紅砂巖侵蝕區(qū)小流域綜合治理工程設計研究
——以寧都縣還安小流域為例

張利超，劉窯軍，湯崇軍，楊 潔，段 劍，張 杰

(江西省水土保持科學研究院 江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌 330029)

紅砂巖是泥巖、砂巖、泥質砂巖、砂質泥巖、粉砂巖等巖石的統(tǒng)稱，我國紅砂巖分布面積約82.6萬km2，占全國陸地總面積的8.61%[1]。江西省地處南方紅壤地帶的中心區(qū)域，其紅壤主要由花崗巖、第四紀紅黏土和紅砂巖等母質發(fā)育而成。作為我國水土流失嚴重的省份之一，江西省水土保持工作經過多年的努力取得了巨大成效，但水土保持生態(tài)建設工作依然任重道遠。根據第一次全國水利普查江西省水土保持專項普查成果和《第一次全國水利普查水土保持情況公報》《江西省第一次水利普查公報》《江西省水土保持公報(2013)》，全省水土流失總面積仍然高達2.66萬km2，水土流失總體好轉與局部惡化并存的現象在一段時間內還會存在[2-3]，水土流失依然是制約該省社會經濟可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一[4-5]。贛南地區(qū)紅砂巖分布極為廣泛，且分布地段多在海拔200 m以上，區(qū)域紅砂巖面積達到0.65萬km2，約占全區(qū)總面積的16%[6]。紅砂巖具有物理風化強烈、遇水軟化、崩解碎裂及強度降低等特殊地質力學性質，紅砂巖發(fā)育形成的紅壤結構性差，易發(fā)生水土及養(yǎng)分流失，進而形成侵蝕劣地，是水土流失治理迫切需要解決的問題[7]。

寧都縣水土流失面積與嚴重程度位居贛南地區(qū)之首，在全省排在前列，其紅砂巖侵蝕劣地具有區(qū)域典型性[8]。寧都縣是國家級水土流失重點治理縣，水土保持工作已連續(xù)開展了30多年，歷來受到各級政府、部門的高度重視[10-11]。2012年6月28日，《國務院關于支持贛南等原中央蘇區(qū)振興發(fā)展的若干意見》發(fā)布，指出要加強贛南地區(qū)生態(tài)建設與水土保持，加大水土流失綜合治理力度，繼續(xù)實施水土保持重點建設工程，開展生態(tài)系統(tǒng)保護與修復治理，到2020年贛南等原中央蘇區(qū)整體實現跨越式發(fā)展。幾十年來，尤其是2013年8月以來，黨中央、國務院確定水利部對口支援寧都縣，水利部從組織領導、規(guī)劃編制、項目建設、水利改革、人才培養(yǎng)等方面加快推進，寧都縣水土保持工作取得了很大進展和顯著成效[12-14]。水利部在印發(fā)的《水利部對口支援江西省寧都縣振興發(fā)展的指導意見(2013—2020年)》中明確提出，支持寧都進一步加強水土資源保護與修復工作，推進國家水土保持重點建設工程老區(qū)項目建設。 以此為契機，寧都縣還安小流域綜合治理工程被列為國家水土保持重點建設工程。

1 小流域概況

還安小流域地處贛江源頭最大一級支流梅江的中、下游，位于寧都縣城北郊石上鎮(zhèn)境內，涉及石上、干頭、蓮湖3個行政村。流域總面積27.61 km2，水土流失面積17.42 km2，占流域總面積的63%，土壤侵蝕模數為4 637 t/(km2·a)，土壤主要為紅砂巖紅壤。流域內礫石、砂粒較多，風化殼厚度在15 m以上，最厚50 m左右，植被破壞后土壤侵蝕呈砂粒化面蝕，屬紅砂巖嚴重水土流失區(qū)。流域地處亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，多年平均氣溫為18.3 ℃，多年平均降水量為1 645 mm，降水年內分配不均，主要集中在4—6月，期間降水量約占全年的49.8%，且多以暴雨形式出現。地貌類型以山地丘陵為主，局部為河谷平地，海拔192～296 m。

