沈海鷗，溫磊磊，武佳龍，王 宇

·農(nóng)業(yè)水土工程·

壟作與壟向區(qū)田技術對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕影響的研究進展

沈海鷗1，溫磊磊2，武佳龍1，王 宇1※

（1. 吉林農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，長春 130118；2. 水利部松遼水利委員會，長春 130021）

東北黑土區(qū)在中國糧食安全與可持續(xù)發(fā)展中占據(jù)重要地位，但過度開發(fā)利用導致該區(qū)土壤侵蝕問題嚴峻。耕作方式的差異直接影響黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕特征，相關研究的開展對于準確評價水土保持措施的適宜性具有重要意義。該研究通過系統(tǒng)梳理文獻資料，總結了壟向、壟規(guī)格以及壟向區(qū)田技術的內涵及應用條件，分別綜述了其對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕的影響；指出了目前研究中還存在壟作與壟向區(qū)田技術對坡耕地土壤侵蝕影響的機理研究不深、壟向與壟規(guī)格之間的耦合關系分析不細、壟向區(qū)田壟溝土埂優(yōu)化設計不足、土壤侵蝕綜合影響因素探索不全等方面主要問題；明確了未來研究中應加強量化壟向、壟規(guī)格、壟向區(qū)田技術與其他水土保持措施相結合對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕影響的過程與機理，為篩選適宜的水土保持耕作措施提供科學依據(jù)。

土壤；侵蝕；耕地；順坡壟作；橫坡壟作；斜坡壟作；壟向區(qū)田

0 引 言

中國東北黑土區(qū)主要分布在黑龍江省、吉林省、遼寧省和內蒙古自治區(qū)，該區(qū)是中國最大的商品糧生產(chǎn)基地，是國家糧食的“壓艙石”[1]。然而，不合理的人類生產(chǎn)經(jīng)營活動以及自然因素的影響，導致黑土區(qū)土壤侵蝕嚴重，坡耕地黑土層因土壤侵蝕而變薄的速率為2～3 mm/a[2]，其結果導致黑土地“量減質退”，影響黑土區(qū)農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展，嚴重威脅國家生態(tài)安全和糧食安全[3-5]。壟作具有改變田間微地形、擴大田間受光面積、提高苗期土壤溫度、水分利用效率和作物產(chǎn)量等多方面優(yōu)勢[6-7]，是東北黑土區(qū)一種非常普遍的耕作方式。壟向區(qū)田技術動土量極少、不占用耕地，在東北黑土區(qū)亦有一定的應用[8]。目前關于耕作方式的具體類型劃分及其與坡耕地土壤侵蝕的關系研究已經(jīng)取得一些成果[9-13]。然而，關于不同壟作方式及壟向區(qū)田技術防治坡耕地土壤侵蝕效果的研究現(xiàn)狀和應加強研究的重點領域鮮有報道。鑒于此，本研究通過分析壟作方式、壟向區(qū)田技術與土壤侵蝕關系研究成果，綜合評述壟向、壟規(guī)格以及壟向區(qū)田技術對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕的影響，總結現(xiàn)有研究存在的主要問題，并展望未來應加強研究的重要內容，以期為黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕后續(xù)研究和黑土資源保護提供科學指導。

1 不同壟向耕作對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕的影響

根據(jù)耕作行與等高線夾角不同，可將壟作方式劃分為順坡壟作（圖1a）、橫坡壟作（圖1b）和斜坡壟作（圖 1c）。受農(nóng)戶地塊不連續(xù)特征的影響，順坡壟作、斜坡壟作成為東北黑土區(qū)坡耕地比較普遍的壟作方式[6]，多數(shù)地區(qū)均采用這兩種壟向進行耕作。順坡壟作耕作行與等高線夾角為90°，其在東北黑土區(qū)應用廣泛且歷史悠久[7,14-15]，但是，順坡壟作通常被認為會加劇坡耕地水流匯集，且機械犁耕下的壟丘相對較為疏松，土壤抗侵蝕能力較弱，因此，在強降雨條件下往往會造成嚴重的坡耕地土壤侵蝕[5]。橫坡壟作又稱等高耕作，是指耕作行與等高線夾角為0°，即壟作方向與等高線平行，主要應用于東北黑土區(qū)的漫川漫崗區(qū)和低山丘陵區(qū)。同時，橫坡壟作是東北黑土區(qū)坡耕地實施其他水土保持措施的基礎，例如，地埂植物帶、深松耕等；在無其他水土保持措施的情況下，橫坡壟作適用于小于5°的坡耕地。此外，在風力侵蝕起主導作用的區(qū)域或者水力風力復合侵蝕區(qū)域，橫坡壟作的方向應與主風向正交，或者呈大于45°傾角。斜坡壟作是順坡壟作和橫坡壟作在不規(guī)則地形上的特殊表現(xiàn)，當坡面走向與等高線呈一定夾角時，順坡壟作和橫坡壟作便表現(xiàn)為斜坡壟作。相較于順坡壟作，斜坡壟作能夠在一定程度上增加降雨入滲和攔蓄坡面徑流，從而達到防治坡耕地土壤侵蝕的目的。可見，不同壟向耕作方式的內涵和應用條件差異明顯，其對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕影響的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)亟待系統(tǒng)歸納。

