东北地区水土保持措施因子研究

范建荣，王念忠，陈光，焦剑，谢云

(1.松辽水利委员会，130021，长春;2.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室，地理学与遥感学学院，100875，北京)

土壤侵蚀已成为威胁人类生存和发展的环境问题。为保护珍贵的土地资源，长期以来，人们一直致力防治土壤流失，有关水土保持措施对于土壤侵蚀影响的研究由来已久。早在1882年，Wollny就开始通过小区实验，分析植被覆盖对土壤侵蚀影响［1］。自20世纪30年代开展土壤流失预报研究以来［2］，关于水土保持措施与土壤侵蚀关系的研究一直很受重视。1941 年，D.D.Smith［3］第一次把农地水土保持措施的作用引入到土壤流失估算方程中。美国在20世纪60年代建立的通用土壤流失方程［4］中，以植物被覆与经营管理因子(C)和农地水土保持措施因子(P)来定量表征水土保持措施对土壤侵蚀的影响。其中:C因子是指其他条件相同时，特定植被和经营管理地块上的土壤流失与标准小区土壤流失之比;P因子是指其他条件相同时，实行等高耕作、等高带状种植或修地埂、梯田等水土保持措施后的土壤流失与标准小区上土壤流失之比。我国自开展土壤侵蚀定量研究以来，有关水土保持措施减水减沙效益的研究多在黄土高原地区［5-9］，其他地区也有所涉及［10-16］，包括东北地区［12，15-16］。在计算水土保持措施因子时，基准条件多不统一，有学者依据美国通用土壤流失方程中C因子和P因子的定义，计算水土保持因子值［5-6，13-15］。很多研究是以农地为基准值，比较各种水土保持措施效益，并非土壤侵蚀模型中预报的因子值［9-12，16］。刘宝元等［17］在建立的中国土壤流失方程中，将水土保持措施分为生物措施、耕作措施和工程措施3大类，有助于理解并规范各种因子值的计算，但没有给出各种措施的详细因子值。

为保护珍贵的黑土资源，2003年国家启动了东北黑土区水土流失综合防治试点工程(以下简称“试点工程”)，期限3年。总体目标是通过该项目的实施，探索在黑土地开展水土保持工程的措施，并通过实地监测和对照分析，评价实际运行效果，进而为整个黑土区开展水土流失治理工程树立典型和积累经验。“试点工程”范围涉及黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古4省区的15县(市、旗)76乡(苏木、镇)，总面积5 583.2 km2，基本代表了东北黑土区主要的水土流失特点［18-20］。为了系统而详细地掌握水土流失的动态，评价水土保持措施的效益，“试点工程”中依据自然、社会经济条件、水土流失代表性特点，在每个省(区)和黑龙江九三垦区各选择1条，共计5条重点小流域，布设径流小区。本研究根据这些观测资料，计算相关水土保持措施的因子值，以期为该地区土壤侵蚀定量预报服务。

1 资料与方法

在黑龙江省宾县的三岔河和农垦总局九三分局的鹤北小流域、吉林省梅河口市的吉兴小流域、辽宁省阜新市的二道岭小流域、以及内蒙古自治区扎兰屯市的孙家沟小流域内，布设了坡面径流试验小区，共包括了7种水土保持措施。2004—2006年连续3年进行降雨过程及坡面产流产沙状况观测［19］。研究选用了其中4条小流域的17个径流小区观测资料，产流总计343次(表1)，用于计算水土保持措施因子。

表1 径流小区基本情况Tab.1 Basic conditions of the plots

根据我国 GB/T 16453.1～16453.6—1996《水土保持综合治理技术规范》［21］，坡耕地水土保持措施主要包括各种保水保土耕作措施和梯田，荒地治理主要包括造林种草和封育等，此外还有沟壑、崩岗等治理措施。刘宝元等［17］根据这些措施对保持水土的作用，将其概括为生物措施，工程措施和耕作措施3类。生物措施强调的是植被覆盖的作用，反映的是造林种草、种植作物等对土壤侵蚀的影响;工程措施则是通过改变一定范围内小地形(如坡改梯等平整土地的措施)，拦蓄地表径流，增加降雨入渗，以减少土壤流失;耕作措施是以犁、锄、耙等耕种农具，通过改变局部地表结构，以减少土壤流失措施。耕作措施与工程措施的不同之处在于，前者未改变地形，且只在农用地上实施［22］。

本研究区各类水土保持措施因子计算方法如下:1)生物措施因子(B)是指对应生物措施径流小区土壤流失量与同等条件下裸地小区土壤流失量之比，其措施包括封禁和荒山灌木梗。2)工程措施因子(E)是指同等条件下，对应工程措施径流小区土壤流失量与顺坡起垄种植小区土壤流失量之比;其措施包括水平台田和水平坑。3)耕作措施则包括顺坡、横坡种植和地梗植物带，其中，横坡起垄种植和地梗植物带的耕作措施因子值(T)是指其对应小区土壤流失量与顺坡起垄种植小区的土壤流失量之比。顺坡起垄种植由于其降低径流冲刷的作用通过所种植的作物实现，故其因子值是指该小区土壤流失量与裸地土壤流失量之比。

