黄土高原水土流失治理现状、问题及对策

黄土高原位于黄河中游地区,是世界上水土流失最为严重的区域之一;黄土高原水土流失治理问题历来受到国家高度关注,涌现了种类多样的水土流失治理模式,目前还缺乏对黄土高原区域尺度水土流失治理模式的总结和整理。本文总结和整理了建国以来黄土高原主要的四类水土流失治理模式,生物措施模式主要由退耕还林、荒山造林和封山育林工程组成,工程措施模式包括修建梯田和淤地坝,以及近期涌现的治沟造地工程;小流域综合治理模式主要体现在坡面、沟道系统整治,生物和工程措施相结合的特点,区域综合整理模式则强调对生态系统进行整体保护、系统修复和综合治理,达到生态、社会、经济可持续发展。基于黄土高原水土流失治理模式存在的问题,提出了黄土高原水土流失治理模式调整和优化建议,以期对黄土高原生态恢复建设和水土流失科学治理提供科学依据。     

水土流失治理新范式:基于流域过程模拟和情景分析的方法

随着土壤侵蚀问题的日益突出,水土流失治理逐渐成为实现区域可持续发展的当务之急.通过在试验小流域实施治理措施并评价其效益是水土流失治理的传统范式,但这种范式存在试验周期长、可重复性差、资金和人工技术投入大、推广性差等局限性,已不能适应当前水土流失治理的需要.近年来兴起的基于流域过程模拟的情景分析方法在定量模拟流域过程对地理变量响应的基础上,通过评价不同治理措施的环境、生态和经济效益,探索能够协调经济发展与环境保护关系的水土流失治理措施.该方法能够在无需大范围工程实施和实地观测的情况下对各种治理措施的效益进行评价,花费少,灵活性强,在水土流失治理措施的决策制定中具有较大优势.本文详细阐述以情景分析方式作为水土流失治理新范式的基本思路,通过实例分析,演示新范式在治理流域水土流失中的应用,并展望新范式在流域治理中的未来发展趋势.     

黄土高原生态分区及概况

黄土高原地域广阔,水土流失区域差异显著。为了有效治理水土流失,评估水土流失治理技术和模式及生态恢复建设工程的成效性,需要对黄土高原进行区域划分。依据自然条件、水土流失治理技术和模式的区域性特征及差异,基于国家基础地理信息系统数据的县级行政界,对其进行合并,进行生态分区的划分,并分别统计其气候、地形地貌、植被特征及水土流失现状,以期为黄土高原水土流失治理技术和模式的改良优化提供依据。主要结论如下:(1)黄土高原分为黄土高塬沟壑区,黄土丘陵沟壑区,沙地和农灌区,土石山区及河谷平原区。其中黄土高塬沟壑区和黄土丘陵沟壑区分别划分为两个副区。(2)黄土高原的气候、植被、水土流失具有明显的分区差异。降水和植被覆盖度自东南向西北递减,二者在空间分布上具有很好的一致性,降水量大的分区,植被覆盖度也高。在年际变化方面,丘陵沟壑区B2副区降水量呈增加趋势,其他分区呈减小趋势,变化均不显著。80年代以来,黄土高原和各生态分区的植被覆盖度均逐渐增加,黄土丘陵沟壑区的增加量最大。各分区的面平均气温均呈非显著增加趋势,90年代以来增温明显。(3)1970年以来,黄土高原侵蚀产沙强度减弱趋势显著,至2002—2015年,多年平均输沙模数在0.13—3924 t km~(-2) a~(-1)之间,侵蚀强度最大为中度侵蚀(2500—5000 t km~(-2) a~(-1)),但面积较小,主要分布于第二高塬沟壑区的泾河流域。     

基于 G I S 的粤西坡耕地区小流域水土流失研究

基于 TM 遥感影像和 GIS 技术, 以粤西地区大方小流域为研究样区, 采用通用土壤流失方程(USLE)研究大方小流域内水土流失现状, 分析小流域内坡耕地土壤侵蚀的空间分布规律。研究结果表明 , 流域内水土流失空间分布不均匀, 流域内坡度较大的坡耕地及陡坡开荒区水土流失现象较为严重。影响流域土壤侵蚀分布的关键因子是地形和土地利用因子, 流域内坡耕地尤其是陡坡荒地开发等人工活动干扰, 是造成流域内局部水土流失严重的主要原因。提出流域内坡耕地水土流失治理对策, 为坡耕地区小流域水土流失治理提供参考。     