圖1 黑土區(qū)坡耕地按壟向劃分的3種壟作方式

1.1 順坡壟作對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕的影響

在東北黑土區(qū)農(nóng)耕地開墾之初，為了盡快排出融雪徑流、提高土壤溫度、有利于通風透光以及便于耕作，多采用順坡壟作方式進行耕作作業(yè)[16]。但是，由于東北黑土區(qū)降雨集中，夏季又以短歷時、高強度的暴雨雨型為主[17]，土壤水分飽和后，徑流即匯聚于壟溝并順坡流動，從而剝離并搬運表土，導致坡上和坡中位置土層逐漸變薄、土壤質量降低，加劇黑土退化[18-19]?？梢?，順坡壟作方式既有優(yōu)點，又有不足。

目前，東北黑土區(qū)坡耕地仍存在大量順坡壟作方式[20]，其對土壤侵蝕的影響研究主要基于天然降雨監(jiān)測和室內模擬降雨試驗方法開展。天然降雨條件下，順坡壟作坡耕地的徑流量多為1.4～54.3 mm/a，土壤侵蝕量多為66.8～4 735.8 t/（km2·a）（表1）。與對徑流的影響相比，順坡壟作對土壤侵蝕的影響更加明顯。按照全國《土壤侵蝕分類分級標準》（SL 190—2007）[30]，順坡壟作坡耕地土壤侵蝕強度介于微度<200 t/（km2·a）至中度2 500～5 000 t/（km2·a）；按照《黑土區(qū)水土流失綜合防治技術標準》（SL 446—2009）[31]，順坡壟作坡耕地土壤侵蝕強度介于微度≤200 t/（km2·a）至極強烈3 600～4 800 t/（km2·a）?？梢?，東北黑土區(qū)坡耕地順坡壟作方式土壤侵蝕強度較大。

順坡壟作對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕的影響也表現(xiàn)出顯著的時空演變特征?；谔烊唤涤瓯O(jiān)測結果可知，與橫坡壟作、壟向區(qū)田、免耕、少耕等其他耕作措施相比，順坡壟作坡耕地最易產(chǎn)生地表徑流和土壤侵蝕，且地表徑流主要發(fā)生在6—8月，土壤侵蝕主要發(fā)生在6 —7月，尤其是地表覆蓋度相對較低的7月，一旦發(fā)生降雨量或降雨強度較大的降雨時，其地表徑流量和土壤侵蝕量均較大[13]；應用137Cs示蹤技術研究順坡壟作坡耕地黑土侵蝕—沉積特征，發(fā)現(xiàn)坡肩處土壤侵蝕最嚴重，坡頂和坡背處土壤侵蝕相對較輕，而坡足和坡腳處則發(fā)生土壤沉積[25,32]，沉積造成的土壤侵蝕量可達-2 461 t/（km2·a）（表 1）。因此，順坡壟作坡耕地土壤侵蝕呈現(xiàn)顯著的隨時間而演變的特征和侵蝕—沉積空間分布特征。

表1 不同研究條件下順坡壟作坡耕地的徑流量和土壤侵蝕量對比

注：“——”表示無對應監(jiān)測資料，下同。

Note: The “——” indicates that there is no corresponding monitoring data, the same as below.

模擬降雨條件下，順坡壟作坡面的徑流量多為7.5～81.9 mm/h，土壤侵蝕量多為0.1～8.9 kg/（m2·h）（表1）。與天然降雨條件下坡耕地相似，順坡壟作對土壤侵蝕的影響大于對徑流的影響。在室內模擬降雨試驗基礎上，已有研究多以橫坡壟作或無壟作坡面作為對照處理，揭示順坡壟作坡面土壤侵蝕特征對降雨雨型、降雨強度、坡度等因子的響應[32-34]，發(fā)現(xiàn)多數(shù)條件下，順坡壟作坡面的徑流量和土壤侵蝕量明顯高于橫坡壟作及無壟作坡面，這是由于順坡壟作相當于坡面侵蝕由片蝕轉變?yōu)榧殰锨治g，形成穩(wěn)定集中的匯流路徑，導致徑流匯集，從而增加了徑流流速和剪切力[6]；降雨雨型中的峰值型在順坡壟作坡面的土壤侵蝕量最大，分別是谷值型、減弱型、均勻型和增強型的1.2、1.6、1.8和1.8倍，而東北黑土區(qū)土壤侵蝕量較大的降雨雨型在天然降雨中出現(xiàn)的頻率高于70%[32]；降雨強度和坡度對順坡壟體濺蝕特征影響明顯，順坡壟體濺蝕量隨降雨強度和坡度的增加呈冪函數(shù)關系[34]。可見，針對順坡壟作方式下黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕特征的響應機制還需持續(xù)開展系統(tǒng)的模擬研究。

關于順坡壟作對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕的影響研究較多，無論基于野外坡耕地的天然降雨監(jiān)測，還是室內模擬試驗方法，其研究結果均具有一致性，即順坡壟作能夠加劇坡耕地土壤侵蝕，影響土壤質量和作物產(chǎn)量等。但是，順坡壟作仍然是東北黑土區(qū)坡耕地最常見的壟作方式，短時期內難以全面實現(xiàn)橫坡壟作或壟向區(qū)田技術等其他耕作方式[20]，因此，仍需針對順坡壟作方式開展系統(tǒng)研究，結合降雨強度、降雨雨型等降雨特征，凍融作用，地形坡度和坡長，耕作管理等因素，明晰順坡壟作對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕的影響機制。建議將順坡壟作與保護性耕作措施相結合，有效防治黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕，為順坡壟作條件下坡耕地土壤侵蝕防治和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)保障提供科學指導。

