東北黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕特征與多營力復(fù)合侵蝕的研究重點(diǎn)

鄭粉莉, 張加瓊, 劉 剛, 范昊明, 王 彬, 沈海鷗

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊陵 712100； 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊陵 712100; 3.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110866； 4.北京林業(yè)大學(xué)， 北京 100083； 5.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)， 吉林 長春 130118)

全球黑土以其土質(zhì)肥沃和糧食高產(chǎn)對(duì)人類的生存與發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。但過度開發(fā)利用導(dǎo)致全球黑土地均出現(xiàn)了嚴(yán)重土壤侵蝕。1934年發(fā)生在美國的“黑風(fēng)暴”事件，不但導(dǎo)致全美生態(tài)災(zāi)難，也敲響了全球農(nóng)田侵蝕災(zāi)害的警鐘；20世紀(jì)50年代前蘇聯(lián)發(fā)生的“黑風(fēng)暴”事件導(dǎo)致前蘇聯(lián)的糧食危機(jī)。中國東北黑土區(qū)包括黑龍江省、吉林省、遼寧省和內(nèi)蒙古自治區(qū)，其面積約1.03×106km2，是國家最大的商品糧生產(chǎn)基地，商品率占全國的1/3以上，是國家糧食的“壓艙石”[1]。 然而，僅有百余年墾殖歷史的東北黑土地，由于高強(qiáng)度的開發(fā)利用和掠奪式經(jīng)營，黑土發(fā)生嚴(yán)重退化，黑土生產(chǎn)力降低，平均黑土層厚度已由20世紀(jì)50年代60～80 cm下降到目前的20～40 cm[1]；每年僅因土壤侵蝕造成的全年糧食減產(chǎn)高達(dá)14.7%[2]，嚴(yán)重威脅中國糧食安全和生態(tài)安全。作為土壤侵蝕“癌癥”表現(xiàn)的各類溝蝕在東北黑土區(qū)也非常嚴(yán)重。據(jù)中國水土流失與生態(tài)安全(東北組)報(bào)告[1]，東北現(xiàn)有侵蝕溝2.50×105余條，侵蝕溝占地面積4.83×105hm2。農(nóng)田侵蝕溝的發(fā)展使“黑土地破碎”，阻礙農(nóng)機(jī)作業(yè)，限制農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。更為嚴(yán)重的是由于缺乏有效的土壤侵蝕調(diào)控技術(shù)措施，黑土地土壤退化呈繼續(xù)惡化的發(fā)展態(tài)勢(shì)，是中國唯一仍呈退化加重的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。如不及時(shí)保護(hù)黑土地，將極大削弱區(qū)域糧食生產(chǎn)能力和區(qū)域生態(tài)功能，導(dǎo)致中國最大的糧倉出現(xiàn)問題，影響國家糧食安全和中國人的生存問題。

近幾十年來，中國的土壤侵蝕機(jī)理研究取得了重要進(jìn)展， 為水土流失綜合治理提供了重要的科學(xué)依據(jù)。然而，過去的研究主要針對(duì)單一侵蝕營力，而對(duì)多外營力相互作用的土壤復(fù)合侵蝕研究相對(duì)較少；尤其與其他水蝕區(qū)相比，中國東北黑土區(qū)的土壤侵蝕機(jī)理研究相對(duì)薄弱，從而一方面導(dǎo)致現(xiàn)有的適用于中國其他水蝕區(qū)的水土保持措施在該區(qū)域的適用性受到質(zhì)疑，另一方面也導(dǎo)致該區(qū)土壤侵蝕治理效果不顯著。因此，迫切需要揭示東北黑土區(qū)復(fù)合土壤侵蝕過程，闡明多營力復(fù)合侵蝕的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，為黑土區(qū)土壤復(fù)合侵蝕防治和黑土資源的可持續(xù)利用提供重要理論依據(jù)。

