我国水土保持科技近期进展与展望

2013-01-28曹文洪刘国彬鲁胜力王昭艳

中国水土保持 2013年5期

曹文洪，刘国彬，鲁胜力，王昭艳

(1.水利部水土保持生态工程技术研究中心，北京 100048;2.中国水利水电科学研究院，北京 100048;3.中国科学院/水利部水土保持研究所，陕西杨凌712100;4.水利部水土保持司，北京 100053)

我国是世界上水土流失最为严重的国家，在长期治理水土流失的实践过程中，科学技术发挥了重要的支撑作用，不断提升了水土流失防治水平。尤其是“十一五”以来，在广大水土保持科技工作者的努力下，开展了大量的科学研究和科技示范推广工作，取得了一系列科技成果，为我国水土保持事业的发展做出了积极的贡献。当前，我国进入了全面建成小康社会，大力推动生态文明建设的关键时期，系统总结近期水土保持科技工作进展和科学研究取得的成果，明确近期水土保持重大基础理论研究和关键技术研发的重点，对于加强科技创新，提高水土保持科技贡献率，全面推进新时期水土保持事业发展，大力推动生态文明建设具有重大意义。

1 水土保持科技工作进展

1.1 编制印发了《全国水土保持科技发展规划纲要》

2008 年，水利部印发了《全国水土保持科技发展规划纲要》(2008—2020年)，明确提出经过5～10年的努力，构建水土保持科技示范与推广、监测评价两大体系和国家基础理论研究、水土保持科技协作和国家水土保持科学决策与工程设计支撑三大平台，在水土保持重大基础理论和关键技术研发、应用等方面取得突破的水土保持科技发展目标。根据中国水土保持生态建设的实际情况和发展趋势，强调水土保持科技要遵循“面向实际，理论研究与生产实践相结合;重点突破，长远目标和近期目标相结合;兼收并蓄，集成创新与引进吸收相结合;注重成效，实用技术开发与高新技术应用并举”等四项基本原则。

1.2 水利部、中国科学院和中国工程院联合开展了中国水土流失与生态安全综合科学考察

2005—2008 年，水利部、中国科学院和中国工程院联合开展了新中国成立以来水土保持领域影响最大的一次综合性科学考察——“中国水土流失与生态安全综合科学考察”工作，摸清了我国水土流失现状，全面总结了我国水土流失防治的成绩与经验，系统揭示了我国水土流失防治工作中存在的问题，提出了水土流失防治对策及建议。科考成果凝聚了众多院士、专家和广大科技工作者的辛勤劳动，促进了我国水土保持科技创新，为防治水土流失、加强生态建设提供了科学依据。

1.3 国家“973”、科技支撑项目等一系列国家级重大研究项目相继开展

“十一五”以来，在“中国水土流失与生态安全综合科学考察”基础上，紧紧围绕黄河中游、长江上游、东北黑土地保护、石漠化治理、南方崩岗治理等国家重点工程和大型生产建设项目水土流失治理中急需解决的关键技术问题，相继开展了“中国主要水蚀区土壤侵蚀过程与调控研究”、“西南喀斯特山地石漠化与适应性生态系统调控”、“黄河上游沙漠宽谷段风沙水沙过程与调控机理”等国家“973”计划项目，“黄土高原水土流失综合治理关键技术”、“长江上游坡耕地整治与高效生态农业关键技术试验示范”、“红壤退化的阻控和定向修复与高效优质生态农业关键技术研究与试验示范”、“松嫩－三江平原粮食核心产区农田水土调控关键技术研究与示范”、“农田水土保持关键技术研究与示范”等国家科技支撑计划项目，“水蚀地区坡面水土流失阻控技术研究”、“生产建设项目水土流失测算共性技术研究”、“汶川地震区新生水土流失环境效应分析研究”等水利部公益性专项，“三峡库区水土流失与面源污染控制试验示范”和“西南喀斯特生态系统退化机制与适应性修复试验示范研究”等中科院西部行动计划，国家自然科学基金创新研究群体项目“流域水循环模拟与调控”、中科院重大方向性项目“水蚀风蚀交错区水土保持与受损生态系统关键技术与示范”以及教育部科研创新团队项目“黄土高原流域生态系统中水土迁移机制及其调控原理”等一系列国家级重大研究项目。项目研究区涉及我国水土保持工作的七大片区，水土保持科学研究工作呈现领域不断扩大、项目不断增加的良好局面。

