张爱玲, 钟云飞, 陈祥伟

(1.东北林业大学 林学院， 黑龙江 哈尔滨 150040; 2.松辽委松辽流域水土保持监测中心站， 吉林 长春 130021)

东北黑土区是中国最大的商品粮生产基地，同时又是重要的生态安全屏障区。虽然开垦历史仅有百余年，但由于机械化开发强度大、速度快，加之独特的漫川漫岗起伏丘陵区地形，没有采取任何水土保持措施，导致目前水土流失问题凸显，呈危害加剧的发展态势。除表现为黑土层变薄外，大量的侵蚀沟道不仅破坏了土地资源，更是对机械化作业构成严重障碍，降低作业效率，阻碍了现代农业的发展。拜泉县位于黑龙江省中部，行政隶属齐齐哈尔市，地理范围125°30′—126°31′E，47°20′—47°55′N，地处小兴安岭西麓向松嫩平原过渡的山前台地和丘陵地带，地形呈波状起伏，坡度较缓，一般不超过5°～8°，但坡长较长，多为几百米，甚至上千米。土壤类型以黑土为主，有机质含量高。在中国水土保持分区中属于东北黑土丘陵漫岗区。气候属于中温带大陆性季风气候，平均年降水量490 mm，大于等于10 ℃积温2 454.5 ℃，无霜期122 d。拜泉县1898年开始放荒，1906年建县开始垦殖，县名源自蒙语，意为“宝贵的泉水”。和缓的地形，肥沃的土壤，雨热同季的气候条件，比较丰富的水资源曾使其成为东北“呼(兰)海(伦)巴(彦)拜(泉)4大粮仓”之一[1]。建国初期就是东北地区极具代表性的种植业为主的农业大县，是全国著名的产粮大县。1958年曾荣获周恩来总理签发的“农业社会主义建设先进单位”奖状。但由于长期生产中未关注水土保持，到80年代农业生态环境已严重恶化，农村经济步履维艰，是黑龙江省和国家重点扶持的贫困县[2]。1986年拜泉县启动了生态农业建设，在制定《拜泉县生态农业建设总体规划》的基础上[3]，走以水土保持为依托的生态农业发展之路，实现了生态、经济、社会效益三增长[4]。经过约20 a的努力，已形成较为完善的水土流失综合防护体系[5]：依托工程、植物、耕作三大措施，建立坡顶、坡面、沟道“三道防线”体系，实现工程、土壤、生物“三种水库”运转，成为东北黑土区水土保持示范模式[6]。2008年以后随着国家水土流失综合防治工程的陆续投入，拜泉县水土保持更是上了新的台阶，2013年被评为东北黑土区唯一的国家水土保持生态文明县。这些工程包括：东北黑土区水土流失综合防治试点工程，国家农业综合开发东北黑土区水土流失治理重点工程，坡耕地水土流失综合治理试点工程。很多学者围绕生态、经济和社会效益指标，对拜泉县生态农业和国家防治工程实施成效进行了总结，缺少定量效益的直接估算。本研究拟针对国家防治工程的投入，定量评价拜泉县实施这些工程后的水土保持效益。

1 资料与方法

资料包括4部分： ①水土保持措施工程实施情况。包括两部分，一是水利部松辽流域委员会提供的2011—2015年国家级农发项目水土保持工程的统计资料，其中拜泉县仅在2011，2013，2015年实施，含水土保持措施类型、实施位置和面积；二是发表的2008—2012年国家级试点工程水土保持工程文献数据，含水土保持措施类型和面积[5]； ②土地利用数据。与这水土保持措施实施年份对应的拜泉县2011，2013和2015年的资源3号卫星影像，空间分辨率为2.1 m，用于分析土地利用变化；③拜泉县气象站1981—2010年30 a逐日降雨资料，用于计算全县降雨侵蚀力；④拜泉县1∶1万比例尺的DEM高程数据，属TIN表面类型数据，用于提取坡度和坡长。

分别以高分辨率卫星遥感影像为数据源，在GIS技术支持下，采取人机交互方式[7-8]，解译获取拜泉县土地利用图，项目区水土保持措施分布图；然后实地调查项目区水土保持措施实施情况[9]，调查内容包括：梯田、地埂、改垄等坡耕地治理措施；截水沟等荒坡治理措施；造林、种草等林草措施和封育治理措施；沟头防护、跌水、谷坊等沟道治理措施；塘坝、蓄水池、作业路等措施的面积和数量。同时进行土地利用解译结果验证。

根据解译和调查结果，在全县范围内采用中国土壤流失方程(CSLE， Chinese soil loss equation)[10]分别计算项目实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——降雨侵蚀力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；K——土壤可蚀性因子〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕；L,S——坡长因子和坡度因子，无量纲；B——植被覆盖与生物措施因子，无量纲；E——水土保持工程措施因子，无量纲；T——水土保持耕作措施因子，无量纲。计算降雨侵蚀力使用拜泉县1981—2010年30 a逐日降雨资料，计算坡度坡长时使用1∶1万比例尺DEM数据(属TIN表面类型数据)。

