东北黑土区坡耕地侵蚀沟研究现状及进展

耿煜函，肖 洋，张美芝，王 艳，张振烨，张瑞豪

（黑龙江大学现代农业与生态环境学院/农业资源利用与环境安全重点实验室，哈尔滨 150080）

0 引言

东北黑土区是中国重要的商品粮产地，总面积达103万km2，目前耕地面积达3000万hm2，占全国耕地面积的24.6%，黑土区粮食总产量占中国总产量的20%以上，商品粮比例则达到了60%，是中国重要的大粮仓[1]。由于不合理的耕作和过度开垦及部分地区的低山丘陵地貌以及夏季集中的降水，水土流失日益加剧[2]。侵蚀沟是一种由降水引发的土壤流失现象，雨滴对土壤的打击力是侵蚀的原动力[3]，雨滴击溅土壤表层，通过堵塞土壤空隙使得土壤入渗降低，从而形成地表径流[4]，进而对薄层土壤侵蚀，随着降水继续，径流增多增大，在坡面形成细沟，逐渐加深加大，并向沟内聚集，形成侵蚀沟[5]。

东北黑土区的新成沟和发展沟扩张迅速，占领、分割耕地，破坏耕地的连续性和统一性[6]，使得黑土层变薄，土壤肥力下降，造成很多土地弃耕，同时阻碍了黑土区农业机械化进程，降低农业生产效率[7]。研究表明，侵蚀沟的产沙量占整个流域总产沙量的10%～94%[8]。据调查，大于100 m的侵蚀沟在东北黑土区已有29.57万条，占地48.3万hm2，为全国侵蚀沟数量的30.72%，60%的侵蚀沟发育在坡耕地上[9]。对黑土区坡耕地侵蚀沟开展治理，可有效遏制黑土区的水土流失，复垦破碎的耕地，能有效遏制耕地被蚕食性破坏，土壤养分不再进一步损失[10]。同时治理后通过对土地利用结构的调整优化，进一步为以后侵蚀沟的预防打下了根基。经济效益、生态效益显著增加。严尔梅等[11]的研究表明，经过侵蚀沟治理，每年减少土沙流失0.19万t，蓄水量达到1.17万m3，每年有效增加0.25万元经济效益。而大范围内的治理效果则更为显著。王磊等[12]在营口市侵蚀沟治理研究的结果表明，粮食每年可增产434.58万kg，新增3182.74万元的经济效益，蓄水保水效益为18401万m3，每年减少1447万t土沙流失。黑土区坡耕地侵蚀沟治理对水土流失的遏制无疑是显著而有效的。

目前国内对侵蚀沟的研究表明，不合理的土地利用以及植被大面积的破坏是加速侵蚀沟生成的主要原因[13]，近年来，随着3S技术的引进发展，对侵蚀沟时空分布演替特征以及侵蚀沟发生发展的驱动因子的研究也逐步的展开[14-16]。而对侵蚀沟防控技术方面，东北黑土区从沟头跌水，沟坡固沟林到沟底的谷坊措施的施用对侵蚀沟治理具有极大的现实指导意义，林草措施对侵蚀沟生态的恢复也具有极大的帮助，针对侵蚀沟机耕浅沟填埋技术也有所创新。但由于侵蚀沟本身形成过程较为复杂，受到区域地形，土壤性质影响较大，中国黑土区气候，地形，土壤以及耕作方式与其他地区有着更大的差异，在黑土区有关侵蚀沟的基础研究和治理措施比较薄弱，其他地区的治理模式不能套用。

本文对黑土区坡耕地侵蚀沟分级分类，对侵蚀沟发育的影响因子以及防治措施进行了分析和总结，阐明了目前侵蚀沟研究的不足，提出侵蚀沟规范统一的分级分类体系以及详细的治理措施评价体系将是今后研究的重点，这对今后东北黑土区坡耕地侵蚀沟将来的研究具有重要指导，借鉴意义。