1.4 水土保持科学研究基础平台建设稳步推进

初步建成了由1个部级中心、7个流域中心站、31个省级总站、175个地级分站和750多个监测点组成、基本覆盖各类水土流失类型区的监测站网。建立了一批水土保持科学试验站、国家级水土保持试验区和土壤侵蚀国家重点实验室。命名了84个国家水土保持科技示范园区和24个全国中小学水土保持教育社会实践基地。在全国范围内全面启动了国家水土保持生态文明工程建设，建成了一批国家水土保持生态文明县、生态文明市、生态文明工程，起到了很好的带动作用。中国水土保持学会科技协作工作委员会自2008年成立以来，学术交流活跃，渠道畅通，为全国产学研单位提供了沟通平台。

1.5 科技成果转化力度明显增强

黄土高原地区的机修梯田、淤地坝设计与建设、雨水利用等技术发展良好。北方土石山区的旱作保墒，以及南方丘陵山区的崩岗防治等技术受到当地群众的普遍欢迎。坡耕地水土保持微地形改造、土壤改良培育、坡面径流调控与节水抗旱等技术在长江中上游地区得到全面的推广应用。生态修复、植物篱、水土流失动态监测等技术进一步推广。清洁小流域建设、面源污染防治等技术从试验示范开始到逐步推广。

2 水土保持科学研究进展

2.1 水土保持基础理论研究进展

2.1.1 主要水蚀区土壤侵蚀过程观测与基础数据库建设

新建野外观测试验小区135个，修复野外观测试验小区138个，建设野外观测试验基地(流域)81处，完善了全国土壤侵蚀观测试验体系;在全国选60个样区，在4个水蚀区选典型县进行了496组次抽样调查，采集土壤、植物等样品4万多份，开展室外原位模拟降雨试验2 000多场次、室内模拟降雨试验3 000多场次，构建了全国土壤侵蚀环境基础数据库框架和水土保持数据共享平台，编绘了《中国土壤侵蚀地图集》。

2.1.2 坡面水沙二相流侵蚀动力学过程

目前国内外流域侵蚀动力过程一直采用清水动力学方程进行描述，而坡面水流是水沙共存的浑水运动。为此，我国科学工作者将河流动力学的水沙两相流理论应用于描述坡面水沙二相共存的浑水动力学过程，初步建立了坡面水沙二相流侵蚀动力学过程描述方程，进行了方程的参数测定、敏感性分析，并利用实测资料对方程进行了验证。验证结果表明，坡面水沙二相流侵蚀动力学方程能够较好地模拟黄土区坡面侵蚀产沙过程及侵蚀量。

2.1.3 多尺度土壤侵蚀预报模型

构建了适合我国坡面、流域、区域侵蚀特点的土壤侵蚀模型。在前人研究基础上，依据分布在不同类型区径流小区长期的观测资料和大量人工降雨模拟实验数据，构建了适合我国的坡面土壤侵蚀模型(A=R·K·L·S·B·E·T)。在坡面模型研究基础上，依据小流域定位观测和模拟实验数据，修订了洪峰流量公式，构建了适合中国的小流域分布式土壤侵蚀模型。结合坡面和小流域模型研究，在分析区域土壤侵蚀过程的基础上，集成了产沙、汇沙研究成果，建立了基于GIS的区域土壤侵蚀模型。该模型在地形因子尺度转换和多尺度模型集成方面取得了明显突破，被主管部门指定用于国家水利普查。

2.1.4 黄河上游沙漠宽谷河道粗泥沙来源与传输机理

集成240根河道钻孔近12万个粒度级配数据，确定黄河内蒙古河段粗泥沙界限应为＞0.08 mm，而不能采用黄河下游＞0.05 mm的标准，并将沙漠沙纳入黄河粗泥沙范畴，为黄河宁蒙河段粗泥沙的源区治理提供了依据。风沙入河量大，填淤河槽与滩地，迫使河道东移，典型沙丘3D高精度扫描表明:2010年5—6月份沿岸沙丘向河道方向推移的沙量为5.25万t/km，沙丘平均向前移动3.94 m;通过风沙－水沙－河道三位一体泥沙平衡计算方法得到乌兰布和沙漠段入黄沙量为0.2 亿～0.4 亿 t。

