《珍惜每一滴水》：小流域治理对于农村发展和环境保护有着显著的作用

本文节选自《珍惜每一滴水 中国农村雨水集蓄利用和可持续技术》。

《珍惜每一滴水 中国农村雨水集蓄利用和可持续技术》作者：朱强、李元红、（新西兰）约翰·高德 。本书主要介绍了甘肃省如何依靠农村居民，采用以雨水集蓄利用为中心的一系列适用技术，为家庭用水提供可靠水源，并显著提高农业生产水平。书中介绍的方法，都符合可持续发展原则，是普遍适用的。近期我将持续将本书内容分享给大家，感兴趣的网友可以去买一本实体书。

第三部分 雨水集蓄利用和环境治理

第7章 小流域治理

7.1背景

中国是世界上水土流失最严重的国家之一，土壤侵蚀的面积占全国土地面积的37%。每年被侵蚀的土壤约50亿t,其中20亿t流入海洋。在土壤侵蚀地区中，尤以西北黄土高原丘陵沟壑区为甚。如前所述，甘肃省黄土地区的特点是干旱缺水，农业生产低下，农村居民长期生活贫困。该地区另一 个特点是严重的土壤侵蚀，侵蚀模数达到6000～15000t/km²。 造成甘肃省黄土地区严重土壤侵蚀的主要原因是：

●大多数土地的植被覆盖很差。70%的土地为坡度5°~50°的山地，平均坡度约10°~15°。

●多数降雨为大到暴雨，造成严重的土壤侵蚀。

●广泛分布的黄土主要由粉粒和细砂构成，黏聚力很低。黏粒含量通常少于30%。黄土的密度很低，变化在1.1～1.3t/m³, 且结构松散易于侵蚀。

● 当地黄土具有较强的湿陷性，遇水易发生沉陷。土壤中发育的垂直裂隙造成较强的入渗率。在较大降雨时，水流通过裂隙渗入土壤造成沉陷，甚至坍塌。

●人类活动加剧了土壤侵蚀。由于土地生产力低下，农民不得不尽量开垦土地，甚至陡坡地也用来种植。过度放牧和为满足燃料需用而采伐草根、秸秆更进一步破坏植被，加剧了土壤侵蚀和土地退化。造成了“越穷越垦，越垦越穷”的恶性循环。

土壤侵蚀对农业生产、当地的生态系统和水环境造成了许多负面影响。

对农业生产的影响之一是土壤侵蚀形成纵横分布的沟壑，使许多土地发生塌陷和滑坡，大片土地无法使用。侵蚀造成表土层中的肥力流失。1993年作过的一项估计：每公顷流失的肥力达到24kg总氮，223kg钾和49kg磷。有机质在侵蚀后减少了35%～67%。土壤侵蚀也破坏了土壤的团粒结构，降低了持水性和透气性。

在环境影响方面，土壤侵蚀造成黄河和许多主要支流的淤积。每年进入黄河的16亿t泥沙主要来自黄土地区。由于泥沙淤积，黄河下游河床底面每年抬高8～10cm。下游河床要比两岸城市和农地高出数米，洪水时期对两岸人的生命造成巨大威胁。

土壤中流失的营养物质对下游水体则是一种污染源，造成一些地方水的过营养化，加重了缺水困难。而近年来化肥农药的过度使用进一步加重了水质污染。

土壤侵蚀造成农业减产、加重了贫困，使中国许多地方的环境退化。土壤侵蚀已成为甘肃省黄土地区社会经济发展和生态环境保护的主要制约因素。因此中国包括甘肃省高度重视治理水土流失，把它作为21世纪一项扶贫攻坚、社会经济持续发展和生态环境保护的战略性措施。

长期的实践经验表明，以流域为单元进行小流域综合治理是控制水土流失和防止土地退化的最好方式和有效途径。这里小流域是指流域面积不大于100km² 的流域。甘肃省的黄土高原丘陵沟壑区面临着严重的水土流失，加强水土保持十分迫切。甘肃省黄土地区95%的土地都存在着不同程度的水土流失。从20世纪60年代以来，有600多条小流域开展了流域综合治理，总面积达12000km²。治理的主要措施包括建设梯田和植树种草的治坡措施以及建谷坊“和淤地坝的治沟措施。近20年来，雨水集蓄利用也成为流域综合治理的一部分。

7.2防治土壤侵蚀的科学方法

我国水土保持的经验表明，依据当地地形和气候条件，采取综合和科学方法进行治理才能得到费省效宏的效果。

7.2.1地形条件

甘肃省黄土地区基本上有两种地形类型。其一是黄土高原沟壑地形，高原的面积可以从几公顷到数百公顷，地表被大量冲沟所切割；另一种是黄土丘陵沟壑地形，丘陵顶部到流域出口的高差通常为200～400m,平均坡度变化在12°~17°。沟壑密度为每平方公里1～4km。

对第一种高原类型流域，土壤侵蚀的主要形式是暴雨作用下的塬面侵蚀，发展到沟蚀¹³,形成了大量沟壑。在持续不断的侵蚀作用下，沟道变得越来越宽，造成溯源侵蚀，把塬面切割成碎片，并造成边坡不稳定和发生大量滑坡。

为了尽可能减小坡面径流，通过在缓坡面上修建条、梯田，以截留大部分的降雨。径流常集中在道路上，最终形成冲沟。因此道路两旁应平整成台阶式地块，把道路上的径流引入这些地块来植树造林。坡度小于25°的山坡可修建梯田，种植作物或栽种果树和薪材林。在较陡的坡面上，则修建水平沟进行等高种植或修建鱼鳞坑，种植乔或灌木。沟道的边坡通常较陡，可以修建鱼鳞坑，坑内栽树，或进行等高种植。在沟底，可修建柳谷坊、土谷坊或石谷坊以截留泥沙。在主沟道中，可建设淤地坝，坝后经过数年淤积可形成坝地。

对第二类不存在平坦塬面的流域，防治土壤侵蚀的措施仍然是在水平台或水平地块上栽种树或灌木。水平台可以完全停止或显著减少土壤侵蚀，并截留降雨，使栽种的树或灌木得以存活。就此意义而言，这也可以视为一种雨水集蓄的形式。和第一类地形的流域相同，在坡地上应修建梯田、栽种树和灌木和种草，以及在沟道内建设谷坊和淤地坝以截留泥沙，形成坝地。图7.1是具有高原沟壑地形的茜家沟流域防治土壤侵蚀的布局。图7.2则是丘陵沟壑地形的代表、堡子沟流域控制土壤侵蚀的措施布置。

