元谋干热河谷平沟建园土地治理工程效益及生态风险

刘 琳，熊东红，张闻多，李琬欣，袁 勇，张宝军，张信宝

元谋干热河谷平沟建园土地治理工程效益及生态风险

刘 琳1,2,3，熊东红1,2※，张闻多1,2,3，李琬欣1,2,3，袁 勇1,2,3，张宝军1,2，张信宝2

（1. 中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041；2. 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；3. 中国科学院大学，北京 100049）

元谋干热河谷冲沟侵蚀发育，水土流失严重，人地矛盾突出。自2010年以来，该区开展了一种集“水土流失治理、土地开发和果蔬园建设”为一体的新型土地治理工程——平沟建园。该工程在增加耕地面积和增加土地收益等方面发挥了重要作用，但随着工程的推进，其对生态环境的影响也不容忽视。该文采用遥感解译结合实地调研方法，分析了元谋干热河谷平沟建园土地治理工程现状及产出效益，并对工程中存在的潜在生态风险进行了探讨。结果表明，平沟建园土地治理工程以民营企业和个体户为投资主体，截至2018年，已完成造地总面积超过6 700 hm2，显著提高了该区土地资源利用效率。该工程造地投入为3.3~18万元/hm2，平均10.65万元/hm2，新造地主要种植葡萄、番茄等果蔬，年总产出最大可达造地平均投入的12.7倍，经济效益显著。但在工程实施中，存在局部新造地边坡沟蚀发育、水资源利用及其土壤水分平衡变化，以及农药化肥大量施用威胁水体安全等潜在生态风险。平沟建园工程是一项非官方组织的民间致富土地治理工程，未来需加强对工程具体生态效益及潜在生态风险问题开展科学监测与试验研究，以期为元谋平沟建园工程的科学实施以及经济、生态与社会效益的持续发挥提供理论依据。

复垦；整治；土壤侵蚀；生态风险；冲沟；干热河谷

0 引 言

金沙江干热河谷是中国西南地区典型的生态脆弱区，冲沟侵蚀是其突出的生态环境问题之一[1]。位于金沙江干热河谷区核心地带的元谋干热河谷，冲沟极为发育，水土流失十分严重[2-3]。该区域沟壑密度3.0～5.0 km/km2，最大达7.4 km/km2[4]，土壤侵蚀模数高达1.64×104t/(km2·a)[5-6]，元谋县中度以上水土流失面积占全县国土面积的50%以上。冲沟侵蚀蚕食耕地，毁坏道路，形成支离破碎、沟壑纵横的侵蚀劣地地貌[7-8]，导致土地资源急剧减少[9]。随着元谋人口数量的增长，人地矛盾日益突出，严重制约了区域经济发展。

元谋干热河谷区光热资源极其丰富，素有“天然温室”之称。充足的光照使得该区种植冬早蔬菜和热带经济林果非常有优势，是全国仅有的露天冬早蔬菜种植区，种植的果蔬因其产量高、品质好、上市早、反季节等特点，具有较高经济价值。

元谋干热河谷区人均耕地面积仅为0.06 hm2，远低于全国平均水平。当地农民为了扩大种植面积，选择在沟蚀程度较轻的荒沟荒坡地带，自发性地开展小面积的土地整理。他们采用小型机械将荒沟荒坡改造成阶梯状台地，用以种植冬早蔬菜和热带经济林果，获得了可观的经济效益。但部分农民因前期整地资金投入较大，且后期运营中需要耗费大量人力物力，因而无法支撑园地正常运营，使得整地工程在元谋干热河谷区没有得到普遍推广。

近年来，随着社会的不断进步与发展，大量外来企业涌入元谋，在巨大利益的驱动下，各私营企业和个体老板开始与当地农民合作，采用大型机械，更大规模地开发利用冲沟侵蚀劣地，更大面积地种植以获得巨大经济效益。因此，一种新型的开发利用荒沟荒坡、治理水土流失的模式-平沟建园工程模式，在光热资源丰富的元谋干热河谷地区逐渐兴起。据元谋县国土局不完全统计，2010—2018年，通过对冲沟发育区进行土地整理新开辟的土地达6 700 hm2以上，将昔日“千沟万壑”的水土流失严重地带变为“整齐平坦、郁郁葱葱”的果蔬园，不仅大大降低了水土流失程度，还产生了显著的经济效益。但由于平沟建园工程实施缺乏科学规划，且果蔬园一年内多季节种植水肥耗用量极大，可能导致局部地带的水土流失、水资源平衡、农业生态系统污染等系列生态风险问题。

