黄土丘陵沟壑区生态修复和植物景观营造模式与策略——以郑州市滨黄河区域为例

徐恩凯 周梓滢 胡永歌 田国行*

党的十九大以来，生态文明建设成为新时代的主旋律，全社会对生态环境的重视提升到了前所未有的高度[1]，退化生态系统的恢复与重建、山水林田湖草生态保护修复等工作在全国范围内开展。黄河流域是中国重要的生态走廊和生态屏障，在中国生态安全方面具有非常重要的地位，保护黄河流域生态安全是事关中华民族伟大复兴的千秋大计[2]。长期以来，滨黄河黄土丘陵沟壑区的地形破碎、沟壑纵横、坡陡沟深、土体松软易蚀、植被稀疏等问题[3]，严重制约了区域经济和社会的和谐发展，对黄河流域甚至国家生态安全构成威胁。

从20世纪50年代开始，甘肃省定西市[4-5]、甘肃省齐家川示范区[6]、陕西省延安市[7]等地采取修建淤地坝[8]、生物（植被）工程、自然修复、土地优化、山水林田湖草综合治理等各种手段对黄土丘陵沟壑区生态环境进行整治，黄土丘陵沟壑区生态修复取得了明显的效果[9-10]。围绕黄土丘陵沟壑区水土保持和生态修复问题，专家学者们从不同角度提出了自己的解决方案。郑晓敏[11]根据河南省黄土丘陵沟壑区地形地貌及水土流失情况，提出了该区植被恢复与重建过程中应采取的关键技术措施。张莉等[12]针对河南省黄土丘陵沟壑区的植被恢复问题，探讨了该区植被恢复与重建中树种选择的原则、不同立地类型区造林树种和主要树种的配置模式。陆佩毅[13]根据陇中市黄土丘陵沟壑区存在的生态和植被重建问题，提出了该区植被恢复与重建的对策及建议，对黄土高原水土流失防治措施的实施具有参考意义。裴卫国[14]针对豫西黄土丘陵沟壑区水土流失严重、生态环境脆弱等生态问题，提出了该区的植被恢复与重建模式，为该区的生态建设提供参考。针对黄土丘陵沟壑区脆弱生境的生态环境问题，如何在重建与恢复植被的同时营造良好的植物景观一直以来也是学者们积极研究和探索的课题。李团胜等[15]针对不同的黄土高原区景观生态特征提出了不同的景观建设策略；花东文等[16]应用GIS技术和景观格局指数分析方法，对1978—2010年延河（黄河的一级支流）流域的土地利用景观结构特征、斑块特征和空间格局的变化规律进行了系统分析，给黄土丘陵沟壑区土地资源的合理利用和生态环境的改善提供了理论依据。以上理论与实践中，大多数学者主要关注不同立地条件下的树种选择，但较少涉及黄土丘陵沟壑区的生态功能分区以及不同生境类型的植物配置。

郑州市滨黄河黄土丘陵沟壑区作为黄河流域生态保护、修复与重建的重点区域和关键地带，是河南省黄河湿地公园群的重要过渡区域、黄河国家文化公园的重要载体以及河南省黄河流域国土空间规划中“黄河生态保护带”和森林河南生态建设规划中“沿黄生态保育带”的重要节点。对滨黄河黄土丘陵沟壑区实施生态修复，对于构建沿黄生态屏障，增加黄河沿岸生态绿量，提升生态系统的服务功能和自我恢复能力，实现黄河流域生态系统的可持续和高质量发展具有重要意义。因此，在对滨黄河黄土丘陵沟壑区基本特征以及退化机理研究的基础上，系统研究黄土丘陵沟壑区中生态脆弱区的生态系统恢复能力和景观重建情况，不仅是区域生态安全和社会经济发展的迫切需要，更是当前生态文明建设中刻不容缓的工作。

