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(1. 中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150081;2. 黑龍江省穆棱市水務(wù)局,黑龍江 穆棱157500;3.哈爾濱示范大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150052)
水土流失是世界各國(guó)所面臨的嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。世界范圍內(nèi)的水土保持措施通常可分為三類,即耕作措施、生物措施和工程措施,而地埂措施即是重要的工程措施之一。地埂技術(shù)始于傳統(tǒng)的集水技術(shù),在印度其應(yīng)用最早可追溯到4000~5000年前[1]??梢哉f(shuō)地埂技術(shù)伴隨著印度、遠(yuǎn)東、美洲和非洲的整個(gè)發(fā)展史[2],在我國(guó)也有近三千年的應(yīng)用史[3]。
地埂最初的功能是集水,20世紀(jì)初,各國(guó)科學(xué)家將目光更多的集中在其防止侵蝕、減少水土流失的作用方面,視其為一項(xiàng)重要的治坡工程技術(shù)。然而,隨著上世紀(jì)70年代非洲爆發(fā)的饑荒以及發(fā)達(dá)國(guó)家不斷擴(kuò)大灌溉面積導(dǎo)致水資源的枯竭和土壤鹽漬化等問(wèn)題的出現(xiàn),人們又開(kāi)始重新審視包括地埂在內(nèi)的古老集水技術(shù),包括其在集水和生態(tài)方面的潛在優(yōu)勢(shì)[1]。上世紀(jì)80年代末,集水技術(shù)再次成為世紀(jì)之交的研究和應(yīng)用主題。聯(lián)合國(guó)及其他國(guó)際組織都在非洲和印度開(kāi)展了眾多項(xiàng)目,支持非洲等發(fā)展中國(guó)家實(shí)施地埂技術(shù),提高糧食產(chǎn)量。
目前,地埂技術(shù)應(yīng)用最多的國(guó)家是印度,也是印度最普及和最傳統(tǒng)的技術(shù)之一。其主要用途是集水,同時(shí)兼顧防止水土流失。其次是在非洲國(guó)家,由于耕地緊張,人們不得不在并不適于耕種的陡坡坡耕地上種植農(nóng)作物,因此對(duì)地埂的需求更為迫切。在我國(guó)的黃河流域及東北黑土區(qū)的廣大的坡耕地地區(qū),同樣存在人口多土地少的矛盾。很多不宜耕種的坡耕地被強(qiáng)行開(kāi)荒種地,導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重,造成土壤肥力下降,糧食產(chǎn)量降低,更嚴(yán)重的是造成生態(tài)災(zāi)難。為此人們一直采用梯田或地埂等技術(shù)以實(shí)現(xiàn)蓄水保土、防治水土流失的目的,盡管有時(shí)農(nóng)民會(huì)從經(jīng)濟(jì)效益角度來(lái)衡量地埂的利弊而有抵觸心理,但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,地埂技術(shù)能極大地緩解水土流失,有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。此外,在防止水土流失方面地埂技術(shù)相比于新興的植物籬等技術(shù)仍有其獨(dú)到、不可替代的優(yōu)勢(shì)。
目前發(fā)達(dá)國(guó)家針對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)的研究旨在幫助發(fā)展中國(guó)家解決現(xiàn)實(shí)需求。發(fā)達(dá)國(guó)家自身更多的是采用保護(hù)性耕作,對(duì)易于產(chǎn)生水土流失的坡耕地實(shí)施退耕、休耕。
地埂在國(guó)內(nèi)外有眾多的稱謂,且在建設(shè)形式、尺寸和材料上各地也是各不相同、各有特點(diǎn)。有時(shí)亦與其它相近的技術(shù)措施相混淆。
廣義的地埂也稱田埂(Field bund),意為田間的埂,用來(lái)分界和蓄水。主要有等高地埂、梯田埂、水田埂、邊界埂、畦埂及魚(yú)鱗坑埂等。地埂在特定的環(huán)境中也是等高地埂及梯田埂的簡(jiǎn)稱。
在我國(guó),地埂通常與正在應(yīng)用中的4類水土保持措施相聯(lián)系,即等高地埂、地埂植物帶、梯田埂和植物籬。