1.2 橫坡壟作對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕的影響

橫坡壟作能夠有效推遲坡耕地產(chǎn)流時間，增加土壤水分入滲，攔截地表徑流，控制徑流沖刷所引發(fā)的土壤侵蝕[35-37]。然而，橫坡壟不同于梯田土埂，壟丘穩(wěn)定性較差，在遭遇強降雨時容易被徑流沖垮發(fā)生斷壟。此外，由于微地形的差異，橫坡壟作難以嚴格地按照等高線進行修建，水流在較低處匯集可能引起壟丘的垮塌[38-39]，造成更嚴重的耕層土壤流失[40]。因此，明晰橫坡壟作坡面的土壤侵蝕特征，根據(jù)不同耕作區(qū)的氣候、地形、土壤性質等的差異，制定橫坡壟作標準以最大發(fā)揮橫坡壟作的水土保持效益是非常有必要的。

關于橫坡壟作對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕的影響研究，與順坡壟作相關研究相似，主要基于天然降雨監(jiān)測和室內模擬降雨試驗方法開展。天然降雨條件下，橫坡壟作坡耕地的徑流量多為0～4.8 mm/a，土壤侵蝕量多為1.7～150.8 t/（km2·a）（表2）。按照全國《土壤侵蝕分類分級標準》（SL 190—2007）[30]和《黑土區(qū)水土流失綜合防治技術標準》（SL 446—2009）[31]，橫坡壟作坡耕地土壤侵蝕強度均為微度≤200 t/（km2·a）?？梢?，東北黑土區(qū)坡耕地橫坡壟作方式土壤侵蝕強度較小。

總結橫坡壟作對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕影響的研究資料[13,21,23,27,41]，發(fā)現(xiàn)橫坡壟作在不同降雨量、降雨強度、降雨雨型、地形坡度和坡長等條件下對坡耕地土壤侵蝕的防治效果略有差異?？傮w而言，在以傳統(tǒng)順坡壟作為對照處理的基礎上，橫坡壟作坡耕地能夠減少徑流量60.4%～99.3%，減少土壤侵蝕量64.6%～100.0%；同時能夠為作物生長提供充足的土壤水分條件，增加土壤養(yǎng)分57%，增加作物產(chǎn)量25%[13,41]。可見，橫坡壟作方式對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕的防治效果顯著。

表2 不同研究條件下橫坡壟作坡耕地的徑流量和土壤侵蝕量對比

模擬降雨條件下，橫坡壟作坡面的徑流量多為0.3～64.0 mm/h，土壤侵蝕量多為0～15.8 kg/（m2·h）（表2）。與模擬降雨條件下順坡壟作坡面相比，橫坡壟作坡面徑流量較小，但是個別研究中的土壤侵蝕量較高，這與橫壟斷壟密切相關[5-6]。橫坡壟作方式對土壤侵蝕的防治主要取決于徑流量的大小和壟丘的攔蓄能力，前者與降雨量、降雨強度、降雨雨型、降雨歷時密切相關，后者壟丘在東北黑土區(qū)的土壤容重僅為0.90～1.10 g/cm3，孔隙度高，透水性好，而穩(wěn)定性相對較差，一旦積水超過壟丘的攔蓄能力，壟丘即被破壞，壟丘下坡在上方來水的沖刷和滲流作用下形成細溝溝頭，由于水流掏涮，在溝頭下方產(chǎn)生水涮窩并促使溝頭不斷溯源，當壟丘剩余土體土壤顆粒間的黏結力小于土體自身重力和徑流剪切力時，即發(fā)生斷壟[5]。有研究指出適當增加壟丘高度能夠緩解斷壟的發(fā)生，但是，這又可能造成壟丘穩(wěn)定性的進一步降低，反而加劇土壤侵蝕[42]。此外，隨著坡度的增加，橫坡壟作方式更容易發(fā)生斷壟，從而影響其土壤侵蝕防治效果的發(fā)揮，甚至加劇土壤侵蝕[43]?？傊?，在未發(fā)生斷壟時，橫坡壟作坡面徑流量和土壤侵蝕量均明顯低于順坡壟作和無壟作坡面；但是，一旦發(fā)生斷壟，其徑流量和土壤侵蝕量顯著增加，甚至超過順坡壟作和無壟作坡面，這是由于斷壟后坡面土壤侵蝕方式從斷壟前的片蝕演變?yōu)榧殰锨治g[44]，使得瞬時徑流流速急劇增加，徑流水動力學特征發(fā)生改變，導致徑流挾沙力增大，從而造成土壤侵蝕量的急劇增加[45]。如果任由細溝發(fā)育，則其逐漸演變?yōu)闇\溝侵蝕[46]，使土壤侵蝕由坡面尺度轉入溝道尺度，更加難以防治[47]。可見，橫坡壟作斷壟發(fā)生的臨界條件（壟的高度和間距以及壟溝大小等）值得關注；橫坡壟作方式對土壤侵蝕影響的模擬研究應系統(tǒng)考慮降雨強度、降雨量、降雨雨型、地形坡度、匯水坡長、壟丘穩(wěn)定性及壟間距等因素。