水土流失治理措施对小流域土壤有机碳和全氮的影响

明确综合治理条件下小流域土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)和全氮(Total nitrogen,TN)的空间分布特征及其影响因素,对科学评价水土流失区土壤固碳潜力具有重要意义。以黄土高原丘陵沟壑区典型小流域(砖窑沟流域)为对象,基于流域内3种典型地貌类型(梁峁坡、沟坡、沟谷)和3种典型水土流失治理措施(水平梯田、林地和草地措施,坡耕地为对照),采集土壤样品737个,研究地貌类型和水土流失治理措施对小流域SOC和TN变化的影响。结果表明,同一地貌类型上,水平梯田、林地和草地措施的SOC和TN(0—10 cm土层)含量均显著高于坡耕地(P<0.1)。梁峁坡上,水平梯田、林地和草地措施条件下的SOC和TN含量较坡耕地依次提高了18%和24%、70%和59%、25%和21%;沟坡上,林地和草地措施的SOC和TN较坡耕地依次提高了76%和54%、25%和27%。同一治理措施在不同地貌类型间对0—10 cm土层SOC和TN的影响存在显著差异(P<0.1)。水平梯田条件下,沟谷的SOC和TN含量比峁坡提高了46%和43%;林地措施条件下,沟坡的SOC和TN含量比峁坡提高了18%和6%;草地措施条件下,沟坡的SOC和TN含量比峁坡提高了14%和18%。0—100 cm土层的SOC或TN在不同地貌类型或不同治理措施间的差异与土壤水分含量(Soil moisture,SM)的变化趋势基本一致,并且SOC或TN与SM呈指数关系y=aebx(y为SOC或TN,x为SM)。     

基于土壤生物工程的小流域侵蚀沟治理研究进展

水土保持是生态文明建设的重要组成部分, 是国家重点资助应用基础研究, 是践行“绿水青山就是金山银山”治理理念的经济发展领域。当前我国水土流失问题依然严峻, 仍有超过国土四分之一水土流失面积, 且分布广、治理难度大, 给生态环境和社会经济造成严重破坏, 亟待加快推进小流域侵蚀沟治理。基于土壤生物工程技术的小流域侵蚀沟治理已受到国内外学者高度关注, 国内相关研究理论储备较充分, 但理论结合实践方面距世界先进水平仍有较大差距。为进一步推动该技术在我国的应用和发展, 文章综述了土壤生物工程的需求背景、概念和发展; 其次, 从生态视角梳理其地上-地下生态功能, 论述其优缺点, 探讨影响工程建设与实施的主要因素; 最后, 做了适合我国国情的土壤生物工程研究展望。结果表明土壤生物工程技术不仅是高效的小流域侵蚀沟生态治理方法, 还兼具经济与景观功效。建议在系统开展基于土壤生物工程技术的小流域侵蚀沟治理的同时, 进一步加强其理论和技术研究, 以期提供更完善的理论支撑和因地制宜的技术方法, 进而为科学推进我国水土流失综合治理工作奠定坚实基础。     

黄土高原典型流域生态问题诊断与系统修复实践探讨——以山西汾河中上游试点项目为例

流域生态系统涵盖山、水、林、田、湖、草等自然生态各要素,对流域生态系统进行总体保护、系统修复和综合治理,是践行习近平总书记生态文明建设理念的重要抓手。黄土高原地处半干旱半湿润气候带,水土流失严重,生态环境脆弱,探索黄土高原典型流域生态保护修复的理论与实践,对于实现国家生态文明建设具有重要作用。从黄土高原典型流域生态系统特征及存在的生态问题出发,提出流域生态系统修复治理的四大核心理念：（1）宏观规划调控与局地修复调整相结合理念;（2）区域生态功能提升与社会经济发展相协调理念;（3）由“头痛治头、脚痛治脚”转向“整体把脉,系统治疗”理念;（4）由“开刀治病”工程治理向“健康管理”自然恢复逐步引导理念。以山西省汾河中上游为例,在梳理山水林田湖草生态保护修复工程项目实践设计思路的基础上,详细介绍了汾河中上游五大生态保护修复分区（管涔山汾河源头水源涵养及生物多样性保护区、汾河干流中上游水生态保护修复区、水土保持生态保护修复区、汾河上游水源涵养生态保护修复区和矿山生态环境治理修复区）及其修复任务。总结山水林田湖草生态保护修复基本经验,并对完善黄土高原典型流域生态保护修复体制建设与技术服务进行展望,以期为黄土高原乃至全国区域开展流域生态保护修复工作提供借鉴和参考。     