近10 a余來，作者團(tuán)隊(duì)通過主持國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目課題和多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目以及“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等，在東北黑土區(qū)坡面土壤侵蝕主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制及其關(guān)鍵因子對(duì)坡面土壤侵蝕影響，坡面侵蝕—沉積空間分布規(guī)律，黑土區(qū)土壤可蝕性估算模型，保護(hù)性耕作措施對(duì)坡面土壤侵蝕阻控，土壤侵蝕強(qiáng)度對(duì)作物產(chǎn)量的影響，適用于坡面復(fù)合土壤侵蝕的水土保持措施篩選，復(fù)合土壤侵蝕防治分區(qū)等方面開展了大量研究工作，取得了重要研究進(jìn)展。本文基于大量野外調(diào)查和理論研究以及文獻(xiàn)資料，并集成作者團(tuán)隊(duì)長期的研究成果，綜合分析東北黑土區(qū)坡面土壤侵蝕的特點(diǎn)，以期為研究該區(qū)復(fù)合土壤侵蝕有效防治措施提供重要科學(xué)依據(jù)。

1 東北黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕特點(diǎn)

1.1 多營力復(fù)合侵蝕的季節(jié)更替和空間疊加

受特殊的地理環(huán)境和人為過度墾殖的影響，東北黑土區(qū)坡耕地最顯著的侵蝕特點(diǎn)是多營力作用的復(fù)合侵蝕在時(shí)間上的更替和空間上的疊加。坡耕地晚春季節(jié)發(fā)生融雪侵蝕與晝?nèi)谝箖龌ハ嘟惶娴膹?fù)合侵蝕(圖1)，隨后發(fā)生耕作侵蝕和風(fēng)蝕疊加的復(fù)合侵蝕(圖2)。

東北黑土區(qū)坡耕地多營力復(fù)合侵蝕在時(shí)間尺度上表現(xiàn)為季節(jié)性的更替。東北黑土區(qū)坡耕地夏季和秋季會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的水蝕(圖3)；晚秋季節(jié)由于整地又發(fā)生耕作侵蝕以及冬季和早春季節(jié)土壤凍脹作用引起土壤顆粒位移和臨空部分土體位移(圖4)。在空間尺度上表現(xiàn)為水蝕(降雨和融雪徑流侵蝕)、風(fēng)蝕、凍融侵蝕并存，且相互疊加和相互作用，加劇了坡面土壤侵蝕的嚴(yán)重程度。

圖1 東北黑土區(qū)晚春季節(jié)的融雪侵蝕現(xiàn)象 (鄭粉莉攝于20170427)

圖2 東北黑土區(qū)晚春季節(jié)的耕作侵蝕與揚(yáng)塵現(xiàn)象 (張加瓊攝于20170425)

圖3 東北黑土區(qū)夏季的坡耕地水蝕(左：范昊明攝于20180625；右：鄭粉莉攝于20180729)

圖4 東北黑土區(qū)晚春季節(jié)的土壤凍脹裂隙與 土體位移現(xiàn)象(劉剛攝于20190526)

1.2 農(nóng)田溝蝕嚴(yán)重

黑龍江省溝蝕數(shù)量由20世紀(jì)50年代4 000余條增加到2000年的15 000余條[1]。其中，黑龍江省溝蝕嚴(yán)重的克東縣和拜泉縣東部10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，侵蝕溝數(shù)量已從1965年的1 712條增加到2005年的2 565條，侵蝕溝面積占總面積的比例已由5.97%增加到17.62%，對(duì)應(yīng)的溝壑密度也由202 m/km2增加到283 m/km2[1]。東北黑土區(qū)14縣的21個(gè)典型小流域溝蝕調(diào)查表明，2005年的溝壑密度較之2004年增加了12.2%[1]；僅經(jīng)過2004年一個(gè)雨季，調(diào)查的7條小流域的溝頭溯源侵蝕速率介于0.05～5 m，平均為1.34 m；溝床加深變化于1.6～9.0 cm之間，平均為5.8 cm；侵蝕溝加寬介于4～145 cm，平均為36.8 cm[1]。農(nóng)田侵蝕溝的發(fā)展不但使“黑土地破碎”，阻礙農(nóng)機(jī)作業(yè)，也使耕地面積減少。據(jù)張興義等在美麗中國生態(tài)文明建設(shè)科技工程專項(xiàng)研究中的調(diào)查資料，60%以上的侵蝕溝分布在耕地(圖5)，損毀黑土地5 000 km2以上。作者野外調(diào)查也表明，在克山縣英民溝流域僅2018年的春季融雪徑流使侵蝕溝溝頭平均前進(jìn)了1.9 m，溝深增加了3.8 cm；在2018年的雨季侵蝕溝溝頭平均前進(jìn)了2.6 m，溝深增加了7.8 cm。同時(shí)，坡耕地淺溝侵蝕也非常嚴(yán)重。