狹義地埂是指等高地埂(Contour bunds)。其定義是,在坡面上每隔一定距離,沿著等高線開(kāi)溝、筑埂,把坡面分割成若干等高帶狀的坡段,用來(lái)截短坡長(zhǎng),攔蓄部分地表徑流,減輕土壤沖刷。除開(kāi)溝和筑埂部分改變了小地形外,坡面其它部分保持原狀不動(dòng)[3]。
與等高地埂相近,在國(guó)外還有另一個(gè)術(shù)語(yǔ),Graded bund,意為埂的修建方向與等高線成一定的角度的地埂[4]。等高地埂適合于面積大且相對(duì)平坦的坡耕地及輕質(zhì)土和降雨相對(duì)少的地方,等高地埂是為了增加入滲,而Graded bund則為了安全疏導(dǎo)多余的徑流,而人為地讓地埂產(chǎn)生一個(gè)比降,從而將多余的徑流導(dǎo)入到一個(gè)更大的區(qū)域,進(jìn)一步增加入滲時(shí)間。我們將這種地埂譯為比降地埂,適合于降雨較大的地區(qū)[4]。
地埂植物帶(Vegetated bund),是特指應(yīng)用于中國(guó)東北黑土區(qū)的一種等高地埂技術(shù),見(jiàn)圖1。
地埂技術(shù)最初就是集水,而后重視防止水土流失,現(xiàn)在又為了獲得更大的經(jīng)濟(jì)收益,而在埂上栽培植物,固埂的同時(shí)還能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。此類覆蓋灌木或草本植物的地埂在中國(guó)東北黑土區(qū)被稱為地埂植物帶。地埂植物帶近似于地埂與植物籬的結(jié)合體[5]。
2009年頒布的黑土區(qū)水土流失綜合防治技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[6]中認(rèn)為地埂植物帶(Shrubbery buffer strip),是在坡耕地上沿橫向培修土埂,在土埂上種植灌木或多年生草本植物,截短坡長(zhǎng)、調(diào)蓄徑流的治理措施。
而緩沖帶(Buffer strip)技術(shù)是一塊栽培有常綠植物的地帶[7],在設(shè)計(jì)上更強(qiáng)調(diào)對(duì)面源污染的控制[8]。緩沖帶的植被可以是單一的草也可以是草、樹(shù)木和灌木的混合體。緩沖帶不僅僅是一個(gè)植物措施的概念,而且是一個(gè)改善生態(tài)環(huán)境的戰(zhàn)略性措施[8]。美國(guó)農(nóng)業(yè)部水土保持局有沿等高線布設(shè)的緩沖帶(Contour buffer strip)的技術(shù),其定義是:在山坡等高種植,與寬的作物帶相間并交互順坡排列于坡地上的窄的、永久性的草本植物條帶[9]。
我國(guó)的地埂植物帶也有其它的中文別稱,如植物固結(jié)地埂、地埂植物籬及梯田生物埂[10]等。地埂植物帶的英文譯文也有很多種,如Contour shrub strips、Plant hedges、Belts of Shrub or Grass,F(xiàn)ield bund floral zone及Buffer strip[11]等。
圖1 地埂植物帶Fig.1 Vegetated bund
世界著名水土保持專家,美國(guó)愛(ài)荷華州州立大學(xué)教授Richard Cruse在考察及了解了我國(guó)東北現(xiàn)行的地埂和水平梯田技術(shù)后,建議我國(guó),尤其東北地區(qū)目前使用的地埂植物帶技術(shù)使用英文Vegetated bund更準(zhǔn)確。
地埂植物帶(或梯田植物埂)是在先有埂的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,以埂為主。這與植物籬是有本質(zhì)區(qū)別的。植物籬可以沒(méi)有埂或者只有一個(gè)矮埂[12]。
近年在黑龍江省,又創(chuàng)立了一項(xiàng)復(fù)式地埂技術(shù),該技術(shù)是穆棱市水務(wù)局水保站于1992年針對(duì)穆棱市低山丘陵區(qū)土層薄、風(fēng)化石多、坡度大及難以修建梯田的實(shí)際情況,在原地埂植物帶與大竹節(jié)壕的基礎(chǔ)上創(chuàng)立的。該技術(shù)擁有兩道地埂,在兩埂中間是竹節(jié)壕式的排水溝,復(fù)式地埂具有一定的逆向坡降,是集攔蓄排水于一身,集工程措施、生物措施和農(nóng)業(yè)耕作措施于一體的水土保持新技術(shù)。
