漫川漫岗黑土区水土流失综合治理范式

孙莉英，郑明国，方海燕，蔡强国†，崔明

(1.中国科学院地理科学与资源研究所，陆地水循环及地表过程重点实验室，100101，北京;2.中国林业科学研究院荒漠化研究所，150400，北京)

“范式”(paradigm)的概念和理论最早由美国哲学家托马斯提出并系统论述，在一定程度上体现为从事某一科学的研究者群体所共同遵从的世界观和行为方式，而本质上范式是一种理论体系，指常规科学所赖以运作的理论基础和实践规范，体现为科学实践活动中某些被公认的范例(包括定律、理论、应用以及仪器设备统统在内的范例)，是在一定程度内具有公认性的理论体系，范式的突破将导致科学的革命［1-3］。目前，范式正被广泛地应用于自然和社会各个领域，而不再局限于哲学范畴，成为当前科学研究中一个极其重要的概念［1］。范式在水土流失防治领域的应用仍处于起步阶段。蔡强国等［2］探讨了区域土壤侵蚀治理范式的理论体系及其对水土流失防治的重要意义，指出土壤侵蚀综合治理范式是根据区域系统历史文献资料、野外试验观测数据和自然地理环境背景，分析一定区域水土流失规律以及土壤侵蚀发生过程机制，综合安排水土保持措施的配置结构，同时综合考虑本区域的社会经济基础而最终建立起一套适合区域可持续发展的水土保持体系，而这种系统在一定区域范围内具有最优的水土流失控制效果。水土流失过程受气候、植被、地形和地貌等诸多因素的影响，具有明显的区域差异性，因此，很有必要针水土流失特点，总结凝炼不同区域水土流失综合治理范式体系，为不同区域水土流失综合治理与调控提供科学参考。一些学者探讨了南方红壤区［1］、黄土高原［3］及西南紫色土区［4］水土流失综合调控原理与治理范式，而黑土区水土流失综合治理范式研究较为缺乏。笔者以坡耕地水土流失最严重的东北漫川漫岗黑土区为研究区域，提出适合漫川漫岗黑土区长坡缓坡条件下以水力侵蚀为主的坡耕地水土流失综合治理的范式体系，以期补充和完善黑土区水土流失综合调控理论，为促进该区域生态、社会和经济协调发展提供科学参考和实践样板。

东北漫川漫岗黑土区主要分布在大小兴安岭延伸的山前台地，总面积11.54万km2。气候属半干旱半湿润地区，年平均气温2～3℃，年平均降水量500 mm左右，无霜期115～130 d。地势波状起伏，坡度较缓，多在3°～7°之间，坡长多在200 m以上，海拔250～450 m。黑土区坡耕地主要集中在这个区域，由于坡面汇流面积大，径流集中，耕垦指数较高且耕地多顺坡垄耕，导致坡耕地面蚀严重［5］。农田植被覆盖率低，沟道侵蚀剧烈［6］，沟壑密度在1.5～2.0 km/km2之间，年土壤侵蚀模数为2 500～8 000 t/(km2·a)。全区水土流失面积5.65万km2，坡耕地水土流失贡献率约为80.3%。坡耕地水土流失导致黑土层变薄、耕地被毁、地力减退，进而导致粮食产量下降［7］。自1950年以来，漫川漫岗黑土区先后开展了水土流失综合治理示范工程，已形成了不同的治理模式和水土保持措施的综合配置方式，但缺乏对已有经验的总结和有利于指导当地实践的理论体系。依据漫川漫岗黑土区水土流失特点和已有水土流失综合治理模式，总结该区水土流失综合调控机制，凝练兼顾区域生态和经济发展的综合治理范式体系，解析该范式体系的结构和功能，可为完善黑土区水土流失综合调控理论体系提供参考。

1 漫川漫岗黑土区水土流失特点

1)以坡耕地水土流失为主。该区大致由东北向西南倾斜，成波状起伏，汇水面积大，在降雨集中时，因径流冲刷而在坡耕地形成面蚀。主要形态包括顺垄细沟状面蚀、断垅细沟状面蚀、垅顶滚水状面蚀、细沟状面蚀和斑状面蚀［8］。