黄土丘陵沟壑区生态—经济背景以及小流域优化生态—生产范式

在全面分析黄土丘陵沟壑区生态-经济敏感带的自然环境、社会经济环境的基础上，深入探讨了区域的优势景观单元——小流域的景观结构和功能，由此提出了构建小流域生态——生产范式的几项原则及范式内容。其中包括以下几项原则：水分平衡和高效利用原则、农林牧复合系统原则、区位优化原则等。范式内容强调小流域景观单元的空间异质性和等级特点，主要包括以村庄为中心的高效农业生产圈层结构模式、坡面梯状生态经济带建设模式、流域生态一经济水平生产模式、流域之间高效能流物流点一轴发展模式以及流域与外界环境的核心一边缘发展模式．     

黄土高原水土流失综合治理技术及示范

黄土高原是我国水土流失严重和生态环境极为脆弱的地区,也是我国"两屏三带"生态安全战略格局的重要组成部分。研发及集成相关技术,建立试验示范样板,为该区生态修复与产业发展提供技术支撑成为亟待解决的重要问题。"黄土高原水土流失综合治理技术及示范"项目(2016YFC0501700)属于国家重点研发计划"典型脆弱生态修复与保护研究"专项。该项目通过6个类型区水土流失治理相关技术的研究及区域尺度上的集成研发,阐明黄土高原脆弱区域生态持续恢复与生态安全中的主要学科发展及相关技术问题。     

黄土高原流域水沙变化研究进展

人类活动和气候变化是影响流域水文过程的两大驱动因素,径流输沙是流域水文过程的总体反映,变化环境下径流输沙的变化规律与成因分析是水文学和全球变化研究的热点问题。黄土高原是我国水土流失最严重的地区。20世纪50年代以来,黄土高原地区开展了大规模的生态环境建设和水土流失综合治理,显著改变了流域土地利用和植被覆盖。下垫面条件改变与气候变化综合作用,使得流域水沙情势发生剧变。围绕黄土高原流域水沙变化的时空尺度特征与驱动机制,总结了径流输沙和水沙关系变化特征的研究结果,归纳了径流输沙变化的归因分析方法与人类活动和气候变化影响的贡献分割结果,探讨了气候变化、植被恢复、水土保持工程措施以及流域景观格局对水沙变化的影响机制。未来应加强流域水沙演变的时空尺度特征特别是水沙关系非线性特征的定量研究,阐明极端事件对水沙动态的影响与贡献;开展水沙变化影响机制的多要素综合解析,发展耦合地表覆被动态特征和气候变化的降雨-径流-输沙模型,揭示生态恢复与水沙演变过程互馈机制;开展未来气候变化、社会经济发展和生态建设工程情景下水沙动态的趋势预测,为黄土高原生态综合治理和水资源管理与黄河水沙调控提供策略建议。     

Effects of black locust (Robinia pseudoacacia) on soil properties in the loessial gully region of the Loess Plateau, China

Black locust (Robinia pseudoacacia) has been widely planted in the Loess Plateau for soil and water conservation. The effects of black locust on soil properties has significant role in land use and ecosystem management. However, this beneficial effect has been little studied in the Loess Plateau. The soil properties below black locust and native grass growing in Nanxiaohe and Wangdonggou watersheds, located in the loessial gully region of the Loess Plateau, were studied for changes in soil properties after establishment of black locust. The black locust significantly increased soil cation exchange capacity, organic carbon, total nitrogen, nitrate, and carbon:nitrogen and carbon:phosphorus (P) ratios, as well as some enzymes like alkaline phosphatase and invertase in 0–20 cm or 0–80 cm depths of soil compared to the native grassland in Nanxiaohe and Wangdonggou watersheds. However, the effects on ammonium, total P, and extractable P and potassium were not consistent in both watersheds. There were more obvious differences in soil properties between black locust land and grassland for Nanxiaohe watershed than for Wangdonggou watershed, suggesting that the effects of black locust on most soil properties increase with black locust age. The results indicate that black locust has potential to improve soil properties in the loessial gully region of the Loess Plateau and the improvements were greater in long-term than middle-term black locust stands.     