1 侵蚀沟的分级分类

侵蚀沟由于自身发育程度的不同，规模、级别都不尽相同，相关的治理防治措施也有差别，而有针对侵蚀沟发育程度的不同有差别性的制定相关防范措施则需要一个细致的侵蚀沟分类分级系统，这对侵蚀沟模式化的治理以及后续治理的再优化具有重要意义。现阶段中国并没有形成一套标准的侵蚀沟分类分级体系，研究者对侵蚀沟分类分级研究也都各有成果。朱显谟[17]在对黄土区侵蚀沟研究时，按照侵蚀沟的发育顺序，下切深度和断面构造将侵蚀沟分为细沟，浅沟和切沟3种阶段，同时每个阶段又分为初期，中期和末期3个时期，又加之轻度，中度，强度和剧烈4种强度划分。戴武刚等[18]将侵蚀速度，年侵蚀量等因子加权计算，把朝阳市侵蚀沟依据发展时期不同分为初期“V”型发展沟，中期的“U”型发展沟以及后期的“U”型稳定沟。白建宏[19]、唐培君等[20]依据侵蚀沟占地面积和侵蚀量等数据将侵蚀沟分为小型沟，中型沟和大型沟，并在划分规模程度上又细分为稳定沟和发展沟2个类型。在黄土区，王秋兵等[21]运用大比例尺，依据母质类型的不同，将黄土类母质和古红土母质土壤分为细沟、浅沟、切沟和冲沟，并按强度分为微度、轻度、中度、重度和剧烈5种强度类型；残积母质土壤分为无侵蚀、轻度、中度、重度和剧烈5个强度分类。王兆铭等[22]在论述各分类分级成果后，依据侵蚀沟形态特征，危害程度和防治需求，分类时，大体分为发展沟和稳定沟，又将发展沟依据发育规模分为微型、小型、中型、大型以及特大型。

2 侵蚀沟的发生发展的影响因子和预测方法

2.1 地形对侵蚀沟发育的影响

陈单[23]基于Pleisdes以及DEM高程模型全面分析一年间黑土区侵蚀沟分异特征，表明侵蚀沟总体分布均匀，东北部侵蚀沟分布密度略大，侵蚀沟的密度，强度与地形具有相关关系。这种大尺度的侵蚀沟监测对地区侵蚀沟预报和治理具有重要指导意义。针对乌裕尔河和讷谟尔河流域，长时间跨度研究侵蚀沟变化以及其发展趋势也取得了不少成果。王文娟[24-25]指出侵蚀沟密度的发育具有高度区域化特征，且有向着更严重发展态势，而克东和克山成为侵蚀沟密度变化的核心区域，岗坡地沟蚀是常发地，同时这与人类活动和坡度、水系都具有相关性。同时乌裕尔河和讷谟尔河流域沟蚀重心变化与耕地重心变化相重合，以2005年为分水岭，该地区侵蚀沟的发育发展在整个地区较为分散，结果较为随机，而后的发展呈聚集式的分布特征[26]。闫业超[27]基于遥感和GIS基础上对克东地区1945—2000年51年来侵蚀沟时空变化进行总结分析，指出丘陵地区和台地地区侵蚀沟密度增幅巨大，这对克东地区侵蚀沟预防和治理具有重要借鉴意义。

2.2 人类活动对侵蚀沟发育的影响

对待侵蚀沟永远是预防大于治理，但现阶段有关侵蚀沟的治理侧重于后续的遏制修复，而对从侵蚀沟预防角度的措施的研究则比较少见。研究者对影响侵蚀沟发育的因素也进行了多角度的研究，这些成果对预防侵蚀沟有着较好的参考价值。从侵蚀沟预防角度考量，除去不可更改的自然因素，诸如降雨，地形，土质等因素，人为因素就成为了预防措施的关键，可以说，黑土区侵蚀沟的发育的急速加剧与短时间内人类过度开垦不无关系。

2.2.1 居民点与道路远近对侵蚀沟发育的影响 随着形成沟离居民点距离的增长，侵蚀沟发育程度在降低，1000 m内较为显著[27]。王文娟等[24]就通过回归方程证明居民点的远近对侵蚀沟有重要意义，同时观测探讨道路远近距离与侵蚀沟密度的关系，指出当道路距离小于1500 m时，侵蚀沟发育显著。蒋小娟等[28]研究指出当人类活动强度的参数小于0.6时，侵蚀沟发育数量与人类活动呈正比，当人类活动强度参数大于0.6时则成反比，人类活动这种对侵蚀沟影响的双面性对我们预防治理侵蚀沟具有巨大的指导意义。分析加强居民点和道路附近的侵蚀沟监测，同时增加植被覆盖可有效预防人类活动对侵蚀沟的反面影响，也可有效降低侵蚀沟生成发育的概率。

