喀斯特石漠化典型区蓝水绿水转化措施设计

陈 珂，杨胜天，黄勇奇，管亚兵，戴国富，张西彤

(1.黄冈师范学院地理与旅游学院，湖北 黄冈 438000；2.北京师范大学水科学研究院，北京 100875)

0 引 言

在喀斯特石漠化地区，由于岩溶强烈发育，地表渗漏性较强，导致降水大量渗漏流失[1,2]，形成湿热气候条件下特殊的“喀斯特干旱缺水”现象[3]。为了提高当地水资源利用量，众多学者展开了深入的研究。考虑到喀斯特地区石灰岩的高渗透性和结构脆弱性，不利于大规模修建蓄水工程[4]，杨胜天提出应针对当地人类活动加剧水土流失的现状，开展“蓝-绿水”转化与管理的研究[5]；王玉娟在对贵州龙里进行土壤蒸发实验后提出，可以通过增加植被来调节绿水的耗用[6]；温志群等指出喀斯特地区更多的绿水消耗将有利于植被恢复[7]；陈珂等采用EcoHAT模型对贵阳市非城镇地区蓝水绿水转化进行模拟研究后认为，通过增加植被覆盖和增厚土层的方式，可以实现将喀斯特石漠化地区渗漏的难利用蓝水转化为可供当地植被生长利用的生态绿水，从而达到提高水资源利用量的效果[8]。

可见，在喀斯特石漠化地区，通过将渗漏的难利用蓝水转化为生态绿水，实现提高当地水资源利用量的研究，已经取得一定进展，但在实践中采取何种具体措施来实现蓝水绿水转化，尚需进一步的具体设计。为此，本文拟展开以下研究内容：

(1)探索将喀斯特石漠化地区渗漏蓝水转化为生态绿水的具体措施；

(2)明确蓝-绿水转化具体措施实施的空间范围和面积。

1 研究区概况

贵阳市位于贵州省中部，总面积约为8 034 km2，在东经106°07′～107°17′和北纬26°11′～27°22′之间，地貌类型为典型的岩溶盆地[9]；根据贵州省自然资源厅网站信息，贵阳全市绝大部分地区位于强度石漠化地带(图1)，地表多岩石出露、土层薄瘠，喀斯特石漠化具有一定典型代表性[10,11]。参考陈珂等对贵阳市非城镇地区的蓝水绿水模拟研究[8]，为便于对比分析，本文选取贵阳市非城镇地区(面积约71495 km2)作为研究区。

图1 贵州省石漠化分布图

2 数据来源

2.1 数据获取

为了确定蓝-绿水转化的具体措施和空间分布，本研究在陈珂等对贵阳市非城镇地区蓝水绿水模型模拟的基础上[8]，结合区域植被覆盖度和土地利用类型数据，进一步落实相应转化措施的具体位置和面积等。为此，需要将研究区蓝水绿水空间分布图与植被覆盖度图及土地利用类型图进行叠加分析，通过GIS地统计工具计算，提取出各自对应转化措施的位置和面积。

2.2 野外验证

为了实现蓝-绿水转化的应用价值，对研究区蓝水绿水转化措施的设计，应当在充分利用遥感影像和GIS工具进行分析和计算的基础上，对研究区的植被覆盖、土壤质地和土地利用现状进行野外调研，一方面验证遥感数据的可靠性，另一方面实地考察转化措施作用和空间布局。

根据研究区的地质地貌和河流水系分布情况，在研究区7 495 km2范围内共采集主观测样本点22个，对照观测样本点87个，其中主观测点土地覆盖类型变化样本1个，土地覆盖类型过渡样本8个。经野外观测确认，总共109个样本点中，林草地类型为92个，与MODIS数据的土地覆盖类型完全一致的样本点为104个，覆盖类型一致率为95.4%，其中林草地类型完全一致，耕地完全变更为建筑用地的1例，耕地的一部分面积变更为建筑用地的4例。经野外调研观测点确认的研究区主要土地覆盖类型分布参见图2。

