祖厉河生态环境修整对农业经济影响研究

黄土高原丘陵沟壑区面积30万km2，占黄土高原总面积的46．9％．黄土高原丘陵沟壑区天然降水稀少且分布不均，水资源严重匮乏［1－3］；干旱和过度的垦殖导致黄土高原丘陵沟壑区水土流失严重，生态脆弱，已成为我国气候变化和生态环境问题最严重的区域之一［4－6］．

1研究区概况

祖厉河流域是典型的黄土高原丘陵沟壑区，长期以旱作雨养为特征的方式进行农业生产．由于粗放经营，自然资源利用率低，输转功能差，使环境承载能力逐渐不能满足日益增加的人口需求，导致土地利用不合理，生态环境破坏严重，农业生产水平低而不稳．祖厉河流域位于104°12′～105°33′E，35°18′～36°34′N之间，地垮甘肃中部的定西、白银、兰州3市和宁夏的固原市，基本涵盖了安定、会宁2县（区）的全部和靖远县南部的部分地方，边缘涉及榆中、陇西、通渭、西吉、海原等县，流域总面积10653km2，总人口130余万，平均人口密度为122万人／km2．祖厉河流域在全国地理上处于青藏高原东北侧，属黄土高原西部，处于半湿润、半干旱2个气候区型的交汇过渡带，是从半湿润区到半干旱区过渡区最狭窄的区域，是全国气候变化最敏感、最剧烈和最为复杂的区域之一．流域内地势大致由南向北倾斜，海拔在1500～2000m之间．祖厉河流域地形破碎，沟壑纵横，平均沟壑密度达1．77km／km2，水土流失面积占总面积的82．3％．在黄河上游流域面积＞1000km2的6条一级支流中，祖厉河年平均输入黄河的水量仅占1．6％，但输入黄河的泥沙量却占39．6％，达到5320万t，成为黄河上游泥沙的主要来源．强烈的土壤侵蚀和生态环境恶化互为因果、恶性循环，使祖厉河流域成为我国乃至世界上水土流失最严重，生态环境最脆弱的地区之一［7］．

2水、土、光、热资源特征

2．1降水资源特征和演变趋势

根据流域内各气象站点1961～2006年气象观测资料分析，祖厉河流域年平均降水量为370mm，降水量等值线基本随纬向分布，随纬度增高降水减少的特征十分明显．年降水量呈显著的逐年减少趋势，下游为年降水量减少的最大中心，上游有一个年降水量减少的次中心．年代际降水距平百分率分析表明，20世纪60年代流域内降水普遍偏多，区域平均偏多22％，70年代区域内降水基本持平，80年代区域内降水略偏少，90年代及以后大多数站点及区域平均偏少10％以上，综上所述，祖厉河流域降水有显著减少的趋势（见表1）．祖厉河流域月、季降水分布特征和变化趋势是：逐月降水量为典型的“单峰型”．1月最少，4月之后逐月降水增加较快；8月达到最多，10月之后逐月降水迅速减少，作物生长期4～10月的降水量占全年降水量的94％．春季（3～5月）：区域平均降水量70mm，春季降水量约占全年降水量的21％，春季降水变化趋势不显著；夏季（6～8月）：是一年中降水次数最多、降水量最大的季节，区域平均降水量180mm，约占全年降水量的55％，夏季降水有不显著的减少趋势，20世纪80年代中期以来降水量一直处于偏少期；秋季（9～11月）：降水量与春季相当，秋季降水量约占全年降水量的21％，秋季降水的总趋势显著减少，进入21世纪，秋雨增多；冬季（12～2月）：是一年中降水量最少的季节，大多数地区一般不超过年降水量的3％，冬季降水呈不显著的增多趋势．

