东北黑土区土壤侵蚀研究进展与展望_张光辉

东北黑土区土壤侵蚀研究进展与展望

张光辉1,2杨 扬1,2 , 刘瑛娜1,2 , 王志强1,2

(1. 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室 ,北京 100875;2. 北京师范大学地理科学学部 ,北京 100875)

摘要 : 东北黑土区是我国重要的商品粮生产基地 ,强烈水土流失导致的黑土厚度下降及土壤质量退 化 ,直 接威胁国家粮食安全 。 系统分析黑土区土壤 侵 蚀 研 究 成 果 ,对 阻 控 黑 土 退 化 、维 持 土 地 生 产 力 、保 障 国 家 粮食安全具有重要意义 ,论述了黑土区土壤侵 蚀 环 境 与 侵 蚀 环 境 效 应 、土 壤 侵 蚀 过 程 与 机 理 、土 壤 侵 蚀 时

空变化和未来研究展望 。 多营力复合 、缓坡长坡是黑土区独特的侵蚀环境 ,黑土厚度下降与坡耕地土壤质

量退化是该区最典型的侵蚀环境效应 。 细沟 间 、细 沟 、浅 沟 、切 沟 及 冻 融 侵 蚀 发 育 的 动 力 机 制 与 主 控 因 素

差异明显 ,输沙耗能驱动的泥沙输移对土壤分离的反馈效应是侵蚀强度沿坡长呈强弱交替的根本原因 ,浅

沟和切沟主要发育在坡耕地 ,侵蚀强度受耕 作 方 式 等 人 类 活 动 的 显 著 影 响 。 冻 融 侵 蚀 强 度 显 著 小 于 水 力

侵蚀 ,但可通过降低土壤抗蚀性能和促进坡 面 径 流 及 壤 中 流 发 育 影 响 水 力 侵 蚀 。 土 壤 侵 蚀 类 型 与 强 度 在

小流域尺度上沿坡面呈明显的垂直分带特 征 , 在 区 域 尺 度 上 呈 南 北 与 东 西 递 变 的 纬 度 和 经 度 地 带 性 。 全

球气候变化可能导致黑土区水力侵蚀加强 、冻 融 侵 蚀 减 弱 。 未 来 亟 需 加 强 黑 土 厚 度 及 土 地 生 产 力 对 侵 蚀

响应机理 、复合侵蚀动力过程与耦合机制 、典型侵蚀类型时空变化与主控因素等方面的研究 。

关键词 : 黑土 ; 侵蚀环境 ; 侵蚀过程 ; 时空变化 ; 水土保持

中图分类号 :S157. 1 文献标识码 :A 文章编号 :1009-2242(2022) 05-0000-00

Advancesand ProspectsofSoilErosionResearch in the Black SoilRegionofNortheastChina

ZHANG Guanghui1,2 , YANG Yang1,2 , LIU Yingna1,2 , WANG Zhiqiang1,2

(1.StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcesesandResourcesEcology, BeijingNormalUniversity, Beijing 100875; 2.FacultyofGeographicalScience, BeijingNormalUniversity, Beijing 100875)

Abstract: The black soilregion ofNortheast China is an important commodity grain production base of our country. Intensivesoilandwaterlossdeclinesboth thethicknessand qualityoftheblack soil, therebythreat- ening the national food security directly. It is therefore of great importance to systematically examine soil

erosion research outcomes in the black soilregion, which hold essentialimplications for the prevention and

alleviation ofblack soildegradation, themaintenanceofland productivity, and theassuranceofnationalfood security. In the currentstudy, theresearcheson soilerosion environmentand itsefects, soilerosion proces- ses and mechanisms, spatialtemporal variability of soil erosion in the black soil region were analyzed and concluded, and future research perspectives on soil erosion were proposed. The erosion environment of the black soilregion is characterized by various erosive agents and their diferent combinations, as wellas long gentle slopes. Thedirectimpactsofsuch erosion environmentaredeclining black soilthicknessand soilquali- ty degradation of slope farmlands. The erosion mechanisms and dominant influencing factors vary with erosion type, which include interrill, rill, ephemeral gully, gully and freze-thaw erosion. The feedback of sedimenttransportinduced by energy consumption to soildetachmentisthedominantreason forthealterna- tive pattern of strong and weak soil erosion intensity with slope length. Ephemeral gully and gully mainly emerge on slopefarmlands, and soilerosion intensity is significantly afected by anthropogenicactivities. Al- though notably weaker than watererosion, thefreze-thaw erosion in thisregion can influencewatererosion via reducing soilerosion resistanceand enhancing both surfaceand subsurfacerunof. Atthecatchmentscale,

thetypeandintensityofsoilerosionapparentlychangeverticalyalongtheslope, i.e. , from slopesummitto- wardstoe, whereasattheregionalscale, they exhibitclearlatitudinaland longitudinalzonalityalong the north-eastand west-eastdirections. Globalclimatechangemay stimulatewater erosion butreducefreze- thaw erosionintheblacksoilregion. Futureresearchshouldfocusontheresponsemechanismsofblacksoil thicknesandlandproductivitytosoilerosion, thedynamicprocesesandcouplingmechanismsofcomplex

soilerosion, aswelasthespatial-temporalvariabilityandcontrolingfactorsoftypicalsoilerosiontypes.