1.3 坡面匯流引起的土壤侵蝕更加突出

受長緩坡地形和順坡壟作的影響，坡面匯流引起的土壤侵蝕更加明顯。東北黑土區(qū)坡耕地坡長一般為上百米至上千米，大多介于300～500 m。劉寶元等的觀測(cè)資料表明，對(duì)于順坡壟作種植大豆的坡面徑流小區(qū)，坡長為300 m的土壤侵蝕量(2 006.5 t/hm2)是坡長為20 m土壤侵蝕量(5.6 t/hm2)的213倍[1]。加之順坡壟作形成的一系列“壟—溝”系統(tǒng)，加大了坡面匯流作用對(duì)坡面侵蝕的貢獻(xiàn)。室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)表明，對(duì)于無壟作裸露坡面，在50或100 mm/h降雨強(qiáng)度下，當(dāng)坡面匯流速率由10 L/min增加到20 L/min，坡面侵蝕量增加了1.2～4.7倍[3]；而對(duì)于順坡壟作坡面，同樣在50或100 mm/h降雨強(qiáng)度下，當(dāng)坡面匯流由10 L/min增加到20 L/min時(shí)，坡面侵蝕量增加1.4～7.6倍[4]；充分說明了在東北黑土區(qū)特殊的長緩坡地形條件下，順坡壟作明顯加大了匯流對(duì)坡面土壤侵蝕的作用。

圖5 東北黑土區(qū)坡耕地的溝蝕現(xiàn)象(左：鄭粉莉攝于20170426；右：鄭粉莉攝于20170622)

1.4 雨滴打擊和壤中流形成是坡面侵蝕的主要驅(qū)動(dòng)力

雨滴打擊和徑流侵蝕是引起坡面侵蝕的主要?jiǎng)恿?。與中國其他水蝕類型區(qū)相比，雨滴打擊是東北黑土區(qū)坡面土壤侵蝕的主要驅(qū)動(dòng)力。黑土坡面雨滴打擊作用對(duì)坡面侵蝕的貢獻(xiàn)可達(dá)到72%～96%，反映了雨滴打擊對(duì)顆粒的分散占主導(dǎo)作用[5-6]；而不同區(qū)域的類似研究結(jié)果表明，黃土區(qū)雨滴打擊對(duì)坡面侵蝕的貢獻(xiàn)占35%～61%[7]，紅壤坡面雨滴打擊對(duì)坡面侵蝕的貢獻(xiàn)為27%～76%[8]。野外原位模擬降雨試驗(yàn)也表明[9]，當(dāng)黑土坡面秸稈覆蓋量僅為2 kg/m2，即可減少87%的坡面侵蝕量，進(jìn)一步證明了雨滴打擊作用是黑土區(qū)坡面侵蝕的主要驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)，由于東北黑土層下覆母質(zhì)多為黃土狀亞黏土或湖相沉積物，土壤質(zhì)地較為黏重，加之長期耕作形成了堅(jiān)硬的犁底層，容易導(dǎo)致在雨季和融雪過程中形成壤中流。壤中流的形成極大降低土壤顆粒間的黏結(jié)力，使土壤可蝕性增加，從而加劇坡面土壤侵蝕。已有研究結(jié)果表明，與自由入滲條件下相比，坡面壤中流的形成使坡面侵蝕量增加了68.3%～74.3%[5]。