图2 研究区主要考察点及土地覆盖类型分布示意图

3 措施设计

根据SPAC原理，陆地表面水循环的三大影响因子分别为大气降水、土壤和植被，对应三大影响因子，理论上应有三种途径可用于将喀斯特石漠化地区渗漏的难利用蓝水转化为可供植被生长用的生态绿水，分别是：降水渗漏前的截留(用于灌溉)、增加植被盖度(用于蒸腾)、增加土壤厚度(用于蒸发及绿水储存)。因此，可将蓝水绿水转化的措施相应地划分为三大类，即：降水截留，增加植被盖度和增厚土层，并结合研究区野外调研的情况，对应三大类蓝-绿水转化措施，分别设计小型降水截蓄工程、封山育林和坡改梯3种对应的具体措施

3.1 小型降水截蓄工程措施设计

3.1.1 工程技术可行性

对于喀斯特石漠化地区降水很快渗漏流失的特点，部分学者认为是喀斯特地区特有的干旱缺水现象，是典型的“工程性缺水”[12,13]。基于此，相当一部分学者提出应当通过修建水库等工程来提高当地水资源利用量；但由于喀斯特地区岩溶地质结构的易渗性，大中型水利工程存在选址和经费等挑战[14,15]。为此，潘世兵和路京选认为在贵州等喀斯特地区，宜采用小微型水利工程为主的水资源开发利用模式[16]。Qin等经过实地调研，提出可在喀斯特地区农村通过铺设防渗膜，修建小型蓄水工程[17]。近期，王恒松等研究指出，在贵州喀斯特山区发展雨水集蓄利用微型水利工程，是“人类对雨水资源利用的更高发展阶段”[18]。可见，对于受地质条件制约较少的小微型蓄水工程，可以有效实现对部分降水的截蓄，如果将这部分降水用于植物生长，即可实现蓝水向绿水的转化。

在研究区野外调研期间，位于息烽县中北部的喀斯特山区旱地里也发现了一些小型蓄水工程，从工程标识来看应为当地水利部门修建的示范性工程，作为应对干旱进行灌溉的试点措施，如图3所示。现场考察发现，这类小型工程一般修建于农村旱地，采用圆形布局，直径4 m左右，深度大约2 m，地上围栏高度约0.8 m，采用砖砌和内部水泥抺匀，以达到防渗漏的目的。

图3 喀斯特石漠化地区旱地小水池

3.1.2 工程措施设计

根据实地调研，作为当地农村旱地灌溉示范措施，基本按平均每间隔200 m配置一个小水池，即每0.04 km2面积的渗漏区旱地配建一个小型蓄水池，理论上每平方公里可配置25个小水池。结合土地利用类型，以米为单位提取的渗漏区农用旱地面积为71 298.89 hm2，约合713 km2。因此，如果按713 km2计算，则应建的小水池数为713×25=17 825个；但实际上，山区耕地往往呈不规则的块状分布，且存在不连片的小块零散区域。在具体操作时，对于面积大于或等于0.02 km2的零散地块可按一个小水池进行配置，而对小于0.02 km2的地块则不考虑配置小水池，但在小水池选址时应尽量接近未纳入考虑的零散地块。结合GIS工具，每个小水池所控制地块和建造位置的确定过程参见图4。

图4 渗漏区旱地小水池控制单元及选址确定过程

图4中每个方格的边长为200 m，黄色不规则多边形代表渗漏区旱地地块，绿色方格为面积大于0.02 km2而小于等于0.04 km2的单块旱地控制单元，图4(d)中蓝色小园图标代表小水池。从图4(d)可见，小水池并不都位于方格地块的正中央，可参照泰森多边形中心点算法，将选址确定在由每个方格地块和其邻近零散旱地共同构成的多边形地块的中心位置。

在实际操作中，为准确统计渗漏区旱地需要修建的小水池数量，并确定其空间布局，应按200 m×200 m栅格重新进行土地利用类型识别，提取位于研究区渗漏地带的农用旱地(如图5所示)，总计200 m×200 m栅格的像元数为17 788个，该像元数即为与旱地面积相对应的小水池数，比理论数值少了37个小水池。

图5 按200 m×200 m单元提取的渗漏区农用旱地分布

根据贵阳市水资源公报数据，研究区多年平均降水量为1 095.7 mm，理论上每个小水池年均蓄水量至少为13.76 m3，按整个渗漏区旱地修建17 788 个小型蓄水池计算，相当于每年拦蓄244 796.68 m3降水量。

