基于微地形的黄土侵蚀沟壑农林复合经营系统模式研究

郭妙玲，王晓军，王兵

（山西大学环境与资源学院，山西太原030006）

基于微地形的黄土侵蚀沟壑农林复合经营系统模式研究

郭妙玲，王晓军，王兵

（山西大学环境与资源学院，山西太原030006）

黄土流域侵蚀沟壑区水土流失问题长期得到人们关注。采用蓄水原理和农林复合经营系统原理，结合复杂系统理论，基于微地形分析方法，以山西省寿阳县三眼井小流域的2条典型黄土侵蚀沟壑为例，探索接近自然的农林复合经营系统模式。结果表明，黄土侵蚀沟壑治理的关键是蓄水保水，水分行为过程遵循补给-排出序列规律；采用高分辨率影像叠加大比例尺地形图进行微地形分析的方法，可以准确地识别平地-陡坎和田面-田坎序列，进而合理配置植物材料；这种应用微地形分析的方法提出的农林复合经营系统模式符合黄土侵蚀沟壑的自然蓄水规律，可以正常发挥黄土侵蚀沟壑蓄水功能。以蓄水为核心的农林复合经营系统模式，是从根本上治理黄土侵蚀沟壑的有效途径，从而实现自然-经济-社会复合的生态建设目标。

黄土侵蚀沟壑；农林复合经营系统；蓄水；微地形；植物配置

黄土高原是中国以及世界遭受水土流失最为严重的地区[1-2]，这里覆盖的黄土在水蚀作用下，极易水土流失，形成沟壑纵深的侵蚀沟壑[3-4]。黄土被侵蚀后土壤退化，含蓄水能力减弱，生态环境恶化[5]。多年来国内外许多学者都对治理黄土侵蚀沟壑的农业措施进行研究，如坡地改梯田，通过治理坡面来减少水土流失[6-8]。虽然传统农耕对自然的应用中存在大量的农林复合经营系统模式，但这方面的理论研究相对滞后。

传统农林复合经营系统模式经过几千年的应用，其有效性、合理性和可持续性是毋庸置疑的。它的核心在于准确把握黄土侵蚀沟壑的自然规律，表现为合理调蓄雨洪（水）和提高土地生产力（土）。然而，目前国内外研究对一些问题的认识仍存在不足：一是如何使水在黄土侵蚀沟壑区蓄存并有效利用？二是如何使农作物和植物材料的配置更为合理？这些问题实际上都是对如何遵循黄土侵蚀沟壑自然规律的探讨。

黄土侵蚀沟壑实质是一个复杂开放系统，因而，对于黄土侵蚀沟壑自然规律的研究只能采用复杂系统理论[9]。本研究采用微地形蓄水原理和农林复合经营系统原理，结合复杂系统理论，基于微地形分析方法，以山西省寿阳县三眼井小流域的2条典型黄土侵蚀沟壑为例，探索接近自然的农林复合经营系统模式，以达到黄土侵蚀沟壑区自然-经济-社会复合的生态建设目标[10]。

1 黄土侵蚀沟壑农林复合经营系统模式理论基础

1.1 微地形蓄水原理

黄土侵蚀沟壑是由于水土流失侵蚀形成的凹凸不平的区域。黄土侵蚀沟壑微地形因子有沟底、沟坡、沟沿、汇水区。沟底是侵蚀沟凹陷下去的部分，地形高低不平；沟坡是侵蚀沟两侧坡度较陡、落差较大的区域；沟沿位于沟坡和汇水区衔接处，宽度约为1 m；汇水区是侵蚀沟梁上地形平坦的区域，多为梯田。

在侵蚀沟尺度上，侵蚀沟沟底地形高低起伏，会形成自上而下的平地-陡坎序列。上部的平地是水分补给（Recharge）的主要场所，下部的陡坎阻挡了水的流出，是水流排出（Discharge）的地方[11-12]。平地和陡坎对水的调节在水分行为上表现为补给（Recharge）和排出（Discharge）序列性（图1）。并且，汇水区-沟沿-沟坡是平地-陡坎序列的另一种表现形式，其水分行为也是补给-排出序列。

