東北黑土區山地丘陵區坡面水土保持措施效益研究

張 瑜，徐子棋，楊獻坤，崔 斌，蘆貴君

(吉林省水土保持科學研究院，吉林 長春 130033)

東北黑土區是我國重要的糧食生產基地，近年來不合理的開墾和利用，使其水土流失狀況日益加劇，已威脅到區域農業發展和糧食安全，現已被列為全國重要的水土流失治理區[1]。坡耕地是黑土區水土流失發生最為嚴重的區域，其面積占黑土區總耕地面積的59.38%，每年黑土層減少的厚度為0.4～0.5 cm，造成耕地質量的下降和可利用耕地面積的減少[2-3]。因此，黑土區坡耕地水土保持措施是近年來水土保持領域的重點研究對象。

眾多學者對黑土區坡耕地水土保持措施做了相關研究。劉卉芳等[4]總結了黑土區水土流失現有技術措施和黑土區不同地貌區的現有治理模式。桑琦明等[5]對斜坡壟作與順坡壟作土壤侵蝕進行了對比分析。劉平奇[6]研究了黑土區坡耕地深松、秸稈還田等耕作措施對水土流失、土壤養分和土壤呼吸等方面的影響。張瑜等[2]研究了黑土區坡式條田減水減沙、改善土壤水熱和土壤呼吸狀況等方面的作用。馮洋等[7]研究了水保林、地埂植物帶和水平梯田對黑土區坡耕地土壤養分流失的影響。金萬鵬[8]研究了黑土區坡耕地植物籬、地埂植物帶改善土壤理化性質和團聚體穩定性的效果，并研究了上述措施尺寸和組合的優化方式。王禹宸[9]研究了黑土區優良地埂植物的篩選方法及攔蓄效果。賀云鋒等[3]研究了黑土區坡耕地采用秸稈深還、秸稈碎混、免耕+殘茬覆蓋的水土保持效果。李飛等[10]研究了黑土區坡耕地秸稈覆蓋固持水土、減少養分流失的效果。東北黑土區不同地貌區水土流失特征差異較大,水土保持措施在各區域的適宜性也有很大不同[11]。山地丘陵是東北黑土區主要地貌，然而有關該地貌區坡面水土保持措施效果的研究卻鮮有報道。

本研究選取東北黑土區山地丘陵區典型小流域不同坡面水土保持措施，研究其環境因子、人為因子、效益因子之間的相關關系，以期為同類地貌區水土保持措施優選和技術提升提供理論支持。

1 研究區概況

研究區措施田面位于吉林省柳河縣、輝南縣、敦化市和東遼縣，呈山地丘陵地貌，年降水量500～1 000 mm，屬中溫帶半濕潤、濕潤區，主要土壤為黑土、暗棕壤、棕壤和沼澤土等，侵蝕類型主要為水蝕，侵蝕強度主要為輕度和中度。研究區措施田面信息見表1，對照田為相應措施田旁的無措施田。