黄土丘陵沟壑区集水区尺度土地利用格局变化的水土流失效应

以陕北杏河集水区1985和1995年两期土地利用数据为基础,结合水文、DEM数据,定性分析了土地利用格局变化条件下的水土流失效应,其中采用双累积曲线法来界定土地利用格局基本没有变化的时间段,用C值在坡度、距河流距离上的分布来表征土地利用格局,用不同时期降雨量／径流量、降雨侵蚀力／输沙率相对增加的比例来表征水土流失效应。研究结果表明：(1)1981～2000年,土地利用格局变化剧烈的年份为1990～1991年,可以用1985、1995年两期数据分别代表20世纪80年代和90年代的土地利用;(2)从20世纪80年代到90年代,杏河集水区的C值有明显的增加趋势,在较陡坡度和距河流距离较近处,C值增加的幅度相对较大;(3)土地利用格局变化明显改变了降雨量-径流量、降雨侵蚀力-输沙率的关系,出现了从20世纪80年代到90年代,虽然降雨量／降雨侵蚀力在整体上呈现明显下降的趋势,但是水土流失量,却表现出同比增加的现象,而且这种增加在不同月份也有差异。用本文中的方法来表征土地利用格局和水土流失效应,其结果具有较好的比配性,可以用来定性分析土地利用格局与水土流失的关系。但是,由于水土流失效应的表征方法没有考虑降雨的空间变异特征,该方法尚不适于雨量站点比较密集、降雨空间变异较大的区域。此外,在进一步的研究中,还需要注意遥感数据解译的准确性、C值精度、土地条件的变化等问题。     

黄土丘陵区坡耕地水土流失与土地生产力的关系

在黄土丘陵区坡耕地水土流失特征分析的基础上．对坡耕地水土流失与土地生产力的关系进行了研究。采用不同的试验方法．以单位面积坡耕地生产某种生物产品的数量为土地生产力指标．以生产周期短的农作物为指示植物．具体探讨了地表径流损失和土壤流失分别所造成的土地生产力下降幅度。表土人工堆积处理的径流小区试验结果表明．坡耕地每损失1mm径流．供试作物产量平均下降5．0％～9．7％;小区铲土覆土模拟土壤流失的小区试验结果显示,每减少1cm表土,作物产量下降1．0％～3．1％．每增加1cm表层熟化土．产量增加0．8％～1．7％。在干旱年份．半干旱黄土丘陵区坡耕地由于水土流失导致的作物减产每年平均为21．9％～80．0％．其中径流损失的比重占95．8％～98．2％,而土壤流失仅占1．8％～4．2％。作物品种不同．水土流失对作物产量的影响各异。     

基于生态系统敏感性与生态功能重要性的高原湖泊分区保护研究——以达里湖流域为例

内蒙古高原湖泊流域是我国北方地区重要的涵养水源区域,发挥着防汛抗旱、气候调节、生物多样性维持等多种生态系统功能。近几十年来,全球气候变化加之人类活动加剧,导致内蒙古高原湖泊的数量和面积大幅减少,流域生态系统的损害日益明显,严重威胁到了周边地区的生态安全,保护与治理内蒙古高原湖泊流域已逐渐成为社会各界关注及迫切需要解决的问题。面向内蒙古高原湖泊流域保护和管理需求,以改善和提升流域生态环境质量和生态系统功能为目的,以内蒙古高原湖泊达里湖流域为研究对象,基于流域生态特性和主要生态环境问题,选取水土流失、土壤侵蚀及土地沙化敏感性3个指标评价了流域生态系统敏感性,从水源涵养、土壤保持和生境质量重要性3个方面评价了流域生态系统功能重要性,并在此基础上,通过GIS空间分析技术将流域分为极重要敏感区,一般重要敏感区和低重要敏感区。结合流域内达里诺尔国家级自然保护区的生态重要性与3个区域评价结果,从生态保护角度将流域分为禁止开发区、重点保护区、质量提升区与潜在威胁区4个区域,同时提出针对每个区域特点的保护与管理对策。研究结果对提高高原地区湖泊流域生态环境质量以及对流域实施科学有效的管理提供了科学依据,同时在促进区域乃至全球生态建设和可持续发展方面具有重要的理论与现实意义。     

