黃土高原典型區水土保持技術評估與需求分析——以安塞為例

魏云潔,甄 霖,*,胡云鋒,肖 玉

1 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101 2 中國科學院大學資源與環境學院,北京 100049

黃土高原水土流失嚴重,為了防治土壤侵蝕、保護生態環境,自20世紀70年代以來,實施自上而下的大規模水土流失治理和以退耕還林(草)為代表的一系列生態建設工程,黃土高原水土流失治理已取得一定成效,總體生態恢復成效顯著[1],土壤侵蝕量和產沙量減少[2- 4],植被恢復明顯,NDVI和NPP顯著提高[5- 8],固碳能力提升[9],收入的多元化以及非農收入增加帶來家庭總收入的提高[10]。生態治理和恢復技術(即生態技術)在生態工程實施和帶動區域社會經濟發展中起到了至關重要的作用[11]。生態技術的應用能夠促使生態原真性得到恢復、節約資源和能源、避免或減少環境污染、區域經濟得到發展、居民收入水平和社會參與意識與技能提高[12]。自生態工程實施以來,多種類多項生態技術已經在黃土高原研發并應用,包括治坡、治溝和小型水利工程等工程類技術18項,水土保持造林、種草、天然封育等生物類技術11項,以及水土保持耕作、栽培和土壤培肥等農業類技術13項[13-16]。同時,研發應用了一系列具有國際影響力的生態技術,干旱條件下造林技術、生物籬技術、工程-生物措施相結合的治理模式等處于國際領先位置,90%以上的技術已經得到廣泛應用[17]。

盡管生態技術的應用給黃土高原帶來了顯著的生態、經濟和社會效益,但局部地區尤其是陡坡耕地水土流失問題仍然嚴重,治理形勢依然嚴峻[7]。已有研究表明,黃土高原幾十年的人工林草建設也缺乏合理性,主要表現在追求人工林草的高生長量、高經濟效益而引進種植外來高耗水植物種,如刺槐、檸條等大面積種植出現了土壤干層[18-19]和小老樹[20]現象；人工造林導致生物多樣性缺失[21]；生態需水虧缺、水資源平衡問題等屢見報道[22-25]；淤地壩作為人為干擾可能存在安全隱患[4]；生態工程需要投入大量人力和財力,人工造林存活率低[4,26]。針對生態技術應用存在的問題,科技部在2016年啟動了國家重點研發計劃項目“生態技術評價方法、指標體系與全球生態治理技術評價”,其中重要的任務之一是評估已有生態技術、提出技術需求清單[27],以系統梳理水土保持技術類型并評價不同治理階段采取的不同技術?，F有技術表現如何,應用中存在什么問題,今后需要何種技術或技術組合,這些問題亟待回答。目前尚缺少生態技術評估、基于指標體系進行技術需求分析等實證研究。針對黃土高原丘陵溝壑區立地條件和社會經濟發展水平,本文通過實地調研和問卷調查,旨在辨識并評估現有水土保持技術識別技術需求,構建指標體系分析其立地適宜性和社會-經濟可行性,為生態治理提供依據。

1 研究區概況

延安市安塞區位于陜北黃土高原丘陵溝壑區,中溫帶大陸性半干旱季風氣候,年均氣溫9.1℃,年均降水量506 mm,全年降雨量的60%集中在7—9月份。總面積2950 km2,海拔964—1640 m。粱峁旱作農業,坡耕地面積大,1999年前,15°以上的坡耕地占農用地面積的71.9%,25°以上坡耕地占34.4%。2015年農業人口14.65萬人,占比75.0%,第一產業占比7.8%,農業總產值中種植業占83.9%,林業占3.1%,牧業占10.3%,農村居民年人均純收入1.04萬元/年。2015年水土流失面積2832 km2,占土地總面積的96%,是受人類活動影響的典型生態環境脆弱區。

