東北地區(qū)水土保持措施因子研究

范建榮，王念忠，陳光，焦劍，謝云

(1.松遼水利委員會(huì)，130021，長(zhǎng)春;2.北京師范大學(xué)地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，地理學(xué)與遙感學(xué)學(xué)院，100875，北京)

土壤侵蝕已成為威脅人類生存和發(fā)展的環(huán)境問(wèn)題。為保護(hù)珍貴的土地資源，長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直致力防治土壤流失，有關(guān)水土保持措施對(duì)于土壤侵蝕影響的研究由來(lái)已久。早在1882年，Wollny就開(kāi)始通過(guò)小區(qū)實(shí)驗(yàn)，分析植被覆蓋對(duì)土壤侵蝕影響［1］。自20世紀(jì)30年代開(kāi)展土壤流失預(yù)報(bào)研究以來(lái)［2］，關(guān)于水土保持措施與土壤侵蝕關(guān)系的研究一直很受重視。1941 年，D.D.Smith［3］第一次把農(nóng)地水土保持措施的作用引入到土壤流失估算方程中。美國(guó)在20世紀(jì)60年代建立的通用土壤流失方程［4］中，以植物被覆與經(jīng)營(yíng)管理因子(C)和農(nóng)地水土保持措施因子(P)來(lái)定量表征水土保持措施對(duì)土壤侵蝕的影響。其中:C因子是指其他條件相同時(shí)，特定植被和經(jīng)營(yíng)管理地塊上的土壤流失與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)土壤流失之比;P因子是指其他條件相同時(shí)，實(shí)行等高耕作、等高帶狀種植或修地埂、梯田等水土保持措施后的土壤流失與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上土壤流失之比。我國(guó)自開(kāi)展土壤侵蝕定量研究以來(lái)，有關(guān)水土保持措施減水減沙效益的研究多在黃土高原地區(qū)［5-9］，其他地區(qū)也有所涉及［10-16］，包括東北地區(qū)［12，15-16］。在計(jì)算水土保持措施因子時(shí)，基準(zhǔn)條件多不統(tǒng)一，有學(xué)者依據(jù)美國(guó)通用土壤流失方程中C因子和P因子的定義，計(jì)算水土保持因子值［5-6，13-15］。很多研究是以農(nóng)地為基準(zhǔn)值，比較各種水土保持措施效益，并非土壤侵蝕模型中預(yù)報(bào)的因子值［9-12，16］。劉寶元等［17］在建立的中國(guó)土壤流失方程中，將水土保持措施分為生物措施、耕作措施和工程措施3大類，有助于理解并規(guī)范各種因子值的計(jì)算，但沒(méi)有給出各種措施的詳細(xì)因子值。

為保護(hù)珍貴的黑土資源，2003年國(guó)家啟動(dòng)了東北黑土區(qū)水土流失綜合防治試點(diǎn)工程(以下簡(jiǎn)稱“試點(diǎn)工程”)，期限3年?？傮w目標(biāo)是通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施，探索在黑土地開(kāi)展水土保持工程的措施，并通過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)和對(duì)照分析，評(píng)價(jià)實(shí)際運(yùn)行效果，進(jìn)而為整個(gè)黑土區(qū)開(kāi)展水土流失治理工程樹(shù)立典型和積累經(jīng)驗(yàn)?！霸圏c(diǎn)工程”范圍涉及黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古4省區(qū)的15縣(市、旗)76鄉(xiāng)(蘇木、鎮(zhèn))，總面積5 583.2 km2，基本代表了東北黑土區(qū)主要的水土流失特點(diǎn)［18-20］。為了系統(tǒng)而詳細(xì)地掌握水土流失的動(dòng)態(tài)，評(píng)價(jià)水土保持措施的效益，“試點(diǎn)工程”中依據(jù)自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件、水土流失代表性特點(diǎn)，在每個(gè)省(區(qū))和黑龍江九三墾區(qū)各選擇1條，共計(jì)5條重點(diǎn)小流域，布設(shè)徑流小區(qū)。本研究根據(jù)這些觀測(cè)資料，計(jì)算相關(guān)水土保持措施的因子值，以期為該地區(qū)土壤侵蝕定量預(yù)報(bào)服務(wù)。