此外，由于各小区坡度不一致，计算各种措施的因子值时，将所有小区土壤流失量校正为5°坡度上土壤流失量，校正公式为

式中:Ai5为第i小区校正到5°坡度上土壤流失量，t/km2;Ai为第i小区的侵蚀量，t/km2;S5为5°坡度的坡度因子;Si为第 i小区的坡度因子，依据RUSLE［23］和刘宝元等［24］提出的方法计算:

式中 θ为坡度，(°)。

2 结果分析

东北地区主要生物措施(B)、工程措施(E)和耕作措施(T)因子值变化于0.020～0.624之间(表2)。生物林草措施的B因子值变化于0.021～0.817之间。草灌类型植被的水土保持效果十分显著，灌木梗的B因子值为0.054。而封禁的B因子值差异十分显著，采取该措施的小区中，梅河口吉兴的B因子值仅为0.021，而阜新二道岭的B因子值则高达0.705，仅略低于顺坡种植大豆。这主要是因为观测的封禁小区草被生长尚处于初始阶段，其减水减沙作用尚不明显，只有当草被生长到一定程度时［6，25］，其水土保持作用才能较为稳定。

表2 主要水土保持措施因子值Tab.2 Factor value of biological-control，engineering-control，and tillage practices

本区工程措施中，水平台田和水平坑的E因子值分别为0.020和0.061。相对于其他类型水土保持措施，工程措施的保土效果最为显著。

本区耕作措施的T因子值变化于0.001～0.817之间。不同耕作措施的水土保持效果差异十分显著。其中，顺坡种植大豆 T因子值平均为0.624。顺坡种植玉米的B因子值变化于0.258～0.457，平均为0.357［14-15］。在其他条件相同的情况下，种植大豆引起的土壤流失量明显高于玉米，前者是后者的1.75倍。这与杨学明等［16］在吉林典型黑土区的研究结果(1.5 ～2.0 倍)和 F.L.Duley［26］在美国Missouri州的研究结果(1.86倍)较为一致。而横坡种植大豆的T因子值平均为0.257，相对于顺坡种植而言，其减沙效益为74.3%。不同作物横坡种植的T因子值亦有所差异，玉米平均为0.457［14］，其他作物平均为 0.352［15］。相对于其他作物而言，横坡种植大豆的水土保持效果更为明显。由此可见，本区顺坡种植大豆引起的土壤流失十分严重，若采取改垄措施，实行横坡种植则具有明显的治理效果。各种耕作措施中，地梗植物带 T因子值0.186，减沙效果最好。

本区同种水土保持耕作措施在不同地区的减沙效果差异明显，主要是因为耕作措施水土保持效果还受到坡度［27］、降水强度、犁垄高度［28-29］等因素的影响，但受资料限制无法进一步探讨。本区降水、坡度、土壤等各种因素对耕作措施减沙效果的影响有待进一步研究。

就平均水平而言，本区水土保持工程措施的减沙效果最好，耕作措施次之，再次为生物林草措施。但相对于其他2类措施而言，工程措施投入大，且耗工、耗时，现阶段难以大面积推广［22］。进行水土保持规划时，需因地制宜［30］，采取不同的水土保持措施:3°以下的坡耕地主要采取改垄措施，将顺坡垄与斜坡垄改为横垄，顺坡耕作改为等高耕作。3°～8°的坡耕地通过修建梯田和地埂植物带控制水土流失，建设基本农田。8°以上的坡耕地通过坡面工程整地后退耕还林，因地制宜营造水土保持林、用材林、经济林等。

3 小结

利用东北地区4个小流域17个径流小区总计343次坡面产流产沙观测资料，计算了本区7种主要水土保持措施因子值。灌木梗和封禁的生物措施因子值B分别0.054和0.363。水平台田和水平坑的工程措施因子值E分别为0.020和0.061。顺坡起垄种植、横坡起垄种植和地梗植物带的耕作措施因子值T分别为0.624、0.257和0.186。研究计算的水土保持措施因子值是指其多年平均值，由于观测时未将各种作物划分不同的农作期［4，31］，故未能得出不同农作期的土壤流失率，因此研究成果的应用尚具有一定局限性。此外，研究所采用的资料年限较短，尚不足以满足精确计算多年平均水土保持措施因子的要求，建议进行长期监测，充分积累实验数据，为东北地区土壤流失预报提供进一步的数据支持。

［1］Baver L D.Edward Wollny:a pioneer in soil and water conservation research ［J］. Soil Science Society Proceeding，1938，3:330-333

［2］Cook H L.The nature and controlling variables of the water erosion process［J］. Soil Science Society of America Proceedings，1936，1:60-64

