不同水土保持耕作措施对黑土坡耕地产流产沙的影响机制

Influencing mechanisms of different soil and water conservation tillage measures on runoff and sediment yield of slope cropland in black soil region

摘要

目的 探究在天然降雨条件下不同水土保持耕作措施对黑土区坡耕地产流产沙的影响机制，为东北黑土区水土流失的防控和治理提供科学依据和技术支撑。 方法 选取黑龙江省典型黑土区坡耕地为研究对象，布设径流小区，以传统顺坡垄作为对照，分析横坡垄作、横坡垄作＋植物篱、秸秆还田和垄作区田4种水土保持耕作措施下的产流和产沙特征，探究不同水土保持耕作措施的减流减沙规律。 结果 ①横坡垄作＋植物篱、横坡垄作、秸秆还田和垄作区田4种水土保持耕作措施均能减少坡耕地产流量和产沙量，与顺坡垄作相比，产流量分别减少74%，67%，29%和64%，产沙量分别减少88%，87%，67%和66%。 ②横坡垄作＋植物篱措施减流率和减沙率最为显著（p<0.05）。 ③横坡垄作＋植物篱措施下坡耕地产生径流和泥沙持续时间最短。 ④坡耕地产生径流量与泥沙量呈显著正相关（p<0.01）。 结论 横坡垄作＋植物篱措施能显著增大减流率和减沙率，建议在该地区推广应用。

Abstract

Objective The influencing mechanisms of different soil and water conservation tillage measures on runoff and sediment yield of slope cropland in the black soil region under natural rainfall conditions were analyzed， in order to provide a scientific basis and technical support for the prevention， control， and management of soil erosion in the black soil region in northeast China. Methods Typical slope cropland in the black soil region of Heilongjiang Province was selected as the research object. Runoff plots were established， with traditional downslope ridging as the control. The characteristics of runoff and sediment yield under four soil and water conservation tillage measures-cross-slope ridging， cross-slope ridging + plant hedges， straw return to the field， and ridge field-were analyzed to investigate the patterns of runoff and sediment reduction under different soil and water conservation tillage measures. Results ① All four soil and water conservation tillage measures-cross-slope ridging + plant hedges， cross-slope ridging， straw return to the field， and ridge field-could reduce the runoff and sediment yield of slope cropland. Compared with downslope ridging， runoff decreased by 74%， 67%， 29%， and 64%， respectively， and sediment yield decreased by 88%， 87%， 67%， and 66%， respectively. ② The measures of cross-slope ridging + plant hedges showed the most significant rates of runoff and sediment reduction （p<0.05）. ③ The duration of runoff and sediment yield from the slope cropland under the cross-slope ridging + plant hedge measure was the shortest. ④ The runoff volume and sediment yield from the slope cropland showed a significant positive correlation （p<0.01）. Conclusion The cross-slope ridging plant hedge measure demonstrates significant runoff and sediment reduction rates， and it is recommended for wider application in this region.

Graphical abstract

关键词

耕作措施 / 东北黑土区 / 坡耕地 / 水土保持

Key words

tillage measures / black soil region in northeast China / slope cropland / soil and water conservation

文献参数： 梁欣平， 肖洋， 王倡宪， 等.不同水土保持耕作措施对黑土坡耕地产流产沙的影响机制［J］.水土保持通报，2025，45（6）：33-40. Citation:Liang Xinping， Xiao Yang， Wang Changxian， et al. Influencing mechanisms of different soil and water conservation tillage measures on runoff and sediment yield of slope cropland in black soil region ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation，2025，45（6）：33-40.