1 資料與方法

在黑龍江省賓縣的三岔河和農(nóng)墾總局九三分局的鶴北小流域、吉林省梅河口市的吉興小流域、遼寧省阜新市的二道嶺小流域、以及內(nèi)蒙古自治區(qū)扎蘭屯市的孫家溝小流域內(nèi)，布設(shè)了坡面徑流試驗(yàn)小區(qū)，共包括了7種水土保持措施。2004—2006年連續(xù)3年進(jìn)行降雨過(guò)程及坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙狀況觀測(cè)［19］。研究選用了其中4條小流域的17個(gè)徑流小區(qū)觀測(cè)資料，產(chǎn)流總計(jì)343次(表1)，用于計(jì)算水土保持措施因子。

表1 徑流小區(qū)基本情況Tab.1 Basic conditions of the plots

根據(jù)我國(guó) GB/T 16453.1～16453.6—1996《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范》［21］，坡耕地水土保持措施主要包括各種保水保土耕作措施和梯田，荒地治理主要包括造林種草和封育等，此外還有溝壑、崩崗等治理措施。劉寶元等［17］根據(jù)這些措施對(duì)保持水土的作用，將其概括為生物措施，工程措施和耕作措施3類。生物措施強(qiáng)調(diào)的是植被覆蓋的作用，反映的是造林種草、種植作物等對(duì)土壤侵蝕的影響;工程措施則是通過(guò)改變一定范圍內(nèi)小地形(如坡改梯等平整土地的措施)，攔蓄地表徑流，增加降雨入滲，以減少土壤流失;耕作措施是以犁、鋤、耙等耕種農(nóng)具，通過(guò)改變局部地表結(jié)構(gòu)，以減少土壤流失措施。耕作措施與工程措施的不同之處在于，前者未改變地形，且只在農(nóng)用地上實(shí)施［22］。

本研究區(qū)各類水土保持措施因子計(jì)算方法如下:1)生物措施因子(B)是指對(duì)應(yīng)生物措施徑流小區(qū)土壤流失量與同等條件下裸地小區(qū)土壤流失量之比，其措施包括封禁和荒山灌木梗。2)工程措施因子(E)是指同等條件下，對(duì)應(yīng)工程措施徑流小區(qū)土壤流失量與順坡起壟種植小區(qū)土壤流失量之比;其措施包括水平臺(tái)田和水平坑。3)耕作措施則包括順坡、橫坡種植和地梗植物帶，其中，橫坡起壟種植和地梗植物帶的耕作措施因子值(T)是指其對(duì)應(yīng)小區(qū)土壤流失量與順坡起壟種植小區(qū)的土壤流失量之比。順坡起壟種植由于其降低徑流沖刷的作用通過(guò)所種植的作物實(shí)現(xiàn)，故其因子值是指該小區(qū)土壤流失量與裸地土壤流失量之比。

此外，由于各小區(qū)坡度不一致，計(jì)算各種措施的因子值時(shí)，將所有小區(qū)土壤流失量校正為5°坡度上土壤流失量，校正公式為

式中:Ai5為第i小區(qū)校正到5°坡度上土壤流失量，t/km2;Ai為第i小區(qū)的侵蝕量，t/km2;S5為5°坡度的坡度因子;Si為第 i小區(qū)的坡度因子，依據(jù)RUSLE［23］和劉寶元等［24］提出的方法計(jì)算:

式中 θ為坡度，(°)。

2 結(jié)果分析

東北地區(qū)主要生物措施(B)、工程措施(E)和耕作措施(T)因子值變化于0.020～0.624之間(表2)。生物林草措施的B因子值變化于0.021～0.817之間。草灌類型植被的水土保持效果十分顯著，灌木梗的B因子值為0.054。而封禁的B因子值差異十分顯著，采取該措施的小區(qū)中，梅河口吉興的B因子值僅為0.021，而阜新二道嶺的B因子值則高達(dá)0.705，僅略低于順坡種植大豆。這主要是因?yàn)橛^測(cè)的封禁小區(qū)草被生長(zhǎng)尚處于初始階段，其減水減沙作用尚不明顯，只有當(dāng)草被生長(zhǎng)到一定程度時(shí)［6，25］，其水土保持作用才能較為穩(wěn)定。

表2 主要水土保持措施因子值Tab.2 Factor value of biological-control，engineering-control，and tillage practices

