吉林省山地丘陵區典型坡面水土保持措施適宜性研究

張瑜 徐子棋 楊獻坤 崔斌

摘?要：為滿足黑土區山地丘陵地帶提高坡耕地水土保持措施綜合效益的需要，本文選取經濟指標、生態指標和管護指標構建吉林省山地丘陵區典型坡面水土保持措施適宜性研究體系，利用層次分析法對區域各類坡耕地水土保持措施適宜性進行評價。結果表明：山地丘陵區坡面水土保持措施生態因子、經濟因子及管護因子在不同措施類型下差異性顯著;從不同區域來看，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。本研究結果對黑土區坡耕地水土保持措施優選、技術優化和黑土地保護提供了新思路，為防治耕地水土流失和質量退化提供科學依據。

關鍵詞：黑土區;山地丘陵區;水土保持措施;適宜性;層次分析法

中圖分類號：S761.1?文獻標識碼：A?文章編號：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價是優化實施水土保持措施的基礎與核心，關系到水土流失的有效防治及水土保持建設成功與否，通過建立科學、系統的指標體系，對水土保持措施的適宜度進行綜合的分析與評價，對水土保持措施的配置、布設具有指導性作用，也為區域生態系統保護、社會經濟可持續發展提供理論支持[1-3]。

相關學者對不同區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]、措施的優化配置[9-10]、措施間比較[11-12]以及單個影響因素[13-15]適應性分析，此類研究間接地分析水土保持措施適應性情況。相反，直接分析水土保持措施適應性的方法有層次分析法、灰色關聯法和特爾斐法，此類方法主要依靠專家經驗評分來確定評價因子與權值，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價了紅壤區坡地果園和廣西石漠化地區小流域的水土保持措施適宜性;周連兄等[18]和唐有臻[19]利用層次分析法評價了不同類型房地產項目水土保持措施的適宜性。灰色關聯法和特爾斐法雖然使用較少，但也有相關研究，如尹輝等[20]利用灰色關聯法對湘中丘陵區水土保持效益進行了評價;代富強等[3]利用特爾斐法對紫色土丘陵區典型水土保持措施的適宜性進行了評價。此外，部分學者還通過建立相關模型[21]和以GIS數據為基礎，采用模糊證據權模型[1]進行效益評價。現階段對水土保持措施的評價存在評價方法不統一、不全面的問題，因此張玉斌等[9]總結分析了水土保持措施適宜性評價研究，提出水土保持措施適宜性評價理論內涵、評價指標系統及工作流程，全面地分析探索了水土保持措施適宜性評價的理論與方法。

東北山地丘陵區地處東北腹地，是東北商品糧重要生產基地之一，但是由于該區域地形坡度較大，降水量大且較為集中，加之人類不合理的開采利用，區域水土流失情況十分嚴重，被水利部列為東北黑土區重點治理區域之一[4，24]。水土流失不僅造成區域水土資源質量降低，更能造成面源污染，威脅著人類的生存和發展[23-25]，因此進行水土保持措施適宜性評價至關重要。但是，有關該區域適宜性評價的研究卻鮮有報道。

因此，本研究選取東北山地丘陵區具有代表性坡面水土保持措施，開展野外調查和數據收集，研究自然因子、管護因子對各類水土保持措施效果的影響，并結合實際情況，采用層次分析法評價不同措施適宜性，以期為該區域水土保持措施技術優化和合理配置提供科學的理論依據。

1?研究區概況

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表1。在《吉林省水土保持規劃（2016—2030年）》中，敦化市屬于長白山山地水源涵養減災區，該區域位于吉林省東部山區，是全省主要江河流域的上游，地貌以山地為主，山勢較高，年降水量500～1 000 mm，屬中溫帶濕潤區。該區域植被以針葉林和針闊混交林為主。成土母質主要為花崗巖、頁巖和片麻巖等，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白山山地丘陵水質維護保土區，該區域位于吉林省中東部，屬山地、丘陵區地貌，年降水量600～800 mm，屬中溫帶半濕潤區，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?數據獲取

2.1.1?指標測定

本研究數據獲取方法主要包括野外實地測量和咨詢相關單位，野外實地測量試驗于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，因此利用水準儀在各坡面的坡上、坡中、坡下各選1個測點進行坡度測定，并計算平均值。

（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層以上的厚度，在每個研究坡面的坡上、坡中、坡下各選擇3個樣點，挖取剖面進行測量，單位為cm。

（3）措施因子

減沙率：向當地相關單位咨詢，獲得2019年數據，單位為%。

成本：向當地相關單位咨詢獲得，單位為元/hm2。

占地百分比：每個樣點選擇5條埂坎測定占地百分比，計算公式為：

占地百分比=[埂坎寬（m） / 田面寬（m）]×100%。 （1）

保存率：每個樣點選取5條埂坎測定保存率，數值為保存埂坎長度占總長度的百分比。

措施年限及措施實施年限：向當地相關單位咨詢獲得，單位為a。

2.1.2?層次分析權重體系

參考相關學者的研究[26-27]，根據層次分析法的要求，將指標體系分為3層，第1層為綜合適宜性;第2層為經濟指標、生態指標和管護指標;第3層為具體指標。由此建立的具體指標體系如圖1所示。采用專家打分法判斷矩陣確定各指標權重，標度確定方法見表2，判斷矩陣見表3—表6。計算后所得各指標權重見表7，結果通過一致性檢驗。