梯田埂也屬于等高地埂,它是指修筑在梯田外緣的一道埂。它與這里所說(shuō)的地埂本質(zhì)上是不同的。梯田埂坎(Terrace risers)包括梯田田埂和田坎兩部分。田埂是指一塊梯田上高出田面的超高部分,田坎是指相鄰兩塊梯田的連接部分[13]。埂坎是耕地地塊的分界線,是地埂和梯坎的統(tǒng)稱[14]。楊才敏等給梯田埂坎定義為:在梯田外部邊緣,為防止田面集水流失而人為修筑的高出田面的臺(tái)階與其外側(cè)坡的復(fù)合體[15]。
蔡強(qiáng)國(guó)等認(rèn)為植物籬技術(shù)(Hedgerow),又稱等高植物籬、活籬笆及綠籬等,產(chǎn)生于混農(nóng)林業(yè)系統(tǒng)[16],見(jiàn)圖2。但也有報(bào)道指出,植物籬興起于平原地區(qū)的帶狀耕作系統(tǒng),而帶狀耕作又源于傳統(tǒng)的灌木休耕系統(tǒng),其最初的主要目的是為了促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)、地力恢復(fù)及基于灌木的雜草抑制[17]。
諶蕓則將梯田植物埂視為植物籬的一部分,而將植物籬分為兩種:一種是在坡耕地上,按一定間距等高栽植的單行或多行植物形成籬笆,籬笆之間則常規(guī)種植農(nóng)作物,即等高植物籬;另一種是在梯田埂坎上種植適生的喬木、灌木或草本植物,即地埂籬亦稱為梯田地埂植物籬、梯田植物埂、地埂林及埂坎林等。二者最大的區(qū)別在于:前者是在整個(gè)坡地范圍內(nèi),將植物籬與農(nóng)作物進(jìn)行間作,主要利用植物的根冠效應(yīng)、籬笆效應(yīng)控制坡地的水土流失;后者僅在梯田的埂坎上種植,主要利用植物根系的固土護(hù)坡效應(yīng)提高梯田的穩(wěn)定性[18]。
美國(guó)農(nóng)業(yè)部的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中有一項(xiàng)叫“植物籬種植”(Hedgerow planting)的技術(shù),定義為:建立條帶狀密植植被,實(shí)現(xiàn)自然資源保護(hù)的目的。要求采用的植被為能越冬、直立莖平均至少0.91 m高的木本或多年生叢生草本植物[9]。對(duì)地埂類措施,歷史上較通用的稱呼還有坡式梯田、軟埝等。
圖2 植物籬Fig.2 Hedgerow
坡式梯田盡管在我國(guó)有其對(duì)應(yīng)的英文詞匯,Sloping terrace,但在外文文獻(xiàn)中卻鮮有使用。坡式梯田就是等高地埂的別稱。
上世紀(jì)50、60年代,地埂在一些地方就被稱為坡式梯田或過(guò)渡梯田[3],這是因?yàn)榈毓】梢酝ㄟ^(guò)逐年耕翻、徑流淤積并加高地埂,使田面坡度逐年變緩,最終形成水平梯田,因此,視地埂為梯田的過(guò)渡形式,稱之為坡式梯田[19]。
梯田和地埂的相同之處是都截短了坡長(zhǎng),不同之處則是梯田的坡面變成了平面,成為了水平梯田,而地埂的坡面還是坡面。在條件許可時(shí),坡式梯田應(yīng)改造成水平梯田[3]。
地埂/坡式梯田在各地還有許多其它稱謂,如溝埂梯田、等高溝埂、平溝和撩壕[3],或埂狀梯田、培地埂、拍畔、迭地堎、培地塄、地坎子或橫土埂[20]。認(rèn)為地埂是梯田的簡(jiǎn)化形式比地埂是梯田的過(guò)渡形式更準(zhǔn)確。
此外,在美洲的安第斯山區(qū)也有一種坡式梯田,但它的形成卻與土埂沒(méi)有關(guān)系,它完全是由植物籬發(fā)展起來(lái)的。它是安第斯山區(qū)最常用的技術(shù),稱為Slow-forming terraces,即緩慢形成的梯田。
軟埝是對(duì)我國(guó)一種地埂的特有稱呼。孫建軒描述了在陜西省的軟埝技術(shù)概念,指出:在5°以下的緩坡地上,用人工或機(jī)械沿等高線方向修成寬頂緩坡虛土地埂。兩邊側(cè)坡1∶5左右,埝頂和兩側(cè)仍能耕作種植作物。這種地埂稱為軟埝。軟埝是高塬溝壑區(qū)一種主要的田間工程。適于在地塊寬廣、坡度平緩的傾斜塬面地上修筑。修筑省工,不占耕地,不分割地塊,也不影響耕作。是陜西省關(guān)中、洛川等地群眾采用的很久的一種防止塬地、階地沖刷的措施[21]。
百度百科中對(duì)生物地埂(Vegetation covered ridge)的定義是,順坡隔一定距離等高栽種灌木、草本等植物,或在等高田坎上栽種植物形成的地埂。用以攔蓄水土(全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì))。但生物地埂一詞在文獻(xiàn)中使用不多,主要是表述覆蓋有植被的水平梯田或坡式梯田埂及等高地埂。水利部水土司現(xiàn)在建議將原來(lái)的生物埂稱呼改為植物埂。