2)黑土层薄且疏松，并与母质土层性质不同，抗蚀性差，流失后难以再生，平均每年流失0.3～1.0 cm［9］。同时，严重的水土流失会导致黑土理化性质变差，土地板结，黑土保持水分能力降低，土地生产力下降［10］。黑土侵蚀会加速土壤养分损失，表层土壤微生物生物量碳含量与土壤侵蚀程度相一致，侵蚀部位微生物活性降低［11］。根据2005—2007年的观测数据，大豆(Glycine)产量随侵蚀程度的增加呈指数递减函数的形式降低，随侵蚀深度的增加呈凹型曲线递减，黑土剖面上部的生产力大于下部，侵蚀少量的土壤就会引起生产力较大幅度的下降［12］。

3)沟道侵蚀剧烈。漫川漫岗黑土区坡耕地浅沟和切沟的发育和发展导致该区沟道侵蚀剧烈。夏季浅沟侵蚀由暴雨造成，浅沟侵蚀多发生于坡面低洼水线处，分布受耕作措施和作物类型影响，随水流侵蚀动能的变化，沿坡面向下存在浅沟侵蚀的强弱交替带，坡面中部侵蚀量最大［13-14］。有研究［15］表明，2009年，黑土区浅沟侵蚀处于快速发展期，东北坡长坡缓的地形特点导致浅沟侵蚀的临界汇水面积大于黄土高原，而分布的临界坡度则小于黄土高原。对2004年东北黑土区监测数据分析表明，大多切沟正处于强烈发育的初期阶段，面积不断扩展，沟头后退，侵蚀模数达到2 200～4 800 t/(km2·a)，容易发生在5°～7°之间的漫岗坡面的中下部，不同乡镇的切沟密度存在着较大差异，可切割地表而破坏耕地，危害较大，威胁粮食生产［16-18］。

2 漫川漫岗黑土区已有水土流失综合治理模式

1)“三道防线”治理模式。以保护和合理开发利用水土资源为目标，在保护好原有植被(尤其是天然次生林)的基础上，本着工程、植物、生态修复措施并举的治理原则，因地制宜、因害设防地安排各项水土保持措施，从上到下设置“三道防线”［19］:岗顶第1道防线主要目的是减少溅蚀，削弱并拦截上坡来水来沙，涵养水源，改善土壤质量;坡耕地第2道防线可截短坡长，减少汇水面积，减缓径流流速和侵蚀动能;坡底第3道防线主要是固沟保土，抑制侵蚀发展，恢复土地资源。

2)坡水田林路综合生态经济模式。该模式按照坡水田林路综合治理和立体开发的思路，对流域进行全方位治理，从上到下营造多层次植物群落，配置多林种、多层次、高效益的防护体系，做到网、带、片、乔、灌、草结合，增加森林植被覆盖。坡耕地以截短坡长、增加土壤入渗的梯田和改垄为主。沟谷洼地以充分利用地表径流的塘坝、水田为主，辅以塘坝经济，形成坡水田林路综合生态经济模式。

3)漫岗区粮牧企经庭立体开发模式。该模式［5］在北部漫岗区，宜农地坡地改梯田，宜牧区发展畜牧业及村办企业，发展庭院经济，实行农业立体开发模式。以改造坡耕地为主，依据坡度差异分别采取调整垄向、修梯田、种植以胡枝子(Lespedeza bicolor)为主的植物地埂等措施，将跑水、跑土、跑肥的“三跑田”变成“三保田”。

4)“三种水库”生态开发模式。该模式按照流域和水系，以集蓄雨水和泉水为主，修建水库塘坝，构建第1种水库，即“工程水库”;以防护林为主体，形成多树种、多林种、网带片、乔冠草相结合的人工调控体系，增加空中水源补给，控制水土流失，构建第2种水库，即“生物水库”;因地制宜地实施耕作技术，立足于春旱秋抗、秋霜春防、秋雨春用和春潮秋闹，建设第3种水库，即“土壤水库”。通过“三种水库”技术，实现水土流失综合治理和土地改良，形成“三种水库”生态开发模式。

