盧旺達共和國山地丘陵區土壤侵蝕調查報告

馬 波, 李朝棟, 王百群, Mupenzi Christophe,Nsanzabaganwa Justin, Hakorimana Egide, 張加瓊

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.基加利基督復臨大學環境學院, 基加利 盧旺達)

盧旺達共和國(the Republic of Rwanda，以下簡稱“盧旺達”)作為人口密集區山地農業系統典型區域，研究其土壤侵蝕環境及現狀，對明確尼羅河上游山地丘陵區土壤侵蝕規律十分重要，對該區制定科學的土壤侵蝕防治對策具有重要的意義。盧旺達地處非洲高原西部、白尼羅河上游，是落后的農牧業國家，被聯合國確定為世界最不發達國家之一[1]，然而其優越的自然條件為糧食、經濟作物的生長提供了有利的條件，但由于人口眾多、經濟落后，糧食常年不能自給自足。隨著盧旺達2020遠景規劃、中國“一帶一路”倡議和聯合國可持續發展目標等在該國的實施和推進，盧旺達不僅在經濟上發展迅速，在生態環境保護和綠色可持續發展等方面也得到了高度關注；目前在河谷農業、土地退化、面源污染、保護性耕作等及農業可持續發展相關的領域開展了研究，但是在土壤侵蝕相關領域還相對匱乏[2-6]。

據估計，盧旺達水土流失面積占國土陸地面積約77%(2005年)，其水土流失風險較高的區域主要分布于西部山脈、北部的Buberuka高地、中部高原以及東部低地，且與當地的地形和降雨關系密切[4,7-9]。目前有關盧旺達土壤侵蝕的研究側重于區域土壤侵蝕風險評估，但是在小流域、坡面及田塊尺度上鮮有相關研究成果報道。在田塊或坡面尺度上，由于海拔、地形等因素的影響，不同地塊的土壤侵蝕風險差異巨大，0～700 t/(hm2·a)不等[10]。不合理的水土資源利用及傳統粗放的農業耕作模式，使當地的土壤侵蝕難以得到有效控制，進而導致土地退化、水體污染等環境問題[8,10-12]。前人[4,5,8,10,14]采用GIS分析、遙感影像分析、模型模擬等方法開展了土地利用變化、農業耕作等對土壤侵蝕的影響研究[13]，分析了土壤侵蝕對養分遷移、土壤肥力下降等的影響，但是在土壤侵蝕過程與機理、土壤侵蝕防控等方面還沒有系統的研究成果。因而亟需應用新技術、新數據深入研究該區土壤侵蝕特征、驅動機制及時空分異規律，以闡明盧旺達土壤侵蝕過程及驅動機制。本文采用實地調查與3S技術相結合的方法，對盧旺達山地丘陵區開展土壤侵蝕調查，探尋該區土壤侵蝕特征及其存在的問題，為盧旺達乃至白尼羅上游山地丘陵區水土流失防治提供依據。

1 調查區概況[15-19]

盧旺達共和國屬東非內陸國家，位于赤道南側的大湖區((1°—3°S，28°—31°E)，國土面積26 338 km2，平均海拔1 598 m，全國大部分區域屬熱帶高原氣候及熱帶草原氣候，年均溫16～21 ℃，年均降水量1 156 mm[8]。盧旺達每年有2個雨季(3—5月、10—11月)和2個旱季(12—2月、9—10月)，年內降雨分配極為不均。地形地貌主要以山地和高原為主，地勢西高東低，素有“千丘之國”之稱；海拔最低點為魯西茲河(Rusizi River，950 m)，而最高點位于卡里辛比火山(Karisimbi Volcano)，海拔達4 519 m。盧旺達大部分地區屬尼羅河流域，境內主要河流為尼亞巴隆哥河(Nyabarongo River)，并最終匯入尼羅河上游支流卡蓋拉河(Kagera River)。盧旺達曾經約1/3國土面積被森林所覆蓋，但由于不斷增加的人口壓力，加之傳統粗放農業耕作模式和砍伐樹木獲取生活燃料，導致大量森林遭到破壞，森林覆蓋率曾一度下降至2000年的8.9%[20]，目前森林面積約6.20×105hm2，占全國面積24%。盧旺達系聯合國公布的世界最不發達國家之一，全國總人口1 220萬(2017年)，主要集中于中部地區和西部基伍湖沿岸。經濟以農牧業為主，農牧業用地約占國土面積78.9%，從業人口約占勞動力總人口84%，但糧食不能自給；2017年農牧業占國內生產總值約33.2%[21]。耕地面積約為1.20×106hm2，約占國土面積45.6%，由于該國人口稠密，每個家庭平均耕地面積不足0.6 hm2[22]，人均耕地面積僅為0.12 hm2。大部分耕地為坡耕地，且坡度較陡。由于耕地的過度開墾，導致了嚴重的水土流失，而有限的國土面積也已難以承載不斷增長的人口。當前，盧旺達正面臨著森林砍伐、過度放牧、土地退化、土壤侵蝕、土壤肥力下降、濕地退化、生物多樣性喪失等一系列重大環境問題。

