張愛(ài)玲, 鐘云飛, 陳祥偉

(1.東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040; 2.松遼委松遼流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站， 吉林 長(zhǎng)春 130021)

東北黑土區(qū)是中國(guó)最大的商品糧生產(chǎn)基地，同時(shí)又是重要的生態(tài)安全屏障區(qū)。雖然開墾歷史僅有百余年，但由于機(jī)械化開發(fā)強(qiáng)度大、速度快，加之獨(dú)特的漫川漫崗起伏丘陵區(qū)地形，沒(méi)有采取任何水土保持措施，導(dǎo)致目前水土流失問(wèn)題凸顯，呈危害加劇的發(fā)展態(tài)勢(shì)。除表現(xiàn)為黑土層變薄外，大量的侵蝕溝道不僅破壞了土地資源，更是對(duì)機(jī)械化作業(yè)構(gòu)成嚴(yán)重障礙，降低作業(yè)效率，阻礙了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。拜泉縣位于黑龍江省中部，行政隸屬齊齊哈爾市，地理范圍125°30′—126°31′E，47°20′—47°55′N，地處小興安嶺西麓向松嫩平原過(guò)渡的山前臺(tái)地和丘陵地帶，地形呈波狀起伏，坡度較緩，一般不超過(guò)5°～8°，但坡長(zhǎng)較長(zhǎng)，多為幾百米，甚至上千米。土壤類型以黑土為主，有機(jī)質(zhì)含量高。在中國(guó)水土保持分區(qū)中屬于東北黑土丘陵漫崗區(qū)。氣候?qū)儆谥袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，平均年降水量490 mm，大于等于10 ℃積溫2 454.5 ℃，無(wú)霜期122 d。拜泉縣1898年開始放荒，1906年建縣開始?jí)ㄖ?，縣名源自蒙語(yǔ)，意為“寶貴的泉水”。和緩的地形，肥沃的土壤，雨熱同季的氣候條件，比較豐富的水資源曾使其成為東北“呼(蘭)海(倫)巴(彥)拜(泉)4大糧倉(cāng)”之一[1]。建國(guó)初期就是東北地區(qū)極具代表性的種植業(yè)為主的農(nóng)業(yè)大縣，是全國(guó)著名的產(chǎn)糧大縣。1958年曾榮獲周恩來(lái)總理簽發(fā)的“農(nóng)業(yè)社會(huì)主義建設(shè)先進(jìn)單位”獎(jiǎng)狀。但由于長(zhǎng)期生產(chǎn)中未關(guān)注水土保持，到80年代農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境已嚴(yán)重惡化，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)步履維艱，是黑龍江省和國(guó)家重點(diǎn)扶持的貧困縣[2]。1986年拜泉縣啟動(dòng)了生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)，在制定《拜泉縣生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)總體規(guī)劃》的基礎(chǔ)上[3]，走以水土保持為依托的生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展之路，實(shí)現(xiàn)了生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益三增長(zhǎng)[4]。經(jīng)過(guò)約20 a的努力，已形成較為完善的水土流失綜合防護(hù)體系[5]：依托工程、植物、耕作三大措施，建立坡頂、坡面、溝道“三道防線”體系，實(shí)現(xiàn)工程、土壤、生物“三種水庫(kù)”運(yùn)轉(zhuǎn)，成為東北黑土區(qū)水土保持示范模式[6]。2008年以后隨著國(guó)家水土流失綜合防治工程的陸續(xù)投入，拜泉縣水土保持更是上了新的臺(tái)階，2013年被評(píng)為東北黑土區(qū)唯一的國(guó)家水土保持生態(tài)文明縣。這些工程包括：東北黑土區(qū)水土流失綜合防治試點(diǎn)工程，國(guó)家農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)東北黑土區(qū)水土流失治理重點(diǎn)工程，坡耕地水土流失綜合治理試點(diǎn)工程。很多學(xué)者圍繞生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益指標(biāo)，對(duì)拜泉縣生態(tài)農(nóng)業(yè)和國(guó)家防治工程實(shí)施成效進(jìn)行了總結(jié)，缺少定量效益的直接估算。本研究擬針對(duì)國(guó)家防治工程的投入，定量評(píng)價(jià)拜泉縣實(shí)施這些工程后的水土保持效益。