3 漫川漫岗黑土区水土流失综合治理范式构建与框架

1)漫川漫岗黑土区水土流失综合调控方式。针对东北黑土区水土流失特点和生产力下降等主要问题，东北漫川漫岗黑土区水土流失综合调控方式主要由地表径流调控、沟道侵蚀调控和土地生产力调控3部分构成。其中:地表径流调控通过改变地表微地形、削短破长、减缓坡度来实现拦截降水、增加土地入渗的作用，包括横坡垄作、垄作区田、水平梯田和等高植物篱等措施［20-21］;沟道侵蚀调控采取工程和植物措施相结合的办法治理沟道，沟头以柳(Salix)条做成跌水阶梯，减轻水流冲刷力，沟底修谷坊，利用柳树根系功能，缓和水流，减少冲刷，沟侧削坡插柳，育林封沟，顺水保土;土地生产力调控是通过因地制宜的耕作技术和高效合理的水资源利用措施来提高土地生产力，提高粮食产量。科学合理地配置水资源，改革传统农业经营方式，发展滴灌、微灌、喷灌等节水措施，以水土保持措施和配套技术体系措施提高粮食产量，推动农业发展。

2)漫川漫岗黑土区水土流失综合治理范式构建思路与框架。东北漫川漫岗黑土区水土流失综合治理范式构建思路如图1所示。针对漫川漫岗黑土区水土流失特点和土地生产力降低的问题，在总结已有水土流失治理经验的基础上，依据该区水土流失综合调控机制，可总结出适合东北漫川漫岗黑土区水土流失综合治理范式体系。

东北漫川漫岗黑土区水土流失综合治理范式框架如图2所示，该范式体系的名称定为“基于粮食安全的黑土区长坡缓坡水土流失综合治理范式”，以生态安全保障和粮食安全保障为2大支撑。生态安全保障通过“三道防线”立体防护技术体系，据不同坡耕地坡度和坡长等地形地貌条件，合理配置不同水土保持措施来控制水土流失，恢复土地资源。粮食安全保障通过三大技术体系来改良土壤，提高粮食产量。三大技术体系包括因地制宜的耕作技术体系、水资源高效利用技术体系和森林网络技术体系。

图1 东北漫川漫岗黑土区水土流失综合治理范式构建思路Fig.1 Framework of integrated control on water loss and soil erosion in rolling hill regions with black soil of Northeast China

图2 东北漫川漫岗黑土区水土流失综合治理范式框架图Fig.2 Framework of integrated control on water loss and soil erosion in rolling hill regions with black soil of Northeast China

因地制宜的耕作技术体系立足春旱秋抗、秋霜春防、秋雨春用和春潮秋闹，改善土壤水肥条件，提高作物产量。水资源高效利用技术体系包括修建工程水库，发展地表水和地下水的蓄水保水措施及滴灌、微灌和喷灌等节流措施，合理开发利用和优化配置水资源，保障农业用水，改善土地质量。森林网络技术体系通过营造经济林、薪炭林、用材林、胡枝子植物篱带和农田防护林，形成人工森林网络，可改善农田小气候。概括起来，“基于粮食安全的黑土区长坡缓坡水土流失综合治理范式”体系不仅以水土流失治理为目标，还结合漫川漫岗黑土区的粮食生产战略地位，将水土流失治理和区域发展有机结合，在保水保土恢复土地资源的基础上，改善土地质量，逐步提高土地生产力，提高粮食产量，进而提高当地农民收入，以适应区域社会经济可持续发展的需要。

