東北黑土區(qū)山地丘陵區(qū)坡面水土保持措施效益研究

張 瑜，徐子棋，楊獻(xiàn)坤，崔 斌，蘆貴君

(吉林省水土保持科學(xué)研究院，吉林 長春 130033)

東北黑土區(qū)是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，近年來不合理的開墾和利用，使其水土流失狀況日益加劇，已威脅到區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食安全，現(xiàn)已被列為全國重要的水土流失治理區(qū)[1]。坡耕地是黑土區(qū)水土流失發(fā)生最為嚴(yán)重的區(qū)域，其面積占黑土區(qū)總耕地面積的59.38%，每年黑土層減少的厚度為0.4～0.5 cm，造成耕地質(zhì)量的下降和可利用耕地面積的減少[2-3]。因此，黑土區(qū)坡耕地水土保持措施是近年來水土保持領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對象。

眾多學(xué)者對黑土區(qū)坡耕地水土保持措施做了相關(guān)研究。劉卉芳等[4]總結(jié)了黑土區(qū)水土流失現(xiàn)有技術(shù)措施和黑土區(qū)不同地貌區(qū)的現(xiàn)有治理模式。桑琦明等[5]對斜坡壟作與順坡壟作土壤侵蝕進(jìn)行了對比分析。劉平奇[6]研究了黑土區(qū)坡耕地深松、秸稈還田等耕作措施對水土流失、土壤養(yǎng)分和土壤呼吸等方面的影響。張瑜等[2]研究了黑土區(qū)坡式條田減水減沙、改善土壤水熱和土壤呼吸狀況等方面的作用。馮洋等[7]研究了水保林、地埂植物帶和水平梯田對黑土區(qū)坡耕地土壤養(yǎng)分流失的影響。金萬鵬[8]研究了黑土區(qū)坡耕地植物籬、地埂植物帶改善土壤理化性質(zhì)和團(tuán)聚體穩(wěn)定性的效果，并研究了上述措施尺寸和組合的優(yōu)化方式。王禹宸[9]研究了黑土區(qū)優(yōu)良地埂植物的篩選方法及攔蓄效果。賀云鋒等[3]研究了黑土區(qū)坡耕地采用秸稈深還、秸稈碎混、免耕+殘茬覆蓋的水土保持效果。李飛等[10]研究了黑土區(qū)坡耕地秸稈覆蓋固持水土、減少養(yǎng)分流失的效果。東北黑土區(qū)不同地貌區(qū)水土流失特征差異較大,水土保持措施在各區(qū)域的適宜性也有很大不同[11]。山地丘陵是東北黑土區(qū)主要地貌，然而有關(guān)該地貌區(qū)坡面水土保持措施效果的研究卻鮮有報(bào)道。

本研究選取東北黑土區(qū)山地丘陵區(qū)典型小流域不同坡面水土保持措施，研究其環(huán)境因子、人為因子、效益因子之間的相關(guān)關(guān)系，以期為同類地貌區(qū)水土保持措施優(yōu)選和技術(shù)提升提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)措施田面位于吉林省柳河縣、輝南縣、敦化市和東遼縣，呈山地丘陵地貌，年降水量500～1 000 mm，屬中溫帶半濕潤、濕潤區(qū)，主要土壤為黑土、暗棕壤、棕壤和沼澤土等，侵蝕類型主要為水蝕，侵蝕強(qiáng)度主要為輕度和中度。研究區(qū)措施田面信息見表1，對照田為相應(yīng)措施田旁的無措施田。

表1 研究區(qū)措施田面信息

2 測定方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)獲取方法主要包括田間實(shí)測和技術(shù)咨詢，田間實(shí)測于2020年7月7—12日完成。

2.1.1 環(huán)境因子

坡度：研究區(qū)坡面均屬直線型坡面，采用水準(zhǔn)儀測量。

埂坎植被覆蓋度：每塊樣地選擇5條埂坎，每條埂坎選擇3個樣方(寬為埂坎寬，長為1 m),用數(shù)碼相機(jī)拍照后，采用PCOVER軟件進(jìn)行覆蓋度計(jì)算，結(jié)果取平均值。

埂坎植被高度：每塊樣地選擇5條埂坎，每條埂坎選擇10株植物進(jìn)行測定，結(jié)果取平均值，單位為cm。

2.1.2 人為因子

埂坎損壞率：每塊樣地取5條埂坎測定損壞率，即埂坎損壞長度占總埂坎長度的百分比。埂坎是梯田攔蓄水沙的重要措施，埂坎完好度及植被狀況影響梯田攔蓄水沙效果。

措施年限：向當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)單位咨詢獲得，單位為a。

2.1.3 效益因子

攔沙率：向當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)單位咨詢，獲得2019年數(shù)據(jù)。