1 資料與方法

資料包括4部分： ①水土保持措施工程實(shí)施情況。包括兩部分，一是水利部松遼流域委員會(huì)提供的2011—2015年國(guó)家級(jí)農(nóng)發(fā)項(xiàng)目水土保持工程的統(tǒng)計(jì)資料，其中拜泉縣僅在2011，2013，2015年實(shí)施，含水土保持措施類型、實(shí)施位置和面積；二是發(fā)表的2008—2012年國(guó)家級(jí)試點(diǎn)工程水土保持工程文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，含水土保持措施類型和面積[5]； ②土地利用數(shù)據(jù)。與這水土保持措施實(shí)施年份對(duì)應(yīng)的拜泉縣2011，2013和2015年的資源3號(hào)衛(wèi)星影像，空間分辨率為2.1 m，用于分析土地利用變化；③拜泉縣氣象站1981—2010年30 a逐日降雨資料，用于計(jì)算全縣降雨侵蝕力；④拜泉縣1∶1萬(wàn)比例尺的DEM高程數(shù)據(jù)，屬TIN表面類型數(shù)據(jù)，用于提取坡度和坡長(zhǎng)。

分別以高分辨率衛(wèi)星遙感影像為數(shù)據(jù)源，在GIS技術(shù)支持下，采取人機(jī)交互方式[7-8]，解譯獲取拜泉縣土地利用圖，項(xiàng)目區(qū)水土保持措施分布圖；然后實(shí)地調(diào)查項(xiàng)目區(qū)水土保持措施實(shí)施情況[9]，調(diào)查內(nèi)容包括：梯田、地埂、改壟等坡耕地治理措施；截水溝等荒坡治理措施；造林、種草等林草措施和封育治理措施；溝頭防護(hù)、跌水、谷坊等溝道治理措施；塘壩、蓄水池、作業(yè)路等措施的面積和數(shù)量。同時(shí)進(jìn)行土地利用解譯結(jié)果驗(yàn)證。

根據(jù)解譯和調(diào)查結(jié)果，在全縣范圍內(nèi)采用中國(guó)土壤流失方程(CSLE， Chinese soil loss equation)[10]分別計(jì)算項(xiàng)目實(shí)施前后的土壤流失量：

A=R×K×L×S×B×E×T

(1)

式中：A——年平均土壤流失量〔t/(hm2·a)〕；R——降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；K——土壤可蝕性因子〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕；L,S——坡長(zhǎng)因子和坡度因子，無(wú)量綱；B——植被覆蓋與生物措施因子，無(wú)量綱；E——水土保持工程措施因子，無(wú)量綱；T——水土保持耕作措施因子，無(wú)量綱。計(jì)算降雨侵蝕力使用拜泉縣1981—2010年30 a逐日降雨資料，計(jì)算坡度坡長(zhǎng)時(shí)使用1∶1萬(wàn)比例尺DEM數(shù)據(jù)(屬TIN表面類型數(shù)據(jù))。

降雨侵蝕力因子采用章文波等[11]提出的簡(jiǎn)易算式估算：

(2)

β=0.836 3+18.144/Pd12+24.455/Py12

(3)

α=21.586β-7.189 1

(4)

式中：Ri——第i個(gè)半月時(shí)段的侵蝕力值〔MJ·mm/(hm2·h)〕；k——半月時(shí)段內(nèi)的天數(shù)(d);Pj——半月時(shí)段內(nèi)第j天日雨量大于等于12 mm的侵蝕性日雨量(mm)，否則以0計(jì)算；全年24個(gè)時(shí)段，以每月前15 d作為一個(gè)半月段，該月剩下部分作為另一個(gè)半月時(shí)段；Pd12——日降雨量≥12 mm的多年平均日雨量(mm)；Py12——日降雨量≥12 mm的多年平均年雨量(mm)。計(jì)算逐年各半月降雨侵蝕力后，累加得到年降雨侵蝕力，取多年平均后得出年均降雨侵蝕力。

