東北黑土區坡耕地土壤侵蝕特征與多營力復合侵蝕的研究重點

鄭粉莉, 張加瓊, 劉 剛, 范昊明, 王 彬, 沈海鷗

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊陵 712100； 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊陵 712100; 3.沈陽農業大學，遼寧 沈陽 110866； 4.北京林業大學， 北京 100083； 5.吉林農業大學， 吉林 長春 130118)

全球黑土以其土質肥沃和糧食高產對人類的生存與發展做出了巨大貢獻。但過度開發利用導致全球黑土地均出現了嚴重土壤侵蝕。1934年發生在美國的“黑風暴”事件，不但導致全美生態災難，也敲響了全球農田侵蝕災害的警鐘；20世紀50年代前蘇聯發生的“黑風暴”事件導致前蘇聯的糧食危機。中國東北黑土區包括黑龍江省、吉林省、遼寧省和內蒙古自治區，其面積約1.03×106km2，是國家最大的商品糧生產基地，商品率占全國的1/3以上，是國家糧食的“壓艙石”[1]。 然而，僅有百余年墾殖歷史的東北黑土地，由于高強度的開發利用和掠奪式經營，黑土發生嚴重退化，黑土生產力降低，平均黑土層厚度已由20世紀50年代60～80 cm下降到目前的20～40 cm[1]；每年僅因土壤侵蝕造成的全年糧食減產高達14.7%[2]，嚴重威脅中國糧食安全和生態安全。作為土壤侵蝕“癌癥”表現的各類溝蝕在東北黑土區也非常嚴重。據中國水土流失與生態安全(東北組)報告[1]，東北現有侵蝕溝2.50×105余條，侵蝕溝占地面積4.83×105hm2。農田侵蝕溝的發展使“黑土地破碎”，阻礙農機作業，限制農業可持續發展。更為嚴重的是由于缺乏有效的土壤侵蝕調控技術措施，黑土地土壤退化呈繼續惡化的發展態勢，是中國唯一仍呈退化加重的農田生態系統。如不及時保護黑土地，將極大削弱區域糧食生產能力和區域生態功能，導致中國最大的糧倉出現問題，影響國家糧食安全和中國人的生存問題。

近幾十年來，中國的土壤侵蝕機理研究取得了重要進展， 為水土流失綜合治理提供了重要的科學依據。然而，過去的研究主要針對單一侵蝕營力，而對多外營力相互作用的土壤復合侵蝕研究相對較少；尤其與其他水蝕區相比，中國東北黑土區的土壤侵蝕機理研究相對薄弱，從而一方面導致現有的適用于中國其他水蝕區的水土保持措施在該區域的適用性受到質疑，另一方面也導致該區土壤侵蝕治理效果不顯著。因此，迫切需要揭示東北黑土區復合土壤侵蝕過程，闡明多營力復合侵蝕的驅動機制，為黑土區土壤復合侵蝕防治和黑土資源的可持續利用提供重要理論依據。

近10 a余來，作者團隊通過主持國家重點基礎研究發展計劃(973)項目課題和多項國家自然科學基金項目以及“十三五”國家重點研發計劃項目等，在東北黑土區坡面土壤侵蝕主要驅動機制及其關鍵因子對坡面土壤侵蝕影響，坡面侵蝕—沉積空間分布規律，黑土區土壤可蝕性估算模型，保護性耕作措施對坡面土壤侵蝕阻控，土壤侵蝕強度對作物產量的影響，適用于坡面復合土壤侵蝕的水土保持措施篩選，復合土壤侵蝕防治分區等方面開展了大量研究工作，取得了重要研究進展。本文基于大量野外調查和理論研究以及文獻資料，并集成作者團隊長期的研究成果，綜合分析東北黑土區坡面土壤侵蝕的特點，以期為研究該區復合土壤侵蝕有效防治措施提供重要科學依據。

1 東北黑土區坡耕地土壤侵蝕特點

1.1 多營力復合侵蝕的季節更替和空間疊加

受特殊的地理環境和人為過度墾殖的影響，東北黑土區坡耕地最顯著的侵蝕特點是多營力作用的復合侵蝕在時間上的更替和空間上的疊加。坡耕地晚春季節發生融雪侵蝕與晝融夜凍互相交替的復合侵蝕(圖1)，隨后發生耕作侵蝕和風蝕疊加的復合侵蝕(圖2)。