本研究首先采用目视解译方法，之后对平沟建园工程数量较多、规模较大且较集中分布的老城乡、平田乡、黄瓜园镇、新华乡、物茂乡及元马镇共6个乡镇进行了野外实地调研，并最终选取了具有代表性的8个典型工程进行了走访调查。该研究深入调查分析元谋干热河谷区平沟建园工程现状、效益及新出现的生态问题，并提出相应的对策建议，为今后更科学、合理地实施平沟建园工程提供理论指导，这对促进该地区土地资源保护与可持续利用、降低区域生态风险、提高生态环境质量等均具有重要意义。

1 元谋干热河谷平沟建园工程现状

1.1 研究区概况

元谋干热河谷位于金沙江下游南侧元谋县境内的元谋盆地（101°35'~102°06'E，25°23'~26°06'N）（图1a）。该区属南亚热带季风气候，具有“炎热干燥、降水集中、干湿季分明”的特征[10]。年均降水量615 mm，年均气温21.9 ℃，无霜期350～365 d，年日照时数2 550～2 744 h，>10 ℃年积温达8 000 ℃[11]。区内元谋组地层广泛分布，主要为第四纪河湖沉积物，厚达673.6 m，可分为4段28层，并具有“结构松散、胶结度差、易侵蚀”等特征。主要土壤类型是燥红土，土壤砂砾含量较高，植被以稀树灌木草丛为主。特殊的气候条件和岩土性质，使得该区域冲沟极为发育，冲沟年均溯源侵蚀速率50 cm/a左右，最大达200 cm/a。

1.2 平沟建园工程分布概况

元谋县国土面积2 021.69 km2，海拔898～2 835.9 m，其中低于1 600 m的干热河谷区面积占62%。元谋县总人口数为21.58万（2010年），人均耕地约为0.06 hm2，远低于全国人均耕地0.09 hm2的水平，土地资源极为紧缺。自2010年来，元谋平沟建园工程总面积超过6 700 hm2，约占干热河谷区面积5%。工程主要分布在老城乡（48.3%）、平田乡（17.88%）、物茂乡（14.42%）、黄瓜园镇（8.25%），元马镇、江边乡、羊街镇和新华乡等其他乡镇有零星分布（图1d）。

图1 元谋干热河谷位置、平沟建园工程前后对比及工程分布图

1.3 平沟建园工程技术模式与运作方式

在元谋干热河谷平沟建园工程中，民营企业或个体户以租赁土地的形式向当地村委会租用荒沟、荒坡地，利用挖掘机、推土机等现代化机械，从坡顶到沟底，由上至下，层层进行推坡、填沟、压实，快速建成阶梯状分布、面积大小在500～1 000 m2不等的台地（图1c）。干热河谷区内元谋组地层土层深厚，超过600 m，且大部分冲沟发育短浅，下切深度大多小于50 m[12-13]，地形落差相对较小。这些地形地貌、岩土特征以及现代机械化的推广，为平沟建园工程的实施奠定了良好的基础。对于工程新造地，民营企业和个体户一般拥有30～40 a使用年限，可自行种植或转售给其他老板进行经营，以获得利益。这有别于黄土高原延安地区的治沟造地技术模式：延安治沟造地工程以加高、维修现有淤地坝或者新建淤地坝为基础，人工挖取沟道两岸坡地土体，填满坝库，快速造地[14-16]。