植物埂在我國(guó)的早期定義是:在風(fēng)沙危害大,水蝕、風(fēng)蝕并重的地區(qū),在地埂上種上樹(shù)、草,如檸條及沙柳等可固定地埂,保護(hù)農(nóng)田。通常先種1~2行灌木,利用植物的阻沙、攔截地表徑流的作用,逐年培高地埂。據(jù)調(diào)查10年左右可培高埂1~2 m[22]。而更多的觀點(diǎn)則認(rèn)為植物埂就是梯田植物埂[23]。
草籬,英文Vegetative barriers或Grass barriers,是指一條0.3~0.91 m寬的垂直于主坡栽培的直立、挺直的植物窄帶,通常是草[24]。美國(guó)農(nóng)業(yè)部的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中這樣定義:沿坡耕地等高線或交叉于徑流區(qū)域種植的永久的直立密植植物帶,其目的有二,其一為減少面蝕和溝蝕,其二為通過(guò)攔截沉積物提高水的質(zhì)量[9]。維基百科的解釋為:草籬是指與作物平行種植的、耐寒的本地多年生窄幅雜草帶[25]。
地埂一詞的英文解釋中就指出了其應(yīng)用范圍在印度及遠(yuǎn)東地區(qū),事實(shí)上也的確如此。地埂使用最多的國(guó)家是亞洲的印度[26]、中國(guó)[3]等及非洲的大部分國(guó)家[27],在美洲及歐洲應(yīng)用的不多。
地埂建設(shè)相對(duì)簡(jiǎn)單,成本低并可以在坡耕地上有效地防止水土流失的發(fā)生。該項(xiàng)措施目前在發(fā)展中國(guó)家被動(dòng)實(shí)施主要是由于干旱的氣候,加之迫于人口增長(zhǎng)的壓力和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的薄弱,人們不得不在不適于耕種的坡度較大的坡耕地上強(qiáng)行耕種,而且無(wú)財(cái)力、無(wú)大型機(jī)械設(shè)備修筑梯田或大面積應(yīng)用實(shí)施保護(hù)性耕作技術(shù)。與此相反,在發(fā)達(dá)國(guó)家及發(fā)展中國(guó)家的一些地區(qū),為了保護(hù)土地、防治水土流失,人們已經(jīng)開(kāi)始注重農(nóng)田的退耕措施[28]。
2.1.1 亞洲。目前在亞洲,盡管應(yīng)用地埂技術(shù)的國(guó)家還很多,但受關(guān)注很少。因而相關(guān)的研究報(bào)道也不多見(jiàn)。只有印度、尼泊爾等少數(shù)國(guó)家對(duì)此方面有一些研究結(jié)果。而Studer和Liniger等也只給出了一個(gè)目前應(yīng)用地埂國(guó)家的名單[2]。
印度有應(yīng)用地埂的傳統(tǒng),尤其在印度南部的半干旱地區(qū)[29]。除了標(biāo)準(zhǔn)的地埂之外,印度也與中國(guó)相似,有著大量的梯田埂[30]。報(bào)道指出,在一些小流域,地埂技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)[31]。
Panchayath將印度的地埂根據(jù)土地的坡度和面積大小分為三種,即普通(非等高)地埂、等高地埂和比降地埂[4]。印度還有在地埂上覆蓋椰殼織物的保護(hù)地埂的方法[32]。
針對(duì)地埂措施的利弊,印度的研究多于中國(guó)。如有研究認(rèn)為埂上栽培的樹(shù)木的確會(huì)影響距離樹(shù)帶4 m的小麥作物的各個(gè)產(chǎn)量性狀[33]。印度也在嘗試用生物埂來(lái)取代土埂。為此科學(xué)家在植物籬技術(shù)方面進(jìn)行了大量的研究[26]。但認(rèn)為地埂的一些功能,植物籬是無(wú)法取代的[34]。在尼泊爾,除普通地埂之外,還有一種由樹(shù)枝堆砌而成的地埂[35]。
在伊朗、巴基斯坦等國(guó)家,地埂主要用來(lái)攔蓄徑流水。而在敘利亞,還有一種地埂叫V-形地埂。它是一種人工修筑土埂,有時(shí)用石頭加固。這些地埂每年都需要重建。修筑和維護(hù)的勞動(dòng)力投入很低,技術(shù)簡(jiǎn)單。
2.1.2 非洲。非洲是等高地埂技術(shù)應(yīng)用國(guó)家最多的洲[2]。由于大部分非洲國(guó)家地處干旱和半干旱地區(qū),因而具有應(yīng)用地埂等傳統(tǒng)集水及水土保持技術(shù)的傳統(tǒng)。非洲由于過(guò)去人口較少,對(duì)土地的需求沒(méi)有像亞洲那樣緊迫,因而沒(méi)有像亞洲一樣建造很多梯田,而常常以土或石質(zhì)的等高地埂為主。如坡式梯田埂、少量的水平梯田埂及魚(yú)鱗坑埂等[2]。