2.1.5 沙漠泥流形成机理

十大孔兑是黄河内蒙古河段粗泥沙重要源区，风－洪互作形成以高频沙暴与低频泥流为特征的水土流失与粗沙入黄过程。风水复合侵蚀是十大孔兑泥流形成的动力机制，沙丘沙是沙漠泥流输送的主要组分，十大孔兑小流域泥流风－洪产沙比约为1∶1。对泥流入黄过程进行数值模拟，给出了泥流入黄沙坝形成的临界条件。

2.1.6 流域系统侵蚀产沙传递与坝控流域数值模拟

建立了基于能量理论的水沙模型及流域地貌形态与侵蚀产沙耦合水土流失预报模型，构建了反映流域侵蚀产沙物理过程的分布式模型;基于复合核素示踪技术，分析了土地利用变化对坝控流域土壤侵蚀产沙变化的影响，确定了坝地沉积泥沙来源;提出了基于土地利用变化下的流域土壤侵蚀模数确定方法;实现了黄土高原坡沟系统小流域重力侵蚀数值模拟，阐明了沟壑整治技术对土壤侵蚀的调控机理。

2.1.7 红壤水土流失与阻控机理

实测资料表明:雨季红壤储蓄径流能力有限，降雨和径流压实地表，产生结皮，促进地表径流;大团聚体破碎后，小团聚体容易流失，有机质稳定大团聚体;有结构体的红壤侵蚀量明显减少，红壤团聚体破坏后产流产沙增加。因此，基于红壤团聚体破坏后产流产沙增加的特点，应以减少雨滴和径流的机械破坏为核心，保护红壤团聚体;基于雨季红壤储蓄径流能力有限的特点，不强调拦蓄径流，以减缓径流为主;基于旱地坡度，采用不同的工程和生物措施配套，缓坡(5°～10°)只需减缓径流措施，中坡(10°～15°)减缓径流措施结合工程措施，中陡坡(20°～25°)采取工程措施。

2.1.8 岩溶石漠化区水土流失强度的分级标准

分析碳酸盐岩成土的基本过程及影响因素，通过对典型点的碳酸盐岩侵蚀速率及对应的降水量、温度、NPP(植被净初级生产力)、SR(土壤呼吸速率)的调查分析，建立数学模型，估算碳酸盐岩成土速率。在此基础上，初步厘定了岩溶石漠化区水土流失强度的分级标准，将西南岩溶区土壤侵蚀强度的标准划分为微度、轻度、中度、强度、极强度、剧烈，相应土壤侵蚀模数分别为:＜30、30 ～100、100 ～200、200 ～500、500 ～1 000、≥1 000 t/(km2·a)。

2.1.9 生产建设项目水土流失测算方法

初步建立了生产建设项目水土流失分类体系，确定了不同类型的水土流失特征及其与原生地表水土流失的关键差异;确定了工程堆积体的物质结构及概化比尺模型;构建了针对一般扰动地表、工程开挖面和工程堆积体水土流失量以及建设项目风力侵蚀量的测算模型及其参数体系;设计了基于三维激光扫描与数字高程模型对比的工程开挖面侵蚀量测算，基于超长坡扰动小区人工降雨观测的农林开发地表侵蚀量测算，基于便携式风洞野外观测的工程扰动地表风蚀特征参数测定等应用于生产建设项目水土流失测算研究的试验方法和技术。

2.1.10 水蚀区坡面水土流失阻控理论

基于地统计学和GIS技术，绘制了近60年全国降雨侵蚀力及其变化斜率的等值线分布，解析了全国及不同水蚀类型区的降雨侵蚀力时空演变与分布特征;在新建降雨侵蚀力简易算法、修订土壤可蚀性算式的基础上，构建了适用于南方红壤坡地的通用土壤流失方程模型;针对超渗产流特征，建立了南方红壤坡地的次降雨产流物理模型;搭建了可观测地表径流、输沙和不同深度壤中流的坡面水分渗移观测小区，基于试验观测确定了典型水土保持措施对南方红壤坡地地表径流、壤中流及土壤水的调控效应。

