東北黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕及其治理研究進(jìn)展

王娜　王璐　宋昌海

摘 要 坡耕地是東北黑土區(qū)產(chǎn)生水土流失的主要源地，近年來(lái)由于坡耕地不合理的利用，耕地措施的不科學(xué)使用及生態(tài)環(huán)境的破壞，加劇了坡耕地的水土流失，嚴(yán)重影響了土地生產(chǎn)力和糧食生產(chǎn)。坡耕地治理對(duì)于黑土地保護(hù)的意義重大。探討分析了黑土區(qū)坡耕地形成機(jī)理，主要包括水力侵蝕（降雨濺擊、坡面徑流）和風(fēng)力侵蝕;系統(tǒng)闡述坡耕地水土流失治理措施，主要包括工程措施（坡改梯、修筑排水工程）、耕作措施（免耕、少耕、深松、秸稈還田、增施有機(jī)肥）和生物措施（種植等高植物籬）。

關(guān)鍵詞 坡耕地;土壤侵蝕;水土流失;治理措施;東北黑土區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào)：S157.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.17.040

坡耕地是分布在山坡上地面平整度差、跑水跑肥跑土突出、作物產(chǎn)量低的旱地[1]，占我國(guó)耕地總面積的28.35%，是我國(guó)重要的耕地資源。坡耕地也是坡地水土流失的主體，近年來(lái)不合理的耕作活動(dòng)加劇了坡耕地的土壤侵蝕，引發(fā)土層變薄和土壤結(jié)構(gòu)惡化。黑土區(qū)是國(guó)家重要的商品糧基地，被譽(yù)為國(guó)家糧食安全的“壓倉(cāng)石”和“穩(wěn)壓器”，主要分布在東北三省和內(nèi)蒙古東四盟，其間地形多為丘陵漫崗，坡度較緩，坡面較長(zhǎng)，是我國(guó)水土流失嚴(yán)重的地區(qū)之一。東北黑土區(qū)坡耕地面積為12.80萬(wàn)km2，是產(chǎn)生水土流失的主要源地，近年來(lái)由于坡耕地不合理的利用，耕地措施的不科學(xué)使用及生態(tài)環(huán)境的破壞，加劇了坡耕地的水土流失，嚴(yán)重影響了土地生產(chǎn)力和糧食生產(chǎn)[2-3]。長(zhǎng)期以來(lái)，坡耕地研究大都集中在黃土高原和西南地區(qū)[4-6]，東北地區(qū)的坡耕地治理未得到足夠的重視。進(jìn)入21世紀(jì)以后，黑土區(qū)的水土流失問(wèn)題才逐漸得到關(guān)注，2003年以來(lái)，國(guó)家先后啟動(dòng)了東北黑土區(qū)水土流失綜合防治試點(diǎn)工程、東北黑土區(qū)水土流失重點(diǎn)治理工程、東北黑土區(qū)侵蝕溝治理專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃、黑土侵蝕防治機(jī)理與調(diào)控技術(shù)等重大項(xiàng)目，依托項(xiàng)目開(kāi)展了一系列針對(duì)黑土區(qū)坡耕地形成機(jī)理、評(píng)價(jià)方法與防治措施的研究，為黑土區(qū)坡耕地治理提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)措施。

1? 黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕機(jī)理

我國(guó)黑土區(qū)位于溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，春季干旱多風(fēng)，夏季降雨集中，冬季寒冷漫長(zhǎng)，季節(jié)性凍土廣布，水力、風(fēng)力和凍融等作用在時(shí)間上交替或同步、空間上交錯(cuò)或重疊侵蝕著黑土區(qū)土壤。根據(jù)2018年全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，黑土區(qū)內(nèi)水力侵蝕占水土流失的65%，風(fēng)力侵蝕占35%，北部地區(qū)間有凍融侵蝕[7]。