在局部地域,地埂技術(shù)應(yīng)用率達(dá)28%,占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[36]。此外,石埂的應(yīng)用比例也較高。地埂技術(shù)在非洲的應(yīng)用普及程度由此可見(jiàn)一斑。
近些年的主要研究和推廣成果主要集中在地埂的適用性,如地埂的建設(shè)模式和方法、地埂的應(yīng)用范圍、地埂的水保效果、成本回收期、對(duì)糧食產(chǎn)量的影響及對(duì)土壤理化性狀的影響等方面。
大量的研究認(rèn)為,地埂技術(shù)極大地提高了非洲農(nóng)作物的產(chǎn)量,上世紀(jì)80和90年代,水保措施對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率達(dá)到75%。地埂技術(shù)在索馬里使高粱增產(chǎn)更是達(dá)到了80%[37]。
當(dāng)然,同世界其他地區(qū)一樣,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的變化及勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移,也有逐漸放棄勞動(dòng)力密集及粗放的傳統(tǒng)水保技術(shù)的地區(qū),如突尼斯,到1983年時(shí),曾經(jīng)的大片梯田已經(jīng)很少在使用了。在蘇丹和喀麥隆也存在著相似的情況[27]。
2.1.3 歐洲。由于梯田、地埂技術(shù),成本低但勞動(dòng)力投入高,在歐洲已經(jīng)越來(lái)越不受重視,原有的工程被荒廢[38]?,F(xiàn)在歐洲幾乎鮮有農(nóng)戶繼續(xù)應(yīng)用地埂技術(shù),地埂技術(shù)已經(jīng)逐漸為其他水土保持技術(shù)所取代[39]。僅在上世紀(jì)初的前蘇聯(lián)[40]及上世紀(jì)80年代的匈牙利有過(guò)地埂及坡式梯田的研究報(bào)道[41]。
歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家放棄地埂技術(shù)主要是因?yàn)樵谄露却蟮耐恋厣弦呀?jīng)不再耕種農(nóng)作物,更多的是還草還林。目前歐洲主要使用的水保技術(shù)可以概括為三類:其一為作物和植被管理;第二類為土壤管理;第三類為工程機(jī)械方法,主要包括梯田、等高地埂和紡織物覆蓋。第三類的機(jī)械方法,現(xiàn)在的應(yīng)用少之又少。而其他的歐洲國(guó)家的梯田,也只是作為遺跡供人觀光而保留[2]。
2.1.4 美洲。在美國(guó)、加拿大等地廣人稀的國(guó)家,坡度超過(guò)20%(11.5°)的土地即被視為不宜農(nóng)耕的土地?;诹饔虮Wo(hù),這樣的土地通常保存其原始的森林覆被。然而在耕地少、人口多的國(guó)家的山區(qū),如墨西哥、海地等,大面積的陡坡被開(kāi)墾成耕地或畜牧場(chǎng)[42]。目前在美洲還在使用等高地埂的少數(shù)國(guó)家有秘魯[2]、墨西哥、巴西、厄瓜多爾[43]及玻利維亞[44]等。
美國(guó)水土保持工作開(kāi)展的較早,始于19世紀(jì)末。美國(guó)沒(méi)有地埂技術(shù),只有4種被稱為梯田的技術(shù),其中2種類似于地埂。美國(guó)最早的梯田建于19世紀(jì)[45-46]。其梯田的定義是:一種土堤,或者脊和渠的結(jié)合體,橫坡修建。美國(guó)的梯田和中國(guó)的梯田是明顯不同的,應(yīng)用范圍也明顯不同,但都是在10°以內(nèi)的坡地上應(yīng)用[9]。
陡背坡梯田(Steep-backslope terrace):梯田脊的背(后)坡陡,且永久植被覆蓋。背坡坡度2∶1,前坡坡度不陡于5∶1。適合坡度為6%~12%(3.4°~6.9°)的坡地。脊的后坡不耕種,但種多年生草本植被,因此,有時(shí)也稱其為草背梯田。梯田間距為36.6 m。
窄基梯田(Narrow-based terrace):梯田脊的兩側(cè)均陡,并都永久覆蓋植被。前后坡的坡度均不陡于2∶1。適合坡度為10%~16%(5.7°~9.2°)的坡地,前后坡均不耕種而種多年生草本植被。梯田間距為36.6 m。此脊無(wú)限接近于埂,這種梯田也是美國(guó)最接近于地埂的措施。
除梯田外,美國(guó)還有大部分坡耕地采用植物籬技術(shù)。植物籬技術(shù)同梯田一樣有其國(guó)家的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[9]。因?yàn)楦叨捴参锘h可以緩慢地形成坡式梯田[47]。
