浅析东北黑土区耕地水土保持措施侵蚀贡献率

杨亚娟，陆 萍，任宪平，金翠玲，刘绪军

(1.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江八一农垦大学 生命科学技术学院，黑龙江 大庆 163316)

1 观测场基本情况

1.1 自然概况

克山县粮食沟水蚀综合观测场位于黑龙江省克山县古北乡夹荒屯南，克北公路西侧，距克山县城5 km，地理坐标为东经125°49′19″，北纬48°03′20″。观测场总面积41.10 hm2，其中，耕地22.14 hm2，林地12.16 hm2，草地0.53 hm2，侵蚀沟及排水沟2.61 hm2，塘坝0.43 hm2，监测场地0.67 hm2，生活区0.21 hm2，道路2.35 hm2。

据克山县粮食沟水蚀综合观测场2012—2022年资料统计分析，年均气温3.0 ℃，年均≥10 ℃，有效积温2613 ℃，无霜期130 d，年均降水量514.9 mm，其中70%以上集中在6—9月份，极端最少降雨量为334.9 mm(2017年)，极端最多降雨量为842.2 mm(2014年)。黑土层厚度30 cm左右，林草覆盖率30.88%。

1.2 观测设施

1.2.1 观测小区

克山粮食沟水蚀综合观测场设有标准径流小区15个，小区规格5 m×20 m，坡向为南向，坡位为坡上。观测小区设置为：3° 标准径流6个，处理为横坡垄作、顺坡垄作和裸地小区各2个重复；5° 标准径流6个，处理为顺坡垄作、地埂植物带和裸地小区各2个重复，地埂植物带是在横坡垄作的基础上，20 m长的等距离三点设置埂带，埂带种植多年生灌木胡枝子；8° 标准径流3个，处理顺坡垄作小区2个重复、裸地小区1个。8° 自然坡面小区3个，规格分别为52.2 m×11.5 m、52.2 m×11.0 m、52.9 m×10.7 m，坡向为南向，坡位为坡中，处理为水平梯田，梯田埂带上种植多年生灌木胡枝子[1-3]。

1.2.2 观测设施

克山粮食沟水蚀综合观测场降雨观测设施有：TC—QX1全球定位数字高清自动气象站和南京气象仪器有限公司生产的SL-2型自记雨量计各1套。径流泥沙观测设施有：分级分流桶，翻斗式径流泥沙仪，XYZ-Ⅲ型径流泥沙观测仪18套。

2 数据处理与分析

2.1 降雨

数据来源为2019—2022年克山粮食沟水蚀综合观测场降雨观测资料，统计结果显示(见表1)，4 a平均降雨日数为83 d，降雨次数为88次，降雨量为607.0 mm，>12 mm的降雨16次，降雨量为423.8 mm；侵蚀性降雨次数23次，降雨量为477.7 mm，年降雨侵蚀力为2267.31 MJ·mm/(hm2·h·a)；最大日降雨量97.0 mm，最大次降雨侵蚀力1640.97 MJ·mm/(hm2·h·a)，发生在2020年8月3日，历时292 min。

表1 克山县粮食沟水蚀观测场2019—2022年降雨统计

2.2 径流泥沙量

径流、泥沙数据来源于2019—2022年克山粮食沟水蚀综合观测场整编资料。2019—2020年标准小区径流泥沙测定采用分级分流桶，自然坡面小区采用翻斗式径流泥沙仪。2021年后全部采用XYZ-Ⅲ型径流泥沙观测仪。4年共取得径流泥沙观测数据93组，其中，3° 标准径流横坡垄作小区59组，裸地小区88组，顺坡垄作小区80组；5° 标准径流地埂植物带小区69组，裸地小区91组，顺坡垄作小区83组；8° 标准径流裸地小区89组，顺坡垄作77组；8° 自然坡面径流水平梯田小区72组。

3 结果分析

3.1 降雨特征分析

根据克山县近30年的降雨资料统计，多年平均降雨量514.9 mm，从表1中可以看出，2019—2022年年平均降雨量为607.0 mm，远大于多年平均降雨量，其中，2019—2021年是丰水年，2022年是干旱年。4年共收集到降雨总量为2428.0 mm，侵蚀性降雨次数93次，降雨量为1910.9 mm，占4年总降雨量的78.70%。>12 mm的降雨62次，降雨量为1742.8 mm，占4年总降雨量的71.78%，次降雨量变化范围为 12.4～97.0 mm，对应的次最大 30 min降雨强度(I30)变化介于2.4～67.1 mm/h之间，平均最大 30 min降雨强度(I30)介于14.7～19.1 mm/h之间；次降雨侵蚀力变化范围为5.40～1745.98 MJ·mm/(hm2·h·a)，平均降雨侵蚀力介于85.84～214.98 MJ·mm/(hm2·h·a)之间，如表2所示。

表2 >12 mm降雨特征分析

上述分析表明，观测期内年均降雨量大于多年平均降雨量，属于丰水年；>12 mm降雨量和侵蚀性降雨量均超过降雨总量的70%以上，降雨侵蚀力较大，有利于提高土壤侵蚀贡献率。