2 小流域治理難點與技術創(chuàng)新點

2.1 治理難點

(1)立地條件惡劣。小流域內集中連片分布著大規(guī)模的紅砂巖侵蝕劣地，礫石、砂粒較多，膠結不實，極易風化，表土流失極其嚴重，土地資源利用率極低，群眾深受其害。項目區(qū)內地形復雜，植被稀少，部分水土流失嚴重地段植被覆蓋度在15%以下，原有植物群落退化嚴重，治理難度大。

(2)定位要求較高。為展示贛州在全國水土保持改革試驗區(qū)建設中取得的新成效，還安小流域綜合治理項目力求成為江西省甚至全國水土保持的“贛南樣板”，力爭解決紅砂巖侵蝕劣地坡面開發(fā)利用引起的水土流失問題，建立全國第一個紅砂巖水土保持高新科技轉化示范基地。同時，作為國家水土保持重點治理工程建設項目，要進一步順應國家重大戰(zhàn)略和改革要求，努力建設成為理念創(chuàng)新、技術先進、成效顯著且具有地域特色的紅砂巖小流域綜合治理先行示范區(qū)。

2.2 技術創(chuàng)新點

2.2.1 理念創(chuàng)新

(1)以“五位一體”技術體系為支撐，帶動小流域重點治理。針對新形勢下南方紅砂巖侵蝕劣地的水土流失特點，以生態(tài)功能提升與生產功能優(yōu)化為核心，力爭集成地表徑流調控、土壤肥力提升、自動監(jiān)測預警、植被可持續(xù)恢復和景觀結構優(yōu)化“五位一體”的紅砂巖侵蝕劣地綜合治理關鍵技術體系和高效利用模式，并通過將關鍵技術進行轉化、應用和展示，建立紅砂巖侵蝕劣地綜合治理關鍵技術集成與示范基地，以科技為支撐帶動小流域重點治理，直接服務于目前需求迫切的國家生態(tài)文明建設。

(2)建立“兩軸引領”“三區(qū)鼎立”的防治格局。充分掌握小流域范圍內現有資源狀況、空間及土地利用結構、開發(fā)現狀及未來發(fā)展趨勢，以水土保持科技展示軸、水土保持農業(yè)示范軸為引領(“兩軸引領”)，建立以紅砂巖侵蝕劣地綜合治理展示區(qū)、坡地水土保持型生態(tài)農業(yè)示范開發(fā)區(qū)和生態(tài)功能保護區(qū)“三區(qū)鼎立”的小流域綜合治理總體格局，有側重地應用專項技術成果直擊各分區(qū)“頑疾”，對癥下藥，確保效果顯著。提出“水+土+生+人”的“水土保持+”治理理念，融入新手法新工藝，將水土保持示范展示與生態(tài)景觀、水土文化相融合，優(yōu)化景觀格局，突出江西省水土保持的亮點特色。

2.2.2 技術集成

項目區(qū)構建了基于小流域綜合治理的紅砂巖侵蝕劣地綜合治理關鍵技術體系一套，集成應用水土保持三大核心先進技術進行小流域綜合治理，三項技術環(huán)環(huán)相扣，在源頭、途徑及末端多管齊下，將技術成果創(chuàng)造性地應用于侵蝕區(qū)的農林開發(fā)類項目的水土流失綜合治理中。主要先進技術包括：①紅砂巖侵蝕劣地坡面整治與雨洪資源利用水土保持技術；②規(guī)模化經果林精準水肥一體化灌溉施肥技術；③小流域水土流失與旱澇自動監(jiān)測預警技術；④其他技術，包括人工濕地、生物浮島等凈化污染水體技術，LID低影響開發(fā)技術(雨水花園、下凹斑塊綠地等)，智能化多功能溫室大棚栽培技術，無人機對地動態(tài)監(jiān)測技術，“3S”數字化技術等的應用。

2.2.3 機制創(chuàng)新

(1)自主創(chuàng)建民辦公助式新模式。發(fā)展“公司+基地(合作社)+農戶” “基地+農戶”等經營模式，通過民辦公助，確保后期管理模式以公司化管理為主，實現機制創(chuàng)新。此外，小流域治理走“以區(qū)養(yǎng)區(qū)”之路，通過特色產業(yè)帶動整個項目區(qū)的可持續(xù)健康發(fā)展。