通過對比天然降雨條件[21]與模擬降雨條件[5-6]下橫坡壟作方式對坡面土壤侵蝕的影響，發(fā)現(xiàn)二者之間具有一定差異：天然降雨條件下，2012—2015年黑龍江省哈爾濱市野外布設的橫坡壟作坡面徑流小區(qū)觀測結果表明，橫坡壟作處理整體具有較好的坡面土壤侵蝕防治效果；模擬降雨條件下，如果不發(fā)生斷壟，則橫坡壟作處理亦具有較好的坡面土壤侵蝕防治效果，但是，一旦發(fā)生斷壟，其防治效果明顯降低。造成二者差異的主要原因是室內模擬降雨試驗進行了預降雨處理，供試土壤水分基本處于飽和狀態(tài)，在正式降雨試驗開始后，極易造成徑流匯集，發(fā)生斷壟；而野外坡耕地徑流小區(qū)由于前期降雨、降雨強度及次降雨量等因素的影響，其結果與室內模擬降雨試驗結果有所差異。綜上可知，室內模擬降雨試驗條件下橫坡壟作方式防治坡耕地土壤侵蝕效果研究還有待進一步深入，進而更加客觀反映橫坡壟作措施的水土保持效益。

1.3 斜坡壟作對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕的影響

盡管橫坡壟作能夠有效防治坡耕地土壤侵蝕[5,13]，但是一旦發(fā)生斷壟，橫坡壟作反而會加劇坡耕地土壤侵蝕[48]。因此，單純將順坡壟作改為橫坡壟作并不能有效防治土壤侵蝕，且嚴格的等高耕作在黑土區(qū)復雜地形條件下又難于實現(xiàn)。相對于橫坡壟作，野外坡耕地上斜坡壟作方式則更為普遍[49]，原因主要包括3個方面：一是東北黑土區(qū)的丘陵區(qū)地形比較破碎，坡面彎曲起伏現(xiàn)象明顯，導致橫坡壟作多有不便；二是黑土區(qū)地塊較大，沿坡面方向常發(fā)育侵蝕溝，形成很多次一級坡面，導致沿坡面進行橫坡壟作時，次一級坡面即形成斜坡壟作或順坡壟作；三是在坡度較大的地塊，大型機械沿等高線進行耕作時，其兩邊車輪不在一個水平面，導致車輛作業(yè)不平穩(wěn)。寧靜等[50]研究指出坡度與坡長交互的“大坡度＋小坡長”或“大坡度＋大坡長”條件下斜坡壟作是最優(yōu)的選擇，合理的壟向空間分布能夠有效降低土壤侵蝕，適用于黑土漫川漫崗區(qū)坡耕地。然而，目前關于斜坡壟作對坡耕地土壤侵蝕影響的研究相對較少。

2004年，中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所和北京師范大學在黑龍江省農(nóng)墾總局九三分局鶴山農(nóng)場鶴北1號小流域內，選擇1個斜坡壟作坡面（長約400 m、平均坡度2.8°）進行網(wǎng)格采樣，經(jīng)137Cs活度分析，得到坡面平均土壤侵蝕厚度約為1.8 mm/a[24]。室內模擬降雨試驗發(fā)現(xiàn)斜坡壟作試驗處理均發(fā)生了斷壟[51]，其在斷壟前能夠較好地攔蓄徑流泥沙，而在斷壟后土壤侵蝕方式演變?yōu)橐约殰锨治g為主，相應的匯流作用增強，土壤侵蝕強度也隨之增大?？梢?，如果不發(fā)生斷壟，斜坡壟作坡面亦能夠有效防治黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕；一旦發(fā)生斷壟，與順坡壟作坡面相比，斜坡壟作坡面仍具有一定的減少徑流效果，但是無減少侵蝕效果，甚至能夠增加坡耕地土壤侵蝕量。因此，進一步加強斜坡壟作壟向坡度適宜性及壟丘穩(wěn)定性等方面的研究，將有效遏制斷壟的發(fā)生，有助于調控黑土區(qū)坡耕地斜坡壟作方式的徑流侵蝕過程，提高斜坡壟作措施對坡耕地土壤侵蝕的防治效果。

通過對比桑琦明等[51]斜坡壟作研究結果與王磊等[5]橫坡壟作研究結果，發(fā)現(xiàn)在50 mm/h降雨強度下，斜坡壟作坡面徑流量和土壤侵蝕量均高于橫坡壟作坡面，這是由于該降雨強度下橫坡壟作坡面未發(fā)生斷壟，而斜坡壟作坡面發(fā)生了斷壟；但是，在100 mm/h降雨強度下，斜坡壟作坡面與橫坡壟作坡面均發(fā)生了斷壟，二者坡面徑流量和土壤侵蝕量均差異很小，且坡面90%以上的徑流泥沙來自斷壟后。可見，上述試驗條件下，斜坡壟作坡面較橫坡壟作坡面更容易發(fā)生斷壟，特別是在降雨強度相對比較小的情況下。

