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(長江科學(xué)院 水土保持研究所,武漢 430010)
水是生命之源,土是生存之本,水土資源是人類生存和發(fā)展的基本條件,是不可替代的基礎(chǔ)資源,是生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的要素。水土流失的直接后果就是導(dǎo)致資源破壞和生態(tài)環(huán)境惡化,加劇自然災(zāi)害和貧困,危及國土和國家生態(tài)安全,嚴(yán)重制約經(jīng)濟社會發(fā)展。據(jù)亞行估算,水土流失給我國帶來的總體經(jīng)濟損失相當(dāng)于當(dāng)年GDP總量的4.1%。水土流失不僅是我國重大的資源問題,也已經(jīng)成為頭號的生態(tài)環(huán)境問題[1]。
當(dāng)前我國正處在推進生態(tài)文明建設(shè)、全面建成小康社會的關(guān)鍵時期,黨中央、國務(wù)院高度重視水土保持工作,連續(xù)多年的中央1號文件都對水土保持工作提出了明確要求[2]。水利部黨組根據(jù)新形勢發(fā)展的要求,明確提出了水土保持工作的最高目標(biāo)和努力方向是實現(xiàn)水土資源的可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)維護[3]。加快水土流失防治步伐,改善生態(tài)環(huán)境,協(xié)調(diào)好人與自然的關(guān)系,實現(xiàn)水土資源的可持續(xù)利用和維系良好的生態(tài)環(huán)境,促進經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展,是生態(tài)文明建設(shè)的基礎(chǔ),是落實科學(xué)發(fā)展觀、全面建設(shè)小康社會的一項重大而緊迫的戰(zhàn)略任務(wù)[4]。
面對新形勢,水土保持進入了一個新的科學(xué)發(fā)展時期,水土保持科學(xué)理論也需與時俱進,以滿足愈來愈高的目標(biāo)與要求。筆者結(jié)合多年的水土保持科研經(jīng)歷,思索新時期水土保持內(nèi)涵,與相關(guān)同仁共勉,以促進水土保持學(xué)科發(fā)展,更好地支撐我國水土保持生態(tài)文明建設(shè)。
水是生命之源,是地球上分布最廣泛的物質(zhì)之一,以氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)3種形式存在于空中、地面與地下,成為大氣中的水、海洋水、陸地水以及動植物有機體內(nèi)的生物水,一切生物離開水便不能生存。土是萬物生長之本,是地球表面陸地部分上下一定范圍內(nèi)巖石、土壤、水、植被等構(gòu)成的自然綜合體。尤其是土壤,它是地殼表面在一定的環(huán)境條件下通過生物的長期活動所形成的產(chǎn)物,既是生物圈的一部分,又是生物圈中生物得以棲息的場所,更是一切生物所需水和養(yǎng)分的載體[5]。水與土相互協(xié)調(diào)與制約,構(gòu)成了自然界生物、能量系統(tǒng)循環(huán)交換的基礎(chǔ)[5]。從整個地球來講,人類在生物圈中的生存與發(fā)展,以至目前人類和萬物的繁榮昌盛,主要有賴于以往水土相互協(xié)調(diào)或比較協(xié)調(diào)的生態(tài)環(huán)境[6]。然而這種協(xié)調(diào)關(guān)系,隨著人類生產(chǎn)活動,尤其是經(jīng)濟利益的驅(qū)動,掠奪式的經(jīng)營方式不斷加劇,對生物圈內(nèi)所形成的水土相互融洽協(xié)調(diào)關(guān)系產(chǎn)生明顯干擾,水土協(xié)調(diào)機制被破壞。如目前經(jīng)果林措施,在南方發(fā)展十分迅速,由于缺乏科學(xué)規(guī)劃,盲目開發(fā),不少地方一哄而上,追求開發(fā)速度和集中連片,毀林開墾和陡坡開墾,很多果園、茶園開到了山頂,且習(xí)慣對地表全面除草,地表缺乏覆蓋保護,造成嚴(yán)重的水土矛盾,其水土流失強度甚至高于坡耕地。水土流失的發(fā)生和加劇,就是水土矛盾或水土對立的具體表現(xiàn),也是自然界對人類的一種懲罰[6]。