黑土作为地表稀缺性土壤类型，在全球呈区域性集聚特征，主要分布于中国东北平原、南美潘帕斯草原、北美密西西比流域及东欧乌克兰平原等4大板块^［1］。统计数据显示，这类特殊土壤仅占全球陆地面积的6.8%，具有显著的地域局限性^［2］。中国东北地区现存典型黑土耕地面积约1.85×10⁷ hm²，占全球黑土总量的12%，其中黑龙江省以1.04×10¹¹ m²占比达56%，是中国重要商品粮基地的核心土壤资源^［3］。该土壤类型的形成过程极为缓慢^［4-5］，平均1 cm土层需历经200~400 a生物化学作用才能形成。其高腐殖质含量（有机质平均3%~6%）赋予卓越的农业生产潜力^［6-8］。黑土地开发和利用比较早，黑土区农垦现象普遍，长期的粗放式开垦耕作，以及人类的不合理生产活动在加重土壤侵蚀危害的同时，造成黑土区水土流失和退化严重^［9-10］。

东北黑土区因其特殊的地形地貌特征及坡耕地缓坡长坡的特征，以及东北地区春季至夏季植被覆盖较差，降水较多，雨量较大的特点，使得黑土区坡耕地土壤侵蚀严重^［11-12］。降雨径流冲刷坡面表土，导致其物理、化学性质变化和生产力降低^［13］。根据有关资料，在黑土区坡耕地上，因土壤侵蚀而造成的粮食产量减少约1.08×10¹⁰ kg^［14-15］，对东北地区的发展和国家粮食安全都产生了不利影响。

水土保持耕作措施既是保护水土资源的根本措施^［16-18］，又是生态环境建设的必要需求。水土保持耕作措施可以通过改变微地形，增加地面覆盖和土壤抗蚀力等方式有效减轻降雨引起的土壤侵蚀和地质灾害^［19-20］。对防治水土流失、促进农业增产具有十分重要的作用^{［7，21-22］}。

近年来，东北黑土区加大对生态环境的治理力度，水土保持综合治理取得显著成效^［23］，但不同的水土保持耕作措施在减轻降雨引起的水土流失方面存在差异，从而导致该地区不同水土保持措施的减流减沙机理尚不明确。同时，虽然目前国内外学者对不同水土保持耕作措施影响坡耕地水土流失的相关研究较为丰富，但多集中在西北黄土区和南方红壤区，且多采用人工模拟降雨的方法，从坡耕地土壤侵蚀理论、产流产沙规律等方面已取得较多成果，而针对自然降雨条件下东北黑土区3°缓坡耕地的研究相对较少。因此，本试验以黑龙江省齐齐哈尔市克山县典型黑土区坡耕地为研究对象，设置传统顺坡垄作为对照，比较横坡垄作、横坡垄作+植物篱、秸秆还田、垄作区田4种不同水土保持耕作措施在自然降雨条件下径流小区产流量、产沙量的差异，探究不同水土保持耕作措施对坡耕地产流产沙的影响机制，筛选出高效的坡耕地水土流失防治模式，为黑土区坡耕地土壤侵蚀治理提供理论基础与数据支持。

1 研究区概况

研究区布设在黑龙江省齐齐哈尔市克山县定位试验观测站内（47°43′—48°18′N，126°01′—126°41′E），地处小兴安岭伸向松嫩平原的过渡区。该地属于寒温带大陆性季风气候，夏季温和多雨，雨热同季。年平均降水量479.4 mm，主要集中在6—8月，年均径流深50 mm，年平均气温2.4 ℃，年平均日照时数2 703 h，无霜期122~135 d。地形为典型丘陵漫岗，坡度3°~8°，土壤类型为黏底黑土，土层平均厚度20~30 cm。主要农作物为玉米和大豆，主要耕作方式为顺坡垄作。该区水土流失严重，是水土流失防治重点治理区域。

2 材料与方法

2.1 径流小区设置

在试验观测站内，设置传统顺坡垄作为对照，不同水土保持耕作措施分别为横坡垄作、横坡垄作+植物篱、秸秆还田、垄作区田（表1），各措施重复3次，随机排列。径流小区坡度为3°，宽5 m，水平坡长20 m，投影面积100 m²，径流小区间距0.65 m，四周设有地埂，埋深45 cm，高出地面20 cm。

