基于微地形的黃土侵蝕溝壑農林復合經營系統模式研究

郭妙玲，王曉軍，王兵

（山西大學環境與資源學院，山西太原030006）

基于微地形的黃土侵蝕溝壑農林復合經營系統模式研究

郭妙玲，王曉軍，王兵

（山西大學環境與資源學院，山西太原030006）

黃土流域侵蝕溝壑區水土流失問題長期得到人們關注。采用蓄水原理和農林復合經營系統原理，結合復雜系統理論，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，探索接近自然的農林復合經營系統模式。結果表明，黃土侵蝕溝壑治理的關鍵是蓄水保水，水分行為過程遵循補給-排出序列規律；采用高分辨率影像疊加大比例尺地形圖進行微地形分析的方法，可以準確地識別平地-陡坎和田面-田坎序列，進而合理配置植物材料；這種應用微地形分析的方法提出的農林復合經營系統模式符合黃土侵蝕溝壑的自然蓄水規律，可以正常發揮黃土侵蝕溝壑蓄水功能。以蓄水為核心的農林復合經營系統模式，是從根本上治理黃土侵蝕溝壑的有效途徑，從而實現自然-經濟-社會復合的生態建設目標。

黃土侵蝕溝壑；農林復合經營系統；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重的地區[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，生態環境惡化[5]。多年來國內外許多學者都對治理黃土侵蝕溝壑的農業措施進行研究，如坡地改梯田，通過治理坡面來減少水土流失[6-8]。雖然傳統農耕對自然的應用中存在大量的農林復合經營系統模式，但這方面的理論研究相對滯后。

傳統農林復合經營系統模式經過幾千年的應用，其有效性、合理性和可持續性是毋庸置疑的。它的核心在于準確把握黃土侵蝕溝壑的自然規律，表現為合理調蓄雨洪（水）和提高土地生產力（土）。然而，目前國內外研究對一些問題的認識仍存在不足：一是如何使水在黃土侵蝕溝壑區蓄存并有效利用？二是如何使農作物和植物材料的配置更為合理？這些問題實際上都是對如何遵循黃土侵蝕溝壑自然規律的探討。

黃土侵蝕溝壑實質是一個復雜開放系統，因而，對于黃土侵蝕溝壑自然規律的研究只能采用復雜系統理論[9]。本研究采用微地形蓄水原理和農林復合經營系統原理，結合復雜系統理論，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，探索接近自然的農林復合經營系統模式，以達到黃土侵蝕溝壑區自然-經濟-社會復合的生態建設目標[10]。

1 黃土侵蝕溝壑農林復合經營系統模式理論基礎

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域。黃土侵蝕溝壑微地形因子有溝底、溝坡、溝沿、匯水區。溝底是侵蝕溝凹陷下去的部分，地形高低不平；溝坡是侵蝕溝兩側坡度較陡、落差較大的區域；溝沿位于溝坡和匯水區銜接處，寬度約為1 m；匯水區是侵蝕溝梁上地形平坦的區域，多為梯田。

在侵蝕溝尺度上，侵蝕溝溝底地形高低起伏，會形成自上而下的平地-陡坎序列。上部的平地是水分補給（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節在水分行為上表現為補給（Recharge）和排出（Discharge）序列性（圖1）。并且，匯水區-溝沿-溝坡是平地-陡坎序列的另一種表現形式，其水分行為也是補給-排出序列。

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

1.2 農林復合經營系統原理

農林復合經營系統（Agroforestrysystem）是指在同一土地單元內將農作物與林業和畜牧業生產結合起來（它們在時間上或同時或交替），使土地總生產力得以提高的持續性土地經營系統[13]。農林復合經營系統將農作物和植物材料合理配置，建立聯系，構建了一個新的生態系統，這顯然在生態效益、經濟效益和社會效益上都比單一農作物種植要更加優越[14-15]，體現了對土地的適應性管理（Adaptive Management，AM）[16-17]。

本研究對農林復合經營系統的利用，是在平地和田面經營農作物，在陡坎和田坎經營林產品。陡坎和田坎的植物根系可以增強土壤的水分吸收，促進水的有效入滲，從而減輕干旱時節對平地和田面農作物的脅迫，實現物種間的生態互補[18]。同時，農林復合經營系統也可以改善土壤基質，增強土壤肥力[19-20]，實現保土-保水-保肥的生態建設目標。

在黃土侵蝕溝壑區，建立農林復合經營系統模式的核心是要識別平地-陡坎和田面-田坎，在平地和田面種植農作物，在陡坎和田坎采取不同的植物措施。建立農林復合經營系統模式的目的是通過植物措施，加強陡坎和田坎對雨洪的攔截能力，同時提高平地和田面對雨洪的集蓄能力，有效地調蓄雨洪，進而大大提高黃土侵蝕溝壑生態系統的供水能力。

因此，掌握平地-陡坎和田面-田坎的雨洪調蓄結構和水分行為的方法是本研究的關鍵。筆者嘗試采用高分辨率影像和大比例尺地形圖進行微地形分析[21]，識別平地-陡坎和田面-田坎的空間分布特征，提出適宜當地的黃土侵蝕溝壑農林復合經營系統模式，重建接近自然的荒溪水循環生態過程。

