东北黑土区山地丘陵区坡面水土保持措施效益研究

张 瑜，徐子棋，杨献坤，崔 斌，芦贵君

(吉林省水土保持科学研究院，吉林 长春 130033)

东北黑土区是我国重要的粮食生产基地，近年来不合理的开垦和利用，使其水土流失状况日益加剧，已威胁到区域农业发展和粮食安全，现已被列为全国重要的水土流失治理区[1]。坡耕地是黑土区水土流失发生最为严重的区域，其面积占黑土区总耕地面积的59.38%，每年黑土层减少的厚度为0.4～0.5 cm，造成耕地质量的下降和可利用耕地面积的减少[2-3]。因此，黑土区坡耕地水土保持措施是近年来水土保持领域的重点研究对象。

众多学者对黑土区坡耕地水土保持措施做了相关研究。刘卉芳等[4]总结了黑土区水土流失现有技术措施和黑土区不同地貌区的现有治理模式。桑琦明等[5]对斜坡垄作与顺坡垄作土壤侵蚀进行了对比分析。刘平奇[6]研究了黑土区坡耕地深松、秸秆还田等耕作措施对水土流失、土壤养分和土壤呼吸等方面的影响。张瑜等[2]研究了黑土区坡式条田减水减沙、改善土壤水热和土壤呼吸状况等方面的作用。冯洋等[7]研究了水保林、地埂植物带和水平梯田对黑土区坡耕地土壤养分流失的影响。金万鹏[8]研究了黑土区坡耕地植物篱、地埂植物带改善土壤理化性质和团聚体稳定性的效果，并研究了上述措施尺寸和组合的优化方式。王禹宸[9]研究了黑土区优良地埂植物的筛选方法及拦蓄效果。贺云锋等[3]研究了黑土区坡耕地采用秸秆深还、秸秆碎混、免耕+残茬覆盖的水土保持效果。李飞等[10]研究了黑土区坡耕地秸秆覆盖固持水土、减少养分流失的效果。东北黑土区不同地貌区水土流失特征差异较大,水土保持措施在各区域的适宜性也有很大不同[11]。山地丘陵是东北黑土区主要地貌，然而有关该地貌区坡面水土保持措施效果的研究却鲜有报道。

本研究选取东北黑土区山地丘陵区典型小流域不同坡面水土保持措施，研究其环境因子、人为因子、效益因子之间的相关关系，以期为同类地貌区水土保持措施优选和技术提升提供理论支持。

1 研究区概况

研究区措施田面位于吉林省柳河县、辉南县、敦化市和东辽县，呈山地丘陵地貌，年降水量500～1 000 mm，属中温带半湿润、湿润区，主要土壤为黑土、暗棕壤、棕壤和沼泽土等，侵蚀类型主要为水蚀，侵蚀强度主要为轻度和中度。研究区措施田面信息见表1，对照田为相应措施田旁的无措施田。