2.2.1 地埂。上世紀(jì)50年代,隨著國(guó)家對(duì)水土流失工作的重視,梯田和地埂技術(shù)的示范、推廣應(yīng)用都獲得較大的發(fā)展[3,48-51]。經(jīng)歷了10年文革停頓之后[52],直到上世紀(jì)90年代的改革開(kāi)放后,黃土高原地區(qū)才又大規(guī)模的開(kāi)展了坡式梯田的建設(shè)[53]。
此后隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,在黃河流域,基于得天獨(dú)厚的土質(zhì)條件,加之技術(shù)設(shè)備和資金都不再是限制因素,因而基本都采取直接修建水平梯田的模式,地埂面積則越來(lái)越少,接近于完成其歷史使命[54]。2011年國(guó)家制定計(jì)劃,到2020年建成66.7萬(wàn)公頃高標(biāo)準(zhǔn)化、高規(guī)?;叩奶萏颷55]。另一方面,由于1999年國(guó)務(wù)院做出決策在我國(guó)開(kāi)始實(shí)施退耕還林工程,截止2007年,黃河流域及北方地區(qū)累計(jì)完成退耕還林138萬(wàn)公頃。因此在黃河流域地埂多為小規(guī)模地方或農(nóng)戶層面所應(yīng)用的措施。
目前我國(guó)應(yīng)用的地埂類技術(shù)主要包括黃河流域的梯田埂/植物固結(jié)埂、東北地區(qū)及黃河流域的地埂植物帶/等高植物固結(jié)地埂及西南地區(qū)為主的植物籬技術(shù)。
東北黑土區(qū)的坡耕地面積為1 280萬(wàn)hm2,大多數(shù)坡耕地都存在不同程度的水土流失[56]。水土流失至少使糧食減產(chǎn)10%,對(duì)當(dāng)?shù)丶Z食安全構(gòu)成極大威脅[57]。因此地梗植物帶技術(shù)近年在東北黑土區(qū)推廣、應(yīng)用效果良好。地埂植物帶技術(shù)已經(jīng)寫(xiě)入《黑土區(qū)水土流失綜合防治技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。眾多學(xué)者也在東北三省對(duì)地埂植物帶技術(shù)進(jìn)行了深入的研究試驗(yàn)和示范[11]。
2.2.2 梯田埂。黃土高原地埂減少,梯田增多,因而對(duì)于梯田埂上種植植被形成植物埂的研究較多。
根據(jù)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)分析,截至2012年底,黃土高原地區(qū)現(xiàn)有水平梯田371.29萬(wàn)hm2,主要分布在甘肅省黃河流域及其鄰近地區(qū)、山西省河龍間支流流域,這些區(qū)域水平梯田面積占黃土高原梯田總面積的54.3%;渭河、涇河和祖厲河流域梯田質(zhì)量等級(jí)較高且多以農(nóng)耕為主,河龍間梯田多為4~6 m的窄條梯田,質(zhì)量較低[58]。
為防治水土流失,改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境,提高單位土地生物生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)能力,增加農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,將適宜的喬木、灌木或草本植物配置在梯田埂坎上形成的一種復(fù)合農(nóng)林生產(chǎn)類型被稱為梯田植物埂、植物固結(jié)地埂或地埂籬[59]。該區(qū)近來(lái)的主要研究工作是植物固結(jié)地埂的水保作用、生態(tài)作用及經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)。
2.2.3 植物籬。除了地埂植物帶、梯田埂之外,植物籬技術(shù)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)重點(diǎn)研究推廣的一項(xiàng)具有類似地埂功能的水土保持技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)于20世紀(jì)90年代由張信寶等引入中國(guó)[60]。90年代初水保學(xué)者先后在四川省、貴州省、河北省、三峽庫(kù)區(qū)、湖北省、山西省、浙江省及東北黑土區(qū)展開(kāi)了引進(jìn)試驗(yàn)研究[61]。但截止目前,在我國(guó)植物籬措施的推廣應(yīng)用效果并不理想。