土壤含水量提高百分比：利用稱重法測定，在每塊樣地坡面的坡上、坡中、坡下各選擇3個樣點(diǎn)，取平均值。

土壤有機(jī)質(zhì)提高百分比：利用重鉻酸鉀容量法(外加熱)測定，在每塊樣地坡面的坡上、坡中、坡下各選擇3個樣點(diǎn)，取平均值。

作物產(chǎn)量提高百分比：向當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)單位咨詢，獲得2019年數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理軟件

整理數(shù)據(jù)所用軟件為Excel，方差分析(單因素方差分析)所用軟件為SPSS 25.0。

3 結(jié)果與分析

3.1 水平梯田效益因子與環(huán)境因子、人為因子的關(guān)系

研究區(qū)水平梯田所在坡面坡度為5°～15°，措施年限分別為5 a和7 a，埂坎植物均為紫穗槐，水平梯田環(huán)境因子與人為因子見表2。由表2可知，整體上水平梯田埂坎損壞率隨著坡度增加而增大，如編號27(坡度15°)、29(坡度12°)、35(坡度6°)的埂坎損壞率分別為36.66%、31.61%、14.20%，二者呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.885(p<0.01)；埂坎植被生長狀況隨著坡度增加、埂坎損壞率增加而惡化，埂坎植被覆蓋度和高度與坡度、埂坎損壞率均呈極顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)絕對值均不低于0.684。

表2 研究區(qū)水平梯田環(huán)境因子與人為因子

研究區(qū)水平梯田效益因子見表3。由表3可知，研究區(qū)水平梯田攔沙率為86.2%～99.4%，土壤含水量提高百分比為17.8%～33.2%，土壤有機(jī)質(zhì)提高百分比為8.6%～20.4%，作物產(chǎn)量提高百分比為8.36%～12.60%。結(jié)合表2可知，整體上研究區(qū)坡度越小、埂坎損壞率越小、埂坎植被生長狀況越好，水平梯田的攔沙、改良土壤性狀和作物增產(chǎn)的效果就越好。

表3 研究區(qū)水平梯田效益因子

水平梯田效益因子與環(huán)境因子、人為因子相關(guān)系數(shù)見表4。由表4可知，與水平梯田攔沙率呈極顯著相關(guān)的因子為坡度、埂坎損壞率、埂坎植被覆蓋度和高度；與作物產(chǎn)量提高百分比呈極顯著相關(guān)的因子為坡度和埂坎損壞率；與土壤含水量提高百分比和有機(jī)質(zhì)提高百分比呈顯著及極顯著相關(guān)的因子為坡度、埂坎損壞率、埂坎植被覆蓋度和高度。

表4 水平梯田效益因子與環(huán)境因子、人為因子相關(guān)系數(shù)

3.2 坡式梯田效益因子與環(huán)境因子、人為因子的關(guān)系

研究區(qū)坡式梯田所在坡面坡度為6°～12°，措施年限為5 a，埂坎植被類型為紫穗槐和黃花菜，坡式梯田環(huán)境因子與人為因子見表5。由表5可知，埂坎損壞率為36.8%～49.2%，埂坎損壞率隨著坡度增加而增大，如編號8(坡度12°)、1(坡度8°)、3(坡度6°)的埂坎損壞率分別為49.2%、46.1%和36.8%，二者相關(guān)系數(shù)為0.401(p<0.05)；埂坎植被覆蓋度隨著坡度增加而極顯著降低(p<0.01)，埂坎植被高度隨埂坎損壞率升高而顯著降低(p<0.05)。

表5 研究區(qū)坡式梯田環(huán)境因子與人為因子

研究區(qū)坡式梯田效益因子見表6。由表6可知，研究區(qū)坡式梯田攔沙率為60.2%～71.2%，土壤含水量提高百分比為13.21%～21.46%，土壤有機(jī)質(zhì)提高百分比為5.34%～12.35%，作物產(chǎn)量提高百分比為5.22%～7.46%。結(jié)合表5可知，研究區(qū)坡度越小、埂坎措施損壞率越小、埂坎植被生長狀況越好，坡式梯田的攔沙、改良土壤性狀和作物增產(chǎn)的效果越好。

表6 研究區(qū)坡式梯田效益因子

坡式梯田效益因子與環(huán)境因子、人為因子相關(guān)系數(shù)見表7。由表7可知，與坡式梯田攔沙率、作物產(chǎn)量提高百分比、土壤含水量提高百分比和有機(jī)質(zhì)提高百分比呈顯著及極顯著相關(guān)的因子為坡度、埂坎損壞率、埂坎植被覆蓋度。研究區(qū)坡式梯田埂坎兩個植物品種(紫穗槐和黃花菜)高度差異較大，因此坡式梯田效益因子與埂坎植被高度相關(guān)關(guān)系不明顯。