2 平沟建园工程效益

平沟建园的造地投入主要包括土地流转成本与施工成本。本研究对平沟建园工程进行了详细调查，列举了8个典型平沟建园工程的造地投入（表1）。总体来看，造地总投入在3.3～18万元/hm2，平均为10.65万元/hm2。通过遥感解译，较2011年，元谋平沟建园工程增加耕地面积23.6%，充分提高土地资源利用率。平沟建园工程建设后基本用于果蔬种植，其中果蔬基地比例分别为60%和40%。自2010年平沟建园工程实施以来，至2011、2014、2017年平沟建园总面积占县果蔬种植面积分别为9%、16%、35%。由此可见，平沟建园工程对元谋县果蔬种植及经济作物生产总值的贡献日趋凸显（图2）。

同时，本研究基于调查结果，以分别代表水果和蔬菜且种植数量最多的葡萄、番茄为例，列举了8个典型基地的产出状况（表1）。由表可见，种植葡萄年均产量达30～45 t/hm2，年总产出约15～135万元/hm2，约为平均造地成本（10.65万元/hm2）的1.4～12.7倍；种植番茄年均产量可达165～225 t/hm2，年总产出约14.4～67.5万元/hm2，约为平均造地成本的1.3～6.3倍。平沟建园工程实施后，其总产出显著大于投入，将过去“土地贫瘠、干旱缺水、道路不畅”的荒沟荒坡，变成了一片片“整齐宽阔、道路相通、亩产值高达数万元”的果蔬基地，使得昔日的荒沟荒坡摇身变成“聚宝盆”。

图2 平沟建园工程面积与元谋县果蔬种植面积对比

表1 不同果蔬基地每公顷投入产出

除经济效益外，元谋平沟建园工程也取得了较好的生态效益。平沟建园工程充分利用荒沟荒坡，通过平整土地、种植作物，也在一定程度上改善了当地地表覆被状况，改变了地表景观（图3）。荒沟荒坡平整为台地后，也促进了雨水就地入渗[17-18]，从而减少地表径流，减轻坡面、沟道侵蚀，减少了河道、塘库泥沙淤积；同时，作物种植使得耕作层土壤黏粒含量增加，降低了土壤砂性，提高了土壤保水保肥能力[19]。

图3 平沟建园工程完成后典型景观

3 存在的主要生态问题及分析

3.1 局部地带边坡沟蚀发育

平沟建园工程新造台地边坡，由于缺乏必要的生物和工程护坡措施，在短时间内边坡沟蚀发育问题突出。大多数民营企业和个体老板为提高造地速率，在施工过程中并未进行层层压实，且新造地未经过充分沉降就投入使用，导致台地边坡土体松软、稳定性差；加之地带性土壤燥红土极易侵蚀[20]、雨季降水集中且暴雨频发[21]等原因，导致新造台地边坡建成初期普遍存在细沟、浅沟发育问题（图4a，4b）。

新造台地也缺乏完善的水土保持措施，配置排水沟、蓄水池、挡墙等措施会使得施工成本增加6～9万元/hm2。据野外调查，平沟建园工程中水土保持工程措施配套整体相对薄弱（表2），以土质排水沟、蓄水池为主，未见护坡措施。在台地周围和道路两侧直接开沟挖渠作为简易土质截、排水沟（图4c），虽然可以达到一定的截水、排水效果，但其极易被暴雨冲毁或填埋，不能很好地发挥效益。这导致边坡沟蚀不断发育，局部地带甚至出现切沟。据前期野外调查，边坡侵蚀发育沟道宽度和深度最大均可达100 cm以上。

随着新造地种植年限的延长，在作物生长和机械碾压共同作用，边坡土体紧实度会有一定程度增加，加之植被自然恢复或人为采取边坡保护措施，如在边坡及田埂上种植乡土草本-象草、扭黄茅、在发生水毁的排水沟上方布设铁质排导槽等，使得边坡稳定性有所提高、侵蚀程度有所减轻（图4d）。但是，由于局部边坡陡立、边坡较长，植被覆盖率低，仍然会存在细沟、切沟发育的可能性，对边坡沟蚀问题的防控仍不容忽视。

表2 平沟建园水土保持措施概况

注：表中“√”表示在平沟建园工程中布设有该措施。

Note: “√” indicates that the measure was adopted in the Gully Reclamation Project.

