孫莉英，鄭明國，方海燕，蔡強國?，崔明

(1.中國科學院地理科學與資源研究所，陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，100101，北京;2.中國林業(yè)科學研究院荒漠化研究所，150400，北京)

“范式”(paradigm)的概念和理論最早由美國哲學家托馬斯提出并系統(tǒng)論述，在一定程度上體現為從事某一科學的研究者群體所共同遵從的世界觀和行為方式，而本質上范式是一種理論體系，指常規(guī)科學所賴以運作的理論基礎和實踐規(guī)范，體現為科學實踐活動中某些被公認的范例(包括定律、理論、應用以及儀器設備統(tǒng)統(tǒng)在內的范例)，是在一定程度內具有公認性的理論體系，范式的突破將導致科學的革命［1-3］。目前，范式正被廣泛地應用于自然和社會各個領域，而不再局限于哲學范疇，成為當前科學研究中一個極其重要的概念［1］。范式在水土流失防治領域的應用仍處于起步階段。蔡強國等［2］探討了區(qū)域土壤侵蝕治理范式的理論體系及其對水土流失防治的重要意義，指出土壤侵蝕綜合治理范式是根據區(qū)域系統(tǒng)歷史文獻資料、野外試驗觀測數據和自然地理環(huán)境背景，分析一定區(qū)域水土流失規(guī)律以及土壤侵蝕發(fā)生過程機制，綜合安排水土保持措施的配置結構，同時綜合考慮本區(qū)域的社會經濟基礎而最終建立起一套適合區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的水土保持體系，而這種系統(tǒng)在一定區(qū)域范圍內具有最優(yōu)的水土流失控制效果。水土流失過程受氣候、植被、地形和地貌等諸多因素的影響，具有明顯的區(qū)域差異性，因此，很有必要針水土流失特點，總結凝煉不同區(qū)域水土流失綜合治理范式體系，為不同區(qū)域水土流失綜合治理與調控提供科學參考。一些學者探討了南方紅壤區(qū)［1］、黃土高原［3］及西南紫色土區(qū)［4］水土流失綜合調控原理與治理范式，而黑土區(qū)水土流失綜合治理范式研究較為缺乏。筆者以坡耕地水土流失最嚴重的東北漫川漫崗黑土區(qū)為研究區(qū)域，提出適合漫川漫崗黑土區(qū)長坡緩坡條件下以水力侵蝕為主的坡耕地水土流失綜合治理的范式體系，以期補充和完善黑土區(qū)水土流失綜合調控理論，為促進該區(qū)域生態(tài)、社會和經濟協(xié)調發(fā)展提供科學參考和實踐樣板。

東北漫川漫崗黑土區(qū)主要分布在大小興安嶺延伸的山前臺地，總面積11.54萬km2。氣候屬半干旱半濕潤地區(qū)，年平均氣溫2～3℃，年平均降水量500 mm左右，無霜期115～130 d。地勢波狀起伏，坡度較緩，多在3°～7°之間，坡長多在200 m以上，海拔250～450 m。黑土區(qū)坡耕地主要集中在這個區(qū)域，由于坡面匯流面積大，徑流集中，耕墾指數較高且耕地多順坡壟耕，導致坡耕地面蝕嚴重［5］。農田植被覆蓋率低，溝道侵蝕劇烈［6］，溝壑密度在1.5～2.0 km/km2之間，年土壤侵蝕模數為2 500～8 000 t/(km2·a)。全區(qū)水土流失面積5.65萬km2，坡耕地水土流失貢獻率約為80.3%。坡耕地水土流失導致黑土層變薄、耕地被毀、地力減退，進而導致糧食產量下降［7］。自1950年以來，漫川漫崗黑土區(qū)先后開展了水土流失綜合治理示范工程，已形成了不同的治理模式和水土保持措施的綜合配置方式，但缺乏對已有經驗的總結和有利于指導當地實踐的理論體系。依據漫川漫崗黑土區(qū)水土流失特點和已有水土流失綜合治理模式，總結該區(qū)水土流失綜合調控機制，凝練兼顧區(qū)域生態(tài)和經濟發(fā)展的綜合治理范式體系，解析該范式體系的結構和功能，可為完善黑土區(qū)水土流失綜合調控理論體系提供參考。