表7 坡式梯田效益因子與環(huán)境因子、人為因子相關(guān)系數(shù)

3.3 地埂植物帶效益因子與環(huán)境因子、人為因子的關(guān)系

研究區(qū)地埂植物帶所在坡面坡度為4°～8°，措施年限分別為5 a和7 a，埂坎植物原均為黃花菜，后全部死亡，現(xiàn)為雜草，地埂植物帶環(huán)境因子與人為因子見表8。由表8可知，研究區(qū)地埂植物帶埂坎損壞較為嚴(yán)重，損壞率為58.2%～100.0%，說明地埂植物帶埂坎較易損壞。除了樣地9、14，其余樣地埂坎損壞率隨著坡度增加而增大，如編號10(坡度8°)、16(坡度6°)的埂坎損壞率分別為68.2%、62.2%，二者相關(guān)系數(shù)為0.100(p<0.05),相關(guān)系數(shù)較小的原因可能是研究區(qū)地埂植物帶坡面坡度差異較小。埂坎植被覆蓋度和高度隨著坡度增加而極顯著降低(p<0.01)，二者與地埂植物帶埂坎損壞率無顯著相關(guān)關(guān)系。

表8 研究區(qū)地埂植物帶環(huán)境因子與人為因子

研究區(qū)地埂植物帶效益因子見表9。由表9可知，研究區(qū)地埂植物帶攔沙率為15.6%～48.2%，土壤含水量提高百分比為8.46%～19.56%，土壤有機(jī)質(zhì)提高百分比為3.42%～10.24%，作物產(chǎn)量提高百分比為2.96%～5.46%。結(jié)合表8可知，研究區(qū)除了樣地9、14，其余樣地整體上坡度越小、埂坎損壞率越小、埂坎植被生長狀況越好，地埂植物帶的攔沙、改良土壤性狀和作物增產(chǎn)的效果越好。

表9 研究區(qū)地埂植物帶效益因子

地埂植物帶效益因子與環(huán)境因子、人為因子相關(guān)系數(shù)見表10。由表10可知，與地埂植物帶攔沙率呈顯著及極顯著相關(guān)的因子為坡度、埂坎損壞率，與作物產(chǎn)量提高百分比、土壤含水量提高百分比和有機(jī)質(zhì)提高百分比呈顯著及極顯著相關(guān)的因子為坡度、埂坎損壞率、埂坎植被覆蓋度和高度。

3.4 不同坡面水土保持措施綜合效益對比

由表2—表10可知，三種水土保持措施埂坎損壞率、埂坎植被生長狀況、固持水土狀況、改良土壤理化性質(zhì)和作物增產(chǎn)效果排序?yàn)樗教萏?坡式梯田>地埂植物帶，差異均顯著(p<0.05)。這說明，從生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益來看，三種水土保持措施在研究區(qū)的優(yōu)劣排序?yàn)樗教萏?坡式梯田>地埂植物帶。

表10 地埂植物帶效益因子與環(huán)境因子、人為因子相關(guān)系數(shù)

4 結(jié) 論

(1)研究區(qū)三種坡面水土保持措施穩(wěn)固性、生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益排序?yàn)樗教萏?坡式梯田>地埂植物帶，差異均顯著(p<0.05)。

(2)研究區(qū)坡度越小、埂坎損壞率越小、埂坎植被生長狀況越好，三種水土保持措施的攔沙、改良土壤性狀和作物增產(chǎn)的效果越好。

(3)與三種水土保持措施穩(wěn)固性、生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益相關(guān)性最高的兩個因子是坡度和埂坎損壞率，因此該區(qū)域應(yīng)著重優(yōu)化坡面坡度較高處的水土保持防護(hù)措施，并加強(qiáng)埂坎穩(wěn)固性。

(4)研究區(qū)水平梯田整體固持水土狀況、改良土壤性狀和作物增產(chǎn)效果較為理想，但坡度≥10°的水平梯田埂坎損壞率超過30%，埂坎植被覆蓋度不足60%。坡式梯田埂坎損壞率超過35%，坡度>8°時埂坎植被覆蓋度大多不足60%。地埂植物帶埂坎損壞率超過55%，攔沙率低于50%，說明該地區(qū)修建的土質(zhì)埂坎不適用；埂坎植被覆蓋度大多低于60%，且原埂坎植物均死亡，現(xiàn)為雜草，應(yīng)重新選擇抗沖性強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)的植物種。

(5)研究區(qū)穩(wěn)固性和攔沙、作物增產(chǎn)效果不理想的措施需要加強(qiáng)埂坎穩(wěn)固性，如加強(qiáng)埂坎抗性植物的篩選和栽培管理，改善埂坎修建工藝，或使用生態(tài)膜袋等不易損毀的埂坎。