Keywords: blacksoil; erosionenvironment; erosionproces; spatial-temporalvariability; soilandwatercon-

servation

东北黑土区位于松辽流域 ,主要分布在黑龙江、吉

林、辽宁和内蒙古(呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市和赤峰

市)4省(自治区) ,面积 109万 km2 ,是我国重要的商品

粮生产基地 ,玉米、大豆和粮食总产分别占全国总产量

的 30% ,56% ,25% ,商品粮供给量占全国的 1/3,是国家

粮食安全的“压舱石”。受众多自然和人为因素的综合

影响 ,黑土区水 土 流 失 面 积 高 达 21. 60万 km2 , 其 中

水蚀和风蚀面 积 分 别 为 13. 82万 , 7. 78万 km2 [1] , 强

烈的水土流失导致黑土厚度年均下降 0. 3~2mm[2] 。

黑土质量退化是强烈水土流失的必然结果 ,典型黑土

区部分水土流失严重的县市 , 近 20年来土壤有机质

含量以每年 1. 35%的 速 度 下 降[3] , 直 接 降 低 作 物 产

量[4] ,威胁国家粮食安全 。 因此 , 系统研究东北 黑 土

区土壤侵蚀 ,对于阻控土壤退化 、维持耕地产能 、保障

国家粮食安全具有重要的意义 。

受独特地形条件的影响 ,黑土区土壤侵蚀具有隐蔽

性 ,坡面侵蚀严重 ,但河流输沙显著偏低[5] , 比较流域面

积相近的松花江佳木斯水文站和黄河陕县水文站 ,尽管

前者流量比后者大 10m3/s,但后者平均含沙量、输沙

量和输沙模数却分别是佳木斯站的 215,149,112倍[6] ,

因此 ,长期以来公众普遍认为黑土区土壤侵蚀并不严

重 ,土壤侵蚀 研 究 和 水 土 流 失 治 理 并 未 得 到 充 分 重

视 。 进入 21世纪以来 , 黑土区土壤侵蚀与水土保持

逐步受到关注 。 2003年国家启动东北黑土区水土流

失综合防治试点工程 , 范围涵盖 72个小流域 。 2005

年开始的水土流失与生态安全综合科学考察 ,就黑土

区自然环境与社会经济 、土壤侵蚀现状与趋势 、水土

流失危害 、水土流失成因 、水土保持成效与经验等开

展了系统调查 、分析和总结[7] , 为该区土壤侵蚀研究

和水土保持工作的快速发展奠定了基础 。 过去 10年

间 , 国家科技部 、基金委 、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

重大项 目 ,在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丰硕的成果 ,为黑土地保护和生

垂直分层明显 ,上层疏松 , 下层致密 。 土壤颗粒以粗

粉砂或粘粒为主 , 质地粘重 ,透水性差 ,易形成“上层

滞水 [5] 。 土 壤 类 型 主 要 有 典 型 黑 土 、黑 钙 土 、白 浆

土 、草甸土 、暗棕壤 、棕色森林土等 ,有机质含量高 ,多

为 3% 6% , 高者可达 15% , 团聚体发育 ,但遇水后

易分散 。 黑土 入 渗 性 能 较 差 , 受“上 疏 下 紧 土 体 结

构 、土层浅薄及季节性冻结的综合影响 ,壤中流发育 。

而壤中流一方面会增加土壤含水量 ,显著降低土壤抗

蚀性能 ,促进细沟间和细沟侵蚀 ; 另 一 方面可能从坡

面下部出露 ,增加切沟发育风险 。 黑土区土壤抗蚀性

能差 ,抗冲性仅大于黄 土 ,远小于红壤 ,受冻融作用影

响土壤抗蚀性能季节变化强烈 。 黑土区森林集中分布 ,

毁林开垦是侵蚀强烈发育的主要原因 。 在侵蚀较发育

的地区 ,植被覆盖偏低 , 以农地为主 。 草原化草甸是典

型黑土区的自然植被 , 以杂草群落“五花草塘 为主 ,空

间分布受土壤水分的显著影响 。 雨热同季的气候 ,导致