本研究以国土空间生态修复理论和方法为指导，坚持重在保护、要在治理的根本方针，坚持生态优先、绿色发展的基本原则[17]，结合山水林田湖草综合治理的理念，基于实地调研，采用遥感技术和地理信息技术，以生态保护、生态修复为主要思路，以植被恢复为区域生态恢复的突破口，对郑州市滨黄河黄土丘陵沟壑区进行生态修复和植物景观营造模式和策略的探索，旨在打造黄河流域生态保护和高质量发展长廊，实现以自然生态要素为主体的郑州大都市圈东西向绿色发展轴，构建区域生态安全格局，为后期中国滨黄河黄土丘陵沟壑区的生态修复和植物景观营造提供相关思路和参考。

1 研究区自然地理概况

研究区位于河南省郑州市荥阳市北部，S312省道以北，黄河大堤以南，西望洛阳，南眺嵩山，北濒黄河，东接郑州，面积约104 km2。研究区属于邙山余脉，中部高，南北低，塬、梁、峁、沟、坡相间，沟壑纵横，地貌复杂，地形切割严重，既有丘陵特征，又有明显的沟壑特点，是黄河中下游冲积平原典型的黄土丘陵沟壑地形地貌[12]。土壤类型包括褐土和潮土2个土类，普通褐土、潮褐土、褐土性土、黄潮土4个亚类[18]。研究区属于北温带大陆性季风气候，植被区划分为暖温带落叶阔叶林区，以刺槐（Robinia pseudoacacia）、泡桐（Paulownia fortunei）、白榆（Ulmus pumila）、臭椿（Ailanthus altissima）、毛白杨（Populus tomentosa）、旱柳（Salix matsudana）、荆条（Vitex negundovar.heterophylla）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、酸枣（Ziziphus jujubavar.spinosa）等乡土植物为主[19]。

2 研究区现状分析

黄土丘陵沟壑区作为中国水土流失治理和生态环境建设的关键区域，自20世纪80年代以来，各级政府实施了退耕还林、荒山造林等一系列治理措施，使该区域植被得到了一定程度的恢复[20]。但由于黄土丘陵沟壑区特有的自然环境特征决定了实施生态修复的难度，同时由于山水林田湖草综合治理体系的缺失以及在引入物种时没有考虑植物的地带性规律、生态位以及乔木、灌木、草本的种植面积比例，该区依然存在水土流失严重、植被覆盖率低和生态系统失衡等问题。

2.1 水土流失严重

研究区属于黄河沿岸地区，笔者通过对无人机影像进行分析，发现该区地形崎岖，沟壑纵横，因为自然和人为活动形成大面积裸露边坡、土质疏松，同时每年7—8月份的暴雨冲刷给地表造成大量的裂缝破坏，导致该区水土流失严重，不仅使地表千疮百孔、景观效果差，而且使该区土地生产力下降，自然生态环境十分脆弱。

2.2 植被覆盖率低

笔者通过实地调研，发现研究区原有乔木主要为刺槐，灌木主要为荆条、酸枣，草本 主 要 为 马 唐（Digitaria sanguinalis）、牛筋 草（Eleusine indica）、狗 尾 草（Setaria viridis）、苍耳（Xanthium strumarium）、葎草（Humulus scandens）、牵 牛（Ipomoea nil）、藜（Chenopodium album）等。总体而言，研究区植物群落结构简单，其中林地生产力低，植被覆盖率低的区域主要位于坡度、高程变化较大的地形破碎地带，导致区域生态系统在水土保持、生物多样性维持、景观美化、水源涵养等生态服务功能上存在显著差异。

2.3 生态系统失衡

研究区的地形相对平坦处大多为已建村庄和开垦的农田，随着郑州市城市空间的扩张，人为活动的入侵对区域生态系统造成了消极影响。表现为人类活动区域周边土壤大面积裸露且植被难以存活、水土流失严重，景观效果差。