4 漫川漫岗黑土区水土流失综合治理范式的结构

根据构建的“基于粮食安全的黑土区长坡缓坡水土流失综合治理范式”的框架和目标，该系统结构主要包括在不同地貌单元水土流失综合治理防护体系结构和生态农业体系结构及二者之间的耦合。具体到小流域尺度，主要体现在“三道防线技术体系”的结构和空间配置及“三道防线”与生态农业技术体系在空间配置上的耦合。

东北漫川漫岗黑土区水土流失与地貌类型密切相关，在小流域尺度，坡耕地产流产沙沿坡长呈垂直分布特征，需要按地貌类型和水土流失规律进行水土流失防治措施的空间对位配置和综合治理。在进行坡面和沟道水土流失综合防治的同时，耦合农业技术和水资源高效利用技术，改变微地貌，调控地表径流和控制沟道侵蚀的同时，与耕作技术和水资源高效利用技术的配置相互配合，形成较为紧密的综合防治体系，在控制水土流失和恢复土地资源的基础上，有效改善土地质量，并提供区域发展的资源基础。图3为东北漫川漫岗黑土区水土流失综合治理结构示意图。体现了岗顶、坡面(上坡、中坡和下坡，兼顾坡长和坡度的影响)、坡脚和沟道不同地貌类型单元上水土保持技术体系和生态农业技术体系的有机耦合。

1)岗顶水土保持措施与生态农业技术的耦合。由于长期过度开垦，治理前多数坡顶没有植被覆盖或者植被稀疏，降雨形成的地面径流直接下泄到下游坡面，冲刷坡耕地表土，使土层变薄，对耕地造成严重威胁。水土流失第1道防线在坡顶栽种防护林，在林缘和耕地接壤处开挖截流沟。坡顶防护林实现乔灌结合，防护林、用材林和经济林结合。乔木以杨树(Populus)、落叶松(Larix gmelinii)和樟子松(Pinus sylvestris)为主要树种，灌木以胡枝子为主要树种。乔灌混合林所形成的人工植物群落，可以通过林冠截留降雨，其凋落物可改变下垫面，从而减缓雨滴溅蚀力和地表径流量，控制水土流失［22］。同时，植物的有机残体和根系具有穿透力，可促进土壤发育形成和熟化，起到涵养水源和改善土壤质量的作用。因此，岗顶水土流失第1道防线既是水土保持措施又是生态农业措施。

2)坡面水土保持措施与生态农业技术的耦合。在水土流失控制方面，第2道防线是坡面防护体系。针对漫川漫岗区长坡缓坡土壤侵蚀特征，在坡面合理配置耕作措施、梯田工程措施及植物防冲带等措施，达到减缓坡长和坡度、减少汇水面积、拦截径流和蓄水保墒的作用。坡度对水土保持措施效果影响很大，在配置坡面防护体系时要充分考虑到坡度对水土保持措施的影响，应针对不同坡度的坡面进行不同的水土保持措施配置，以有效缓解和改善水土流失状况［23］。根据黑龙江省拜泉县通双示范区的水土流失治理经验［19，24］，对于小于 3°的坡面适宜进行横坡垄作，对于3°～5°的坡耕地修建坡式梯田，对于5°～7°的坡耕地适宜修筑水平梯田，对于陡坡耕地(＞7°)，由于极强烈的径流冲刷难以控制，实行退耕还林还草是非常必要的。坡面生态农业技术体系主要包括等距离种植农田防护林、因地至宜地实施农耕农艺技术和发展滴灌、微灌等节流措施，达到调节土壤水肥，改善土壤质量的作用。坡面水土流失第2道防线和生态农业措施的共同作用，不仅可以有效控制坡面水土流失，还可改善土壤质量，提高土地生产力。

3)坡脚和沟道水土保持措施与生态农业技术的耦合。水土流失第3道防线是坡脚和沟道防护体系。对侵蚀沟采取工程和植物措施相结合的办法进行治理，通过沟头柳树跌水工、沟底柳条谷坊工程和沟侧削坡插柳等措施，缓和水流，减少冲刷，育林封沟，顺水保土。在减缓水土流失的同时增加植被覆盖，形成经济林和薪炭林，改善生态效益和经济效益。坡脚和沟道生态农业技术体系则体现为修建塘坝等工程措施，实施地表水和地下水的保水节水措施，达到高效利用水资源，保障农业用水的目的。坡脚和沟道水土流失第3道防线和生态农业措施的共同作用，不仅可以有效控制沟道侵蚀，还可变水害为水利，增强抵抗自然灾害的能力，为流域发展循环经济提供平台和基础。

