1 研究背景与区域概况
1.1 研究背景
1.1.1 东北黑土区土壤侵蚀理论研究
我国东北黑土区是世界四大黑土区之一，是我国重要的商品粮基地。由于长期以来“重用轻养”，造成大面积水土流失和土地退化。根据2021年水利部全国水土流失动态监测结果，区内现存水土流失面积约为21.41万km2，其中水力侵蚀的面积占比为64％、风力侵蚀的面积占比为36％，北部地区间有冻融侵蚀。黑土层厚度由开垦初期的0.6～1m减少至0.2～0.6m。严重的水土流失造成黑土层逐渐变薄，土壤结构恶化，土壤肥力明显下降。例如，吉林省垦前自然黑土表层有机质含量多在40～60g/kg，开垦50年后多在20～30g/kg（刘兴土和闫百兴，2009）。黑龙江省北部地区，黑土有机质含量在开垦50年后由100g/kg左右下降至40～50g/kg；南部地区有机质含量则由50～60g/kg下降至20～30g/kg（隋跃宇等，2008）。水土流失已造成粮食减产达10％以上（刘卉芳等，2020），强烈侵蚀的坡耕地粮食产量可下降51％（张兴义等，2006）。严重的水土流失导致大量泥沙淤积在本区中下游地区的河道、水库中，影响水利工程正常运行，同时给流域防洪带来巨大隐患。黑龙江省五常市拉林河因多年淤积，河床抬高，泄洪能力降低70%（水利部松辽水利委员会，2006）；倭肯河中上游的勃利县全县24座小型水库淤积量占总库容的31%，其中淤积量为30%～60%的有11座，少数水库已全部淤平，致使水库各方面效益受到很大影响，渡汛危险增加（田广和李仁淑，2008）。
进入21世纪后，科学技术部、国家自然科学基金委员会、水利部等单位高度重视黑土区土壤侵蚀问题，先后启动了东北黑土区坡面水土流失综合治理技术、东北黑土区侵蚀沟生态修复关键技术研发与集成示范、黑土侵蚀防治机理与调控技术等重大科技项目，众多学者系统分析、总结了黑土区土壤侵蚀特点，以及水力侵蚀、冻融侵蚀和水土流失现状等问题（张光辉等，2022）。在坡面尺度上，如土壤侵蚀过程与机理、水土流失时空变化与驱动机制、土壤侵蚀环境效应、水土保持综合治理等诸多方面取得了一系列成果（张光辉等，2022）；在流域尺度上，对于侵蚀产沙时空变化特征和主要驱动因素（范昊明等，2009）、侵蚀泥沙来源等（Huang et al.，2019；杜鹏飞等，2020）也开展了相应研究。
在上述研究工作基础上，学者们开始运用土壤侵蚀模型，分析区域或流域尺度上的土壤侵蚀时空分异和发展变化。目前采用的模型主要以基于统计关系的经验模型为主，如RUSLE（Revised Universal Soil Loss Equation）模型（刘淼等，2004；胡刚等，2015）、中国土壤流失方程（焦剑，2010）、SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型（秦福来等，2014）、TETIS模型（李致颖和方海燕，2017）及WaTEM／SEDEM（Water and Tillage Erosion Model and Sediment Delivery Model）模型（盛美玲等，2015）。还有少量研究采用基于物理过程的机理模型分析坡面侵蚀，如WEPP（Water Erosion Prediction Project）模型。