3 研究区生态敏感性分析

通过实地调研和无人机拍摄，笔者发现了黄土丘陵沟壑区普遍存在的问题，而后运用GIS空间分析技术实现生态敏感性定量分析，并针对不同生境类型提出植物优化配置模式，为黄土丘陵沟壑区的生态修复和植物景观营造提供基础数据支撑。

3.1 数据来源

生态敏感性分析能够明确研究区可能发生的主要生态环境问题类型及其可能性大小。分析黄土丘陵沟壑区生态环境问题的形成机制及生态环境敏感性区域分布规律，是进行黄土丘陵沟壑区不同生境类型生态修复和植物景观营造的基础。笔者选取高程、坡度、坡向、用地类型、可视域5个在生态敏感性上起主导作用的影响因子作为评价因子[21]，其中高程、坡度、坡向数据来源于ALOS 12.5 m数字高程模型（digital elevation model, DEM）和ArcGIS软件分析，用地类型数据来源于2017年高分二号（GF-2）遥感影像和ArcGIS软件分析，可视域数据来源于ArcGIS软件和LSV软件分析。

3.2 研究方法

以影响黄土丘陵沟壑区生境的生态敏感性程度大小作为等级划分的标准，对在生态敏感性上起主导作用的影响因子进行等级划分，赋值为1~7，分别代表单因子的极低敏感区、低敏感区、中低敏感区、中敏感区、中高敏感区、高敏感区、极高敏感区（表1）。

表1 生态敏感性影响因子等级划分Tab. 1 Grading of factors influencing ecological sensitivity

针对高程、坡度、坡向、用地类型、可视域5个影响因子构建五阶判断矩阵（表2），在Yaahp软件中利用层次分析法（analytic hierarchy process, AHP）计算出5个影响因子对应的权重值和最大特征根值（5.27），随后利用最大特征根值计算得到整合度置信区间（confidence interval, CI）值为0.061。结果表明，CI值通过了一致性检验（CI值＜0.100），各影响因子的权重值计算方法科学可行[21]。

表2 生态敏感性影响因子五阶判断矩阵Tab. 2 Fifth-order judgment matrix of factors influencing ecological sensitivity

3.3 生态敏感性影响因子等级划分

利用ArcGIS的空间分析模块功能依次对高程、坡度、坡向、用地类型和可视域因子的生态敏感性进行等级划分，并绘制各单因子现状特征分布图（图1）。结合实地调研以及DEM数据得到研究区高程，最低为48 m，最高为242 m，将高程划分为7个等级，分类节点为80、110、140、170、200、230 m（图1-1）；结合实地勘察以及无人机影像，对研究区复杂的坡度进行划分，分类节点为3°、7°、12°、20°、30°、40°（图1-2）；结合无人机影像，将研究区的坡向划分为平面、北坡、东北坡、东坡、东南坡、南坡、西南坡、西坡、西北坡①（图1-3）；结合2017年高分二号遥感影像数据将研究区用地类型划分为乔木林、灌木林、草地、农田、水体、裸地和建设用地（图1-4）。可视域分析可以反映黄土丘陵沟壑区沿路的视觉敏感性变化，基于遥感影像数据对研究区主干路网定位并将观察点沿路网均匀布设，结合DEM数据作为可视域分析的数据源，输出结果代表研究区各个位置能被观察点观察到的观察点个数。由于黄土丘陵沟壑区水土流失严重，可视区域的生态环境受到一定的积极保护而呈现相对平衡，而不可视区域的生态环境问题往往被忽视，植物群落的结构趋于简单化，土地生产力较低，容易退化为裸土地，生态敏感性较高。对研究区的可视域进行划分，以52、153、292、468、669、907个为分类节点（图1-5）。

图1 生态敏感性影响因子分析Analysis of factors influencing ecological sensitivity1-1 高程分析Analysis of elevation1-2 坡度分析Analysis of slope1-3 坡向分析Analysis of slope aspect1-4 用地类型分析Analysis of land use type1-5 可视域分析Analysis of visibility area