图4 简易土质排水沟、台地边坡沟蚀发育

3.2 新造地水资源及其土壤水分平衡问题

大量研究表明，土地整理对地表扰动大，显著改变了下垫面条件，进而会影响降雨入渗、地表径流等水文过程[22]。罗明等[23]提出坡地垦殖与梯田建设会改变地表水系的网络结构，不仅会直接影响自然生境类型的改变，还可能影响伴随原有水系网络而形成的各种相关生态过程。平沟建园工程通过平整荒沟荒坡变为梯形台地，直接改变了原来荒沟荒坡的下垫面条件，在极大程度上影响了原有坡沟系统的水文过程。此外，大面积的果蔬种植在一定程度上增加了地表覆盖，促进了雨水入渗、减少了地表径流。元谋干热河谷所属的龙川江流域，为金沙江一级支流。长远来看，平沟建园工程导致元谋干热河谷区水文过程的变化可能会影响龙川江流域水文过程变化，进而影响流域水资源平衡。

耕地增加、提高粮食产出等在内的土地整理活动都会相应提高水资源需求量，并严重影响区域水资源分配[23]。在元谋干热河谷区，平沟建园工程显著增加了当地耕地面积，且年内多季节果蔬种植，所需水资源量巨大。据调查，该区种植葡萄年灌溉量约9 000 m3/hm2，种植番茄年灌溉量约8 250 m3/hm2，整体灌溉量较大。元谋干热河谷年平均降水量仅为615 mm，如此巨大的灌溉用水主要通过抽取龙川江河水、水库储水和深层地下水来满足。目前元谋县有中小型水库69座，总库容10 873万m3，水利工程供水量11 905万m3。尽管储水量较为充足，但平沟建园工程的大面积实施，对水资源需求强烈，如若不重视水资源供需平衡，不合理利用水资源，必然会成为平沟建园工程顺利开展的巨大瓶颈。此外，长期采用深层地下水来满足灌溉需求，也会给该区带来地下水位不断下降、龙川江旱季断流等潜在生态风险。

土地利用变化是影响土壤水分变异的重要原因[24]，平沟建园工程实施后土壤水分平衡问题也值得关注。原荒沟荒坡地稀树灌草植被类型转变为水果蔬菜等经济作物，植物及其土壤水分之间的关系也发生了变化。新造台地土体扰动大、结构松散、孔隙度大，大量灌溉水可能通过土体间的大孔隙以深层渗透形式而流失。此外，元谋干热河谷区年蒸发量高达3 911.2 mm，约为年降水量的6.4倍[25]。强烈太阳辐射会使得新造台地大量灌溉水以蒸散发形式损失。目前有学者研究了冲沟发育区荒沟荒坡的土壤水分状况[26-27]，但鲜有学者对工程实施后新造土地的土壤水分平衡变化进行定量研究。

3.3 农药化肥大量施用，威胁水体安全

元谋干热河谷区地带性土壤燥红土，容重偏高、土壤结构性差、有机质含量极低（表3）[28]。由于冲沟侵蚀剧烈，进一步导致土壤养分贫瘠化问题突出，土壤肥力、养分和质量整体较低[29-30]。特别是平沟建园工程以冲沟发育区的荒沟荒坡为建园对象，该区域土地退化程度高。何毓蓉等[31]研究结果显示，该区域由于土壤侵蚀强烈，使得土壤有机质贫化比率达93.1%。袁勇等[32]研究也表明冲沟侵蚀造成了冲沟发育区有机质显著下降，加剧了土壤有效性氮素和磷素损失。此外，在平沟建园工程实施过程中，大型机械会破坏土壤结构和养分，破坏表土熟化层，将大量结构差、养分贫瘠的深层土体翻挖到台地表层。整体而言，该区域平沟建园后土地贫瘠，土壤质量普遍低下。