《中華人民共和國水土保持法》的立法目的是:為了預(yù)防和治理水土流失,保護和合理利用水土資源,減輕水、旱、風(fēng)沙災(zāi)害,改善生態(tài)環(huán)境,保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。預(yù)防和治理水土流失是水土保持工作的基本要求;保護和合理利用水土資源是防治水土流失的途徑和手段;減輕水、旱、風(fēng)沙災(zāi)害、改善生態(tài)環(huán)境,保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展是水土保持工作的最終目的[7]。
《中國水利百科全書》(水土保持分冊)中明確指出[8]:水土保持是研究水土流失形式、發(fā)生原因和規(guī)律,水土保持基本原理,據(jù)以制定規(guī)劃和運用綜合措施,防治水土流失,保護、改良與合理利用山丘區(qū)、風(fēng)沙區(qū)水土資源,維護和提高土地生產(chǎn)力,充分發(fā)揮水土資源的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益,以改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件,建立良好生態(tài)環(huán)境的應(yīng)用技術(shù)科學(xué)。
無論從水土保持法對水土保持的要求,或是水土保持專業(yè)的定義,都可以看出水土保持是一門綜合性很強的應(yīng)用技術(shù)科學(xué),涉及地球生物圈最活躍的水與土2大要素,其根本任務(wù)即為全力協(xié)調(diào)水土之間的關(guān)系,其具體內(nèi)涵包括:
(1) 對目前水土關(guān)系“融洽”的要保持、保護。由于水土資源的基礎(chǔ)性、有限性、脆弱性等特點,決定了水土保持的出發(fā)點是有效保護水土資源,使之“和諧、融洽”,從而保障可持續(xù)地利用[1]。
(2) 對水土關(guān)系有矛盾的要努力修復(fù),使之“融洽”。通過人為適當(dāng)科學(xué)的干預(yù),如采取水土保持綜合治理措施,減輕水土流失,使水土關(guān)系恢復(fù)大自然可自控的程度,幫助建立其新的協(xié)調(diào)平衡機制。
(3) 水土保持并非是根治水土流失,而是將水土流失控制在容許范圍內(nèi)。容許范圍內(nèi)的水土流失本是地球再造的自然現(xiàn)象,是維系生物圈正常的物質(zhì)循環(huán)、能量流動和信息傳遞必不可少的基礎(chǔ)和環(huán)節(jié),如適當(dāng)?shù)乃亮魇нM入水體,給予水體生物最基本營養(yǎng)物質(zhì)。完全沒有水土流失,水體生物難以生存,也不會有下游的沖積平原,上游的“清水下泄”還會導(dǎo)致下游崩岸嚴(yán)重等。
(4) 水土保持領(lǐng)域不再局限于山丘區(qū)、風(fēng)沙區(qū)等農(nóng)村范圍,而逐漸向平原等城市延伸。尤其是國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及城市化發(fā)展,生產(chǎn)建設(shè)項目造成的人為水土流失愈顯嚴(yán)重。
在努力協(xié)調(diào)好水土關(guān)系的同時,還要必須充分意識到人與自然的和諧,摒棄過去人定勝天、戰(zhàn)天斗地等單純的對自然征服和改造的思維方式,轉(zhuǎn)變?yōu)樽鹬睾晚槕?yīng)自然規(guī)律,在人與自然和諧理念的指導(dǎo)下,以人為本、保護優(yōu)先,突出預(yù)防為主,強調(diào)對原生態(tài)、原地貌植被的保護,可持續(xù)保護水土資源和生態(tài)環(huán)境,充分發(fā)揮生態(tài)自我修復(fù)能力[3]。只有這樣,才能設(shè)法把水貯蓄在土中,涵養(yǎng)在原地,以利于各種生物生存活力的相互補償和大小水系的碧波蕩漾,使人類活動對自然界的影響得以調(diào)節(jié)和控制,以保護和改善人類的生存環(huán)境[6]。
土壤侵蝕原理是水土保持科學(xué)研究的基礎(chǔ),主要內(nèi)容包括土壤侵蝕形式、發(fā)生發(fā)展規(guī)律、影響因素、以及控制措施等[9]。
首先土壤、母質(zhì)及淺層基巖是土壤侵蝕作用和破壞的主要對象。不同的土壤具有不同的蓄水、透水和抗蝕能力,改良土壤性狀,提高土壤抗蝕性對防治水土流失有著重要作用。這與農(nóng)學(xué)中的土壤學(xué)、土地資源學(xué)關(guān)系非常緊密。