2.2.2 耕作方式对侵蚀沟的影响 耕作方式同样也是影响侵蚀沟分布发育的一大重要因素。范昊明[29]通过对大兴安岭东坡丘陵和呼伦贝尔高平原侵蚀沟密度比对，远高于东北黑土区沟壑密度，指出两地区主要原因在于过频繁的人类活动以及不合理的土地利用模式。张延玲[30]与王念忠[31]就对1965—2005年41年间侵蚀沟的变化，指出该地区侵蚀沟数量增加了13168条，面积增大了85.27 km2，侵蚀沟密度发展为0.193 km/km2，而发生于耕地上的侵蚀沟面积增大了81.83 km2，密度变为0.597 km/km2，表明该地区侵蚀发生地主要集中在坡耕地。边锋等[32]研究指出顺垄，横垄的耕作方式较无垄作的坡面相比，侵蚀加剧，且在75 mm/h降雨强度下，横坡垄被地表径流冲破后所带来的侵蚀影响大于顺垄的耕作方式，更易形成侵蚀沟。

人类活动的范围和强度与黑土区侵蚀沟形成发育密切相关。开展人类活动以及耕作方式对侵蚀沟影响的研究对我们预防侵蚀沟发生具有重要意义。

2.3 侵蚀沟发生发展的预测

在大尺度层面，众学者利用GIS，遥感和SPOT-5高分辨率影像研究侵蚀沟数十年间的变化及发展趋势，这对黑土区侵蚀沟预报及防治具有重要的现实意义。在研究工具方面，郭子豪[33]通过“三棱柱”侵蚀量测量方法加之Google Earth的公共影像，提高了测量和计算的简便性和效率。于佩鑫[34]将侵蚀沟和未被侵蚀耕地录入样本进行多层次特征提取，分类识别后结果表明深度提取精度较高，能够形成针对于侵蚀沟特征的提取识别方法。张姣[35]三维激光和扫描技术(LIDAR)对侵蚀沟侵蚀的动态性监测具有较为不错的精度和可行性。王让虎[36]利用CORS，无人机，高分辨率卫星结合地面现场调查既可以从大尺度监测侵蚀沟动态变化和风险预警，也可以从小尺度对侵蚀沟进行测量。工具的多样性有效的提高了侵蚀沟监测的准确性，黑土区侵蚀沟的发展预测研究也变得更加准确，便捷。

3 侵蚀沟的治理现状分析

侵蚀沟的预防较之治理始终是第一位的，最终目的是能够充分利用有限的黑土资源。治理过程中要遵循分级逐步治理，治理开发相结合、系统性、整体性、经济性和生态性等几个原则，并且要遵循上游优先于下游，支沟优先于干沟的治理顺序[37-39]。在整个区域内评估侵蚀沟成因，级别，危害程度，合理配置资源，指定因地适宜的相关措施。

侵蚀沟的治理措施可分为工程措施和植物措施，东北黑土区坡耕地侵蚀沟治理的主要防治手段多为工程措施，如在沟头修筑跌水，削坡，沟道底部修建谷坊以及填埋工程等。工程措施见效快，基本能实现稳定沟道，恢复植被的要求，工程措施较之生态植物措施造价，工艺要求较高，后续维护成本也更高，生态恢复相对较慢，寻求植物措施和工程措施的互补结合是今后研究的重点。

3.1 侵蚀沟治理的植物措施

侵蚀沟治理的植物措施主要为防护林，与工程措施相类似，依据防治措施实施的位置不同，可大体分为沟头防护林，沟底防护林和护坡林。防护林适用于较为宽大的沟道，可有效防止侵蚀沟继续发育，固沟林多与跌水，截留沟，谷坊等措施一同施用[40]。王文娟等[41]指出构筑防护林可以有效遏制侵蚀沟的发育发展。苏子龙等[42]通过研究防护林和侵蚀沟之间关系指出，通过加大防护林带数，减小防护林之间的距离可以增大临界坡长和汇水面积，从而达到遏制侵蚀沟的发育的目的。植物措施侵蚀沟不仅材料易取而且经济适用，在施工层面和长期治理侵蚀沟层面上都具有优势[43]。

