海伦市典型小流域坡耕地侵蚀沟特征和治理研究

张冠名，肖 洋， 周雪山

(黑龙江大学农业资源与环境学院，黑龙江哈尔滨 150080)

海伦市是世界三大黑土带之一，也是我国重要的商品粮基地，素有“粮仓”之称。西部平原盛产大豆、玉米、水稻等粮食作物和亚麻、烤烟等经济作物，地下蕴藏丰富的煤炭、矿金、矿泉水等矿产资源。根据第2次土壤普查资料统计，海伦市土地总面积为4.55×105hm2，其中黑土是主要的耕作土壤，占总耕地面积的81.53%[1]。由于长期的不合理耕作，水土流失已成为制约当地农业、经济和生态可持续发展的主要因素之一。相关统计表明，海伦市水土流失面积为1.65×105hm2，占总面积的35%[2]。其中，水蚀面积为1.23×105hm2，占水土流失面积的74.8%。全市年平均土壤侵蚀模数为4 467 t/km2，轻度侵蚀面积为10.13×104hm2，中度侵蚀面积为4.53×104hm2，重度侵蚀面积为1.81×104hm2，分别占水土流失面积的61.5%、27.5%和11.0%。长期水土流失形成的较大侵蚀沟有4 706条，总长416 km，侵蚀区沟壑密度为0.63 km/km2。坡耕地侵蚀沟的迅速发育导致坡耕地严重的水土流失和土地退化，影响作为重要的商品粮基地的粮食安全。为了有效防治坡耕地水土流失，以海伦市前进镇的光荣小流域为例，笔者对坡耕地侵蚀沟的发展状况开展系统的调查，分析侵蚀沟主要发育特征和发生发展的规律，并提出相对应的坡耕地侵蚀沟的治理措施，为合理的土地利用和坡耕地水土流失的防治提供基础数据和科学依据。这对于区域农业可持续发展具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1研究区概况海伦市位于黑龙江省中部，地处小兴安岭西麓，地理坐标为46°58′～47°52′N，126°14′～127°45′E，是由小兴安岭向松嫩平原的过渡地带，处在松嫩平原的中北部。地势从东北到西南由低丘陵、高平原、河阶地、河漫滩依次呈阶梯形逐渐降低，最高为490 m，最低约150 m。海伦市属于温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季温热多雨，雨热同期，年平均降雨量为500～600 mm，60%～70%集中在6～8月，年平均气温为1.5 ℃左右，冬季平均气温约在-20.0 ℃，极端气温-39.0 ℃。夏季平均气温在19.0～20.0 ℃之间，年有效积温为2 300～2 600 ℃，年日照时数2 600～2 800 h，无霜期一般为110～125 d。地貌类型为半丘陵地区。土壤类型主要为黑土、草甸土、白浆土、暗棕壤[3]。

1.2研究方法典型侵蚀沟现状调查的主要指标包括：侵蚀沟长度、上口最大宽度、上口平均宽度、沟底平均宽度、侵蚀沟平均深度、沟道纵比降(主沟道流程高差与主沟道流程长度之比)、侵蚀沟类型(发展型、稳定型)以及已有治理措施和数量等[4]。

利用1∶10 000地形图，在小流域内随机抽取39条沟道进行系统的实地调查和图上量测。实地调查包括对流域界限和沟缘线的勾绘、沟道及沟头的治理与利用情况调查等。通过选择有代表性的地段，在沟道的上、中、下游分别设置量测断面。用皮尺或测绳测定每个量测断面上各沟谷的深度、宽度，计算出各量测断面上所有沟谷的平均冲刷深度和宽度以及两断面间沟谷的纵向曲线长度，从而计算出调查区的侵蚀总体积和土壤侵蚀量。土壤侵蚀总体积的计算公式[5]为：

V总=∑(di×hi)×L

式中，V总为沟谷侵蚀总体积(m3)；di和hi分别为第i个断面上沟谷的总宽度(m)和总深度(m)；L为等距布设断面时的沟谷纵向长度(m)。

图上量测包括对每条沟道的沟壑面积、汇水面积、沟道长度(主沟长、各级支沟长和沟道全长)、沟壑密度等特征值的测算。

2 结果与分析

2.1沟蚀强度分级特征根据表1计算求得的多年平均侵蚀模数为1 769 t/(km2·年)，平均流失厚度为1.45 mm/年，沟壑密度为6.5 km/km2。参照水利部颁布的土壤水力侵蚀的强度分级标准[6]，光荣小流域的水力侵蚀强度为轻度侵蚀，沟蚀的强度分级为极强烈。由此可知，当前小流域的沟蚀状况相当严重。研究区野外调查也表明，流域内沟壑密布，蚕食耕地，冲蚀肥沃黑土。沟蚀已成为限制当地农业可持续发展的主要因素。

表1 侵蚀沟调查数据

2.2侵蚀沟分类分级特征国内外相关的研究表明，按照沟谷规模的大小，可以将侵蚀沟分为细沟、浅沟、切沟、冲沟、坳沟或槽沟[7-10]。参照相关的研究，并选取侵蚀沟的深度和宽度2个指标进行聚类分析。由表2可知，光荣小流域侵蚀沟可分为浅沟、切沟和冲沟3类，以切沟和冲沟为主体。浅沟沟深一般不超过1 m，宽不大于2 m，纵剖面与坡面一致，处于沟蚀发展的活跃期；切沟沟深一般不超过1.5 m，沟宽一般不大于6 m，纵剖面与坡面也基本一致，沟头开始出现跌水，沟岸开始出现崩塌，也处于沟蚀发展的活跃期；冲沟沟深一般不超过3 m，沟宽一般不大于20 m，多为一个主沟几个分沟的复杂形态出现，沟头有明显的跌水，沟岸扩张以崩塌为主，此阶段侵蚀仍处在发展期。