其次在侵蝕外營力降雨(雪)、風(fēng)等氣象、氣候作用下,造成水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、凍融侵蝕等土壤侵蝕類型,并形成不同的水土流失規(guī)律。水力學(xué)、水文學(xué)的原理與方法對于研究徑流泥沙的形成和搬運具有重要的意義。與之密切相關(guān)的學(xué)科主要是地球科學(xué)中的氣象學(xué)和水文學(xué)。在侵蝕外營力重力作用下,形成重力侵蝕,如滑坡、泥石流等涉及地基、地下水等問題的研究,需要運用第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)及水文地質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)的專業(yè)知識,與之密切相關(guān)的學(xué)科主要是地球科學(xué)中的地質(zhì)學(xué)、巖土力學(xué)等。
再次在土壤侵蝕影響因素中的地形地貌,既是水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、重力侵蝕及凍融侵蝕等影響因素,同時也是土壤侵蝕對下墊面侵蝕對象塑造的結(jié)果。與之密切相關(guān)的學(xué)科主要是地球科學(xué)中的自然地理學(xué)。
在研究從坡面到溝整、從上游到下游、從風(fēng)蝕地到風(fēng)積地土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展規(guī)律時,無論是水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕還是重力侵蝕等涉及的徑流、泥沙、風(fēng)沙流等,還是力學(xué)中的流體力學(xué)、水利工程中的水力學(xué)、地球科學(xué)中的水文學(xué)等學(xué)科都是其重點關(guān)注的內(nèi)容。
土壤侵蝕造成土地資源破壞、泥沙淤積、水質(zhì)污染等,導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化,以及引發(fā)的一系列生態(tài)環(huán)境問題,不僅是水土保持防御重點,也是環(huán)境科學(xué)的重要研究內(nèi)容。
最后在土壤侵蝕控制方面,如通過改良下墊面土壤性狀、微地形,種植植物,建設(shè)水土保持工程等各種手段和方法,保護下墊面,防治土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展,從而保護和改善生態(tài)環(huán)境。其中涉及的學(xué)科包括地球科學(xué)中的土壤學(xué)、林學(xué)和水利工程。
水、沙平衡原理是水土保持措施設(shè)計與規(guī)劃布局的主要理論依據(jù)之一,主要包括水循環(huán)與水量平衡、土壤容許流失量和沖淤平衡等3方面內(nèi)容。
3.2.1 水循環(huán)與水量平衡
水循環(huán)表示地球上各種形式的水體相互轉(zhuǎn)化,通過蒸發(fā)蒸騰、水汽輸送、降水、下滲、地表徑流和地下水徑流等一系列環(huán)節(jié),在大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈間不斷循環(huán)的過程[10]。在水土保持中主要用于分析降雨徑流利用潛力、評估水土保持效益、布設(shè)坡面及溝道徑流調(diào)控措施,以達到高效利用雨水資源的目的。水量平衡表示在給定任意尺度的時域空間中,水的運動(包括相變)有連續(xù)性,在數(shù)量上保持著收支平衡,是水文現(xiàn)象和水文過程分析研究的基礎(chǔ),也是水資源數(shù)量和質(zhì)量計算及評價的依據(jù)[10]。在水土保持中主要用于評估水土保持效益、構(gòu)建徑流預(yù)測模型等。
水循環(huán)與水量平衡涉及地球科學(xué)中的氣候?qū)W、水文學(xué)和水資源學(xué)、水利工程中的水力學(xué)、農(nóng)學(xué)中的農(nóng)田水利學(xué)等學(xué)科。
3.2.2 土壤容許流失量