降雨侵蚀力因子采用章文波等[11]提出的简易算式估算：

(2)

β=0.836 3+18.144/Pd12+24.455/Py12

(3)

α=21.586β-7.189 1

(4)

式中：Ri——第i个半月时段的侵蚀力值〔MJ·mm/(hm2·h)〕；k——半月时段内的天数(d);Pj——半月时段内第j天日雨量大于等于12 mm的侵蚀性日雨量(mm)，否则以0计算；全年24个时段，以每月前15 d作为一个半月段，该月剩下部分作为另一个半月时段；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)。计算逐年各半月降雨侵蚀力后，累加得到年降雨侵蚀力，取多年平均后得出年均降雨侵蚀力。

土壤可蚀性因子采用黑土的标准小区实测值，根据北京师范大学水土保持试验站观测得到，取值为0.038 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)。

坡度因子和坡长因子首先基于DEM数据计算坡长和坡度，然后按以下公式计算坡长因子和坡度因子：

L=(λ/22.1)m

(5)

(6)

式中：L——坡长因子，无量纲；λ——坡长(m)；m——坡长指数；S——坡度因子，无量纲；θ——坡度(°)。

植被覆盖与生物措施B因子主要针对林地和草地，以及其他各类非农地的土地利用按表1赋值，主要参考了张雪花等[12]利用人工降雨径流模拟试验得到的东北黑土区植被因子值，同时参照美国农业部农业手册282号USLE[13]基于土地利用/覆被类型的C因子值表。

拜泉县耕地的工程措施只有梯田，其他主要是耕作措施，包括：深松、秸秆还田、垄向区田、等高垄作、地埂植物带等[14]。依据松辽水利委员会(2012年)发布的各种水土保持措施效益公告，得到措施因子值(表2)。

利用ArcGIS软件，分别基于土地利用和水土保持措施分布进行因子赋值，然后进行7个因子的栅格图层乘积运算，得到每个栅格的侵蚀模数，按照《黑土区水土流失综合防治技术标准》(SL446-2009)划分等级后汇总分析。

由于2008—2012年国家级水土保持工程只有统计资料，采用2011—2015年计算的各类措施平均保土量，依据2008—2012年各类措施类型和面积估算其保土量。

表1 基于不同土地利用类型的B因子取值

注：其他各类土地包括交通运输用地、水域及水利设施、城镇和农村居民点、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与耕作措施因子T取值

注：深松因子值根据北京师范大学水土保持试验站观测资料得到； 斜坡起垄因子值是等高垄作与顺坡起垄因子值的平均值。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化

拜泉县总土地面积3 601.7 km2。2015年该县土地利用类型以耕地为主，面积为2 761 km2，占全县土地总面积的76.66%，其次为居民点及工矿交通用地，面积380.6 km2，占全县土地总面积的10.57%，林地面积302.3 km2，占8.39%，草地面积占2.50%，其他土地利用类型面积较小(图1)。5 a以来，拜泉县总体耕地、草地、其他用地面积减少，其中耕地面积由2 878.5 km2减少为2 761 km2，减少了117.5 km2，草地面积由172.8 km2减少为90.2 km2，减少了82.6 km2。林地、居民点及工矿交通用地、水域及水利设施用地面积增加，其中林地面积由271.8 km2增加为302.3 km2，增加了30.5 km2，居民点及工矿交通用地由211.3 km2增加为380.6 km2，增加了169.3 km2。各土地利用类型中变化最为明显的为耕地和居民点及工矿交通用地，拜泉县2011，2013，2015年，耕地面积减少，人口扩张较为明显，居民点及工矿交通用地大大增加，耕地和草地主要转化居民点及工矿交通用地和林地，耕地面积减少、林地面积增加在一定程度上说明拜泉县生态环境状况有所好转。

图1 拜泉县2011，2013，2015年土地利用统计

2.2 拜泉县2008-2015年实施水土保持措施情况

在国家农业综合开发水土保持项目和坡耕地水土流失综合治理试点工程建设的推动下，2008—2010年拜泉县水土保持措施实施面积为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)，面积为15.64 km2，地埂植物带，面积为7.24 km2，改垄，面积为43.24 km2。此外，还修建了497座谷坊和45座跌水。同2008—2010年相比，拜泉县的水保措施类型和面积都大幅增加，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年各类水土保持措施都有所增加，截止到2015年拜泉县水土保持措施总面积为2 497.62 km2，其中以坡耕地治理工程为主，面积为1 985.89 km2，占水土保持措施总面积的79.51%，其中，梯田面积为110.32 km2，地埂面积为37.15 km2，改垄面积为1 669.09 km2，截流沟面积为169.33 km2。荒坡治理工程总面积34.96 km2，封育治理面积24.57 km2，林草措施面积452.2 km2，治沟工程13 481处/座，小型蓄水保土工程490处/座。2011—2015年，拜泉县水土保持措施面积逐年增加，其中2011—2013年新增实施国家农业综合开发东北黑土区水土流失综合治理工程太平川项目区松林、兴家、整理、战斗小流域，全国坡耕地水土流失综合治理试点工程久胜项目区，中央预算内水土流失重点治理工程建国、卫东小流域，项目区总面积150.41 km2，新增水土保持措施总面积65.66 km2。2013—2015年新增实施国家农业综合开发东北黑土区水土流失综合治理工程太平川项目区进步、老道山小流域，中央预算内水土流失重点治理工程乾元小流域，省级财政水土保持专项工程史家沟、霍家沟，全国坡耕地水土流失综合治理工程劳动和互助项目区，项目区总面积154.92 km2，新增实施水土保持措施面积37.83 km2。5 a以来新增项目区累计面积305.33 km2，水土保持措施新增治理面积103.49 km2。