图3 东北漫川漫岗黑土区水土流失综合治理范式结构示意图Fig.3 Structures of integrated control on water loss and soil erosion in rollinghill regions with black soil of Northeast China

总的说来，水土流失第1道防线的经济林和水保林、第2道防线的农田防护林和第3道防线的薪炭林，形成了多林种、多树种、网带片、乔灌相结合的人工调控体系，结合坡面水土保持措施和农耕农艺技术，可在有效控制水土流失的同时改善农田微气候，调整土壤水肥，提高土壤生产力。

5 漫川漫岗黑土区水土流失综合治理范式体系的推广应用分析

“基于粮食安全的黑土区长坡缓坡水土流失综合治理范式”在拜泉县得到了广泛的应用。拜泉县实施了三道防线立体防护技术，截至2010年底，共计治理水土流失面积1 920 km2，治理程度达55%;营造经济林21 hm2、薪炭林 284 km2、用材林121 km2、胡枝子 26.6 km2、防护林 363 km2，构建了1万629个农田防护林网格，累计治理侵蚀沟1.5万条，占应治理面积的80%。

各项措施取得了很好的生态效益和经济效益。从水土保持生态效益看，拜泉县推广水土流失综合治理范式后，每年可增加蓄水7 000万m3，拦蓄泥沙1 030万 t，减少土壤侵蚀89.4%;植被覆盖率由3.7%增加至22.7%，空气湿度提高10% ～14%，风速降低58%，林网内形成适宜植物生长的小气候，早春地温增高1～3℃，土壤含水量增加2% ～4%，土壤平均有机质质量分数增加11.0 g/kg;抵抗自然灾害能力明显增强，据初步估计，由于水土流失综合治理范式的推广，拜泉县1998年水灾减少损失近7.5亿元，2000年旱灾减少损失近2.4亿元;从水土保持经济效益看，拜泉县粮食产量和农民人均纯收入自1957年来整体呈逐渐增加趋势(如图4所示)，由于受到1998年水灾和2000年旱灾的影响，在2000年前后有所降低，粮食平均产量由1980年的1 350 kg/hm2增至4 500 kg/hm2，农民人均纯收入由20世纪60年代的不足100元上升至2010年的4246元，地区生产总值由60年代的不足3 000万元上升至2010年的50.1亿元;由于水土保持经济林的增加，林木年销售收入3000万元，林业加工增值达2000万元。

图4 1957年来拜泉县粮食产量、农民人均纯收入和地区生产总值状况Fig.4 Status of food production，rural per capita net income and gross domestic production in Baiquan County since 1957

6 结论

1)东北漫川漫岗黑土区坡耕地水土流失综合调控主要由地表径流调控、沟道侵蚀调控和土地生产力调控3部分构成。

2)凝练得到“基于粮食安全的黑土区长坡缓坡水土流失综合治理范式”，以生态安全保障和粮食安全保障为2大支撑，以水土流失控制和提高粮食产量为基本目的，以区域生态经济协调发展为最终目标。该范式体系结构体现为“三道防线”水土流失立体防护技术体系结构和生态农业技术体系结构及二者之间的空间耦合。

3)“基于粮食安全的黑土区长坡缓坡水土流失综合治理范式”在拜泉县的推广应用表明，该范式体系在实现水土流失治理目标的基础上，将水土流失治理和区域发展有机结合起来，在保水保土恢复土地资源的基础上，可有效改善土壤质量，提高粮食产量，适应区域社会、经济和生态环境可持续发展的需要。

在论文写作过程中，黑龙江省拜泉县政府提供了大量的数据资料，在此表示感谢。

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