粗泥沙集中來源區水土保持措施的生態環境影響分析

劉海濤 徐帥 魏學平 喬亮

摘 要：粗泥沙集中來源區是黃河下游造成河道淤積泥沙的主要來源區，針對該區域水土流失的治理主要是開展攔沙壩建設和小流域綜合治理等工作，這些措施在防治水土流失的同時也對區域生態環境產生影響。評價采用“3S”技術，運用生態機理和景觀生態學原理，通過定性分析和定量計算相結合的方法，對區域已經開展的水土保持工作所產生的生態影響進行分析，該成果可以為粗泥沙集中來源區開展水土流失治理提供技術依據，并為黃土高原水土流失區治理提供借鑒。

關鍵詞：粗泥沙集中來源區；水保措施；生態影響；3“S”技術

1 背景概況

黃河是聞名世界的多泥沙河流，其多泥沙特點對黃河治理開發與保護產生重大不利作用，是黃河“水少沙多、水沙關系不協調”的重要成因，大量的泥沙進入河道，造成黃河干流下游河道持續淤積抬高，使黃河下游成為世界著名的“地上懸河”，更為嚴重的是產生“二級懸河”的問題，洪水泥沙居高臨下，嚴重威脅黃淮海平原經濟社會的穩定發展。

黃河多泥沙成因主要來源區中游黃土高原的水土流失。根據遙感監測和水土流失調查成果，黃河流域水土流失面積為46.5萬km2，主要集中在黃土高原地區。黃土高原地區土質疏松、坡陡溝深、植被稀疏、暴雨集中，水土流失嚴重，水土流失面積達45.17萬km2，占黃土高原總土地面積的70.5%，占流域水土流失總面積的97.1%；89%的泥沙來自中游河口鎮至三門峽區間，且約90%的泥沙來自汛期。根據泥沙及其來源對下游的危害程度，黃土高原水土流失區又劃分出黃河中游多沙粗沙區和粗泥沙集中來源區。其中多沙粗沙區，總面積7.86萬km2，主要分布于黃河河口鎮至龍門區間和涇河上游、北洛河上游等地區，該區水土流失面積僅占黃土高原水土流失面積17.3%，而年均輸沙量占黃河輸沙總量的62.8%；粗泥沙集中來源區，面積1.88萬km2，僅占黃土高原水土流失面積的4.1%，而年均輸沙量卻占全河輸沙總量的21.7%。

為防治水土流失，改善當地生產生活條件等，已經開展的水土保持措施包括攔沙壩、退耕還林還草、人工林草、坡耕地改造等。目前，初步建成了韭園溝、榆林溝等一批防洪標準高、攔沙效果好的小流域攔沙工程的典型，為今后大規模開展攔沙工程建設樹立了示范樣板。為進一步說明水土保持措施對減少水土流失、改善當地生態環境的作用，通過開展遙感調查、現場調查等手段揭示攔沙壩、退耕還林還草、人工林草等措施與水土流失治理、生態環境之間的聯系，為后續水土保持工作開展提供借鑒參考。

2 分析方法和技術思路

2.1 分析方法

基于生態機理學和景觀生態學原理，按照環境保護方面的相關法律法規要求，采用“3S”技術，結合現場調查，通過定量分析與定性分析相結合的方法分析水土保持措施的生態環境影響。

2.2 技術思路

分別選擇粗泥沙集中來源區的代表小流域開展遙感解譯，關注兩個小流域土地利用、土壤侵蝕強度、植被覆蓋度和景觀生態的差異，通過遙感解譯、實地調查，對比分析水土保持措施可能對土地利用、土壤侵蝕強度、植被覆蓋度、景觀生態和生態完整性影響。

2.3 主要研究內容

2.3.1 對比小流域選取

王茂溝位于陜西省綏德縣韭園溝流域內，是無定河右岸的一條2級支溝，流域面積592.31hm2；拓家溝位于陜西省子洲縣境內，懷寧河上游左岸片流域內，也是無定河左岸的一條2級支溝，流域面積950.93hm2，土壤侵蝕以水力侵蝕和重力侵蝕為主。王茂溝經過多年實施攔沙壩綜合水土治理措施，生態環境得到了較好的改善，到1992年，王茂溝已經形成了完整的壩系，壩庫總數達到45座，其中攔沙壩40座，防洪骨干壩5座，壩系總庫容320.82萬m3，壩地面積占流域總面積的5.75%；拓家溝是未經治理的小流域，與王茂溝同屬于黃土丘陵溝壑區，自然條件和人為活動影響相似，具有一定可比性。

2.3.2 遙感影像數據選取

本次工作采用數據2009年8月的SPOT影像數據，分辨率2.5m，數據來源于中國科學院遙感衛星地面接收站，通過人工解譯結合現場調查，得到王茂溝和拓家溝小流域所需數據。

2.3.3 土地利用現狀調查

根據土地利用現狀解譯成果，總體來看與拓家溝小流域相比，王茂溝小流域農業用地面積比例明顯增加，通過調查分析，農業用地面積增加主要來源于攔沙壩形成的耕地和梯田治理措施；有林地和疏林地面積比例有所提高；草地面積比例都分別有所下降。

