東北黑土區(qū)水土保持措施防治多營力侵蝕的作用與優(yōu)化配置

賈燕鋒，王佳楠，范昊明，石 昊，周麗麗，馬仁明

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，110866，沈陽；2.遼寧省水土流失防控與生態(tài)修復(fù)重點實驗室，110866，沈陽)

1998年以來，東北黑土區(qū)水土流失問題得到持續(xù)關(guān)注，國家先后啟動?xùn)|北黑土區(qū)水土流失綜合防治試點工程等進(jìn)行治理。截至第1次全國水利普查水土保持情況普查時，黑土區(qū)水土保持措施面積達(dá)10.19萬km2。由于黑土區(qū)多營力互作侵蝕機理研究薄弱，這些水土保持措施多針對單一侵蝕配置，忽略了黑土區(qū)多營力復(fù)合土壤侵蝕的特點。這使黑土區(qū)水土流失治理面臨極大挑戰(zhàn)。針對單一侵蝕的水土保持措施是否能有效防治多營力復(fù)合侵蝕的問題亟需回答。

李英杰等[3]曾以年均土壤侵蝕量等于或大于允許土壤流失量為條件，進(jìn)行水土保持措施配置，明確了不同坡度宜采用的水土保持措施。經(jīng)多年實踐，逐步形成一套依據(jù)坡度劃分的適宜本地實際的措施配置模式。但截至2019年，黑土區(qū)水土流失面積仍有21.87萬km2，說明當(dāng)前措施配置仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

針對上述問題，筆者收集文獻(xiàn)資料，分析黑土區(qū)坡耕地主要水土保持措施防治多營力復(fù)合侵蝕的作用，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化措施配置。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集及水土保持措施效益分析方法

黑土區(qū)侵蝕營力存在時間更替和空間疊加。晚春凍融和融雪侵蝕交替發(fā)生，隨后風(fēng)蝕、水蝕隨季節(jié)更替相繼出現(xiàn)。因此，分別以“水力侵蝕”“風(fēng)力侵蝕”“凍融侵蝕/凍融作用”“融雪侵蝕”“soil loss/erosion”等為侵蝕檢索詞，以“等高耕作(橫壟、改壟、等高壟作)”“植物緩沖帶”“地埂植物帶(地埂)”“梯田”“保護(hù)性耕作(免耕、少耕、秸稈覆蓋、留茬和深松)”“contour tillage”“conservation tillage”“terrace”“grass barriers”為水土保持措施檢索詞，以“(東北)黑土(區(qū))”“Northeast China”為區(qū)域檢索詞，在CNKI及Web of Sciences數(shù)據(jù)庫檢索，收集1990—2020年中文文獻(xiàn)86篇、英文文獻(xiàn)16篇及技術(shù)資料13份。

對水力侵蝕，采用水土保持措施因子P值分析比較措施防治效果，同時補充田塊監(jiān)測等數(shù)據(jù)論證，對風(fēng)力、凍融- 融雪侵蝕，根據(jù)文獻(xiàn)資料直接分析其防治效益。

將侵蝕量、減沙量、減沙效益等不同形式描述的水土保持措施效益，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為無量綱的水土保持措施因子P值。首先，篩選使用水土保持區(qū)劃在東北黑土區(qū)范圍的天然降雨徑流小區(qū)年觀測資料(或直接表述為水土保持措施因子)的文獻(xiàn)，對同一徑流小區(qū)選擇資料年限較長的。然后，詳細(xì)記錄小區(qū)信息，尤其是關(guān)于措施的描述，避免名稱不一致或理解偏差導(dǎo)致錯誤歸類。再依據(jù)原文獻(xiàn)表達(dá)形式分析：原文直接表述為P值的(Ⅰ類)直接記錄其值；給出減沙效益的(Ⅱ類)，用1減去減沙效益，記作P值；記錄不同處理小區(qū)侵蝕量的(Ⅲ類)，確定(或換算)坡度坡長后，求措施小區(qū)與順壟小區(qū)侵蝕量之比(P值)。