2 不同壟規(guī)格耕作對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕的影響

根據(jù)不同壟規(guī)格，可將壟作方式分為小壟（圖2a）和大壟（圖2b）。小壟又稱窄壟，一般指間距為30～70 cm的較小規(guī)格壟，壟上僅種植一行作物[9,12]。小壟在東北黑土區(qū)的應用非常普遍，特別對于農(nóng)村散戶，由于其缺少大型農(nóng)業(yè)機械，現(xiàn)有的小型農(nóng)業(yè)機械多適用于傳統(tǒng)的小壟耕作作業(yè)，該作業(yè)模式包括旋耕機滅茬整地、起壟機起壟、播種機播種、壟形修復和鎮(zhèn)壓等，一系列流程已經(jīng)形成固有的耕作習慣，雖然該小壟作業(yè)模式也存在一定的局限性[52-53]，但是，短期內難以改變這種壟作方式。大壟又稱寬壟，一般指間距為80～140 cm的較大規(guī)格壟，壟上種植2～6行作物[10-11]。大壟耕作方式需要滿足地塊較大、具備大型農(nóng)業(yè)機具等要求，主要適用于大型集約化農(nóng)場和農(nóng)村合作社，尚未普及到個體農(nóng)戶。可見，不同壟規(guī)格壟作方式的內涵和應用條件亦有一定差異，其對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕影響的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)也需系統(tǒng)綜述。

圖2 黑土區(qū)坡耕地按壟規(guī)格劃分的2種壟作方式

2.1 小壟對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕的影響

小壟間距一般為30～70 cm[9,12]，在模擬小壟處理的試驗中，其壟間距多設計為65 cm、壟高15 cm、壟丘頂寬20 cm[54]。與大壟坡面相比，小壟坡面單位面積壟溝條數(shù)較多，而壟溝相當于坡面小型集水區(qū)及徑流流通區(qū)，加之壟丘邊坡可為土壤侵蝕提供大量泥沙，導致小壟側方匯水能力及其坡面徑流量和土壤侵蝕量均高于大壟坡面。王磊等[54]基于野外大型坡面徑流場觀測資料和室內模擬降雨試驗數(shù)據(jù)，對比分析東北黑土區(qū)坡耕地順坡小壟和大壟耕作的坡面土壤侵蝕特征，發(fā)現(xiàn)野外大型坡面徑流場小壟坡面的徑流量和土壤侵蝕量分別是大壟坡面的2.1～3.3和2.8～10.4倍；室內模擬降雨試驗條件下小壟坡面的土壤侵蝕量是大壟坡面的1.5～2.4倍，而小壟坡面和大壟坡面的徑流量變化與野外觀測結果有一定差異，在降雨強度較小時，小壟坡面的徑流量依然高于大壟坡面，但是，隨著降雨強度的增加，二者徑流量差異先逐漸減小，后表現(xiàn)為小壟坡面的徑流量低于大壟坡面，其原因是正式模擬降雨試驗前進行了前期降雨試驗，即正式試驗前一天，采用30 mm/h降雨強度進行預降雨至坡面產(chǎn)流為止，導致土壤水分基本處于飽和狀態(tài)；而野外坡面由于前期降雨以及匯流面積和地表糙度等因素的影響，導致其與室內模擬降雨試驗結果有所差異。綜上可知，小壟耕作方式對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕的影響同時與降雨強度及坡面條件等因素相關；此外，現(xiàn)有基于小壟耕作方式開展的研究多與不同壟向坡度即順坡壟作、橫坡壟作、斜坡壟作等相結合。因此，建議在開展壟向坡度對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕的防治效果研究中，綜合考慮壟規(guī)格因素，從而有效提高復合耕作措施防治土壤侵蝕的效果。

2.2 大壟對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕的影響

大壟間距一般為80～140 cm[10-11]，在模擬大壟坡面的試驗中，其壟間距多設計為110 cm、壟高15 cm、壟丘頂寬70 cm[54]。與傳統(tǒng)小壟相比，大壟耕作方式能夠降低作業(yè)成本、提高土壤溫度、有效提高0～20 cm耕層土壤含水量、改善土壤結構、增加土壤蓄水保水能力，同時增加光照強度、有助于作物生長，提高糧食產(chǎn)量[9-11]，是東北黑土區(qū)一種比較理想的保護性耕作方式。近年來，國內外學者對不同壟作方式下坡面土壤侵蝕特征進行了大量研究[6,32,42]，而對大壟耕作方式的研究大多局限于作物產(chǎn)量、土壤水熱變化等[11,38,40]，針對順坡大壟耕作對坡耕地土壤侵蝕影響的定量研究相對較少。通過總結大壟耕作方式對土壤侵蝕的防治效果資料[54-55]，發(fā)現(xiàn)在以傳統(tǒng)順坡窄壟處理為對照的基礎上，大壟耕作方式可減少坡面徑流量29.1%～67.3%，減少坡面土壤侵蝕量58.9%～85.8%；與其他坡耕地典型耕作措施相比，天然降雨條件下大壟坡面的徑流量是深松、順坡壟作、壟向區(qū)田的60.4%、24.0%～27.4%、47.0%～50.9%，而大壟坡面的土壤侵蝕量是深松、順坡壟作、壟向區(qū)田的34.8%、9.1%～11.0%、14.7%～28.3%[23]?？梢姡髩鸥鞣绞骄哂休^好的土壤侵蝕防治效果，在一定的研究條件下，其防治效果明顯優(yōu)于其他耕作措施?；谌斯つM降雨試驗研究，發(fā)現(xiàn)黑土坡面徑流量整體呈現(xiàn)為大壟大于小壟；而坡面土壤侵蝕量在降雨強度和坡度較小時，大壟和小壟處理無顯著差異，隨著降雨強度和坡度的增加，土壤侵蝕量呈現(xiàn)為小壟大于大壟[55]。此外，多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)大壟耕作措施由于種植密度的增加，可以有效提高單位面積作物產(chǎn)量[12]。東北黑土區(qū)的相關研究也表明大壟雙行耕作方式比傳統(tǒng)小壟耕作方式的玉米產(chǎn)量提高了6.7%～9.5%[10]。綜上可知，大壟耕作方式不但能夠有效減少坡耕地土壤侵蝕，而且有望提高單位面積作物產(chǎn)量。因此，今后應加強在個體農(nóng)戶中普及大壟耕作方式，既有利于保護黑土資源，又有利于保障糧食安全。