2 當(dāng)前復(fù)合土壤侵蝕的研究現(xiàn)狀

目前水蝕和風(fēng)蝕研究取得了重要成果，并研發(fā)了各類水蝕和風(fēng)蝕模型，為世界范圍的土壤侵蝕防治做出了重要貢獻(xiàn)。有關(guān)復(fù)合土壤侵蝕研究，目前主要集中在融雪和降雨復(fù)合侵蝕、凍融—水力復(fù)合侵蝕等方面，同時(shí)在凍融作用對(duì)土壤可蝕性影響等方面取得了一定的進(jìn)展；而有關(guān)凍融—風(fēng)力復(fù)合侵蝕，水力—風(fēng)力—凍融復(fù)合侵蝕方面的研究還十分薄弱。

2.1 凍融作用對(duì)風(fēng)蝕和水蝕的影響

凍融作用與風(fēng)蝕、水蝕、重力侵蝕等共同作用或交替發(fā)生，使復(fù)合土壤侵蝕過程不同于單一營力侵蝕過程。當(dāng)前在凍融作用影響水蝕的方式、速率和土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性等方面的研究都取得了重要進(jìn)展，而對(duì)凍融—風(fēng)力復(fù)合侵蝕研究還相對(duì)薄弱。有關(guān)的研究報(bào)道多為凍融作用對(duì)土壤風(fēng)蝕速率和土壤風(fēng)力可蝕性的影響以及凍融與風(fēng)蝕的相互關(guān)系研究[10-14]。而目前凍融—風(fēng)力復(fù)合侵蝕研究大多集中在風(fēng)蝕較嚴(yán)重的干旱或半干旱區(qū)，而有關(guān)濕潤和半濕潤區(qū)凍融—風(fēng)力復(fù)合侵蝕研究還鮮見報(bào)導(dǎo)，有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