紙坊溝流域和南溝流域是安塞境內的兩個主要流域,分別位于沿河灣鎮和高橋鎮,流域面積為8.27 km2和24.61 km2,兩個流域所屬延河流域是延安重要的水源地,同時也是水土流失重點區域,平均土壤侵蝕模數為5000—6000 t km-2a-1,土地利用類型以耕地、林地和草地為主,3類土地占比96%—99%；15°以上土地占比超過60%。水土保持技術應用歷史久,種類多樣,具有黃土高原水土保持與生態治理科學研究和試驗示范的典型代表性。紙坊溝流域包括3個自然村,國家“七五”計劃期間成為黃土高原綜合治理試驗示范區,流域內農戶先于流域外開展水平溝種植作物,經過水土保持規劃和治理,特別是1999年退耕還林(草)以來,林草面積比例逐步增加。目前,溝口川地以種植水果和蔬菜大棚為主,溝頭坡地以果業為主,種植業和養殖業為輔,外出務工人員占比達80%以上。南溝流域包括7個自然村,2015年以來完成治溝造地和削峁造田超過260 hm2,新建蓄水壩7座,完成植樹造林和林分改造超過800 hm2,建成陜西省水土保持示范園,以果業和旅游業為主,外出務工人員陸續返鄉就業創業。

圖1 研究區位置、數字高程和土地利用圖Fig.1 Location, DEM and land use of study area

2 研究方法和數據來源

2.1 技術識別和評估方法

于2018年4—6月開展黃土高原水土保持技術評估與需求分析機構問卷調查,內容涉及現有技術應用情況和需求技術,回收有效問卷22份,分別來自中國科學院水利部水土保持研究所、西北農林科技大學、水利部水土保持監測中心、北京林業大學、西安理工大學、陜西師范大學、陜西省土地工程建設集團及其土地工程技術研究院、中國科學院地理科學與資源研究所等15家科研機構、決策部門和工程設計與施工企業,專業背景涵蓋水土保持與荒漠化防治、水利工程、水文學與水資源、土壤學、生態學、地理學、生態經濟等,從事水土保持相關工作的平均工作年限為14年。于2018年6月在兩個流域內分別選取紙坊溝、峙崾崄、大南溝和杏樹窯4個自然村開展實地調研和農戶問卷調查,4個村回收有效問卷86份,題項包括受訪農戶家庭基本信息、土地利用情況、水土保持技術及效果和技術需求等。專家和農戶問卷數據用于評估黃土高原主要水土保持技術、識別技術需求、確定技術適宜性和可行性分析指標。

2017年1月—2018年4月,經過5輪專家討論和文獻分析確定技術評估的5個維度,對黃土高原12項水土保持技術進行專家評分[27-28]：應用難度指技術應用過程中對使用者技能素質的要求及技術應用的成本；成熟度指技術體系完整性、穩定性和先進性；適宜性指技術與應用區域發展目標、立地條件、經濟需求、政策法律配套的一致程度；技術效益指技術應用后對生態、經濟和社會帶來的促進作用；推廣潛力指在未來發展過程中該項技術持續使用的優勢。采用Likert 5點量表打分,1分別代表難應用、成熟度低、適宜性差、效益差、推廣潛力小,5分別代表易應用、成熟度高、適宜性好、效益好、推廣潛力大。農戶對水土保持技術效益評估中,1—5分別表示效果差、效果較差、效果一般、效果較好和效果好。

