海倫市典型小流域坡耕地侵蝕溝特征和治理研究

張冠名，肖 洋， 周雪山

(黑龍江大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150080)

海倫市是世界三大黑土帶之一，也是我國(guó)重要的商品糧基地，素有“糧倉(cāng)”之稱。西部平原盛產(chǎn)大豆、玉米、水稻等糧食作物和亞麻、烤煙等經(jīng)濟(jì)作物，地下蘊(yùn)藏豐富的煤炭、礦金、礦泉水等礦產(chǎn)資源。根據(jù)第2次土壤普查資料統(tǒng)計(jì)，海倫市土地總面積為4.55×105hm2，其中黑土是主要的耕作土壤，占總耕地面積的81.53%[1]。由于長(zhǎng)期的不合理耕作，水土流失已成為制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，海倫市水土流失面積為1.65×105hm2，占總面積的35%[2]。其中，水蝕面積為1.23×105hm2，占水土流失面積的74.8%。全市年平均土壤侵蝕模數(shù)為4 467 t/km2，輕度侵蝕面積為10.13×104hm2，中度侵蝕面積為4.53×104hm2，重度侵蝕面積為1.81×104hm2，分別占水土流失面積的61.5%、27.5%和11.0%。長(zhǎng)期水土流失形成的較大侵蝕溝有4 706條，總長(zhǎng)416 km，侵蝕區(qū)溝壑密度為0.63 km/km2。坡耕地侵蝕溝的迅速發(fā)育導(dǎo)致坡耕地嚴(yán)重的水土流失和土地退化，影響作為重要的商品糧基地的糧食安全。為了有效防治坡耕地水土流失，以海倫市前進(jìn)鎮(zhèn)的光榮小流域?yàn)槔?，筆者對(duì)坡耕地侵蝕溝的發(fā)展?fàn)顩r開(kāi)展系統(tǒng)的調(diào)查，分析侵蝕溝主要發(fā)育特征和發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，并提出相對(duì)應(yīng)的坡耕地侵蝕溝的治理措施，為合理的土地利用和坡耕地水土流失的防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。這對(duì)于區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況海倫市位于黑龍江省中部，地處小興安嶺西麓，地理坐標(biāo)為46°58′～47°52′N，126°14′～127°45′E，是由小興安嶺向松嫩平原的過(guò)渡地帶，處在松嫩平原的中北部。地勢(shì)從東北到西南由低丘陵、高平原、河階地、河漫灘依次呈階梯形逐漸降低，最高為490 m，最低約150 m。海倫市屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季溫?zé)岫嘤辏隉嵬?，年平均降雨量?00～600 mm，60%～70%集中在6～8月，年平均氣溫為1.5 ℃左右，冬季平均氣溫約在-20.0 ℃，極端氣溫-39.0 ℃。夏季平均氣溫在19.0～20.0 ℃之間，年有效積溫為2 300～2 600 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 600～2 800 h，無(wú)霜期一般為110～125 d。地貌類型為半丘陵地區(qū)。土壤類型主要為黑土、草甸土、白漿土、暗棕壤[3]。

1.2研究方法典型侵蝕溝現(xiàn)狀調(diào)查的主要指標(biāo)包括：侵蝕溝長(zhǎng)度、上口最大寬度、上口平均寬度、溝底平均寬度、侵蝕溝平均深度、溝道縱比降(主溝道流程高差與主溝道流程長(zhǎng)度之比)、侵蝕溝類型(發(fā)展型、穩(wěn)定型)以及已有治理措施和數(shù)量等[4]。

利用1∶10 000地形圖，在小流域內(nèi)隨機(jī)抽取39條溝道進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)地調(diào)查和圖上量測(cè)。實(shí)地調(diào)查包括對(duì)流域界限和溝緣線的勾繪、溝道及溝頭的治理與利用情況調(diào)查等。通過(guò)選擇有代表性的地段，在溝道的上、中、下游分別設(shè)置量測(cè)斷面。用皮尺或測(cè)繩測(cè)定每個(gè)量測(cè)斷面上各溝谷的深度、寬度，計(jì)算出各量測(cè)斷面上所有溝谷的平均沖刷深度和寬度以及兩斷面間溝谷的縱向曲線長(zhǎng)度，從而計(jì)算出調(diào)查區(qū)的侵蝕總體積和土壤侵蝕量。土壤侵蝕總體積的計(jì)算公式[5]為：