2.2 数据获取

本试验中径流量数据通过XYZ-IIT型无动力水土流失装置翻转次数计算得出。径流量计算公式为

Q=V\times n（1）

式中：Q表示径流量（L）；V表示翻斗体积（L）；n表示记录装置的翻转次数。

将收集的泥沙样品进行过滤、干燥、称量，计算含沙率。

泥沙量计算公式为

S=Q\times S_a（2）

式中：S表示泥沙量（kg）； Q为总径流量（L）； S_a 表示该阶段含沙率（kg/L）。

减流率计算公式为

f_r=\frac{Q_a-Q_b}{Q_a}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（3）

式中：f_r表示减流率（\mathrm{\%}）； Q_a为对照小区产流量（m³）； Q_b为不同耕作措施径流小区产流量（m³）。

减沙率计算公式为

f_s=\frac{S_a-S_b}{S_a}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（4）

式中：f_s表示减沙率（\mathrm{\%}）； S_a为对照小区含沙量（kg/m³）； S_b为不同耕作措施径流小区含沙量（kg/m³）。

2.3 数据处理

运用Excel 2019对数据进行计算整合；利用SPSS 27.0中的方差分析和多重比较（LSD）进行显著性水平检验；利用Origin 2024进行图片绘制。

3 结果与分析

3.1 径流小区产流降雨特征

降雨作为诱发土壤水力侵蚀过程的主要驱动力，其累积降雨量、降雨强度、降雨历时与降雨类型对坡耕地水土流失特征具有显著影响，降雨量越大，降雨强度越大，降雨历时越长，对地表的冲刷能力就越强，产生径流与泥沙量越多。根据国家对降雨量等级标准规定，按照日累积降雨量将降雨划分为小雨（降雨量小于9.9 mm）、中雨（降雨量10.0~24.9 mm）、大雨（降雨量25.0~49.9 mm）、暴雨（降雨量50.0~99.9 mm）。由表2可知，在观测的44场侵蚀性降雨事件中，小雨、中雨、大雨和暴雨发生次数分别为13，18，8，5次，对应累积降雨量分别为79.95，308.46，259.87，278.48 mm，分别占总降雨量的8.63%，33.28%，28.04%和30.05%。

根据研究区2019—2022年降雨特征（表3），2019年共观测到6次降雨产生径流泥沙，总降雨量为196.62 mm，最大雨强为2.15 mm/h，其中8月占67.2%。2020年产生径流泥沙降雨频次增至22次，总降雨量352.39 mm，其中8月降雨量最大，为146.65 mm，9月出现最大降雨强度（3.46 mm/h）。2021年观测到10次降雨产生径流，其中4次降雨产生泥沙，总降雨量288.17 mm，产沙降雨强度为5.44 mm/h，呈现6月>7月>8月递减趋势。2022年产生径流泥沙降雨频次最少，仅有6次产流降雨，其中有4次降雨产生泥沙，总降雨量为89.58 mm，降雨强度峰值为1.80 mm/h，产流产沙降雨频次为2020年的18.2%。以上分析表明，2019—2022年降雨量及强度呈逐年下降趋势，2020年降雨最丰富，2022年各项指标显著降低；试验区7—8月为降雨集中期；雨强峰值多出现在夏季月份，其中2021年6月出现观测期最高值（5.44 mm/h）。

3.2 不同水土保持耕作措施下坡耕地产流产沙特征

3.2.1 产流特征

由图1可知，相较于传统顺坡垄作耕作措施，4种水土保持耕作措施均能有效降低地表径流量。减流率表现为：横坡垄作+植物篱>横坡垄作>垄作区田>秸秆还田。4种水土保持耕作措施中，横坡垄作+植物篱措施减流率与顺坡垄作差异最显著（p<0.05），横坡垄作、横坡垄作+植物篱及垄作区田3种措施间的减流率差异不显著（p>0.05），其中横坡垄作措施的减流率为67%，垄作区田措施的减流率为64%，横坡垄作+植物篱措施的减流率为74%。通过对各措施减流率的分析可知，横坡垄作+植物篱措施表现出显著的减流效果，其次是横坡垄作措施和垄作区田措施。