表1 研究區措施田面信息

2 測定方法

2.1 數據獲取

數據獲取方法主要包括田間實測和技術咨詢，田間實測于2020年7月7—12日完成。

2.1.1 環境因子

坡度：研究區坡面均屬直線型坡面，采用水準儀測量。

埂坎植被覆蓋度：每塊樣地選擇5條埂坎，每條埂坎選擇3個樣方(寬為埂坎寬，長為1 m),用數碼相機拍照后，采用PCOVER軟件進行覆蓋度計算，結果取平均值。

埂坎植被高度：每塊樣地選擇5條埂坎，每條埂坎選擇10株植物進行測定，結果取平均值，單位為cm。

2.1.2 人為因子

埂坎損壞率：每塊樣地取5條埂坎測定損壞率，即埂坎損壞長度占總埂坎長度的百分比。埂坎是梯田攔蓄水沙的重要措施，埂坎完好度及植被狀況影響梯田攔蓄水沙效果。

措施年限：向當地相關單位咨詢獲得，單位為a。

2.1.3 效益因子

攔沙率：向當地相關單位咨詢，獲得2019年數據。

土壤含水量提高百分比：利用稱重法測定，在每塊樣地坡面的坡上、坡中、坡下各選擇3個樣點，取平均值。

土壤有機質提高百分比：利用重鉻酸鉀容量法(外加熱)測定，在每塊樣地坡面的坡上、坡中、坡下各選擇3個樣點，取平均值。

作物產量提高百分比：向當地相關單位咨詢，獲得2019年數據。

2.2 數據處理軟件

整理數據所用軟件為Excel，方差分析(單因素方差分析)所用軟件為SPSS 25.0。

3 結果與分析

3.1 水平梯田效益因子與環境因子、人為因子的關系

研究區水平梯田所在坡面坡度為5°～15°，措施年限分別為5 a和7 a，埂坎植物均為紫穗槐，水平梯田環境因子與人為因子見表2。由表2可知，整體上水平梯田埂坎損壞率隨著坡度增加而增大，如編號27(坡度15°)、29(坡度12°)、35(坡度6°)的埂坎損壞率分別為36.66%、31.61%、14.20%，二者呈極顯著正相關關系，相關系數為0.885(p<0.01)；埂坎植被生長狀況隨著坡度增加、埂坎損壞率增加而惡化，埂坎植被覆蓋度和高度與坡度、埂坎損壞率均呈極顯著相關關系，相關系數絕對值均不低于0.684。

表2 研究區水平梯田環境因子與人為因子

研究區水平梯田效益因子見表3。由表3可知，研究區水平梯田攔沙率為86.2%～99.4%，土壤含水量提高百分比為17.8%～33.2%，土壤有機質提高百分比為8.6%～20.4%，作物產量提高百分比為8.36%～12.60%。結合表2可知，整體上研究區坡度越小、埂坎損壞率越小、埂坎植被生長狀況越好，水平梯田的攔沙、改良土壤性狀和作物增產的效果就越好。

表3 研究區水平梯田效益因子

水平梯田效益因子與環境因子、人為因子相關系數見表4。由表4可知，與水平梯田攔沙率呈極顯著相關的因子為坡度、埂坎損壞率、埂坎植被覆蓋度和高度；與作物產量提高百分比呈極顯著相關的因子為坡度和埂坎損壞率；與土壤含水量提高百分比和有機質提高百分比呈顯著及極顯著相關的因子為坡度、埂坎損壞率、埂坎植被覆蓋度和高度。

表4 水平梯田效益因子與環境因子、人為因子相關系數

3.2 坡式梯田效益因子與環境因子、人為因子的關系

研究區坡式梯田所在坡面坡度為6°～12°，措施年限為5 a，埂坎植被類型為紫穗槐和黃花菜，坡式梯田環境因子與人為因子見表5。由表5可知，埂坎損壞率為36.8%～49.2%，埂坎損壞率隨著坡度增加而增大，如編號8(坡度12°)、1(坡度8°)、3(坡度6°)的埂坎損壞率分別為49.2%、46.1%和36.8%，二者相關系數為0.401(p<0.05)；埂坎植被覆蓋度隨著坡度增加而極顯著降低(p<0.01)，埂坎植被高度隨埂坎損壞率升高而顯著降低(p<0.05)。

表5 研究區坡式梯田環境因子與人為因子

研究區坡式梯田效益因子見表6。由表6可知，研究區坡式梯田攔沙率為60.2%～71.2%，土壤含水量提高百分比為13.21%～21.46%，土壤有機質提高百分比為5.34%～12.35%，作物產量提高百分比為5.22%～7.46%。結合表5可知，研究區坡度越小、埂坎措施損壞率越小、埂坎植被生長狀況越好，坡式梯田的攔沙、改良土壤性狀和作物增產的效果越好。

表6 研究區坡式梯田效益因子

坡式梯田效益因子與環境因子、人為因子相關系數見表7。由表7可知，與坡式梯田攔沙率、作物產量提高百分比、土壤含水量提高百分比和有機質提高百分比呈顯著及極顯著相關的因子為坡度、埂坎損壞率、埂坎植被覆蓋度。研究區坡式梯田埂坎兩個植物品種(紫穗槐和黃花菜)高度差異較大，因此坡式梯田效益因子與埂坎植被高度相關關系不明顯。