在田面尺度上，黄土侵蚀沟壑汇水区梯田的田面-田坎水分行为也是在田面处补给，在田坎处排出，同样构成一组微小尺度的补给-排出序列。

1.2 农林复合经营系统原理

农林复合经营系统（Agroforestrysystem）是指在同一土地单元内将农作物与林业和畜牧业生产结合起来（它们在时间上或同时或交替），使土地总生产力得以提高的持续性土地经营系统[13]。农林复合经营系统将农作物和植物材料合理配置，建立联系，构建了一个新的生态系统，这显然在生态效益、经济效益和社会效益上都比单一农作物种植要更加优越[14-15]，体现了对土地的适应性管理（Adaptive Management，AM）[16-17]。

本研究对农林复合经营系统的利用，是在平地和田面经营农作物，在陡坎和田坎经营林产品。陡坎和田坎的植物根系可以增强土壤的水分吸收，促进水的有效入渗，从而减轻干旱时节对平地和田面农作物的胁迫，实现物种间的生态互补[18]。同时，农林复合经营系统也可以改善土壤基质，增强土壤肥力[19-20]，实现保土-保水-保肥的生态建设目标。

在黄土侵蚀沟壑区，建立农林复合经营系统模式的核心是要识别平地-陡坎和田面-田坎，在平地和田面种植农作物，在陡坎和田坎采取不同的植物措施。建立农林复合经营系统模式的目的是通过植物措施，加强陡坎和田坎对雨洪的拦截能力，同时提高平地和田面对雨洪的集蓄能力，有效地调蓄雨洪，进而大大提高黄土侵蚀沟壑生态系统的供水能力。

因此，掌握平地-陡坎和田面-田坎的雨洪调蓄结构和水分行为的方法是本研究的关键。笔者尝试采用高分辨率影像和大比例尺地形图进行微地形分析[21]，识别平地-陡坎和田面-田坎的空间分布特征，提出适宜当地的黄土侵蚀沟壑农林复合经营系统模式，重建接近自然的荒溪水循环生态过程。

2 研究方法和材料

2.1 研究区概况

研究区是位于山西省寿阳县三眼井小流域（E113°1′43″～113°2′43″，N37°45′45″～37°45′53″）中2条典型的侵蚀沟壑（图2），距离寿阳县城约15 km，沟谷方向为东西向，总面积为19.84 hm2。该区域海拔在996～1 160 m，地貌类型属于黄土残塬沟壑区，气候类型为半干旱季风气候，年均气温7.3℃，年均降雨量为462 mm，降水主要集中在6—8月。流域内土壤以灰褐土为主，土地利用类型以旱作梯田为主，玉米、马铃薯、谷子为主要农作物。植被主要有油松、北京杨、刺槐等乔木，沙棘、酸枣等灌木，以及蒿、禾本科等草本。

2.2 研究方法

本研究采用Quickbird高清晰（1.0 m）正射影像和实测1∶2 000地形图，在ArcGIS10.0平台上将两图叠加，按等高线的疏密程度，分析地形地貌，识别出田面-田坎和平地-陡坎的斑块；然后进行野外核验，确认识别结果的准确性，再于室内生成微地形因子专题地图；最后在微地形分析结果的基础上，通过合理的植物配置，探索出符合自然生态规律的黄土侵蚀沟壑农林复合经营系统模式。

3 结果与分析

3.1 地形分析

本研究将实时高清正射影像图和大比例尺地形图叠加，进行微地形分析（图3）。1号侵蚀沟壑位于北侧，2号侵蚀沟壑位于南侧，2条侵蚀沟壑都是东西向分布，呈西高东低的趋势。研究区最高处位于西部的梯田上，海拔1 148 m，最低处位于2号侵蚀沟底的东部，海拔1 041 m。

根据影像和等高线疏密程度，划分出田面、田坎、平地、陡坎、沟沿、沟坡斑块（图4），共划分出237个斑块，其中，田面80个，面积为7.70 hm2；田坎73个，面积为1.94 hm2；平地38个，面积为4.86 hm2；陡坎38个，面积为2.36 hm2；沟坡8个，面积为2.98 hm2；沟沿2条，长度为4.42 km。

3.2 农林复合经营系统植物配置

3.2.1 田面-田坎植物配置

3.2.1.1 植物选取田坎植物以灌木为主，灌木选择酸枣和沙棘。之所以选择酸枣，是由于它为深根系物种，可以充分吸纳水分，并且未来可以嫁接枣树，产生经济价值。沙棘是防风固沙、保持水土的优良树种，是当地乡土植物，成本较低。