3.2 不同坡度耕地侵蚀贡献率分析

以5° 标准小区为对照，对比不同坡度径流小区4 a径流泥沙量观测结果，计算分析不同坡度耕地的侵蚀贡献率，如表3所示。

表3 不同坡度耕地侵蚀贡献率分析情况

从表3中可以看出，3° 顺坡垄作小区，年平均径流深44.04 mm，年径流量44 043.62 m3/km2，年土壤流失量1791.05 t/(km2·a)，相对于5° 裸地小区，保水效益增加71.45%，保土效益提高81.51%。3° 裸地小区，年平均径流深126.39 mm，年径流量126 392.46 m3/km2，年土壤侵流失量7055.43 t/(km2·a)，相对于5° 裸地小区，保水效益增加18.06%，保土效益提高27.17%。

5° 顺坡垄作小区，年平均径流深70.70 mm，年径流量70 704.25 m3/km2，年土壤流失量2744.66 t/(km2·a)，相对于5° 裸地小区，保水效益增加54.16%，保土效益提高71.67%。

8° 顺坡垄作小区，年平均径流深92.96 mm，年径流量92 963.83 m3/km2，年土壤流失量5486.00 t/(km2·a)，相对于5° 裸地小区，保水效益增加39.73%，保土效益提高43.37%。8° 裸地小区，年平均径流深194.97 mm，年径流量194 974.86 m3/km2，年土壤流失量18 693.59 t/(km2·a)，相对于5° 裸地小区，保水效益减少26.40%，保土效益降低92.97%。

上述分析表明，不论是裸地小区还是顺坡垄作小区，地面坡度越小，地表径流量与土壤侵蚀量越小，土壤侵蚀贡献率越小；同一坡度情况下，顺坡垄作地表径流量与土壤侵蚀量远小于裸地小区，也具有保持水土，降低土壤侵蚀贡献率的作用。由此看出，地表径流量、土壤侵蚀量、土壤侵蚀贡献率均与坡度成正比。

3.3 不同水土保持措施侵蚀贡献率分析

不同水土保持措施径流小区4 a径流泥沙量观测结果，亦以5° 标准小区为对照，计算分析不同水土保持措施坡度耕地的侵蚀贡献率，如表4所示。

表4 不同水土保持措施侵蚀贡献率分析情况

从表4中可以看出，3° 横坡垄作小区，年平均径流深13.99 mm，年径流量13 988.20 m3/km2，年土壤流失量43.28 t/(km2·a)，相对于5° 顺坡垄作小区，保水效增加80.21%，保土效益提高98.42%。相对于5° 裸地小区，保水效益增加90.93%，保土效益提高99.55%。

5° 地埂植物带小区，年平均径流深15.98 mm，年径流量15 978.60 m3/km2，年土壤流失量172.39 t/(km2·a)，相对于5° 顺坡垄作小区，保水效益增加77.40%，保土效益提高93.72%。相对于5° 裸地小区，保水效益增加89.64%，保土效益提高98.22%。

8° 水平梯田小区，年平均径流深87.49 mm，年径流量87 492.76 m3/km2，年土壤流失量255.59 t/(km2·a)，相对于5° 顺坡垄作小区，保水效益减少23.75%，保土效益提高90.69%。相对于5° 裸地小区，保水效益增加43.28%，保土效益提高97.36%。

上述分析表明，水土保持措施能够有效减少土壤侵蚀，降低土壤侵蚀贡献率，对于保护黑土坡耕地具有积极作用。不同水土保持措施土壤侵蚀量和径流量的排序依次为8° 水平梯田>5° 地埂植物带>3° 横坡垄作。在以5° 标准小区为对照的情况下，3° 横坡垄作小区地表径流量、土壤侵蚀量减小最多，土壤侵蚀贡献率最小，5° 地埂植物带小区次之，8° 水平梯田小区土壤侵蚀贡献率最大，对比分析说明，尽管采取了水土保持措施，地面坡度仍然对土壤侵蚀贡献率具有一定的影响，是影响土壤侵蚀的主要因素之一。

4 结 论

(1)短历时强降雨是产生地表径流和引发土壤侵蚀的主要降雨类型，侵蚀性降雨次数越多、降雨强度越大，降雨侵蚀力越大，土壤侵蚀速率越高，土壤侵蚀贡献率也越大。

(2)地面坡度与土壤侵蚀贡献率成正相关。克山粮食沟水蚀综合观测场4年观测数据分析表明，随着坡度的增加，土壤侵蚀贡献率增加。相同坡度情况下，顺坡垄作侵蚀贡献率小于裸露地，说明顺坡垄作具有一定的保土作用。

(3)水土保持措施能够有效降低土壤侵蚀贡献率，提高坡耕地保水保土能力。克山粮食沟水蚀综合观测场4年观测数据分析结果显示，不同水土保持措施土壤侵蚀贡献率不同，与5° 顺坡垄作和裸地相比，3° 横坡垄作土壤侵蚀贡献率最低，5° 地埂植物带土壤侵蚀贡献率次之，8° 水平梯田土壤侵蚀贡献率最高。不同水土保持措施适用条件不同，但都有较强蓄水保土能力，能够有效预防和控制土壤侵蚀。