表7 坡式梯田效益因子與環境因子、人為因子相關系數

3.3 地埂植物帶效益因子與環境因子、人為因子的關系

研究區地埂植物帶所在坡面坡度為4°～8°，措施年限分別為5 a和7 a，埂坎植物原均為黃花菜，后全部死亡，現為雜草，地埂植物帶環境因子與人為因子見表8。由表8可知，研究區地埂植物帶埂坎損壞較為嚴重，損壞率為58.2%～100.0%，說明地埂植物帶埂坎較易損壞。除了樣地9、14，其余樣地埂坎損壞率隨著坡度增加而增大，如編號10(坡度8°)、16(坡度6°)的埂坎損壞率分別為68.2%、62.2%，二者相關系數為0.100(p<0.05),相關系數較小的原因可能是研究區地埂植物帶坡面坡度差異較小。埂坎植被覆蓋度和高度隨著坡度增加而極顯著降低(p<0.01)，二者與地埂植物帶埂坎損壞率無顯著相關關系。

表8 研究區地埂植物帶環境因子與人為因子

研究區地埂植物帶效益因子見表9。由表9可知，研究區地埂植物帶攔沙率為15.6%～48.2%，土壤含水量提高百分比為8.46%～19.56%，土壤有機質提高百分比為3.42%～10.24%，作物產量提高百分比為2.96%～5.46%。結合表8可知，研究區除了樣地9、14，其余樣地整體上坡度越小、埂坎損壞率越小、埂坎植被生長狀況越好，地埂植物帶的攔沙、改良土壤性狀和作物增產的效果越好。

表9 研究區地埂植物帶效益因子

地埂植物帶效益因子與環境因子、人為因子相關系數見表10。由表10可知，與地埂植物帶攔沙率呈顯著及極顯著相關的因子為坡度、埂坎損壞率，與作物產量提高百分比、土壤含水量提高百分比和有機質提高百分比呈顯著及極顯著相關的因子為坡度、埂坎損壞率、埂坎植被覆蓋度和高度。

3.4 不同坡面水土保持措施綜合效益對比

由表2—表10可知，三種水土保持措施埂坎損壞率、埂坎植被生長狀況、固持水土狀況、改良土壤理化性質和作物增產效果排序為水平梯田>坡式梯田>地埂植物帶，差異均顯著(p<0.05)。這說明，從生態效益和經濟效益來看，三種水土保持措施在研究區的優劣排序為水平梯田>坡式梯田>地埂植物帶。

表10 地埂植物帶效益因子與環境因子、人為因子相關系數

4 結 論

(1)研究區三種坡面水土保持措施穩固性、生態效益和經濟效益排序為水平梯田>坡式梯田>地埂植物帶，差異均顯著(p<0.05)。

(2)研究區坡度越小、埂坎損壞率越小、埂坎植被生長狀況越好，三種水土保持措施的攔沙、改良土壤性狀和作物增產的效果越好。

(3)與三種水土保持措施穩固性、生態效益和經濟效益相關性最高的兩個因子是坡度和埂坎損壞率，因此該區域應著重優化坡面坡度較高處的水土保持防護措施，并加強埂坎穩固性。

(4)研究區水平梯田整體固持水土狀況、改良土壤性狀和作物增產效果較為理想，但坡度≥10°的水平梯田埂坎損壞率超過30%，埂坎植被覆蓋度不足60%。坡式梯田埂坎損壞率超過35%，坡度>8°時埂坎植被覆蓋度大多不足60%。地埂植物帶埂坎損壞率超過55%，攔沙率低于50%，說明該地區修建的土質埂坎不適用；埂坎植被覆蓋度大多低于60%，且原埂坎植物均死亡，現為雜草，應重新選擇抗沖性強、根系發達的植物種。

(5)研究區穩固性和攔沙、作物增產效果不理想的措施需要加強埂坎穩固性，如加強埂坎抗性植物的篩選和栽培管理，改善埂坎修建工藝，或使用生態膜袋等不易損毀的埂坎。