土壤可蝕性因子采用黑土的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)實(shí)測(cè)值，根據(jù)北京師范大學(xué)水土保持試驗(yàn)站觀測(cè)得到，取值為0.038 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)。

坡度因子和坡長(zhǎng)因子首先基于DEM數(shù)據(jù)計(jì)算坡長(zhǎng)和坡度，然后按以下公式計(jì)算坡長(zhǎng)因子和坡度因子：

L=(λ/22.1)m

(5)

(6)

式中：L——坡長(zhǎng)因子，無(wú)量綱；λ——坡長(zhǎng)(m)；m——坡長(zhǎng)指數(shù)；S——坡度因子，無(wú)量綱；θ——坡度(°)。

植被覆蓋與生物措施B因子主要針對(duì)林地和草地，以及其他各類非農(nóng)地的土地利用按表1賦值，主要參考了張雪花等[12]利用人工降雨徑流模擬試驗(yàn)得到的東北黑土區(qū)植被因子值，同時(shí)參照美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)手冊(cè)282號(hào)USLE[13]基于土地利用/覆被類型的C因子值表。

拜泉縣耕地的工程措施只有梯田，其他主要是耕作措施，包括：深松、秸稈還田、壟向區(qū)田、等高壟作、地埂植物帶等[14]。依據(jù)松遼水利委員會(huì)(2012年)發(fā)布的各種水土保持措施效益公告，得到措施因子值(表2)。

利用ArcGIS軟件，分別基于土地利用和水土保持措施分布進(jìn)行因子賦值，然后進(jìn)行7個(gè)因子的柵格圖層乘積運(yùn)算，得到每個(gè)柵格的侵蝕模數(shù)，按照《黑土區(qū)水土流失綜合防治技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(SL446-2009)劃分等級(jí)后匯總分析。

由于2008—2012年國(guó)家級(jí)水土保持工程只有統(tǒng)計(jì)資料，采用2011—2015年計(jì)算的各類措施平均保土量，依據(jù)2008—2012年各類措施類型和面積估算其保土量。

表1 基于不同土地利用類型的B因子取值

注：其他各類土地包括交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施、城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民點(diǎn)、特殊用地、商服及公共用地、除裸土外的其他土地。

表2 耕地工程措施因子E與耕作措施因子T取值

注：深松因子值根據(jù)北京師范大學(xué)水土保持試驗(yàn)站觀測(cè)資料得到； 斜坡起壟因子值是等高壟作與順坡起壟因子值的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化

拜泉縣總土地面積3 601.7 km2。2015年該縣土地利用類型以耕地為主，面積為2 761 km2，占全縣土地總面積的76.66%，其次為居民點(diǎn)及工礦交通用地，面積380.6 km2，占全縣土地總面積的10.57%，林地面積302.3 km2，占8.39%，草地面積占2.50%，其他土地利用類型面積較小(圖1)。5 a以來(lái)，拜泉縣總體耕地、草地、其他用地面積減少，其中耕地面積由2 878.5 km2減少為2 761 km2，減少了117.5 km2，草地面積由172.8 km2減少為90.2 km2，減少了82.6 km2。林地、居民點(diǎn)及工礦交通用地、水域及水利設(shè)施用地面積增加，其中林地面積由271.8 km2增加為302.3 km2，增加了30.5 km2，居民點(diǎn)及工礦交通用地由211.3 km2增加為380.6 km2，增加了169.3 km2。各土地利用類型中變化最為明顯的為耕地和居民點(diǎn)及工礦交通用地，拜泉縣2011，2013，2015年，耕地面積減少，人口擴(kuò)張較為明顯，居民點(diǎn)及工礦交通用地大大增加，耕地和草地主要轉(zhuǎn)化居民點(diǎn)及工礦交通用地和林地，耕地面積減少、林地面積增加在一定程度上說(shuō)明拜泉縣生態(tài)環(huán)境狀況有所好轉(zhuǎn)。