［3］Smith D D.Interpretation of soil conservation data for field use［J］.Agricultural Engineering，1941，22:173-175

［4］Wischmeier W H，Smith D D.Predicting rainfall erosion losses from cropland east of the Rocky Mountains:guide for selection of practices for soil and water conservation［M］.Washington D C，U S:Department of Agriculture，Agriculture Handbook，No.282，1965:10-38

［5］张岩，刘宝元，史培军，等.黄土高原土壤侵蚀作物覆盖因子计算［J］. 生态学报，2001，21(7):1050-1056

［6］Zhang Y，Liu B Y，Zhang Q C，et al.Effect of different vegetation types on soil erosion by water［J］.Acta Botanica Sinica，2003，45(10):1204-1209

［7］刘秉正，刘世海.作物植被的保土作用及作用系数［J］. 水土保持研究，1999，6(2):32-36

［8］焦菊英，王万忠.人工草地在黄土高原水土保持中的减水减沙效益与有效盖度［J］.草地学报，2001，9(3):176-182

［9］焦菊英，王万忠，李靖，等.黄土丘陵沟壑区水土保持人工林减蚀效应研究［J］.林业科学，2002，38(5):87-94

［10］水建国，孔繁根，郑俊臣.红壤坡地不同耕作影响水土流失的试验［J］.水土保持学报，1989，3(1):84-90

［11］魏玉杰，李华.花岗片麻岩地区坡耕地改造途径及其效益分析［J］.水土保持通报，1992，12(6):26-32

［12］朱青，王兆骞，尹迪信.贵州坡耕地水土保持措施效益研究［J］. 自然资源学报，2008，23(2):219-229

［13］符素华，吴敬东，段淑怀，等.北京密云石匣小流域水土保持措施对土壤侵蚀的影响研究［J］.水土保持学报，2001，15(2):21-24

［14］林素兰，黄毅，聂振刚，等.辽北低山丘陵区坡耕地土壤流失方程的建立［J］.土壤通报，1997，28(6):251-253

［15］张宪奎，许靖华，卢秀琴，等.黑龙江省土壤流失方程的研究［J］. 水土保持通报，1992，12(4):1-9

［16］杨学明，张晓平，方华军.不同管理方式下吉林省农田黑土流失量［J］. 土壤通报，2003，34(5):389-393

［17］Liu B Y，Zhang K L，Xie Y.An Empirical Soil Loss Equation:Proceedings of 12th ISCO conference，Vol.II Process of soil Erosion and Its Environment Effect［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2002

［18］沈波，范建荣，潘庆宾，等.东北黑土区水土流失综合防治试点工程项目概况［J］.中国水土保持，2003(11):7-8

［19］陈光，范海峰，陈浩生，等.东北黑土区水土保持措施减沙效益监测［J］.中国水土保持科学，2006，4(6):13-17

［20］王岩松，李世泉，高燕，等.东北黑土区水土流失综合防治试点工程的监测方法［J］.中国水利，2007(22):45-46

［21］中华人民共和国水利部水土保持司.GB/T 16453.1～16453.6—1996 水土保持综合治理技术规范［S］.北京:中国标准出版，1996

［22］袁西平，雷霆武.水土保持措施及其减水减沙效益分析［J］. 农业工程学报，2004，20(2):296-300

［23］Renard K G，Forster G R，Weesies G A，et al.Predicting soil erosion by water:a guide to conservation planning with the revised universal soil loss equation(RUSLE)［M］.Washington D C，US:Department of Agriculture，Agriculture Handbook，No.702，1997:107

［24］Liu B Y，Nearing M A，Risse L M.Slope gradient effects on soil loss for steep slopes［J］.Transactions of the ASAE，1994，37(6):1835-1840

［25］辜世贤，徐霞.重庆市生态修复示范区土地利用景观格局分析［J］. 水土保持研究，2006，13(2):244-249

［26］Duley F L.Soil erosion of soybeanland［J］.Journal of Agriculture，1994，17:800-803

［27］Smith D D，Whitt D M.Estimating soil losses from field areas of claypan soil［J］.Soil Science Society of America Proceedings，1947，12:485-490

［28］Moldenhauer W C，Wischmeier W H.Soil and water losses and infiltration rates on silt loam as influenced by cropping systems，tillage practices and rainfall characteristics［J］.Soil Science Society of America Journal，1960，24:409-413

［29］Jasa P J，Dickey E C，Shelton D P.Soil erosion from tillage and planting systems used in soybean residue［J］.Transactions of the ASAE，1986，28:761-766

［30］刘宝元，阎百兴，沈波，等.东北黑土区农地土壤流失现状与综合治理对策［J］.中国水土保持科学，2008，6(1):1-8

［31］Wischmeier W H，Smith D D.Predicting rainfall erosion losses:A guide to conservation planning［M］.Washington D C，U.S:Department of Agriculture，Agriculture Handbook，No.573，1978:18-21