1.2 水土保持措施優(yōu)化配置

在分析水土保持措施效益的基礎(chǔ)上，選擇適宜的方法，以東北漫川漫崗區(qū)<5°坡耕地為例，評價當(dāng)前措施配置的防蝕效果。對防蝕效果不理想的，優(yōu)先考慮防治區(qū)域主要侵蝕類型，選擇復(fù)合侵蝕防治能力強、費省效宏的水土保持措施進(jìn)行優(yōu)化配置。

試驗于2017年在黑龍江省綏化市慶安國家灌溉試驗重點站開展，該站位于慶安縣和平鎮(zhèn)，是典型的寒區(qū)黑土分布區(qū)，氣候特征屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候。水稻生長期多年平均氣溫為2.5 ℃，多年平均降水量550 mm。土壤基本理化性質(zhì)：pH值6.4、有機質(zhì)41.4 g/kg、全氮15.06 g/kg、全磷15.23 g/kg、全鉀20.11 g/kg、堿解氮154.36 mg/kg、有效磷25.33 mg/kg 和速效鉀157.25 mg/kg。

2 結(jié)果與分析

2.1 水力侵蝕防治效益

2.1.1 耕作措施 黑土區(qū)廣泛采用的耕作措施包括改變微地形增加蓄水能力的等高壟作、壟向區(qū)田，秸稈還田(覆蓋)、留茬、免耕、少耕等保護(hù)性耕作措施，及間接增加植被和地表覆蓋的寬壟種植等。

等高壟作(橫壟、改壟)在坡耕地上沿等高線耕作，形成溝垅相間地面，以容蓄雨水，減少水土流失。根據(jù)黑龍江省水土保持科學(xué)研究所、中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所(2007—2013)、九三農(nóng)場及松遼流域機構(gòu)徑流小區(qū)及田塊監(jiān)測，改壟后平均減少徑流量和侵蝕量80%和83%[4]。黑土區(qū)等高壟作措施因子P值介于0.001～0.352之間，均值為0.153；但不同區(qū)域差異較大，黑龍江均值為0.110，吉林為0.268，內(nèi)蒙扎蘭屯0.300(表1)。

壟向區(qū)田是坡耕地上沿壟向每隔一定距離在壟溝內(nèi)修筑高度略低于壟高的土埂，適應(yīng)機械化耕作，但坡度不宜超過6°，其措施因子介于0.092～0.421之間，均值0.198(表1)。鶴山農(nóng)場觀測顯示，其保水效益0.434，保土效益0.802，折算后措施因子0.198。

以秸稈覆蓋、免耕深松、少免耕播種為核心技術(shù)的保護(hù)性耕作，具有蓄水保土，防治風(fēng)水蝕、培肥肥力等多重功效。黑土區(qū)保護(hù)性耕作措施因子介于0.003～0.970之間，均值0.350，不同措施防蝕效果差異不顯著(Sig.>0.05)。其中，免耕是作物播種前不單獨進(jìn)行耕作，直接在前茬地上播種，在作物生育期間不使用農(nóng)機具進(jìn)行中耕松土，且留茬應(yīng)>50%，免耕措施因子介于0.024～0.359之間，均值0.192，與郭乾坤等[5]統(tǒng)計的0.200接近。少耕是在傳統(tǒng)耕作基礎(chǔ)上，盡量減少整地次數(shù)和土層翻動。中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所通過連續(xù)7年監(jiān)測，認(rèn)為少耕雖有水土保持作用，但有適用性問題，不推薦在東北黑土區(qū)使用[4]。免耕、少耕配套技術(shù)秸稈還田的措施因子介于0.046～0.710之間，深松的措施因子介于0.654～0.970之間。當(dāng)深松與秸稈還田、壟向區(qū)田結(jié)合使用時，措施因子最小為0.003(表1)。

表1 東北黑土區(qū)水土保持措施防治水力侵蝕的措施因子

續(xù)表1 Continued table 1

寬壟種植是為提高土地利用效率將65 cm單行種植的常規(guī)壟，改為80～130 cm寬2～3行種植大壟的耕作方式。寬壟種植減少了單位面積壟溝數(shù)量和徑流匯集路徑，減少了坡面徑流，進(jìn)而削弱了土壤侵蝕。王磊等[6]研究發(fā)現(xiàn)在野外長歷時、低強度中小型降雨和室內(nèi)模擬降雨條件下，順坡寬壟分別減少侵蝕量64.4%～90.4%和33.2%～57.9%。110 cm寬等高壟作的臨界蓄水體積顯著大于常規(guī)壟，相同沖刷流量條件下，110 cm寬壟侵蝕量較常規(guī)壟減少10.59%。