2.1.3?數據標準化

為減少不同指標對評價系統的偏差影響，利用半梯形函數對指標進行標準化，具體函數如下。

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;成本、占地百分比和措施年限屬負向影響因子，使用降半梯函數。各指標與相應權重相乘，所得結果加和即為相應措施評分。借鑒已有研究，將本研究區坡面水土保持工程措施適宜性分為5級[22]，按照評分結果如下。

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

通過對實際調查結果的分析，與計算結果相符。

2.2?數據處理及分析

利用Excel進行數據的整理;利用SPSS 25.0進行方差分析（ANNOVA單因素方差分析Duncan法）、相關分析;利用Origin 2018進行箱線圖繪制;利用Matlab 2010b進行層次分析權重的計算。

3?結果與分析

3.1?吉林省山地丘陵區坡面水土保持措施生態因子、經濟因子及管護因子狀況

由圖2（a）可知，研究區3種坡面水土保持措施減沙率由大到小排序為：水平梯田、坡式梯田、地埂植物帶，3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，研究區水平梯田成本變化區間較大，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地政策、占地對農民利用農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?吉林省山地丘陵區不同區域坡面水土保持措施適宜性綜合狀況

研究區各流域水土保持措施適宜性見表8。由表8可知，研究區有3個流域是水平梯田，經濟指標評分0.033～0.053，均為極不適宜，生態指標評分0.254～0.559，榮家流域為較不適宜，其余兩處為中等適宜，管護指標0.021～0.082，均為極不適宜，綜合評分0.370～0.626，榮家流域為較不適宜，金州小流域為中等適宜，榮華小流域為較適宜;研究區有2個流域為坡式梯田，經濟評分0.180～0.183，均為極不適宜，生態評分0.191～0.248，韓家街流域極不適宜，泉眼小流域較不適宜，管護評分0.077，均為極不適宜，綜合評分0.452～0.506，均為中等適宜;研究區有3個流域為地埂植物帶，經濟評分0.197～0.200，均為極不適宜，生態評分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，管護評分0.013～0.072，均為極不適宜，綜合評分0.424～0.815，榮華小流域為適宜，其余中等適宜。以上結果說明該區域水保措施參數、施工方式或工藝需改進，以便降低經濟成本，提高經濟評分;從生態指標來看，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進行優化，以便提升水土保持效果;整個區域管護水平較差，應加固措施，加強管護。

3.2.2?吉林省山地丘陵區土層厚度對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。研究區坡面土層厚度0～19.9 cm處，3種措施適宜性總評分由高到低排序為：坡式梯田、地埂植物帶、水平梯田，差異顯著（P<0.05），結合上文可知，其原因是該土層厚度坡面上水平梯田經濟指標評分極低（成本較大，占地較大），而地埂植物帶成本較低，且生態評分也較高，因此適應性較好;土層厚度20～39.9 cm處，3種措施適宜性總評分由高到低排序為：地埂植物帶、坡式梯田、水平梯田，坡式梯田和水平梯田的評分無顯著差異，地埂植物帶與二者差異顯著（P<0.05），原因是水平梯田經濟指標評分極低（成本較大，占地較大），且三者生態評分差異較小;研究區土層厚度40～70 cm處沒有坡式梯田，該土層厚度措施適宜性總評分為地埂植物帶大于水平梯田，差異不顯著，且評分均超過0.75。

3.2.3?吉林省山地丘陵區坡度對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3°～5.9°坡面坡式梯田和地埂植物帶經濟評分無顯著差異，生態指標為地埂植物帶大于坡式梯田，差異顯著（P<0.05），結合上文可知，原因是坡式梯田原有坡面土層較薄，管護評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小于坡式梯田，綜合評分為坡式梯田大于地埂植物帶，差異顯著（P<0.05）;6°～8°坡面水平梯田的經濟指標評分遠低于坡式梯田和地埂植物帶，但生態指標評分遠高于二者，3種措施綜合評分由高到低排序為：水平梯田、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，綜合評分為0.497 2;12.1°～15°坡面措施經濟評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高于坡式梯田，生態評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高于坡式梯田，二者管護評分無顯著差異，綜合評分為水平梯田大于坡式梯田，差異不顯著。

4?討論與結論

水土保持措施適應性評價是治理水土流失的基礎，一般水土保持措施以小流域單元為基礎，應用間接或直接方法對其適應性進行評價，本文結合前人研究基礎，在吉林省東部山地丘陵區選取典型坡面區，調查該區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其自然環境適宜性和社會經濟適宜性進行分析，本研究區內水平梯田、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%;山地丘陵區坡面水土保持措施生態因子、經濟因子及管護因子在不同措施類型下差異性顯著;從不同區域來看，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。通過研究區各流域水土保持措施適宜性綜合評分發現，東遼縣合興村榮華小流域為適宜和較適宜措施區，柳河縣榮家小流域為較不適宜措施區，其余地區流域措施均為中等適宜。

該結果具有一定的代表性和指示意義。綜合以上結果表明，該區域小部分措施較不適宜，需要進行技術調整，大部分措施為中等適宜和較適宜，可進行技術優化，以便提升其效果。如何根據水土保持措施適宜性評價進行措施技術優化是后續需要研究的內容。今后，還應對該區域侵蝕溝水土保持措施適宜性評價進行研究。

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