本區(qū)工程措施中，水平臺(tái)田和水平坑的E因子值分別為0.020和0.061。相對(duì)于其他類型水土保持措施，工程措施的保土效果最為顯著。

本區(qū)耕作措施的T因子值變化于0.001～0.817之間。不同耕作措施的水土保持效果差異十分顯著。其中，順坡種植大豆 T因子值平均為0.624。順坡種植玉米的B因子值變化于0.258～0.457，平均為0.357［14-15］。在其他條件相同的情況下，種植大豆引起的土壤流失量明顯高于玉米，前者是后者的1.75倍。這與楊學(xué)明等［16］在吉林典型黑土區(qū)的研究結(jié)果(1.5 ～2.0 倍)和 F.L.Duley［26］在美國(guó)Missouri州的研究結(jié)果(1.86倍)較為一致。而橫坡種植大豆的T因子值平均為0.257，相對(duì)于順坡種植而言，其減沙效益為74.3%。不同作物橫坡種植的T因子值亦有所差異，玉米平均為0.457［14］，其他作物平均為 0.352［15］。相對(duì)于其他作物而言，橫坡種植大豆的水土保持效果更為明顯。由此可見(jiàn)，本區(qū)順坡種植大豆引起的土壤流失十分嚴(yán)重，若采取改壟措施，實(shí)行橫坡種植則具有明顯的治理效果。各種耕作措施中，地梗植物帶 T因子值0.186，減沙效果最好。

本區(qū)同種水土保持耕作措施在不同地區(qū)的減沙效果差異明顯，主要是因?yàn)楦鞔胧┧帘３中Ч€受到坡度［27］、降水強(qiáng)度、犁壟高度［28-29］等因素的影響，但受資料限制無(wú)法進(jìn)一步探討。本區(qū)降水、坡度、土壤等各種因素對(duì)耕作措施減沙效果的影響有待進(jìn)一步研究。

就平均水平而言，本區(qū)水土保持工程措施的減沙效果最好，耕作措施次之，再次為生物林草措施。但相對(duì)于其他2類措施而言，工程措施投入大，且耗工、耗時(shí)，現(xiàn)階段難以大面積推廣［22］。進(jìn)行水土保持規(guī)劃時(shí)，需因地制宜［30］，采取不同的水土保持措施:3°以下的坡耕地主要采取改壟措施，將順坡壟與斜坡壟改為橫壟，順坡耕作改為等高耕作。3°～8°的坡耕地通過(guò)修建梯田和地埂植物帶控制水土流失，建設(shè)基本農(nóng)田。8°以上的坡耕地通過(guò)坡面工程整地后退耕還林，因地制宜營(yíng)造水土保持林、用材林、經(jīng)濟(jì)林等。

3 小結(jié)

利用東北地區(qū)4個(gè)小流域17個(gè)徑流小區(qū)總計(jì)343次坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙觀測(cè)資料，計(jì)算了本區(qū)7種主要水土保持措施因子值。灌木梗和封禁的生物措施因子值B分別0.054和0.363。水平臺(tái)田和水平坑的工程措施因子值E分別為0.020和0.061。順坡起壟種植、橫坡起壟種植和地梗植物帶的耕作措施因子值T分別為0.624、0.257和0.186。研究計(jì)算的水土保持措施因子值是指其多年平均值，由于觀測(cè)時(shí)未將各種作物劃分不同的農(nóng)作期［4，31］，故未能得出不同農(nóng)作期的土壤流失率，因此研究成果的應(yīng)用尚具有一定局限性。此外，研究所采用的資料年限較短，尚不足以滿足精確計(jì)算多年平均水土保持措施因子的要求，建議進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，充分積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為東北地區(qū)土壤流失預(yù)報(bào)提供進(jìn)一步的數(shù)據(jù)支持。

［1］Baver L D.Edward Wollny:a pioneer in soil and water conservation research ［J］. Soil Science Society Proceeding，1938，3:330-333

［2］Cook H L.The nature and controlling variables of the water erosion process［J］. Soil Science Society of America Proceedings，1936，1:60-64

［3］Smith D D.Interpretation of soil conservation data for field use［J］.Agricultural Engineering，1941，22:173-175

［4］Wischmeier W H，Smith D D.Predicting rainfall erosion losses from cropland east of the Rocky Mountains:guide for selection of practices for soil and water conservation［M］.Washington D C，U S:Department of Agriculture，Agriculture Handbook，No.282，1965:10-38

［5］張巖，劉寶元，史培軍，等.黃土高原土壤侵蝕作物覆蓋因子計(jì)算［J］. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，21(7):1050-1056

［6］Zhang Y，Liu B Y，Zhang Q C，et al.Effect of different vegetation types on soil erosion by water［J］.Acta Botanica Sinica，2003，45(10):1204-1209