3 壟向區(qū)田技術對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕的影響

在上述壟作方式基礎上，沿著壟向每隔一定距離在壟溝內修筑的高度略低于壟高的土埂治理措施即為壟向區(qū)田[29]（圖3）。壟向區(qū)田適用地區(qū)極為廣泛，尤其適合在干旱、半干旱地區(qū)或雨旱分明的濕潤地區(qū)應用，在東北黑土區(qū)主要適用于漫川漫崗區(qū)和低山丘陵區(qū)坡度小于5°的坡耕地。東北半干旱區(qū)降水量少且時空分布不均，在沒有灌溉條件的地區(qū)，利用好有限的降水就顯得尤為重要，壟向區(qū)田正是這樣一種有效的坡耕地水土保持耕作措施[8,56]，其在作物最后一次中耕（趟地）后修筑，在壟溝中筑小土埂可將長長的壟溝截成許多小區(qū)段（形成許多淺穴），既能夠有效攔蓄降雨徑流，防治土壤侵蝕，保證表土和肥料集中利用，同時又能夠改變小地形，增加天然降雨的利用率，改善作物生長發(fā)育狀況，從而達到穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)和保水保土的目標[57]。壟作區(qū)田保持水土的基本原理是縮短坡耕地坡長和降低坡降，盡量使每個淺穴底部近似平地，就地貯存降雨，避免徑流匯集，保持水土。以土埂間形成的小淺穴貯存雨水，直到淺穴中的雨水全部滲入土壤，從而解決了坡耕地上較大降雨強度和較弱土壤水分入滲之間的矛盾，既有助于坡崗地防旱，也可避免雨水流入平洼地成澇，又可增產(chǎn)增收。此外，壟向區(qū)田技術不需要考慮地塊是橫坡壟作或是順坡壟作，只需根據(jù)壟的方向實施其筑埂技術即可[57-59]。

圖3 黑土區(qū)坡耕地壟向區(qū)田技術

壟向區(qū)田技術兼顧橫坡壟作和順坡壟作方式的特征，既在技術上可行，又在經(jīng)濟成本和勞動力投入方面可行，同時能夠增產(chǎn)10%～30%[15]。天然降雨條件下，壟向區(qū)田坡耕地的徑流量多為0～8.3 mm/a，土壤侵蝕量多為0～112.0 t/（km2·a）（表3）。按照全國《土壤侵蝕分類分級標準》（SL 190—2007）[30]和《黑土區(qū)水土流失綜合防治技術標準》（SL 446—2009）[31]，壟向區(qū)田坡耕地土壤侵蝕強度多屬于微度≤200 t/（km2·a）。但是，值得注意的是，李續(xù)峰等[23]研究中壟向區(qū)田方式的土壤侵蝕量為455.1～875.6 t/（km2·a），其值高于黑土區(qū)的允許土壤流失量（200 t/（km2·a）或141 t/（km2·a））[31,63]，屬于輕度侵蝕水平，這可能與年降雨特征有關?？偨Y壟向區(qū)田技術對坡耕地土壤侵蝕的防治效果資料[23,59-62]發(fā)現(xiàn)，在以傳統(tǒng)順坡窄壟處理為對照的基礎上，壟向區(qū)田技術可減少徑流量43.4%～100.0%，減少土壤侵蝕量80.2%～100.0%，該技術防治土壤侵蝕的效果隨著降雨強度或坡度的增加而降低。在降雨強度或坡度較小時，壟向區(qū)田處理一般不產(chǎn)生徑流，這是由于壟溝中土埂對地表徑流的有效攔蓄作用，導致降雨就地匯集并入滲，未形成徑流即不具備徑流侵蝕力，加之較小的降雨侵蝕力[64-65]和地形坡度，使其土壤侵蝕量非常微小，甚至為0；隨著降雨強度或坡度的增加，壟向區(qū)田處理的地表徑流量和土壤侵蝕量略有增加，但是仍小于相同降雨及地形條件下的順坡壟作和橫坡壟作等其他壟作處理[31,59,62]?？梢姡瑝畔騾^(qū)田技術能夠有效減小雨滴擊濺侵蝕、降低徑流流速，進而減少地表徑流量和土壤侵蝕量，具備顯著的水土保持效果。