(2)科研工作站。項目區(qū)為科研試驗提供平臺及應用基地，同時促進科研成果轉化為生產力，實現治理成效與研究成果的“比翼雙飛”，顯著提高小流域綜合治理的水平與科技含量。

3 水土保持措施配置體系

牢固樹立山水林田湖草是一個生命共同體的理念，統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理，根據全省水保生態(tài)建設長遠發(fā)展的重要基礎性支撐研究成果——《江西省水土保持區(qū)劃及防治布局研究》[15]，依據小流域內不同的立地條件、侵蝕強度，劃分功能區(qū)，針對不同的功能分區(qū)采取相應的技術及植物、工程措施進行治理。工程設計內容由水土流失綜合治理措施、水土保持系統(tǒng)監(jiān)測、特色產業(yè)種植示范基地、附屬配套建筑及設施、景觀及水保科普示范五部分組成。工程建設規(guī)模為1 498.1 hm2。

3.1 紅砂巖侵蝕劣地綜合治理展示區(qū)

該區(qū)域屬于強風化紅砂巖區(qū)，侵蝕程度在中度、強烈以上，地表基本裸露，治理難度最大。針對項目區(qū)內紅砂巖長期風化形成的土質邊坡、風化夾硬石邊坡等不同類型的邊坡，分別采取不同的恢復措施，綜合運用竹節(jié)水平溝+喬灌+混合草、小穴密墾點播胡枝子、小穴植草、小穴植草+噴播植草、魚鱗坑大穴種植等先進的水保林草營造技術，有效覆蓋裸露地表，改善原有惡劣的立地條件，并在溝壑發(fā)育的溝蝕嚴重地區(qū)，合理布置谷坊、攔沙壩等小型水利水保工程，攔蓄徑流泥沙，把嚴重侵蝕區(qū)建成綜合治理模式的集成展示區(qū)。

根據治理需要，分區(qū)篩選水土保持植物，為林下水土流失防治篩選出根系發(fā)達、根蘗萌發(fā)力強、固土能力強、適應性和抗逆性較強、耐瘠耐旱、生長旺盛、郁閉迅速，且具有一定經濟價值的水保植物(重點推廣黃梔子、連翹)，并根據林相不同，分別采取灌草混交、喬灌混交和喬灌草混交等優(yōu)化組合進行植被恢復。該區(qū)域應用了徑流小區(qū)試驗成功的馬尾松+木荷+黃梔子+胡枝子、濕地松+楓香+胡枝子+硬骨草、馬尾松+烏桕+桃金娘、重陽木+木荷+連翹+假儉草、紫穗槐+紫云英等林草配置模式。治理過程中特別注重先鋒樹種及固氮樹種對土壤的改良作用，并創(chuàng)新嘗試加入了具有鄉(xiāng)土景觀特色的水保樹種，其中連翹、黃梔子、桃金娘作為優(yōu)良水保植物已在項目區(qū)及贛南進行了大面積推廣。

該區(qū)域還結合地形設置了紅砂巖治理標準徑流小區(qū)、模擬降雨示范區(qū)、氣象觀測站，用于進行科研觀測及科普教育。

3.2 坡地水土保持型生態(tài)農業(yè)示范開發(fā)區(qū)