3.4 研究区生态敏感性评价

根据生态敏感性多因素综合评价模型[22]，将5个单因子生态敏感性数值结合Yaahp软件确定的权重进行空间叠加分析（图2），加权求和的结果值越高，表明研究区的生态敏感性越高。结果表明，研究区总体生态敏感性偏高，生态敏感性较高区域主要分布于黄土丘陵沟壑区高程较高、坡度较陡的滨河区域，现状多为自然林地、地形变化丰富的丘陵地带，植物类型主要为灌木以及草本，可视域较低，生态系统易受干扰和破坏，植物群落易走向消亡，鼓励该区域的生态环境以保护为主，严格布控土地利用，优先进行还林育林，充分发挥其最大生态效益。研究区南部区域整体生态敏感性相对较低，生态系统较为稳定，地势相对平坦，用地类型以农田和乔木林为主，鼓励该区域推进一、三产业融合发展，将农田风光与自然观光相结合，促进研究区农牧业和旅游业的可持续发展。

图2 研究区生态敏感性分析Analysis of ecological sensitivity in the study area

4 黄土丘陵沟壑区生态修复和植物景观营造模式和策略

依据上述综合分析结果，以生态修复和植物景观营造为主线，从生态功能分区、植物空间配置模式、典型生境植物景观营造策略3个方面，针对性地提出黄土丘陵沟壑区黄土塬、黄土梁、黄土峁和黄土沟谷四大类典型生境的规划策略与植物配置方案。

4.1 生态功能分区

基于河南省生态功能区划、建设规划纲要、郑州市自然本底现状等，结合生态敏感性分析，将研究区分为高敏感性区、中敏感性区、低敏感性区，对不同敏感性地区进行不同生态功能的建设引导，采取不同生态管控措施和修复力度。将低敏感性地区规划为一般建设区，面积约为27.6 km2，主要分布于研究区南侧，占总面积的26.6%，对人为活动有一定的耐受性，允许一定强度的基础设施建设，此生态功能区应采取保护天然林、营造人工林等措施以防治土地退化。将中敏感性地区规划为景观营造区，面积约为51.5 km2，穿插分布于一般建设区中，占总面积的49.7%，此生态功能区应在生态保护的前提下，构建绿色基础设施，满足城市居民游憩需求，对于有损生态修复的开发建设活动应严令禁止。将高敏感地区规划为修复保育区，面积约为24.6 km2，占总面积的23.7%，坚持以自然恢复为主、人工修复为辅的中心思想，严禁一切形式的开发建设活动（图3）。

图3 研究区生态功能分区Ecological function division in the study area

4.2 植物空间配置模式

根据研究区的生态敏感性分析和生态功能分区，结合景观视觉效益、植被生态习性和土地利用现状，将植物空间配置模式主要划分为五大类，13个子类（表3，图4）。

图4 研究区植物空间配置模式图Schematic diagram of plant space allocation modes in the study area

表3 研究区植物空间配置模式分类Tab. 3 Classification of plant space allocation mode in the study area

综合生态功能分区与植物空间配置模式，建立适合郑州市滨黄河黄土丘陵沟壑区的生态修复体系，从空间布局上对黄土丘陵沟壑区全域进行植物配置优化，一方面是对黄土丘陵沟壑区受损的生态系统进行有力宏观调控，另一方面也为典型生境植物景观营造提供参考。

4.3 典型生境植物景观营造策略

4.3.1 典型生境划分

利用精度为0.8 m的高分二号遥感影像，结合实地调研和查阅资料，根据研究区地形地貌条件将其生境类型划分为黄土塬、黄土梁、黄土峁和黄土沟谷四大类[23]。

1）黄土塬。黄土塬代表了黄土的最高堆积面，其顶面平坦而宽阔，边缘倾斜3°~5°，周围是较深的沟谷。黄土塬又可分为台塬和破碎塬，台塬指断陷盆地中发育的塬，破碎塬则代表河流高阶地形成的塬。