東北黑土區坡耕地多營力復合侵蝕在時間尺度上表現為季節性的更替。東北黑土區坡耕地夏季和秋季會發生嚴重的水蝕(圖3)；晚秋季節由于整地又發生耕作侵蝕以及冬季和早春季節土壤凍脹作用引起土壤顆粒位移和臨空部分土體位移(圖4)。在空間尺度上表現為水蝕(降雨和融雪徑流侵蝕)、風蝕、凍融侵蝕并存，且相互疊加和相互作用，加劇了坡面土壤侵蝕的嚴重程度。

圖1 東北黑土區晚春季節的融雪侵蝕現象 (鄭粉莉攝于20170427)

圖2 東北黑土區晚春季節的耕作侵蝕與揚塵現象 (張加瓊攝于20170425)

圖3 東北黑土區夏季的坡耕地水蝕(左：范昊明攝于20180625；右：鄭粉莉攝于20180729)

圖4 東北黑土區晚春季節的土壤凍脹裂隙與 土體位移現象(劉剛攝于20190526)

1.2 農田溝蝕嚴重

黑龍江省溝蝕數量由20世紀50年代4 000余條增加到2000年的15 000余條[1]。其中，黑龍江省溝蝕嚴重的克東縣和拜泉縣東部10個鄉鎮，侵蝕溝數量已從1965年的1 712條增加到2005年的2 565條，侵蝕溝面積占總面積的比例已由5.97%增加到17.62%，對應的溝壑密度也由202 m/km2增加到283 m/km2[1]。東北黑土區14縣的21個典型小流域溝蝕調查表明，2005年的溝壑密度較之2004年增加了12.2%[1]；僅經過2004年一個雨季，調查的7條小流域的溝頭溯源侵蝕速率介于0.05～5 m，平均為1.34 m；溝床加深變化于1.6～9.0 cm之間，平均為5.8 cm；侵蝕溝加寬介于4～145 cm，平均為36.8 cm[1]。農田侵蝕溝的發展不但使“黑土地破碎”，阻礙農機作業，也使耕地面積減少。據張興義等在美麗中國生態文明建設科技工程專項研究中的調查資料，60%以上的侵蝕溝分布在耕地(圖5)，損毀黑土地5 000 km2以上。作者野外調查也表明，在克山縣英民溝流域僅2018年的春季融雪徑流使侵蝕溝溝頭平均前進了1.9 m，溝深增加了3.8 cm；在2018年的雨季侵蝕溝溝頭平均前進了2.6 m，溝深增加了7.8 cm。同時，坡耕地淺溝侵蝕也非常嚴重。

1.3 坡面匯流引起的土壤侵蝕更加突出

受長緩坡地形和順坡壟作的影響，坡面匯流引起的土壤侵蝕更加明顯。東北黑土區坡耕地坡長一般為上百米至上千米，大多介于300～500 m。劉寶元等的觀測資料表明，對于順坡壟作種植大豆的坡面徑流小區，坡長為300 m的土壤侵蝕量(2 006.5 t/hm2)是坡長為20 m土壤侵蝕量(5.6 t/hm2)的213倍[1]。加之順坡壟作形成的一系列“壟—溝”系統，加大了坡面匯流作用對坡面侵蝕的貢獻。室內模擬降雨試驗表明，對于無壟作裸露坡面，在50或100 mm/h降雨強度下，當坡面匯流速率由10 L/min增加到20 L/min，坡面侵蝕量增加了1.2～4.7倍[3]；而對于順坡壟作坡面，同樣在50或100 mm/h降雨強度下，當坡面匯流由10 L/min增加到20 L/min時，坡面侵蝕量增加1.4～7.6倍[4]；充分說明了在東北黑土區特殊的長緩坡地形條件下，順坡壟作明顯加大了匯流對坡面土壤侵蝕的作用。

圖5 東北黑土區坡耕地的溝蝕現象(左：鄭粉莉攝于20170426；右：鄭粉莉攝于20170622)