3.2.1.2 栽植方式在田坎上种植2行矮灌木，其中1行为酸枣，1行为沙棘。田坎灌木种植采用“品”字形排列，酸枣和沙棘栽植株行距均为2 m×2 m。田面上种植玉米、马铃薯、谷子等农作物。田坎上的灌木能够为田面蓄积雨洪，并输送养分，实现田面-田坎农业生态良性循环。

3.2.2 黄土侵蚀沟壑沟底平地-陡坎植物配置

3.2.2.1 植物选取黄土侵蚀沟壑沟底陡坎的植物选取旱柳丛，平地上栽植玉米、马铃薯、谷子等农作物（图5）。旱柳丛可以就近选取，树枝可长可短、可大可小、可粗可细，无固定标准。选取旱柳丛而不栽植柳树，是由于旱柳丛可以很好地保证通透性，既阻又通，阻可以保证减缓流速，使水流尽可能地慢下来，减少水土流失，同时又要使水流仅仅在陡坎处减缓，并不截留，而是流到位于陡坎下游的平地，使水蓄存下来，起到保土保水的作用。

3.2.2.2 栽植方式沟底陡坎上旱柳丛的栽植方法是枝条乱栽，逐节布设。旱柳丛宽度要以沟底宽度为主，略大于沟底的宽度，两侧要栽植到位。每处柳树丛并不是栽植一排，而是多排插放。一般要求每处插3～5排，这样每一处柳树丛便形成了一处多层柳障，逐节阻拦，有效实现水流流速的降低。沟底平地上栽植玉米、马铃薯、谷子等农作物。

3.2.3 侵蚀沟沟坡植物配置

3.2.3.1 植物选取侵蚀沟沟坡植物选择一些灌木和草本，灌木选择柠条锦鸡儿、黄刺玫、多花胡枝子、枸杞，草本选择草木犀、紫苜蓿。

3.2.3.2 栽植方式侵蚀沟沟坡为灌-草混交种植，种植密度分别为：灌木达到450株/hm2，草木犀、紫苜蓿向上沿伸到梁顶，大面积种植。灌-草混交林地改变了地表形态，将降水及坡面径流吸纳入土壤中，形成“土壤水库”。同时，灌-草混交能使树种合理搭配，充分利用空间，从而形成稳定的森林斑块，以改善地表生境。所选植物均为该区广布种，成本较低。

3.2.4 侵蚀沟沟沿植物配置

3.2.4.1 植物选取侵蚀沟沟沿植物选择一些灌木，酸枣、大果榆、河朔荛花、沙棘、桑、柠条锦鸡儿等。

3.2.4.2 栽植方式侵蚀沟沟沿是灌木混交种植，沟沿上下各种植2 m。所选灌木均为深根系植物，发达的根系相互缠绕形成网络，可以增强土壤的蓄水功能，同时也使土体的抗冲性能更强大，阻挡沟沿土壤流失到沟坡。种植酸枣、沙棘等还可以产生经济价值。

4 效益分析

4.1 生态效益

黄土侵蚀沟壑农林复合经营系统模式的前提是全沟禁牧。因放牧会破坏生态，造成土地硬化，一旦放牧，无论进行怎样的治理都是无济于事。本研究提出的黄土侵蚀沟壑农林复合经营系统模式，首先对黄土侵蚀沟壑进行了微地形分析，依据微地形差异，对沟底的平地-陡坎和汇水区梯田的田面-田坎，以及沟沿和沟坡都提出了不同的植物配置，体现了土地资源的适应性管理。农林复合经营系统使水能有效地存储在土壤中，并能够合理利用，真正实现了生态农业。短时间内，每次土壤侵蚀都会逐步加深田坎和陡坎处的植物根系，并进行土壤的养分循环。几年后，淤积下的盆地不仅储存了土壤水分，还会累积更多的土壤养分，变成更加肥沃的良田，真正实现保水、保土、保肥的生态目标。此外，种植植物提高了植被覆盖度和植物物种的丰富度，有效地改善了土壤质量，提高了土壤肥力，使侵蚀沟形成稳定的森林斑块，实现良好的生态功能[22]。因此，黄土侵蚀沟壑农林复合经营系统模式具有很好的生态效益。