专栏7.1九华沟流域治理模式

九华沟流域位于黄土丘陵地区中部。面积83km²。多年平均年降水量为380mm, 而多年平均年潜在蒸发量为1500mm。流域内沟壑纵横，沟壑密度达2.7km/km²。 这里是甘肃省土壤侵蚀最严重的地区之一，侵蚀模数达5400t/km²。在此侵蚀强度下，每年每公顷流失519kg有机物质、39kg总氮和34kg总磷，速效钾流失达到7kg。造成农业生产水平低下，当地群众生活十分贫困。1996年平均作物产量仅为600kg/hm²。主要作物为粮食，由于缺少降雨和土壤贫瘠，经济作物很少种植。人均年收入仅为110美元。1960年时有一个考察组访问了这一地区，得出的结论是本地区不适合人类居住。

流域治理始于20世纪70年代，1987年又进行了二度治理开发，并列为省内小流域治理计划项目。技术人员和当地群众开发了土壤侵蚀的综合防治模式。他们通俗地总结为：“山顶植树种草带帽子，山腰修建梯田缠带子，山脚筑坝(谷坊、淤地坝)穿靴子。”

到2000年，流域内梯田建设达1000hm²。坡度大于25°的坡面上种植乔、灌木的面积达到1440hm²,929hm²的山坡上种植了以紫花苜蓿为主的牧草。

建成了1500座水窖，可以为约330hm²土地提供补充灌溉。

在农业生产中广泛实行了节水措施，包括地膜覆盖、微集水、节水灌溉技术、注水沟播等。对种植结构进行了调整，提高玉米种植比例，使之更好地适应天然降雨条件。以往单一的种植方式得到了改变，农林牧综合发展，增加了经济作物比重。

1987—1992年的5年项目实施后，流域治理程度从45%提高到86%。径流从17000m³/km²减小到1560m³/km²,土壤侵蚀从5400t/km²减少到915t/km²。 农林牧结构从原来的62:30:8调整到30:44:26。土地利用率从63%提高到86%。人均收入增加了97%,人均粮食产量从410kg增加到654kg。

7.2.2气候条件

定西市(年降雨量约430mm) 水土保持研究所在20世纪90年代进行的治理土壤侵蚀对位配置研究表明，气候因素包括风速、坡面位置和坡向是在选择防治土壤侵蚀措施的重要因素。他们的主要结论是：

●甘肃省黄土地区的风速相对较大。当风速超过2m/s 时，风对植株、特别是农作物有负面影响。有风时由于土壤湿度低，植株蒸腾受到抑制，对阔叶乔木生长不利。而对柠条、红柳等灌木则影响小。

●山坡上不同部位风速不同，在坡面上、中部风速较大，因此在山坡上、中部，种植灌木比乔木更为适宜。

●由于风和太阳辐射的作用，山顶和阳坡的土壤湿度要低于阴坡。在年降水量小于350mm的地区，不宜于种植阔叶乔木。

●流域山坡上部的作物产量低于中下部。

● 坡面部位和坡向对牧草产量无显著影响，可以种植在任何部位。

7.3梯田

梯田把坡耕地改造为水平台地。甘肃省的梯田建设可以追溯到千年前。它能保持肥沃的表土和提高土壤湿度，因此现今仍然是提高雨养农业生产和在小流域治理中水土保持的主要措施。在过去半个世纪中，甘肃省黄土地区有190万hm²坡耕地改为梯田，占甘肃省坡耕地的65%。图7.3是有着“中国梯田县”称号的庄浪县的一处梯田。

7.3.1梯田设计

甘肃省黄土地区的梯田可以分为两种形式：连台梯田和隔坡梯田，如图7.4所示。

连台梯田主要适用于降雨量相对较多而土地资源较少的地区。梯田包括水平土地和边坡顶修建的地埂。梯田应该是水平的，或有一个坡度约为1%的反坡，以提高截留降雨的能力。降雨时地埂可以形成一个存蓄雨水的容积。梯田外坡不能太陡以保证边坡的稳定(见图7.4)。

隔坡梯田适用于降雨量较小而不缺少土地资源的地区。在两个梯田之间的坡面可以富集并引导雨水径流进入下面的梯田，以增加土壤水分。

另一种坡式梯田，是在地形较平坦的坡面上，沿着等高线，多年来由下向上翻耕、培地而形成的梯田。

设计梯田工程项目，先要确定建设梯田项目的工程区域范围，并对所有梯田进行规划。通常一个梯田项目可包含数片或几十片梯田，周围为高于5m的沟壑所分割或非耕种用地或道路、渠道形成的边界。在较平缓的坡面上，每片梯田面积可为0.5～1hm², 在较陡坡面，梯田面积为0.1~0.2hm²。梯田所在区域应不会发生滑坡，地面坡度不超过25°(最好小于15°),土层厚不小于3m。由于修建梯田常在作物收割后到第二年播种期之间进行，项目区内应为一种作物，或作物收获时间应相同。

梯田是耕作单元。项目应包括通行道路、林带，有时还包括渠道和灌溉系统。这些应在梯田工程开始前修建好。

通行道路一般为3～4m宽，用以在村子和地块之间搬运各种材料、机械、工具和人们的通行。道路的最大坡度不超过15%,转弯半径不小于12m。当山坡坡度小于15%时，道路可以垂直于等高线布置，否则应布置成 “S” 形。

林带布置在道路两边、田坎坡脚或者布置在地埂旁，应视土壤湿度条件而定。灌木和牧草也可以在田坎或地埂旁种植。但在多年平均年降雨量小于350mm的阳坡田坎上，由于土壤太干，不宜植树种草。

梯田项目规划完成后，应进行梯田设计。梯田的设计参数包括梯田宽度B、田坎高度H、田坎坡角β、地埂尺寸以及梯田长度。

在一定的地面坡度下，梯田田坎高度 H 和田面宽度有关。高度越大、田面宽也越大。在确定梯田尺寸时，要考虑下面一些因素：

● 降低梯田造价：高田坎的梯田比低田坎的梯田需要更多的劳力或机械。

● 田坎高越小，梯田的数目就多，则单位生产用地所需要的地埂和田坎用地也越多，加大了土地损失百分数。为了减少土地损失，宜采用较高的田坎。较宽的梯田可以提高人工或机械的耕作效率。