［7］劉秉正，劉世海.作物植被的保土作用及作用系數(shù)［J］. 水土保持研究，1999，6(2):32-36

［8］焦菊英，王萬(wàn)忠.人工草地在黃土高原水土保持中的減水減沙效益與有效蓋度［J］.草地學(xué)報(bào)，2001，9(3):176-182

［9］焦菊英，王萬(wàn)忠，李靖，等.黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持人工林減蝕效應(yīng)研究［J］.林業(yè)科學(xué)，2002，38(5):87-94

［10］水建國(guó)，孔繁根，鄭俊臣.紅壤坡地不同耕作影響水土流失的試驗(yàn)［J］.水土保持學(xué)報(bào)，1989，3(1):84-90

［11］魏玉杰，李華.花崗片麻巖地區(qū)坡耕地改造途徑及其效益分析［J］.水土保持通報(bào)，1992，12(6):26-32

［12］朱青，王兆騫，尹迪信.貴州坡耕地水土保持措施效益研究［J］. 自然資源學(xué)報(bào)，2008，23(2):219-229

［13］符素華，吳敬東，段淑懷，等.北京密云石匣小流域水土保持措施對(duì)土壤侵蝕的影響研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2001，15(2):21-24

［14］林素蘭，黃毅，聶振剛，等.遼北低山丘陵區(qū)坡耕地土壤流失方程的建立［J］.土壤通報(bào)，1997，28(6):251-253

［15］張憲奎，許靖華，盧秀琴，等.黑龍江省土壤流失方程的研究［J］. 水土保持通報(bào)，1992，12(4):1-9

［16］楊學(xué)明，張曉平，方華軍.不同管理方式下吉林省農(nóng)田黑土流失量［J］. 土壤通報(bào)，2003，34(5):389-393

［17］Liu B Y，Zhang K L，Xie Y.An Empirical Soil Loss Equation:Proceedings of 12th ISCO conference，Vol.II Process of soil Erosion and Its Environment Effect［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2002

［18］沈波，范建榮，潘慶賓，等.東北黑土區(qū)水土流失綜合防治試點(diǎn)工程項(xiàng)目概況［J］.中國(guó)水土保持，2003(11):7-8

［19］陳光，范海峰，陳浩生，等.東北黑土區(qū)水土保持措施減沙效益監(jiān)測(cè)［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2006，4(6):13-17

［20］王巖松，李世泉，高燕，等.東北黑土區(qū)水土流失綜合防治試點(diǎn)工程的監(jiān)測(cè)方法［J］.中國(guó)水利，2007(22):45-46

［21］中華人民共和國(guó)水利部水土保持司.GB/T 16453.1～16453.6—1996 水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版，1996

［22］袁西平，雷霆武.水土保持措施及其減水減沙效益分析［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20(2):296-300

［23］Renard K G，F(xiàn)orster G R，Weesies G A，et al.Predicting soil erosion by water:a guide to conservation planning with the revised universal soil loss equation(RUSLE)［M］.Washington D C，US:Department of Agriculture，Agriculture Handbook，No.702，1997:107

［24］Liu B Y，Nearing M A，Risse L M.Slope gradient effects on soil loss for steep slopes［J］.Transactions of the ASAE，1994，37(6):1835-1840

［25］辜世賢，徐霞.重慶市生態(tài)修復(fù)示范區(qū)土地利用景觀格局分析［J］. 水土保持研究，2006，13(2):244-249

［26］Duley F L.Soil erosion of soybeanland［J］.Journal of Agriculture，1994，17:800-803

［27］Smith D D，Whitt D M.Estimating soil losses from field areas of claypan soil［J］.Soil Science Society of America Proceedings，1947，12:485-490

［28］Moldenhauer W C，Wischmeier W H.Soil and water losses and infiltration rates on silt loam as influenced by cropping systems，tillage practices and rainfall characteristics［J］.Soil Science Society of America Journal，1960，24:409-413

［29］Jasa P J，Dickey E C，Shelton D P.Soil erosion from tillage and planting systems used in soybean residue［J］.Transactions of the ASAE，1986，28:761-766

［30］劉寶元，閻百興，沈波，等.東北黑土區(qū)農(nóng)地土壤流失現(xiàn)狀與綜合治理對(duì)策［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2008，6(1):1-8

［31］Wischmeier W H，Smith D D.Predicting rainfall erosion losses:A guide to conservation planning［M］.Washington D C，U.S:Department of Agriculture，Agriculture Handbook，No.573，1978:18-21