1 漫川漫崗黑土區(qū)水土流失特點

1)以坡耕地水土流失為主。該區(qū)大致由東北向西南傾斜，成波狀起伏，匯水面積大，在降雨集中時，因徑流沖刷而在坡耕地形成面蝕。主要形態(tài)包括順壟細溝狀面蝕、斷垅細溝狀面蝕、垅頂滾水狀面蝕、細溝狀面蝕和斑狀面蝕［8］。

2)黑土層薄且疏松，并與母質土層性質不同，抗蝕性差，流失后難以再生，平均每年流失0.3～1.0 cm［9］。同時，嚴重的水土流失會導致黑土理化性質變差，土地板結，黑土保持水分能力降低，土地生產力下降［10］。黑土侵蝕會加速土壤養(yǎng)分損失，表層土壤微生物生物量碳含量與土壤侵蝕程度相一致，侵蝕部位微生物活性降低［11］。根據2005—2007年的觀測數據，大豆(Glycine)產量隨侵蝕程度的增加呈指數遞減函數的形式降低，隨侵蝕深度的增加呈凹型曲線遞減，黑土剖面上部的生產力大于下部，侵蝕少量的土壤就會引起生產力較大幅度的下降［12］。

3)溝道侵蝕劇烈。漫川漫崗黑土區(qū)坡耕地淺溝和切溝的發(fā)育和發(fā)展導致該區(qū)溝道侵蝕劇烈。夏季淺溝侵蝕由暴雨造成，淺溝侵蝕多發(fā)生于坡面低洼水線處，分布受耕作措施和作物類型影響，隨水流侵蝕動能的變化，沿坡面向下存在淺溝侵蝕的強弱交替帶，坡面中部侵蝕量最大［13-14］。有研究［15］表明，2009年，黑土區(qū)淺溝侵蝕處于快速發(fā)展期，東北坡長坡緩的地形特點導致淺溝侵蝕的臨界匯水面積大于黃土高原，而分布的臨界坡度則小于黃土高原。對2004年東北黑土區(qū)監(jiān)測數據分析表明，大多切溝正處于強烈發(fā)育的初期階段，面積不斷擴展，溝頭后退，侵蝕模數達到2 200～4 800 t/(km2·a)，容易發(fā)生在5°～7°之間的漫崗坡面的中下部，不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的切溝密度存在著較大差異，可切割地表而破壞耕地，危害較大，威脅糧食生產［16-18］。

2 漫川漫崗黑土區(qū)已有水土流失綜合治理模式

1)“三道防線”治理模式。以保護和合理開發(fā)利用水土資源為目標，在保護好原有植被(尤其是天然次生林)的基礎上，本著工程、植物、生態(tài)修復措施并舉的治理原則，因地制宜、因害設防地安排各項水土保持措施，從上到下設置“三道防線”［19］:崗頂第1道防線主要目的是減少濺蝕，削弱并攔截上坡來水來沙，涵養(yǎng)水源，改善土壤質量;坡耕地第2道防線可截短坡長，減少匯水面積，減緩徑流流速和侵蝕動能;坡底第3道防線主要是固溝保土，抑制侵蝕發(fā)展，恢復土地資源。

2)坡水田林路綜合生態(tài)經濟模式。該模式按照坡水田林路綜合治理和立體開發(fā)的思路，對流域進行全方位治理，從上到下營造多層次植物群落，配置多林種、多層次、高效益的防護體系，做到網、帶、片、喬、灌、草結合，增加森林植被覆蓋。坡耕地以截短坡長、增加土壤入滲的梯田和改壟為主。溝谷洼地以充分利用地表徑流的塘壩、水田為主，輔以塘壩經濟，形成坡水田林路綜合生態(tài)經濟模式。

3)漫崗區(qū)糧牧企經庭立體開發(fā)模式。該模式［5］在北部漫崗區(qū)，宜農地坡地改梯田，宜牧區(qū)發(fā)展畜牧業(yè)及村辦企業(yè)，發(fā)展庭院經濟，實行農業(yè)立體開發(fā)模式。以改造坡耕地為主，依據坡度差異分別采取調整壟向、修梯田、種植以胡枝子(Lespedeza bicolor)為主的植物地埂等措施，將跑水、跑土、跑肥的“三跑田”變成“三保田”。

4)“三種水庫”生態(tài)開發(fā)模式。該模式按照流域和水系，以集蓄雨水和泉水為主，修建水庫塘壩，構建第1種水庫，即“工程水庫”;以防護林為主體，形成多樹種、多林種、網帶片、喬冠草相結合的人工調控體系，增加空中水源補給，控制水土流失，構建第2種水庫，即“生物水庫”;因地制宜地實施耕作技術，立足于春旱秋抗、秋霜春防、秋雨春用和春潮秋鬧，建設第3種水庫，即“土壤水庫”。通過“三種水庫”技術，實現水土流失綜合治理和土地改良，形成“三種水庫”生態(tài)開發(fā)模式。