3.2 封山育林措施设计

3.2.1 工程技术可行性

对于增加植被覆盖的方案，从生态学的观点来看，主要是对当地原有植被的恢复。喀斯特地区由于历史上植被遭到严重破坏，导致土壤逐渐流失、基岩大面积裸露，最终导致石漠化和生态退化，加剧了降水渗漏流失[19,20]。因此，为减少渗漏量，应对植被覆盖不足的区域进行植被恢复。

对此，孙德亮等通过对贵州喀斯特石漠化地区植被生长的研究，指出导致当地水土流失严重的原因在于植被破坏，应根据国家封山育林政策，结合喀斯特石漠化地区地质地貌特点，研究适宜的退化植被生态修复技术；该修复技术主要包括从植物选种、种群构建到植被重新恢复的一系列过程；在自然封育的基础上，还可通过人工植补的方式加快对森林植被的恢复，并且推荐在当地种植花椒、核桃、金银花等适生经济树种[21]。付忠良与李增也认为导致喀斯特地区石漠化的原因在于植被覆盖不够，建议通过建立生态保护区来达到大力植树造林和防止植被破坏的目的，其措施与封山育林本质是一样的[22]。王桂萍等结合贵州石漠化地区的地质特点和土壤性状，经过在贵阳市息烽县的实地造林试验，通过阔叶与针叶混交、常绿与落叶混交的方式进行树种配置，在对榆树、迎春、栾树、侧柏等31个适生树种进行试验的基础上，按成活率、保存率、高生长、径生长等综合指标，推荐了枫香、刺槐、栾树、桤木、侧柏等15个造林树种，并认为移植苗成活率高于容器苗，所有树种中桤木的长势最好[23]。王桂萍等推荐的喀斯特石漠化地区植被恢复适生造林树种参见表1。

表1 喀斯特石漠化地区封山育林适生树种推荐

注：表中的树种排名源自王桂萍等(2012)的研究成果，其中成活率排名为“1”表示该树种苗木在造林试验中成活率为100%，保存率排名为“1”表示该树种在造林试验中成活后保存下来的概率为100%，其他排名均按选定树种排序而得。

3.2.2 工程措施设计

封山育林措施的实施，需具备两个条件：一是作为植被恢复的重要手段，封育的区域在土地利用性质上一定要属于林地或草地；二是所在区域存在渗漏情况，尤其是渗漏比较严重的林草地。为此，需要借助遥感和GIS手段通过叠加分析，提取出符合条件的植被恢复区域。

图6 转化措施对应的主要土地利用类型分布

图7 渗漏区林草地

根据此前陈珂等采用EcoHAT模型进行模拟的结果，当研究区植被盖度从50%增长到56%以后，植被盖度继续增长对减少渗漏量的贡献大幅减弱[8]。因此，有必要结合土地利用类型，从空间上提取出植被盖度低于50%、并且土地利用性质为林草地的渗漏区域，作为以封山育林方式增加植被盖度的区域，转化措施所对应的研究区三大土地利用类型空间分布参见图6。首先，通过GIS软件工具，提取出土地利用性质为林草地的渗漏区(参见图7，面积约为2 193.25 km2)，再提取出植被盖度低于50%的渗漏区域(参见图8，面积约为1 391 km2)，最后将两图叠加生成植被盖度低于50%、并且土地利用性质为林草地的研究区渗漏空间分布图(参见图9，面积约为937.75 km2)。

图8 植被盖度低于50%的渗漏区

图9 植被盖度低于50%的林草地渗漏区

基于之前对增加植被盖度减渗效果的分析，将图9中紫框内的区域(2013年植被盖度低于50%且土地利用性质为林草地的渗漏区)，列为基本林草封育区，其涵盖范围约937.75 km2，占研究区土地利用性质为林草地的渗漏区面积2 193.25 km2的42.76%，占整个渗漏区面积3 805 km2的24.65%。

为便于进一步分析封山育林措施的空间布局，分别反演2003年和2013年研究区植被盖度分布(图10、图11)，并与2013年渗漏量空间分布图叠加对比，发现：

图10 研究区2003年植被盖度示意图

图11 研究区2013年植被盖度示意图

(1)2013年渗漏量高于180 mm并且植被盖度低于50%的林草地面积为303 km2，约占严重渗漏区域(渗漏量高于180 mm)面积885 km2的34.23%，可将该部分区域提取出来，作为采取封山育林措施进行蓝-绿水转化的典型渗漏区域(参见图10、图11中蓝框内的区域，以及图12中紫框内的区域)。