黄土高原典型区水土保持技术评估与需求分析——以安塞为例

黄土高原是我国乃至全球水土流失治理的重点地区,经过40多年的治理,积累了种类多样的水土保持技术,对遏制和缓解水土流失和生态退化起到了良好作用。目前由于缺乏对具体治理需求的考量,从而影响水土保持技术效果的发挥,故技术评估和需求分析是选择适宜可行生态治理技术的重要环节。选择安塞纸坊沟流域和南沟流域的4个自然村为研究区,通过实地调研、利益相关者问卷调查和地理空间分析,旨在辨识并评估现有水土保持技术,识别技术需求,构建指标体系分析其立地适宜性和社会-经济可行性。研究结果表明,农户主要应用3类12项技术,工程类和生物类技术应用居多,生物类中地埂植物带和农业类技术应用较少;目前应用的水土保持技术整体效果较好,专家认为12项技术中工程类的梯田和淤地坝、生物类的地埂植物带综合表现最好,农户对梯田和水平沟、鱼鳞坑整地等坡面治理技术的效果评分高于专家,对淤地坝、谷坊等沟道治理技术以及集雨水窖和保护性耕作技术的效果评分低于专家,农户更关注技术的经济效益;技术存在的问题表现在梯田和治沟造地配套措施不完善,淤地坝、谷坊和水窖缺少修缮维护;识别出的技术需求分为3类,即新技术、改良技术和配套技术;纸坊沟流域的两个村立地条件更适宜人工造林种草,南沟流域的两个村更适宜天然封育,由社会-经济可行性分析可知,峙崾崄农户需要更多梯田种植果树及其配套技术,纸坊沟需要更多梯田种植作物或大棚蔬菜瓜果,大南沟需要造地后的配套技术,杏树窑需要造地种植作物及道路等配套基础设施。该研究是对黄土高原水土保持技术进行评估和需求分析的重要尝试,为生态治理决策提供参考。     

黄土高原小流域不同地形下土壤有机碳分布特征

研究了黄土高原小流域尺度塬面、坡地、沟道和梯田4种地形条件下土壤有机碳总量和活性组分的分布、储量及碳库管理指数的差异.结果表明,小流域土壤有机碳和不同活性有机碳的变异系数介于32％-70％之间,表现出中到高度的变异特征.4种地形下各组分有机碳含量和储量以塬面土壤最高,沟道土壤最低,并随土层深度的增加而降低,降低程度随有机碳活性增强而增加.以塬面土壤为对照所获得的碳库管理指数可灵敏指示有机碳对地形条件的响应特征,中活性有机碳库管理指数的指示效果最好.研究结果可部分解释黄土高原土壤有机碳地带性分布特征.     

陕北黄土高原景观格局对生态系统服务权衡关系的影响

揭示景观格局对生态系统服务权衡关系的作用机理对于开展多种ES的可持续管理具有重要意义。在评估陕北黄土高原2000—2020年粮食供给、水源涵养、土壤保持、生境质量和景观美学等5种生态系统服务的基础上,利用相关系数和均方根误差测度其权衡强度,结合R指数模型、变异划分法定量表达景观组分和景观配置对生态系统服务权衡关系的影响差异。结果表明：1)2000—2020年陕北黄土高原5种生态系统服务整体呈上升趋势,空间上粮食供给北高南低,水源涵养、土壤保持、生境质量和景观美学则为南高北低的分布格局;2)粮食供给与其他4种服务为权衡关系,而水源涵养、土壤保持、生境质量和景观美学之间呈协同关系;3)斑块丰富度对各组权衡关系具有正向影响,而斑块面积和景观百分比则具有负向影响;4)景观组分对各组权衡关系的单独贡献度高于景观配置,多数情况下,权衡关系更多由组分和配置的联合作用主导。研究从景观管理角度为改善陕北黄土高原生态系统服务间的权衡关系、提升ES的潜在供给能力提供了科学依据。     

黄土高原土壤保持服务供需平衡及其驱动因素

土壤保持服务是黄土高原重要的生态系统调节服务,明确土壤保持服务供需空间格局及驱动因素,对于实现黄土高原生态系统管理和资源有效配置具有重要意义。采用修正通用土壤流失方程(RUSLE)量化了2000—2018年黄土高原土壤保持服务供给量和需求量,并分析其时空演变及供需匹配特征,基于地理加权回归(GWR)模型探究不同因子对土壤保持供需平衡影响的空间异质性。结果表明：(1)2000—2018年,黄土高原土壤保持服务供给量、需求量以及供需比均呈现波动增加的趋势,增幅分别为57.13%、11.9%、150%。供给量和需求量均呈现“东南高、西北低”的空间分布格局,供需比高值位于黄土高原东北部和西南部,低值位于西北部。(2)黄土高原土壤保持服务供需以低低型空间匹配为主,主要分布在黄土高原的西北部和东南部地区。(3)黄土高原土壤保持供需主要受到坡度、NDVI、降水、DEM以及人口密度的影响。其中,坡度、NDVI、降水和DEM表现出明显的正向促进作用;人口密度既有正向促进作用又有负面抑制作用,但促进作用强于抑制作用。该研究对优化调控黄土高原生态建设以及促进区域可持续发展具有一定的借鉴意义。