3 漫川漫崗黑土區(qū)水土流失綜合治理范式構建與框架

1)漫川漫崗黑土區(qū)水土流失綜合調控方式。針對東北黑土區(qū)水土流失特點和生產力下降等主要問題，東北漫川漫崗黑土區(qū)水土流失綜合調控方式主要由地表徑流調控、溝道侵蝕調控和土地生產力調控3部分構成。其中:地表徑流調控通過改變地表微地形、削短破長、減緩坡度來實現攔截降水、增加土地入滲的作用，包括橫坡壟作、壟作區(qū)田、水平梯田和等高植物籬等措施［20-21］;溝道侵蝕調控采取工程和植物措施相結合的辦法治理溝道，溝頭以柳(Salix)條做成跌水階梯，減輕水流沖刷力，溝底修谷坊，利用柳樹根系功能，緩和水流，減少沖刷，溝側削坡插柳，育林封溝，順水保土;土地生產力調控是通過因地制宜的耕作技術和高效合理的水資源利用措施來提高土地生產力，提高糧食產量。科學合理地配置水資源，改革傳統(tǒng)農業(yè)經營方式，發(fā)展滴灌、微灌、噴灌等節(jié)水措施，以水土保持措施和配套技術體系措施提高糧食產量，推動農業(yè)發(fā)展。

2)漫川漫崗黑土區(qū)水土流失綜合治理范式構建思路與框架。東北漫川漫崗黑土區(qū)水土流失綜合治理范式構建思路如圖1所示。針對漫川漫崗黑土區(qū)水土流失特點和土地生產力降低的問題，在總結已有水土流失治理經驗的基礎上，依據該區(qū)水土流失綜合調控機制，可總結出適合東北漫川漫崗黑土區(qū)水土流失綜合治理范式體系。

東北漫川漫崗黑土區(qū)水土流失綜合治理范式框架如圖2所示，該范式體系的名稱定為“基于糧食安全的黑土區(qū)長坡緩坡水土流失綜合治理范式”，以生態(tài)安全保障和糧食安全保障為2大支撐。生態(tài)安全保障通過“三道防線”立體防護技術體系，據不同坡耕地坡度和坡長等地形地貌條件，合理配置不同水土保持措施來控制水土流失，恢復土地資源。糧食安全保障通過三大技術體系來改良土壤，提高糧食產量。三大技術體系包括因地制宜的耕作技術體系、水資源高效利用技術體系和森林網絡技術體系。

圖1 東北漫川漫崗黑土區(qū)水土流失綜合治理范式構建思路Fig.1 Framework of integrated control on water loss and soil erosion in rolling hill regions with black soil of Northeast China

圖2 東北漫川漫崗黑土區(qū)水土流失綜合治理范式框架圖Fig.2 Framework of integrated control on water loss and soil erosion in rolling hill regions with black soil of Northeast China

因地制宜的耕作技術體系立足春旱秋抗、秋霜春防、秋雨春用和春潮秋鬧，改善土壤水肥條件，提高作物產量。水資源高效利用技術體系包括修建工程水庫，發(fā)展地表水和地下水的蓄水保水措施及滴灌、微灌和噴灌等節(jié)流措施，合理開發(fā)利用和優(yōu)化配置水資源，保障農業(yè)用水，改善土地質量。森林網絡技術體系通過營造經濟林、薪炭林、用材林、胡枝子植物籬帶和農田防護林，形成人工森林網絡，可改善農田小氣候。概括起來，“基于糧食安全的黑土區(qū)長坡緩坡水土流失綜合治理范式”體系不僅以水土流失治理為目標，還結合漫川漫崗黑土區(qū)的糧食生產戰(zhàn)略地位，將水土流失治理和區(qū)域發(fā)展有機結合，在保水保土恢復土地資源的基礎上，改善土地質量，逐步提高土地生產力，提高糧食產量，進而提高當地農民收入，以適應區(qū)域社會經濟可持續(xù)發(fā)展的需要。