2）黄土梁。黄土梁是一长条黄土丘陵地带，梁顶倾斜3°~10°是斜梁，梁顶平坦的是平梁，山丘形和马鞍形交替分布的梁称为峁梁。

3）黄土峁。黄土峁为沟谷分割的穹状或馒头状黄土丘。峁顶的面积不大，以3°~10°向四周倾斜，并逐渐过渡成坡度为15°~35°的峁坡。若干个峁大体排列在一条线上的为连续峁，单个的叫孤立峁。

4）黄土沟谷。黄土沟谷可划分为黄土沟坡和谷地2种类型，其中黄土沟坡地貌复杂，依照光照条件分类，可分为阴坡和阳坡；依照坡度分类，可分为缓坡（＜45°），陡坡（45°~75°），以及陡坎（＞75°），坡度越大，立地条件越差。谷地夹于两沟坡之间，主要是沟谷流水侵蚀和坡面黄土物质移动的结果，水分条件比黄土沟坡更好。

4.3.2 植物景观营造

植被恢复是黄土丘陵沟壑区生态恢复的重要环节之一，水资源是黄土丘陵沟壑区植被恢复的主要限制性因子[20]，同时研究区内处于不同坡面和海拔的生境会形成不同的光照、气温、降水、土壤特性和植被分布格局。基于以上分析，在宏观上参考生态功能分区以及典型生境划分，匹配出不同生境类型所适宜的植物空间配置模式。

1）黄土塬植物配置。黄土塬部分地形平坦，塬面土壤侵蚀程度较低，土壤含水程度适中，适合种植经济固土型林草，以改善该区域生态环境以及农业生产条件，植物配置选用模式Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，以期形成多功能、多效益的农林复合生态系统。

2）黄土梁和黄土峁植物配置。黄土梁以及黄土峁是黄土丘陵沟壑区分布最广泛的地貌类型，长期经受严重的水土流失，生态平衡严重失调，适宜选用深根性或者侧根发达的树种，适当辅以适应性强、抗性强、具有耐贫瘠耐干旱等生态特性的固土保水型植物。相对较缓坡面可进行梯田化，种植经济树种，植物配置选用模式Ⅲ、Ⅳ，在保证抗风固土的生态效果和层次分明的景观效果的同时，最大限度提高土地利用率和生产率。

3）黄土沟谷植物配置。黄土沟谷分为黄土沟坡和谷地，依据光照条件，又可以将黄土沟坡分为沟阳坡、沟阴坡，针对不同生境选取了不同植物（图5）。

图5 黄土沟谷地貌以及植物景观剖面图Sectional diagram of landform and plant landscape of loess gully

①沟阳坡。沟阳坡光照相对充足，植物种植以具有固坡护土效益的阳性耐旱林草为主。基于坡度，通过不同的植物配置模式，改善局部土壤水分状况，进而影响整个坡面生态，促进植物的生长与繁衍。其中坡度＜45°的阳缓坡的植物配置选用模式Ⅲ-2、Ⅲ-3；坡度在45°~75°的阳陡坡的植物配置选用模式Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅱ-2、Ⅱ-3；坡度＞75°的阳陡坎的植物配置选用模式Ⅰ-2、Ⅰ-3，以藤本类植物为主。

②沟阴坡。沟阴坡比阳坡土壤含水量更高，立地条件相对较好，通过不同植物组合配置和群落构建，实现沟阴坡水土保持和景观效果的提升。其中坡度＜45°的阴缓坡的植物配置选用模式Ⅲ-1、Ⅲ-2；坡度在45°~75°的阴陡坡的植物配置选用模式Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅱ-1、Ⅱ-2，植物选择以灌木和草本为主，结合藤本类植物；坡度＞75°的阴陡坎的植物配置选用模式Ⅰ-1、Ⅰ-2。

③谷地。谷地地势较低，土壤含水量相对较高，但是由于侵蚀作用强烈，沟谷两侧塌陷较重，所选植物作用主要在于减缓沟坡以及沟道的侵蚀，因此应选用根系发达、密集的植物进行固土，其植物配置选用模式Ⅲ。