受丘陵漫崗地形限制，壟向既不平行也不垂直等高線的斜壟是東北黑土區(qū)普遍存在的耕作方式。因壟向坡度的存在，其水文特性介于等高壟作和順壟之間。趙玉明等[7]定義了壟向措施因子PL，并得到其均值為0.600。張愛玲等[8]在估算拜泉縣水土保持效益時，取斜壟措施因子為0.547。

2.1.2 生物措施 黑土區(qū)耕地中常用的生物措施包括植物緩沖帶、防護(hù)林帶等。植物緩沖帶是在坡面一定間距(如30 m)種植以灌木為主的多年生植物，以截斷徑流，防治水土流失；其中耕地較寬，多年生植物帶較窄，其措施因子介于0.065～0.372之間(表1)。常采用間隔若干條壟，種植苕條(Lespedezabicolor)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、黃花菜(Hemerocalliscitrina)等形成植物緩沖帶，黑土區(qū)植物籬保土效益>70%[9]。

2.1.3 工程措施 黑土區(qū)耕地中常見的工程措施包括梯田、地埂植物帶、鼠道暗管等。截至第1次全國水利普查水土保持情況普查，東北黑土區(qū)梯田面積達(dá)3 196.41 km2。相比其他措施，梯田保水保土效益最好，水平梯田措施因子0.018(表1)，基本不產(chǎn)生水土流失。但實踐中因占地問題，“坡改梯”工程推廣受阻。地埂植物帶是在坡面徑流較大，單純等高壟作種植無法徹底防治坡面水土流失的地塊，通過橫向培修土埂，并在土埂上種植灌木或多年生草本植物，截短坡長、調(diào)蓄徑流的措施。該措施在黑土區(qū)廣泛應(yīng)用，實施面積僅次于改壟，效益僅次于梯田[22]，措施因子均值0.181，其中黑龍江0.205，吉林0.181，內(nèi)蒙古0.063(表1)。鼠道、暗管適用于土層深厚、土質(zhì)黏重、排水不暢的耕作區(qū)，主要在農(nóng)墾地區(qū)使用。使用鼠道犁在耕作層下擠壓形成人工鼠道，以增加入滲；為避免“鼠道”排水不暢，在鼠道下方布設(shè)暗管，進(jìn)一步排出地表積水，更大程度的減少地表徑流。柴宇等[23]通過次降雨觀測發(fā)現(xiàn)，鼠道+暗管可減少地表徑流量97%以上，減少侵蝕量90%以上。

綜上，黑土耕地水土保持措施均能較好的防治水蝕，其中工程措施效益最好，減沙90%左右，措施因子介于0.018～0.181之間；生物措施次之(P值為0.219)；耕作措施減沙超過70%，措施因子介于0.153～0.350之間。

2.2 風(fēng)力侵蝕防治效益

黑土區(qū)春季3—5月62%～82%的時間風(fēng)速>8 m/s，是風(fēng)蝕發(fā)生的主要時段[24]，內(nèi)蒙古、吉林、黑龍江3省交界是風(fēng)蝕發(fā)生的主要區(qū)域。3—5月恰值春耕春播，天然植被尚未全面返青，地表植被覆蓋極低。頻繁的晝?nèi)谝箖銎茐耐寥澜Y(jié)構(gòu)，加之春季干旱，表土疏松干燥，為風(fēng)蝕提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)，典型黑土區(qū)傳統(tǒng)耕地風(fēng)蝕沙量集中分布在0～50 cm[25]。

