吉林省山地丘陵區(qū)典型坡面水土保持措施適宜性研究

張瑜 徐子棋 楊獻(xiàn)坤 崔斌

摘?要：為滿足黑土區(qū)山地丘陵地帶提高坡耕地水土保持措施綜合效益的需要，本文選取經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、生態(tài)指標(biāo)和管護(hù)指標(biāo)構(gòu)建吉林省山地丘陵區(qū)典型坡面水土保持措施適宜性研究體系，利用層次分析法對(duì)區(qū)域各類坡耕地水土保持措施適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：山地丘陵區(qū)坡面水土保持措施生態(tài)因子、經(jīng)濟(jì)因子及管護(hù)因子在不同措施類型下差異性顯著;從不同區(qū)域來(lái)看，除榮華小流域地埂植物帶為適宜外，榮華小流域其他措施和其他流域各類措施適宜度均在中等適宜以下;從土層厚度來(lái)看，0～19.9 cm處的水平梯田和地埂植物帶為較不適宜，20～39.9 cm處的水平梯田和地埂植物帶、0～39.0 cm處的坡式梯田為中等適宜，40～70 cm的水平梯田和地埂植物帶為較適宜;從坡度來(lái)看，3°～5.9°的坡式梯田為較不適宜，8.1°～15°的水平梯田、6°～8°和12.1°～15°的坡式梯田及6°～8°的地埂植物帶為中等適宜，6°～8°的水平梯田為較適宜，3°～5.9°的地埂植物帶為適宜;該區(qū)域小部分措施較不適宜，大部分措施為中等適宜和較適宜。本研究結(jié)果對(duì)黑土區(qū)坡耕地水土保持措施優(yōu)選、技術(shù)優(yōu)化和黑土地保護(hù)提供了新思路，為防治耕地水土流失和質(zhì)量退化提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：黑土區(qū);山地丘陵區(qū);水土保持措施;適宜性;層次分析法

中圖分類號(hào)：S761.1?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1006-8023（2021）06-0025-09

Abstract：In order to meet the needs of improving the comprehensive benefits of soil and water conservation measures on sloping farmland in the mountain and hilly area of the black soil area， the economical indexes， the ecological indexes and the measure management were chosen to build the suitability evaluation system of the soil and water conservation measures in the mountain and hill area of the Jilin Province， and the suitability of the soil and water conservation measures on the various sloping farmland in the research area was evaluated by AHP. The results showed that： the ecological factors， economic factors and management and protection factors of slope soil and water conservation measures in mountain and hilly areas were significantly different under different types of measures. From the perspective of different regions， except for the ridge plant belt of the Ronghua small watershed， which was suitable， all the rest kinds of the measures of the Ronghua small watershed and all the measures of the rest small watersheds were below the medium suitable level. From the perspective of the thickness of the soil layer， the horizontal terraces and ridge plant belts at 0-19.9 cm were less suitable， and the horizontal terraces and ridge plant belts at 20-39.9 cm and slope terraces at 0-39.0 cm were middle suitable， horizontal terraces and ridge plant belts at 40-70 cm were more suitable. In terms of slope， sloped terraces of 3°-5.9° was less suitable， horizontal terraces of 8.1°-15°， slopes terraces of 6°-8° and 12.1°-15°， and ridge plant belts of 6-8° were middle suitable， the horizontal terraced of 6°-8° was more suitable， the ridge plant belt of 3°-5.9° was best suitable. A small part of the measures in the research area were relatively unsuitable， most of the measures were relatively suitable. The results of this study provide a new idea for the selection and the optimization of the soil and water conservation measures on the sloping farmland in the black soil area， and it provides a scientific basis for the prevention and control of the soil and water loss and the quality degradation of the sloping farmland.

Keywords：The black soil area; mountain and hilly area; soil and water conservation measures; suitability; analytic hierarchy process （AHP）

0?引言

水土保持措施適宜性評(píng)價(jià)是優(yōu)化實(shí)施水土保持措施的基礎(chǔ)與核心，關(guān)系到水土流失的有效防治及水土保持建設(shè)成功與否，通過(guò)建立科學(xué)、系統(tǒng)的指標(biāo)體系，對(duì)水土保持措施的適宜度進(jìn)行綜合的分析與評(píng)價(jià)，對(duì)水土保持措施的配置、布設(shè)具有指導(dǎo)性作用，也為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供理論支持[1-3]。