● 梯田的稳定性取决于土壤的抗剪强度和田坎高。在抗剪强度大的土壤上修建梯田，田坎高度可以加大。

在一定的地面坡度和土壤条件下，梯田的设计宽度和高度可以有不同的组合。甘肃省水土保持研究所在20世纪90年代进行了梯田尺寸的优化研究。他们开发了一个多目标模型使造价最小和效益最大。该模型包含以下一些变量：

●梯田造价(以劳动工日数表示)和尺寸的关系；

● 修建每公顷梯田的土地损失和尺寸的关系；

● 机械或劳力耕作效率和尺寸的关系。

田坎坡度取决于田坎高度和土壤抗剪强度。在解多目标模型确定梯田设计参数时，田坎稳定性是必须满足的刚性条件。

在估算土地损失和梯田效益时，进一步考虑了几个因素。首先，由于修建梯田改变了土地坡度，地表接受的太阳辐射随之变化。北坡和东西坡修建梯田后，太阳辐射比坡耕地增加，而南坡修建梯田后辐射减少。这一现象使土壤湿度条件改变从而改变了生产率。其次，梯田可以比坡耕地保持更多水分和养分。

在多目标优化模型中，所有的变量均以货币形式表示，采用30年为计算期，使效益最大(费用最小)。表7.1是甘肃省水土保持研究所采用当地的参数，计算梯田尺寸所得成果。

表7.1中的成果是根据甘肃省黄土地区当地的地理、气候和经济条件得出的。

地埂尺寸的确定包括地埂高、内外坡度以及地埂顶部宽。地埂高由梯田面上发生20年一遇暴雨形成的径流容积确定。在甘肃省的特定条件下，通常20～30cm地埂高就够了。田坎和地埂要进行夯实。地埂顶宽一般为30~ 40cm,内坡为1:1。地埂的外坡和田坎坡度相同。

有时田坎上种植牧草，坡面不进行夯实，而只用铁锨拍实 。这种田坎称软坎，其坡度为1 :1(45°)。此时，地埂的外坡也是1:1,而内坡为1:2(26.5°)。

7.3.2梯田施工

梯田是把坡地平整成水平条带地，如图7.5所示。梯田下部为填方，而上部为挖方。

一般的梯田项目常包含数个基本单元，称为田片。每个田片可以有数块到几十块梯田。应首先确定田片中梯田的数目。为此，要先确定一根从上到下、垂直于等高线的基线，并丈量基线的长度。根据山坡的坡度和朝向，从表7.1中找到最佳的梯田高和宽。梯田的数目就可以用下式确定：

(7.1)式中：N为梯田的数目；Hroal为基线顶部到底部的高差；H, 为梯田最佳高度。

坡面可以划分为N个相等的部分，而每块梯田的边界就可以标在地面上。再把每一块梯田划分方格，然后进行测量得到每个方格节点的高程。就可以计算每个节点的挖填深度。

修建梯田时，保留上部30cm的肥沃土层是非常重要的。否则，在修建梯田后数年内，将难以恢复土地的肥力，而产量会比原来坡耕地降低。修建梯田时，为了保留上部土层，每公顷要多花150～200个工日。对此，甘肃省的农民采取了下面几种方法。

●方法1:先把表层土壤移到不需要填挖施工的坡面中部。在对坡面其他部位进行填挖施工后(图7.5),再把上部土壤撤回到新建的梯田面上。由于把在坡面下方的表层土壤向上移动到坡面中部是很艰巨的工作，需要很多劳动力。这一方法宜采用机械来实施。

● 方法2:把坡面横向分成4～5段。第一段上的梯田不恢复表层土壤。第一段坡面梯田修建后，第二段上的表层土壤移动到第一段已修建的梯田上，其他条带都依次进行。除了最后一段梯田外，其他各段梯田的表层土壤都可得到恢复。这个方法可以节省劳动力。

● 方法3:梯田组中最下面的一块梯田先进行平整，不保留上层土壤。该梯田上面一块梯田施工前先把表层土壤移动到已平整的下面这块梯田上，其上各块依次进行。采用这个方法，除了最上面一块梯田没有恢复表土外，其他各块梯田的表层土壤都得到保留，而可以节省劳动力或机械。

● 方法4:把坡面横向分成4～5m 宽的条带，每两个为一组。先把第一条坡面上的表土挖出堆放到相邻的一条坡面上，然后进行表土已移走的第一条坡面的平整工作，然后把堆放在一旁的表土移回到平整好的梯田上，再把第二条坡面上的表土暂时移放到已修建的梯田上，再进行第二条梯田的平整工作，然后再把堆放在第一条梯田上的表土恢复到第二条梯田上。

梯田田坎的填方部位通常是采用木模由人工进行夯实，田坎坡度可为70°~85°(见表7.1)。有时田坎的施工是把挖方部位的土堆起来后，只用铁锨拍实，此时坡度应为45°左右。

甘肃省的梯田以前都为人工修建。在黄土坡地修建梯田，一般每公顷需要约750个工日。政府对修建梯田进行补助来鼓励农民。由于梯田的使用者是农民，他们是直接受益者，该项补助较少。最近以来，修建梯田越来越多采用机械。由于我国劳力费用日益提高，用机械修建梯田就更经济了。例如，1991年在广河县西坪流域梯田工程中，30hm²梯田的修建，使用了300台班推土机加上3000个劳动工日。每公顷费用估计为1400美元(2008年价格)。机修梯田要求梯田宽不小于7m。因此机修梯田仅适用于坡度小于20°的坡地。机修梯田时，表土的恢复可以采用方法1。

7.3.3梯田运行

梯田效益包括生态环境效益和社会经济效益两方面。通过修建梯田，可以控制土壤侵蚀，提高农业生产和改善人民生活。坡地变为水平梯田后，可以减少水土流失。在下一节里，将讨论通过植树种草来进一步控制土壤侵蚀。提高农业生产有时会遇到预期不到的困难，关键之一是要保证恢复表土层以保持肥力。