1.1? 水力侵蝕

降雨濺擊和坡面徑流是水力侵蝕的主要因素。鄭粉莉通過(guò)人工模擬降雨發(fā)現(xiàn)降雨動(dòng)能對(duì)坡面侵蝕過(guò)程影響的機(jī)理，雨滴動(dòng)能破壞了土壤表面結(jié)構(gòu)，在土壤表面形成結(jié)皮，不利于降水入滲，加快了坡面徑流，增加了坡面徑流量，造成坡面侵蝕[8]。大部分學(xué)者認(rèn)為降雨是坡面水蝕最根本的動(dòng)力來(lái)源，降雨強(qiáng)度是影響坡面侵蝕的主要因素。賈蓮蓮、馬琨等認(rèn)為隨著降雨強(qiáng)度的增大，坡面徑流量和侵蝕量均增加[9-10]。李桂芳等通過(guò)室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，研究了降雨強(qiáng)度和地形因子（坡度和坡長(zhǎng)）對(duì)黑土區(qū)坡面土壤侵蝕過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)降雨強(qiáng)度增加1倍，坡面徑流量增加1.4～12.4倍，坡度由5°增加到10°時(shí)，侵蝕量增加0.4倍;坡長(zhǎng)由5 m增加到10 m時(shí)，侵蝕量增加0.5倍;三者均增大時(shí)，坡面侵蝕量增加18倍，降雨強(qiáng)度、坡度和坡長(zhǎng)均影響坡面侵蝕，且三者交互作用對(duì)坡面侵蝕的影響遠(yuǎn)大于單個(gè)影響因素[11]。

1.2? 風(fēng)力侵蝕

風(fēng)力侵蝕區(qū)主要分布于黑土區(qū)西部半干旱地區(qū)，包括嫩江兩岸沙地和接近內(nèi)蒙古草原邊緣地帶，其中強(qiáng)度風(fēng)蝕面積為3 645.8 km2，中度風(fēng)蝕面積8 100.8 km2，輕度風(fēng)蝕面積10 701.6 km2。黑土區(qū)春季干旱多風(fēng)，風(fēng)力強(qiáng)，歷時(shí)長(zhǎng)，此時(shí)農(nóng)田內(nèi)沒(méi)有作物生長(zhǎng)，只有少量秸稈留存，且黑土區(qū)土壤類(lèi)型為黑土、黑鈣土、暗棕壤、草甸土，土壤質(zhì)地細(xì)膩，春季由于表層干燥土壤變得干燥疏松，大風(fēng)作用下極易發(fā)生風(fēng)力侵蝕。目前，對(duì)我國(guó)風(fēng)力侵蝕土壤的研究主要集中在西北地區(qū)，東北黑土區(qū)的相關(guān)報(bào)道較少。2017年，林藝通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究黑土風(fēng)蝕速率與風(fēng)速、土壤含水量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)黑土風(fēng)蝕速率隨風(fēng)速增大呈指數(shù)增加，隨土壤含水量先增加后降低，風(fēng)速和土壤含水量顯著影響東北黑土區(qū)土壤風(fēng)蝕[12]。風(fēng)速是風(fēng)蝕的啟動(dòng)力，直接影響土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度。

黑土區(qū)土壤侵蝕并非是單一因素的影響，而是受水力（降雨、凍融和融雪）和風(fēng)力等多種外營(yíng)力復(fù)合影響。左小鋒結(jié)合室內(nèi)風(fēng)洞和模擬降雨試驗(yàn)，研究前期地表風(fēng)蝕作用與黑土坡面水蝕的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)前期地表風(fēng)蝕作用可以顯著增加坡面徑流量和水蝕量，同時(shí)改變后期坡面水蝕過(guò)程，且前期地表風(fēng)蝕作用對(duì)后期坡面水蝕的貢獻(xiàn)與風(fēng)速、降雨強(qiáng)度明顯相關(guān)，前期地表風(fēng)蝕降低土壤抗侵蝕能力，增加了坡面水蝕量，加劇了土壤侵蝕程度[13]。

2? 坡耕地水土流失治理措施

由于是在不平坦而有坡度的地上周而復(fù)始地進(jìn)行耕作，坡耕地土層變薄，養(yǎng)分含量降低，作物產(chǎn)量減少，農(nóng)民稱(chēng)之為跑水、跑土又跑肥的“三跑田”。坡耕地水土流失治理就是采取水土保護(hù)措施保護(hù)、改良和合理利用坡面水土資源，防止坡面水土流失，是改善丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和生態(tài)環(huán)境的重要措施，主要包括工程措施、耕作措施和生物措施。