相關(guān)學(xué)者對(duì)不同區(qū)域的水土保持措施效果及適宜性做了大量研究，主要集中在措施的效益[4-5]、措施的采納程度[6-8]、措施的優(yōu)化配置[9-10]、措施間比較[11-12]以及單個(gè)影響因素[13-15]適應(yīng)性分析，此類研究間接地分析水土保持措施適應(yīng)性情況。相反，直接分析水土保持措施適應(yīng)性的方法有層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)法和特爾斐法，此類方法主要依靠專家經(jīng)驗(yàn)評(píng)分來(lái)確定評(píng)價(jià)因子與權(quán)值，其中層次分析法是最常用的一種方法[6，16]，如胡皓等[10]和顧劍紅[17]分別用層次分析法評(píng)價(jià)了紅壤區(qū)坡地果園和廣西石漠化地區(qū)小流域的水土保持措施適宜性;周連兄等[18]和唐有臻[19]利用層次分析法評(píng)價(jià)了不同類型房地產(chǎn)項(xiàng)目水土保持措施的適宜性?；疑P(guān)聯(lián)法和特爾斐法雖然使用較少，但也有相關(guān)研究，如尹輝等[20]利用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)湘中丘陵區(qū)水土保持效益進(jìn)行了評(píng)價(jià);代富強(qiáng)等[3]利用特爾斐法對(duì)紫色土丘陵區(qū)典型水土保持措施的適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。此外，部分學(xué)者還通過(guò)建立相關(guān)模型[21]和以GIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用模糊證據(jù)權(quán)模型[1]進(jìn)行效益評(píng)價(jià)。現(xiàn)階段對(duì)水土保持措施的評(píng)價(jià)存在評(píng)價(jià)方法不統(tǒng)一、不全面的問(wèn)題，因此張玉斌等[9]總結(jié)分析了水土保持措施適宜性評(píng)價(jià)研究，提出水土保持措施適宜性評(píng)價(jià)理論內(nèi)涵、評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)及工作流程，全面地分析探索了水土保持措施適宜性評(píng)價(jià)的理論與方法。

東北山地丘陵區(qū)地處東北腹地，是東北商品糧重要生產(chǎn)基地之一，但是由于該區(qū)域地形坡度較大，降水量大且較為集中，加之人類不合理的開(kāi)采利用，區(qū)域水土流失情況十分嚴(yán)重，被水利部列為東北黑土區(qū)重點(diǎn)治理區(qū)域之一[4，24]。水土流失不僅造成區(qū)域水土資源質(zhì)量降低，更能造成面源污染，威脅著人類的生存和發(fā)展[23-25]，因此進(jìn)行水土保持措施適宜性評(píng)價(jià)至關(guān)重要。但是，有關(guān)該區(qū)域適宜性評(píng)價(jià)的研究卻鮮有報(bào)道。

因此，本研究選取東北山地丘陵區(qū)具有代表性坡面水土保持措施，開(kāi)展野外調(diào)查和數(shù)據(jù)收集，研究自然因子、管護(hù)因子對(duì)各類水土保持措施效果的影響，并結(jié)合實(shí)際情況，采用層次分析法評(píng)價(jià)不同措施適宜性，以期為該區(qū)域水土保持措施技術(shù)優(yōu)化和合理配置提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1?研究區(qū)概況

本研究樣地位于吉林省柳河縣、輝南縣、敦化市和東遼縣，樣地的具體地理位置及措施基本情況見(jiàn)表1。在《吉林省水土保持規(guī)劃（2016—2030年）》中，敦化市屬于長(zhǎng)白山山地水源涵養(yǎng)減災(zāi)區(qū)，該區(qū)域位于吉林省東部山區(qū)，是全省主要江河流域的上游，地貌以山地為主，山勢(shì)較高，年降水量500～1 000 mm，屬中溫帶濕潤(rùn)區(qū)。該區(qū)域植被以針葉林和針闊混交林為主。成土母質(zhì)主要為花崗巖、頁(yè)巖和片麻巖等，主要土壤類型為黑土、暗棕壤和沼澤土等。主要侵蝕類型為水蝕，以輕度侵蝕為主。柳河縣、輝南縣和東遼縣屬于長(zhǎng)白山山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)，該區(qū)域位于吉林省中東部，屬山地、丘陵區(qū)地貌，年降水量600～800 mm，屬中溫帶半濕潤(rùn)區(qū)，主要土壤為黑土、暗棕壤、棕壤和沼澤土等。主要侵蝕類型為水蝕，程度主要為輕度和中度。

2?材料與方法

2.1?數(shù)據(jù)獲取

2.1.1?指標(biāo)測(cè)定

本研究數(shù)據(jù)獲取方法主要包括野外實(shí)地測(cè)量和咨詢相關(guān)單位，野外實(shí)地測(cè)量試驗(yàn)于2020年7月7日至7月12日完成。