表3 不同研究條件下壟向區(qū)田技術坡耕地的徑流量和土壤侵蝕量對比

通過對地下排水工程措施進行研究，發(fā)現(xiàn)鼠道、暗管和明溝等單一的地下排水工程措施能夠調節(jié)土壤水分、防治土壤侵蝕并增加作物產(chǎn)量；但是，如果將地下排水工程措施與壟向區(qū)田技術相結合，上述效益將明顯提高[61]。此外，將壟向區(qū)田技術與大壟相結合，形成的新型水土保持措施能夠有效減少地表徑流發(fā)生次數(shù)，其徑流量和土壤侵蝕量是大壟對照處理的8.4%和5.8%，其值亦明顯小于壟向區(qū)田處理[23]。可見，壟向區(qū)田技術與其他水土保持措施相結合對土壤侵蝕的影響還需持續(xù)深入研究。

綜上可知，壟向區(qū)田技術對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕的防治效果整體較好，但是這種效果同時受到降雨量、降雨強度、地形坡度及壟向區(qū)田壟溝土埂規(guī)格和間距等因素的影響。因此，建議在東北黑土區(qū)坡耕地逐漸推廣應用壟向區(qū)田技術，其應用可單獨布設，也可與大壟、坡式梯田、地埂、植物緩沖帶、深松和秸稈還田等措施相互配合[66-69]，其優(yōu)化配置模式將進一步提高復合水土保持措施防治土壤侵蝕的效果。

4 存在的問題及研究展望

盡管壟作方式與壟向區(qū)田技術對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕影響研究已經(jīng)取得了一定的成果，為深入揭示黑土區(qū)土壤侵蝕規(guī)律及其調控機制提供了重要參考。但是，受研究方法和技術條件所限，目前關于壟向坡度、壟規(guī)格及壟向區(qū)田技術等對土壤侵蝕防治效果的評價研究還存在一些問題和不足，同時也是需要加強的重點領域。

4.1 壟作與壟向區(qū)田技術對坡耕地土壤侵蝕影響的機理研究需強化

壟作與壟向區(qū)田技術對坡耕地土壤侵蝕的影響主要基于野外天然降雨監(jiān)測資料或室內模擬降雨試驗方法開展研究，研究結果多是針對地表徑流總量和土壤侵蝕總量進行分析，而針對徑流侵蝕過程及其徑流侵蝕水動力學機制的研究較少，導致機理分析還比較薄弱。因此，壟作與壟向區(qū)田技術防治土壤侵蝕的理論研究明顯滯后于實踐研究，在今后的研究中，需要加強其防蝕機理的量化研究。

4.2 壟向與壟規(guī)格對坡耕地土壤侵蝕影響的耦合關系研究需深化

壟作方式中順坡壟作、橫坡壟作、斜坡壟作或小壟、大壟對坡耕地土壤侵蝕的影響多是局限于不同壟向或不同壟規(guī)格中，而涉及二者耦合關系對土壤侵蝕的影響研究較少。因此，為了探究更加合理的壟作組合模式，需要將壟向與壟規(guī)格的具體方式進行結合，開展系統(tǒng)的耦合關系研究。

4.3 壟向區(qū)田壟溝土埂設計對坡耕地土壤侵蝕影響的機制研究需優(yōu)化

壟向區(qū)田壟溝土埂規(guī)格及間距的設計關系到水土保持效果的發(fā)揮程度及作業(yè)成本和工作量等，然而目前針對壟向區(qū)田壟溝土埂的設計尚有待深入研究。因此，需要根據(jù)實際壟向、壟規(guī)格等應用條件，科學優(yōu)化壟向區(qū)田技術。

4.4 壟作與壟向區(qū)田技術對坡耕地土壤侵蝕影響的綜合因素分析需細化

土壤侵蝕是一個復雜的過程，其影響因素較多，主要包括降雨、地形、土壤、水文、植被及人為等因素。因此，壟作與壟向區(qū)田技術需要與上述主要因素進行融合，開展系統(tǒng)研究，從而針對不同區(qū)域進行科學評價并篩選適宜的水土保持措施，指導黑土區(qū)水土保持規(guī)劃。

5 結 論

通過綜述壟向、壟規(guī)格以及壟向區(qū)田技術對黑土區(qū)坡耕地徑流量和土壤侵蝕量影響的研究進展，發(fā)現(xiàn)東北黑土區(qū)坡耕地順坡壟作方式土壤侵蝕強度較大，多介于微度至中度或極強烈；且呈現(xiàn)顯著的時空演變特征。橫坡壟作方式土壤侵蝕強度一般較小，多屬于微度。斜坡壟作方式土壤侵蝕強度介于順坡壟作和橫坡壟作方式之間。橫坡壟作和斜坡壟作方式對土壤侵蝕的防治效果與是否發(fā)生斷壟密切相關，一旦發(fā)生斷壟，二者反而可能加劇坡耕地土壤侵蝕，且斜坡壟作坡面較橫坡壟作坡面更容易發(fā)生斷壟，特別是在降雨強度相對較小的情況下。小壟側方匯水能力及其坡面徑流量和土壤侵蝕量均高于大壟坡面，與傳統(tǒng)小壟相比，大壟耕作方式不但能夠有效減少坡耕地土壤侵蝕，而且能夠提高單位面積作物產(chǎn)量。壟向區(qū)田坡耕地能夠有效減少地表徑流量和土壤侵蝕量，土壤侵蝕強度多屬于微度，個別情況下受降雨特征影響可達到輕度。但是，目前還存在壟作方式與壟向區(qū)田技術對土壤侵蝕影響的過程性規(guī)律研究不足、不同耕作方式之間耦合關系研究缺乏、壟向區(qū)田技術有待優(yōu)化、綜合影響因素探索不足等問題。綜上，建議將順坡壟作與保護性耕作措施相結合、關注橫坡壟作與斜坡壟作斷壟發(fā)生的臨界條件、加強大壟耕作方式和壟向區(qū)田技術的普及推廣，同時，建議將壟向、壟規(guī)格，壟向區(qū)田技術與其他水土保持措施相結合開展系統(tǒng)研究，從而有效提高復合耕作措施防治土壤侵蝕的效果，為水土保持措施優(yōu)化配置提供科學指導。

