東北黑土區坡耕地土壤侵蝕及其治理研究進展

王 娜，王 璐，宋昌海

（呼倫貝爾市農牧技術推廣服務中心，內蒙古海拉爾 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，引發土層變薄和土壤結構惡化。黑土區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“穩壓器”，主要分布在東北三省和內蒙古東四盟，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之一。東北黑土區坡耕地面積為12.80 萬km2，是產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環境的破壞，加劇了坡耕地的水土流失，嚴重影響了土地生產力和糧食生產[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[4-6]，東北地區的坡耕地治理未得到足夠的重視。進入21 世紀以后，黑土區的水土流失問題才逐漸得到關注，2003 年以來，國家先后啟動了東北黑土區水土流失綜合防治試點工程、東北黑土區水土流失重點治理工程、東北黑土區侵蝕溝治理專項規劃、黑土侵蝕防治機理與調控技術等重大項目，依托項目開展了一系列針對黑土區坡耕地形成機理、評價方法與防治措施的研究，為黑土區坡耕地治理提供了理論基礎和技術措施。

1 黑土區坡耕地土壤侵蝕機理

我國黑土區位于溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，春季干旱多風，夏季降雨集中，冬季寒冷漫長，季節性凍土廣布，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土壤。根據2018 年全國水土流失動態監測結果，黑土區內水力侵蝕占水土流失的65%，風力侵蝕占35%，北部地區間有凍融侵蝕[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現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構，在土壤表面形成結皮，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）對黑土區坡面土壤侵蝕過程的影響，發現當降雨強度增加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

風力侵蝕區主要分布于黑土區西部半干旱地區，包括嫩江兩岸沙地和接近內蒙古草原邊緣地帶，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。黑土區春季干旱多風，風力強，歷時長，此時農田內沒有作物生長，只有少量秸稈留存，且黑土區土壤類型為黑土、黑鈣土、暗棕壤、草甸土，土壤質地細膩，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，東北黑土區的相關報道較少。2017 年，林藝通過室內模擬實驗研究黑土風蝕速率與風速、土壤含水量的關系，發現黑土風蝕速率隨風速增大呈指數增加，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。左小鋒結合室內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系，發現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，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，養分含量降低，作物產量減少，農民稱之為跑水、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，是改善丘陵山區農業生產條件和生態環境的重要措施，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境研究所發現坡耕地改造為梯田可以增加耕地面積，提高耕地質量，實現土地資源的可持續利用。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量，發現梯田的氮磷鉀含量和作物產量均高于坡耕地。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，修建梯田最關鍵的環節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范圍內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]。湯永強采用建設微型徑流小區法，通過測試不同季節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，發現在黑土區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田。楊愛崢在松嫩平原開展試驗，研究了壟向區田、鼠道、暗管和明溝等4 種坡耕地綜合治理技術模式對土壤水分動態、產量、作物水分利用效率、地表徑流和土壤侵蝕的影響，結果表明4 種技術模式均有不同程度的蓄水保土增產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，形成明暗結合、相對健全的田間排水系統，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的坡地上，沿坡地等高線培植雙行植物籬，可以有效防治當地的坡地土壤侵蝕，且有助于坡地退化土壤養分庫的恢復重建，這種種植模式被稱為等高植物籬系統[18]。等高植物籬技術是坡地治理的一種新型技術體系，由植物籬與農地構成，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量，是一種融生態、經濟為一體的坡地可持續利用技術。Paningbata 研究了不同坡耕地治理模式下地表徑流和土壤侵蝕，發現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，主要在長江中上游干旱河谷區和三峽庫區、北方黃土高原水土流失嚴重地區，探明植物籬模式控制水土流失的機理，但黑土區的相關研究較少。2018年，蘇鵬通過模擬實驗研究了東北黑土區不同坡段等間距植物籬產流、產沙過程，結果表明，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，各坡段植物籬產流、產沙速率在時間尺度上表現基本一致，在上、中坡段植物籬坡面相對平穩，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密切相關，且整體小于對照坡面，指出等高植物籬技術需要改進設計后方可應用于東北黑土區的坡耕地治理[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，改善坡耕地土壤理化性狀和土壤結構，減少農田土壤侵蝕，保護農田生態環境。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。我國保護性耕作研究起步較晚，但發展迅速，保護性耕作技術已廣泛應用于農業生產中。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量，增加土壤肥力，目前保護性耕作在東北黑土區主要適用于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量明顯增多，而秸稈還田+免耕綜合技術的使用則可減少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旱作農業發展的必由之路[7]。徐軍生通過設置保護性耕作、施用有機肥及平衡施肥的不同種植模式試驗，尋求適宜黑土區坡耕地的耕作方式和施肥方式，發現3種保護性耕作技術均可改善坡耕地土壤的理化性狀和土壤結構[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3 項耕作技術對降雨徑流、產沙、土壤水分、養分流失、玉米生物性狀、產量、水分利用效率的影響，并應用相關數學模型對坡耕地綜合治理模式下的水土環境及節水增產效應進行了綜合評價[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，研發出一系列治理措施；同時學者不斷對治理措施進行優化設計，以提高治理效果，有效阻控黑土退化，維持土地生產力。