北方土石山區水土流失治理現狀與展望

孫天妙，曹建生，陽輝，胡維銀

(1.中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心，中國科學院農業水資源重點研究室，河北 石家莊 050022；2.中國科學院大學，北京 100049；3. 河北省水土保持工作總站，河北 石家莊 050011 )

水土流失是導致土地退化的主要方式之一，對環境和社會產生了直接和間接的重要影響，是全球普遍關注的重要問題。全球土壤侵蝕量在2001—2012年間增加3.5%,聯合國可持續發展目標明確提出到2030年實現土地零退化并促進土壤資源保護。我國水土流失嚴重，水土流失分布范圍廣、面積大，主要侵蝕類型是水蝕和風蝕。水土流失會降低土壤肥力，破壞水利工程，引發崩塌滑坡等自然災害，若不及時采取合理措施，必然會使水土流失進一步加重，不利于經濟社會的可持續發展。

一般來說，在半干旱區，水土流失嚴重且規模巨大、不可逆轉。北方土石山區是我國主要水土流失類型區之一，范圍廣闊，地表土石混雜、石多土少、地面極易沙礫化或石化，土層較薄，在原始地面遭到破壞后，極易產生嚴重的水土流失。水土流失治理不僅能夠改善當地生態環境，使土石山區發揮其水源涵養功能和生態環境支撐功能，建立良性生態系統，促進生態文明建設，而且有利于因地制宜地進行產業結構調整，增加農民收入，實現鄉村振興，對國家戰略實施具有重要意義。過去學者們對水土流失影響因素、土壤侵蝕過程等做了大量研究，但是隨著我國水土流失治理工作的不斷推進，土地利用格局和植被覆蓋度等變化巨大，未來仍需根據新任務和新需求，對水土流失變化規律和發展趨勢，以及治理方式等進行更深層次的研究。本文在前人研究成果的基礎上，對北方土石山區水土流失現狀、影響因素、治理措施等進行了分析和總結，并就新時代生態文明建設大背景下如何進一步加強水土流失綜合治理與系統修復提出了對策建議。

1 北方土石山區水土流失現狀及格局

根據水利部發布數據顯示，2020年北方土石山區水土流失總面積約16.25×10km，占全區總土地面積的20.15%，侵蝕方式主要是水力侵蝕，這一點跟該區域的自然地理條件密不可分：一方面，北方土石山區土壤以褐土為主，土質疏松，土層薄，土壤含水量低，巖石以片麻巖、碎屑巖為主，易受到風化破碎，石多土少，大部分地區多為坡地，不利于水土保持；另一方面，在氣候上多為干旱半干旱氣候，受季風氣候影響，降水集中在夏季且常為暴雨，易造成水土流失。北方土石山區可以劃分為4個區域，包括淮北、華北、黃土高原和遼寧土石山區，主要分布在北京、河北、山東、遼寧、山西、河南、安徽等省市。盡管4個土石山區在氣候、地形等生態環境上存在差異，但它們大多都面臨著水土流失嚴重、人口壓力大、干旱缺水等環境問題，屬于生態修復重點區域。近年來，北方土石山區生態惡化，已經嚴重超過了生態閾值，對生態環境產生巨大壓力，制約山區經濟發展，水土流失治理成為國家戰略的重要組成部分，若不及時解決該區域的水土流失問題，將會影響到該區鄉村振興等國家戰略實施的進程。

20世紀90年代后國內學者對水土流失研究逐漸增多。其中，在中國知網CNKI全部數據庫中通過“全文=水土流失”檢索中文論文發現，“生態文明建設”為主題的文獻僅占2.81%，“生態修復”僅占2.55%，“生態安全”占比1.11%，而通過檢索發現，自21世紀以來，有關生態文明建設、生態修復、生態安全的研究進入快速發展階段且研究數量持續快速增加，成為研究熱點；水土流失研究區域主要分布在黃土高原、三峽水庫、山西省、福建省。