甘肃省修建梯田时，要求70%的表土层能得到恢复，以保证作物产量在修建梯田后有较明显的提高。但是保留表土层需要大量劳力或机械，施工还必须很小心。修建梯田时，有时表土层的恢复会少于70%,表土和下层土壤混在一起。此时，在几年内，梯田产量可能会低于原来的土地。为了迅速增加产量，应采取一些措施。

首先，应进行施肥，包括使用人畜粪肥和化学肥料例如氮磷钾等。施加牲畜粪能增加土壤中的有机物含量以及必需的营养成分。作物的抗旱能力也和土壤有机物含量密切相关。此外，施加牲畜粪、在收获后种植绿肥作物，以及秸秆还田都是增加土壤有机物含量的有效措施。

使用化学肥料能快速增加新建梯田土壤中的营养成分。20世纪90年代在数千公顷土地上进行的示范表明，每施加1kg氮，每亩小麦产量增加 19kg, 而施加每千克磷 (P₂O₅) 亩产可增加13kg。试验还表明，分三个时期施加基肥、种肥和追肥比集中在一个时期施肥效果要好。该示范还表明，要保持氮和磷之间的平衡，施加牲畜粪十分重要。如果修建梯田时没有恢复表土层，则填方部位的有机质含量和总氮量，比表土层未恢复的挖方部位要高10%。此时，为了使梯田的肥力均匀，在挖方部位施加的肥料应为填方部位的两倍。

第二项措施是深耕。深耕可以使土壤容重降低11%和增加土壤空隙6%。深耕一般在炎热和多雨的夏秋季进行。此时增大的土壤空隙可以加大降雨入渗和容纳更多水分。深耕也有利于微生物活动、提高土壤酶的活性。深耕还有利于团粒结构的形成。但是耕次太多和耕得太深会降低表土层的肥力和造成水分损失。实践经验证明半干旱地区耕深30～33cm、亚湿润地区20～25cm 较为适宜，耕次则以收获后三次为佳。

第三项措施是实行三年作物轮作。半干旱地区修建梯田后首茬作物应为耐旱品种。常用的轮作是洋芋、豌豆或扁豆。亚湿润地区水分条件较好，关键因素是肥力。通常采取豆类、洋芋或禾田进行轮作。如果修梯田后在夏季采取深耕和重施肥料(农家肥和磷肥),则当年种植冬小麦也可增产。

定西市曾进行了三种轮作制的对比：豌豆-小麦-胡麻、扁豆-小麦-胡麻和洋芋-小麦-胡麻。三年后第三个方案的产量比第一和第二种方案分别超出16%和60%。

7.3.4修建梯田的效益

梯田在小流域治理中有着重要的地位。修建梯田的效益包括：通过减少土壤侵蚀和土地退化来保护环境、提高农业生产力从而改善人民生活水平。

此外，梯田也对流域下游的环境和人民生活有利。

(1)环境效益。梯田能显著提高水土保持能力。甘肃省梯田的设计标准是截留20年一遇的暴雨。到1993年，甘肃省的梯田面积超过100万hm²。1994年的一项研究得出，甘肃省的梯田每年能截留约7.7亿m³的降雨和1.08亿t泥沙。研究表明，梯田每年每公顷能保持720m³降雨(72mm)和截留100t泥沙。这份报告估计甘肃省黄土地区坡地上每年的径流量约为600~1050m³,也就是说大部分径流能保持在梯田中。

位于甘肃省平凉市庄浪县的堡子沟，面积为18km²。1988—1992 年在该流域开展了一项水土保持研究。研究中，对不同地形上的降雨、径流和土壤侵蚀进行了监测。结果表明，梯田加上种植乔、灌木和草以及为植树种草修建的集流坑，截留了绝大部分的降雨径流，并消除了百分之百的土壤侵蚀。

(2)农业生产的效益。甘肃省黄土地区年降雨量仅为250～550mm。而不利的降雨季节性分配更加重了缺水程度，成为农业生产的主要制约因素。梯田可以在相当程度上缓解缺水问题。泾川县对小麦地里180cm深度土壤剖面上的水分进行的监测研究表明，梯田比原来的坡耕地的土壤水分平均高出58mm, 小麦生长期蒸腾量高出54mm。而在收获以后的裸地上，梯田比坡耕地的土壤水分低，蒸发量则要小7mm。

修建梯田后，由于土壤侵蚀造成的养分流失大大减少，甚至可完全避免。梯田由于失去表土层造成的肥力减少，可以通过上面所述的适当施肥、深耕和轮作来恢复。梯田上进行农耕特别是机械耕作比坡耕地更容易、安全，效率更高。同时梯田也为利用雨水集蓄系统进行灌溉创造了条件。甘肃省的经验表明梯田比坡耕地可增产40%～50%。

泾川县在416hm²梯田和91hm²坡耕地上的调查发现，1987-1994年的8年中，梯田比坡耕地的作物产量平均高54%,而干旱年份的增产率要比湿润年更高。1988—1990年，年平均降雨量变化在564～680mm之间，比多年平均年降雨量多12～129mm, 梯田比坡耕地的增产率为42%。而在干旱和极端干旱的年份，梯田和坡耕地的作物产量全都下降，而它们的产量差别更显著。1991—1994年，年平均降雨量比常年低1.5%～36%,梯田的增产率为56%。1995年发生了60年一遇的大旱，年平均降雨量仅为正常值的46%,梯田和坡耕地的产量均大幅度下降，但梯田比坡耕地的产量要高出85%。

除了增产效益，梯田的田坎和地埂上可以植树种草以及栽种经济作物。田坎和地埂的面积为梯田的11%～19%。除了经济效益外，在田坎和地埂上的植物能进一步减少土壤侵蚀，增加田坎土壤入渗和土壤的保水能力。

7.4植树种草

7.4.1甘肃省黄土地区植树种草的技术经验

植树种草也是流域防治土壤侵蚀的一项主要措施。但要使这项措施能够见效，需要注意几个问题，包括富集雨水为目的的土地整理、植树种草的合理布局以及植树中因地制宜的原则。

(1)土地整理。由于甘肃省黄土地区的多年平均年降雨量在300~550mm之间，不能充分满足树木生长需要。为了保证树的存活和快速生长，必须采取雨水富集措施。在植树种草之前的土地整理工作有两个作用。一是富集雨水以保证植物的存活和健康生长。二是平整的土地或沟和坑可以更好地保持径流，减少土壤侵蚀。土地整理工作包括修建梯田、水平阶、水平沟、鱼鳞坑和深坑等。具体选用何种措施要根据当地气候和地形条件而定。