2 調查內容與方法

本次調查主要于2019年10月17—22日期間開展，調查期正值盧旺達雨季，有利于開展土壤侵蝕相關的調查工作。盧旺達國土面積較小，且農牧業用地占比高達78.9%，土地利用類型較為單一，因此本次調查選擇沿盧旺達國家干道公路開展，調查不同土地利用類型的水土流失現狀。重點調查不同地區的坡耕地、人工林土壤侵蝕特征及其影響因素，并調查水土保持措施種類及其效應。以首都基加利為原點，分別沿NR3、NR4及NR7國家公路向盧旺達東北部尼亞卡塔萊(Nyagatare)、北部比溫巴(Byumba)、西部魯本蓋拉(Rubengera)及西南部吉孔戈羅(Gikongoro)等方向布設4條調查路線，在調查路線沿途以30 km左右的間距選擇調查點，調查土地利用類型、土壤侵蝕類型及特征、植被類型及蓋度、坡耕地狀況及作物種植情況、水土保持措施等內容。同時利用奧維地圖對調查地類進行定位拍照，為遙感解譯標志的建立提供依據。此外，記錄地類的地理位置、海拔、坡度、坡向等信息。在盧旺達主要河流Nyabarongo River及其支流Nyabugogo River部分河段采集徑流樣品，每個斷面采集3個重復樣品，利用稱重法測量其含沙量。調查期間的日降雨量采用TRMM Multi-Satellite Precipitation Analysis Data 3B42降雨資料進行估算。基于以上調查工作，結合2017年8月26日至9月3日盧旺達旱季綜合調查結果，對該區土壤侵蝕特征、成因等進行系統分析。

3 土壤侵蝕特征

3.1 耕地土壤侵蝕

盧旺達全境多高山丘陵，因此坡耕地是其主要的耕地形式。通過對盧旺達坡耕地調查可知，坡耕地是該區水土流失的重要來源之一。根據2017年全球30 m分辨率土地覆蓋數據集(Global Land Cover)及30 m 分辨率SRTM DEM分析可知，該區坡度≤5°緩坡耕地面積占比約36%，坡度介于5°～25°的坡耕地面積占比約62%(表1)。在雨季臨近時，當地農民需要對土地進行翻耕，植被覆蓋度相對較低，部分地塊甚至呈裸露狀態(附圖9a)。加之雨季多短歷時陣性降雨，從而導致坡耕地極易產生土壤侵蝕。而當作物植株進入生長旺盛期后，便能對地表產生一定的保護作用，從而減少水土流失。在旱季時節，由于高溫干旱少雨的氣候特點，坡耕地基本無法種植作物，坡面也呈裸露狀態(附圖9b)，在局地會產生輕微的風蝕，水蝕較少發生。考察期間大部分作物正處于幼苗期，坡耕地覆蓋度依然較低；加之當地降雨量較大，坡耕地種植需考慮排水，因此多為順坡耕種，這為土壤侵蝕的產生提供了便利條件。調查發現，坡耕地土壤侵蝕主要表現為片蝕和細溝侵蝕，且普遍分布于沒有水土保持措施的坡耕地上(圖1)。地勢較為平緩的耕地主要分布于河谷地帶，由于河谷內水肥條件較好，旱季、雨季均能得到較好利用，目前多種植水稻、蔬菜和菌草等(附圖9c)。

表1 盧旺達坡耕地坡度特征

注：根據2017年全球30 m分辨率土地覆蓋數據集(global land cover)及30 m 分辨率SRTM DEM提取。

圖1 坡耕地土壤侵蝕(馬波攝于20191021)