在CNKI中以“全文=北方土石山區水土流失”檢索1979—2021年發表的相關中文論文，結果表明，1999年起國內關于北方土石山區水土流失的研究進入快速發展階段，2008年起進入穩定發展階段(圖1)，主題主要包括土壤侵蝕、黃土高原、GIS、小流域、生態環境等方面(圖2)；研究區域主要在山西、內蒙古、陜西，而對北方土石山區其他區域研究較少；利用GIS、地理信息系統等現代科技進行的科學研究逐漸增多；而對生態文明建設、生態修復、生態安全、水資源、鄉村振興等新興熱點問題的研究所占比例相對較少。在Web of Science(WOS)中通過所有字段檢索“Northern rocky mountains ”并限定區域為“China”或“PRC”，結果表明，對北方土石山區的研究主題分布在環境科學與生態學、地質學、大氣科學、林學等方面(圖3)。

圖1 1979-2021年CNKI檢索的北方土石山區水土流失論文發表數量變化趨勢

圖2 CNKI檢索的北方土石山區水土流失主要主題分布

圖3 WOS檢索的北方土石山區主要主題分布

2 北方土石山區水土流失影響因素

影響北方土石山區水土流失主要因素包括降水、土壤、巖石、地形地貌、植被及人為因素6個方面，且各要素之間相互聯系、互相影響。在北方土石山區，降水是引起水土流失的直接動力，土壤、巖石、地形地貌、植被是影響水土流失的重要因素，人為因素是引起現代水土流失的主要原因。

2.1 降水對水土流失的影響

降水是引起土壤侵蝕和水土流失的主要動力。降水對水土流失的影響主要包括降雨強度、雨滴大小、前期降雨狀況和降雪。降雨雖然是引起水土流失的關鍵因素，但并非所有降雨都會引起水土流失，王占禮等人認為在黃土高原，當降雨強度低于引起土壤侵蝕的臨界雨強時，無論降雨量多大，降雨歷時多長，都不會發生水土流失。王萬忠、晏清洪、張澤銘等人認為大雨量大雨強的降雨最易引起水土流失，暴雨是造成水土流失的主導動力。吳博認為，在相同降雨強度下，雨滴越大越容易引起水土流失。穆天亮等人認為，前期降雨越充分，暴雨時引起的土壤侵蝕量越大。劉寶森等人認為，降雪融化是形成地表徑流和下滲水的基礎，對水土流失有一定影響。而在北方土石山區降雨對水土流失的影響主要體現在降雨強度和前期降雨狀況。例如樊登星等人分別在北京山區和太行山山區研究降水對水土流失的影響，均得出30 min降雨強度是影響侵蝕量的主要指標。北方土石山區年內降雨量分配很不均勻，夏季降雨集中且多形成暴雨，雨季土壤含水量維持在較高水平，北部海河流域汛期降水量占全年降水量的75%～85%，南部淮河流域汛期降水量占全年降水量的50%～75%，且在燕山、太行山、大別山、沂蒙山等地存在多個暴雨中心，暴雨時容易形成徑流，引起水土流失。

2.2 土壤對水土流失的影響

土壤是侵蝕的主要作用對象。土壤對水土流失的影響與自身性質有關，主要包括土壤透水性、抗蝕性和抗沖性。土壤透水性受土壤前期含水量和土壤顆粒間孔隙的影響。抗蝕性主要受土壤物理化學性質影響，在不同區域主要影響因子不同。土壤抗沖性主要與土壤根系、容重相關。仲亞婷認為，土壤前期含水量越多，顆粒間孔隙越大，土壤透水性越好，越不易發生水土流失。彭華認為，在三峽水庫水穩性團聚體是抗蝕性的主要影響因素。郭培才等人認為，黃土區土壤抗蝕性大小的決定因素是土壤有機質含量。佟帆等人認為土壤根系與抗沖性成正相關，但容重對土壤抗沖性的影響在不同地方結論不同。而北方土石山區土壤主要為褐土，土壤干旱，土層較薄且有巖層裸露，土石混雜且角礫石含量大，地表沙礫化和石化現象嚴重，地質條件較差，水土流失嚴重。目前已經有學者通過培育土壤細菌和真菌來改良土壤，取得了顯著效果，例如張哲超等人發現AM真菌和生物炭聯合使用，可以影響土壤細菌真菌群落結構，進而改變土壤性質，減少水土流失，在北方土石山區應繼續增加關于不同水保措施對土壤細菌真菌群落結構以及土壤養分影響的研究，加強對土壤結構、土壤蓄水能力、土壤養分、土壤動力學的研究，綜合考慮微生物活動、土地利用方式、氣候條件等因素對土壤特征的影響。

