北方土石山区水土流失治理现状与展望

孙天妙，曹建生，阳辉，胡维银

(1.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，中国科学院农业水资源重点研究室，河北 石家庄 050022；2.中国科学院大学，北京 100049；3. 河北省水土保持工作总站，河北 石家庄 050011 )

水土流失是导致土地退化的主要方式之一，对环境和社会产生了直接和间接的重要影响，是全球普遍关注的重要问题。全球土壤侵蚀量在2001—2012年间增加3.5%,联合国可持续发展目标明确提出到2030年实现土地零退化并促进土壤资源保护。我国水土流失严重，水土流失分布范围广、面积大，主要侵蚀类型是水蚀和风蚀。水土流失会降低土壤肥力，破坏水利工程，引发崩塌滑坡等自然灾害，若不及时采取合理措施，必然会使水土流失进一步加重，不利于经济社会的可持续发展。

一般来说，在半干旱区，水土流失严重且规模巨大、不可逆转。北方土石山区是我国主要水土流失类型区之一，范围广阔，地表土石混杂、石多土少、地面极易沙砾化或石化，土层较薄，在原始地面遭到破坏后，极易产生严重的水土流失。水土流失治理不仅能够改善当地生态环境，使土石山区发挥其水源涵养功能和生态环境支撑功能，建立良性生态系统，促进生态文明建设，而且有利于因地制宜地进行产业结构调整，增加农民收入，实现乡村振兴，对国家战略实施具有重要意义。过去学者们对水土流失影响因素、土壤侵蚀过程等做了大量研究，但是随着我国水土流失治理工作的不断推进，土地利用格局和植被覆盖度等变化巨大，未来仍需根据新任务和新需求，对水土流失变化规律和发展趋势，以及治理方式等进行更深层次的研究。本文在前人研究成果的基础上，对北方土石山区水土流失现状、影响因素、治理措施等进行了分析和总结，并就新时代生态文明建设大背景下如何进一步加强水土流失综合治理与系统修复提出了对策建议。

1 北方土石山区水土流失现状及格局

根据水利部发布数据显示，2020年北方土石山区水土流失总面积约16.25×10km，占全区总土地面积的20.15%，侵蚀方式主要是水力侵蚀，这一点跟该区域的自然地理条件密不可分：一方面，北方土石山区土壤以褐土为主，土质疏松，土层薄，土壤含水量低，岩石以片麻岩、碎屑岩为主，易受到风化破碎，石多土少，大部分地区多为坡地，不利于水土保持；另一方面，在气候上多为干旱半干旱气候，受季风气候影响，降水集中在夏季且常为暴雨，易造成水土流失。北方土石山区可以划分为4个区域，包括淮北、华北、黄土高原和辽宁土石山区，主要分布在北京、河北、山东、辽宁、山西、河南、安徽等省市。尽管4个土石山区在气候、地形等生态环境上存在差异，但它们大多都面临着水土流失严重、人口压力大、干旱缺水等环境问题，属于生态修复重点区域。近年来，北方土石山区生态恶化，已经严重超过了生态阈值，对生态环境产生巨大压力，制约山区经济发展，水土流失治理成为国家战略的重要组成部分，若不及时解决该区域的水土流失问题，将会影响到该区乡村振兴等国家战略实施的进程。

20世纪90年代后国内学者对水土流失研究逐渐增多。其中，在中国知网CNKI全部数据库中通过“全文=水土流失”检索中文论文发现，“生态文明建设”为主题的文献仅占2.81%，“生态修复”仅占2.55%，“生态安全”占比1.11%，而通过检索发现，自21世纪以来，有关生态文明建设、生态修复、生态安全的研究进入快速发展阶段且研究数量持续快速增加，成为研究热点；水土流失研究区域主要分布在黄土高原、三峡水库、山西省、福建省。