表1 研究区措施田面信息

2 测定方法

2.1 数据获取

数据获取方法主要包括田间实测和技术咨询，田间实测于2020年7月7—12日完成。

2.1.1 环境因子

坡度：研究区坡面均属直线型坡面，采用水准仪测量。

埂坎植被覆盖度：每块样地选择5条埂坎，每条埂坎选择3个样方(宽为埂坎宽，长为1 m),用数码相机拍照后，采用PCOVER软件进行覆盖度计算，结果取平均值。

埂坎植被高度：每块样地选择5条埂坎，每条埂坎选择10株植物进行测定，结果取平均值，单位为cm。

2.1.2 人为因子

埂坎损坏率：每块样地取5条埂坎测定损坏率，即埂坎损坏长度占总埂坎长度的百分比。埂坎是梯田拦蓄水沙的重要措施，埂坎完好度及植被状况影响梯田拦蓄水沙效果。

措施年限：向当地相关单位咨询获得，单位为a。

2.1.3 效益因子

拦沙率：向当地相关单位咨询，获得2019年数据。

土壤含水量提高百分比：利用称重法测定，在每块样地坡面的坡上、坡中、坡下各选择3个样点，取平均值。

土壤有机质提高百分比：利用重铬酸钾容量法(外加热)测定，在每块样地坡面的坡上、坡中、坡下各选择3个样点，取平均值。

作物产量提高百分比：向当地相关单位咨询，获得2019年数据。

2.2 数据处理软件

整理数据所用软件为Excel，方差分析(单因素方差分析)所用软件为SPSS 25.0。

3 结果与分析

3.1 水平梯田效益因子与环境因子、人为因子的关系

研究区水平梯田所在坡面坡度为5°～15°，措施年限分别为5 a和7 a，埂坎植物均为紫穗槐，水平梯田环境因子与人为因子见表2。由表2可知，整体上水平梯田埂坎损坏率随着坡度增加而增大，如编号27(坡度15°)、29(坡度12°)、35(坡度6°)的埂坎损坏率分别为36.66%、31.61%、14.20%，二者呈极显著正相关关系，相关系数为0.885(p<0.01)；埂坎植被生长状况随着坡度增加、埂坎损坏率增加而恶化，埂坎植被覆盖度和高度与坡度、埂坎损坏率均呈极显著相关关系，相关系数绝对值均不低于0.684。

表2 研究区水平梯田环境因子与人为因子

研究区水平梯田效益因子见表3。由表3可知，研究区水平梯田拦沙率为86.2%～99.4%，土壤含水量提高百分比为17.8%～33.2%，土壤有机质提高百分比为8.6%～20.4%，作物产量提高百分比为8.36%～12.60%。结合表2可知，整体上研究区坡度越小、埂坎损坏率越小、埂坎植被生长状况越好，水平梯田的拦沙、改良土壤性状和作物增产的效果就越好。

表3 研究区水平梯田效益因子

水平梯田效益因子与环境因子、人为因子相关系数见表4。由表4可知，与水平梯田拦沙率呈极显著相关的因子为坡度、埂坎损坏率、埂坎植被覆盖度和高度；与作物产量提高百分比呈极显著相关的因子为坡度和埂坎损坏率；与土壤含水量提高百分比和有机质提高百分比呈显著及极显著相关的因子为坡度、埂坎损坏率、埂坎植被覆盖度和高度。

表4 水平梯田效益因子与环境因子、人为因子相关系数

3.2 坡式梯田效益因子与环境因子、人为因子的关系

研究区坡式梯田所在坡面坡度为6°～12°，措施年限为5 a，埂坎植被类型为紫穗槐和黄花菜，坡式梯田环境因子与人为因子见表5。由表5可知，埂坎损坏率为36.8%～49.2%，埂坎损坏率随着坡度增加而增大，如编号8(坡度12°)、1(坡度8°)、3(坡度6°)的埂坎损坏率分别为49.2%、46.1%和36.8%，二者相关系数为0.401(p<0.05)；埂坎植被覆盖度随着坡度增加而极显著降低(p<0.01)，埂坎植被高度随埂坎损坏率升高而显著降低(p<0.05)。

表5 研究区坡式梯田环境因子与人为因子

研究区坡式梯田效益因子见表6。由表6可知，研究区坡式梯田拦沙率为60.2%～71.2%，土壤含水量提高百分比为13.21%～21.46%，土壤有机质提高百分比为5.34%～12.35%，作物产量提高百分比为5.22%～7.46%。结合表5可知，研究区坡度越小、埂坎措施损坏率越小、埂坎植被生长状况越好，坡式梯田的拦沙、改良土壤性状和作物增产的效果越好。

表6 研究区坡式梯田效益因子

坡式梯田效益因子与环境因子、人为因子相关系数见表7。由表7可知，与坡式梯田拦沙率、作物产量提高百分比、土壤含水量提高百分比和有机质提高百分比呈显著及极显著相关的因子为坡度、埂坎损坏率、埂坎植被覆盖度。研究区坡式梯田埂坎两个植物品种(紫穗槐和黄花菜)高度差异较大，因此坡式梯田效益因子与埂坎植被高度相关关系不明显。