黑土区土壤侵蚀类型多样、过程复杂，表现为多营力耦合、多过程重叠和受冻融作用影响显著等特点。侵蚀类型包括水力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀和复合侵蚀。水力侵蚀又分为溅蚀、细沟间侵蚀、细沟侵蚀、浅沟侵蚀和切沟侵蚀。与其他区域特别是黄土高原相比，黑土区土壤侵蚀研究历史短、成果积累少，亟需加强或深化土壤侵蚀机理与过程、黑土退化机制与地力提升、水土保持综合治理关键技术等研究。多营力复合、缓坡长坡、耕地垄作是东北黑土区*特的侵蚀环境，地形是决定汇流和侵蚀的重要因子，坡度沿坡长变化及径流沿坡长累积是土壤侵蚀呈现垂直分异的动力基础。由于坡面长缓起伏且受人为垄作影响，形成特殊汇流路径，导致侵蚀与地形存在明显非线性关系。为此，亟需研究不同坡度、坡长、坡型和汇流面积等条件下坡面汇流-侵蚀变化规律，探析地形与垄向对汇流-侵蚀耦合影响，明确垄作长缓坡地形调整的减蚀机制，确定坡面理水减蚀关键水文参数和地形阈值。
2017年，农业部会同国家发展和改革委员会、财政部、国土资源部、水利部等6部委印发《东北黑土地保护规划纲要（2017—2030年）》，提出了黑土地保护的技术模式。2018年，水利部印发了《东北黑土区侵蚀沟治理专项规划》（2016—2030年），提出重点对坡耕地中的中型、小型侵蚀沟进行治理。同年，水利部明确提出，当前和今后一段时期内，持续推进东北黑土区水土流失综合治理。2020年，《中共中央 国务院关于抓好“三农”领域重点工作确保如期实现全面小康的意见》明确将“推广黑土地保护有效治理模式，推进侵蚀沟治理，启动实施东北黑土地保护性耕作行动计划”作为“对标全面建成小康社会加快补上农村基础设施和公共服务短板”的重要内容，水利部再次明确提出，加大东北黑土区侵蚀沟和6°以上坡耕地治理力度。
1.1.2 水土流失治理技术和模式研究
东北黑土区水土流失已对粮食安全、生态安全造成严重威胁。推进东北黑土区生态保护与黑土地可持续利用，必须做好水土保持工作。国家先后启动了一系列水土保持重点治理工程，包括2003～2007年实施的“东北黑土区水土流失综合治理试点工程”、2008～2016年实施的“国家农业综合开发东北黑土区水土保持项目”、2008～2021年实施的“国家水土保持重点建设工程”、2010～2020年实施的“坡耕地水土流失综合治理工程”、2017～2020年实施的“东北黑土区侵蚀沟综合治理项目”和2021～2022年实施的“中央水利发展资金小流域综合治理工程”（图1.1）。
东北黑土区自逐步加强水土流失综合治理以来，特别是以小流域为单元开展水土保持综合治理的过程中，根据水土流失和土地利用等时空分布，有针对性地研究探索并对位配置，形成了一系列具有特色且行之有效的水土保持措施。其中，工程措施主要为坡式梯田、水平梯田、水平台田等坡改梯措施，横坡垄作、垄作区田、植物埂等微地形整治措施，截流沟、植草水道、地下暗排等坡面径流调控措施，沟头、沟坡和沟底防护等沟道防护措施；生物措施主要为自然生态恢复和人工植被恢复措施；耕作措施主要为免耕、少耕等保护性耕作，以及鼠道耕法和秸秆还田。
图1.1 各类国家水土保持重点治理工程的实施工程量
注：图d、e中工程数量按年份计
在保护黑土地的大背景下，结合国家重大生态工程实施，东北黑土区水土流失防治理论与技术研究逐渐成为热点与焦点，经过多年的水土流失治理研究与实践，已形成一批针对漫川漫岗区、丘陵沟壑区、农牧交错区等不同地貌类型区的成效明显且具有推广价值的综合治理模式。例如，按不同坡度对坡耕地进行退耕还林，修建横坡垄作、水平梯田等高植物篱的坡耕地治理模式；以理水为主线的蓄、排、灌一体化的“梯级蓄水”模式；进行等高垄作、水平地埂植物带、垄作区田等农耕措施集成模式；从山顶至沟壑三道防线综合群体防护模式等。近年来，以县域为基本单元，针对不同区域特点，通过对过去水土保持治理模式的梳理和总结，形成了具有地方特色的水土保持系统治理模式。例如，以玉米等旱田作物秸秆覆盖还田的保护性耕作为核心的“梨树模式”，以黑土地分布与类型及土壤耕作过程中有机质变化为核心采取相应种植方式的“龙江模式”，将连续式柳编跌水等地方特色植物措施与工程措施充分融合的“拜泉模式”，以秸秆填埋复垦侵蚀沟、小流域综合治理和退耕还林还草等措施为核心的“宾县模式”，通过分步治理实现“山水林田路”和“沟管洞缝松”综合治理的“九三模式”，以植物篱、深松耕、生态袋等水保耕作措施为核心的“克山模式”，围绕黑土地保护和辽河源治理，推进整县开展“山水林田湖草一体化生态修复”的“东辽模式”等。