2．2土地资源分布

祖厉河流域土地资源丰富，地域面积大，地貌差异性大．总面积中的川区、塬区和山梁区的面积分别占总面积的11．6％、30．2％和58．2％．在各类用地中，耕地、园地、林地、草地、住宅及工矿建设用地、交通用地、水域和未利用土地分别占流域总面积的30．5％、0．2％、15．4％、31．3％、2．84％、0．52％、0．1％和19．1％．草地所占面积最广，耕地次之，再次之是未利用土地，林地居第4位．耕地中：川、塬区水浇地所占面积不足5％，坡耕旱地大面积存在，山坡旱地占95％以上，山坡地大于25°以上的占总耕地面积的9％．林草地的现状是：天然森林已破坏罄尽、林木极为稀疏、草类广泛分布．未利用土地质量低，开发利用难度大．土地资源利用状况的变化趋势是：耕地面积减少，林草地总面积增大（但林地下降草地增大），住宅及工矿建设用地和交通用地增加，未利用土地略有减少，园地和水域变化不大．祖厉河流域地表土层很厚，地表土壤有5个土类（灰钙土类、黄绵土类、黑垆土类、红土类、灰褐土类），34个土种，以灰钙土类和黄绵土类分布最广．土壤呈微碱性，土壤质地疏松，可耕性好．土壤养分的基本情况是：氮少，磷缺，钾适中．土壤天然养分基本可满足乔、灌木和草类生长．土壤演化趋势是：黄绵土类和黑垆土类的部分土种正向熟化和肥沃演化．灰钙土类分布中：山区水土流失严重向贫瘠化演化；川区向盐渍化演化；不利作物生长［8，9］．

2．3水、土、光、热资源的匹配

用流域内华家岭、定西、会宁、靖远4个气象站1961～2006年的观测数据绘制光、热、水3要素资源匹配见图1．由图1可以看出：11月～次年2月积温不足，是祖厉河流域作物非生长期．3～10月为作物生长期，大致可分为以下几个阶段：初春3～4月，日照时数占年日照时数的17％，降水量占年总量的8．8％，积温≥0℃的占年积温的10．5％；春末初夏5～6月，日照时数占年日照时数的19．5％，降水占年总量的22％，积温≥0℃的占年积温的31．7％；盛夏7～8月，日照时数占年日照时数的18％，降水量占年总量的41．7％，积温≥0℃的占年积温的38．2％．此时段太阳辐射最强，温度最高，降水最多，是光、热、水资源匹配最好的阶段；秋季9～10月，日照时数占年日照时数的14．2％，降水量占年总量的22．7％，积温≥0℃的占年积温的18．1％．水、土、光、热资源的综合状况是：①光照足，辐射强，属于高辐射区，但光能利用率仅有0．2％～0．3％，提高太阳能利用率的潜力巨大．②土地资源丰富、面积大、地表土层厚，但表层土壤比较疏松，易于流失，土壤肥力不足．③气候温凉，山、川、塬热量差异大，气温日较差大；春秋季节气温变化剧烈，易发生冻害；作物生长季节短．④降水总量少而且时空分布不均匀，降水变率大；降水时雨强大，产生大量径流，致使水肥流失严重，生态环境恶化严重．天然降水和作物需水期虽属同季但不同步，降水利用率低，农业用水供需矛盾相当突出．水资源不足，是其他自然资源利用的制约因素．

