東北黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕及其治理研究進展

王 娜，王 璐，宋昌海

（呼倫貝爾市農(nóng)牧技術(shù)推廣服務(wù)中心，內(nèi)蒙古海拉爾 021008）

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]，占我國耕地總面積的28.35%，是我國重要的耕地資源。坡耕地也是坡地水土流失的主體，近年來不合理的耕作活動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)是國家重要的商品糧基地，被譽為國家糧食安全的“壓倉石”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，是我國水土流失嚴重的地區(qū)之一。東北黑土區(qū)坡耕地面積為12.80 萬km2，是產(chǎn)生水土流失的主要源地，近年來由于坡耕地不合理的利用，耕地措施的不科學使用及生態(tài)環(huán)境的破壞，加劇了坡耕地的水土流失，嚴重影響了土地生產(chǎn)力和糧食生產(chǎn)[2-3]。長期以來，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。進入21 世紀以后，黑土區(qū)的水土流失問題才逐漸得到關(guān)注，2003 年以來，國家先后啟動了東北黑土區(qū)水土流失綜合防治試點工程、東北黑土區(qū)水土流失重點治理工程、東北黑土區(qū)侵蝕溝治理專項規(guī)劃、黑土侵蝕防治機理與調(diào)控技術(shù)等重大項目，依托項目開展了一系列針對黑土區(qū)坡耕地形成機理、評價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)坡耕地土壤侵蝕機理

我國黑土區(qū)位于溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，春季干旱多風，夏季降雨集中，冬季寒冷漫長，季節(jié)性凍土廣布，水力、風力和凍融等作用在時間上交替或同步、空間上交錯或重疊侵蝕著黑土區(qū)土壤。根據(jù)2018 年全國水土流失動態(tài)監(jiān)測結(jié)果，黑土區(qū)內(nèi)水力侵蝕占水土流失的65%，風力侵蝕占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。鄭粉莉通過人工模擬降雨發(fā)現(xiàn)降雨動能對坡面侵蝕過程影響的機理，雨滴動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]。大部分學者認為降雨是坡面水蝕最根本的動力來源，降雨強度是影響坡面侵蝕的主要因素。賈蓮蓮、馬琨等認為隨著降雨強度的增大，坡面徑流量和侵蝕量均增加[9-10]。李桂芳等通過室內(nèi)模擬降雨試驗，研究了降雨強度和地形因子（坡度和坡長）對黑土區(qū)坡面土壤侵蝕過程的影響，發(fā)現(xiàn)當降雨強度增加1 倍，坡面徑流量增加1.4～12.4 倍，坡度由5°增加到10°時，侵蝕量增加0.4倍；坡長由5 m 增加到10 m 時，侵蝕量增加0.5 倍；三者均增大時，坡面侵蝕量增加18倍，降雨強度、坡度和坡長均影響坡面侵蝕，且三者交互作用對坡面侵蝕的影響遠大于單個影響因素[11]。

1.2 風力侵蝕

風力侵蝕區(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，其中強度風蝕面積為3 645.8 km2，中度風蝕面積8 100.8 km2，輕度風蝕面積10 701.6 km2。黑土區(qū)春季干旱多風，風力強，歷時長，此時農(nóng)田內(nèi)沒有作物生長，只有少量秸稈留存，且黑土區(qū)土壤類型為黑土、黑鈣土、暗棕壤、草甸土，土壤質(zhì)地細膩，春季由于表層干燥土壤變得干燥疏松，大風作用下極易發(fā)生風力侵蝕。目前，對我國風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)報道較少。2017 年，林藝通過室內(nèi)模擬實驗研究黑土風蝕速率與風速、土壤含水量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)黑土風蝕速率隨風速增大呈指數(shù)增加，隨土壤含水量先增加后降低，風速和土壤含水量顯著影響東北黑土區(qū)土壤風蝕[12]。風速是風蝕的啟動力，直接影響土壤風蝕強度。

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）和風力等多種外營力復合影響。左小鋒結(jié)合室內(nèi)風洞和模擬降雨試驗，研究前期地表風蝕作用與黑土坡面水蝕的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)前期地表風蝕作用可以顯著增加坡面徑流量和水蝕量，同時改變后期坡面水蝕過程，且前期地表風蝕作用對后期坡面水蝕的貢獻與風速、降雨強度明顯相關(guān)，前期地表風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始地進行耕作，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措施保護、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。中國科學院·水利部成都山地災害與環(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，實現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用。趙藝學、王文對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。陳雪通過對典型黑土區(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]。湯永強采用建設(shè)微型徑流小區(qū)法，通過測試不同季節(jié)新修梯田裸露坡面和不同措施坡面在凍融、水力交錯條件下的侵蝕量、徑流量及土壤的抗剪強度，發(fā)現(xiàn)在黑土區(qū)修筑土坎梯田最好選在秋季進行。

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可以排出過多水分，田間水分虧缺時，則可使用溝中存留水分澆灌農(nóng)田。楊愛崢在松嫩平原開展試驗，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)模式對土壤水分動態(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?shù)氐钠碌赝寥狼治g，且有助于坡地退化土壤養(yǎng)分庫的恢復重建，這種種植模式被稱為等高植物籬系統(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題[19]。20世紀90年代我國學者開始研究植物籬技術(shù)，主要在長江中上游干旱河谷區(qū)和三峽庫區(qū)、北方黃土高原水土流失嚴重地區(qū)，探明植物籬模式控制水土流失的機理，但黑土區(qū)的相關(guān)研究較少。2018年，蘇鵬通過模擬實驗研究了東北黑土區(qū)不同坡段等間距植物籬產(chǎn)流、產(chǎn)沙過程，結(jié)果表明，與裸地對照相比，各坡段植物籬均能阻延坡面徑流，且隨坡段的下移，滯后時間逐漸縮短，各坡段植物籬產(chǎn)流、產(chǎn)沙速率在時間尺度上表現(xiàn)基本一致，在上、中坡段植物籬坡面相對平穩(wěn)，下坡段植物籬坡面后期呈明顯波動，其變化趨勢與坡面侵蝕形態(tài)密切相關(guān)，且整體小于對照坡面，指出等高植物籬技術(shù)需要改進設(shè)計后方可應(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性耕作，通過采用免耕、少耕、深松、秸稈還田、增施有機肥等技術(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，保護農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。美國早在1950年就開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減少水蝕的危害，建立了遍及全國的土壤保持示范點和土壤保持管理區(qū)。我國保護性耕作研究起步較晚，但發(fā)展迅速，保護性耕作技術(shù)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。研究表明長期保護性耕作（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。保護性耕作具有良好的土壤保育功能，被認為是東北黑土區(qū)旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路[7]。徐軍生通過設(shè)置保護性耕作、施用有機肥及平衡施肥的不同種植模式試驗，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]。柴宇針對東北坡耕地存在的土壤肥力下降和水土流失等問題，研究了深松、稻稈還田、壟向區(qū)3 項耕作技術(shù)對降雨徑流、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)學模型對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)進行了綜合評價[22]。

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