張愛玲, 鐘云飛, 陳祥偉

(1.東北林業(yè)大學 林學院， 黑龍江 哈爾濱 150040; 2.松遼委松遼流域水土保持監(jiān)測中心站， 吉林 長春 130021)

東北黑土區(qū)是中國最大的商品糧生產(chǎn)基地，同時又是重要的生態(tài)安全屏障區(qū)。雖然開墾歷史僅有百余年，但由于機械化開發(fā)強度大、速度快，加之獨特的漫川漫崗起伏丘陵區(qū)地形，沒有采取任何水土保持措施，導致目前水土流失問題凸顯，呈危害加劇的發(fā)展態(tài)勢。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，更是對機械化作業(yè)構成嚴重障礙，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渡的山前臺地和丘陵地帶，地形呈波狀起伏，坡度較緩，一般不超過5°～8°，但坡長較長，多為幾百米，甚至上千米。土壤類型以黑土為主，有機質含量高。在中國水土保持分區(qū)中屬于東北黑土丘陵漫崗區(qū)。氣候屬于中溫帶大陸性季風氣候，平均年降水量490 mm，大于等于10 ℃積溫2 454.5 ℃，無霜期122 d。拜泉縣1898年開始放荒，1906年建縣開始墾殖，縣名源自蒙語，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”之一[1]。建國初期就是東北地區(qū)極具代表性的種植業(yè)為主的農(nóng)業(yè)大縣，是全國著名的產(chǎn)糧大縣。1958年曾榮獲周恩來總理簽發(fā)的“農(nóng)業(yè)社會主義建設先進單位”獎狀。但由于長期生產(chǎn)中未關注水土保持，到80年代農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境已嚴重惡化，農(nóng)村經(jīng)濟步履維艱，是黑龍江省和國家重點扶持的貧困縣[2]。1986年拜泉縣啟動了生態(tài)農(nóng)業(yè)建設，在制定《拜泉縣生態(tài)農(nóng)業(yè)建設總體規(guī)劃》的基礎上[3]，走以水土保持為依托的生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展之路，實現(xiàn)了生態(tài)、經(jīng)濟、社會效益三增長[4]。經(jīng)過約20 a的努力，已形成較為完善的水土流失綜合防護體系[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，實現(xiàn)工程、土壤、生物“三種水庫”運轉，成為東北黑土區(qū)水土保持示范模式[6]。2008年以后隨著國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階，2013年被評為東北黑土區(qū)唯一的國家水土保持生態(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工程，國家農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)東北黑土區(qū)水土流失治理重點工程，坡耕地水土流失綜合治理試點工程。很多學者圍繞生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益指標，對拜泉縣生態(tài)農(nóng)業(yè)和國家防治工程實施成效進行了總結，缺少定量效益的直接估算。本研究擬針對國家防治工程的投入，定量評價拜泉縣實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施情況。包括兩部分，一是水利部松遼流域委員會提供的2011—2015年國家級農(nóng)發(fā)項目水土保持工程的統(tǒng)計資料，其中拜泉縣僅在2011，2013，2015年實施，含水土保持措施類型、實施位置和面積；二是發(fā)表的2008—2012年國家級試點工程水土保持工程文獻數(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施年份對應的拜泉縣2011，2013和2015年的資源3號衛(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，用于計算全縣降雨侵蝕力；④拜泉縣1∶1萬比例尺的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。

分別以高分辨率衛(wèi)星遙感影像為數(shù)據(jù)源，在GIS技術支持下，采取人機交互方式[7-8]，解譯獲取拜泉縣土地利用圖，項目區(qū)水土保持措施分布圖；然后實地調(diào)查項目區(qū)水土保持措施實施情況[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、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。同時進行土地利用解譯結果驗證。

根據(jù)解譯和調(diào)查結果，在全縣范圍內(nèi)采用中國土壤流失方程(CSLE， Chinese soil loss equation)[10]分別計算項目實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——坡長因子和坡度因子，無量綱；B——植被覆蓋與生物措施因子，無量綱；E——水土保持工程措施因子，無量綱；T——水土保持耕作措施因子，無量綱。計算降雨侵蝕力使用拜泉縣1981—2010年30 a逐日降雨資料，計算坡度坡長時使用1∶1萬比例尺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個半月時段的侵蝕力值〔MJ·mm/(hm2·h)〕；k——半月時段內(nèi)的天數(shù)(d);Pj——半月時段內(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計算；全年24個時段，以每月前15 d作為一個半月段，該月剩下部分作為另一個半月時段；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準小區(qū)實測值，根據(jù)北京師范大學水土保持試驗站觀測得到，取值為0.038 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)。

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

L=(λ/22.1)m

(5)

(6)

式中：L——坡長因子，無量綱；λ——坡長(m)；m——坡長指數(shù)；S——坡度因子，無量綱；θ——坡度(°)。

植被覆蓋與生物措施B因子主要針對林地和草地，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得到的東北黑土區(qū)植被因子值，同時參照美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)手冊282號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(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行因子賦值，然后進行7個因子的柵格圖層乘積運算，得到每個柵格的侵蝕模數(shù)，按照《黑土區(qū)水土流失綜合防治技術標準》(SL446-2009)劃分等級后匯總分析。