3小流域治理典型案例分析

根据黄河上中游管理局和定西水保总站花岔流域水文和小流域治理的数据：花岔流域是祖厉河水系二级支流，海拔1889～2286m，属黄土高原丘陵沟壑区第五副区，位于安定区东部，流域面积79．40km2，人口5917人，人口密度74．52人／km2．该流域在古代侵蚀的基础上经历了长期的现代侵蚀，形成了切割严重的梁峁和沟谷．共有大小支毛沟26条，总长194．30km，沟壑密度2．4km／km2，高于祖厉河流域平均沟壑密度1．77km／km2，沟壑面积占流域总面积的11．6％，主沟道长11．25km，平均沟道比降1／86．多年土壤侵蚀模数为6700t／km2，径流模数20000m3／km2，年侵蚀总量53．20万t．花岔流域20世纪70年代建成淤地坝26座，但由于设计和施工不科学，经不住暴雨洪水袭击连续垮坝．1983年安定区被列为全国水土保持重点治理区后，在工程布局时，本着“从上到下，全面规划，大小结合，骨干控制；生物措施、工程措施、耕作措施相结合，治坡与治沟相结合；优化配置、注重效益”的原则，按照流域面积、沟道比降、沟道库容等科学确定建坝位置．治理期间共修建淤地坝工程15座，拦蓄泥沙2941500m3，淤积总量占设计拦泥库容的65％，下泄泥沙得到了有效的拦蓄，抬高了沟道侵蚀基准，稳定了沟坡，控制了沟床下切和沟岸扩张．修建其他小型拦蓄工程2611眼（处），总控制流域面积57．17km2，总库容8309100m3．新修水平梯田1666hm2，造林1643hm2，种草1387hm2，新增治理面积46．96km2，累计治理面积达到61．66km2，治理程度达到77．6％，林草覆盖度由治理前的8．03％增加到46．2％．农、林、草、荒、非生产用地由治理前的52．9∶5．6∶2．4∶30．5∶8．6调整为43．2∶26．3∶19．9∶0．2∶10．4，农耕地和荒地所占比例下降，林、草业和非生产用地所占比例上升，土地利用效率提高．农、林、牧、副、其他各业产值由治理前的69．1∶0．7∶25．3∶4．9∶0调整为46．9∶16．4∶24．9∶6．6∶5．2，农村产业结构不断调整逐渐趋于合理．同时，通过坝系建设，促进了交通网络形成，促进了农民利用坝库和坝地发展多种经营．花岔流域治理的实践经验表明：科学规划、合理布局是生态修复和工程建设的首要前提，效益是工程的生命力所在．该流域在治理中，实行山、水、田、林、路统一规划，植物措施和工程措施同步到位．在梁峁山顶造林种草，山腰缓坡兴修梯田，沟道川台地建设塑料大棚、日光温室．在山谷沟脑布设谷坊工程，在侵蚀活跃的支毛沟布设以拦泥减沙为主的淤地坝，在比较开阔平缓的主沟道中布设以拦泥蓄水为主的骨干坝．坝系建设根据流域自然条件和社会情况，坚持淹没损失小，淤地面积大，保护农田多，受益人口广的选址原则，在满足工程建设管理运用的前提下，兼顾流域内坝系效益的整体发挥，以最小投资、最小损失，尽可能使群众获取最大利益．鉴于社会结构等方面的原因，治理中的难点和不到位之处是：乡村规划建设相对滞后，村落集中度不够，产业规划和发展偏慢．