图2表明，2021年6月11日典型侵蚀性降雨事件中，传统顺坡耕作措施产生径流持续时间达60 min，累计径流量3 242.2 L；采用垄作区田和秸秆还田措施径流持续时间缩短至50 min，其累计径流量分别降至961.4 L和652.8 L；而横坡垄作和横坡垄作+植物篱措施表现出更好的减流效果，两者径流持续时间均为35 min，累计径流量分别减少至496.8 L和368.0 L。在整场降雨过程中，06：00前后分别出现一次产流峰值，顺坡垄作、横坡垄作、横坡垄作+植物篱、秸秆还田和垄作区田措施首次产流量峰值均出现在05：45—05：50，顺坡垄作措施峰值流量达439.4 L/5 min，明显高于4种水土保持耕作措施。第二次产流峰值出现时段呈现措施差异性，06：15—06：20时段内，顺坡垄作措施仍维持最高峰值（585 L/5 min），横坡垄作、秸秆还田及垄作区田措施产流量分别为205，204，255 L。与其他3种水土保持耕作措施相比，横坡垄作+植物篱措施的峰值出现时间延后至06：20—06：25，且径流量降低至115 L/5 min，表现出其对径流产生的延滞效果。

2022年6月20日，出现了典型侵蚀性降雨过程。由图3可知，传统顺坡垄作措施径流持续时间最长，其累计径流量达642.2 L，垄作区田、秸秆还田以及横坡垄作+植物篱3种措施的径流历时均缩短至25 min，对应的径流总量分别为433.7，374.9，209.5 L；而横坡垄作措施的产流时间进一步缩减至20 min，累计径流量为306.0 L。所有耕作措施均在19：30—19：35出现产流量峰值。具体而言，顺坡垄作措施在该时段达到280.8 L的最高峰值，秸秆还田、垄作区田、横坡垄作及横坡垄作+植物篱措施的峰值流量依次为272.0，255.3，192.0，111.3 L。其中横坡垄作+植物篱措施表现出最优的径流抑制效果，其峰值流量仅为顺坡垄作措施的39.6%。

3.2.2 产沙特征

研究结果（图4）表明，相较于传统顺坡垄作措施，4种水土保持耕作措施均表现出显著的减沙效果。减沙率表现为：横坡垄作+植物篱>横坡垄作>秸秆还田>垄作区田。其中，横坡垄作及横坡垄作+植物篱措施的减沙率与顺坡垄作措施存在显著差异（p<0.05），减沙率分别达到88%和87%。4种不同水土保持耕作措施间的减沙率差异不显著（p>0.05）。具体来看，秸秆还田与垄作区田措施的减沙率分别为67%和66%，垄作区田措施的减沙效果略低于秸秆还田措施，两者差异不显著（p>0.05）。数据分析表明，横坡垄作+植物篱措施的减沙率最高，横坡垄作措施次之，秸秆还田措施减沙率略高于垄作区田。

在2021年6月11日典型侵蚀性降雨过程中，传统顺坡垄作措施其含沙浓度始终高于其他水土保持耕作措施（图5）。在降雨初期阶段（0—10 min），顺坡垄作、秸秆还田和垄作区田的含沙浓度分别达到3.9，1.76和3.53 g/L，而横坡垄作及横坡垄作+植物篱措施在此时段均未产生泥沙。随着降雨持续，横坡耕垄作措施在10—20 min时段开始产生泥沙，含沙浓度为2.2 g/L，横坡垄作+植物篱措施则在20—30 min时段开始产生泥沙，含沙浓度为4.69 g/L。06：10—06：20是所有措施含沙浓度的高峰期，顺坡垄作、横坡垄作、横坡垄作+植物篱、秸秆还田和垄作区田措施的含沙浓度依次为12.03，7.42，5.66，6.99和8.58 g/L。

图5表明，相较于顺坡垄作措施，各水土保持耕作措施平均含沙浓度呈现下降趋势，垄作区田、秸秆还田、横坡垄作及横坡垄作+植物篱措施分别降低29%，43%，62%和73%。横坡垄作+植物篱措施表现出最优的拦截泥沙效果，其含沙浓度较传统顺坡垄作降低约1/3。横坡垄作措施的拦截泥沙效果仅次于横坡垄作+植物篱措施。