4）典型生境植物选取。适地适树是植树造林的基本原则，是决定造林成败的关键[24]。生态建设的实践表明，黄土丘陵沟壑区植被建设，应根据立地条件与植物的生物、生态和群落学特性，营造以地带性植物优势种为主、伴生种为辅的群落结构[25]。笔者依据现场植物资源调研结果和已有研究对造林树种抗旱水分生理指标的测定，在充分挖掘和利用当地植物资源的基础上，根据研究区气候、土壤、地形、地貌等特征，结合相关文献[21,26-28]筛选生态位宽度大、林分稳定性高、景观视觉效果佳的植物作为研究区植物景观营造的基调植物（表4）。

表4 典型生境植物配置名录Tab. 4 Plant allocation list for typical habitats

同时，受研究区立地条件的影响，对于黄土沟坡来说，在沟坡顶不宜种植大型乔木，种植抗风耐旱的小乔木和灌木相对较适宜。阴坡与阳坡坡面上部可种植乔木、灌木、草本植物，坡度较陡则以灌木、草本植物为主，坡面中部混植乔木、灌木植物，可将坡面下部修成梯田发展种植业或营造防护林。沟底水分相对较为充足，可满足各类乔木、灌木、草本植物的生长需求。而坡向、坡位对草本植物生长影响不大，因此草本植物适宜在不同立地种植[25]。

因此，在微观上依据优势植物生态习性的差异和不同立地条件下植物配置的适宜性，得出不同生境类型的植物配置名录。

5 讨论与总结

本研究通过大量的理论积累和实践研究，以生态修复为切入点，针对郑州市滨黄河黄土丘陵沟壑区生境现状，从规划层面，提出黄土丘陵沟壑生态功能区植物空间配置修复体系，包括五大类、13个子类的植物空间配置模式。从设计层面，提出四大类生境类型的植物景观营造策略，为今后滨黄河黄土丘陵沟壑区相似立地条件的脆弱生境营造和景观重建提供参考。

在研究对象选取方面，郑州市滨黄河黄土丘陵沟壑区地貌条件具有典型性，包括所有黄土丘陵沟壑区典型地貌，原始信息丰富全面；在植物景观营造效果方面，基于实地调研以及生态功能区植物空间配置模式，对四大生境类型提出了具体的植物配置模式建议，从理论上可实现各个植物类型在水平或垂直配置上错落有序，在生态功能与效应方面各显其能。下一步还需在样地选取和数据采集点的设置上增加实地样本数量，建立更多具有代表性的观测站，长期开展黄土丘陵沟壑区植物群落特征和多种生态因子监测工作，结合生理与生态实验开展相关研究，以期准确预测黄土丘陵沟壑区植被的动态变化特征和发展趋势，为不同生境类型的景观优化和经营管理提供科学依据。

黄土丘陵沟壑区裸露地表及脆弱生境的修复是长期性、系统性工作，在推进生态文明建设、建立人-地耦合系统的影响下，需要更加注重人与自然之间的相互作用，后续研究还应加入土壤养分、气候环境、人为干扰强度等因子[29]，从保护对象识别、调适植物组合模式、功能和组分的补充与完善、干扰下的植物变化规律等方面开展深入研究，进一步完善脆弱生境的调控理论和实践体系，实现黄土丘陵沟壑区生态系统的可持续发展。

注释(Note)：

① 面朝正北方向设为0°，顺时针旋转一周为360°，依次划分为北坡（0°~22.5°和＞337.5°~360°）、东北坡（＞22.5°~67.5°）、东坡（＞67.5°~112.5°）、东南坡（＞112.5°~157.5°）、南坡（＞157.5°~202.5°）、西南坡（＞202.5°~247.5°）、西坡（＞247.5°~292.5°）、西北坡（＞292.5°~337.5°）。平面没有坡向概念，也不存在对应的旋转角度。