V總=∑(di×hi)×L

式中，V總為溝谷侵蝕總體積(m3)；di和hi分別為第i個(gè)斷面上溝谷的總寬度(m)和總深度(m)；L為等距布設(shè)斷面時(shí)的溝谷縱向長(zhǎng)度(m)。

圖上量測(cè)包括對(duì)每條溝道的溝壑面積、匯水面積、溝道長(zhǎng)度(主溝長(zhǎng)、各級(jí)支溝長(zhǎng)和溝道全長(zhǎng))、溝壑密度等特征值的測(cè)算。

2 結(jié)果與分析

2.1溝蝕強(qiáng)度分級(jí)特征根據(jù)表1計(jì)算求得的多年平均侵蝕模數(shù)為1 769 t/(km2·年)，平均流失厚度為1.45 mm/年，溝壑密度為6.5 km/km2。參照水利部頒布的土壤水力侵蝕的強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[6]，光榮小流域的水力侵蝕強(qiáng)度為輕度侵蝕，溝蝕的強(qiáng)度分級(jí)為極強(qiáng)烈。由此可知，當(dāng)前小流域的溝蝕狀況相當(dāng)嚴(yán)重。研究區(qū)野外調(diào)查也表明，流域內(nèi)溝壑密布，蠶食耕地，沖蝕肥沃黑土。溝蝕已成為限制當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。

表1 侵蝕溝調(diào)查數(shù)據(jù)

2.2侵蝕溝分類分級(jí)特征國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究表明，按照溝谷規(guī)模的大小，可以將侵蝕溝分為細(xì)溝、淺溝、切溝、沖溝、坳溝或槽溝[7-10]。參照相關(guān)的研究，并選取侵蝕溝的深度和寬度2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析。由表2可知，光榮小流域侵蝕溝可分為淺溝、切溝和沖溝3類，以切溝和沖溝為主體。淺溝溝深一般不超過(guò)1 m，寬不大于2 m，縱剖面與坡面一致，處于溝蝕發(fā)展的活躍期；切溝溝深一般不超過(guò)1.5 m，溝寬一般不大于6 m，縱剖面與坡面也基本一致，溝頭開(kāi)始出現(xiàn)跌水，溝岸開(kāi)始出現(xiàn)崩塌，也處于溝蝕發(fā)展的活躍期；沖溝溝深一般不超過(guò)3 m，溝寬一般不大于20 m，多為一個(gè)主溝幾個(gè)分溝的復(fù)雜形態(tài)出現(xiàn)，溝頭有明顯的跌水，溝岸擴(kuò)張以崩塌為主，此階段侵蝕仍處在發(fā)展期。

表2 光榮小流域侵蝕溝分類

借鑒相關(guān)的研究[11]，選取年侵蝕量、溝壑占地面積和溝長(zhǎng)這3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析。由表3可知，光榮小流域侵蝕溝可分為小型溝、中型溝和大型溝3個(gè)級(jí)，每個(gè)級(jí)又劃分為穩(wěn)定溝、半穩(wěn)定溝和發(fā)展溝三等。小型侵蝕溝一般規(guī)模較小，侵蝕量也相對(duì)較小，處在發(fā)展活躍的階段，占地面積小于0.2 hm2，溝長(zhǎng)不超過(guò)200 m；中型溝規(guī)模較大，侵蝕量也相對(duì)較大，也處在發(fā)展活躍的階段，占地面積0.2～0.5 hm2，溝長(zhǎng)在200～500 m之間；大型溝規(guī)模大，侵蝕量也大，仍處于發(fā)展的階段，占地面積在0.5 hm2以上，溝長(zhǎng)大于500 m。

表3 光榮小流域侵蝕溝分級(jí)結(jié)果

2.3侵蝕溝發(fā)育特征由表4可知，整個(gè)流域侵蝕溝的發(fā)育速度是不平衡的，聚類分析將侵蝕溝的發(fā)育速度分為3個(gè)等級(jí)。5、20、21號(hào)侵蝕溝發(fā)育速度快，年平均發(fā)育進(jìn)度為33.46 m，處在發(fā)育的第1級(jí)別；29、39、11、26、27、28、14、25、12、17和14號(hào)侵蝕溝的發(fā)育速度居第2級(jí)別，年平均發(fā)育進(jìn)度為17.14 m；其他號(hào)侵蝕溝發(fā)育慢，年平均發(fā)育進(jìn)度為7.91 m，居第3級(jí)別。據(jù)表1，坡耕地上的侵蝕溝寬度和長(zhǎng)度之比平均為0.019，相比其他類型的侵蝕溝[12]有較大的寬長(zhǎng)比。這表明侵蝕溝的兩側(cè)或上游的匯水量較大，造成溝岸有較多的崩塌。