表3 燥红土的基本性状

为解决新造地土壤质量低下问题，达到早种植早产出的目的，种植基地在建成初期为快速培肥土壤而施用大量化肥，这可能会对地下水、下游水体等构成安全威胁。以种植葡萄为例，其水肥年灌溉量约9 000 m3/hm2，有机肥约150～180 t/(hm2·a)，化肥约375～450 kg/hm2，远大于全国平均水平[33]。相较于传统的灌溉模式，水肥一体化的滴灌、微灌等节水灌溉技术更能促进水肥的高效利用[34]，从而被新建基地广泛应用，但由于当地燥红土保肥性较差[15]、新造地土体疏松等原因，土壤中的速效肥料易随径流和灌溉水淋失，水肥利用率不高。此外，干热河谷区作物为多季节种植，农药化肥施用频率显著高于其他地区。长远来看，农药化肥的长期大量施用，如果没有有效的防护措施，在一定程度上会威胁到该区地下水和地表水安全，进而会威胁龙川江下游水安全，带来巨大的生态风险。因此，在民营企业仅考虑短期内巨大经济效益回报的背景下，平沟建园工程可能产生的潜在深远水安全生态风险也值得政府和科学家关注。

4 科学规划与研究建议

4.1 优化施工技术，完善防护设施

一是在造地技术的优化、提升方面，虽可参考延安治沟造地工程的施工标准（施工过程中每25 cm对土体进行压实，边坡不得高于4 m，坡度不得大于53°），但鉴于元谋干热河谷区地形、土壤类型与延安地区存在较大差异，需深入研究该区降水条件与台地边坡侵蚀发育的关系，探究元谋干热河谷区平沟建园工程中最适碾压土层厚度、不同边坡高度对应的最优坡率等方面技术标准，总结提出适合该区域的技术规范。二是对新造的裸露边坡，及时采取适宜的植物护坡、工程护坡、挡墙等边坡防护措施，防止边坡沟蚀发育。三是针对台地田面及边坡，合理设计并布设截水沟、排水沟和管涵等配套设施，尽可能减少径流对台地边坡的冲刷，保证边坡的稳定。

4.2 合理利用水资源，科学灌溉新造地

在平沟建园过程中，要兼顾区域水资源的供需关系和资源平衡等问题，合理利用水资源，科学灌溉新造地。一是在工程可行性研究和规划设计时，要充分分析水资源的时空分布状况，根据需水要求，进行水资源供需分析，科学布设蓄水池及机井设备，达到合理利用水资源的目的。二是要查明不同季节、不同农作物种植结构及种植方式下的用水需求及其蒸散发量，改进农业技术、合理调整产业结构，科学设计灌溉保证率。三是在平沟建园工程完工后，认真贯彻高效节水灌溉农业措施，通过地膜覆盖、秸秆覆盖等措施降低土地和作物的水分蒸发来提高水资源利用率，切实推动农业节水增效技术的综合集成化、规模化和产业化发展。

4.3 科学培肥新造地土壤，合理施用农药施肥

一是充分了解平沟建园土地的土壤质量状况，在工程初期妥善选择剥离与回填表土的方法，坚持做到“熟土在上、生土在下”，增强农田的生产作业能力[35]。二是在实践中本着因地制宜的原则，采用客土、增加农家肥、种植绿肥等方法，科学快速地培肥新造地土壤，提升土壤质量，为工程后续经营提供较好的土地基础。三是要将区域气候特征和不同经济作物的生理需求相结合，科学确定施肥量，选择的农药要高效低毒低残留，并严格控制使用量，利用生物技术、生物农药等生物防治方法控制病虫害，减少农药使用。四是不断提高果蔬的抵抗病虫害及自然灾害的能力，做到科学施肥、精准施肥，合理施用农药，从根源上减轻化肥与农药对地表及地下水的污染。

5 结 论

元谋干热河谷区平沟建园工程将地形破碎的冲沟侵蚀劣地改造为平坦、高“含金量”的果蔬基地，显著增加了该区耕地面积，短期内为民营资本带来巨大的效益产出，有效推动了当地社会经济发展，对遏制冲沟发育、增加地表覆盖、抑制水土流失等方面也发挥了显著的作用。总体来看，这是一项非官方组织的民间致富工程，其经营模式也值得在西南其他干热河谷地区推广。但从长远来看，该地区平沟建园工程对下垫面有较大扰动，且果蔬种植需要大量灌溉和施肥，会产生局部边坡水土流失、水资源平衡、地下水安全等不容忽视的生态风险问题。因此，针对具体的生态效益及存在的潜在生态风险问题，今后需选择一些典型工程，开展长期科学监测、试验等研究，进行定量分析与评价，对控制以上生态风险问题提出对策建议，为今后更科学、合理地实施平沟建园工程，更大程度地发挥工程效益、促进该区土地资源保护与可持续利用、保障区域生态安全等提供依据。