表3 拜泉县2008-2015年水土保持措施实施情况

2.3 拜泉县2008-2015年国家级水土保持工程实施后的效益分析

2015年，拜泉县水土流失总面积985.7 km2，占全县土地总面积的27.37%，以轻度侵蚀面积为主，面积821.1 km2，占侵蚀总面积的83.30%，其次为中度侵蚀，面积143.3 km2，占侵蚀总面积的14.54%，其他侵蚀类型面积较小(表4)。2011，2013，2015年，拜泉县侵蚀总面积逐年减少，由1 179.5 km2减少为985.7 km2，减少了193.8 km2。各级侵蚀面积也呈逐年减少趋势，其中轻度侵蚀面积减少最大，由934.3 km2减少为821.1 km2，减少了113.2 km2。5 a以来，拜泉县侵蚀总面积和各级强度侵蚀面积均呈减少趋势，从各级侵蚀所占比例看中度及以上侵蚀面积比例呈减少趋势，其中中度侵蚀面积占侵蚀总面积的比例由2011年的16.79%减少为2013年的15.82%和2015年的14.54%，轻度侵蚀面积占侵蚀总面积的比例呈增加趋势，由2011年的79.21%，增加为2013年的81.45%，至2015年增加为83.3%，说明拜泉县总体侵蚀状况有所好转，侵蚀面积减少且侵蚀程度下降，中度及以上侵蚀逐渐转化为轻度侵蚀。从2011，2013年到2015年，拜泉县水土流失总面积减少了193.8 km2，各类水土保持措施新增治理面积103.49 km2是水土流失面积减少的主要原因，水域及水利设施用地和林地面积增加是水土流失面积减少的次要原因。拜泉县实施的水土保持治理工程较好的改善了县域水土流失状况和生态环境。

表4 拜泉县2011，2013，2015年水土流失情况统计

拜泉县在坡耕地实施的水保措施主要包括坡改梯、地埂和改垄。不同的水土保持措施发挥着不同的效益(表5)。2008—2015年，梯田的保土量最多为203 984.95 t，占总保土量的40.21%，其次为改垄，保土量为188 873.93 t，占总保土量的37.23%，地埂的保土量最少，为114 479.98 t，占总保土量的22.56%。2008—2010年保土量为19 278.19 t，占总保土量的3.80%，其中梯田的保土量最多为9 748.27 t，占该时段总保土量的50.57%，其次为地埂和改垄，保土量比例分别为40.90%和8.54%。2012年水土流失综合试点工程建设11.11 km2的梯田，保土量为6 926.18 t。对比2011，2013和2015年，各水土保持措施类型的保土量逐年增加，占总保土量的比例由2011年的29.65%，上升为2013年的31.14%，再上升为2015年的34.04%，这主要是得益于各措施类型面积的逐年增加。5 a来，改垄面积较为稳定，其平均保土量为62 409.51 t。2011和2013年改垄的保土量为最多，2015年梯田的保土量高于改垄的保土量。虽然单位面积的地埂保土量最高，但由于其面积相对较少，其保土量低于梯田和改垄。由于改垄不占用和破坏耕地，工程量小，推广容易，因此是拜泉县分布面积最广，最常见的坡耕地水土保持措施。但改垄的单位面积保土量低，如何综合投入产出效益和保土效益优化水土保持措施分布应加强研究。

表5 拜泉县2008-2015年坡耕地水土保持措施效益评估

3 结 论

本文使用拜泉县2011，2013和2015年3 a的遥感影像数据进行了土地利用变化分析，结果显示拜泉县土地利用以耕地为主，占县域总面积的76.7%，该县土地利用由耕地向居民点及工矿交通用地和林地流转，生态环境有所好转。对拜泉县2008—2012，2011，2013，2015年实施水土保持工程情况及其效益进行了分析，结果显示2011—2015年水土流失面积和强度逐年降低，由中度及以上程度侵蚀转为轻度侵蚀；新增实施水土保持措施总面积103.49 km2，水土流失总面积减少193.8 km2。2008—2015年梯田、地埂植物带和改垄措施的总保土量为507 338.86 t，梯田保土占40.21%，改垄保土占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%，改垄保土仅占8.54%。2011—2015年，梯田和地埂比例明显下降，改垄比例明显上升。如何从投入产出、保土等角度优化水土保持措施分布，是需要进一步研究的内容。

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