上述措施和模式有效促进了东北黑土区水土流失防治进程，取得了显著的生态、经济与社会效益。但由于气候、地形条件和土地利用情势*特，加之治理起步较晚，使该区水土流失治理与全国其他类型区相比较为滞后，费省效宏的水土保持技术还亟待持续深入研究。东北黑土区传统坡面水土保持工程主要针对低山丘陵地貌，难以良好地适用于垄作长缓坡面，且常存在占地多、扰动强等问题，无法满足集约化和机械化的现代农业生产。因此，亟需研发低扰动、坡形调整、生态型增渗减流等理水减蚀工程措施，探索支撑措施布局的水文路径地理数据构建和效益评价方法，以及生态节地型坡面径流调控与减蚀工程技术。
1.2 区域概况
1.2.1 区域位置
东北地区拥有分布广泛的土质肥沃、有机质含量丰富的黑土，非常适合农作物生产，是我国重要的粮食生产基地，被誉为国家粮食生产与供给的“稳压器”，每年交售全国近1/3的商品粮。本书所言黑土对应美国土壤系统分类的软土（mollisol）、中国土壤系统分类的均腐土（isohumosols），以及土壤发生学分类的黑土、黑钙土、灰色森林土和栗钙土。由于用途及对黑土所含土壤类型的认识不同，东北黑土区的范围存在多种版本，主要涉及广义的东北黑土区和典型的东北黑土区两大标准。不同版本的东北黑土区（广义东北黑土区）范围和面积存在较大差异（表1.1）。考虑到划分的区域完整性和便于应用，本书所指的“东北黑土区”为水利部于2012年颁布的《全国水土保持区划（试行）》涉及的黑龙江省、吉林省、辽宁省、内蒙古自治区东部4省区244个县（市、区、旗），总面积109万km2（图1.2）。表1.1东北黑土区范围和面积界定方案名称范围界定面积/万km2有无成图来源东北黑土区广义东北黑土区松花江、辽河两大流域中上游101.85无沈波等（2003）101无解运杰等（2005）广义东北黑土区松花江、辽河两大流域中上游103.02有典型黑土区黑土、黑钙土为主的松辽流域腹地10.85有王岩松等（2007）广义黑土区除辽西、赤峰、通辽南部和呼伦贝尔西部以外的东北地区103无狭义黑土区松辽平原东部黑土—白浆土区，兴安岭与三江平原西部暗棕壤—黑土区37.69无刘兴土和阎百兴（2009）东北黑土区黑土、黑钙土为主的分布区域，涉及244个县级行政单元109有水利部（2012）东北黑土区黑土、黑钙土、栗钙土和灰色森林土为主的分布区域，涉及146个县级行政单元55.6有东北典型黑土区黑土、黑钙土为主的分布区域，涉及138个县级行政单元33.3有刘宝元等（2021）
图1.2 东北黑土区位置
1.2.2 气候特征
东北黑土区属温带大陆性季风气候，横跨寒温带、中温带和暖温带三个气候带，年平均气温在-7～11℃，不小于10℃有效积温在1500～3800℃。冬季寒冷漫长，1月份平均*低气温在-20℃以下，冬季一般长达5～6个月，为我国*寒冷的区域；春季多风，且干燥少雨，尤其是西部地区，十年九春旱；夏季高温多雨，雨热同季，有利于植物生长，7月平均气温在18～20℃，多年平均降水量一般为350～1000mm，呈单峰降水，分布不均，东部和南部较多，西部较少，其中东南部山区年降水量在1000mm以上，西部只有300mm左右。本区70%～80％的降水集中在6～9月份，且降雨强度大；全年降雪量占降水总量的比例在10%～25％（焦剑等，2009）。
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