表4 侵蝕溝發(fā)育進(jìn)度

2.4侵蝕溝治理措施由表5可知，根據(jù)侵蝕溝的不同分級(jí)而采取相應(yīng)的生物、工程和農(nóng)業(yè)措施。小型侵蝕溝規(guī)模較小，侵蝕量也較小。應(yīng)用較簡(jiǎn)單的配套措施就能夠治理，即可在溝頭、溝岸兩側(cè)、溝坡坡面和溝道底部營(yíng)造不同密度的水土保持灌木林帶，同時(shí)結(jié)合在溝底營(yíng)造的灌木林帶將秸稈等材料回填溝底，以促進(jìn)攔截泥沙；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，可以采取深耕、輪作和套種等水土保持耕作制度，增加坡耕地土壤的抗蝕性和地表的覆蓋度，進(jìn)而減少匯入溝道的地表徑流量。中型侵蝕溝規(guī)模較大，侵蝕量也較大，應(yīng)采取生物措施和工程措施并重的方法進(jìn)行治理，即在溝頭、溝岸兩側(cè)、溝坡坡面營(yíng)造水土保持灌木林帶，同時(shí)在溝頭和溝岸兩側(cè)水土保持灌木林帶的外緣修筑土袋封溝埂，攔截匯水徑流；削坡減緩溝坡坡度，并在溝底修筑編織袋、編柳和土柳等簡(jiǎn)易谷坊。大型侵蝕溝規(guī)模大，侵蝕量也大，應(yīng)采取生物措施和工程措施相結(jié)合以工程措施為主的方法進(jìn)行治理，即在溝頭、溝岸兩側(cè)、溝坡坡面營(yíng)造水土保持灌木林帶，同時(shí)根據(jù)匯水量在溝頭修筑土袋封溝埂或柳樹(shù)跌水臺(tái)階，溝岸兩側(cè)結(jié)合營(yíng)造的水土保持灌木林帶修筑土袋封溝??；削坡，并在溝底修筑干砌石或漿砌石谷坊，以控制溝床下切。

3 結(jié)論和討論

3.1結(jié)論通過(guò)2011、2012年調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)海倫市前進(jìn)鎮(zhèn)光榮小流域的坡耕地侵蝕溝特征和治理措施進(jìn)行研究。結(jié)果表明，當(dāng)前光榮小流域的水力侵蝕強(qiáng)度為輕度侵蝕，溝蝕的強(qiáng)度分級(jí)為極強(qiáng)烈，小流域的溝蝕狀況相當(dāng)嚴(yán)重，必須采取相應(yīng)的措施進(jìn)行治理。通過(guò)對(duì)侵蝕溝的深度和寬度進(jìn)行聚類分析表明，光榮小流域侵蝕溝可分為淺溝、切溝和沖溝3類，以切溝和沖溝為主體。對(duì)年侵蝕量、溝壑占地面積和溝長(zhǎng)進(jìn)行聚類分析，可將侵蝕溝分為小型溝、中型溝和大型溝3個(gè)級(jí)別。侵蝕溝有較大的寬長(zhǎng)比，且發(fā)育速度很不平衡。小型侵蝕溝應(yīng)用較簡(jiǎn)單的配套措施即可治理，中型侵蝕溝應(yīng)采

取生物措施和工程措施并重的方法進(jìn)行治理，大型侵蝕溝應(yīng)采取生物措施和工程措施相結(jié)合且以工程措施為主的方法進(jìn)行治理。

3.2討論該研究只考慮了侵蝕溝長(zhǎng)度、寬度、深度、占地面積等影響因子，而如何將降水(降雨和降雪)、土壤(土壤剖面入滲和土壤可蝕性等特征)以及凍融作用等因子加入研究中，討論其對(duì)于侵蝕溝發(fā)育和形成過(guò)程的影響是非常重要的。

坡耕地侵蝕溝的形成過(guò)程與坡耕地壟溝較長(zhǎng)、單一的耕作措施有關(guān)。因此，如何從根本上切斷侵蝕溝形成的條件是非常關(guān)鍵的。今后，改變單一的耕作制度，增加壟作區(qū)田和植物籬等防護(hù)林帶以截短坡長(zhǎng)，減少匯流面積，從而遏制侵蝕溝的形成和發(fā)育。

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