东北黑土区坡耕地土壤侵蚀及其治理研究进展

王 娜，王 璐，宋昌海

（呼伦贝尔市农牧技术推广服务中心，内蒙古海拉尔 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、作物产量低的旱地[1]，占我国耕地总面积的28.35%，是我国重要的耕地资源。坡耕地也是坡地水土流失的主体，近年来不合理的耕作活动加剧了坡耕地的土壤侵蚀，引发土层变薄和土壤结构恶化。黑土区是国家重要的商品粮基地，被誉为国家粮食安全的“压仓石”和“稳压器”，主要分布在东北三省和内蒙古东四盟，其间地形多为丘陵漫岗，坡度较缓，坡面较长，是我国水土流失严重的地区之一。东北黑土区坡耕地面积为12.80 万km2，是产生水土流失的主要源地，近年来由于坡耕地不合理的利用，耕地措施的不科学使用及生态环境的破坏，加剧了坡耕地的水土流失，严重影响了土地生产力和粮食生产[2-3]。长期以来，坡耕地研究大都集中在黄土高原和西南地区[4-6]，东北地区的坡耕地治理未得到足够的重视。进入21 世纪以后，黑土区的水土流失问题才逐渐得到关注，2003 年以来，国家先后启动了东北黑土区水土流失综合防治试点工程、东北黑土区水土流失重点治理工程、东北黑土区侵蚀沟治理专项规划、黑土侵蚀防治机理与调控技术等重大项目，依托项目开展了一系列针对黑土区坡耕地形成机理、评价方法与防治措施的研究，为黑土区坡耕地治理提供了理论基础和技术措施。

1 黑土区坡耕地土壤侵蚀机理

我国黑土区位于温带半湿润大陆性季风气候区，春季干旱多风，夏季降雨集中，冬季寒冷漫长，季节性冻土广布，水力、风力和冻融等作用在时间上交替或同步、空间上交错或重叠侵蚀着黑土区土壤。根据2018 年全国水土流失动态监测结果，黑土区内水力侵蚀占水土流失的65%，风力侵蚀占35%，北部地区间有冻融侵蚀[7]。

1.1 水力侵蚀

降雨溅击和坡面径流是水力侵蚀的主要因素。郑粉莉通过人工模拟降雨发现降雨动能对坡面侵蚀过程影响的机理，雨滴动能破坏了土壤表面结构，在土壤表面形成结皮，不利于降水入渗，加快了坡面径流，增加了坡面径流量，造成坡面侵蚀[8]。大部分学者认为降雨是坡面水蚀最根本的动力来源，降雨强度是影响坡面侵蚀的主要因素。贾莲莲、马琨等认为随着降雨强度的增大，坡面径流量和侵蚀量均增加[9-10]。李桂芳等通过室内模拟降雨试验，研究了降雨强度和地形因子（坡度和坡长）对黑土区坡面土壤侵蚀过程的影响，发现当降雨强度增加1 倍，坡面径流量增加1.4～12.4 倍，坡度由5°增加到10°时，侵蚀量增加0.4倍；坡长由5 m 增加到10 m 时，侵蚀量增加0.5 倍；三者均增大时，坡面侵蚀量增加18倍，降雨强度、坡度和坡长均影响坡面侵蚀，且三者交互作用对坡面侵蚀的影响远大于单个影响因素[11]。

1.2 风力侵蚀

风力侵蚀区主要分布于黑土区西部半干旱地区，包括嫩江两岸沙地和接近内蒙古草原边缘地带，其中强度风蚀面积为3 645.8 km2，中度风蚀面积8 100.8 km2，轻度风蚀面积10 701.6 km2。黑土区春季干旱多风，风力强，历时长，此时农田内没有作物生长，只有少量秸秆留存，且黑土区土壤类型为黑土、黑钙土、暗棕壤、草甸土，土壤质地细腻，春季由于表层干燥土壤变得干燥疏松，大风作用下极易发生风力侵蚀。目前，对我国风力侵蚀土壤的研究主要集中在西北地区，东北黑土区的相关报道较少。2017 年，林艺通过室内模拟实验研究黑土风蚀速率与风速、土壤含水量的关系，发现黑土风蚀速率随风速增大呈指数增加，随土壤含水量先增加后降低，风速和土壤含水量显著影响东北黑土区土壤风蚀[12]。风速是风蚀的启动力，直接影响土壤风蚀强度。

黑土区土壤侵蚀并非是单一因素的影响，而是受水力（降雨、冻融和融雪）和风力等多种外营力复合影响。左小锋结合室内风洞和模拟降雨试验，研究前期地表风蚀作用与黑土坡面水蚀的关系，发现前期地表风蚀作用可以显著增加坡面径流量和水蚀量，同时改变后期坡面水蚀过程，且前期地表风蚀作用对后期坡面水蚀的贡献与风速、降雨强度明显相关，前期地表风蚀降低土壤抗侵蚀能力，增加了坡面水蚀量，加剧了土壤侵蚀程度[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复始地进行耕作，坡耕地土层变薄，养分含量降低，作物产量减少，农民称之为跑水、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护措施保护、改良和合理利用坡面水土资源，防止坡面水土流失，是改善丘陵山区农业生产条件和生态环境的重要措施，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。中国科学院·水利部成都山地灾害与环境研究所发现坡耕地改造为梯田可以增加耕地面积，提高耕地质量，实现土地资源的可持续利用。赵艺学、王文对比分析了坡耕地和梯田的全氮、全钾、速效磷含量及作物产量，发现梯田的氮磷钾含量和作物产量均高于坡耕地。梯田的种类较多，但所有梯田的作用相同，都是减少坡耕地养分及土壤的流失[14-15]。孙亚茹提出梯田治理坡地的效果受坡度的影响，修建梯田最关键的环节是水平梯田面宽度的确定，而水平梯田面宽度由坡面坡度决定，坡度越大，梯田面宽度越小，坡度越小，梯田面宽度越大。陈雪通过对典型黑土区范围内部分小流域的自然条件、侵蚀状况、治理情况等方面资料的分析，总结了不同坡度的坡耕地治理措施：5°以下坡耕地以顺坡垄作改横坡垄作为主，5°～8°坡耕地以种植等高植物篱为主，8°～15°坡耕地以修水平梯田为主，15°以上坡耕地采取退耕还林为主[16]。汤永强采用建设微型径流小区法，通过测试不同季节新修梯田裸露坡面和不同措施坡面在冻融、水力交错条件下的侵蚀量、径流量及土壤的抗剪强度，发现在黑土区修筑土坎梯田最好选在秋季进行。