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Benefits and ecological risks of Gully Reclamation Project in Yuanmou Dry-hot Valley region

Liu Lin1,2,3, Xiong Donghong1,2,※, Zhang Wenduo1,2,3, Li Wanxin1,2,3, Yuan Yong1,2,3, Zhang Baojun1,2, Zhang Xinbao2

(1.,,610041,; 2.,,610041,; 3.,100049,)

The Yuanmou Dry-hot Valley of the Jinsha River is an ecologically fragile region with severe gully erosion in southwest China. Gullies, with the density of 3 to 5 km/km2, erode the farmland and form the erosion badlands, accounting for approximately 70% of the total area and inducing rapid land degradation. However, this valley features extremely hot weather, with annual average temperature of 21.9 °C and annual sunshine of 2 550-2 744 h. The abundant sunshine and heat resources make this valley being a large “natural greenhouse”, which is very favorable for developing off-season agriculture. The vegetable and fruit plantation in this valley have high output and quality. Since 2010, a new land management model to reuse the gully erosion badlands has been carried out in this area, namely the Gully Reclamation Project. This project has played an important role in increasing the cultivated land resources and economic returns, however, with the project implementation, the potential ecological risks cannot be ignored. In this study, visual interpretation methods were employed to identify the area of the Gully Reclamation Projects. Then, we conducted field surveys in 6 villages with the greater project distribution, Laocheng, Pingtian, Huangguayuan, Xinhua, Wumao, and Yuanma. And ultimately, we visited a number of farmer households, and 8 typical projects were selected to analyze the technology and operation modes, and output benefit of this land management project. The potential ecological risks during the project implementation were also discussed. The results showed that the Gully Reclamation Project with the main investors of enterprisers and local farmers significantly improved the land resource utilization efficiency in the area. From 2010 to 2018, the project completed new arable land a total area of more than 6 700 hm2, accounting for about 5% of the area of the dry-hot valley. Meanwhile, the project brought huge economic benefits for enterprisers and local farmers. The total land construction investment was 33 000-180 000 yuan/hm2, with an average of 106 500 yuan/hm2. Taking the mostly planted grapes and tomatoes as examples, the total annual output was 1.4 to 12.7 times and 1.3 to 6.3 times of the average land construction investment, respectively. However, with the implementation of the project, there are also several potential ecological risks, such as the rill erosion in terrace slopes, the imbalance of water resources utilization in new land, and the threat to water safety caused by the massive application of pesticides and fertilizers. In general, the Gully Reclamation Project is a non-governmental organized and successful land management. However, it is of great significance to strengthen the scientific monitoring and researching on the specific ecological benefits and potential ecological risks in the future. This can provide a theoretical basis for the scientific implementation of the project and the sustainable development of economic, ecological and social benefits.

reclamation; consolidation; soil erosion; ecological risk; gully; the Dry-hot Valley region

刘 琳，熊东红，张闻多，李琬欣，袁 勇，张宝军，张信宝. 元谋干热河谷平沟建园土地治理工程效益及生态风险[J].农业工程学报，2020，36(4)：251－258. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.030 http://www.tcsae.org

Liu Lin, Xiong Donghong, Zhang Wenduo, Li Wanxin, Yuan Yong, Zhang Baojun, Zhang Xinbao. Benefits and ecological risks of Gully Reclamation Project in Yuanmou Dry-hot Valley region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 251－258. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.030 http://www.tcsae.org

2019-09-28

2019-12-10

国家自然科学基金项目（41571277）；中国科学院“西部之光”西部青年学者B类项目（2019）

刘 琳，博士生，主要从事土壤侵蚀与水土保持研究。Email：liulin182@mails.ucas.ac.cn

熊东红，博士，研究员，博士生导师，主要从事土壤侵蚀与水土保持、土壤生态与山地地理等研究。Email：dhxiong@imde.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.030

S281

A

1002-6819(2020)-04-0251-08