3.2 道路侵蝕

在調查沿線，僅在首都基加利及其周邊部分公路具有邊坡防護工程，全國主要公路均缺乏有效的邊坡防護措施。由于缺乏必要的護坡工程，雨季時邊坡的侵蝕非常嚴重，部分高陡邊坡還極易發生滑坡、崩塌等重力侵蝕。道路山體一側裸露邊坡普遍存在溝蝕和片蝕，而邊坡上方的徑流流經邊坡時則會產生強烈的下切和側蝕，在坡面上留下較深的侵蝕溝(圖2)。與此同時，徑流在坡面匯集，并在邊坡底部上方形成跌坎，從而加劇的溝蝕和重力侵蝕。道路外側下方邊坡也由于路面積水的作用產生嚴重的侵蝕。雖然部分路段設有排水溝，但是排水溝排水處下方缺少消能池或其他輔助配套設施，導致排水口下方往往形成較大的跌坎，下泄的徑流在地形作用下于山體上形成切溝，侵蝕劇烈。在某些高陡邊坡路段，易產生滑坡，崩塌等重力侵蝕(圖3)。這在多短歷時陣性降雨的雨季出現的概率較大，尤其是在鄉村道路上最為常見。有研究表明，盧旺達42.3%的區域均較易發生滑坡，尤其是在西部山脈區和南部、北部等高山區[23]。因此，需要對這些地區發生滑坡的潛在威脅予以足夠重視。

圖2 道路邊坡侵蝕狀況(馬波攝于20191018) 圖3 道路邊坡滑坡(馬波攝于20191021)

盧旺達全境除國家干道公路為硬化公路以外均為土質路面。降雨過程中，坡耕地、林地等產生的徑流多匯聚于路面并向下運移，在路面上形成明顯的侵蝕溝(圖4)。

由圖5可以看出，主路往往連接有許多山間小道，這恰恰形成了徑流的輸移通道，主路上形成的徑流會沿小道向山下運動，更易催生切溝的形成，導致更為嚴重的侵蝕。

圖4 道路侵蝕(馬波攝于20170828) 圖5 路面匯流造成的侵蝕(馬波攝于20191018)

3.3 工程建設產生的侵蝕

盧旺達近年來經濟發展較快，是非洲經濟發展最為迅速的國家之一，因此隨處可見公路、廠房、民房等大型工程的施工場所。使施工區及其周邊的地形地貌、表土結構、植被覆蓋等均發生變化，且同時產生規模較大的開挖面；但相較于中國完備的開發建設項目水土保持方案管理制度，盧旺達各類型工程建設項目極少考慮水土保持措施配置，建設過程中的臨時水土保持措施也無從談起。施工期間如遇暴雨，稀疏的植被和擾動的地表會導致嚴重的土壤侵蝕，而諸如取土棄土場、施工作業區、施工臨時區等人為擾動較嚴重的區域則會產生明顯的溝蝕(圖6，附圖9d)。實測降雨過程中工地內自然形成的侵蝕溝徑流含沙量為133.54 g/L(圖7)，而施工區旁的排水溝由于工程堆土垮塌進入水道，排水溝內含沙量更是高達164.70 g/L。

圖6 工程建設引起的土壤侵蝕(馬波攝于20191018) 圖7 道路邊坡侵蝕(李朝棟攝于20191017)

3.4 桉樹林土壤侵蝕

盧旺達的原始森林目前主要分布于北部盧旺達火山公園(Volcanos National Park)和西南部的紐恩威國家公園(Nyungwe National Park)，此外全境范圍內斑塊狀分布有以桉樹為主的人工林。常年未受擾動的桉樹林，其林下枯落物和草本植物較為豐富，可在一定程度上起到防止水土流失的作用(附圖9e)，但依然存在斑塊狀侵蝕痕跡，在坡度較陡的區域還會產生較深的侵蝕溝，溝道平均深度達50 cm，最深處可達70 cm以上(圖8)。經計算可知，調查當日采樣點附近平均降雨量為33.4 mm，最大可達76.6 mm；在降雨過程中林下灌草層可顯著減少坡面徑流含沙量，而林下侵蝕溝內徑流含沙量顯著高于前者，經觀測徑流含沙量可知林下侵蝕溝徑流含沙量高達133.04 g/L，而經草地下泄的徑流樣未觀測到泥沙(圖9—10)。桉樹是當地居民重要的生活燃料和經濟來源，當桉樹生長至一定階段便會被砍伐，使整片山林成為采伐跡地，以待其繼續萌發枝條。由于缺乏有效的覆被，在砍伐后1～2 a內極易產生土壤侵蝕。而砍伐后的森林又有利于草本植物生長，待草地形成以后又會防止侵蝕的產生(附圖9f，附圖9g)。如此周而復始，桉樹林不僅產生著經濟效益，同時也深刻影響著林地土壤侵蝕過程。目前，盧旺達毀林依然嚴重，森林面積較大的西部省及北部省毀林面積曾一度達到1 896和1 668 hm2，不僅降低了生物多樣性，還導致了嚴重的水土流失[24]。