图12 渗漏量超过180 mm,植被盖度低于50%的林草地

(2)在2003年至2013年期间，研究区平均植被盖度增加了约10%(参见图10、图11)，典型渗漏区内植被未发生明显变化(面积约103 km2)和退化(面积约20 km2)的面积总共达123 km2，占典型渗漏区面积的40.59%，占严重渗漏区面积的13.90%，作为采取封山育林转化措施时尤其需要重视的区域(参见图13)。

图13 典型区2003-2013年植被盖度变化

(3)对于植被未变化区和负增长区，植被盖度在过去十年未实现增长既可能是地形的原因(所在地为岩石或土层过于薄脊)，也可能是人为的原因(乱砍滥伐、烧荒等)，在具体操作时需要因地制宜采取相应的措施。如果是人为原因导致植被盖度未增长，则应尽快采取林草恢复措施。

(4)渗漏量低于180 mm且植被盖度低于50%的林草渗漏区，面积约为634.75 km2，根据EcoHAT系统模拟结果，2013年其大部分地区渗漏量介于120～130 mm之间，由于渗漏规模巨大，也应适时部署实施封山育林措施(参见图14)。

图14 渗漏量低于180 mm,植被盖度低于50%的林草地

图15 渗漏量高于180 mm,植被盖度高于50%的林草地

3.3 坡改梯措施设计

3.3.1 工程技术可行性

陈珂等通过引入EcoHAT系统进行模拟发现，增加土壤厚度是将渗漏的难利用蓝水转化为生态绿水的良好途径，在模型计算中采取对整个研究区平均增加一定厚度土壤的方法来计算增厚土层对减少渗漏的效果[8]。但是在生产实践中由于地势高低起伏、地貌多种多样等原因，不可能对整个研究区普遍增加同等厚度的土壤；因此，在喀斯特山区只能因地制宜选取适宜的区域增厚土层。

对于喀斯特石漠化地区通过增厚土层达到保土保水效果的问题，早期万军与蔡运龙在研究贵州省关岭县石漠化生态重建时即提出累石堰建梯田、建造生物篱笆等方式，并认为通过将坡耕地改造为平整梯田(坡改梯)可以提高土地和水资源利用效率[24]。罗林等通过对贵州省毕节市龙滩坪村10°～25°不同坡度的耕地，进行石砍坡改梯改造试验，发现坡改梯不仅具有较好的保土保水保肥效果，而且能够有效促进耕地粮食增产[25]。刘京伟与王华书在对贵阳市环境地质问题及防治政策的研究中认为，由贵州省发改委组织的坡改梯、生态移民、退耕还林等40余项示范工程为石漠化防治积累了丰富的经验[26]。孙德亮等认为可选择水土匹配条件较好的地区，通过修建石砍梯田进行坡耕地改造，以达到增厚土层的目的[21]。余娜与李姝通过研究指出，在贵州省石漠化地区坡耕地治理过程中，通过“石砍+山边沟”的方式构建的坡改梯工程措施对于保水和保土保肥有较好效果[27]。熊强辉与杜雪莲则建议将坡改梯措施纳入石漠化防治技术体系中的基本农田建设工程[28]。考虑到石漠化过程主要发生在陡坡耕地上[29]，坡改梯措施的实施也将对石漠化防治产生积极的作用。

综合以上学者的研究成果可见：经过多年的探索和技术积累，坡改梯措施已经成为石漠化防治的重要手段；鉴于贵州地区耕地以坡耕地为主，坡改梯除了能有效防止土壤流失和降水漏失外，对于当地农业生产还具有重要意义。实地考察发现，由于当地岩石较多，坡改梯措施可就地取材，以累石堰(砌石坎)的方式将坡耕地的土壤累积平整而形成梯田(即增厚土壤)固定住，达到保土保水保肥的目的。将坡耕地改造为梯田的工程过程参见图16。

图16 喀斯特石漠化地区坡改梯工程示意图

此外，在城市扩建过程中产生的大量废弃渣土也可按就近原则补充坡改梯措施用土、增厚土壤层，图17为当地贵安新区建设中产生的大量废弃渣土。

图17 贵安新区建设过程产生的大量废弃渣土现场

通过对研究区的实地调研发现，在当地政府的主导下，部分石漠化较严重的农村地区，坡改梯工程已初具规模，对于其他类似地区具有良好的示范意义。贵阳市开阳县联通村水土保持示范区部分坡改梯工程参见图18。