梯田适合于坡度为25°以下的坡耕地。梯田宽度在6～12m 之间，长度可达100m。由于修建梯田耗费大量劳力或机械，在梯田上通常种植高产值的果树或观赏树种。水平阶主要用于在坡度为15°~25°的坡地上植树。水平阶的宽度一般为1～1.5m, 具有3°~5°的反坡。

水平沟也用于在坡度为15°~25°的坡地上。沟底和顶部宽分别为0.3~0.5m 和0.6～1m。沟中挖出的土壤可用于填筑外部的埂。树一般种在沟内部的坡脚处。

鱼鳞坑用于陡坡上，常在河谷和沟道的岸坡上修建。其形状为半圆形，长0.8～1.5m,宽0.5～0.8m,深0.3～0.5m。沿等高线布置成“品”字形，行距和坑距分别为1.5m和2m。

(2)微集水(坑)。根据国家规范，水平深坑宽度和深度均为0.8～1m。而实际修建坑的尺寸要大得多，形状为方形或长方形，水平尺寸为2～3m, 深1～1.5m。甘肃省植树时普遍采用，富集雨水的效果很好。

(3)根据不同地形合理布置植树种草。如果山顶上较宽且平坦，可以栽种饲料作物，例如苜蓿等而无需平整土地。如果山顶较窄且坡度较陡，则需修建水平阶。通常可以栽种灌木，例如刺槐、柠条和紫穗槐等。

在塬面上，田块尺寸通常为6hm²左右，防风林带包括杨树或泡桐等，可种植在塬边上。为了改善水分条件，可将树种于1.5m深的坑内(微集水)以富集降雨径流。树也可种在道路两旁的树坑内，单排泡桐种植间距为2~3m,双排杨树种植间距为1～2m。在可能发生溯源冲蚀的沟头，应在沟沿栽种2～3排防护林，并在林带内缘修建高度为1～2m的堤以截留径流。在沟头下面也可栽种速生树以防止进一步的溯源冲蚀。

梯田上种植泡桐时，可在田坎坡脚处单行种植，间距3m。在地埂上可种灌木如紫穗槐、柠条等。山腰处坡度大于25°时，可以在宽1.5～3m的水平阶上植树。在向阳坡以及土壤和水分条件较好的坡面上，可种植经济树种。阴坡和条件较差时，可种植刺槐和杨树，间距1～2m。如坡度大于35°,可在水平坑内植树。图7.6表示山坡上的水平阶造林。水平坑内植树可见图6.17(b).

远离村庄或位于沟边的较陡的坡耕地，通常肥力较差。一般讲应退耕栽种薪炭林或种植牧草。通常可选种速生林如泡桐或杨树。根据坡度可采取窄梯田、等高种植或微集水坑等整地措施。常见的牧草为苜蓿和沙打旺等。坡度小于25°的坡面，应修建梯田并可种植经济果林(杏、桃树等)或观赏树种(松树、侧柏等)。

在山脚靠近村庄处，在水平台地和坡度平缓的“老梯田”上，可建设果园。

河谷和沟道的两岸通常坡度较陡。对坡度小于35°的坡面，可修建水平阶。如果坡度更陡，则可修建水平坑或鱼鳞坑来植树。混合树种(刺槐、榆树和臭椿等)和灌木(柠条、紫穗槐和沙棘等)可种植在土地较贫瘠的坡面上部。而速生树种如杨树、洋槐和泡桐等常可种在坡面中部和下部。在宽阔的河谷底部，可修建水平阶或水平坑栽种杨树、柳树和洋槐等。底部狭窄的沟道，可修建谷坊来截留泥沙。

(4)因地制宜地植树。在年降雨量小于400mm的甘肃省黄土地区，不少树种不能正常生长，恰当地选择树种十分重要。除了可栽种灌木外，一些耐旱树种也可在荒坡上种植。树种选择取决于不同坡面位置和坡的朝向。中国水土保持综合治理技术规范(国家技术监督局，1996)对植树造林把全国分为7个不同气候带，对每个气候带推荐了不同树种和种植密度。对不同的气候和生态环境也推荐了不同的草种。甘肃省主要树种为泡桐、杨树、洋 槐、松树、侧柏、榆树、桃树、山楂和花椒等。主要草种有苜蓿、草木栖、沙打旺等。

专题7.2茜家沟流域的植树种草

茜家沟是泾川县的小流域，面积60.6km²,属黄土高原沟壑区。流域地形由塬面(占总面积的31.6%)、塬坡(占总面积的28.1%)和沟壑(占总面积的40.3%)组成。高程从塬面的海拔1358m降低到流域沟口的956m。年平均降雨量558mm,其中7—9月的降雨占全年的55%,主要为暴雨形式。土壤结构比较疏松，加上暴雨和广泛分布的黄土，造成严重的水土流失。流域的综合治理始于1973年。治理前，流域内植被稀少，林草覆盖率仅为9%,侵蚀模数达到8000t/km²。1973年开始治理后的15年间，植树1650hm²,修建梯田866hm²。到1987年，治理面积达到流域总面积的82%。

植树造林的主要方法是根据当地条件合理选择树种、在植树前进行土地整理和适时植树。在肥力和水分条件较好的居民点附近、道路旁、田块边，主要种植速生的泡桐和杨树等。树间也常间种作物。在向阳坡多种植核桃、柿子、花椒和苹果树等。在较陡的坡面和沟道内，防护林采用刺槐、小叶杨和臭椿等根系较发达和耐旱的树种。在二阴坡的果园则以种植山楂和梨树为主。

种树的适宜时间取决于种植地点。根据春季少雨的特点，阴坡宜在秋季整地，来春植树。而在阳坡则在春季整地，秋季植树。

土地整理取决于地形。坡度小于15°的缓坡地和在沟滩上，采用窄梯田和水平台。对坡度为15°~35°的坡地，采取水平阶，而在陡于35°的坡地，则以水平沟和鱼鳞坑为主。