2.2 技術需求分析方法

2.2.1確定指標體系

根據實地調研和文獻資料分析,結合需求調查專家和農戶問卷,考慮研究區水土保持技術應用情況與數據的可獲得性,確定技術需求優先級指標包括立地適宜性和社會經濟可行性兩個維度。立地適宜性方面選擇坡度、地貌類型和土地利用類型3個指標：坡度作為是否退耕還林(草)的主要自然判斷因子,將其劃分為4級,2°—5°可發生輕度土壤侵蝕,需注意水土保持；5°—15°可發生中度水土流失,應采取修筑梯田、等高種植等措施,加強水土保持；15°—25°水土流失嚴重,必須采取工程、生物等綜合措施防治水土流失；>25°為開荒限制坡度,即不準開荒種植農作物,已經開墾為耕地的,要逐步退耕還林還草。地貌分為粱峁、坡面和溝谷,分別適用不同的坡面治理(如梯田)和溝道治理(如淤地壩)措施。土地利用分為耕地、林地、草地和未利用地,分別適用對應的工程、生物和農業措施。社會經濟可行性方面選擇家庭勞動力、可進入性和農戶意愿3個指標：勞動力的多寡制約水土保持,如家庭勞動力僅1人很難從事果樹種植,更適合選擇機械化程度高的作物種植；可進入性指技術實施的便利性和產品的市場可達性,包括到道路的距離和道路質量,決定了技術實施的難度和農產品貿易成本的高低,如距離道路遠或道路條件差,不利于修建機整梯田的機械作業和材料運輸,也不利于果品銷售和采摘；農戶對水土保持的認知和意愿很大程度可以反映技術需求的優先級,農戶會統籌考慮自家的土地利用情況、技術普適性和投資回報率等,其意愿會影響水土保持技術的可持續實施。

2.2.2指標因子賦值和權重

在技術需求清單中選擇與坡度、地貌類型和土地利用類型以及農戶生產生活密切相關的7項技術,其中梯田分為水平梯田和隔坡梯田。將各評估指標的技術立地適宜性和社會-經濟可行性劃分為4個等級：高適宜/可行、中等適宜/可行、勉強適宜/可行、不適宜/可行,分別對應4、3、2、1(表1)。適宜性和可行性賦值原則：降水就地入滲攔蓄、充分利用光溫水肥資源、合理配置基本農田和經濟林[29]；粱峁配置人工和天然林草、坡面依據坡度從高到低依次配置林草、梯田,溝谷優先配置造地、梯田；經果林盡可能不改變現狀,保障經濟合理；其他條件相同的情況下,盡可能將梯田修建在坡度小的地方；改造重點在坡面和溝底,優先安排梯田,其余安排人工林草和天然林草。

表1 水土保持技術需求評估指標因子分級賦值

立地適宜性,1：不適宜,技術難以克服立地條件的限制性；2：勉強適宜,技術受立地條件的嚴重限制；3：中等適宜,技術受立地條件中等程度限制；4：高度適宜,技術不受立地條件限制

社會-經濟可行性,1：不可行,技術應用無法適應區域社會經濟發展需求；2：勉強可行,技術應用勉強適應社會經濟發展需求；3：中等可行,技術應用中等程度適應社會經濟發展需求；4：高度可行,技術應用高度適應社會經濟發展需求

利用層次分析法,通過專家打分構建各評估指標和技術的兩兩判斷矩陣,計算得到各個指標的優先級權重,最后經檢驗,其CR值均小于0.1,滿足一致性要求(表2)。

表2 水土保持技術需求評估指標優先級權重賦值

2.2.3技術需求的空間分析

通過ArcGIS軟件分析處理得到各評估指標的矢量或柵格圖層,利用柵格計算將各個圖層進行加權疊加,得到水土保持需求技術空間分布。其中,優先級3—4分為高需求、2—3分為中需求、1—2分為低需求。坡度圖層直接從DEM中提取,地貌類型圖層通過提取DEM中的山脊線和山谷線得到粱峁和溝谷。DEM柵格數據(30 m)來源于國家科技基礎條件平臺—國家地球系統科學數據共享服務平臺(http://www.geodata.cn)。2015年中國土地利用現狀遙感監測矢量數據(30 m)來源于中國科學院資源環境科學數據中心,包括耕地、林地、草地、水域、居民地6個一級類型。衛星影像數據來自Google Earth(10 m),道路圖層根據谷歌影像數字化得到。