表7 坡式梯田效益因子与环境因子、人为因子相关系数

3.3 地埂植物带效益因子与环境因子、人为因子的关系

研究区地埂植物带所在坡面坡度为4°～8°，措施年限分别为5 a和7 a，埂坎植物原均为黄花菜，后全部死亡，现为杂草，地埂植物带环境因子与人为因子见表8。由表8可知，研究区地埂植物带埂坎损坏较为严重，损坏率为58.2%～100.0%，说明地埂植物带埂坎较易损坏。除了样地9、14，其余样地埂坎损坏率随着坡度增加而增大，如编号10(坡度8°)、16(坡度6°)的埂坎损坏率分别为68.2%、62.2%，二者相关系数为0.100(p<0.05),相关系数较小的原因可能是研究区地埂植物带坡面坡度差异较小。埂坎植被覆盖度和高度随着坡度增加而极显著降低(p<0.01)，二者与地埂植物带埂坎损坏率无显著相关关系。

表8 研究区地埂植物带环境因子与人为因子

研究区地埂植物带效益因子见表9。由表9可知，研究区地埂植物带拦沙率为15.6%～48.2%，土壤含水量提高百分比为8.46%～19.56%，土壤有机质提高百分比为3.42%～10.24%，作物产量提高百分比为2.96%～5.46%。结合表8可知，研究区除了样地9、14，其余样地整体上坡度越小、埂坎损坏率越小、埂坎植被生长状况越好，地埂植物带的拦沙、改良土壤性状和作物增产的效果越好。

表9 研究区地埂植物带效益因子

地埂植物带效益因子与环境因子、人为因子相关系数见表10。由表10可知，与地埂植物带拦沙率呈显著及极显著相关的因子为坡度、埂坎损坏率，与作物产量提高百分比、土壤含水量提高百分比和有机质提高百分比呈显著及极显著相关的因子为坡度、埂坎损坏率、埂坎植被覆盖度和高度。

3.4 不同坡面水土保持措施综合效益对比

由表2—表10可知，三种水土保持措施埂坎损坏率、埂坎植被生长状况、固持水土状况、改良土壤理化性质和作物增产效果排序为水平梯田>坡式梯田>地埂植物带，差异均显著(p<0.05)。这说明，从生态效益和经济效益来看，三种水土保持措施在研究区的优劣排序为水平梯田>坡式梯田>地埂植物带。

表10 地埂植物带效益因子与环境因子、人为因子相关系数

4 结 论

(1)研究区三种坡面水土保持措施稳固性、生态效益和经济效益排序为水平梯田>坡式梯田>地埂植物带，差异均显著(p<0.05)。

(2)研究区坡度越小、埂坎损坏率越小、埂坎植被生长状况越好，三种水土保持措施的拦沙、改良土壤性状和作物增产的效果越好。

(3)与三种水土保持措施稳固性、生态效益和经济效益相关性最高的两个因子是坡度和埂坎损坏率，因此该区域应着重优化坡面坡度较高处的水土保持防护措施，并加强埂坎稳固性。

(4)研究区水平梯田整体固持水土状况、改良土壤性状和作物增产效果较为理想，但坡度≥10°的水平梯田埂坎损坏率超过30%，埂坎植被覆盖度不足60%。坡式梯田埂坎损坏率超过35%，坡度>8°时埂坎植被覆盖度大多不足60%。地埂植物带埂坎损坏率超过55%，拦沙率低于50%，说明该地区修建的土质埂坎不适用；埂坎植被覆盖度大多低于60%，且原埂坎植物均死亡，现为杂草，应重新选择抗冲性强、根系发达的植物种。

(5)研究区稳固性和拦沙、作物增产效果不理想的措施需要加强埂坎稳固性，如加强埂坎抗性植物的筛选和栽培管理，改善埂坎修建工艺，或使用生态膜袋等不易损毁的埂坎。