風(fēng)蝕防治措施包括生物措施、化學(xué)措施和機械措施3類。防風(fēng)林、防風(fēng)草帶等生物措施，及生物風(fēng)障、作物殘茬等機械措施可降低風(fēng)速、提高起沙風(fēng)速，是廣泛使用的風(fēng)蝕防治措施。東北地區(qū)借鑒前蘇聯(lián)經(jīng)驗，營造大量農(nóng)田防護(hù)林，林帶2側(cè)泥沙沉積明顯[26]，復(fù)合侵蝕防治效果顯著。植被(或留茬)降低近地表風(fēng)速作用顯著[27]，灌草植物緩沖帶密集分布高度與風(fēng)蝕沙量集中高度一致。保護(hù)性耕作減少對表層土壤的破壞，增加秋春季地表覆蓋，提高土壤蓄水量，增大地表粗糙度；東北地區(qū)秸稈還田減少風(fēng)蝕量28.24%～76.31%[28]，免耕地表20 cm處風(fēng)速為傳統(tǒng)耕作的27.8%[16]，風(fēng)蝕輸沙量較壟作減少66.0%～94.1%[29]。除黑土風(fēng)蝕區(qū)外，其他區(qū)域雖未針對風(fēng)蝕布設(shè)防治措施，但保護(hù)性耕作措施能起到風(fēng)蝕防治作用；植被措施也具備防治風(fēng)蝕的能力，但防治效果與布設(shè)方向、地形條件等有關(guān)。

2.3 凍融- 融雪侵蝕防治效益

凍融導(dǎo)致表土抗侵蝕能力降低，融雪徑流搬運使土壤顆粒發(fā)生遷移，造成水土流失。防控凍融- 融雪侵蝕應(yīng)從減弱凍融破壞及調(diào)控融雪徑流2方面考慮。等高壟作、保護(hù)性耕作、梯田等傳統(tǒng)農(nóng)田水土保持措施防護(hù)降雨侵蝕同時，兼具調(diào)控融雪徑流、減緩減弱凍融- 融雪侵蝕的作用，只是其作用機理略有不同。

保護(hù)性耕作增加冬季地表覆蓋，能減弱凍融破壞、調(diào)控融雪速率、截留融雪徑流。免耕措施根區(qū)加強冬季土壤水分入滲及儲存，作物殘茬覆蓋的隔絕緩沖可控制土壤溫度隨氣溫變化，能有效減弱土壤凍融強度[30]，降低融雪期保護(hù)性耕作農(nóng)田徑流泥沙濃度[31]。等高壟作溝壟增加攔蓄積雪；受壟丘微地形阻擋，等高壟作壟溝融雪時間相對滯后，融雪速率較其他壟向小[32]，利于融雪徑流入滲，從而減輕融雪侵蝕。局部坡度是壟作耕地解凍期侵蝕的首要影響因素[33]，而寬壟耕作有效減少單位面積溝壟邊坡比例，削弱了局部坡度的影響。

在凍融- 融雪期，截留溝、等高犁溝、水平坑、梯田等工程措施能減小地表徑流，促進(jìn)地表徑流入滲[34]。等高犁溝顯著提高融雪徑流入滲能力，防治融雪徑流導(dǎo)致的土壤侵蝕作用顯著[35]。東北黑土區(qū)通過布設(shè)鼠道、暗管，有助于融雪徑流沿裂隙入滲排出，能有效防治凍融- 融雪侵蝕。拜泉縣通過梯田、地埂植物帶與等高壟作結(jié)合使用，明顯改變了積雪空間分布，減少了融雪徑流沖刷，融雪期結(jié)束后梯田、地埂植物帶秋翻地壟丘無侵蝕發(fā)生[36]。

植被能減緩、減弱冷空氣對土壤的凍融作用程度和幅度，同時控制積雪量，改變積雪消融空間分布，延長積雪覆蓋時間，不易形成融雪徑流；還能調(diào)節(jié)融雪徑流，從而調(diào)節(jié)土壤侵蝕及泥沙運輸[37]。無論是凍結(jié)深度、融雪徑流還是融雪侵蝕量，林地均明顯小于秋耕翻地和免耕地[38]。東北地區(qū)林草地?zé)o明顯侵蝕發(fā)生[39]。在東北地區(qū)，植被還常與地埂結(jié)合形成地埂植物帶，而地埂植物帶攔截融雪徑流，防治融雪侵蝕效果明顯[36]。