4生态环境修复体系建设根据祖厉河流域水土资源配置和典型案例的分析，将其设计为梁峁荒坡草（林）区、沟坝区、居住和农田区等几个不同的功能区．

4．1梁峁荒坡草（林）区建设

梁峁荒坡草（林）封育区是生态环境修复体系的源头，该区域建设从退耕还林还草开始，最终的目标是恢复植被．林木能有效调节径流，增加雨水就地渗入，能促进土壤有机质的形成，改善微生态环境，有保持水土涵养水源的巨大生态作用［10］．但对干旱、半干旱区人工林草地的研究也有不同的结果［11－13］．说明干旱、半干旱区人工造林种草，恢复植被的技术要求和科技含量更高．祖厉河流域光、热条件完全可满足温带乔木生长的需要，天然降水条件满足乔木林的生长有一定困难，只有在采取蓄水增墒或灌溉措施后，方可植种乔木林．流域中南部地方的光、热、水条件能满足大部分温带灌木的生长需要，流域内的光、热、水对草类的生长需求基本可以满足．梁峁荒坡草（林）封育区建设要以宏观气候为背景结合微观小气候特征，按照林草生物学特性，实行物种、气候、土地之间的对位配置，尤其是要考虑水分不足的影响，适度控制土地的林木承载量．根据祖厉河流域光、热、水、土资源配置情况：①年降水量≥400mm的地方及高海拔河头发源地区，大于25°的坡耕地和梁峁区应实行林草封育，乔、灌木和草类间作，适度控制乔木承载量，让植被按自然演替规律进行恢复，逐渐形成植物的多样性，发挥植物涵养水源、清洁环境、保持水土的功能．②年降水量250～400mm的区域，大于15°的坡耕地和梁峁区实行退耕还草还林，进行人工封育治理，荒坡和梁峁区以种草为主间植灌木，沟底乔、灌、草间植，逐渐形成稳定的植被群落，遏制水土流失．③祖厉河流域下游北部年降水量≤250mm的区域，天然降水已难以满足雨养农业的需要，北部山区须进行移民搬迁和村镇合并，在川、塬区土地、交通条件较好的地方构建新型的人口密集型农村社会．梁峁区和山坡地实行封育，以草类为主间植灌木，让大部分土地过度载荷的区域得到休整，逐渐恢复植被，形成地表保护层，遏制地表沙尘和水土流失．

4．2沟坝区系统建设

祖厉河流域沟壑纵横，沟壑密度达1．77km／km2，沟道情况千差万别，控制面积大小不一．沟道坝系建设要根据沟道的控制面积和水沙来量进行合理的设计、布控和施工．在尚未形成地面塌陷下切的毛沟中衔接梁峁荒坡草（林）封育区，以林草封育为主逐步形成地表保护体系．在已形成地面塌陷下切的初级支毛沟中，逐级成群的布设涝、池、塘、坝等谷坊工程和排水沟道，并辅以造林种草等措施使地面塌陷下切逐步减少，直至涝、池、塘、坝逐渐淤塞，地表逐渐恢复并形成保护体系．在主河（沟）道或有常年径流的河道布设拦泥拦沙、蓄水防洪、生产生活交通相结合的淤地坝、库和桥．针对祖厉河流域水资源十分缺乏和水土流失严重的特点，沟道区坝、库、桥的蓄水拦沙与流域产洪产沙达到相对平衡，尽量控制水沙外流．沟道区系统建设的目标是：聚水改善局地微观气候，增加区域内的水循环和利用；拦沙控制沟道下切，抬高侵蚀基准点；淤地发展种、养殖等高效坝系农业；通路，改善交通，发展经济．

4．3居住区和农田区建设

居住区和农田区是人类活动对自然环境干预最大的区域，是生态环境修复体系建设的核心．该区连接梁峁荒坡草（林）封育区和沟道区，应以自然资源的节约利用尤其是水资源的高效循环利用为优先原则，进行合理规划和建设．居住区（学校、单位、工厂、居民等）建筑应相对集中，产生的径流应得到有效的控制和积蓄．基本农田区主要应分布在居住区周边，并改建成保水、保土、保肥的梯田和台地．要利用好居住区雨水集流和沟道区坝系蓄水．调整农、林、牧产业结构，形成农、林、牧，林、灌、草复合经营，农、林、牧综合互补的循环经济，使生态系统各部分间的联接、交换、渗透、补偿作用得以充分发挥，实现农业生态子系统之间的互补，提高资源供给和利用水平，实现综合效益的提高．祖厉河流域水资源缺乏，必须以水资源的利用为中心，以生态环境承载力为基础，实行人工治理和生态修复相结合，工程措施、植物措施和耕作措施相结合，围绕水、土分布规律，通过对以上3个区域的综合治理和逐级建设，逐步建成祖厉河流域总体的生态环境修复体系和节水型生态循环农业经济体系，减少系统的无效消耗，增加系统的有效输出，提高系统对自然资源的利用率．