南方坡耕地水土保持措施分類及效應評價最小數(shù)據(jù)集

蔣光毅，曾小英，史東梅，張健樂

(1.重慶市水土保持監(jiān)測總站，重慶 401147； 2.中國科學院/水利部 成都山地災害與環(huán)境研究所山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點實驗室，四川 成都 610041； 3.中國科學院大學，北京 100049； 4.重慶市林業(yè)科學研究院，重慶 400036； 5.西南大學 資源環(huán)境學院，重慶 400715)

坡耕地是我國南方重要的耕地資源之一，坡耕地嚴重的水土流失造成耕層變薄、土地生產(chǎn)力下降，并形成坡耕地“開墾—侵蝕—貧困—再開墾”的惡性循環(huán)，這引起了一系列生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟和社會問題[1]。南方坡耕地主要土壤類型有紅壤、紫色土、黃壤，紅壤陡坡耕地表土每年侵蝕1 cm左右，對于十幾到幾十厘米的耕作層而言，其抗蝕年限很短[2]；紫色土坡耕地面蝕過程存在臨界閾值，降雨量、地形因子(坡度、坡長等)、種植制度、耕作方式等均對面蝕過程有顯著影響[3]；喀斯特區(qū)坡耕地(黃壤)特殊的地表、地下雙層空間結構，使巖溶區(qū)土壤侵蝕過程具有特殊性和復雜性，目前水土流失治理以地表侵蝕阻控技術為主[4]。水土保持措施分類是土壤侵蝕調(diào)查、小流域綜合治理、水土保持措施效應評價的基礎，劉寶元等[5]按照科學性、適用性和定量化原則，將我國水土保持措施分為生物措施、工程措施和耕作措施3個一級類型、32個二級類型和59個三級類型；吳發(fā)啟[6]從單項措施或兩種措施組合的角度，將水土保持農(nóng)業(yè)技術措施劃分為以改變微地形為主的蓄水保墑技術、以提高土壤抗蝕力為主的保護性耕作措施、以增加植物覆蓋為主的栽培技術3類。本研究從應用角度對南方坡耕地常見的水土保持措施種類、設計關鍵參數(shù)和適用條件進行分析，提出坡耕地水土流失監(jiān)測和水土保持效應評價最小數(shù)據(jù)集，以期為坡耕地水土保持措施優(yōu)化布局、生態(tài)治理項目中蓄水保土效益及生態(tài)效益的評價提供參數(shù)。

1 南方坡耕地分布特征

南方坡耕地有1 376.3萬hm2，占全國坡耕地面積的57.4%，占本區(qū)耕地面積的26.3%[7]。南方各省(區(qū)、市)坡耕地數(shù)量及坡度級差異性較大，具體見表1。其中，西南區(qū)(重慶、四川、貴州、云南)各省(市)坡耕地面積占本省(市)耕地面積的50%左右，是我國坡耕地最集中的地區(qū)，其坡耕地總面積達991.5萬hm2，占南方坡耕地的72.0%，占全國坡耕地的41.4%；而江蘇、安徽、江西的坡耕地面積占本省耕地面積比例小于10%。從水土流失類型區(qū)來看，南方紅壤區(qū)和西南紫色土區(qū)共有坡耕地801.7萬hm2，占全國坡耕地面積的33.5%，占兩區(qū)耕地面積的22.6%，高于全國平均水平(19.7%)。

表1 南方各省(區(qū)、市)坡耕地分布狀況[7]

從坡度分布看，南方各省(區(qū)、市)坡耕地主要為15°以下的緩坡耕地，5°～15°坡耕地面積共624.5萬hm2，占南方坡耕地面積的45.4%；其次是15°～25°坡耕地，共536.5萬hm2，占39.0%；大于25°坡耕地面積共215.3萬hm2，占15.6%。據(jù)調(diào)查，南方15°～25°坡耕地宜耕率較高，西南區(qū)15°～25°坡耕地宜耕率達87.2%，長江中下游區(qū)(上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南)15°～25°宜耕坡耕地占該區(qū)宜耕坡耕地的84.83%，華南區(qū)(福建、廣東、廣西、海南)15°～25°宜耕坡耕地占該區(qū)宜耕坡耕地的94.22%。

2 坡耕地水土保持措施分類

坡耕地水土保持措施是防治坡面水土流失、改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的綜合性技術措施，主要反映在削減降雨侵蝕力和徑流沖刷侵蝕、改善土壤理化性質(zhì)以提高抗侵蝕性能、提高坡耕地和坡地種植業(yè)立地條件等方面。南方可將消滅細溝作為坡耕地水土流失防治的目標和標準，堅持“排水保土”治理原理，實施以“調(diào)控坡面徑流”為核心的坡耕地治理措施總體布局[8]。本研究沿用水土保持措施三分法，從應用角度將南方坡耕地水土保持措施分為農(nóng)業(yè)技術措施、工程措施和林草措施三大類(表2)。在國家大力推進生態(tài)文明建設的新時期，坡耕地水土流失防治要以山水林田湖草生命共同體為原則，統(tǒng)一規(guī)劃、綜合治理，通過坡改梯、修建田間道路、配套坡面水系，結合林草措施和農(nóng)業(yè)技術措施，協(xié)調(diào)地表水庫與“土壤水庫”相互關系，有效阻控坡耕地水土流失。