4 漫川漫崗黑土區(qū)水土流失綜合治理范式的結構

根據構建的“基于糧食安全的黑土區(qū)長坡緩坡水土流失綜合治理范式”的框架和目標，該系統(tǒng)結構主要包括在不同地貌單元水土流失綜合治理防護體系結構和生態(tài)農業(yè)體系結構及二者之間的耦合。具體到小流域尺度，主要體現在“三道防線技術體系”的結構和空間配置及“三道防線”與生態(tài)農業(yè)技術體系在空間配置上的耦合。

東北漫川漫崗黑土區(qū)水土流失與地貌類型密切相關，在小流域尺度，坡耕地產流產沙沿坡長呈垂直分布特征，需要按地貌類型和水土流失規(guī)律進行水土流失防治措施的空間對位配置和綜合治理。在進行坡面和溝道水土流失綜合防治的同時，耦合農業(yè)技術和水資源高效利用技術，改變微地貌，調控地表徑流和控制溝道侵蝕的同時，與耕作技術和水資源高效利用技術的配置相互配合，形成較為緊密的綜合防治體系，在控制水土流失和恢復土地資源的基礎上，有效改善土地質量，并提供區(qū)域發(fā)展的資源基礎。圖3為東北漫川漫崗黑土區(qū)水土流失綜合治理結構示意圖。體現了崗頂、坡面(上坡、中坡和下坡，兼顧坡長和坡度的影響)、坡腳和溝道不同地貌類型單元上水土保持技術體系和生態(tài)農業(yè)技術體系的有機耦合。

1)崗頂水土保持措施與生態(tài)農業(yè)技術的耦合。由于長期過度開墾，治理前多數坡頂沒有植被覆蓋或者植被稀疏，降雨形成的地面徑流直接下泄到下游坡面，沖刷坡耕地表土，使土層變薄，對耕地造成嚴重威脅。水土流失第1道防線在坡頂栽種防護林，在林緣和耕地接壤處開挖截流溝。坡頂防護林實現喬灌結合，防護林、用材林和經濟林結合。喬木以楊樹(Populus)、落葉松(Larix gmelinii)和樟子松(Pinus sylvestris)為主要樹種，灌木以胡枝子為主要樹種。喬灌混合林所形成的人工植物群落，可以通過林冠截留降雨，其凋落物可改變下墊面，從而減緩雨滴濺蝕力和地表徑流量，控制水土流失［22］。同時，植物的有機殘體和根系具有穿透力，可促進土壤發(fā)育形成和熟化，起到涵養(yǎng)水源和改善土壤質量的作用。因此，崗頂水土流失第1道防線既是水土保持措施又是生態(tài)農業(yè)措施。

2)坡面水土保持措施與生態(tài)農業(yè)技術的耦合。在水土流失控制方面，第2道防線是坡面防護體系。針對漫川漫崗區(qū)長坡緩坡土壤侵蝕特征，在坡面合理配置耕作措施、梯田工程措施及植物防沖帶等措施，達到減緩坡長和坡度、減少匯水面積、攔截徑流和蓄水保墑的作用。坡度對水土保持措施效果影響很大，在配置坡面防護體系時要充分考慮到坡度對水土保持措施的影響，應針對不同坡度的坡面進行不同的水土保持措施配置，以有效緩解和改善水土流失狀況［23］。根據黑龍江省拜泉縣通雙示范區(qū)的水土流失治理經驗［19，24］，對于小于 3°的坡面適宜進行橫坡壟作，對于3°～5°的坡耕地修建坡式梯田，對于5°～7°的坡耕地適宜修筑水平梯田，對于陡坡耕地(＞7°)，由于極強烈的徑流沖刷難以控制，實行退耕還林還草是非常必要的。坡面生態(tài)農業(yè)技術體系主要包括等距離種植農田防護林、因地至宜地實施農耕農藝技術和發(fā)展滴灌、微灌等節(jié)流措施，達到調節(jié)土壤水肥，改善土壤質量的作用。坡面水土流失第2道防線和生態(tài)農業(yè)措施的共同作用，不僅可以有效控制坡面水土流失，還可改善土壤質量，提高土地生產力。