2.3 巖石對水土流失的影響

巖石對水土流失的影響主要包括巖性和巖石裸露率。巖性對水土流失的影響主要包括巖石的風化性、堅硬性和透水性。花崗巖、花崗片麻巖等易風化的巖石抗侵蝕能力弱。塊狀堅硬的巖石可以抵抗很大的沖刷作用。卵石、砂及裂隙發育的巖石具有較高的透水性，在暴雨中能大大降低徑流量。黏土、黏土質巖石及裂隙不發育的巖石，降雨時徑流系數高，造成水土流失。巖石裸露率對水土流失的影響機制尚不明確，得出結論不盡一致，且目前巖石對水土流失的影響研究多采用的人工模擬方法，缺少定量觀測。Jean認為在一定坡度下巖石裸露率越高，越易造成水土流失。而王濟認為，巖石裸露率增加，水土流失呈衰減趨勢。北方土石山區土層薄，荒山面積大，巖石裸露率較高，出露地表的巖石多為花崗片麻巖和石灰巖，這類巖石易被風化，易形成水土流失。北方土石山區巖石特性、巖土分布格局等因素對水土流失產生較大影響，然而關于如何發揮巖石圈的蓄水能力，將降水轉化成巖體水，減緩產匯流過程，減少水土流失的研究相對較少，目前還未受到足夠重視。

2.4 地形地貌對水土流失的影響

地形地貌中主要的影響因子是坡度和坡長。坡度和坡長對水土流失的影響是極其復雜的，不僅坡度和坡長兩者之間相互影響，而且受到降雨特征、下墊面侵蝕特征、土壤特征等的影響。平紅衛認為，在北方土石山區，降雨強度較大時，土壤侵蝕量及徑流量隨著坡長增大而增大；降雨強度較小時則隨著坡長增大而減小。李子君研究發現，在冀北土石山區，2.18～33.19 m坡段徑流量與坡長呈正相關。楊吉華等人在山東土石山區研究不同下墊面情況下土壤侵蝕量與坡長的關系，認為徑流量和侵蝕量受到下墊面性質的影響。坡度的增加會加大坡面徑流向下的侵蝕力，同時又會降低坡面土壤的抗侵蝕能力。在不同區域關于坡度對水土流失影響的結論不同，許海超等人認為，在燕山土石山區，坡度與水土流失成正相關關系，而有學者認為，在冀北土石山區，坡面徑流量隨坡度增加先增后減，存在一個臨界坡度。北方土石山區丘陵與山地交錯，坡度較大，多在20°以上，地勢起伏明顯，這種地形地貌條件極易受到侵蝕，易在暴雨條件下發生嚴重的水土流失。

2.5 植被對水土流失的影響

植被對水土流失的影響具有復雜性。目前，對植物調控水土流失的認識還相對有限，功能評價的定量方法和深入的機理分析還不完善。受植被類型和群落結構的影響，林冠層和枯落物層對水土流失的影響具有不確定性。劉洋等人認為，植被林冠層可以有效緩解雨水對土壤的沖擊力，削減部分降雨動能，減少水土流失。C. Gei?ler認為林冠層匯集雨滴使其直徑增加，到達地表動能增大，增加土壤侵蝕。植被枯落物具有蓄水固土、抑制蒸發、增加入滲等作用，有效抑制水土流失，而歐陽帥等人研究發現，一定條件下枯落物層會堵塞土壤孔隙，侵蝕增加。之前的研究大多集中在植被地上部分，對植物根系研究較少，但是植物根系對土壤侵蝕有重要的抑制作用。北方土石山區忽視本土樹種，大量引進外來植物，雖然森林覆蓋面積顯著增加，但缺少不同植被類型和群落結構對水土流失影響的研究，缺少對植物根系空間分布特征及其對水土流失影響的研究，需要綜合考慮環境條件、土壤特征及樹種的生長特性，因地制宜，研究不同植被類型需水量，加強對植被類型及植被覆蓋度與降水資源適應性的研究，進一步優化配置結構。