2 研究方法和材料

2.1 研究區概況

研究區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，溝谷方向為東西向，總面積為19.84 hm2。該區域海拔在996～1 160 m，地貌類型屬于黃土殘塬溝壑區，氣候類型為半干旱季風氣候，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）正射影像和實測1∶2 000地形圖，在ArcGIS10.0平臺上將兩圖疊加，按等高線的疏密程度，分析地形地貌，識別出田面-田坎和平地-陡坎的斑塊；然后進行野外核驗，確認識別結果的準確性，再于室內生成微地形因子專題地圖；最后在微地形分析結果的基礎上，通過合理的植物配置，探索出符合自然生態規律的黃土侵蝕溝壑農林復合經營系統模式。

3 結果與分析

3.1 地形分析

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

根據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個斑塊，其中，田面80個，面積為7.70 hm2；田坎73個，面積為1.94 hm2；平地38個，面積為4.86 hm2；陡坎38個，面積為2.36 hm2；溝坡8個，面積為2.98 hm2；溝沿2條，長度為4.42 km。

3.2 農林復合經營系統植物配置

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，產生經濟價值。沙棘是防風固沙、保持水土的優良樹種，是當地鄉土植物，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、谷子等農作物。田坎上的灌木能夠為田面蓄積雨洪，并輸送養分，實現田面-田坎農業生態良性循環。

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，無固定標準。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，逐節布設。旱柳叢寬度要以溝底寬度為主，略大于溝底的寬度，兩側要栽植到位。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，逐節阻攔，有效實現水流流速的降低。溝底平地上栽植玉米、馬鈴薯、谷子等農作物。

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，將降水及坡面徑流吸納入土壤中，形成“土壤水庫”。同時，灌-草混交能使樹種合理搭配，充分利用空間，從而形成穩定的森林斑塊，以改善地表生境。所選植物均為該區廣布種，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，發達的根系相互纏繞形成網絡，可以增強土壤的蓄水功能，同時也使土體的抗沖性能更強大，阻擋溝沿土壤流失到溝坡。種植酸棗、沙棘等還可以產生經濟價值。

4 效益分析

4.1 生態效益

黃土侵蝕溝壑農林復合經營系統模式的前提是全溝禁牧。因放牧會破壞生態，造成土地硬化，一旦放牧，無論進行怎樣的治理都是無濟于事。本研究提出的黃土侵蝕溝壑農林復合經營系統模式，首先對黃土侵蝕溝壑進行了微地形分析，依據微地形差異，對溝底的平地-陡坎和匯水區梯田的田面-田坎，以及溝沿和溝坡都提出了不同的植物配置，體現了土地資源的適應性管理。農林復合經營系統使水能有效地存儲在土壤中，并能夠合理利用，真正實現了生態農業。短時間內，每次土壤侵蝕都會逐步加深田坎和陡坎處的植物根系，并進行土壤的養分循環。幾年后，淤積下的盆地不僅儲存了土壤水分，還會累積更多的土壤養分，變成更加肥沃的良田，真正實現保水、保土、保肥的生態目標。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量，提高了土壤肥力，使侵蝕溝形成穩定的森林斑塊，實現良好的生態功能[22]。因此，黃土侵蝕溝壑農林復合經營系統模式具有很好的生態效益。

4.2 經濟效益

黃土侵蝕溝壑農林復合經營系統模式是在平地和田面經營農作物，在陡坎和田坎經營林產品。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地廣布鄉土植物，在成本上比起其他治理措施具有極大優越性。在經濟產出方面，農林復合經營系統模式能夠保水、保土、保肥，使農作物產量增加；田坎處的酸棗、沙棘等灌木都具有經濟價值，并可作畜禽養殖飼料；溝底陡坎處的旱柳叢是早春的重要蜜源，同時柳枝又可作編織材料，發展手工業。因此，黃土侵蝕溝壑農林復合經營系統模式具有明顯的經濟效益。

4.3 社會效益

黃土侵蝕溝壑農林復合經營系統模式不但提高農作物產量，而且為手工業提供原料，為畜禽養殖提供飼料，滿足當地村民的基本需求并增加收入。同時，農林復合經營系統模式能夠改善人們的生存條件，凈化空氣，美化環境，增加視覺和美學享受，使人們能夠親近自然[23]。因此，黃土侵蝕溝壑農林復合經營系統模式具有一定的社會效益。

5 結論與討論

本研究在黃土侵蝕溝壑區，運用蓄水原理和農林復合經營系統原理，結合復雜系統理論，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，探索適合當地的農林復合經營系統模式。

在黃土侵蝕溝壑區，傳統農林復合經營系統模式遵循了自然生態規律。黃土侵蝕溝壑區最主要的環境問題是缺水，由于黃土侵蝕溝壑的生境機能失調，地表無植被覆蓋，導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鍵是運用微地形蓄水原理，掌握其因微地形起伏陡緩而產生補給-排出序列的水分行為。

為實現蓄水保水的生態目標，要利用黃土侵蝕溝壑的微地形變化特點，識別出田地-田坎和平地-陡坎序列。基于微地形分析，將不同農作物和植物有效合理的配置，實現農林復合經營系統模式保土、保水、保肥的生態建設目標。這種模式目前還處于試驗研究階段，但預期效益非常高。

深入分析黃土侵蝕溝壑區的傳統農林復合經營系統模式是構建自然-經濟-社會復合生態系統的有效途徑。以蓄水為核心的農林復合經營系統模式，可以從根本上解決黃土侵蝕溝壑區的環境問題，進而實現具有生態、經濟、社會綜合效益的生態建設目標。

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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

國家自然科學青年基金項目（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。