3 結果與分析

3.1 水土保持技術應用現狀與特征

目前農戶應用的主要水土保持技術有3類12項：(1)工程類：梯田、水平溝和魚鱗坑整地、淤地壩、谷坊、治溝造地、集雨水窖；(2)生物類：人工造林種草、天然封育和地埂植物帶；(3)農業類：等高溝壟和保護性耕作。應用最普遍的是人工造林種草,92.6%以上的農戶都在自家退耕地植樹種草或天然封育,造林前均采用魚鱗坑或水平溝整地,主要樹種為刺槐、山杏、山桃、檸條。其次是梯田,除紙坊溝部分農戶在川地種植大棚外,其他3個村受訪農戶采用梯田種植農作物和果樹的比例較高,占88.9%—95.8%,主要種植玉米和蘋果。再次是等高溝壟,峙崾崄超過50%的受訪農戶仍在坡耕地使用等高溝壟種植少量玉米和豆類,其他3個村占比較低(12.5%—25.9%)。目前應用地埂植物帶和保護性耕作的農戶極少,不足1%。淤地壩、谷坊和治溝造地工程由政府或企業實施。梯田和等高溝壟自20世紀70年代開始逐步應用,80年代開始建設淤地壩和谷坊,1999年退耕還林(草)以來進行大規模造林種草,自2005年政府逐步在果園中修筑集雨水窖,2010—2013年地埂植物帶曾在峙崾崄短暫應用,南溝自2015年開始實施治溝造地。4個村的受訪農戶中,紙坊溝有川地大棚,未種植果樹,大南溝和杏樹窯有少量治溝造地；南溝流域的兩個村農戶在坡耕地種植果樹(表3)。紙坊溝小流域寬幅梯田的田寬10—20 m,人工梯田田寬3—5 m；南溝小流域自2013年起新修寬幅梯田,平均田寬40—50 m。產量方面,兩個小流域農戶梯田種植玉米的產量為6000—7500 kg/hm2,蘋果產量約為6000kg/hm2(喬化)和22500 kg/hm2(矮化)；等高溝壟種植玉米產量為3000—3750 kg/hm2,使用等高溝壟種植前坡耕地種植玉米的產量約為2250 kg/hm2。

表3 調研農戶基本特征

3.2 水土保持技術評估

12項技術中工程類的梯田和淤地壩、生物類的地埂植物帶綜合表現最好。12項技術應用難度差異明顯,治溝造地較難應用(2.08),天然封育較易應用(4.78),受投資成本和地形條件限制影響,工程類技術比農業類技術難度高,工程類技術中水窖應用難度較低(4.25)；各項技術在成熟度和效益方面的差異不大,成熟度較高的技術為天然封育(4.97),成熟度相對較低的技術為治溝造地(4.25),效益較高的技術為保護性耕作(4.75)和淤地壩(4.67),效益相對較低的技術為人工造林種草(4.00)和梯田(4.08),專家認為人工造林種草仍有更大的經濟收益潛力,目前水土保持林占比大；保護性耕作的適宜性較高(5.00)和推廣潛力較大(5.00),水平溝整地適宜性較低(4.08)和推廣潛力較小(3.85),隨著寬幅梯田建設和機械化操作,等高溝壟優勢已不明顯(圖2)。

工程類的梯田、水平溝和魚鱗坑整地,與20世紀70年代以前的黃土高原坡耕地種植相比,農戶對應用梯田種植作物和經果林、水平溝種植作物、水平溝和魚鱗坑整地造林的產量和水土保持效果的滿意程度高于專家,為農戶帶來直接的增產、增收；淤地壩、治溝造地和谷坊3項溝道治理技術,農戶滿意度低于專家(圖2)。技術應用中存在的問題主要表現在(表4)：2000年以前修建的人工梯田(舊梯田)需要機整改造,2000年以后修建的部分機整梯田(新梯田)缺少排水設施；缺少對2000年以前修建的淤地壩(舊壩)進行監測和風險評價,2015年以來修建的淤地壩(新壩)還未形成可生產的壩地,部分治溝造地配套措施不到位,如耕作層未覆足夠熟土；小型集雨水窖,農戶滿意度低于專家,目前水窖數量和質量不能滿足種植果樹的農戶對噴施農藥和灌溉的更大需求,超過50%的水窖漏水或廢棄；農戶對生物類技術的滿意度高于專家,從植被覆蓋率提高和退耕還林補貼角度,農戶對水土流失災害減少和生態環境變好有一致的感知,技術中存在的問題主要表現在(表4)：缺少林草管理措施、地埂植物與作物爭水爭肥；農戶對農業類技術的效益評分低于專家,機械化程度低和輪作休耕影響短期收益是農戶反饋的主要問題。農戶對技術效益的評估,除了關注減少水土流失等生態效益外,更加關注產量提高和收入增加等經濟效益。如農戶曾種植沙柳和紫絮槐保護梯田地埂,沙柳作為編織用材還可以收割出售,盡管與農作物爭水爭肥影響產量,但80%以上的農戶表示如果有收購需求,還會重新種植。