該區(qū)域立地條件較好，屬輕、中度侵蝕，坡度在25°以內，原有部分分散果園林地。以坡地農業(yè)復合開發(fā)水土流失控制和提質增效為目標，根據地形條件，應用多項水土流失治理技術及經果林林下多功能水保植物優(yōu)化組合技術等，優(yōu)化坡地農業(yè)和林果業(yè)空間配置模式，即：以山坡地水土保持型立體生態(tài)農業(yè)模式為主，同時配合實施坡地旱田和坡地水平梯田(含經果林)立體種植模式；從蓄水保土、產業(yè)提升等方面采取了坡面工程優(yōu)化配置(在2°～5°坡面，采取保水保土種植+植物籬；在6°～15°坡面，采取前埂后溝+梯壁植草+反坡梯田+坡面水系；在16°～25°坡面，采取生態(tài)路溝或生態(tài)草溝+魚鱗坑大穴深墾+改土培肥及坡面經濟開發(fā)配套措施，如地表覆蓋、果園生草、農林復合等)。坡面水系工程是坡地水土保持型生態(tài)農業(yè)的重要組成部分，雨水集蓄利用果園坡面水系配置措施包括三種技術模式、體系，即集“攔-蓄-凈-排-灌”為一體的坡地立體徑流調控技術模式(生態(tài)草溝、水平溝、山邊溝、排水溝、沿山溝、引水溝、灌溉渠等)、低山丘陵集雨自灌+提灌技術(蓄水池、沉沙池、引水溝等)、雨水集蓄高效滴灌等措施體系。

將坡地分為“頂林-腰果-底谷”3層進行立體治理，最終形成典型的“林→果→畜”水土保持型生態(tài)農業(yè)模式。①坡地頂部為保護層，此層根據不同條件采用林蓋頂或草蓋頂，依據高度選擇不同水保樹種和草種。②在山丘的中部開發(fā)“反坡梯田+前埂后溝+梯壁植草”種植臍橙、油茶等經果林，同時依據地形地貌特點，建造沉沙池-蓄水池，并利用“反坡梯田+前埂后溝+梯壁植草”中的坎下溝，基于生態(tài)草溝泥沙輸移特征及侵蝕防控機制方面的基礎研究成果，營造生態(tài)草溝有效地防治水土流失；將坡面的雨水徑流引蓄到蓄水池中，再將自流灌溉與滴灌相結合用于干旱季節(jié)灌溉，而“腰果”的廢棄果物為“底谷(養(yǎng)殖)”提供有機肥和飼料來源。③在山丘的下部修建山塘進行禽畜及魚類養(yǎng)殖，發(fā)展生態(tài)農業(yè)(漁業(yè))，同時結合提灌技術，在干旱季節(jié)用山塘蓄集的雨水提灌山丘中部的經果林。

項目區(qū)根據治理需要，還應用了低山丘陵集雨自灌+提灌技術，即“反坡臺地+梯壁植草+坎下溝+引水渠+蓄水池”的水土保持技術措施。反坡臺地、枯落物覆蓋、梯壁植草和坎下溝等水土流失綜合治理措施對調節(jié)坡面徑流、優(yōu)化水源效果明顯。低山丘陵集雨自灌+提灌技術將集雨與節(jié)灌相結合，雨水集蓄利用工程與先進的水保、農藝措施相結合，做到了“澇能蓄、旱能灌”，為南方紅壤區(qū)的水土流失治理和農業(yè)節(jié)水灌溉工作提供了新的思路，起到了很好的示范作用。

該區(qū)域建設有16.67 hm2的滴灌設施，采用了國內外最先進的滴灌技術，擁有配套完整的過濾系統(tǒng)、注肥系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等關鍵設備，科學合理的管網布置可保證根據作物需水需肥規(guī)律適時適量地精準灌溉和水肥一體化施肥灌溉。對規(guī)模化種植而言，整個灌溉系統(tǒng)的操作和農田水分的管理(適時適量確定灌水時間)方法簡單、高效、省工，且在設計合理的前提下，施肥均勻，化肥利用率高，能有效減少面源污染。項目區(qū)根據種植作物及實際情況還采用了壓力補償式滴灌。

3.3 生態(tài)功能保護區(qū)

小流域上游及水源保護地周邊，生態(tài)環(huán)境相對較好，原有林地狀況良莠不齊，約有60%的區(qū)域較為穩(wěn)定，40%左右的地表植被生長不良或退化。