地埂截短坡長(zhǎng),攔蓄部分地表徑流,減輕土壤沖刷[3]。國(guó)內(nèi)外大量的研究表明,土埂/石埂還能過(guò)濾徑流的泥沙,減緩徑流的流速,減輕土壤退化,增加雨水的入滲,補(bǔ)充地下水,均勻疏導(dǎo)水而減少切溝形成[31,62-64]。中長(zhǎng)期效益是可通過(guò)向梯田的發(fā)展而降低坡度埂帶植被的形成及土地管理模式的改變[65]。
地埂措施與沒(méi)有任何措施的對(duì)照相比,在不同降雨條件下,種植不同的作物均可獲得增產(chǎn),但結(jié)果不一,在扣除地埂占地面積之后,通常為10%~15%,有的可高達(dá)200%以上[49,66-68]。由于興建梯田時(shí)對(duì)表土有擾動(dòng),因此地埂有的在最初幾年產(chǎn)量甚至高于梯田[69]。
地埂植物帶除了具有地埂的各種水保、生態(tài)功能和經(jīng)濟(jì)效益之外,還因埂上栽培的埂帶植物而具有疊加的作用。
3.2.1 不同埂帶植物具有不同的水保效果。埂帶植物因其種類的不同而具有不同的冠層和根系,因此水土保持效果不盡相同。黑龍江省的一項(xiàng)研究表明,短梗刺五加和藍(lán)靛果比長(zhǎng)梗刺五加及蘆筍等具有更好的保水保土效果,如短梗刺五加凈流量分別是長(zhǎng)梗刺五加、藍(lán)靛果和蘆筍的36.8%、50.8%和33%;土壤流失量短梗刺五加分別為長(zhǎng)梗刺五加、藍(lán)靛果和蘆筍的62.0%、74.6%和45.5%[70]。
3.2.2 加固地埂的作用。埂帶植物的根系可固土抗蝕,增強(qiáng)地埂的穩(wěn)定性。據(jù)對(duì)4年生地埂紫穗槐固土力的測(cè)定,紫穗槐地埂土壤的抗剪力是裸埂的3.7倍。而侵蝕量?jī)H為裸埂的1/35,明顯地增強(qiáng)了地埂的穩(wěn)定性,減緩了坡面徑流,防止了土壤沖刷。4年生紫穗槐籬坡耕地與鄰近光埂坡耕地相比減少?gòu)搅髁?7.6%,減少?zèng)_刷量35%,比無(wú)埂坡耕地減少?gòu)搅髁?.2%,減少?zèng)_刷量72.2%,差異極其明顯[71]。
埂帶植物的冠層截留了降雨,凋落物則防止了埂面土壤遭濺蝕。周興魁等人對(duì)河北省懷安縣的埂帶植物紫穗槐的水保效應(yīng)進(jìn)行了研究[71]。紫穗槐枝葉密集,生長(zhǎng)迅速;郁閉早,植后3年就基本覆蓋地面。4年生地埂紫穗槐的叢冠截留降水量為0.69 mm,這說(shuō)明紫穗槐對(duì)降雨能起到緩沖截留作用。4年生地埂紫穗槐枯枝落葉層厚2~5 cm,最大吸水率為195%,一次可吸收降水1.20~2.81 mm,可有效地減緩地表徑流,過(guò)濾泥沙,增加滲透,蓄水保土,防止濺蝕,保護(hù)埂面。同時(shí)對(duì)埂面流向田間的地表徑流產(chǎn)生了阻礙,使鄰近埂面的田間土壤免遭沖刷。
3.2.3 生態(tài)作用。同裸埂比紫穗槐地埂的土壤更松散,容量更小,孔隙度更大;土壤滲透性、通氣性良好,吸水、保土能力強(qiáng),土壤養(yǎng)分也高。尤其改良坡耕地作用顯著[72]。研究指出,埂帶植物通常都具有較好的保持土壤水分的作用,尤其是短梗刺五加在地埂上含水量顯著高于對(duì)照[70]。
東北吉林省地埂植物帶均能改善地埂土壤的通透性,提高土壤滲透及蓄水能力;不同植物對(duì)地埂土壤性質(zhì)改善的效果不同,黃花菜地埂土壤孔隙度最好,黃花菜與紅小豆混種地埂土壤保水保肥效果好[73]。
張玉斌在吉林省黑土區(qū)研究了地埂植物帶等水保措施對(duì)土壤有機(jī)碳、堿解氮、速效磷及速效鉀的影響,指出短時(shí)間來(lái)看,地埂植物帶對(duì)土壤有機(jī)碳的影響不大,但對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響效果明顯[74]。
3.2.4 經(jīng)濟(jì)效益。有一定的爭(zhēng)奪養(yǎng)分和光照因素的埂帶植物多具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,如黑龍江省刺五加、藍(lán)靛果,西北的紫穗槐等。在固土護(hù)坡的同時(shí)獲得可觀的經(jīng)濟(jì)收益[70,72]。國(guó)外的研究表明,埂帶植物可以增加總生物產(chǎn)量,農(nóng)民則通過(guò)收獲飼料、補(bǔ)充土壤氮含量、收獲水果、薪柴及綠肥等獲得增收[75]。