3.3 坡耕地径流与泥沙的相关性

线性拟合结果（表4）表明，不同耕作措施下坡耕地径流量与泥沙量呈显著正相关关系（p<0.01）。各耕作措施径流量与泥沙量相关性表现为：垄作区田>顺坡垄作>秸秆还田>横坡垄作>横坡垄作+植物篱，相关系数分别为0.772 8，0.564 1，0.554 2，0.533 0，0.506 7。这表明在各耕作措施下坡耕地径流的产生是泥沙产生的主要影响因素。

4 讨 论

黑土区坡耕地作为中国重要的粮食生产基地^［24-25］，在农业生产体系中具有不可替代的战略地位，但同时也是东北地区水土流失的主要策源地。对于黑土地区的坡耕地，因地制宜采用保护性耕作措施，能够有效降低坡耕地泥沙流失，从而减少水土流失，提高土地生产能力。本研究基于野外自然降雨过程，研究5种耕作措施下黑土区坡耕地产流产沙特征。结果表明，在相同降雨条件下，减流率表现为：横坡垄作+植物篱>横坡垄作>垄作区田>秸秆还田，减沙率表现为：横坡垄作+植物篱>横坡垄作>秸秆还田>垄作区田，其中横坡垄作+植物篱减流减沙效果最好。此结论与诸多学者研究结果一致。刘绪军等^［26-27］通过试验发现横坡垄作+植物篱措施可以改善土壤结构，使土壤容重减小，土壤孔隙度增加，显著提高土壤入渗性能，从而减少地表径流和土壤侵蚀的发生。陆淑宁等^［28］在长期野外降雨监测发现，横坡垄作可以通过沟垄蓄水延迟产流并减少水土流失。杜勇强等^［29］通过人工模拟降雨试验研究表明，秸秆还田能够有效提升土壤孔隙度，促进降雨入渗，推迟产流时间，并减少径流量；同时可以增加地表粗糙度，降低径流流速，削弱径流携带泥沙的能力，从而减少地表径流量和泥沙产量。牟延森等^［30］通过人工模拟降雨试验发现垄作区田可以通过分散降雨强度，延长径流路径，从而有效拦截地表径流。本研究中秸秆还田与垄作区田措施对径流泥沙的截留效果未达显著水平，主要是由于气候条件与地形地貌存在差异性。相较于传统的耕作措施，水土保持耕作措施在保水固土方面展现出明显优势，坡耕地产流产沙过程受土壤理化性质、耕作方式、降雨强度、降雨过程、覆盖度等多因素综合影响，因此，不同条件下产流产沙特征仍需深入研究。

5 结 论

（1） 自然降雨条件下，顺坡垄作耕作措施下坡耕地产流产沙量最大，横坡垄作+植物篱、横坡垄作、秸秆还田和垄作区田耕作措施均能在一定程度上减少坡耕地的产流产沙量，不同水土保持耕作措施减流率大小排序为：横坡垄作+植物篱>横坡垄作>垄作区田>秸秆还田，减沙率大小排序为：横坡垄作+植物篱>横坡垄作>秸秆还田>垄作区田。

（2） 横坡垄作措施的减沙率显著，横坡垄作+植物篱措施的减流率和减沙率均显著，可作为主要耕作措施在东北黑土区推广应用。

（3） 与顺坡垄作相比，4种水土保持耕作措施均可减少坡耕地产流产沙的持续时间，其中横坡垄作+植物篱措施的产流产沙持续时间最短。

（4） 自然降雨条件下，坡耕地产生径流量与泥沙量均呈显著的正相关关系，泥沙量随径流量的增加而增加，表明坡面径流产生是影响泥沙产生的主要因素。

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基金资助

国家重点研发计划项目子课题“黑土区农田水土流失防治保护性利用模式与应用”(2021YFD150080503)

黑龙江省自然科学基金项目(LH2020D026)