沟头防护林主要防治侵蚀沟沟头的溯源侵蚀，防治沟头进一步的扩张。沟坡防护林可以有效提高沟坡的稳定性，抑制侵蚀沟的横向发展，弱化，吸收侵蚀沟内的地表径流[44]。沟头防护林和沟坡防护林一般选用小叶杨(Populus simonii)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、旱柳(Salix matsudana)等根蘖性强，速生，固土抗蚀的乔灌木树种[45]。沟底防冲林建造在侵蚀沟沟底，减缓地表径流，淤积土壤，一般和谷坊共同防止侵蚀沟下切[40,46]。沟底防冲林一般选用青杨(Populus cathayana)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、灌木柳(Salix saposhnikovii)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)等速生，抗湿，根蘖性强的乔灌木树种，在春季采用扦插造林。

3.2 侵蚀沟治理的工程措施

黑土区侵蚀沟治理的工程措施主要包括削坡整形，跌水，谷坊，填埋工程等。

3.2.1 削坡 削坡主要在沟岸易塌陷地方进行，通过削坡，可以有效稳定沟坡，为后续的植物措施和工程措施创造条件。削坡要与谷坊，沟头的防护相互配合，且要及时跟进防护林体系。当侵蚀沟边坡大于35°时，需将侵蚀沟“V”型边坡整理成“U”型坡，修编整形，小于35°则不必削坡。

3.2.2 跌水 跌水工程属于侵蚀沟沟头的防护工程，侵蚀沟沟头汇水面积较大，例如柳编跌水适用在侵蚀沟的沟头连续铺设，防治沟头受到径流冲刷，可以有效防止侵蚀沟沟头扩张，沟底下切以及沟岸扩大[47]。跌水它既可以作为排水通道使水流安全流入主沟，又可以稳定沟床，有效地遏制沟头地继续发展[48]。跌水一般分为钢筋混凝土跌水，浆砌石跌水，石笼跌水以及柳编跌水。钢筋混凝土跌水根据侵蚀沟类型的不同可分为小型钢筋混凝土结构跌水和大型弧形钢筋混凝土跌水，这种类型跌水结构简单，稳定性较强，不易出现损坏，使用年限较长[49]。浆砌石跌水最大的特点是不透水，密闭性很好，地表径流通过溢洪口消减势能，能有效减少对沟岸的冲刷和对沟底的下切侵蚀，东北黑土区气候寒冷，工程本身容易受到冻胀影响，基础部分要修建在冻层以下[49]。石笼跌水则是由一定规格的块石和卵石等放入格宾网形成的跌水工程[50]。石笼跌水具有透水性强，耐用，抗冻胀能力出色，取材便捷低廉，施工工艺简单等优点。

柳编跌水材料相对低廉，施工工艺简单，柳条成活率高对侵蚀沟防护效果较好，在不缺乏柳条资源的黑土区具有重要借鉴意义[50-51]。柳编跌水施工期一般在秋季，使用树种为当地2～3年生柳树柳条，采摘后3日内完成铺设，柳条沿地表径流方向铺设，边缘用杨树，柳树树桩固定。且在侵蚀沟沟头，沟边种植固土能力较强的灌木草类，每次汛期过后，巡视损坏并及时修补。

3.2.3 谷坊 谷坊根据材料选用的不同，可大致分为土谷坊、石谷坊和植物谷坊，此外还有桥涵谷坊和过水路谷坊等[52]。谷坊宜修建在侵蚀沟沟底比降比较大，下切侵蚀严重的部分[53]，谷坊可有效防治侵蚀沟沟底进一步的下切，拦截泥沙，抬高沟床和侵蚀基点[54]。土谷坊适宜于修建在中小型沟，具有施工工艺简单，造价较低廉，材料易得等优点，但土谷坊对侵蚀沟的防护能力较弱，强度一般，主要起到拦蓄径流，泥沙作用。

石谷坊大多由坝体，护岸墙和消力池构成。干砌石谷坊是指将石块横放于沟底并用小石块填充的单坝体工程。对侵蚀沟的防控能力高于土谷坊，施工工艺较为简单，造价较为低廉，更多的起到对侵蚀沟内水流的导排作用。石笼谷坊是由石块装填石笼，在侵蚀沟沟底间隔修筑的工程治理，石笼谷坊材料较易获得，用材较少，施工工艺简单且抗冻胀能力较好。浆砌石谷坊一般用石块在沟底码放后由水泥固定。浆砌石谷坊除了具有拦蓄功能外，还可有效减少侵蚀沟侵蚀量，抬高沟床，减少侵蚀沟侵蚀量，为植被生态的恢复创造条件。