2.2 水土保持关键技术研究进展

2.2.1 黄土高原坡面降雨径流调控与高效利用技术

研发了适应黄土高原水土资源利用的“土壤固化剂”材料和改进增渗扩蓄材料，开发了固化土水窖、场窖一体化柔性橡塑水窖、竹塑复合材料拼装式水窖和PVC－U缠绕式水窖等径流调控装置，开发重力微压滴灌，结合坡地土地资源利用，形成了黄土高原贫困劣质水地区雨水安全集蓄人饮利用模式、丘陵沟壑区“梯田苹果+水窖+节水灌溉”利用模式、高原沟壑区“苹果+降雨径流收集存贮+节水灌溉”高效利用模式及利用不同类型道路收集降雨径流灌溉作物利用模式，初步实现了水土资源高效利用与模式示范。

2.2.2 黄土高原沟壑整治工程优化配置与建造技术

提出了新时期黄土高原建设生态、节水、安全和可持续发展淤地坝的规划技术思想，开发了淤地坝统筹规划技术、水坠淤地坝排水技术、淤地坝放水工程结构优化技术、淤地坝卧管和涵洞新型设计技术、淤地坝建设破土面及坝体绿化技术、淤地坝“随淤即用”等新技术，初步形成了新时期淤地坝规划、布局、建设、建造、运行管理的技术体系。

2.2.3 黄土高原林草植被可持续恢复与营造技术

通过对典型区域植被生态系统恢复过程中生物生态学机理的研究，初步解决了侵蚀环境下林草种配置与培育技术问题，构建了不同地区天然植被封育及人工促进恢复技术、人工植被改造与天然化培育技术和严酷生境林草种类选择与培育技术体系，提出了植被生态系统景观格局优化配置模式。以地带性植被为参照，合理利用水资源，培育林草植被的具体途径是:天然群落恢复——依靠自然恢复+人工促进;人工群落建设——利用乡土植物+合理培育技术措施;退化人工群落——近自然经营，通过间伐逐步取代衰退种群。通过对退耕地植被天然恢复的长期监测，提出了黄土高原丘陵沟壑区退耕地恢复的阶段性目标:群落盖度80%以上，基本能够发挥水土保持功能。

2.2.4 长江上游坡耕地水土保持微地形改造技术

通过人工降雨模拟实验，137Cs、210Pb、7Be等核素示踪技术，坡地微地貌扫描，径流小区监测资料等，基本查明了长江上游的三峡库区、川中丘陵区、横断山区、云贵高原岩溶山区和秦巴山区优势坡度坡耕地发生细沟侵蚀的临界坡长。在临界坡长处采用横坡截流沟截断坡面，形成大横坡;在大横坡地块内，顺坡起垄，形成小顺坡;在此基础上辅以地埂和植物篱。据此研发集成了“大横坡+小顺坡耕作技术”、“控制坡耕地细沟侵蚀的地埂+经济植物篱坡式梯地改造技术”，大大降低了坡耕地整治成本，减少水土流失60%以上。

2.2.5 长江上游坡耕地土壤改良培肥技术

针对长江上游坡耕地土层浅薄、土壤肥力退化问题和山区泥石流滩地广泛分布的现状，研发了川中丘陵区“紫色土坡耕地生产力稳定的临界土层厚度整治技术”、“紫色土土壤有机质提升技术”、“干热河谷区燥红土肥力恢复与维持技术”、“喀斯特石质坡地土壤补充矿质养分技术”和“泥石流滩地整治技术”等，可有效提高土壤肥力。

2.2.6 红壤稀疏马尾松林植被重建技术

基于群落构建的生态位理论(环境驱动)和中性理论(扩散和随机)的结合，确定了侵蚀红壤劣地马尾松林植被恢复重建的群落构建指标，提出了提升林地地力的工程－植物－施肥技术和适生性乔、灌、草物种筛选与种植技术。针对花岗岩红壤侵蚀劣地，构建了水保草覆盖、乔灌草混交、老头松近自然改造和经济林生草覆盖4等种群落快速恢复模式。