2.2 風(fēng)水復(fù)合侵蝕

風(fēng)水復(fù)合侵蝕是風(fēng)力和水力對(duì)同一對(duì)象的共同或交替作用，從而產(chǎn)生有別于單一營力(風(fēng)力或水力)的侵蝕、搬運(yùn)和沉積過程。按照風(fēng)力和水力的耦合方式，可分為動(dòng)力耦合和媒介耦合兩種。動(dòng)力耦合是風(fēng)力作用于雨滴形成“風(fēng)驅(qū)雨”(wind driven rainfall)，從而改變雨滴的侵蝕動(dòng)能。這實(shí)質(zhì)是風(fēng)力影響下的水蝕， 風(fēng)力和水力具有時(shí)間和空間同步性。媒介耦合是風(fēng)力和水力對(duì)可蝕性下墊面的交錯(cuò)或交互疊加作用[15]。 風(fēng)力和水力的交錯(cuò)或交互疊加作用，導(dǎo)致一種侵蝕營力對(duì)地表物質(zhì)的侵蝕、搬運(yùn)和沉積改變另一種侵蝕發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)和地表?xiàng)l件，從而形成有別于單一營力作用的復(fù)合侵蝕[16]。因此，媒介耦合式的風(fēng)水復(fù)合侵蝕在時(shí)間上交錯(cuò)或交互疊加發(fā)生，在空間上同地或異地發(fā)生。這種模式的風(fēng)水復(fù)合侵蝕較“風(fēng)驅(qū)雨”侵蝕更為復(fù)雜，是目前研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。目前在風(fēng)水復(fù)合侵蝕的區(qū)域劃分、時(shí)空變化、侵蝕強(qiáng)度、侵蝕能量特征、驅(qū)動(dòng)因素、過程和機(jī)理等方面取得了重要進(jìn)展[10,17-21]。然而有關(guān)研究仍然存在以下幾方面的不足： ①研究區(qū)域多為干旱區(qū)河流—沙丘系統(tǒng)的風(fēng)水復(fù)合侵蝕，而較少涉及半干旱和半濕潤區(qū)風(fēng)水復(fù)合侵蝕。由于半干旱或半濕潤區(qū)的地形地貌、土壤和地表物質(zhì)組成、降水(尤其是降雪)特征、植被條件和土壤含水量動(dòng)態(tài)變化等與干旱和半干旱區(qū)完全不同，導(dǎo)致風(fēng)水復(fù)合侵蝕更為復(fù)雜，且半干旱和半濕潤區(qū)大多是糧食主產(chǎn)區(qū)，更需要明確風(fēng)水復(fù)合侵蝕過程和機(jī)理，以便為風(fēng)水復(fù)合侵蝕防治和維持糧食產(chǎn)能提供科學(xué)依據(jù)。②關(guān)于風(fēng)蝕和水蝕相互作用的研究有待深入。目前的研究更注重兩者的相互促進(jìn)效應(yīng)，而對(duì)二者的相互抑制效應(yīng)重視不夠[15]。風(fēng)力的強(qiáng)烈分選作用導(dǎo)致地表粗化，從而影響水蝕過程中降水入滲、徑流路徑和流速，進(jìn)而影響水蝕速率[22]。另一方面，水蝕形成溝谷加劇風(fēng)力磨蝕，從而加劇風(fēng)蝕[23]；但細(xì)溝發(fā)育也可能增大地表粗糙度，又可減小風(fēng)蝕。因而，需要加強(qiáng)風(fēng)蝕和水蝕的相互作用研究。③風(fēng)水復(fù)合侵蝕過程和機(jī)理研究亟需加強(qiáng)。由于風(fēng)蝕和水蝕在發(fā)生范圍、影響區(qū)域、侵蝕物質(zhì)輸移方向與維度、風(fēng)力和水力的搬運(yùn)能力、侵蝕事件的時(shí)間尺度等方面均存在巨大差異[10]，而當(dāng)前風(fēng)水復(fù)合侵蝕機(jī)理多為簡單的定性描述[18-19]，有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

2.3 東北黑土區(qū)多外營力復(fù)合侵蝕研究

多外營力復(fù)合侵蝕除凍融—水力侵蝕、凍融—風(fēng)力侵蝕、風(fēng)水復(fù)合侵蝕外，還包含凍融—風(fēng)力—水力侵蝕、凍融—水力—重力侵蝕、風(fēng)力—水力—重力侵蝕等。目前，針對(duì)多營力復(fù)合作用的土壤侵蝕研究較多關(guān)注兩個(gè)侵蝕營力相互作用， 而對(duì)三個(gè)及以上營力相互作用下的侵蝕過程研究極少[10-11, 20]。中國的東北黑土區(qū)正是三個(gè)及以上侵蝕營力復(fù)合作用的侵蝕區(qū)域，尤其是嫩江下游的1.04×105km2(包括黑龍江西南部、內(nèi)蒙古東部和吉林西部)，受水力、風(fēng)力、 凍融、融雪、重力等作用的共同影響，土壤侵蝕劇烈，但有關(guān)多營力復(fù)合侵蝕研究進(jìn)展非常緩慢[24-25]。已有研究主要是通過核素示蹤、實(shí)驗(yàn)?zāi)M、模型估算、GIS/RS 等方法，初步區(qū)分了風(fēng)蝕和水蝕對(duì)坡面土壤侵蝕的貢獻(xiàn)，明晰了降雨徑流和融雪徑流對(duì)土壤侵蝕的作用，分析了凍融作用對(duì)土壤可蝕性相關(guān)土壤性質(zhì)的影響，明確了不同季節(jié)黑土坡面侵蝕的主要影響因素[26-32]。但目前關(guān)于多營力復(fù)合侵蝕的理論還十分薄弱，有待今后進(jìn)一步加強(qiáng)。