目前針對黑土區(qū)凍融- 融雪侵蝕的調(diào)控及防護(hù)措施研究較少，但等高壟作、保護(hù)性耕作、梯田、地埂植物帶、植物緩沖帶等水土保持措施兼具減弱凍融破壞、調(diào)控融雪徑流，從而減小融雪侵蝕的作用。而融雪徑流通常小于降雨徑流，因此認(rèn)為針對水蝕布設(shè)的措施能夠起到防治融雪徑流侵蝕的作用。

2.4 措施優(yōu)化配置

黑土區(qū)雖為多營力復(fù)合侵蝕，但水蝕仍占主導(dǎo)地位。水蝕侵蝕量約占黑土復(fù)合侵蝕總量的73%[40]，故選用146 t/(km2·a)為控制指標(biāo)。同時，其他營力侵蝕機理及防治研究相對較少，選擇成熟的水蝕預(yù)報模型進(jìn)行措施優(yōu)化配置。根據(jù)USLE，推求一定坡度條件下當(dāng)前措施配置的有效防蝕坡長(λmax)，并與黑土區(qū)坡長500～1 000 m進(jìn)行比較、優(yōu)化，直至λmax>500 m為止。其中，降雨侵蝕力R因子根據(jù)1987—2016年日降雨資料計算；土壤可蝕性K因子采用EPIC模型推求；區(qū)域主要作物經(jīng)營管理C因子按照張憲奎等[15]研究結(jié)果賦值；水土保持措施P因子根據(jù)表1賦值；地形LS因子采用RUSLE模型計算。

優(yōu)化配置結(jié)果以漫川漫崗區(qū)<5°坡耕地為例說明。當(dāng)前≤3°坡耕地改壟措施的有效防蝕坡長遠(yuǎn)小于黑土區(qū)坡長，3°～5°坡耕地配置改壟和地埂植物帶也不滿足防蝕要求(表2)。在當(dāng)前配置基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，改壟僅適合≤1°耕地，等高壟作+地埂植物帶配置坡度不宜超過4°。綜合考慮對水、風(fēng)、凍融- 融雪侵蝕防治的有效性，優(yōu)先選擇保護(hù)性耕作措施進(jìn)行配置，結(jié)果顯示，采用保護(hù)性耕作措施后，≤2°耕地配置等高壟作，4°～5°坡耕地配置改壟和地埂植物帶能夠滿足防蝕要求。對采用保護(hù)性耕作措施后仍不能滿足要求的，增設(shè)植物緩沖帶后均達(dá)到防蝕要求。

3 結(jié)論

1)總體而言，黑土區(qū)水土保持措施防治均具有良好的水力侵蝕防治作用，其中工程措施防蝕效益最好，生物措施、耕作措施次之，但減沙效益均超過70%。等高壟作、保護(hù)性耕作、梯田、地埂植物帶、植物緩沖帶等水土保持措施具有減弱凍融破壞、調(diào)控融雪徑流，能起到凍融- 融雪侵蝕防治作用。植被措施、保護(hù)性耕作措施能有效防治風(fēng)力侵蝕。因此認(rèn)為，黑土區(qū)耕地主要水土保持措施在防治水力侵蝕的同時，能夠起到防治凍融- 融雪及風(fēng)蝕的作用。但在東北黑土多營力侵蝕區(qū)，同一措施對防治不同外營力侵蝕的貢獻(xiàn)率還應(yīng)進(jìn)一步開展試驗研究。

2)以東北漫川漫崗區(qū)<5°坡耕地為例進(jìn)行核算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前措施配置的有效防蝕坡長<300 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于黑土區(qū)坡長。在當(dāng)前配置基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化建議，1°～3°坡耕地在等高壟作基礎(chǔ)上增加保護(hù)性耕作措施及植物緩沖帶措施，3°～5°坡耕地在等高壟作、地埂植物帶基礎(chǔ)上增加保護(hù)性耕作措施。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)開展試驗研究監(jiān)測配置效果，并綜合考慮成本、群眾接受程度等適應(yīng)性問題，確定適宜黑土多營力侵蝕區(qū)推廣的措施配置。