圖2 水土保持技術評估Fig.2 Assessment of soil and water conversation technologies

3.3 水土保持技術需求識別

針對研究區現有水土保持技術應用中存在的問題,識別需求及其對應的技術(表4),根據其與已有技術的關系分為3類,即新技術、改良技術和配套技術。新技術,如人工干預封育、植物護坡、植被緩沖帶、新材料水窖、土壤快速熟化；改良技術,如梯田加固、水窖修繕、谷坊修復、林分改良、補播補植、水保林樹種篩選；配套技術,治理工程必須嚴格遵照相應的設計和施工的標準規范,如治溝造地配套排水溝渠和覆熟土、寬幅梯田配套地埂植物、梯田果樹配套防雹網。

表4 水土流失治理的技術需求清單

3.4 技術需求的空間分布

高需求技術中,水平梯田分布在2°—15°坡面,隔坡梯田分布在15°—25°破面,治溝造地分布在溝谷林地或草地,魚鱗坑整地和人工造林種草分布在15°—25°坡面的林地、草地,天然封育分布在25°以上坡面以及梁峁、溝谷,保護性耕作應用在梯田、坡耕地和需要輪作的川地上(圖3)。戶均勞動力越多、距離道路越近、農戶意愿越高的村落和地塊,梯田、治溝造地、人工造林種草的需求越高。

紙坊溝流域兩個村的立地條件更適宜通過人工造林種草進行植被恢復,尤其是峙崾崄超過70%的土地坡度為5°—25°,基于農戶意愿,68.4%的峙崾崄農戶需要更多梯田種植果樹及其配套技術,56.3%的紙坊溝農戶需要更多梯田種植作物或蔬菜瓜果,同時需要休耕輪作等保護性耕作,對天然封育的需求體現為繼續領取退耕補貼的意愿。南溝流域兩個村25°以上的土地面積占比均超過25%,更適宜通過天然封育或人工適度干預的天然封育進行植被恢復,其中大南溝43.7%的土地無技術需求,經過2015年以來的削峁造田和治溝造地,農戶沒有更多梯田或造地需求,對技術需求主要體現在技術改良和配套技術的應用,如造地后覆熟土、配套排水設施；35%的杏樹窯農戶需要造地技術,其戶均勞動力為2.4人,是4個村中勞動力最多的,其對造地的需求面積占比為2.6%,對新修梯田和造地后種植果樹有配套防雹網的需求。峙崾崄和杏樹窯多處需要梯田加固、舊梯田合并為寬幅梯田等?？蛇M入性對技術需求的影響更大,如杏樹窯為土路,影響工程類措施機械化作業和果品銷售,其配套措施還包括道路等基礎設施的完善。

圖3 調研村落水土保持技術空間分布示意Fig.3 Spatial identification of needs for soil and water conversation technology