柳编谷坊一般将柳桩打入沟底后编篱填入土块或石块。常见的有编柳谷坊和压柳谷坊。一般应对强度为十年一遇的强降雨，适合在汇水面积较小，坡度较缓，泥沙较多的沟中修建[55]，根迎水面依次平铺，后再上覆土。压柳谷坊受到水压时，具有较强的透水性且材料柔韧不易折，对侵蚀沟发展起到较好的遏制作用。此外，植柳谷坊应用也较为广泛，植柳谷坊是以柳条为材料，在沟壑中横向栽种形成柳栅栏，从而遏制侵蚀沟进一步发展，植柳谷坊适宜在大型沟道中种植，整个工程通透性好，柳条成活率高，生态恢复效果较好，就地取材，造价低廉[56-57]。

3.2.4 填埋工程 填埋工程包括推土填埋，碎石填埋和秸秆填埋。侵蚀沟的填埋工程可将废弃的秸秆有效利用起来，张兴义等[58]依据东北地区实际情况，将禁烧秸秆充分利用，利用打捆机将秸秆压实成方块进行侵蚀沟的填埋覆土，布设暗管供原沟道地表水流的排出，以此来实现侵蚀沟治理，耕地再造。在将废弃秸秆利用了的同时有效的遏制了侵蚀沟的发展。张瑜等[59]研究表明秸秆覆盖作为一种有效的侵蚀沟治理措施，可以拦蓄泥沙，减少治理地区的水土流失，有益于侵蚀沟岸植被生长恢复。通过秸秆填埋治理后区域，可以恢复正常的耕地，有利于保持耕地的连续性，便于后续农田的机械化作业，提高土地利用率。

4 研究展望

东北黑土区作为中国最大的商品粮基地，承担着重要的战略意义，侵蚀沟的防治研究就显得格外重要，但现阶段黑土区坡耕地侵蚀沟研究中仍有以下不足：

（1）在国内，关于侵蚀沟分类分级并没有一个标准细致的体系，分类极不规范，难以开展对侵蚀沟的评价，大多以侵蚀沟发展阶段和尺寸进行划分，依靠经验较多，缺乏定量规范的体系，并且分类依据并不能很好的反映黑土区侵蚀沟总体的发展状况，同时缺乏黑土区不同地形地貌区域的侵蚀沟的分类标准，对侵蚀沟的治理工作参考较小。

（2）对侵蚀沟影响因素的研究不够全面，例如研究区域内的土壤质地和结构的影响并未涉及。缺乏对侵蚀沟治理的效益评价，治理措施延缓侵蚀沟发展发育的程度，产生的生态，经济效益并没有系统的阐述，对侵蚀沟治理的植物措施和工程措施的效果差异也缺乏对应研究评价，无法筛选出最适宜黑土区，效益最高的治理措施。针对黑土区坡耕地侵蚀沟没有形成系统的治理措施模板，例如针对不同规模的侵蚀沟的治理措施的选择和对不同土壤侵蚀和发展过程的侵蚀沟的治理选择以及侵蚀沟治理措施应用范围不够明确。

对未来黑土区坡耕地侵蚀沟的研究应将重点放在以下几个方面：

（1）黑土区坡耕地侵蚀沟的研究亟需一套完整细致的侵蚀沟分类分级体系，针对不同地形地貌区域，由原本的定性分析更多的向定量分析靠拢，形成黑土区侵蚀沟合理的分级分类模式，将对侵蚀沟分级分类工作纳入到侵蚀沟治理的准备阶段。

（2）加强诸如土壤、植物、工程措施和耕作措施等因子对侵蚀沟影响的研究，目前对黑土区侵蚀沟治理效果的研究较少，着重加强对侵蚀沟治理效果的阐述，对治理侵蚀沟的植物措施、工程措施不仅仅拘泥于定性评价，而是开展有效定量评价，植物措施和工程措施对侵蚀沟作用效果的不同以及优缺点今后需要着重研究，耕作措施的改进或能从源头上根治侵蚀沟，但目前对耕作措施的效果影响系统性的研究较少，相关研究亟待增补。进一步归纳总结侵蚀沟治理的案例，为今后黑土区坡耕地侵蚀沟的治理积累宝贵的经验。