地埂技術(shù)是一項(xiàng)具有悠久歷史的傳統(tǒng)集水和水土保持技術(shù),曾經(jīng)廣泛應(yīng)用于以遠(yuǎn)東、非洲為主的世界各地。在我國(guó)歷史上和建國(guó)初期及非洲和印度等地都曾經(jīng)發(fā)揮過(guò)重要的作用。
近代以來(lái),隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的變化,地埂作為一項(xiàng)需要投入較大勞力的傳統(tǒng)技術(shù)和高山梯田一樣漸漸被人們所遺忘。同時(shí)隨著人類對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視,坡度大的坡耕地逐漸退耕還林還草,也加速了高山梯田和地埂技術(shù)退出以發(fā)達(dá)國(guó)家為主的水土保持技術(shù)體系。
上世紀(jì)80年代世界范圍內(nèi)開(kāi)始推廣、應(yīng)用植物籬技術(shù),以期取代地埂這樣的傳統(tǒng)水土保持技術(shù)。此外,隨著上世紀(jì)60年代保護(hù)性耕作技術(shù)的開(kāi)展,人們也期待通過(guò)耕作方法來(lái)替代地埂的水土保持功能。
然而在一些國(guó)家開(kāi)展的用草籬代替或彌補(bǔ)土埂的研究工作結(jié)果卻不樂(lè)觀[76]。印度學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)評(píng)價(jià)草籬的效益,指出,植物籬不可能取代地埂[34]。同時(shí)發(fā)達(dá)國(guó)家不斷擴(kuò)大灌溉面積導(dǎo)致水資源的枯竭和土壤鹽漬化等問(wèn)題的出現(xiàn),讓越來(lái)越多的學(xué)者認(rèn)識(shí)到,傳統(tǒng)的水土保持措施仍然具有深遠(yuǎn)的意義,尤其生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面,很多學(xué)者認(rèn)為有必要對(duì)傳統(tǒng)水保措施進(jìn)行新的研究[2]。
以美國(guó)為例,目前水土保持技術(shù)中有梯田的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)然這種梯田有別于我國(guó)的梯田類型。在4種梯田的類型中,其中之一就是窄底(基)梯田。而窄底梯田就十分接近于我們這里討論的傳統(tǒng)地埂技術(shù)??梢?jiàn)地埂技術(shù)可以隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步而通過(guò)不斷更新其形式來(lái)繼續(xù)發(fā)揮作用。美國(guó)的窄底梯田與我們的地埂技術(shù)的應(yīng)用差別主要在于窄底梯田有嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并嚴(yán)格應(yīng)用在緩坡地上,一般坡度在5.7°~10°。此外美國(guó)有與窄底梯田配套的農(nóng)機(jī)設(shè)備,非常便于農(nóng)耕作業(yè)。而我國(guó)的地埂技術(shù)由于修建時(shí)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)不嚴(yán),制約了其應(yīng)有的功能和效益,也限制了其應(yīng)用和推廣。
從目前我國(guó)東北的現(xiàn)狀看,實(shí)現(xiàn)全面的陡坡坡耕地退耕還林道路還很漫長(zhǎng)。而梯田技術(shù)在一些地區(qū)由于土質(zhì)條件不適合修筑梯田,因而地埂技術(shù)成為不二選項(xiàng)。為了使該項(xiàng)技術(shù)能充分發(fā)揮作用,對(duì)地埂技術(shù)進(jìn)行更新升級(jí)就十分必要。
此外,地埂技術(shù)目前也存在一些問(wèn)題。如在我國(guó),埂帶植物會(huì)影響農(nóng)民的主要作物的產(chǎn)量,因而會(huì)引起一些抵觸[77]。另外埂帶植物種類少,經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高,不能形成規(guī)模效應(yīng)及研究投入不足等[78]。而地埂植物帶的修建在非洲、印度等地還存在著勞力、設(shè)備不足等問(wèn)題[79]。這些都需要在今后的應(yīng)用實(shí)踐中逐步加以解決和完善。
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