4 結論與討論

4.1 結論

通過實地調研和問卷調查識別了水土保持技術,研究區主要應用3類12項技術：工程類包括,生物類包括人工造林種草、天然封育和地埂植物帶,農業類包括等高耕作和保護性耕作。從專家和農戶視角綜合評估了現有技術,目前應用的水土保持技術整體效果較好,得到專家和農戶的一致較高評價,針對現有技術應用中存在的問題,分別需要新技術、改良技術或配套技術。選擇7項需求技術分析其立地適宜性和社會-經濟可行性,紙坊溝和峙崾崄對人工造林種草有較高需求,峙崾崄對梯田種植果樹及其配套技術需求更多；大南溝和杏樹窯對天然封育有較高需求,此外,杏樹窯對造地需求更多。

4.2 討論

由于受到地貌和土壤類型、降雨特征、植被生長狀況以及人類活動的影響[30- 31],水土流失仍是黃土高原丘陵溝壑區主要的生態環境問題[32],生態環境依然較脆弱,需要持續綜合治理,持續增加林草植被覆蓋率和提升其質量,提升人工植被穩定性,強化水土保持功能[7]。從專家的角度,需要科學評估生態工程實施或生態技術應用生態效益、社會經濟效益、生態服務功能價值[3,33],深入研究生態退化機理,精準識別技術需求[11],從而為生態治理提供科學支撐。從農戶的角度,除了少數極端天氣、特大災害情況外,水土流失已經不是影響日常生產生活和生計的最主要問題,農戶更關心退耕后增加新的可機械化耕作的優質耕地(如治溝造地),如何穩定增產(如防雹、果樹撫育、品種改良),富余勞動力如何就近就地就業(發展第三產業)。這說明要結合氣候變化適應和社會經濟發展,綜合考量水土保持技術的應用和生態工程的實施,從而提出切實可行的技術方案。

為了及時掌握生態-經濟-社會系統的發展變化過程、水土保持治理成效及治理中存在的問題,必須在研究區開展有針對性的生態退人化診斷[34]、技術需求調查和需求分析。紙坊溝流域作為早期示范區,紙坊溝村位于溝口,有一定數量的川地可種植大棚,水土流失風險和農民生計問題不突出；而位于溝頭的峙崾崄大量青壯勞動力放棄種植和養殖外出務工,2000年以前已發生過大面積撂荒的現象,之后政府推廣梯田種植果樹,但因果樹需要精細撫育管理,加之冰雹導致的連續減產,收入不穩定,農戶種植積極性并不高,而喬化果樹尚未老化仍在產果,從成本方面考慮很難放棄現有果樹種植其他作物,因此需要政府協助建設防雹網等配套設施,或補貼品種改良,用便于操作的矮化品種逐步替代喬化品種,提高農戶收入和積極性,防止梯田撂荒可能引起的水土流失。南溝流域作為新型示范區,目前在大南溝村新修了大量寬幅梯田,并通過土地流轉進行規?；N植矮化蘋果,配套防雹網,林間套種油菜返田,治溝造地種植黑枸杞和苜蓿,通過果樹種植和旅游業吸引勞動力返鄉務工,農戶有穩定的收入來源；相鄰的杏樹窯村也有政府實施的治溝造地,雖然部分農戶有意愿種植玉米做飼料,但因耕作層淺薄、質量差,大部分已撂荒,加之道路等基礎設施條件差,果樹產量低,農戶對梯田或坡耕地種植仍持消極態度。因此,尊重地方差異和農戶意愿,在不同地區采取因地制宜的差異性策略,可以減少生態修復的盲目性,降低修復成本,達到事半功倍的效果[35]。本文嘗試性對村落尺度的水土保持技術進行需求分析,為建立生態技術需求評估框架奠定基礎,為可持續生態治理提供依據。

由于外出務工人員占比較高,本研究農戶問卷樣本量較少,對農戶意愿的分析仍存在局限性。水土流失和生態退化的程度不同,對不同治理目標情景下的不同技術和技術組合方案——短期快速修復對策和長期生態功能提升對策仍有待進一步探討。未來研究還應將成本和政策機制維度納入指標體系綜合分析,完善水土保持技術適宜性和需求可行性指標體系。

致謝：感謝中國科學院水利部水土保持研究所王繼軍研究員和安塞水土保持綜合試驗站吳瑞俊工程師等對本研究的幫助。