2.6 人為因素對水土流失的影響

人為因素往往是造成水土流失的直接因素。破壞植被、不合理的土地利用、工程建設等都會引起水土流失。北方土石山區水土流失和貧困互為因果，形成惡性循環。北方土石山區人口密度大，人口增長速度快，土地開發速度也逐漸加快，使人地矛盾加劇。隨著城鎮化發展，原來的地形地貌遭到破壞，水土流失問題趨向嚴峻。開發建設活動是造成水土流失加劇的重要因素。北方土石山區礦產資源豐富，開采礦石，破壞原有穩定的生態系統，造成土地污染和退化，加速水土流失。應堅持礦區生態修復工程，加速太陽能、風能、核能等清潔能源的發展，逐步走向低碳綠色發展道路。公路、鐵路建設、水利工程建設及城市建設等工程建設時對當地水土流失實際問題沒有給予足夠的重視，致使水土流失加劇。應完善水土保持工程質量監測法律制度，在工程建設設計評估階段要求其明確提出水土流失預防措施，用法律規范和約束生產建設活動。

3 北方土石山區水土流失治理措施及生態效應

3.1 農業耕作措施及生態效應

農業耕作措施是通過改變微地形、提高地面覆蓋和增強土壤抗蝕能力來治理水土流失,主要包括等高耕作、水平梯田種植、免耕少耕等手段。等高耕作有利于水分在土壤中的保留，減少土壤含水量的無效蒸發。提高地面覆蓋度時常用的是農作物秸稈覆蓋法，可以增加土壤養分和土壤有機質，蓄水保土，改善土壤結構。水平梯田種植可以使山地坡度減緩，使地表徑流流速減慢，減少水土流失。在坡度較比較陡的地方實施農林復合技術，在坡度緩的地方進行間種、套種，免耕少耕，減少地表裸露和土壤擾動，控制或減緩水土流失。農業耕作措施可以改善農業生態環境，改善土壤結構，提高耕地肥力，增加土壤多樣性。

應根據北方土石山區坡耕地特征，對農業耕作措施進行優化配置。在種植作物類型選擇上須綜合考慮經濟價值和生態效應。可在北方土石山區實施“四位一體”的生態模式，發展節水農業生態模式，實施農林復合模式，開展水土保持觀光示范基地建設，將生態治理和區域特色經濟聯系起來，不僅可以改善水土流失狀況，還可以帶動區域經濟發展。

3.2 生物措施及生態效應

生物措施是通過改變植被覆蓋度來治理水土流失，主要包括植樹種草、封山育林等手段。通過營造河堤河岸防護林、營建水流調節林、營建溝邊溝底溝坡防蝕林、營建分水嶺防護林等生物措施降低風速，提高地表抗蝕能力，減少水土流失。生物措施在實際應用中要注意3個方面：水土保持區生物種的合理選育；水土保持植被措施的合理選擇；充分與其他水土保持措施相結合。生態保護措施對防治水土流失的問題運用廣泛。生物措施具有保持水土、涵養水源、優化土地利用格局、減少水土流失等生態效應。

陸地生態系統并不是單純的越“綠”越優，在北方土石山區，應堅持以水定生態恢復方案，加強對不同植被類型需水量和涵養水量的研究。根據氣候條件、土壤條件等確定不同的類型區，選擇不同的植被種植類型和植被覆蓋度，綜合評價植被種植適應性。北方土石山區應以根系發達、耐干旱貧瘠的鄉土植被為主。百喜草固持土壤效果突出，灌木根系深，具有良好的水源涵養能力，荊條、落葉松也是土石山區植被恢復初期的良好選擇。在物種選擇和種植過程中綜合考慮各物種之間的關系及種植區域的立地條件，立地條件較差的地方優先選擇灌木；立地條件較好的地方優先選擇鄉土樹種和水保樹種，對樹種進行合理布局，堅持“宜草則草，宜灌則灌，宜喬則喬，宜封則封，宜荒則荒”的原則。研究發現，混交林比人工純林生物量大，水源涵養能力強。因此，在北方土石山區生物措施治理水土流失過程中，應以喬灌混交林為主，注重發揮增強生物多樣性、促進水文循環、提升植被覆蓋度等生態效應。在北方土石山區治理水土流失進程中，生物措施治理效果顯著且經濟成本較低，應以生物措施為主要治理手段。