按照上述原则，造林进行得十分成功。最近几年来，林木年平均生长率达21%。在1972—1987年的15年间，林木覆盖率从9%增加到26%。

7.4.2科学的植树种草结构

在中沟流域进行的水土保持造林及其效益的研究项目中，对不同的水土保持方法的效率进行了研究。该流域属于亚湿润易旱区。年降雨量为553mm, 其中66%的降雨发生在6—9月。研究中，主要树种选择了能适应不同环境和抗逆性强的刺槐。项目开始前，流域内的高植被多数为刺槐纯林地。在树冠的遮阴下，灌木和草难以生长。刺槐的树叶小，掉落后易被吹走，造成地面覆盖度低，在大雨下仍能发生土壤侵蚀。在9年时间跨度内，不同植被结构的径流和土壤侵蚀率监测研究成果见表7.2。

从表7.2中可以看出，不同林木结构下的径流减少值为相同数量级，与裸地比较为88%～93%。而对土壤侵蚀的控制效果则相差较大。虽然林地的土壤侵蚀仅为裸地的1.7%,但却是疏林地的15倍多。这是由于在疏林地条件下，灌木和草的光照和小气候生长条件均优于纯林地。从灌木和刺槐树掉落的树叶能形成良好的地面覆盖物。在此多层次结构下，年土壤侵蚀量少于3g/m²。土壤侵蚀比裸地减少达99%。

为了在疏林状态下形成林木的立体复合结构，研究了一个经济有效的方法。最初造林时，刺槐种植密度为每公顷7000株。估计存活率70%,则存活植株为5000株/hm²。 在5～7年后，当树成长成椽1*时，进行第一次强度为50%的间伐，为活立木提供了快速生长的良好条件，也为灌木生长提供了空间。伐去的刺槐树桩可以作灌木经营，形成一个刺槐树和灌木以及草的立体结构。在灌木生长3～4年时，选留一株健康的中心枝，其他枝剪去。这样灌木可成长为乔木。到12年后，当第一次间伐时留存的刺槐长成檩¹5,进行第二次间伐，再次用伐桩进行灌木经营。同时，第一次剪枝的灌木成长成树，再过2年即可砍伐成椽。每次间伐和剪枝后，树和灌木的作用互换而始终保持了混合结构。在12年时期内，每公顷可以有3300根椽和1700根檩成材用于建房，而同时有效地防治了水土流失。

形成乔、灌、草复合结构的另一种方法是，栽种针叶树和乔木的混合林。刺槐种植株距1m、行距2m。每两行刺槐间，种植一排落叶松。每年刺槐进行剪枝以保证落叶松和草的生长有足够光照。5年后，刺槐长成椽尺寸后，全部伐掉使之长成灌木。针叶树和落叶树种的混合林提供了更有效的治理方式。

7.4.3植树种草对防治水土流失的作用

树和草都能显著地保持径流，从而减少土壤侵蚀。堡子沟流域从1988—1992年对不同地点的降雨、径流和土壤侵蚀进行了监测。结果表明，在5年期间内，林地可以截留和消耗(通过蒸腾)75%的降雨，土壤侵蚀可减少66%。灌木覆盖地可截留和消耗76%的降雨径流，防止47%的土壤侵蚀。

中沟流域经过恢复植被，林木面积从不足6hm²(<3% 流域面积)增加到76hm²(37%的流域面积)。土壤侵蚀从每年8835t/km² 降低到仅剩307t/km² (治理前的3.5%)。监测显示92%的土壤侵蚀是来自占流域面积仅为6%的13hm²裸露坡地。种植林草的坡地面积为97hm²,占流域面积的48%,而只产生总侵蚀量的8%。

7.5防治土壤侵蚀的生物工程措施

沟道中和沿河谷岸坡的土壤侵蚀造成了流域严重的土地退化。这些部位的面流侵蚀和重力侵蚀都十分严重。后者包括沿着河谷和沟道岸坡的滑坡和坍塌。中沟流域的一项调查发现滑坡占重力侵蚀总量的78%。滑坡可分为表土滑动、浅层滑坡和滑坡加坍塌。当发生了平行于崖坎的宽阔竖直裂缝时，就会产生坍塌，造成大片土壤的塌落。

重力侵蚀受外部和内部因素的影响。主要的外部因素是降雨。暴雨造成的径流冲刷河岸坡脚。降雨渗入土壤中的裂缝，最终会引起滑坡和坍塌。冬季当温度在零度附近波动导致的冻融作用，也能引起滑坡和坍塌。内部因素包括土壤的抗剪强度、沟道岸坡的高度和坡度以及侵蚀基准面高程。土壤抗剪强度主要和密度及土壤湿度有关。密度较高和湿度较低的土壤，抗剪强度就高。高岸坡和较低的侵蚀基准面能加重侵蚀。

甘肃省为防治沟道和陡边坡上的侵蚀以及减少河流中的泥沙所采取的措施主要有：植树种草以及修建谷坊和淤地坝(可在上游形成平坦的坝地)以截留流域的泥沙。

在岸坡上植树种草在前面几节中已介绍过。下面主要介绍防治重力侵蚀的措施以及在沟道和河谷中修建谷坊和淤地坝。

7.5.1防治重力侵蚀的措施

防治重力侵蚀的措施主要有：

● 把易发生滑坡地点的径流引走，例如沟边或陡坡的顶部。在已发生滑坡的地方，植树种草可有助于稳定边坡。

●避免在较陡的坡地上修建梯田。梯田能保持较多降雨，土壤水分的增加会降低土壤强度，使滑坡的风险增加。

● 植树造林应注意地质条件。树木的根系有利于固结土壤，但深根能扩大黄土中的裂缝。其结果使降雨易于渗入并扩大裂缝，最终造成土体坍塌。当土层很薄而坡度较陡时，植树也应谨慎进行。

7.5.2沟道和河谷底的生物工程措施

在宽阔的河谷底部，可修建水平阶，种植杨树、柳树和刺槐等。林带可防止河谷底板的冲刷。在窄深的沟道中可建坝以防止沟底冲蚀，减少泥沙量和控制洪水。甘肃省流域治理中通常修建三种坝。