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Review on the effects of ridge pattern and ridge-furrow intervals on soil erosion of sloping farmland in the black soil region

Shen Haiou1, Wen Leilei2, Wu Jialong1, Wang Yu1※

(1.,,130118,; 2.,,130021,)

Black soil can be one of the most fertile soil groups with relatively high carbon stocks and production capacity. The black soil region can also play an important role in national food security and sustainable development in China. However, overexploitation and utilization have caused serious soil erosion in the black soil region of northeast China in recent years. There is a direct impact of the difference in tillage pattern on the soil erosion characteristics of sloping farmland. Fortunately, ridge farming can be commonly used in the tillage pattern. Furthermore, the ridge-furrow intervals with less amount of soil movement can also be used without occupying the farmland in this region. Therefore, it is of great significance to accurately evaluate the suitable measures of soil and water conservation. In this study, a systematic review was proposed to clarify the effects of ridge direction, ridge size, and ridge-furrow intervals on the soil erosion characteristics of sloping farmland in the Chinese black soil region. Furthermore, the relationship among the ridge patterns, the ridge-furrow intervals, and soil erosion was then established to determine the key fields to be strengthened in future studies for the major challenges. The results indicated that the pattern of longitudinal ridge-tillage was still the most common-used tillage pattern. The soil erosion gradually deteriorated to shift the soil erosion types from sheet to rill erosion, leading to less soil quality and crop yield. A better way was found to control soil erosion in the general patterns of contour ridge-tillage and sloping ridge-tillage, which was closely related to ridge failure. Among them, the pattern of sloping ridge-tillage was more likely to occur the ridge failure. Once the ridge failure occurred, the soil erosion increased significantly, even much more than that of the pattern of contour ridge-tillage. Thus, the pattern of contour ridge-tillage can be expected to effectively decrease the soil erosion at the sloping farmland in the black soil region. Furthermore, the pattern of the narrow ridge is also commonly used in the black soil region of northeast China in the long term. Therefore, it is very necessary to determine the effects of narrow ridges and their operation patterns on soil erosion. The pattern of the wide ridge is widely used in large-scale intensive farms and rural cooperatives, rather than individual farms, due to the outstanding control effect on the soil erosion for the high crop yield. Thus, it is a high demand for wide ridges among the individual farms in the future, in order to protect the precious black soil resources. The control effect of the ridge-furrow intervals pattern on the soil erosion depended mainly on the rainfall amount, rainfall intensity, slope gradient, ridge size, and the spacing of the ridge-furrow intervals. Therefore, it is suggested that the pattern of ridge-furrow intervals is gradually applied to the sloping farmland in the black soil region, in order to separate the layout, and then cooperate with the wide ridge, slope terrace, plant hedge, subsoiling, and straw return. The optimal allocation mode can be further improved the better measures of the composite soil and water conservation for less soil erosion. Much effort was also made into the effects of tillage patterns on the soil erosion of sloping farmland in the black soil region. Nevertheless, the technical conditions can still be limited to systematic research in this field. As such, the future directions can be proposed to analyze the influencing mechanism of ridge patterns, the coupling relationship between ridge direction and ridge size, the ridge design for the pattern of ridge-furrow intervals, and the comprehensive factors analysis of the effect of ridge pattern on the soil erosion in the sloping farmland. In conclusion, the systematic research is very necessary to focus on the effects of ridge patterns and ridge-furrow intervals on soil erosion at the sloping farmland in the black soil region.

soils; erosion; farmland; longitudinal ridge-tillage; contour ridge-tillage; sloping ridge-tillage; ridge-furrow intervals

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.006

S157

A

1002-6819(2022)-22-0052-11

沈海鷗，溫磊磊，武佳龍，等. 壟作與壟向區(qū)田技術對黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕影響的研究進展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2022，38(22)：52-62.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.006 http://www.tcsae.org

Shen Haiou, Wen Leilei, Wu Jialong, et al. Review on the effects of ridge pattern and ridge-furrow intervals on soil erosion of sloping farmland in the black soil region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(22): 52-62. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.006 http://www.tcsae.org

2022-06-06

2022-11-10

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFE0202900）；國家自然科學基金項目（41601281）

沈海鷗，博士，副教授，研究方向為土壤侵蝕與水土保持。Email：shensusan@163.com

王宇，博士，副教授，研究方向為水土保持與黑土地保護。Email：wangyujlc@163.com