2.2.7 治坡+降坡+稳坡三位一体崩岗治理模式

明确崩岗形成过程以及水分对崩岗剖面土层抗剪强度的影响，划分崩岗功能区，提出分区匹配工程治理技术，建立了“治坡+降坡+稳坡三位一体”崩岗经济开发型治理模式。治坡是对沟头集水坡面进行开发性治理，以生物措施为主，辅之必要的工程措施;降坡是采用机械或人工的方法对地形破碎的崩岗群坡地，进行削坡开级并修整成平台;稳坡是治理沟口冲积区，提高侵蚀基准面，稳定坡脚，降低崩塌的危险。

2.2.8 侵蚀黑土农田水土保持耕作技术

针对黑土土壤渗透弱和雨季水蚀较重的问题，研发了侵蚀黑土农田水土保持耕作技术。其要点包括:①垄沟深松。适宜坡度＜3°的坡地，苗期垄沟深松，增加土壤水分入渗，涵养水分。②垄向区田。垄向区田犁沿垄沟间隔60～200 cm修筑土埂形成储水格，适于坡形不规整和坡度＜6°的坡地。③等高耕作条带种植。坡度＜5°时，横坡起垄，等高耕作。④高秆与矮秆作物间作护埂植物带。坡度＞5°时，沿等高线修筑地埂，埂上种胡枝子、草木樨、马莲或黄花菜等经济植物。⑤留茬保护性耕作。适于＞3°的坡耕地。

3 水土保持科技的重点方向

《全国水土保持科技发展纲要》明确提出:强化十大基础理论研究，突出九项关键技术，明晰不同土壤侵蚀区水土保持研究重点。为充分发挥科技的支撑作用，解决水土保持学科发展的重大科学问题和水土保持生态建设中的技术难题，我们提出了近期水土保持科学研究的重点方向。

3.1 近期水土保持重大基础理论研究重点

3.1.1 土壤侵蚀动力学机制及其过程

采用多学科交叉的研究方法，开展坡面和沟道水流运动力学、输沙力学及侵蚀动力学研究，剖析流域泥沙的侵蚀、输移和沉积等3个主要过程，揭示坡面侵蚀产沙与沟道泥沙输移耦合作用机制，探讨人为侵蚀与特殊侵蚀过程机制。

3.1.2 多尺度的土壤侵蚀模型

在我国坡面侵蚀过程与河流泥沙运动研究的基础上，将坡面侵蚀产沙、沟道汇沙、河流输沙等过程纳入一个系统进行整体研究，重点研发大尺度区域土壤侵蚀预测和评价模型，构建适合我国侵蚀特点的坡面、流域、区域三种尺度土壤侵蚀模型。

3.1.3 水土保持效应及对江河泥沙演变的作用机理

研究大规模水土流失综合治理条件下流域侵蚀特征和土壤侵蚀模数的变化规律，揭示水土保持措施对入河水沙的作用机制，分析流域产流产沙与河流水沙过程的响应关系，阐明水土保持措施对江河泥沙演变的作用机理，为新形势下水土保持与江河治理决策提供科学依据。

3.1.4 退化生态系统植被恢复机制

研究生物过程与地学过程耦合作用机理，特别是不同区域地理环境直接或间接作用于生物过程，进而影响到侵蚀过程。开展生态系统退化的过程和机理研究，提出人工恢复和自然恢复的途径和效应评价方法。

3.1.5 水土保持与全球气候变化的耦合关系

水土流失与水土保持改变下垫面，影响全球碳循环，引起气候的变化，同时全球气候的变化也会影响区域水土流失强度与水土保持的效果。研究全球气候变化大环境下土壤侵蚀的形成、演变、危害及其调控机理，定量评估气候变化与人为因素对侵蚀产沙的作用份额，分析水土流失、水土保持与全球气候变化的内在联系及其对土壤碳汇的影响，为制定控制区域水土流失的低碳生态策略提供科学依据。