(1)谷坊。谷坊是设计用于截留泥沙而允许大部分径流通过的建筑物。谷坊常为梯级式，建于坡度为5%～10% 的沟道中，见图7.7。坝顶高程和上一级坝的坝底高程相同。

谷坊坝高为2～5m。坝顶宜和沟床同高或高出0.5～1m。建设谷坊的材料要因地制宜，可以为柳谷坊、土谷坊或石谷坊。甘肃省黄土地区石料缺乏，因此很少建有石谷坊。

柳谷坊由活柳树桩、柳条编织的篱笆和石块组成。柳桩长1.8m,直径为5～8cm, 一头削尖，两排桩插入地面0.5m深，排距和桩距均为0.5m。柳谷坊一般低于2m,最高可为3m。

柳条编织成篱笆，也为两排， 固定到桩上，排间填以石块、卵石。这种坝为透水的，允许径流通过，而泥沙则被截留。每年活柳树桩上能生长出长1m 的枝条。图7.8为柳谷坊。

土谷坊高度为2～5m, 顶宽约1.5～2m。坝坡范围为1:1到1:1.8(垂直比水平)。不同高度土谷坊的尺寸见表7.3。

在沟道一边的基岩或坚固土基上，需建一座溢洪道以宣泄洪水。设计标准为10～20年一遇的3～6h暴雨洪水。溢洪道可以是梯形或矩形。溢洪道的设计对所有坝工项目是十分关键的，应谨慎从事。作为结构设计的基础，必须进行水文、地质和结构的深入分析。

(2)淤地坝。淤地坝是为了截留泥沙并在坝后形成平坦土地，最终成为耕地。图7.9和图7.10表示新建的淤地坝和已建梯级淤地坝后开垦的土地。

根据坝高、蓄水容积和坝后开垦的土地面积，我国的淤地坝可分为大型、中型和小型，见表7.4。

淤地坝主要修建于底坡小于3%的沟道内。对流域面积小于1km²的小沟道，沟内第一座淤地坝应建在最下游。当坝后淤积成地并开垦种植庄稼后，在其上游再修建第二座，以保护该坝地不受洪水危害。然后再修建第三座，依次进行。对流域面积为3～10km²的沟道，建坝宜从上游开始，逐步向下游修建， 坝高和库容也逐渐增大。另一种程序是同时在最下游和沟道中部建坝。在这两座坝后淤积后，可加高坝并同时在上游建大型或中型淤地坝以防止洪水危害已开垦的坝地。对流域面积大于10km²的沟道，第一座坝宜先建在干流上游的支流上，再在流域下游修建适当容积的坝。

对坝后形成并开垦的坝地应注意采取措施加以保护。应在已开垦土地的上游建坝防止洪水危害。如果开垦的坝地在干沟上，则防洪坝宜修建在坝地上游的支流上。为避免洪水危害坝地，应修建一防护堤，使洪水沿排水沟通过下游的溢洪道排走。

坝后淤积物富有营养、土壤肥沃、含水量高，因而产量较高。甘肃省西峰市的南小河沟建了11座坝，开垦了6.7hm²土地。1978年进行的监测发现这11座坝共保持了36t 全氮、150t 全磷和618t 有机物。

淤地坝由坝体、溢洪道或泄洪涵管组成。中国的《水土保持综合治理技术规范》(国家技术监督局，1996)规定了防洪标准，见表7.5。

(3)水库。当存在有泉水或其他水源时，可修建小型水库用于灌溉或发展渔业，也可用作减小洪峰流量以保护下游的坝。为防止水库泥沙淤积导致损失库容，可在其上修建淤地坝。

建坝对减少土壤侵蚀和减少流域泥沙量有重要作用。在谷坊或淤地坝后形成的淤积体，能提高侵蚀基准面因而岸坡长度和沟道的纵向坡度均可减小。水库截留了流域产生的大部分泥沙，下游的淤积问题得以减轻。

7.6甘肃省小流域治理的效果和影响

过去30多年的实践经验表明，小流域治理对于农村发展和环境保护有着显著的作用。同时也为流域下游减少了泥沙危害。但流域治理所采取的措施也减少了小流域的出流，从而减少了下游径流量。这在一定程度上也减少了黄河流域的流量。下面将对甘肃省小流域治理的效果和影响作一个综合评估。

7.6.1小流域治理对生态系统和小气候的影响

甘肃省小流域治理的措施之一是植树种草。在治理前，植被覆盖率很低，通常小于10%。加之农民把地里的根茬和草都用作燃料，使植被覆盖几乎挖掘殆尽。通过流域治理，林草覆盖率大大提高。泾川县的中沟流域在5年治理中，植树71hm², 种草16hm²。新增植被达到流域总面积的40%。茜家沟流域从1983—1987年，新增森林和草地14.3km², 占流域面积的23.6%。泾川全县在1991—1995年间，植树种草面积达到428km², 超过全县面积的30%。增加绿化面积不仅减少了土壤侵蚀，还改善了当地气候。中沟流域的观测发现，在梯田上种植防风林带后，平均风速减小了48%,土壤水分增加10%。而且夏季每天高温和因干热风影响导致湿度降低持续的时间分别缩短了3.3h 和4.6h。

7.6.2小流域治理对下游的效果和影响

(1)减沙效益。小流域治理最明显的效果是对土壤侵蚀的控制。治理前，甘肃省黄土地区的土壤侵蚀变化在5000～10000t/km² 之间。而按照前面介绍的措施进行小流域治理后，绝大部分的土壤侵蚀能得到控制。表7.6是土壤侵蚀和沟道输沙量的减少和治理措施覆盖率(土壤侵蚀得到控制的土地面积和总面积的比例)之间的关系。

虽然每条流域的面积与黄河全流域比较非常小，但流域数量众多。甘肃省有600多条小流域、总面积达12000km² (超过黄土地区的10%)进行了水土保持工作。这些流域治理对全流域水文状况有一定影响。1996年甘肃省水保局进行了黄土地区黄河上较大支流、祖历河流域水土保持措施对径流和泥沙影响的研究。祖历河流域面积为10653km², 多年平均年降水量为376mm。在过去几十年中，水土保持治理的面积为2403km²,占流域总面积的23%。以1955—1969 年作为基数，输沙量在1970—1979年平均减少25%,1980—1989年减少37%。研究中，采用水文模型方法把减沙效果分割为自然原因和人类活动造成的两部分。人类活动的影响包括水土保持措施以及在流域中建坝后淤积的泥沙。因自然原因造成的减沙在20世纪70年代和80年代，分别为2%和12%。因而人类活动造成的减沙效果在这两段时期分别为23%和25%。黄河流域每年泥沙量为16亿t, 其中主要来自黄土地区。因而通过小流域治理减少进入下游河道的泥沙，对黄河流域治理泥沙淤积问题有着十分重要的意义。