坡耕地治理排水工程主要有鼠洞、暗管、明沟。鼠洞可以提高地表水分的入渗速度，增大耕地的蓄水保土能力；暗管则可提高地表水的入渗能力，减少地表水的径流量；明沟在田间水分较多时可以排出过多水分，田间水分亏缺时，则可使用沟中存留水分浇灌农田。杨爱峥在松嫩平原开展试验，研究了垄向区田、鼠道、暗管和明沟等4 种坡耕地综合治理技术模式对土壤水分动态、产量、作物水分利用效率、地表径流和土壤侵蚀的影响，结果表明4 种技术模式均有不同程度的蓄水保土增产和提高作物水分利用效率的作用，其中鼠洞+暗管+明沟+垄向区田综合治理措施效果最佳，采用暗管排渍、明沟集水兼排除田间的地表水，形成明暗结合、相对健全的田间排水系统，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为种植等高植物篱。植物篱较早见于非洲和东南亚热带地区的坡地上，沿坡地等高线培植双行植物篱，可以有效防治当地的坡地土壤侵蚀，且有助于坡地退化土壤养分库的恢复重建，这种种植模式被称为等高植物篱系统[18]。等高植物篱技术是坡地治理的一种新型技术体系，由植物篱与农地构成，植物篱具有保水固土的作用，且植物篱一般种植绿肥，将绿肥还田后可以提高土壤肥力与作物产量，是一种融生态、经济为一体的坡地可持续利用技术。Paningbata 研究了不同坡耕地治理模式下地表径流和土壤侵蚀，发现植物篱模式的水土保持效果较好，植物篱加上免耕覆盖可以基本解决坡耕地土壤侵蚀问题[19]。20世纪90年代我国学者开始研究植物篱技术，主要在长江中上游干旱河谷区和三峡库区、北方黄土高原水土流失严重地区，探明植物篱模式控制水土流失的机理，但黑土区的相关研究较少。2018年，苏鹏通过模拟实验研究了东北黑土区不同坡段等间距植物篱产流、产沙过程，结果表明，与裸地对照相比，各坡段植物篱均能阻延坡面径流，且随坡段的下移，滞后时间逐渐缩短，各坡段植物篱产流、产沙速率在时间尺度上表现基本一致，在上、中坡段植物篱坡面相对平稳，下坡段植物篱坡面后期呈明显波动，其变化趋势与坡面侵蚀形态密切相关，且整体小于对照坡面，指出等高植物篱技术需要改进设计后方可应用于东北黑土区的坡耕地治理[20]。

2.3 耕作措施

坡耕地治理的耕作措施主要为保护性耕作，通过采用免耕、少耕、深松、秸秆还田、增施有机肥等技术，改善坡耕地土壤理化性状和土壤结构，减少农田土壤侵蚀，保护农田生态环境。美国早在1950年就开始大范围地推广免耕、少耕、轮耕、深松、秸秆覆盖等耕作措施来减少水蚀的危害，建立了遍及全国的土壤保持示范点和土壤保持管理区。我国保护性耕作研究起步较晚，但发展迅速，保护性耕作技术已广泛应用于农业生产中。研究表明长期保护性耕作（免耕和深松）可以提高坡耕地土壤质量，增加土壤肥力，目前保护性耕作在东北黑土区主要适用于5°以下的坡耕地；免耕土壤与翻耕后的土壤相比，表层好氧和兼性厌氧微生物数量明显增多，而秸秆还田+免耕综合技术的使用则可减少90%以上的土壤侵蚀量。保护性耕作具有良好的土壤保育功能，被认为是东北黑土区旱作农业发展的必由之路[7]。徐军生通过设置保护性耕作、施用有机肥及平衡施肥的不同种植模式试验，寻求适宜黑土区坡耕地的耕作方式和施肥方式，发现3种保护性耕作技术均可改善坡耕地土壤的理化性状和土壤结构[21]。柴宇针对东北坡耕地存在的土壤肥力下降和水土流失等问题，研究了深松、稻秆还田、垄向区3 项耕作技术对降雨径流、产沙、土壤水分、养分流失、玉米生物性状、产量、水分利用效率的影响，并应用相关数学模型对坡耕地综合治理模式下的水土环境及节水增产效应进行了综合评价[22]。

黑土地坡耕地垦殖后，在土壤侵蚀和过度垦殖的双重影响下，土壤肥力迅速降低。为了恢复坡耕地的土壤肥力，我国学者进行了大量研究，对坡耕地形成过程和机理进行分析，研发出一系列治理措施；同时学者不断对治理措施进行优化设计，以提高治理效果，有效阻控黑土退化，维持土地生产力。