土地利用类型为耕地。4边坡梯度分析4.1不同地形坡度坡改梯增产量2005年燕沟流域高程1100m处、坡向为正南向时,坡耕地种植玉米、大豆、绿豆3种作物的产量随地形坡度变化的模拟值与相应坡度条件下坡改梯后的作物产量模拟值的对比结果如图1所示,纵坐标坡改梯增产量是指梯田作物产量模拟值与坡耕地作物产量模拟值之差,即坡改梯增产量数值越大,表明增产效益越显著。从图1可以看出,随着地形坡度的增大,3种作物的坡改梯增产效益都呈增大趋势,增产幅度依次为玉米、大豆和绿豆。对坡度为5°的坡耕地进行坡改梯后,玉米、大豆和绿豆的增产量依次为30.5、11.0和2.0kg/hm2;15°时,增产量依次为156.0、56.5和18.5kg/hm2;25°时,增产量依次为374.5、109.5和49.5kg/hm2,分别较25°的坡耕地产量高出16.74%、5.58%和4.95%。4.2不同地形坡度对保水效益的影响图2是2005年燕沟流域高程1100m处、坡向为正南向时,不同坡度条件下坡改梯作物产生径流模拟值与相应坡度条件下坡耕地产生径流模拟值之差(即坡改梯保水效益)随地形坡度的变化,可以看出,坡改梯种植3种作物,其保水效益随地形坡度变化的基本趋势是一致的,变化特点呈现为:在0°~17.5°和22.5°~25°区间,保水效益都呈缓慢增加;在17.5°~22.5°区间,保水效益先急速增大,过20°后又急速下降。地形坡度5°时,坡改梯玉米保水效益为0.117mm,大豆0.05mm,绿豆0.069mm;17.5°时,坡改梯玉米、大豆和绿豆的保水效益分别为0.813、0.313和0.431mm;20°时,保水效益都达到了最大,分别为5.8、5.153和5.308mm;之后急速下降,22.5°时分别为1.282、0.465和0.667mm。关于20°左右坡改梯保水效益异常显著的现象已被胡世雄等证实。4.3不进行稻田改造的可行性图3是2005年燕沟流域高程1100m处、坡向为正南向时,不同坡度条件下坡改梯种植3种作物土壤侵蚀模数模拟值与相应坡度条件下坡耕地土壤侵蚀模数模拟值之差(即坡改梯减沙效益)随地形坡度的变化,可知,坡改梯种植3种作物,其减沙效益随地形坡度变化的基本趋势是一致的,变化特点呈现为:在0°~5°区间,坡改梯与坡耕地的土壤侵蚀模数几乎是一样的,表明地形坡度小于5°的坡耕地可以不进行梯田改造;在5°~15°区间,坡改梯减沙效益呈持续增大趋势,15°时坡改梯减沙效益玉米为761t/(km2·a)、大豆为643t/(km2·a)、绿豆为665t/(km2·a),分别较5°时高出751、638和659t/(km2·a);在15°~20°区间,减沙效益急速增大,20°时坡改梯的减沙效益玉米为2750t/(km2·a)、大豆为2523t/(km2·a)、绿豆为2566t/(km2·a),分别较15°时高出1989、1880和1901t/(km2·a);20°~22.5°区间,坡改梯减沙效益呈快速下降,22.5°时3种作物的减沙效益分别较20°下降了16.47%、22.91%和21.59%;22.5°以后,坡改梯减沙效益又呈现为上升趋势,到25°时,玉米、大豆和绿豆3种作物坡改梯减沙效益分别为2337、1957和2032t/(km2·a)。表明地形坡度大于15°的坡耕地必须实施坡改梯改造或退耕还林(草)。5边坡重建的实践效果分析5.1土地利用构成1988—2003年期间,燕沟流域的土地利用变化可以1997年为界划分为前后2个不同的阶段(表1)。1997年以前,流域的土地利用变化与黄土高原大部分地区一样,以坡耕地为主体的耕地呈现为动态增加趋势,而林地和草地处于动态减少状态;1997年以后,随着世行贷款项目和国家科技攻关计划项目的实施,流域的土地利用发生了与黄土高原大部分地区不同的巨大变化,其主要特点是大规模的坡改梯和建立在坡改梯基础上的土地利用结构调整。1988年流域的土地利用构成为耕地37.23%、林地34.15%、草地24.95%、果园1.96%、居民点用地1.72%,耕地中坡耕地的比例高达92.11%。到1997年,流域的土地利用构成基本保持了1988年的格局,不同之处是耕地、草地和园地较1988年有少量增加,增幅分别为1.83%、1.16%和1.75%,而林地减少了3.04%;增加的耕地主要为梯田和川坝地,坡耕地基本没有变化。从1998年开始,燕沟流域坚持“通过坡改梯,在实现粮食自给的基础上,退耕全部坡耕地;通过强化退耕坡地和荒坡草地林草植被建设,提高林草植被覆盖率,使水土流失得到有效控制;通过改造和扩建苹果园,发展商品性经济林果业,提高农民人均收入”的指导思想,在明确各级政府、研究机构与农民等各参与者的职能定位和责、权、利的基础上,通过近5年的持续努力,流域坡改梯、果园改扩建以及林草植被恢复等工程性措施相继完成,到2003年,土地利用格局基本定型。2003年燕沟流域的土地利用构成为耕地17.09%、林地45.99%、草地16.82%、果园13.9%、居民点用地2.5%、水域0.4%、难利用地3.31%。与1997年相比,2003年流域耕地面积从1831.1hm2下降到了803.24hm2,实现了坡耕地全部退耕;果园面积从174.1hm2增加到了653.04hm2,是1997年的3.75倍;人工乔灌林地从1078.66hm2增加到了1781.19hm2,增幅达65.13%;荒沟坡草地从1224hm2减少到了773.3hm2,减少幅度达36.82%。5.2不同流域保水减沙效果燕沟流域坡改梯的水土保持效果主要体现在坡改梯后梯田相对于坡耕地的保水减沙、退耕坡地以及林草植被覆盖率提高等方面。2003年流域坡改梯地形坡度的分布情况为:小于10°的坡改梯面积占31.76%,10°~15°占26.26%,15°~20°占30.59%,20°以上占11.38%。以上4个坡度段若分别按7.5°、12.5°、17.5°和25°时坡改梯保水减沙模拟值计算,则2005年燕沟流域的坡改梯全部种植玉米减少径流量3610.56m3,减少泥沙流失量5896.60t,全部种植绿豆减少径流量1919.49m3,减少泥沙流失量5177.02t。在林草植被方面,2003年与1997年相比,乔灌林覆盖率提高了14.88%;若加上果园和草地,流域的永久性植被覆盖率超过76%,较1997年增加了15.42%。随着坡改梯和土地覆被的趋良变化,流域的水土流失状况得到了明显的改善。根据燕沟沟口的监测数据(表2),从1998年到2006年,流域的洪水径流量和输沙模数均呈现为显著下降趋势。按照王万忠等关于黄土高原侵蚀性降雨的研究结果(即次降雨量大于9.9mm、10min降雨量大于5.2mm或30min降雨量大于7.2mm),燕沟流域1998—2006年期间各年份的侵蚀性降雨量在437.5~198.6mm之间呈不规则波动,而流域输沙模数在总体趋于下降的过程中,前2年