在CNKI中以“全文=北方土石山区水土流失”检索1979—2021年发表的相关中文论文，结果表明，1999年起国内关于北方土石山区水土流失的研究进入快速发展阶段，2008年起进入稳定发展阶段(图1)，主题主要包括土壤侵蚀、黄土高原、GIS、小流域、生态环境等方面(图2)；研究区域主要在山西、内蒙古、陕西，而对北方土石山区其他区域研究较少；利用GIS、地理信息系统等现代科技进行的科学研究逐渐增多；而对生态文明建设、生态修复、生态安全、水资源、乡村振兴等新兴热点问题的研究所占比例相对较少。在Web of Science(WOS)中通过所有字段检索“Northern rocky mountains ”并限定区域为“China”或“PRC”，结果表明，对北方土石山区的研究主题分布在环境科学与生态学、地质学、大气科学、林学等方面(图3)。

图1 1979-2021年CNKI检索的北方土石山区水土流失论文发表数量变化趋势

图2 CNKI检索的北方土石山区水土流失主要主题分布

图3 WOS检索的北方土石山区主要主题分布

2 北方土石山区水土流失影响因素

影响北方土石山区水土流失主要因素包括降水、土壤、岩石、地形地貌、植被及人为因素6个方面，且各要素之间相互联系、互相影响。在北方土石山区，降水是引起水土流失的直接动力，土壤、岩石、地形地貌、植被是影响水土流失的重要因素，人为因素是引起现代水土流失的主要原因。

2.1 降水对水土流失的影响

降水是引起土壤侵蚀和水土流失的主要动力。降水对水土流失的影响主要包括降雨强度、雨滴大小、前期降雨状况和降雪。降雨虽然是引起水土流失的关键因素，但并非所有降雨都会引起水土流失，王占礼等人认为在黄土高原，当降雨强度低于引起土壤侵蚀的临界雨强时，无论降雨量多大，降雨历时多长，都不会发生水土流失。王万忠、晏清洪、张泽铭等人认为大雨量大雨强的降雨最易引起水土流失，暴雨是造成水土流失的主导动力。吴博认为，在相同降雨强度下，雨滴越大越容易引起水土流失。穆天亮等人认为，前期降雨越充分，暴雨时引起的土壤侵蚀量越大。刘宝森等人认为，降雪融化是形成地表径流和下渗水的基础，对水土流失有一定影响。而在北方土石山区降雨对水土流失的影响主要体现在降雨强度和前期降雨状况。例如樊登星等人分别在北京山区和太行山山区研究降水对水土流失的影响，均得出30 min降雨强度是影响侵蚀量的主要指标。北方土石山区年内降雨量分配很不均匀，夏季降雨集中且多形成暴雨，雨季土壤含水量维持在较高水平，北部海河流域汛期降水量占全年降水量的75%～85%，南部淮河流域汛期降水量占全年降水量的50%～75%，且在燕山、太行山、大别山、沂蒙山等地存在多个暴雨中心，暴雨时容易形成径流，引起水土流失。

2.2 土壤对水土流失的影响

土壤是侵蚀的主要作用对象。土壤对水土流失的影响与自身性质有关，主要包括土壤透水性、抗蚀性和抗冲性。土壤透水性受土壤前期含水量和土壤颗粒间孔隙的影响。抗蚀性主要受土壤物理化学性质影响，在不同区域主要影响因子不同。土壤抗冲性主要与土壤根系、容重相关。仲亚婷认为，土壤前期含水量越多，颗粒间孔隙越大，土壤透水性越好，越不易发生水土流失。彭华认为，在三峡水库水稳性团聚体是抗蚀性的主要影响因素。郭培才等人认为，黄土区土壤抗蚀性大小的决定因素是土壤有机质含量。佟帆等人认为土壤根系与抗冲性成正相关，但容重对土壤抗冲性的影响在不同地方结论不同。而北方土石山区土壤主要为褐土，土壤干旱，土层较薄且有岩层裸露，土石混杂且角砾石含量大，地表沙砾化和石化现象严重，地质条件较差，水土流失严重。目前已经有学者通过培育土壤细菌和真菌来改良土壤，取得了显著效果，例如张哲超等人发现AM真菌和生物炭联合使用，可以影响土壤细菌真菌群落结构，进而改变土壤性质，减少水土流失，在北方土石山区应继续增加关于不同水保措施对土壤细菌真菌群落结构以及土壤养分影响的研究，加强对土壤结构、土壤蓄水能力、土壤养分、土壤动力学的研究，综合考虑微生物活动、土地利用方式、气候条件等因素对土壤特征的影响。