（1）地形因子

地形因子主要為坡度，由于本研究所有坡面均為直線坡型，因此利用水準(zhǔn)儀在各坡面的坡上、坡中、坡下各選1個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行坡度測(cè)定，并計(jì)算平均值。

（2）土壤因子

土壤因子主要為土層厚度，土層厚度為黃土母質(zhì)層以上的厚度，在每個(gè)研究坡面的坡上、坡中、坡下各選擇3個(gè)樣點(diǎn)，挖取剖面進(jìn)行測(cè)量，單位為cm。

（3）措施因子

減沙率：向當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)單位咨詢，獲得2019年數(shù)據(jù)，單位為%。

成本：向當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)單位咨詢獲得，單位為元/hm2。

占地百分比：每個(gè)樣點(diǎn)選擇5條埂坎測(cè)定占地百分比，計(jì)算公式為：

占地百分比=[埂坎寬（m） / 田面寬（m）]×100%。 （1）

保存率：每個(gè)樣點(diǎn)選取5條埂坎測(cè)定保存率，數(shù)值為保存埂坎長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的百分比。

措施年限及措施實(shí)施年限：向當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)單位咨詢獲得，單位為a。

2.1.2?層次分析權(quán)重體系

參考相關(guān)學(xué)者的研究[26-27]，根據(jù)層次分析法的要求，將指標(biāo)體系分為3層，第1層為綜合適宜性;第2層為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、生態(tài)指標(biāo)和管護(hù)指標(biāo);第3層為具體指標(biāo)。由此建立的具體指標(biāo)體系如圖1所示。采用專家打分法判斷矩陣確定各指標(biāo)權(quán)重，標(biāo)度確定方法見(jiàn)表2，判斷矩陣見(jiàn)表3—表6。計(jì)算后所得各指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表7，結(jié)果通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

2.1.3?數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為減少不同指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的偏差影響，利用半梯形函數(shù)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，具體函數(shù)如下。

土層厚度、減沙率和保存率屬正向影響因子，使用升半梯函數(shù);成本、占地百分比和措施年限屬負(fù)向影響因子，使用降半梯函數(shù)。各指標(biāo)與相應(yīng)權(quán)重相乘，所得結(jié)果加和即為相應(yīng)措施評(píng)分。借鑒已有研究，將本研究區(qū)坡面水土保持工程措施適宜性分為5級(jí)[22]，按照評(píng)分結(jié)果如下。

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

通過(guò)對(duì)實(shí)際調(diào)查結(jié)果的分析，與計(jì)算結(jié)果相符。

2.2?數(shù)據(jù)處理及分析

利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理;利用SPSS 25.0進(jìn)行方差分析（ANNOVA單因素方差分析Duncan法）、相關(guān)分析;利用Origin 2018進(jìn)行箱線圖繪制;利用Matlab 2010b進(jìn)行層次分析權(quán)重的計(jì)算。

3?結(jié)果與分析

3.1?吉林省山地丘陵區(qū)坡面水土保持措施生態(tài)因子、經(jīng)濟(jì)因子及管護(hù)因子狀況

由圖2（a）可知，研究區(qū)3種坡面水土保持措施減沙率由大到小排序?yàn)椋核教萏?、坡式梯田、地埂植物帶?者減沙率均值分別為93.41%、64.3%、40.7%，3者減沙率上1/4分位數(shù)分別為96.5%、69.4%、46.4%，差異均極顯著（P<0.01）;由圖2（b）可知，研究區(qū)水平梯田和地埂植物帶坡面土層厚度變化較大，坡式梯田坡面土層厚度變化較小，水平梯田、坡式梯田和地埂植物帶坡面土層厚度均值分別為29.35、18.64、24.93 cm，差異顯著（P<0.05），土層厚度即取決于原坡面條件，又反映措施固持水土的作用;由圖2（c）可知，研究區(qū)水平梯田成本變化區(qū)間較大，而坡式梯田和地埂植物帶成本變化較小，且水平梯田成本遠(yuǎn)高于坡式梯田和地埂植物帶，三者成本均值為36 851.2、2 453.9、1 186.6 元/hm2，差異均極顯著（P<0.01）;由圖2（d）可知，研究區(qū)水平梯田和坡式梯田占地百分比變化范圍較大，而地埂植物帶占地變化較小，三者變化范圍分別是2.92%～48.00%、15.00%～23.68%、2.75%～8.13%，三者占地均值分別為23.48%、16.65%、4.83%，差異均極顯著（P<0.01）;影響保存率的因素包括當(dāng)?shù)卣?、占地?duì)農(nóng)民利用農(nóng)田的影響程度以及徑流沖刷下不同種措施的損毀程度等，由圖2（e）可知，研究區(qū)水平梯田和坡式梯田保存率變化范圍較小，而地埂植物帶保存率變化范圍較大，水平梯田、坡式梯田和地埂植物帶保存率均值為90.1%、67.4%、60.55%，三者保存率的上1/4分位數(shù)分別為91.2%、68.5%、80.6%，差異均極顯著（P<0.01）。