一般認為,成土速率、土地生產(chǎn)力、河湖泥沙淤積的控制程度是制定土壤容許流失量必不可少的3個因素[11]。土壤容許流失量是土壤侵蝕分類分級的重點判別指標(biāo),是制定合理的水土流失控制目標(biāo),進行水土保持規(guī)劃,配置水土保持措施的重要依據(jù)。首先成土速率土是指基巖風(fēng)化產(chǎn)物、各種松散沉積物(成土母質(zhì))在物理化學(xué)和生物作用下發(fā)育形成土壤的速度,主要受母質(zhì)、生物、氣候、地形和時間等影響[12]。涉及農(nóng)學(xué)中的土壤學(xué),地球科學(xué)中的自然地理學(xué)、地質(zhì)學(xué)等學(xué)科。土地生產(chǎn)力是指作為勞動對象的土地與勞動和勞動工具在不同結(jié)合方式和方法下所形成的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效果,是鑒別土地質(zhì)量的重要依據(jù)[13]。涉及農(nóng)學(xué)中的土壤學(xué)、作物耕作學(xué)等學(xué)科。而河湖泥沙淤積的控制程度明顯屬于水利工程中河流泥沙工程學(xué)的主要內(nèi)容之一。
3.2.3 沖淤平衡
某一河段在特定水流河床演變條件下有一定挾沙能力,當(dāng)上游來沙量與水流挾沙能力互相適應(yīng)時,水流處于輸沙平衡狀態(tài),河床保持相對穩(wěn)定,即為沖淤平衡[14]。在陸面破壞植被,產(chǎn)生水土流失導(dǎo)致泥沙進入河道,或通過水土保持措施,控制水土流失,以及在河流上游興建水庫或其他工程設(shè)施都可能改變天然河流的來水來沙或河床邊界條件,從而破壞河流的平衡狀態(tài),引起河床的沖淤變化。研究水沙沖淤變化是評價區(qū)域或流域水土流失程度和水土保持效果的重要指標(biāo),同時也是水利工程中河流泥沙工程學(xué)、防洪工程、水工結(jié)構(gòu)、水力學(xué)的主要內(nèi)容之一。
生態(tài)平衡是指在一定時間內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)中的生物和環(huán)境之間、生物各個種群之間,通過能量流動、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞,使它們相互之間達到高度適應(yīng)、協(xié)調(diào)和統(tǒng)一的狀態(tài),系統(tǒng)內(nèi)各組成成分之間保持一定的比例關(guān)系,結(jié)構(gòu)和功能處于相對穩(wěn)定狀態(tài),在受到外來干擾時,能通過自我調(diào)節(jié)恢復(fù)到初始的穩(wěn)定狀態(tài)[15]。
水與土作為生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的因素,構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)生物、能量系統(tǒng)循環(huán)交換的基礎(chǔ)。水與土相互協(xié)調(diào),相互制約,對維持生態(tài)系統(tǒng)平衡具有至關(guān)重要的作用。由于人類不合理的生產(chǎn)活動,導(dǎo)致水土流失,干擾了水與土的融洽協(xié)調(diào)關(guān)系,必然破壞其原來的生態(tài)平衡,造成生態(tài)系統(tǒng)退化。此時,要對生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和重建時,遵循生態(tài)系統(tǒng)平衡原理是其基本要求,尊重生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)客觀規(guī)律,在查找生態(tài)系統(tǒng)退化的驅(qū)動因子的基礎(chǔ)上,合理設(shè)計退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建的技術(shù)體系,既要努力協(xié)調(diào)好水土關(guān)系,還要必須充分意識到人與自然的和諧,使生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和生態(tài)學(xué)潛力盡快地恢復(fù)到原有的乃至更高的水平[16]。生物學(xué)中的生態(tài)學(xué)、恢復(fù)生態(tài)學(xué)理論給予了水土保持理念的重要理論參考。