2.3 岩石对水土流失的影响

岩石对水土流失的影响主要包括岩性和岩石裸露率。岩性对水土流失的影响主要包括岩石的风化性、坚硬性和透水性。花岗岩、花岗片麻岩等易风化的岩石抗侵蚀能力弱。块状坚硬的岩石可以抵抗很大的冲刷作用。卵石、砂及裂隙发育的岩石具有较高的透水性，在暴雨中能大大降低径流量。黏土、黏土质岩石及裂隙不发育的岩石，降雨时径流系数高，造成水土流失。岩石裸露率对水土流失的影响机制尚不明确，得出结论不尽一致，且目前岩石对水土流失的影响研究多采用的人工模拟方法，缺少定量观测。Jean认为在一定坡度下岩石裸露率越高，越易造成水土流失。而王济认为，岩石裸露率增加，水土流失呈衰减趋势。北方土石山区土层薄，荒山面积大，岩石裸露率较高，出露地表的岩石多为花岗片麻岩和石灰岩，这类岩石易被风化，易形成水土流失。北方土石山区岩石特性、岩土分布格局等因素对水土流失产生较大影响，然而关于如何发挥岩石圈的蓄水能力，将降水转化成岩体水，减缓产汇流过程，减少水土流失的研究相对较少，目前还未受到足够重视。

2.4 地形地貌对水土流失的影响

地形地貌中主要的影响因子是坡度和坡长。坡度和坡长对水土流失的影响是极其复杂的，不仅坡度和坡长两者之间相互影响，而且受到降雨特征、下垫面侵蚀特征、土壤特征等的影响。平红卫认为，在北方土石山区，降雨强度较大时，土壤侵蚀量及径流量随着坡长增大而增大；降雨强度较小时则随着坡长增大而减小。李子君研究发现，在冀北土石山区，2.18～33.19 m坡段径流量与坡长呈正相关。杨吉华等人在山东土石山区研究不同下垫面情况下土壤侵蚀量与坡长的关系，认为径流量和侵蚀量受到下垫面性质的影响。坡度的增加会加大坡面径流向下的侵蚀力，同时又会降低坡面土壤的抗侵蚀能力。在不同区域关于坡度对水土流失影响的结论不同，许海超等人认为，在燕山土石山区，坡度与水土流失成正相关关系，而有学者认为，在冀北土石山区，坡面径流量随坡度增加先增后减，存在一个临界坡度。北方土石山区丘陵与山地交错，坡度较大，多在20°以上，地势起伏明显，这种地形地貌条件极易受到侵蚀，易在暴雨条件下发生严重的水土流失。

2.5 植被对水土流失的影响

植被对水土流失的影响具有复杂性。目前，对植物调控水土流失的认识还相对有限，功能评价的定量方法和深入的机理分析还不完善。受植被类型和群落结构的影响，林冠层和枯落物层对水土流失的影响具有不确定性。刘洋等人认为，植被林冠层可以有效缓解雨水对土壤的冲击力，削减部分降雨动能，减少水土流失。C. Geißler认为林冠层汇集雨滴使其直径增加，到达地表动能增大，增加土壤侵蚀。植被枯落物具有蓄水固土、抑制蒸发、增加入渗等作用，有效抑制水土流失，而欧阳帅等人研究发现，一定条件下枯落物层会堵塞土壤孔隙，侵蚀增加。之前的研究大多集中在植被地上部分，对植物根系研究较少，但是植物根系对土壤侵蚀有重要的抑制作用。北方土石山区忽视本土树种，大量引进外来植物，虽然森林覆盖面积显著增加，但缺少不同植被类型和群落结构对水土流失影响的研究，缺少对植物根系空间分布特征及其对水土流失影响的研究，需要综合考虑环境条件、土壤特征及树种的生长特性，因地制宜，研究不同植被类型需水量，加强对植被类型及植被覆盖度与降水资源适应性的研究，进一步优化配置结构。