2.3.4 植被覆蓋度對比分析

基于遙感影像，利用像元二分模型計算研究區的植被覆蓋度，并以覆蓋度為15%，30%，45%，60%和75%進行分類，對兩個小流域進行分析，如圖1。

圖1 兩個小流域植被覆蓋度對比圖

根據圖1所示分析，王茂溝植被覆蓋度小于15%的區域面積比例為34.53%，明顯小于拓家溝小流域的79.74%；而王茂溝植被覆蓋度大于30%的區域面積比例為11.41%，明顯大于未治理的小流域拓家溝的0.76%?？傮w看，經過治理的王茂溝小流域植被覆蓋狀況明顯優于未治理的小流域拓家溝。

2.3.5 土壤侵蝕強度對比分析

利用水利部部頒土壤侵蝕強度標準，通過遙感解譯，兩個小流域土壤侵蝕強度存在較大差異，具體見圖2。

圖2 兩個小流域土壤侵蝕強度對比圖

結合土壤侵蝕強度解譯成果分析，王茂溝小流域已完全消除了劇烈侵蝕，而拓家溝劇烈侵蝕面積為4.75hm2，占流域面積的0.5%；王茂溝的極強度侵蝕和強度侵蝕面積分別為14.79hm2和169.57hm2，分別占流域面積的2.5%和28.63%，而拓家溝極強度侵蝕和強度侵蝕面積分別為58.74hm2和320.79hm2，分別占流域面積的6.18%和33.73%?？傮w上看，經過治理的小流域王家茂侵蝕面積明顯減小，水土流失問題相比拓家溝得以較大程度的改善。

2.3.6 生態完整性評價

（1）自然系統本底生產力。項目區本底生產力選擇類比分析的方法，選用項目區最南端無定河流域和陜北黃土高原為類比分析對象，根據研究資料顯示，凈第一性生產力（NPP）為171±22g/m2·a。根據奧德姆（Odum，1959）生態系統生產力分級，無定河流域生態系統凈第一性生產力處于最低或較低生產力等級。粗泥沙集中來源區位于陜北黃土高原，項目區降水從南自北逐漸減少，且項目區植被類型比較接近，主要位于典型草原地帶，通過類比分析，項目區本底生產力也處于最低或較低生產力等級。

（2）自然系統本底的穩定狀況。a.恢復穩定性。根據凈第一生產力調查，項目區處于最低或較低生產力等級，以草地生態系統和農業生態系統為主，因此，項目區生態系統整體恢復穩定性較差。b.阻抗穩定性。項目區地形地貌種類較多，結合其氣候氣象條件特征，項目區位于典型草原地帶，從景觀生態角度分析，項目區以草地和農業景觀為主，林地和灌叢景觀分布比較零散，難以形成大面積景觀，植被類型多樣性較差，因此，項目區陸生生態系統本底的阻抗穩定性較弱。評價區生物組分的異質性也是很不均勻，因此阻抗穩定性也是不均勻的。

（3）背景生物量和生產力值調查。生物生產力是指生物在單位面積和單位時間內所生長的有機物質的數量，本次分析以自然植被凈第一生產力（NPP）來反映自然體系的生產力。根據項目區樣方調查成果，對生物量干重進行分析，剔除異常數據，以群落進行分類匯總統計。根據統計結果分析，所調查的典型草原干重平均為298.0g/m2·a，變動于156.7～438.7g/m2·a之間，生物量最小的為豬毛蒿，最大的為鐵桿蒿群落。根據調查，項目區生產力有所提高，這與近年來項目區實施的水土保持措施有重要關系，項目區生態環境質量有所改善，但項目區總體生態系統生產力仍處于較低級別的生產力水平。

（4）生態完整性評價結論。項目區主要出于典型草原地帶，草本植物的分布在項目區最為廣泛，生產力水平較低。根據遙感解譯成果分析，從總體上看，評價區自然系統的生產力水平較低，生態系統的穩定狀況較差，生態完整性處于一般水平，且不同區域存在一定差異，在退耕還林還草、開展生態修復的地區，植被覆蓋度相對較高，生物量相對較高，生產力水平相對較高。由此可以看出，水土保持措施的實施，對評價區生態系統完整性具有積極意義。

3 結束語

在遙感影像解譯和現場踏勘等手段的基礎上，通過已建攔沙壩小流域和未建攔沙壩小流域土地利用、植被覆蓋度、土壤侵蝕強度以及景觀生態影響分析，粗泥沙集中來源區水土保持措施通過工程措施和非工程措施起到有效攔截泥沙的作用，可以降低土壤侵蝕強度，對減少黃土高原泥沙入黃、維護黃河下游防洪安全具有重要意義。通過本次研究分析，在生態環境方面，水土保持措施可以促進區域植被覆蓋度提高，有利于形成穩定的植被群落，對降低土壤侵蝕強度具有有利作用；另一方面，攔沙壩建設形成的壩地可以改造為高產田，從而促使落實區域坡耕地的退耕還林還草措施，間接減少水土流失，提高區域植被覆蓋度。因此，粗泥沙集中來源區實施的水土保持措施可以促進區域生態系統形成良性循環，改善區域生產生活條件。從黃河治理與保護角度出發，應在黃土高原水土流失區開展攔沙壩建設和小流域綜合治理。

參考文獻

[1]朱高洪，陳旭東，毛志鋒.水土保持對小流域可持續發展的貢獻評估[J].中國水土保持科學，2008，1.

[2]李懷甫.小流域治理理論與方法[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

作者簡介：劉海濤（1979，3-），男，黃河水資源保護科學研究院，工程師。