圖1 拜泉縣2011，2013，2015年土地利用統(tǒng)計(jì)

2.2 拜泉縣2008-2015年實(shí)施水土保持措施情況

在國(guó)家農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)水土保持項(xiàng)目和坡耕地水土流失綜合治理試點(diǎn)工程建設(shè)的推動(dòng)下，2008—2010年拜泉縣水土保持措施實(shí)施面積為72.03 km2，主要包括坡耕地治理工程(66.12 km2)和林草措施(5.91 km2，表3)。坡耕地的治理包括坡改梯(水平梯田、土坎坡式梯田和灌木坎坡式梯田)，面積為15.64 km2，地埂植物帶，面積為7.24 km2，改壟，面積為43.24 km2。此外，還修建了497座谷坊和45座跌水。同2008—2010年相比，拜泉縣的水保措施類型和面積都大幅增加，2011—2015年增加了荒坡治理工程、封育治理和小型蓄水保土工程的修建。2011—2015年各類水土保持措施都有所增加，截止到2015年拜泉縣水土保持措施總面積為2 497.62 km2，其中以坡耕地治理工程為主，面積為1 985.89 km2，占水土保持措施總面積的79.51%，其中，梯田面積為110.32 km2，地埂面積為37.15 km2，改壟面積為1 669.09 km2，截流溝面積為169.33 km2?；钠轮卫砉こ炭偯娣e34.96 km2，封育治理面積24.57 km2，林草措施面積452.2 km2，治溝工程13 481處/座，小型蓄水保土工程490處/座。2011—2015年，拜泉縣水土保持措施面積逐年增加，其中2011—2013年新增實(shí)施國(guó)家農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)東北黑土區(qū)水土流失綜合治理工程太平川項(xiàng)目區(qū)松林、興家、整理、戰(zhàn)斗小流域，全國(guó)坡耕地水土流失綜合治理試點(diǎn)工程久勝項(xiàng)目區(qū)，中央預(yù)算內(nèi)水土流失重點(diǎn)治理工程建國(guó)、衛(wèi)東小流域，項(xiàng)目區(qū)總面積150.41 km2，新增水土保持措施總面積65.66 km2。2013—2015年新增實(shí)施國(guó)家農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)東北黑土區(qū)水土流失綜合治理工程太平川項(xiàng)目區(qū)進(jìn)步、老道山小流域，中央預(yù)算內(nèi)水土流失重點(diǎn)治理工程乾元小流域，省級(jí)財(cái)政水土保持專項(xiàng)工程史家溝、霍家溝，全國(guó)坡耕地水土流失綜合治理工程勞動(dòng)和互助項(xiàng)目區(qū)，項(xiàng)目區(qū)總面積154.92 km2，新增實(shí)施水土保持措施面積37.83 km2。5 a以來(lái)新增項(xiàng)目區(qū)累計(jì)面積305.33 km2，水土保持措施新增治理面積103.49 km2。