可持續(xù)發(fā)展的核心是既滿足當(dāng)代人的需要,又不對后代人滿足其需要的能力構(gòu)成威脅[1]。人類歷史發(fā)展到今天,已經(jīng)達到了人與自然資源和環(huán)境難以維持平衡的關(guān)鍵階段,現(xiàn)代人類活動的規(guī)模和性質(zhì)已經(jīng)對人類后代的生存構(gòu)成了威脅。在這個背景下,可持續(xù)發(fā)展已成為對所有自然資源保護與開發(fā)利用的準(zhǔn)則,當(dāng)然也是水土保持準(zhǔn)則[16]。當(dāng)今世界各國都把提高本國的可持續(xù)發(fā)展能力作為增強競爭力的關(guān)鍵。實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略是我國的一項基本國策。水利部明確提出了水土保持工作的最高目標(biāo)和努力方向是實現(xiàn)水土資源的可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)維護,正確處理好人與自然的關(guān)系,處理好水土保持與發(fā)展地方經(jīng)濟的關(guān)系,處理好經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保護的關(guān)系,實現(xiàn)生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益協(xié)調(diào)發(fā)展,達到良性循環(huán)[3]。可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)是檢驗和衡量水土保持成效的重要標(biāo)準(zhǔn),是對水土保持理論、實踐的提煉和升華[3]。社會學(xué)與經(jīng)濟學(xué)為水土保持學(xué)科奠定了可持續(xù)發(fā)展基石。
系統(tǒng)科學(xué)是以系統(tǒng)為研究對象的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用開發(fā)的學(xué)科組成的學(xué)科群,它著重考察各類系統(tǒng)的關(guān)系和屬性,揭示其活動規(guī)律,探討有關(guān)系統(tǒng)的各種理論和方法[17]。系統(tǒng)科學(xué)為水土保持學(xué)科的建立和發(fā)展提供了重要思維方式和手段,也為全面認識水土保持作為一門綜合性應(yīng)用技術(shù)科學(xué)提供了方法[16]。
水土保持中的造林、種草、建壩、修梯田等是其治理的必要措施,也是最基本的內(nèi)容,但不能涵蓋水土保持工作的全貌。為適應(yīng)新形勢發(fā)展需要,現(xiàn)在水土保持的內(nèi)涵在原來傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上,逐步向縱深發(fā)展,水土保持不再是分散、單一措施治理,也不是單純防護性治理[18],而是以小流域為單元,在全面規(guī)劃的基礎(chǔ)上,合理安排農(nóng)、林、牧等各業(yè)用地,因地制宜地布設(shè)工程、林草、耕作等綜合治理措施,治理與開發(fā)相結(jié)合,對流域水土等自然資源進行保護、改良與合理利用[19-21]。
綜上所述,水土保持是一項綜合而復(fù)雜的系統(tǒng)工程,學(xué)科理論非常豐富,與農(nóng)學(xué)、地球科學(xué)、林學(xué)、水利工程、生物學(xué)、環(huán)境科學(xué)、信息科學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)、社會學(xué)、經(jīng)濟學(xué)等學(xué)科關(guān)系十分密切。這些學(xué)科為水土保持科學(xué)的發(fā)展提供了基本理論基礎(chǔ),經(jīng)吸收、轉(zhuǎn)化、改進,并升華,且水土保持科學(xué)的發(fā)展,也不斷充實了其它學(xué)科的內(nèi)容。隨著水土保持科學(xué)發(fā)展,其理論基礎(chǔ)不僅限于此,還將吸收更多學(xué)科的理論。
水土保持涉及到地球表面的整體,由于生產(chǎn)和科學(xué)的發(fā)展,促使水士保持科學(xué)在地學(xué)的基礎(chǔ)上,由農(nóng)學(xué)土壤科學(xué)和林學(xué)的一個分支學(xué)科步入與世界和人類的未來息息相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)科學(xué)。新時期新要求,水土保持科學(xué)必然在深度和廣度上都將有劃時代的發(fā)展,以期使地球上有限的水、土及生物資源能更有效,更長期地維持人類生存發(fā)展的需要。
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