表2 南方坡耕地主要水土保持措施分類

在坡耕地合理耕層構型調(diào)控[9]和基于要素—過程—功能的耕地質(zhì)量理論[10]的背景下，在紫色土坡耕地土壤侵蝕防治措施方面，不能再將坡耕地土壤侵蝕單以水蝕來代替，所采取的水土保持措施也需要考慮防治耕作侵蝕[3]。紫色丘陵區(qū)坡耕地應以“保土排水”為目標，實施可改善坡耕地微觀地形的生物梯田、植物籬和生物籬埂技術，改良土壤理化性質(zhì)和耕作性質(zhì)，保持一定厚度的耕作土層以降低土壤侵蝕危險性，減少坡面土壤流失量并降低坡耕地季節(jié)性干旱危險性，保持穩(wěn)定的土地生產(chǎn)力[11]。南方紅壤低山丘陵區(qū)則以生態(tài)功能提升與生產(chǎn)功能優(yōu)化為核心，研發(fā)了集成地表徑流調(diào)控、土壤肥力提升、植被可持續(xù)恢復和景觀結構優(yōu)化為一體的水土流失治理技術體系，已形成兼顧生態(tài)服務功能提升與民生改善的區(qū)域水土流失綜合治理模式與管理體系[12]。

3 坡耕地水土保持生態(tài)效應評價最小數(shù)據(jù)集

坡耕地地塊既是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)單元，也是嚴重的水土流失單元；耕層是受水土流失影響最大和農(nóng)業(yè)耕作活動最為劇烈的表層土壤。根據(jù)坡耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”保護原則，坡耕地水土保持措施的生態(tài)效應評價應綜合考慮坡耕地的立地條件、耕層土壤理化性質(zhì)及管理等因素。坡耕地合理耕層指在一定耕作制度下，可持續(xù)維持農(nóng)作物正常生長且能實現(xiàn)侵蝕控制的坡耕地耕層土壤質(zhì)量基準，采用在地塊尺度上可綜合反映土壤生產(chǎn)力過程和土壤侵蝕控制的土壤屬性指標來表征[9]，這是實現(xiàn)侵蝕控制和農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)的前提條件。因此，我們結合南方侵蝕土壤物理退化、化學退化和生物退化指標體系[13]，綜合紫色土坡耕地最小數(shù)據(jù)集[9]、基于土壤屬性和土地利用變化敏感性的最小數(shù)據(jù)集[14]及紅壤坡耕地最小數(shù)據(jù)集[15]研究成果，從坡耕地侵蝕控制和耕層農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性能雙重目標實現(xiàn)角度，在坡耕地水土流失監(jiān)測的降雨、徑流、泥沙指標基礎上，提出了坡耕地水土保持效應評價最小數(shù)據(jù)集(Minimum Data Sets)，并將各指標對耕層功能的指示作用分為保水、保土、保肥、穩(wěn)定耕層四個方面，具體如表3所示。建議對于生態(tài)治理項目，坡耕地生態(tài)效應評價可參照表3進行定位、定期和實時監(jiān)測，以實現(xiàn)坡耕地水土資源持續(xù)高效利用。

表3 地塊水土保持效應評價最小數(shù)據(jù)集

反映坡耕地抗侵蝕性能的指標有抗剪強度、土壤質(zhì)地，反映坡耕地生產(chǎn)性能的指標有土壤質(zhì)地、有機質(zhì)、有效土層厚度、耕層厚度、土壤容重、陽離子交換量，反映坡耕地耕作性能的指標有抗剪強度、貫入阻力。從坡耕地耕層抗侵蝕性能及土壤生產(chǎn)性能角度出發(fā)，坡耕地水土保持效應評價的關鍵指標有田塊坡度、徑流系數(shù)、土壤侵蝕模數(shù)、土壤有機質(zhì)、土壤質(zhì)地。

4 結 論

(1)坡耕地是南方重要的耕地類型之一，西南區(qū)坡耕地占南方坡耕地的72.0%，占全國坡耕地的41.4%；從水土流失類型區(qū)看，南方紅壤區(qū)和西南紫色土區(qū)共有坡耕地801.7萬hm2，占該區(qū)耕地面積的22.6%，高于全國平均水平(19.7%)。

(2)南方坡耕地水土保持措施分為農(nóng)業(yè)技術措施、工程措施、林草措施三大類。在坡耕地綜合治理中，常用的水土保持工程措施有梯田工程等，不適宜坡改梯工程的地區(qū)可采用保土耕作措施以及植物籬、生物埂等林草措施。

(3)南方坡耕地水土保持效應評價最小數(shù)據(jù)集指標有年降雨量、徑流系數(shù)、土壤侵蝕模數(shù)、田塊坡度、有效土層厚度、耕層厚度、土壤質(zhì)地、土壤結構、土壤容重、土壤入滲性、土壤貫入阻力、土壤抗剪強度、土壤有機質(zhì)、土壤陽離子交換量。其中，田塊坡度、徑流系數(shù)、土壤侵蝕模數(shù)、土壤有機質(zhì)、土壤質(zhì)地是坡耕地水土保持效應評價的關鍵指標。