圖8 桉樹林侵蝕溝(馬波攝于20191021) 圖9 桉樹林下草地坡面徑流(馬波攝于20191018)

3.5 河流泥沙

對Nyabarongo和Nyabugogo流域及其支流12個點的徑流量進行采集，采樣點的基本信息及含沙量觀測結果詳見表2。Nyaborongo是盧旺達境內最長的河流，屬卡蓋拉河(Kagera River)的上游，也是白尼羅河(White Nile River)的源頭之一。而Nyabugogo河是Nyabarongo河最重要的支流，流域面積1 647 km2，流域內農業用地占比54%[11]。

由表2中可知，除Nyabugogo上游水庫采樣點以外，采樣點平均瞬時含沙量可達129.94 kg/m3，Nyabarongo上游干流平均瞬時含沙量為131.28 kg/m3，Nyabugogo干流平均瞬時含沙量為129.40 kg/m3，Nyabugogo其他支流平均瞬時含沙量為129.85 kg/m3。Nyabugogo上游修建有水庫，加之庫區兩岸有防護林和濕地，故水庫下泄的徑流水質清澈，未觀測到含沙量。

因此，Nyabugogo流域上游泥沙主要來自于其支流Muyanza和Mwange的高含沙徑流。由于Nyabugogo上游清澈徑流的匯入，使下游干流的含沙量略低于上游支流。Nyabarongo徑流采樣點均位于盧旺達西部，瞬時含沙量普遍較高。

基于以上分析可知，目前盧旺達水土流失嚴重，導致河流泥沙含量較高；劇烈的水土流失是該國河流泥沙含量高的根本原因。

圖10 桉樹林下侵蝕溝徑流(馬波攝于20191018)

表2 盧旺達主要河流含沙量觀測結果

4 水土流失治理措施

調查顯示，盧旺達土壤侵蝕形勢較為嚴峻，但土壤侵蝕治理措施卻相對單一。目前，該國最主要的水土保持措施為梯田。當地依據地勢修筑的梯田主要有水平梯田、坡式梯田、隔坡梯田和復式梯田等。在坡度較陡的坡耕地上，當地推廣一種陡坡梯田(radical terrace)，可實現大于26.5°的坡面上進行梯田作業，且在全國廣泛采用(圖11)。這種梯田形式類似于隔坡梯田與反坡梯田的結合體，田面水平或略向內傾斜，種植香蕉、木薯、豆類等作物，坡面長度小于2 m，其上種植草灌，以達到蓄水、保土、保肥的目的，同時起到防止陡坡水土流失的作用。盡管依據地形條件，梯田的形式各有不同，但均能發揮較好的水土保持效益。研究表明，該區的梯田可使糧食產量平均增加25%，土壤有機質含量也可提高至自然生態系統一半的水平[25-26]，這對當地的農業發展和糧食安全有著至關重要的作用。香蕉是當地重要的糧食來源之一，在全國大面積種植；因此結合香蕉的種植特點，其主要防治措施為園地地表秸稈覆蓋，以期達到減少水土流失的同時提高土壤養分的目的。在沒有梯田等措施的坡耕地上，會采用種植植物籬的方法，將長坡隔斷為短坡。部分植物籬同時在其下坡位設置簡易排水溝，以提高防止水土流失的效果。盧旺達政府自2006年于中國引入菌草，在當地主要用于栽培食(藥)用菌，并在中國援盧旺達農業技術示范中心進行試驗示范。胡應平等通過觀測發現，相對于傳統栽培模式，“等高線種植巨菌草”及“等高線種植菌草綠籬+梯田套種”，分別將土壤侵蝕量降低了96.3%和90.4%[18]。將菌草種植與梯田、綠籬、間種套種等水土保持措施相結合，可有效提高單一水土保持的防治效果，同時也說明菌草種植在防治當地水土流失、提高經濟收入等方面具有較好的應用前景。然而在調查中發現，當地菌草多種植于河谷平坦地帶及緩坡的坡角處，由于這些區域具有較好的水肥條件，更利于菌草的生長，但是并沒有過多考慮菌草的水土保持效益。此外，菌草還零星種植于少部分梯田的地埂上用于保護梯田，防止水土流失。