2.1? 工程措施

坡耕地治理工程措施主要有坡改梯、修筑排水工程。中國(guó)科學(xué)院·水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所發(fā)現(xiàn)坡耕地改造為梯田可以增加耕地面積，提高耕地質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用。趙藝學(xué)、王文對(duì)比分析了坡耕地和梯田的全氮、全鉀、速效磷含量及作物產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)梯田的氮磷鉀含量和作物產(chǎn)量均高于坡耕地。梯田的種類(lèi)較多，但所有梯田的作用相同，都是減少坡耕地養(yǎng)分及土壤的流失[14-15]。孫亞茹提出梯田治理坡地的效果受坡度的影響，修建梯田最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是水平梯田面寬度的確定，而水平梯田面寬度由坡面坡度決定，坡度越大，梯田面寬度越小，坡度越小，梯田面寬度越大。陳雪通過(guò)對(duì)典型黑土區(qū)范圍內(nèi)部分小流域的自然條件、侵蝕狀況、治理情況等方面資料的分析，總結(jié)了不同坡度的坡耕地治理措施：5°以下坡耕地以順坡壟作改橫坡壟作為主，5°～8°坡耕地以種植等高植物籬為主，8°～15°坡耕地以修水平梯田為主，15°以上坡耕地采取退耕還林為主[16]。湯永強(qiáng)采用建設(shè)微型徑流小區(qū)法，通過(guò)測(cè)試不同季節(jié)新修梯田裸露坡面和不同措施坡面在凍融、水力交錯(cuò)條件下的侵蝕量、徑流量及土壤的抗剪強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)在黑土區(qū)修筑土坎梯田最好選在秋季進(jìn)行。

坡耕地治理排水工程主要有鼠洞、暗管、明溝。鼠洞可以提高地表水分的入滲速度，增大耕地的蓄水保土能力;暗管則可提高地表水的入滲能力，減少地表水的徑流量;明溝在田間水分較多時(shí)可以排出過(guò)多水分，田間水分虧缺時(shí)，則可使用溝中存留水分澆灌農(nóng)田。楊?lèi)?ài)崢在松嫩平原開(kāi)展試驗(yàn)，研究了壟向區(qū)田、鼠道、暗管和明溝等4種坡耕地綜合治理技術(shù)模式對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)、產(chǎn)量、作物水分利用效率、地表徑流和土壤侵蝕的影響，結(jié)果表明4種技術(shù)模式均有不同程度的蓄水保土增產(chǎn)和提高作物水分利用效率的作用，其中鼠洞+暗管+明溝+壟向區(qū)田綜合治理措施效果最佳，采用暗管排漬、明溝集水兼排除田間的地表水，形成明暗結(jié)合、相對(duì)健全的田間排水系統(tǒng)，大大提高了坡耕地治理效果[17]。

2.2? 生物措施

治理坡耕地的生物措施主要為種植等高植物籬。植物籬較早見(jiàn)于非洲和東南亞熱帶地區(qū)的坡地上，沿坡地等高線培植雙行植物籬，可以有效防治當(dāng)?shù)氐钠碌赝寥狼治g，且有助于坡地退化土壤養(yǎng)分庫(kù)的恢復(fù)重建，這種種植模式被稱(chēng)為等高植物籬系統(tǒng)[18]。等高植物籬技術(shù)是坡地治理的一種新型技術(shù)體系，由植物籬與農(nóng)地構(gòu)成，植物籬具有保水固土的作用，且植物籬一般種植綠肥，將綠肥還田后可以提高土壤肥力與作物產(chǎn)量，是一種融生態(tài)、經(jīng)濟(jì)為一體的坡地可持續(xù)利用技術(shù)。Paningbata研究了不同坡耕地治理模式下地表徑流和土壤侵蝕，發(fā)現(xiàn)植物籬模式的水土保持效果較好，植物籬加上免耕覆蓋可以基本解決坡耕地土壤侵蝕問(wèn)題[19]。20世紀(jì)90年代我國(guó)學(xué)者開(kāi)始研究植物籬技術(shù)，主要在長(zhǎng)江中上游干旱河谷區(qū)和三峽庫(kù)區(qū)、北方黃土高原水土流失嚴(yán)重地區(qū)，探明植物籬模式控制水土流失的機(jī)理，但黑土區(qū)的相關(guān)研究較少。2018年，蘇鵬通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)研究了東北黑土區(qū)不同坡段等間距植物籬產(chǎn)流、產(chǎn)沙過(guò)程，結(jié)果表明，與裸地對(duì)照相比，各坡段植物籬均能阻延坡面徑流，且隨坡段的下移，滯后時(shí)間逐漸縮短，各坡段植物籬產(chǎn)流、產(chǎn)沙速率在時(shí)間尺度上表現(xiàn)基本一致，在上、中坡段植物籬坡面相對(duì)平穩(wěn)，下坡段植物籬坡面后期呈明顯波動(dòng)，其變化趨勢(shì)與坡面侵蝕形態(tài)密切相關(guān)，且整體小于對(duì)照坡面，指出等高植物籬技術(shù)需要改進(jìn)設(shè)計(jì)后方可應(yīng)用于東北黑土區(qū)的坡耕地治理[20]。