4.2 经济效益

黄土侵蚀沟壑农林复合经营系统模式是在平地和田面经营农作物，在陡坎和田坎经营林产品。在投入成本方面，侵蚀沟沟底陡坎处栽植的旱柳丛是就地取材，几乎无投入，田坎、沟沿、沟坡的植物选择都是当地广布乡土植物，在成本上比起其他治理措施具有极大优越性。在经济产出方面，农林复合经营系统模式能够保水、保土、保肥，使农作物产量增加；田坎处的酸枣、沙棘等灌木都具有经济价值，并可作畜禽养殖饲料；沟底陡坎处的旱柳丛是早春的重要蜜源，同时柳枝又可作编织材料，发展手工业。因此，黄土侵蚀沟壑农林复合经营系统模式具有明显的经济效益。

4.3 社会效益

黄土侵蚀沟壑农林复合经营系统模式不但提高农作物产量，而且为手工业提供原料，为畜禽养殖提供饲料，满足当地村民的基本需求并增加收入。同时，农林复合经营系统模式能够改善人们的生存条件，净化空气，美化环境，增加视觉和美学享受，使人们能够亲近自然[23]。因此，黄土侵蚀沟壑农林复合经营系统模式具有一定的社会效益。

5 结论与讨论

本研究在黄土侵蚀沟壑区，运用蓄水原理和农林复合经营系统原理，结合复杂系统理论，基于微地形分析方法，以山西省寿阳县三眼井小流域的2条典型黄土侵蚀沟壑为例，探索适合当地的农林复合经营系统模式。

在黄土侵蚀沟壑区，传统农林复合经营系统模式遵循了自然生态规律。黄土侵蚀沟壑区最主要的环境问题是缺水，由于黄土侵蚀沟壑的生境机能失调，地表无植被覆盖，导致在降水集中的月份雨洪也无法集蓄，水资源不能得到有效合理的利用。所以，治理黄土侵蚀沟壑的关键是运用微地形蓄水原理，掌握其因微地形起伏陡缓而产生补给-排出序列的水分行为。

为实现蓄水保水的生态目标，要利用黄土侵蚀沟壑的微地形变化特点，识别出田地-田坎和平地-陡坎序列。基于微地形分析，将不同农作物和植物有效合理的配置，实现农林复合经营系统模式保土、保水、保肥的生态建设目标。这种模式目前还处于试验研究阶段，但预期效益非常高。

深入分析黄土侵蚀沟壑区的传统农林复合经营系统模式是构建自然-经济-社会复合生态系统的有效途径。以蓄水为核心的农林复合经营系统模式，可以从根本上解决黄土侵蚀沟壑区的环境问题，进而实现具有生态、经济、社会综合效益的生态建设目标。

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Study on the Model of Agroforestry System in Erosion Gully of Loess Based on Microtopography

GUOMiaoling，WANGXiaojun，WANGBing
（College ofEnvironmental and Resources，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

The soil and water loss problem is concerned by people in erosion gully of loess.Based on the principle of water storage and agroforestry system combined with complex system theory,this paper used the microtopography analysis method,which focused on two typical erosion gully of loess in Sanyanjing watershed,Shouyang county,Shanxi province,to explore the mode of agroforestry system which was close to nature.The results showed that the water storage and water conservation was the key to the control of erosion gully of loess.The process of water behavior followed the law of recharge-discharge sequence.The method that using superposition of high resolution images of large scale topographic map for microtopography analysis could accurately identify the flat place-scarp and field surface-anatomized,and could rationally allocate plant materials.The model of agroforestry system,which was formed by applying the method of microtopography analysis,was consistent with the natural water storage law of erosion gully of loess, and could play the water storage function of erosion gully of loess normally.The agroforestry system model with water storages as core is an effective way to fundamentally control the erosion gully of loess,to achieve the goal of ecological construction of the natural-economic-social complex.

erosion gullyofloess;agroforestrysystem；water storage;microtopography;plant arrangement

F326.2

A

：1002-2481（2017）02-0242-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.02.25

2016-10-24

国家自然科学青年基金项目（41201277）

郭妙玲（1992-），女，山西介休人，在读硕士，研究方向：黄土高原整治。王晓军为通信作者。