2.6 人为因素对水土流失的影响

人为因素往往是造成水土流失的直接因素。破坏植被、不合理的土地利用、工程建设等都会引起水土流失。北方土石山区水土流失和贫困互为因果，形成恶性循环。北方土石山区人口密度大，人口增长速度快，土地开发速度也逐渐加快，使人地矛盾加剧。随着城镇化发展，原来的地形地貌遭到破坏，水土流失问题趋向严峻。开发建设活动是造成水土流失加剧的重要因素。北方土石山区矿产资源丰富，开采矿石，破坏原有稳定的生态系统，造成土地污染和退化，加速水土流失。应坚持矿区生态修复工程，加速太阳能、风能、核能等清洁能源的发展，逐步走向低碳绿色发展道路。公路、铁路建设、水利工程建设及城市建设等工程建设时对当地水土流失实际问题没有给予足够的重视，致使水土流失加剧。应完善水土保持工程质量监测法律制度，在工程建设设计评估阶段要求其明确提出水土流失预防措施，用法律规范和约束生产建设活动。

3 北方土石山区水土流失治理措施及生态效应

3.1 农业耕作措施及生态效应

农业耕作措施是通过改变微地形、提高地面覆盖和增强土壤抗蚀能力来治理水土流失,主要包括等高耕作、水平梯田种植、免耕少耕等手段。等高耕作有利于水分在土壤中的保留，减少土壤含水量的无效蒸发。提高地面覆盖度时常用的是农作物秸秆覆盖法，可以增加土壤养分和土壤有机质，蓄水保土，改善土壤结构。水平梯田种植可以使山地坡度减缓，使地表径流流速减慢，减少水土流失。在坡度较比较陡的地方实施农林复合技术，在坡度缓的地方进行间种、套种，免耕少耕，减少地表裸露和土壤扰动，控制或减缓水土流失。农业耕作措施可以改善农业生态环境，改善土壤结构，提高耕地肥力，增加土壤多样性。

应根据北方土石山区坡耕地特征，对农业耕作措施进行优化配置。在种植作物类型选择上须综合考虑经济价值和生态效应。可在北方土石山区实施“四位一体”的生态模式，发展节水农业生态模式，实施农林复合模式，开展水土保持观光示范基地建设，将生态治理和区域特色经济联系起来，不仅可以改善水土流失状况，还可以带动区域经济发展。

3.2 生物措施及生态效应

生物措施是通过改变植被覆盖度来治理水土流失，主要包括植树种草、封山育林等手段。通过营造河堤河岸防护林、营建水流调节林、营建沟边沟底沟坡防蚀林、营建分水岭防护林等生物措施降低风速，提高地表抗蚀能力，减少水土流失。生物措施在实际应用中要注意3个方面：水土保持区生物种的合理选育；水土保持植被措施的合理选择；充分与其他水土保持措施相结合。生态保护措施对防治水土流失的问题运用广泛。生物措施具有保持水土、涵养水源、优化土地利用格局、减少水土流失等生态效应。

陆地生态系统并不是单纯的越“绿”越优，在北方土石山区，应坚持以水定生态恢复方案，加强对不同植被类型需水量和涵养水量的研究。根据气候条件、土壤条件等确定不同的类型区，选择不同的植被种植类型和植被覆盖度，综合评价植被种植适应性。北方土石山区应以根系发达、耐干旱贫瘠的乡土植被为主。百喜草固持土壤效果突出，灌木根系深，具有良好的水源涵养能力，荆条、落叶松也是土石山区植被恢复初期的良好选择。在物种选择和种植过程中综合考虑各物种之间的关系及种植区域的立地条件，立地条件较差的地方优先选择灌木；立地条件较好的地方优先选择乡土树种和水保树种，对树种进行合理布局，坚持“宜草则草，宜灌则灌，宜乔则乔，宜封则封，宜荒则荒”的原则。研究发现，混交林比人工纯林生物量大，水源涵养能力强。因此，在北方土石山区生物措施治理水土流失过程中，应以乔灌混交林为主，注重发挥增强生物多样性、促进水文循环、提升植被覆盖度等生态效应。在北方土石山区治理水土流失进程中，生物措施治理效果显著且经济成本较低，应以生物措施为主要治理手段。