1.4 雨滴打擊和壤中流形成是坡面侵蝕的主要驅動力

雨滴打擊和徑流侵蝕是引起坡面侵蝕的主要動力。與中國其他水蝕類型區相比，雨滴打擊是東北黑土區坡面土壤侵蝕的主要驅動力。黑土坡面雨滴打擊作用對坡面侵蝕的貢獻可達到72%～96%，反映了雨滴打擊對顆粒的分散占主導作用[5-6]；而不同區域的類似研究結果表明，黃土區雨滴打擊對坡面侵蝕的貢獻占35%～61%[7]，紅壤坡面雨滴打擊對坡面侵蝕的貢獻為27%～76%[8]。野外原位模擬降雨試驗也表明[9]，當黑土坡面秸稈覆蓋量僅為2 kg/m2，即可減少87%的坡面侵蝕量，進一步證明了雨滴打擊作用是黑土區坡面侵蝕的主要驅動力。同時，由于東北黑土層下覆母質多為黃土狀亞黏土或湖相沉積物，土壤質地較為黏重，加之長期耕作形成了堅硬的犁底層，容易導致在雨季和融雪過程中形成壤中流。壤中流的形成極大降低土壤顆粒間的黏結力，使土壤可蝕性增加，從而加劇坡面土壤侵蝕。已有研究結果表明，與自由入滲條件下相比，坡面壤中流的形成使坡面侵蝕量增加了68.3%～74.3%[5]。

2 當前復合土壤侵蝕的研究現狀

目前水蝕和風蝕研究取得了重要成果，并研發了各類水蝕和風蝕模型，為世界范圍的土壤侵蝕防治做出了重要貢獻。有關復合土壤侵蝕研究，目前主要集中在融雪和降雨復合侵蝕、凍融—水力復合侵蝕等方面，同時在凍融作用對土壤可蝕性影響等方面取得了一定的進展；而有關凍融—風力復合侵蝕，水力—風力—凍融復合侵蝕方面的研究還十分薄弱。

2.1 凍融作用對風蝕和水蝕的影響

凍融作用與風蝕、水蝕、重力侵蝕等共同作用或交替發生，使復合土壤侵蝕過程不同于單一營力侵蝕過程。當前在凍融作用影響水蝕的方式、速率和土壤團聚體穩定性等方面的研究都取得了重要進展，而對凍融—風力復合侵蝕研究還相對薄弱。有關的研究報道多為凍融作用對土壤風蝕速率和土壤風力可蝕性的影響以及凍融與風蝕的相互關系研究[10-14]。而目前凍融—風力復合侵蝕研究大多集中在風蝕較嚴重的干旱或半干旱區，而有關濕潤和半濕潤區凍融—風力復合侵蝕研究還鮮見報導，有待進一步加強。

2.2 風水復合侵蝕

風水復合侵蝕是風力和水力對同一對象的共同或交替作用，從而產生有別于單一營力(風力或水力)的侵蝕、搬運和沉積過程。按照風力和水力的耦合方式，可分為動力耦合和媒介耦合兩種。動力耦合是風力作用于雨滴形成“風驅雨”(wind driven rainfall)，從而改變雨滴的侵蝕動能。這實質是風力影響下的水蝕， 風力和水力具有時間和空間同步性。媒介耦合是風力和水力對可蝕性下墊面的交錯或交互疊加作用[15]。 風力和水力的交錯或交互疊加作用，導致一種侵蝕營力對地表物質的侵蝕、搬運和沉積改變另一種侵蝕發生的物質基礎和地表條件，從而形成有別于單一營力作用的復合侵蝕[16]。因此，媒介耦合式的風水復合侵蝕在時間上交錯或交互疊加發生，在空間上同地或異地發生。這種模式的風水復合侵蝕較“風驅雨”侵蝕更為復雜，是目前研究的難點和重點。目前在風水復合侵蝕的區域劃分、時空變化、侵蝕強度、侵蝕能量特征、驅動因素、過程和機理等方面取得了重要進展[10,17-21]。然而有關研究仍然存在以下幾方面的不足： ①研究區域多為干旱區河流—沙丘系統的風水復合侵蝕，而較少涉及半干旱和半濕潤區風水復合侵蝕。由于半干旱或半濕潤區的地形地貌、土壤和地表物質組成、降水(尤其是降雪)特征、植被條件和土壤含水量動態變化等與干旱和半干旱區完全不同，導致風水復合侵蝕更為復雜，且半干旱和半濕潤區大多是糧食主產區，更需要明確風水復合侵蝕過程和機理，以便為風水復合侵蝕防治和維持糧食產能提供科學依據。②關于風蝕和水蝕相互作用的研究有待深入。目前的研究更注重兩者的相互促進效應，而對二者的相互抑制效應重視不夠[15]。風力的強烈分選作用導致地表粗化，從而影響水蝕過程中降水入滲、徑流路徑和流速，進而影響水蝕速率[22]。另一方面，水蝕形成溝谷加劇風力磨蝕，從而加劇風蝕[23]；但細溝發育也可能增大地表粗糙度，又可減小風蝕。因而，需要加強風蝕和水蝕的相互作用研究。③風水復合侵蝕過程和機理研究亟需加強。由于風蝕和水蝕在發生范圍、影響區域、侵蝕物質輸移方向與維度、風力和水力的搬運能力、侵蝕事件的時間尺度等方面均存在巨大差異[10]，而當前風水復合侵蝕機理多為簡單的定性描述[18-19]，有待進一步加強。