3)坡腳和溝道水土保持措施與生態(tài)農業(yè)技術的耦合。水土流失第3道防線是坡腳和溝道防護體系。對侵蝕溝采取工程和植物措施相結合的辦法進行治理，通過溝頭柳樹跌水工、溝底柳條谷坊工程和溝側削坡插柳等措施，緩和水流，減少沖刷，育林封溝，順水保土。在減緩水土流失的同時增加植被覆蓋，形成經濟林和薪炭林，改善生態(tài)效益和經濟效益。坡腳和溝道生態(tài)農業(yè)技術體系則體現為修建塘壩等工程措施，實施地表水和地下水的保水節(jié)水措施，達到高效利用水資源，保障農業(yè)用水的目的。坡腳和溝道水土流失第3道防線和生態(tài)農業(yè)措施的共同作用，不僅可以有效控制溝道侵蝕，還可變水害為水利，增強抵抗自然災害的能力，為流域發(fā)展循環(huán)經濟提供平臺和基礎。

圖3 東北漫川漫崗黑土區(qū)水土流失綜合治理范式結構示意圖Fig.3 Structures of integrated control on water loss and soil erosion in rollinghill regions with black soil of Northeast China

總的說來，水土流失第1道防線的經濟林和水保林、第2道防線的農田防護林和第3道防線的薪炭林，形成了多林種、多樹種、網帶片、喬灌相結合的人工調控體系，結合坡面水土保持措施和農耕農藝技術，可在有效控制水土流失的同時改善農田微氣候，調整土壤水肥，提高土壤生產力。

5 漫川漫崗黑土區(qū)水土流失綜合治理范式體系的推廣應用分析

“基于糧食安全的黑土區(qū)長坡緩坡水土流失綜合治理范式”在拜泉縣得到了廣泛的應用。拜泉縣實施了三道防線立體防護技術，截至2010年底，共計治理水土流失面積1 920 km2，治理程度達55%;營造經濟林21 hm2、薪炭林 284 km2、用材林121 km2、胡枝子 26.6 km2、防護林 363 km2，構建了1萬629個農田防護林網格，累計治理侵蝕溝1.5萬條，占應治理面積的80%。

各項措施取得了很好的生態(tài)效益和經濟效益。從水土保持生態(tài)效益看，拜泉縣推廣水土流失綜合治理范式后，每年可增加蓄水7 000萬m3，攔蓄泥沙1 030萬 t，減少土壤侵蝕89.4%;植被覆蓋率由3.7%增加至22.7%，空氣濕度提高10% ～14%，風速降低58%，林網內形成適宜植物生長的小氣候，早春地溫增高1～3℃，土壤含水量增加2% ～4%，土壤平均有機質質量分數增加11.0 g/kg;抵抗自然災害能力明顯增強，據初步估計，由于水土流失綜合治理范式的推廣，拜泉縣1998年水災減少損失近7.5億元，2000年旱災減少損失近2.4億元;從水土保持經濟效益看，拜泉縣糧食產量和農民人均純收入自1957年來整體呈逐漸增加趨勢(如圖4所示)，由于受到1998年水災和2000年旱災的影響，在2000年前后有所降低，糧食平均產量由1980年的1 350 kg/hm2增至4 500 kg/hm2，農民人均純收入由20世紀60年代的不足100元上升至2010年的4246元，地區(qū)生產總值由60年代的不足3 000萬元上升至2010年的50.1億元;由于水土保持經濟林的增加，林木年銷售收入3000萬元，林業(yè)加工增值達2000萬元。

圖4 1957年來拜泉縣糧食產量、農民人均純收入和地區(qū)生產總值狀況Fig.4 Status of food production，rural per capita net income and gross domestic production in Baiquan County since 1957

6 結論

1)東北漫川漫崗黑土區(qū)坡耕地水土流失綜合調控主要由地表徑流調控、溝道侵蝕調控和土地生產力調控3部分構成。

2)凝練得到“基于糧食安全的黑土區(qū)長坡緩坡水土流失綜合治理范式”，以生態(tài)安全保障和糧食安全保障為2大支撐，以水土流失控制和提高糧食產量為基本目的，以區(qū)域生態(tài)經濟協(xié)調發(fā)展為最終目標。該范式體系結構體現為“三道防線”水土流失立體防護技術體系結構和生態(tài)農業(yè)技術體系結構及二者之間的空間耦合。

3)“基于糧食安全的黑土區(qū)長坡緩坡水土流失綜合治理范式”在拜泉縣的推廣應用表明，該范式體系在實現水土流失治理目標的基礎上，將水土流失治理和區(qū)域發(fā)展有機結合起來，在保水保土恢復土地資源的基礎上，可有效改善土壤質量，提高糧食產量，適應區(qū)域社會、經濟和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的需要。

在論文寫作過程中，黑龍江省拜泉縣政府提供了大量的數據資料，在此表示感謝。

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