3 結(jié) 論

本文基于以上東北黑土區(qū)復(fù)合土壤侵蝕特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀的分析，提出黑土區(qū)復(fù)合土壤侵蝕研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。

(1) 多種外營力相互作用的坡面復(fù)合侵蝕過程機(jī)制。目前大多研究聚焦單一侵蝕外營力作用下的坡面侵蝕特征和過程研究，但有關(guān)不同季節(jié)坡面侵蝕過程與主控影響因子研究，以及多種外營力互作過程機(jī)制等研究相當(dāng)薄弱。因此，當(dāng)前迫切需要強(qiáng)化復(fù)合土壤侵蝕的理論研究，揭示多種外營力相互作用的復(fù)合侵蝕過程機(jī)制。

(2) 凍融作用對(duì)土壤抗侵蝕能力的影響機(jī)制。雖然這方面的研究取得了重要進(jìn)展，但凍融作用對(duì)土壤抗侵蝕能力的影響機(jī)理、融雪侵蝕過程土壤抗侵蝕能力的動(dòng)態(tài)變化機(jī)制等方面的研究還相當(dāng)薄弱。當(dāng)前研究重點(diǎn)應(yīng)是凍融作用下土壤可蝕性動(dòng)態(tài)變化機(jī)制，土壤抗侵蝕能力對(duì)凍融作用的響應(yīng)機(jī)制等。

(3) 區(qū)分和量化凍融作用、融雪、降雨徑流和風(fēng)力侵蝕對(duì)坡面侵蝕和溝蝕的貢獻(xiàn)。由于各種侵蝕外營力相互疊加、相互影響，且彼此互作機(jī)理及作用貢獻(xiàn)尚不清楚。因此區(qū)分多種侵蝕營力對(duì)坡面片蝕、細(xì)溝和淺溝侵蝕過程的主導(dǎo)作用，量化各侵蝕營力對(duì)切溝侵蝕的貢獻(xiàn)是當(dāng)前需要強(qiáng)化的研究領(lǐng)域。

(4) 復(fù)合侵蝕作用的流域尺度泥沙來源的診斷。由于多營力相互作用和相互疊加，東北黑土區(qū)流域泥沙來源更加復(fù)雜，需要建立針對(duì)這種特殊侵蝕環(huán)境的復(fù)合指紋示蹤方法，以便能有效地診斷流域泥沙來源，為流域水土保持規(guī)劃提供重要科學(xué)支持。

(5) 復(fù)合土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型研發(fā)。國內(nèi)外現(xiàn)有成熟的土壤侵蝕模型，皆是針對(duì)單一營力的水蝕或風(fēng)蝕預(yù)報(bào)，目前尚未有適用于復(fù)合侵蝕的預(yù)報(bào)模型，因此亟待開展研究。

(6) 防治復(fù)合土壤侵蝕措施的有效性評(píng)價(jià)。數(shù)十余年來，國家先后啟動(dòng)了一系列東北黑土區(qū)水土流失綜合治理試點(diǎn)工程。但由于理論研究滯后于生產(chǎn)實(shí)踐，從而使治理工程實(shí)施效果不佳。因此，迫切需要開展復(fù)合土壤侵蝕防治措施評(píng)價(jià)工作，科學(xué)回答保護(hù)黑土地應(yīng)采取哪些技術(shù)措施等重大技術(shù)問題，為國家宏觀決策和工程實(shí)施提供重要科技支撐。

(7) 東北黑土區(qū)復(fù)合土壤侵蝕防治分區(qū)。黑土區(qū)屬于多營力疊加的復(fù)合土壤侵蝕區(qū)，但現(xiàn)階段中國尚未有關(guān)于黑土區(qū)復(fù)合侵蝕分區(qū)的圖件，嚴(yán)重影響了黑土侵蝕防治工作的開展。因此亟待開展東北黑土區(qū)復(fù)合土壤侵蝕防治分區(qū)研究。