表2 光荣小流域侵蚀沟分类

借鉴相关的研究[11]，选取年侵蚀量、沟壑占地面积和沟长这3个指标进行聚类分析。由表3可知，光荣小流域侵蚀沟可分为小型沟、中型沟和大型沟3个级，每个级又划分为稳定沟、半稳定沟和发展沟三等。小型侵蚀沟一般规模较小，侵蚀量也相对较小，处在发展活跃的阶段，占地面积小于0.2 hm2，沟长不超过200 m；中型沟规模较大，侵蚀量也相对较大，也处在发展活跃的阶段，占地面积0.2～0.5 hm2，沟长在200～500 m之间；大型沟规模大，侵蚀量也大，仍处于发展的阶段，占地面积在0.5 hm2以上，沟长大于500 m。

表3 光荣小流域侵蚀沟分级结果

2.3侵蚀沟发育特征由表4可知，整个流域侵蚀沟的发育速度是不平衡的，聚类分析将侵蚀沟的发育速度分为3个等级。5、20、21号侵蚀沟发育速度快，年平均发育进度为33.46 m，处在发育的第1级别；29、39、11、26、27、28、14、25、12、17和14号侵蚀沟的发育速度居第2级别，年平均发育进度为17.14 m；其他号侵蚀沟发育慢，年平均发育进度为7.91 m，居第3级别。据表1，坡耕地上的侵蚀沟宽度和长度之比平均为0.019，相比其他类型的侵蚀沟[12]有较大的宽长比。这表明侵蚀沟的两侧或上游的汇水量较大，造成沟岸有较多的崩塌。

表4 侵蚀沟发育进度

2.4侵蚀沟治理措施由表5可知，根据侵蚀沟的不同分级而采取相应的生物、工程和农业措施。小型侵蚀沟规模较小，侵蚀量也较小。应用较简单的配套措施就能够治理，即可在沟头、沟岸两侧、沟坡坡面和沟道底部营造不同密度的水土保持灌木林带，同时结合在沟底营造的灌木林带将秸秆等材料回填沟底，以促进拦截泥沙；在农业生产上，可以采取深耕、轮作和套种等水土保持耕作制度，增加坡耕地土壤的抗蚀性和地表的覆盖度，进而减少汇入沟道的地表径流量。中型侵蚀沟规模较大，侵蚀量也较大，应采取生物措施和工程措施并重的方法进行治理，即在沟头、沟岸两侧、沟坡坡面营造水土保持灌木林带，同时在沟头和沟岸两侧水土保持灌木林带的外缘修筑土袋封沟埂，拦截汇水径流；削坡减缓沟坡坡度，并在沟底修筑编织袋、编柳和土柳等简易谷坊。大型侵蚀沟规模大，侵蚀量也大，应采取生物措施和工程措施相结合以工程措施为主的方法进行治理，即在沟头、沟岸两侧、沟坡坡面营造水土保持灌木林带，同时根据汇水量在沟头修筑土袋封沟埂或柳树跌水台阶，沟岸两侧结合营造的水土保持灌木林带修筑土袋封沟埂；削坡，并在沟底修筑干砌石或浆砌石谷坊，以控制沟床下切。

3 结论和讨论

3.1结论通过2011、2012年调查数据，对海伦市前进镇光荣小流域的坡耕地侵蚀沟特征和治理措施进行研究。结果表明，当前光荣小流域的水力侵蚀强度为轻度侵蚀，沟蚀的强度分级为极强烈，小流域的沟蚀状况相当严重，必须采取相应的措施进行治理。通过对侵蚀沟的深度和宽度进行聚类分析表明，光荣小流域侵蚀沟可分为浅沟、切沟和冲沟3类，以切沟和冲沟为主体。对年侵蚀量、沟壑占地面积和沟长进行聚类分析，可将侵蚀沟分为小型沟、中型沟和大型沟3个级别。侵蚀沟有较大的宽长比，且发育速度很不平衡。小型侵蚀沟应用较简单的配套措施即可治理，中型侵蚀沟应采

取生物措施和工程措施并重的方法进行治理，大型侵蚀沟应采取生物措施和工程措施相结合且以工程措施为主的方法进行治理。

3.2讨论该研究只考虑了侵蚀沟长度、宽度、深度、占地面积等影响因子，而如何将降水(降雨和降雪)、土壤(土壤剖面入渗和土壤可蚀性等特征)以及冻融作用等因子加入研究中，讨论其对于侵蚀沟发育和形成过程的影响是非常重要的。

坡耕地侵蚀沟的形成过程与坡耕地垄沟较长、单一的耕作措施有关。因此，如何从根本上切断侵蚀沟形成的条件是非常关键的。今后，改变单一的耕作制度，增加垄作区田和植物篱等防护林带以截短坡长，减少汇流面积，从而遏制侵蚀沟的形成和发育。

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