2.3 東北黑土區多外營力復合侵蝕研究

多外營力復合侵蝕除凍融—水力侵蝕、凍融—風力侵蝕、風水復合侵蝕外，還包含凍融—風力—水力侵蝕、凍融—水力—重力侵蝕、風力—水力—重力侵蝕等。目前，針對多營力復合作用的土壤侵蝕研究較多關注兩個侵蝕營力相互作用， 而對三個及以上營力相互作用下的侵蝕過程研究極少[10-11, 20]。中國的東北黑土區正是三個及以上侵蝕營力復合作用的侵蝕區域，尤其是嫩江下游的1.04×105km2(包括黑龍江西南部、內蒙古東部和吉林西部)，受水力、風力、 凍融、融雪、重力等作用的共同影響，土壤侵蝕劇烈，但有關多營力復合侵蝕研究進展非常緩慢[24-25]。已有研究主要是通過核素示蹤、實驗模擬、模型估算、GIS/RS 等方法，初步區分了風蝕和水蝕對坡面土壤侵蝕的貢獻，明晰了降雨徑流和融雪徑流對土壤侵蝕的作用，分析了凍融作用對土壤可蝕性相關土壤性質的影響，明確了不同季節黑土坡面侵蝕的主要影響因素[26-32]。但目前關于多營力復合侵蝕的理論還十分薄弱，有待今后進一步加強。

3 結 論

本文基于以上東北黑土區復合土壤侵蝕特點和研究現狀的分析，提出黑土區復合土壤侵蝕研究的重點領域。

(1) 多種外營力相互作用的坡面復合侵蝕過程機制。目前大多研究聚焦單一侵蝕外營力作用下的坡面侵蝕特征和過程研究，但有關不同季節坡面侵蝕過程與主控影響因子研究，以及多種外營力互作過程機制等研究相當薄弱。因此，當前迫切需要強化復合土壤侵蝕的理論研究，揭示多種外營力相互作用的復合侵蝕過程機制。

(2) 凍融作用對土壤抗侵蝕能力的影響機制。雖然這方面的研究取得了重要進展，但凍融作用對土壤抗侵蝕能力的影響機理、融雪侵蝕過程土壤抗侵蝕能力的動態變化機制等方面的研究還相當薄弱。當前研究重點應是凍融作用下土壤可蝕性動態變化機制，土壤抗侵蝕能力對凍融作用的響應機制等。

(3) 區分和量化凍融作用、融雪、降雨徑流和風力侵蝕對坡面侵蝕和溝蝕的貢獻。由于各種侵蝕外營力相互疊加、相互影響，且彼此互作機理及作用貢獻尚不清楚。因此區分多種侵蝕營力對坡面片蝕、細溝和淺溝侵蝕過程的主導作用，量化各侵蝕營力對切溝侵蝕的貢獻是當前需要強化的研究領域。

(4) 復合侵蝕作用的流域尺度泥沙來源的診斷。由于多營力相互作用和相互疊加，東北黑土區流域泥沙來源更加復雜，需要建立針對這種特殊侵蝕環境的復合指紋示蹤方法，以便能有效地診斷流域泥沙來源，為流域水土保持規劃提供重要科學支持。

(5) 復合土壤侵蝕預報模型研發。國內外現有成熟的土壤侵蝕模型，皆是針對單一營力的水蝕或風蝕預報，目前尚未有適用于復合侵蝕的預報模型，因此亟待開展研究。

(6) 防治復合土壤侵蝕措施的有效性評價。數十余年來，國家先后啟動了一系列東北黑土區水土流失綜合治理試點工程。但由于理論研究滯后于生產實踐，從而使治理工程實施效果不佳。因此，迫切需要開展復合土壤侵蝕防治措施評價工作，科學回答保護黑土地應采取哪些技術措施等重大技術問題，為國家宏觀決策和工程實施提供重要科技支撐。

(7) 東北黑土區復合土壤侵蝕防治分區。黑土區屬于多營力疊加的復合土壤侵蝕區，但現階段中國尚未有關于黑土區復合侵蝕分區的圖件，嚴重影響了黑土侵蝕防治工作的開展。因此亟待開展東北黑土區復合土壤侵蝕防治分區研究。