图18 贵阳市开阳县联通村部分坡耕地改梯田工程实景

3.3.2 工程措施设计

考虑到研究区农村旱地多为坡耕地[30,31]，其中6°～15°坡耕地面积多达67 333.33 hm2(约合673.33 km2)[32]，通过坡改梯措施增厚土壤后，将渗漏的难利用蓝水转化为绿水储存，不仅有利于提高当地水资源利用量，而且能直接为农作物生长补充代谢用水，对喀斯特石漠化地区坡改梯措施的空间布局进行分析将具有十分重要的实用价值。结合陈珂等采用EcoHAT系统模拟计算的结果[8]，在进行坡改梯措施规划时，以下为坡耕地措施的建议实施区域。

(1)理论上，只要不受自然条件和经济成本限制，在所有渗漏的区域都可以根据需要，推广采取坡改梯措施增加土壤厚度来达到减少难利用渗漏蓝水的目的。

(2)孙德亮等认为应选择水土匹配条件较好的地区来实施坡改梯工程[21]，鉴于研究区位于较湿润的亚热带季风气候带，在实施坡改梯时应尽量选择土壤条件较好的坡耕地，以方便就地取土，因此将土地利用性质为旱地的渗漏区列为实施坡改梯措施的基本区域，面积约为713 km2(参见图19)。

图19 渗漏区旱地分布图

(3)相对于通过封山育林措施来减少渗漏量的典型渗漏区域，对植被盖度高于50%、并且渗漏量高于每平方公里180 mm的严重渗漏区林草地范围，参见图15中严重渗漏区域紫框内的部分，可列为亟须通过增加土层厚度来进行蓝-绿水转化的地带。这部分面积约为344.25 km2，约占严重渗漏区域面积885 km2的38.89%，对于其中因自然条件所限，采用坡改梯措施取土有困难的，可利用附近城市建设弃用渣土来进行补充，对于自然条件类似于坡耕地的，则可直接适用坡改梯措施。

(4)对渗漏区植被盖度高于50%且渗漏量低于180 mm的林草地，面积约为911.25 km2，经模型计算发现，植被盖度在50%～60%之间的面积仅为约0.25 km2，其余绝大部分面积在60%～90%之间(60%～70%：287.50 km2，70%～80%：302.50 km2，80%～90%：272.50 km2，90%以上：48.25 km2)，鉴于其植被盖度基本都在60%以上(图20)，继续增加植被对减少渗漏作用不大，2013年这部分区域的大部分地区渗漏量介于120～130 mm之间，渗漏规模巨大，可视地形地貌情况采取坡改梯措施增厚土层。

图20 植被盖度高于50%的非严重渗漏区林草地

(5)对于3.2.2节中提到的植被盖度未增长的严重渗漏林草地，如果不是人为的原因造成，也不是陡陗岩石等难以利用的地貌，也可以通过坡改梯的方式增厚土层进行蓝-绿水转化。

将三大类蓝-绿水转化措施及其所对应的面积、范围进行汇总，具体数据参见表2。

表2 三大蓝-绿水转化措施实施范围及面积

4 结 论

本文基于蓝水绿水理论，采用遥感分析、实地调研与文献资料相结合，对喀斯特石漠化典型区-贵阳市非城镇地区的蓝水和绿水转化措施进行了研究，根据陆地水循环的三大环节，设计三大转化措施如下：

(1)针对大气降水环节，提出了用于截蓄灌溉的农村旱地小水池，在研究区约713 km2的旱地上，总共设计了17 788个小水池。

(2)针对植被用水环节，设计了封山育林措施，分布区域包括植被盖度低于50%，且渗漏量高于180 mm的303 km2严重渗漏区，以及植被盖度低于50%，且渗漏量低于180 mm的634.75 km2渗漏区林草地。

(3)针对土壤绿水储存环节，设计了坡改梯措施，分布区域主要包括约713 km2的农村旱地，植被盖度高于50%的渗漏区林草地约1 255.5 km2，以及植被盖度低于50%且在2003-2013年间植被未增长的典型渗漏区约123 km2。

对喀斯特石漠化典型地区蓝-绿水转化具体措施的研究与设计，是将理论研究与具体应用相结合的有益尝试，对类似地区提高水资源利用量研究具有重要的参考意义。