2.3? 耕作措施

坡耕地治理的耕作措施主要為保護(hù)性耕作，通過(guò)采用免耕、少耕、深松、秸稈還田、增施有機(jī)肥等技術(shù)，改善坡耕地土壤理化性狀和土壤結(jié)構(gòu)，減少農(nóng)田土壤侵蝕，保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。美國(guó)早在1950年就開(kāi)始大范圍地推廣免耕、少耕、輪耕、深松、秸稈覆蓋等耕作措施來(lái)減少水蝕的危害，建立了遍及全國(guó)的土壤保持示范點(diǎn)和土壤保持管理區(qū)。我國(guó)保護(hù)性耕作研究起步較晚，但發(fā)展迅速，保護(hù)性耕作技術(shù)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。研究表明長(zhǎng)期保護(hù)性耕作（免耕和深松）可以提高坡耕地土壤質(zhì)量，增加土壤肥力，目前保護(hù)性耕作在東北黑土區(qū)主要適用于5°以下的坡耕地;免耕土壤與翻耕后的土壤相比，表層好氧和兼性厭氧微生物數(shù)量明顯增多，而秸稈還田+免耕綜合技術(shù)的使用則可減少90%以上的土壤侵蝕量。保護(hù)性耕作具有良好的土壤保育功能，被認(rèn)為是東北黑土區(qū)旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路[7]。徐軍生通過(guò)設(shè)置保護(hù)性耕作、施用有機(jī)肥及平衡施肥的不同種植模式試驗(yàn)，尋求適宜黑土區(qū)坡耕地的耕作方式和施肥方式，發(fā)現(xiàn)3種保護(hù)性耕作技術(shù)均可改善坡耕地土壤的理化性狀和土壤結(jié)構(gòu)[21]。柴宇針對(duì)東北坡耕地存在的土壤肥力下降和水土流失等問(wèn)題，研究了深松、稻稈還田、壟向區(qū)3項(xiàng)耕作技術(shù)對(duì)降雨徑流、產(chǎn)沙、土壤水分、養(yǎng)分流失、玉米生物性狀、產(chǎn)量、水分利用效率的影響，并應(yīng)用相關(guān)數(shù)學(xué)模型對(duì)坡耕地綜合治理模式下的水土環(huán)境及節(jié)水增產(chǎn)效應(yīng)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)[22]。

黑土地坡耕地墾殖后，在土壤侵蝕和過(guò)度墾殖的雙重影響下，土壤肥力迅速降低。為了恢復(fù)坡耕地的土壤肥力，我國(guó)學(xué)者進(jìn)行了大量研究，對(duì)坡耕地形成過(guò)程和機(jī)理進(jìn)行分析，研發(fā)出一系列治理措施;同時(shí)學(xué)者不斷對(duì)治理措施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高治理效果，有效阻控黑土退化，維持土地生產(chǎn)力。

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（責(zé)任編輯：易? 婧）

收稿日期：2022-04-20

基金項(xiàng)目：呼倫貝爾市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2021030）。

作者簡(jiǎn)介：王娜（1984—），女，山東菏澤人，碩士，高級(jí)農(nóng)藝師，主要從事耕地質(zhì)量保護(hù)與評(píng)價(jià)。