該區(qū)域以林草工程措施為主，林草工程作為一項根本措施[16]重點應用“封禁+補種+管護”模式進行生態(tài)修復，即“大封禁，小治理”的模式：“大封禁”即對水土流失在輕度以下并能滿足自然恢復植被要求的喬木林地、疏林地和灌木林地，采取封禁治理依靠自然修復能力恢復植被；“小治理”即在重點治理中推廣撫育、施肥措施，并針對紅砂巖侵蝕區(qū)土質硬、土層薄、可溶性養(yǎng)分含量低、吸熱性強、晝夜溫差大、植物較難生長的現狀，篩選出優(yōu)良水土保持喬灌草種，尤其是在植被稀疏、種群結構單一、景觀較差的地方，適當補植景觀植物品種，加速植被恢復，減輕水土流失，提升生態(tài)景觀效果。

3.4 水土保持生態(tài)景觀化的治理措施

通過水土保持措施完成景觀提升，能讓水保工程更加人性化、地域化、景觀化，并滿足潛在的旅游休閑需求，形成獨特的地域景觀。設計中根據項目區(qū)水土流失現狀、地形坡度及山地植被分布情況等因素，遵循自然和鄉(xiāng)土特色原則，將景觀及景觀生態(tài)學的設計方法應用于水保工程中，使生態(tài)景觀與水土保持工程相協(xié)調。在工程方面，通過在不同地形布置的水保措施及建筑設施、環(huán)山步行空間及休憩節(jié)點空間等，設計不同的主題景觀，凸顯水土保持項目的特色；在植被方面，依托經果林下多功能水保植物優(yōu)化組合技術等，設計了水保彩葉林、經果林+開花灌木(或地被)、芳香經濟植物、野生宿根花卉、觀賞草等適合粗放管理且觀賞效果極佳的種類，并結合多種配置手法及景觀小品展示介紹，形成植物科普園地。

最后，在小流域下游的農村河道出口處建設卡口站，應用水土流失與旱澇自動監(jiān)測預警技術，對小流域3個區(qū)域進行野外實時水土流失監(jiān)測，為自然降雨條件下的水土流失預測預報提供數據參考和服務；實現不同尺度的徑流和泥沙動態(tài)監(jiān)測，為洪澇災害提供預測預警服務；同時，動態(tài)監(jiān)測氣象、土壤水分，為項目區(qū)水土保持生態(tài)農業(yè)的干旱、洪澇災害提供預警信息。一系列綜合治理措施的實施，為小流域及下游農村河道的水生態(tài)修復與近自然治理提供了堅實的基礎與科技支撐。

4 設計實施成效

通過國家水土保持重點建設工程寧都縣還安小流域綜合治理工程的規(guī)劃設計與實施，小流域范圍內的水土流失綜合治理程度達到86%，25°以上陡坡耕地全部退耕還林還草，植被覆蓋率達到84%，宜治理水土流失面積得到全部治理，土地利用率達到89%，土地利用結構得到合理調整，小流域每年減少土壤流失量6.43萬t，提高蓄水能力69.36萬m3，減沙效率達72.8%，土地產出增長率達65%，商品率達70%，小流域各項技術經濟指標均達到或超過《水土保持綜合治理驗收規(guī)范》(GB/T 15773—2008)一級標準，形成了完善的水土保持綜合防治體系，治理成果和示范效果顯著，帶動了贛南其他地區(qū)紅砂巖侵蝕劣地的綜合治理工作；建立的紅砂巖水土保持科學試驗和研究基地極大地提高了紅砂巖地區(qū)水土保持工作的科研創(chuàng)新能力，為紅砂巖地區(qū)水土保持生態(tài)建設提供了有力的技術支撐。

以還安小流域水土流失綜合治理工程為依托建設的寧都縣水土保持科技示范園，成為贛南首個國家級水土保持科技示范園。借助于還安小流域內齊備的基礎設施及顯著的治理成效，先后開展了多項國家級、省部級、廳級重大課題研究，尤其是完成了國家重點研發(fā)計劃項目——高效開發(fā)型水土流失治理技術集成與示范、特色林果產業(yè)開發(fā)水土流失治理技術集成與示范、以生態(tài)-生產功能協(xié)同提升為核心的紅壤低山丘陵區(qū)水土流失綜合治理模式與示范等，并將其研究成果成功應用到了更大范圍的南方紅壤低山丘陵區(qū)水土流失綜合治理[17-18]，取得了顯著成效。