由于2008—2012年國家級水土保持工程只有統(tǒng)計資料，采用2011—2015年計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輸用地、水域及水利設施、城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民點、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)北京師范大學水土保持試驗站觀測資料得到； 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，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、居民點及工礦交通用地、水域及水利設施用地面積增加，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及工礦交通用地，拜泉縣2011，2013，2015年，耕地面積減少，人口擴張較為明顯，居民點及工礦交通用地大大增加，耕地和草地主要轉化居民點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明拜泉縣生態(tài)環(huán)境狀況有所好轉。

圖1 拜泉縣2011，2013，2015年土地利用統(tǒng)計

2.2 拜泉縣2008-2015年實施水土保持措施情況

在國家農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)水土保持項目和坡耕地水土流失綜合治理試點工程建設的推動下，2008—2010年拜泉縣水土保持措施實施面積為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年新增實施國家農(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目區(qū)松林、興家、整理、戰(zhàn)斗小流域，全國坡耕地水土流失綜合治理試點工程久勝項目區(qū)，中央預算內(nèi)水土流失重點治理工程建國、衛(wèi)東小流域，項目區(qū)總面積150.41 km2，新增水土保持措施總面積65.66 km2。2013—2015年新增實施國家農(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目區(qū)進步、老道山小流域，中央預算內(nèi)水土流失重點治理工程乾元小流域，省級財政水土保持專項工程史家溝、霍家溝，全國坡耕地水土流失綜合治理工程勞動和互助項目區(qū)，項目區(qū)總面積154.92 km2，新增實施水土保持措施面積37.83 km2。5 a以來新增項目區(qū)累計面積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年水土保持措施實施情況

2.3 拜泉縣2008-2015年國家級水土保持工程實施后的效益分析

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。各級侵蝕面積也呈逐年減少趨勢，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，拜泉縣侵蝕總面積和各級強度侵蝕面積均呈減少趨勢，從各級侵蝕所占比例看中度及以上侵蝕面積比例呈減少趨勢，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，由2011年的79.21%，增加為2013年的81.45%，至2015年增加為83.3%，說明拜泉縣總體侵蝕狀況有所好轉，侵蝕面積減少且侵蝕程度下降，中度及以上侵蝕逐漸轉化為輕度侵蝕。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

拜泉縣在坡耕地實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工程建設11.11 km2的梯田，保土量為6 926.18 t。對比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，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加強研究。

表5 拜泉縣2008-2015年坡耕地水土保持措施效益評估

3 結 論

本文使用拜泉縣2011，2013和2015年3 a的遙感影像數(shù)據(jù)進行了土地利用變化分析，結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及工礦交通用地和林地流轉，生態(tài)環(huán)境有所好轉。對拜泉縣2008—2012，2011，2013，2015年實施水土保持工程情況及其效益進行了分析，結果顯示2011—2015年水土流失面積和強度逐年降低，由中度及以上程度侵蝕轉為輕度侵蝕；新增實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，是需要進一步研究的內(nèi)容。

[1] 韓忠軍,陳壽剛,鐘喜華.對拜泉縣生態(tài)農(nóng)業(yè)建設與可持續(xù)發(fā)展的思考[J].黑龍江環(huán)境通報,2011,35(1):9-11.

[2] 王樹清,蘇繼昌.拜泉縣生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的提出、實施及其它[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展,1995(1):5-8.

[3] 于立河,曲長祥,曹茹,等.拜泉縣發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)的調(diào)查[J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學與綜合研究,2003,19(2):120-123.

[4] 孫媛媛.生態(tài)農(nóng)業(yè)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最佳模式：拜泉縣發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)的啟示[J].理論觀察,2002(1):64-66.

[5] 周寧,張春山.拜泉縣水土保持生態(tài)文明建設的成效與經(jīng)驗[J].中國水土保持,2014(1):55-57.

[6] 中華人民共和國水利部.中國水土流失防治與生態(tài)安全(東北黑土區(qū)卷)[M].北京:科學出版社,2010:64-66.

[7] 陳寧強,戴錦芳.人機交互式土地資源遙感解譯方法研究[J].遙感技術與應用,1998,13(2):15-20.

[8] 閻守邕,王濤,劉亞嵐,等.遙感影像人機交互判讀系統(tǒng)及其技術特點[J].遙感學報,2002,6(3):198-204.

[9] 國務院第一次全國水利普查領導小組辦公室.第一次全國水利普查培訓教材之六：水土保持情況普查[M].北京:中國水利水電出版社,2010:5-9.

[10] Liu Baoyuan, Zhang Keli， Xie Yun. An Empirical Soil Loss Equation [M]∥Proceedings-Process of Soil Erosion and Its Environment Effect(Ⅱ): 12th International Soil Conservation Organization Conference, 2002:21-25.

[11] 章文波,謝云,劉寶元.利用日雨量計算降雨侵蝕力的方法研究[J].地理科學,2002,22(6):705-711.

[12] 張雪花,侯文志,王寧.東北黑土區(qū)土壤侵蝕模型中植被因子C值的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2006,25(3):797-801.

[13] Wischmeier W H, Smith D D. Predicting Rainfall Erosion Losses: A Guide to Conservation Planning [M]. USDA： Agriculture Handbook, 1978.

[14] 王洪巖,牟向東,張春山.拜泉縣實施黑土區(qū)水土流失綜合防治試點工程的做法與成效[J].黑龍江水利科技,2007,35(4):186-187.