表3 拜泉縣2008-2015年水土保持措施實(shí)施情況

2.3 拜泉縣2008-2015年國(guó)家級(jí)水土保持工程實(shí)施后的效益分析

2015年，拜泉縣水土流失總面積985.7 km2，占全縣土地總面積的27.37%，以輕度侵蝕面積為主，面積821.1 km2，占侵蝕總面積的83.30%，其次為中度侵蝕，面積143.3 km2，占侵蝕總面積的14.54%，其他侵蝕類型面積較小(表4)。2011，2013，2015年，拜泉縣侵蝕總面積逐年減少，由1 179.5 km2減少為985.7 km2，減少了193.8 km2。各級(jí)侵蝕面積也呈逐年減少趨勢(shì)，其中輕度侵蝕面積減少最大，由934.3 km2減少為821.1 km2，減少了113.2 km2。5 a以來(lái)，拜泉縣侵蝕總面積和各級(jí)強(qiáng)度侵蝕面積均呈減少趨勢(shì)，從各級(jí)侵蝕所占比例看中度及以上侵蝕面積比例呈減少趨勢(shì)，其中中度侵蝕面積占侵蝕總面積的比例由2011年的16.79%減少為2013年的15.82%和2015年的14.54%，輕度侵蝕面積占侵蝕總面積的比例呈增加趨勢(shì)，由2011年的79.21%，增加為2013年的81.45%，至2015年增加為83.3%，說(shuō)明拜泉縣總體侵蝕狀況有所好轉(zhuǎn)，侵蝕面積減少且侵蝕程度下降，中度及以上侵蝕逐漸轉(zhuǎn)化為輕度侵蝕。從2011，2013年到2015年，拜泉縣水土流失總面積減少了193.8 km2，各類水土保持措施新增治理面積103.49 km2是水土流失面積減少的主要原因，水域及水利設(shè)施用地和林地面積增加是水土流失面積減少的次要原因。拜泉縣實(shí)施的水土保持治理工程較好的改善了縣域水土流失狀況和生態(tài)環(huán)境。

表4 拜泉縣2011，2013，2015年水土流失情況統(tǒng)計(jì)

拜泉縣在坡耕地實(shí)施的水保措施主要包括坡改梯、地埂和改壟。不同的水土保持措施發(fā)揮著不同的效益(表5)。2008—2015年，梯田的保土量最多為203 984.95 t，占總保土量的40.21%，其次為改壟，保土量為188 873.93 t，占總保土量的37.23%，地埂的保土量最少，為114 479.98 t，占總保土量的22.56%。2008—2010年保土量為19 278.19 t，占總保土量的3.80%，其中梯田的保土量最多為9 748.27 t，占該時(shí)段總保土量的50.57%，其次為地埂和改壟，保土量比例分別為40.90%和8.54%。2012年水土流失綜合試點(diǎn)工程建設(shè)11.11 km2的梯田，保土量為6 926.18 t。對(duì)比2011，2013和2015年，各水土保持措施類型的保土量逐年增加，占總保土量的比例由2011年的29.65%，上升為2013年的31.14%，再上升為2015年的34.04%，這主要是得益于各措施類型面積的逐年增加。5 a來(lái)，改壟面積較為穩(wěn)定，其平均保土量為62 409.51 t。2011和2013年改壟的保土量為最多，2015年梯田的保土量高于改壟的保土量。雖然單位面積的地埂保土量最高，但由于其面積相對(duì)較少，其保土量低于梯田和改壟。由于改壟不占用和破壞耕地，工程量小，推廣容易，因此是拜泉縣分布面積最廣，最常見(jiàn)的坡耕地水土保持措施。但改壟的單位面積保土量低，如何綜合投入產(chǎn)出效益和保土效益優(yōu)化水土保持措施分布應(yīng)加強(qiáng)研究。

表5 拜泉縣2008-2015年坡耕地水土保持措施效益評(píng)估

3 結(jié) 論

本文使用拜泉縣2011，2013和2015年3 a的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了土地利用變化分析，結(jié)果顯示拜泉縣土地利用以耕地為主，占縣域總面積的76.7%，該縣土地利用由耕地向居民點(diǎn)及工礦交通用地和林地流轉(zhuǎn)，生態(tài)環(huán)境有所好轉(zhuǎn)。對(duì)拜泉縣2008—2012，2011，2013，2015年實(shí)施水土保持工程情況及其效益進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示2011—2015年水土流失面積和強(qiáng)度逐年降低，由中度及以上程度侵蝕轉(zhuǎn)為輕度侵蝕；新增實(shí)施水土保持措施總面積103.49 km2，水土流失總面積減少193.8 km2。2008—2015年梯田、地埂植物帶和改壟措施的總保土量為507 338.86 t，梯田保土占40.21%，改壟保土占37.23%，地埂保土占22.56%。不同年份相比，2008—2010年，梯田保土占50.57%，地埂保土占40.9%，改壟保土僅占8.54%。2011—2015年，梯田和地埂比例明顯下降，改壟比例明顯上升。如何從投入產(chǎn)出、保土等角度優(yōu)化水土保持措施分布，是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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