3.3 工程措施及生态效应

工程建设措施主要涉及山坡保护工程、山沟整治工程、山洪排导工程及小型蓄水用水工程的建设。山坡防护工程可以防止形成径流，增加土壤水的可利用率，同时将未能截留的降水引流到蓄水池。山沟整治工程主要是进行斜坡固定，防止沿岸居民区、道路受到洪水冲刷。山洪暴发排导工程是对堵塞河道进行疏浚。小型蓄水用水工程可以拦截储存降水。工程措施保持水土的生态效应显著，同时也具有涵养水源、改良土壤等生态效应。

在北方土石山区，受地形及经济条件的限制，已建立的排水渠直径小，且径流中含有泥沙，流速大时含量大，粒径也大；流速小时含量小，粒径小，暴雨后易发生堵塞。在工程正式施工前期，应全面检测本地区的地质地貌条件，整体分析本区域的地质环境，加强监督管理。在北方土石山区，需要“蓄、排、拦、挡、封”相互配合，形成综合的治理措施。工程措施需耗费巨大的人力物力，不宜大范围使用，为保障工程的寿命，工程措施应与其他措施相结合。

3.4 岩体层调蓄措施及生态效应

在地质作用下，天然的地下岩体存在着裂隙、孔隙、节理和微裂纹等，使得水以降雨、地下水、河流等形式在孔隙和裂隙之间进行着流动，裂隙提供优先流动路径，使得这些不连续结构面成为地下水运移的主要通道，由于干湿交替，冷热冻融，植被根系活动等，使得岩石表层被风化，增加岩石表层的吸水能力。岩体层调蓄措施具有促进山区水文循环、减少坡面径流等生态效应。

在北方土石山区，植被层的截留作用是有限的，特别是在暴雨中，由于北方土石山区土壤层较薄，对降雨的调蓄能力有限。北方土石山区表体风化岩层是治理水土流失的重点，然而风化岩体层的调蓄作用尚未受到人们的足够重视，需要增加降雨入渗补给裂隙岩体渗流路径，变暴雨洪水为细水长流，增加岩体层调蓄山区水循环作用。

4 北方土石山区水土流失治理展望

北方土石山区水土流失治理是国家战略的重要组成部分，同时也是国家战略实施的重要保障。国家战略实施会大力推进北方土石山区水土流失治理进程，同时北方土石山区水土流失治理又是实现中华民族伟大复兴、推进新时代区域协调发展、加快乡村经济发展、促进生态文明建设等战略需求的重要手段。

近年来，特别是党的十八大以来，随着生态文明建设和乡村振兴的大力推进，水土流失的综合治理与系统修复成为研究重点。由于经济社会和城镇化的快速发展，土地利用格局发生了显著变化，原有的水土流失监测站点及监测设施手段已不能满足新时代水土保持和生态文明建设需求；同时，由于物质文化水平的不断提高，人民群众对美好生活的向往与生态环境现状间的矛盾日益凸显；另外，乡村振兴和生态文明建设之间也出现了一些不和谐的地方。因此，急需坚持系统观念，开展监测、试验、研究、评估、核算等全链条创新与应用，不断深入探索水土流失变化规律、特点和变化趋势，加强水土流失治理和生态修复技术探究，提升生态产品的生产能力，满足人民群众对优美生态环境的需要。北方土石山区水土流失治理需要进一步提高人民群众对水土流失危害及治理意义的认识；全力加强水土流失动态监测及数据分析水平；深入揭示水土流失变化规律和内在机制；综合运用多种措施全面提升水土保持与水源涵养功能；构建水土流失综合治理模式示范基地；进一步健全和完善水土流失防治管理制度体系。