(2)对下游防洪的效益。由于普遍采取了流域治理措施，大部分降雨为土壤所截留，部分形成土壤水分，部分则成为地下水，而最终回归入河。因此洪峰流量大大减小，年径流主要以基流的形式出现。这样就在很大程度上缓解了下游的洪水灾害。表7.7是在一次暴雨过程中，茜家沟流域和邻近的田家沟流域洪峰流量的比较。两条流域面积很接近，在1987年都发生了一场暴雨，而其结果却截然不同。茜家沟流域的治理面积达到81%,在暴雨中发生的洪峰流量仅为治理程度较低的田家沟的14%。

采取了水土保持治理措施后，流域径流的组成也发生了很大变化。堡子沟流域治理前，1987年的年降雨量为544mm,几乎所有的径流均为洪水。而在治理后，1988—1992年期间的平均年降雨量稍小于540mm, 年径流中只有三分之一为洪水，其余则以基流的形式出现。

(3)对下游径流的影响。修建梯田、平整土地和植树造林使土壤截留的降雨显著增加，因而大大减少了流域的出流。表7.8为5条流域出流减少值和水土保持治理程度的关系以及流域输沙量的减少。

从表7.8可以看出，小流域进行水土保持治理后，流域出流减少60%~82%。在祖历河流域，20多年水土保持治理，使径流减少约11%。这些数据表明流域治理对下游径流减小的影响，以致将影响整个黄河流域。

有一种看法认为流域出流的减少是黄土地区小流域治理和雨水利用的负面作用，是造成黄河流域下游径流减少的原因之一。但如果全面考虑小流域治理的影响，则可以有不同的看法。首先，黄土地区小流域是我国最缺水的地区之一。地面和地下水十分短缺。雨水是唯一的水源，对它的有效利用以促进地区发展是必要的。其次，甘肃省黄土地区在流域治理前的径流系数只有0.1左右，年人均水资源只有300m² 上下，大大低于全国平均水平。再次，虽然流域治理减少了径流，但同时输沙量也减少了，而且后者减少程度更大。从表7.6中的数据可以得出，每立方米径流减少值同时伴随着0.13～0.19t输沙量的减小。也就是说每减少1t沙相当于流域保持了5.4～7.6m³的水。这一数字意味着解决下游泥沙问题的高效率。例如，在黄河下游的巨型小浪底水库，从2002年开始进行了十多年的调水调沙试验，2002—2009年间泄水330亿立方米水，排走水库和下游河床中的泥沙5.75亿t, 平均每排除1t泥沙，用水58m³。因此小流域治理在水沙治理上的综合作用应当是正面的。

7.6.3提高农业生产水平和改善人民生活水准

在流域治理前，70%的耕地为坡耕地。表土的侵蚀造成养分的流失，使生产率和作物单产长期处于低水平。梯田和土地平整减少了土壤侵蚀和养分流失，使农民有可能开始从广种薄收向精耕细作转变，显著提高了农业生产力。茜家沟流域通过平整条田和修建梯田，作物单产分别增加了890kg/hm² 和1245kg/hm²。堡子沟流域在治理后的1988—1992年，平均单产达到2850kg/hm²,而治理前的1987年，单产仅为1350kg/hm²。农林牧业生产增 加约3倍，人均收入增加2.5倍，人均粮食产量从267kg增加到545kg。植树造林的效果也十分显著。村民们收集的枯枝柴草达2700t, 基本满足了烧柴所需。九华沟流域在修建梯田和植树造林后，农业生产实现了多种经营。他们在5年内，种植了花椒、梨、杏等果树67hm²。 修建了1500眼水窖，除了提供家庭生活用水，还灌溉了207hm²经济作物。此外，有96户开始养猪，有133hm²土地用来繁殖洋芋种子，发展洋芋产业。人均收入增加了97%,人均产粮从410kg增加到654kg。

专题7.3案例调查：小流域治理改善了农户生活

农民张云在1970年和九华沟的农民王庭班结婚。当她刚到这里时，觉得生活太苦了，以至于想过要离开这里回家乡去。每天她要花费3个多小时从沟底挑水。有时她去邻村去担泉水，还被当地农民挡住了。地里的产量也很低，一家4口每年只有300kg粮食，根本不够吃。

而现在她家有了4眼水窖，每个容积40m³,家庭用水绰绰有余。她参加了退耕还林项目，把0.7hm²的土地用来种植苜蓿和柏树。她因此每年得到政府给的2000多元补助款。原来她的1.1hm²的坡耕地已在20世纪70年代到90年代间修成了梯田。这项工作确实辛苦，但她现在可以享受其成果了，作物单产增加三成多。

她现在每年收获4000多kg小麦、玉米和胡麻。她种了0.27hm²的洋芋，经营一个小梨园。她还养猪。丈夫是一个木匠，在镇上打工。她的生活变化非常大。她认为这要归功于修梯田和搞雨水利用。

思考一下小流域治理的经济问题会很有意思。在甘肃省黄土地区的小流域治理中，修梯田和植树造林应当各占什么样的地位?在20世纪90年代进行的一项研究得出结论，认为修梯田是经济可行的。那时候，修梯田主要靠人工，而劳动力的价值很低，尤其是在那些市场经济机制还未充分发展的地方。

修梯田所耗费的廉价劳动力能由显著提升农业生产力得到补偿。但梯田只适用于坡度小于25°的情况。坡度更陡的坡地则应退耕还林还草。而现在我国的市场经济已有了充分的发展，即使在甘肃省黄土地区，劳动力也要比过去昂贵得多。研究表明，植树种草能和梯田有同样防治土壤侵蚀的效果。例如，中沟流域造林种草可以减少坡地上土壤侵蚀的99%。茜家沟和堡子沟流域减少土壤侵蚀也分别达到80%和75%。