圖11 陡坡梯田(radical terrace，馬波攝于20191021)

5 土壤侵蝕影響因素分析

盧旺達境內多山的地形特點，以農牧用地為主的利用方式，是該區土壤侵蝕發生的客觀因素。然而其劇烈的人類活動是造成當地土壤侵蝕嚴重的最主要原因。盧旺達國土面積相對較小，但人口眾多，是世界上人口密度最大的國家之一。為滿足人口增加帶來的日益增長的糧食需求，毀林開墾耕地、過度放牧，加之傳統粗放的農牧業模式，加劇了土壤侵蝕的發生，進而造成土壤肥力下降，對糧食生產也會帶來威脅。盧旺達近年來經濟發展較快，國內基礎設施建設力度加大，居民區面積相繼不斷擴大。因此，工程建設所致的劇烈人為擾動是導致某些區域土壤侵蝕激增的重要原因。當地政府對水土流失的防治頗為重視，但是由于經濟發展較為落后，在水土保持措施方面的投入相對較少。此外，全球氣候變化對東非產生了深遠的影響，盧旺達雨季極端降雨顯著增加，是造成目前土壤侵蝕形勢嚴峻的重要原因之一。

6 討論與建議

6.1 加強水土保持理論研究

盧旺達嚴重的土壤侵蝕不僅造成土地退化、河流泥沙含量增加，也威脅著糧食安全、生態安全。隨著人口的增加和經濟的發展，當地民眾對水土流失的危害有了認識，社會各界越來越重視土壤侵蝕的危害，盧旺達政府開展了相關水土保持工作，并采取了修筑梯田、限制毀林、植樹造林、森林保育等相關措施，以期提高森林覆蓋率、減少水土流失。但是目前水土保持基礎研究尚且薄弱，在土壤侵蝕過程與機理、土壤侵蝕模型模擬與預測、土壤侵蝕環境演變、流域生態與管理、水土保持環境效應、水土保持規劃等方面存在空白或不足。因此，在現有的研究基礎上，需要加強水土保持理論研究，開展土壤侵蝕、水土保持措施、水土保持規劃等方面的基礎研究，特別是針對高強度開發下的坡耕地土壤侵蝕研究，針對滑坡、泥石流等重大災害的防治措施研究，以期制定系統的水土保持措施技術體系。

6.2 加強水土保持監測

目前，盧旺達土壤侵蝕監測與調查數據、流域水文監測數據均極為匱乏，缺乏開展土壤侵蝕與水土保持研究的相關基礎，也不利于準確把握該國的土壤侵蝕現狀。現有的土壤侵蝕監測及研究成果不足以支撐水土保持綜合防治措施技術體系的建立，尚不能滿足盧旺達水土保持與可持續生態農業發展的需求。調查顯示，盧旺達主要河流、重點流域的徑流含沙量較大，但是目前還沒有開展相關監測，主要的水文站點目前側重于水位、氣象要素等日常觀測，無法支撐區域土壤侵蝕評價、流域水沙情勢、水土保持規劃等方面的研究。在坡面尺度上也很少開展相關的試驗或觀測，目前僅在中國援盧旺達農業技術示范中心由福建農林大學開展了部分徑流小區上的土壤侵蝕觀測(附圖9h)。因此需要加強在不同土地利用類型上的土壤侵蝕過程觀測，重點加強過度放牧地、坡耕地、損毀林地的土壤侵蝕過程的試驗觀測，以期有效地開展水土保持工作。

6.3 關注氣候變化與人口壓力對水土流失的顯著影響

隨著全球氣候變化，盧旺達平均氣溫呈升高趨勢、降雨呈下降趨勢，預測將導致糧食顯著減產；而隨著該區人口激增，人地矛盾、人畜矛盾將進一步加劇。調查顯示，盧旺達雨季的極端降雨頻率顯著增加，這對坡耕地土壤侵蝕、滑坡、泥石流的發生均產生了較大的促進作用。盧旺達是傳統的雨養農業模式，對氣候變化較為敏感；旱季時間的延長則壓縮了農業耕作、作物生長的時間，更不利于糧食生產。根據Knoma的報道，進入21世紀以來，盧旺達人口密度呈急劇上升趨勢，由2000年的321.6人/km2增加至2018年的498.7人/km2，對當地糧食、水、土地資源的需求相應成倍增長。水土流失導致的土地退化是當地糧食生產的頭號環境問題，氣候變化對當地水土流失產生了不利影響。因此，為防止生態環境進一步惡化，加強水土保持工作勢在必行。