3.3 工程措施及生態效應

工程建設措施主要涉及山坡保護工程、山溝整治工程、山洪排導工程及小型蓄水用水工程的建設。山坡防護工程可以防止形成徑流，增加土壤水的可利用率，同時將未能截留的降水引流到蓄水池。山溝整治工程主要是進行斜坡固定，防止沿岸居民區、道路受到洪水沖刷。山洪暴發排導工程是對堵塞河道進行疏浚。小型蓄水用水工程可以攔截儲存降水。工程措施保持水土的生態效應顯著，同時也具有涵養水源、改良土壤等生態效應。

在北方土石山區，受地形及經濟條件的限制，已建立的排水渠直徑小，且徑流中含有泥沙，流速大時含量大，粒徑也大；流速小時含量小，粒徑小，暴雨后易發生堵塞。在工程正式施工前期，應全面檢測本地區的地質地貌條件，整體分析本區域的地質環境，加強監督管理。在北方土石山區，需要“蓄、排、攔、擋、封”相互配合，形成綜合的治理措施。工程措施需耗費巨大的人力物力，不宜大范圍使用，為保障工程的壽命，工程措施應與其他措施相結合。

3.4 巖體層調蓄措施及生態效應

在地質作用下，天然的地下巖體存在著裂隙、孔隙、節理和微裂紋等，使得水以降雨、地下水、河流等形式在孔隙和裂隙之間進行著流動，裂隙提供優先流動路徑，使得這些不連續結構面成為地下水運移的主要通道，由于干濕交替，冷熱凍融，植被根系活動等，使得巖石表層被風化，增加巖石表層的吸水能力。巖體層調蓄措施具有促進山區水文循環、減少坡面徑流等生態效應。

在北方土石山區，植被層的截留作用是有限的，特別是在暴雨中，由于北方土石山區土壤層較薄，對降雨的調蓄能力有限。北方土石山區表體風化巖層是治理水土流失的重點，然而風化巖體層的調蓄作用尚未受到人們的足夠重視，需要增加降雨入滲補給裂隙巖體滲流路徑，變暴雨洪水為細水長流，增加巖體層調蓄山區水循環作用。

4 北方土石山區水土流失治理展望

北方土石山區水土流失治理是國家戰略的重要組成部分，同時也是國家戰略實施的重要保障。國家戰略實施會大力推進北方土石山區水土流失治理進程，同時北方土石山區水土流失治理又是實現中華民族偉大復興、推進新時代區域協調發展、加快鄉村經濟發展、促進生態文明建設等戰略需求的重要手段。

近年來，特別是黨的十八大以來，隨著生態文明建設和鄉村振興的大力推進，水土流失的綜合治理與系統修復成為研究重點。由于經濟社會和城鎮化的快速發展，土地利用格局發生了顯著變化，原有的水土流失監測站點及監測設施手段已不能滿足新時代水土保持和生態文明建設需求；同時，由于物質文化水平的不斷提高，人民群眾對美好生活的向往與生態環境現狀間的矛盾日益凸顯；另外，鄉村振興和生態文明建設之間也出現了一些不和諧的地方。因此，急需堅持系統觀念，開展監測、試驗、研究、評估、核算等全鏈條創新與應用，不斷深入探索水土流失變化規律、特點和變化趨勢，加強水土流失治理和生態修復技術探究，提升生態產品的生產能力，滿足人民群眾對優美生態環境的需要。北方土石山區水土流失治理需要進一步提高人民群眾對水土流失危害及治理意義的認識；全力加強水土流失動態監測及數據分析水平；深入揭示水土流失變化規律和內在機制；綜合運用多種措施全面提升水土保持與水源涵養功能；構建水土流失綜合治理模式示范基地；進一步健全和完善水土流失防治管理制度體系。