3.2?吉林省山地丘陵區(qū)坡面水土保持措施適宜性綜合狀況

3.2.1?吉林省山地丘陵區(qū)不同區(qū)域坡面水土保持措施適宜性綜合狀況

研究區(qū)各流域水土保持措施適宜性見(jiàn)表8。由表8可知，研究區(qū)有3個(gè)流域是水平梯田，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評(píng)分0.033～0.053，均為極不適宜，生態(tài)指標(biāo)評(píng)分0.254～0.559，榮家流域?yàn)檩^不適宜，其余兩處為中等適宜，管護(hù)指標(biāo)0.021～0.082，均為極不適宜，綜合評(píng)分0.370～0.626，榮家流域?yàn)檩^不適宜，金州小流域?yàn)橹械冗m宜，榮華小流域?yàn)檩^適宜;研究區(qū)有2個(gè)流域?yàn)槠率教萏?，?jīng)濟(jì)評(píng)分0.180～0.183，均為極不適宜，生態(tài)評(píng)分0.191～0.248，韓家街流域極不適宜，泉眼小流域較不適宜，管護(hù)評(píng)分0.077，均為極不適宜，綜合評(píng)分0.452～0.506，均為中等適宜;研究區(qū)有3個(gè)流域?yàn)榈毓≈参飵?，?jīng)濟(jì)評(píng)分0.197～0.200，均為極不適宜，生態(tài)評(píng)分0.154～0.594，磨石溝流域極不適宜，于家村較不適宜，榮華小流域中等適宜，管護(hù)評(píng)分0.013～0.072，均為極不適宜，綜合評(píng)分0.424～0.815，榮華小流域?yàn)檫m宜，其余中等適宜。以上結(jié)果說(shuō)明該區(qū)域水保措施參數(shù)、施工方式或工藝需改進(jìn)，以便降低經(jīng)濟(jì)成本，提高經(jīng)濟(jì)評(píng)分;從生態(tài)指標(biāo)來(lái)看，所有坡式梯田，除榮華流域外地埂植物帶以及榮家流域水平梯田措施配置應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，以便提升水土保持效果;整個(gè)區(qū)域管護(hù)水平較差，應(yīng)加固措施，加強(qiáng)管護(hù)。

3.2.2?吉林省山地丘陵區(qū)土層厚度對(duì)坡面水土保持措施適宜性的影響

由表9可知，從土層厚度來(lái)看，0～19.9 cm處的水平梯田和地埂植物帶為較不適宜，20～39.9 cm處的水平梯田和地埂植物帶和0～39.0 cm處的坡式梯田為中等適宜，40～70 cm的水平梯田和地埂植物帶為較適宜。研究區(qū)坡面土層厚度0～19.9 cm處，3種措施適宜性總評(píng)分由高到低排序?yàn)椋浩率教萏?、地埂植物帶、水平梯田，差異顯著（P<0.05），結(jié)合上文可知，其原因是該土層厚度坡面上水平梯田經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評(píng)分極低（成本較大，占地較大），而地埂植物帶成本較低，且生態(tài)評(píng)分也較高，因此適應(yīng)性較好;土層厚度20～39.9 cm處，3種措施適宜性總評(píng)分由高到低排序?yàn)椋旱毓≈参飵А⑵率教萏?、水平梯田，坡式梯田和水平梯田的評(píng)分無(wú)顯著差異，地埂植物帶與二者差異顯著（P<0.05），原因是水平梯田經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評(píng)分極低（成本較大，占地較大），且三者生態(tài)評(píng)分差異較小;研究區(qū)土層厚度40～70 cm處沒(méi)有坡式梯田，該土層厚度措施適宜性總評(píng)分為地埂植物帶大于水平梯田，差異不顯著，且評(píng)分均超過(guò)0.75。

3.2.3?吉林省山地丘陵區(qū)坡度對(duì)坡面水土保持措施適宜性的影響

由表10可知， 3°～5.9°的坡式梯田為較不適宜，8.1°～15°的水平梯田、6°～8°和12.1°～15°的坡式梯田和6°～8°的地埂植物帶為中等適宜，6°～8°的水平梯田為較適宜，3°～5.9°的地埂植物帶為適宜。研究區(qū)3°～5.9°坡面坡式梯田和地埂植物帶經(jīng)濟(jì)評(píng)分無(wú)顯著差異，生態(tài)指標(biāo)為地埂植物帶大于坡式梯田，差異顯著（P<0.05），結(jié)合上文可知，原因是坡式梯田原有坡面土層較薄，管護(hù)評(píng)分為地埂植物帶大于坡式梯田，差異顯著（P<0.05），原因是地埂植物帶保存率遠(yuǎn)小于坡式梯田，綜合評(píng)分為坡式梯田大于地埂植物帶，差異顯著（P<0.05）;6°～8°坡面水平梯田的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評(píng)分遠(yuǎn)低于坡式梯田和地埂植物帶，但生態(tài)指標(biāo)評(píng)分遠(yuǎn)高于二者，3種措施綜合評(píng)分由高到低排序?yàn)椋核教萏?、坡式梯田、地埂植物帶，差異顯著（P<0.05）;8.1°～12°坡面只有水平梯田1種措施，綜合評(píng)分為0.497 2;12.1°～15°坡面措施經(jīng)濟(jì)評(píng)分為水平梯田小于坡式梯田，差異顯著（P<0.05），原因是水平梯田成本遠(yuǎn)高于坡式梯田，生態(tài)評(píng)分為水平梯田大于坡式梯田，差異顯著（P<0.05），原因是水平梯田的減沙率遠(yuǎn)高于坡式梯田，二者管護(hù)評(píng)分無(wú)顯著差異，綜合評(píng)分為水平梯田大于坡式梯田，差異不顯著。

4?討論與結(jié)論

水土保持措施適應(yīng)性評(píng)價(jià)是治理水土流失的基礎(chǔ)，一般水土保持措施以小流域單元為基礎(chǔ)，應(yīng)用間接或直接方法對(duì)其適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文結(jié)合前人研究基礎(chǔ)，在吉林省東部山地丘陵區(qū)選取典型坡面區(qū)，調(diào)查該區(qū)域主要坡面水土保持工程措施（水平梯田、坡式梯田、地埂植物帶），并利用層次分析法對(duì)其自然環(huán)境適宜性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)適宜性進(jìn)行分析，本研究區(qū)內(nèi)水平梯田、坡式梯田、地埂植物帶減沙率均值分別為93.41%、64.3%、40.7%，成本均值分別為36 851.2、2 453.9、1 186.6 元/hm2，保存率均值分別為90.1%、67.4%、60.55%;山地丘陵區(qū)坡面水土保持措施生態(tài)因子、經(jīng)濟(jì)因子及管護(hù)因子在不同措施類型下差異性顯著;從不同區(qū)域來(lái)看，除榮華小流域地埂植物帶為適宜外，榮華小流域其他措施和其他流域各措施適宜度均在中等適宜以下;從土層厚度來(lái)看，0～19.9 cm處的水平梯田和地埂植物帶為較不適宜，20～39.9 cm處的水平梯田和地埂植物帶、0～39.0 cm處的坡式梯田為中等適宜，40～70 cm的水平梯田和地埂植物帶為較適宜;從坡度來(lái)看，3°～5.9°的坡式梯田為較不適宜，8.1°～15°的水平梯田、6°～8°和12.1°～15°的坡式梯田及6°～8°的地埂植物帶為中等適宜，6°～8°的水平梯田為較適宜，3°～5.9°的地埂植物帶為適宜。通過(guò)研究區(qū)各流域水土保持措施適宜性綜合評(píng)分發(fā)現(xiàn)，東遼縣合興村榮華小流域?yàn)檫m宜和較適宜措施區(qū)，柳河縣榮家小流域?yàn)檩^不適宜措施區(qū)，其余地區(qū)流域措施均為中等適宜。

該結(jié)果具有一定的代表性和指示意義。綜合以上結(jié)果表明，該區(qū)域小部分措施較不適宜，需要進(jìn)行技術(shù)調(diào)整，大部分措施為中等適宜和較適宜，可進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，以便提升其效果。如何根據(jù)水土保持措施適宜性評(píng)價(jià)進(jìn)行措施技術(shù)優(yōu)化是后續(xù)需要研究的內(nèi)容。今后，還應(yīng)對(duì)該區(qū)域侵蝕溝水土保持措施適宜性評(píng)價(jià)進(jìn)行研究。

【參?考?文?獻(xiàn)】

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