植物生长繁茂 ,根系发达 ,有机物质积累丰富 ,是黑土有

机质含量高的基础[5] 。 土地利用方式显著影响土壤侵

蚀及其强度[16] ,过度开垦、土地利用结构单 一 和掠夺式

经营是黑土区土壤侵蚀强烈发育的主要原因 。 黑土

区坡耕地面积高达 19. 5 万 km2[17] ,农田常被林带分

割 , 以平行林带起垄行播为主 , 随垄向与等高线夹角

增大 ,呈横坡 、斜坡或顺坡耕作[18] 。 黑土区作物 一 年

一熟 ,地表季节性裸露时间长 ,耕作以传统耕作为主 。

土壤侵蚀受人类活动强度的显著影响 , 随着人类活动

强度增大 ,土壤侵蚀显著增大[19] 。

1.2 侵蚀环境效应

土壤侵蚀环境效应包括本地和异地效应两类 ,就

黑土区而言 ,小流域侵蚀产沙受控于泥沙输移过程 ,

水文和泥沙 连 通 性 低 下[20] ,来 自 坡 面 的 大 量 泥 沙 在

坡脚或沟道内沉积 , 因此 , 黑土区土壤侵蚀环境效应

研究的重点是小流域本地效应 。 坡耕地是小流域侵

蚀泥沙的策源地 ,强烈的水土流失必然导致黑土厚度

下降 ,但下降幅度随土壤侵蚀类型与强度以及研究方

法的不同而有所差异 。 中国水土流失与生态安全综

合科学 考 察 结 果 表 明 , 黑 土 厚 度 年 均 下 降 3 10

mm , 已由 20世纪 50 年代的 60 70 cm ,下降至 2010

年前后的 20 30 cm[7] ,但核素示踪和典型切沟调查

发现 , 黑 土 厚 度 年 均 下 降 速 度 介 于 0. 3 2. 0

mm[2,21] 。 小流域内黑土厚度变化是侵蚀导致土壤再

分布的结果 , 因而影响侵蚀类型与强度的关键因素 ,

是决定黑土厚度空间变化的核心[22] 。 黑土厚度下降

必然引起下 伏 黄 土 状 亚 黏 土 母 质 出 露 , 典 型 黑 土 区

26%的坡耕地出现了不同程度的“破皮黄 。 强烈的

水土流失势必导致土壤性质恶化 、养分流失和质量退

化 。 侵蚀对土壤质地的影响与其强度密切相关 , 随着

关键;而对于黑土相对较厚的地区 、且无冻融影响时 ,

以超渗产流为主 , 降雨强度是控制径流深的核心[33] 。

受黑土厚度空间分异 、冻融作用季节变化和降水随机

性的综合影响 ,黑土区坡面径流深时空变化复杂 。 虽

然从短期来看坡面坡度相对稳定 ,但长期侵蚀导致的

土壤再分布以及横坡(或斜坡) 垄作 、林带建设 、沟蚀

发育及沟道内泥沙沉积等都会改变局地坡度 ,从而影

响坡面径流侵蚀动力 。 下垫面糙率受土壤机械组成 、

砾石含量 、土壤物理结皮发育 、生物结皮类型与盖度 、

植被茎秆直径与密度 、枯落物蓄积量与盖度 、侵蚀导

致的根系出露 、耕作类型与强度 、农事活动 、土地利用

方式以及冻融作用等多种因素的影响 ,具有明显的时

空分异 。 影响土壤侵蚀阻力的土壤性质主要包括质

地 、团聚体及其稳定性 、有机质含量和冻融作用 。 粘

粒越多 ,土壤团聚体越发育且稳定性越高 , 土壤侵蚀

阻力越大;砂粒越多 , 土壤侵蚀阻力偏小 ,但入渗快 、

坡面径流不 发 育[34] , 且 因 砂 粒 直 径 较 大 径 流 挟 沙 力

偏小 ,侵蚀量较低 ,综合表现为黏质和砂质土壤侵蚀

阻力大 ,粉质土壤侵蚀阻力小 。 有机质是团聚体形成

的粘结剂 , 随有机质含量增加 , 团聚体更发育 、稳定性

更强 ,土壤侵蚀阻力相应增大 。 冻融作用会显著影响

土壤侵蚀阻力 ,详细讨论见后文 。 砾石对土壤侵蚀的

影响与其含量相关 , 随砾石含量增大 , 在坡面径流增

加 、侵蚀动力增大的同时 ,土壤侵蚀阻力增强 ,砾石对

侵蚀的影响取决于这两种作用的相对大小 , 因而砾石

含量对土壤侵蚀的影响存在阈值 。 生物结皮是半干

旱区植物群落重要的近地表组成 ,显著影响土壤侵蚀

阻力 , 随生物结皮盖度增大 , 土壤侵蚀阻力呈指数函

数增大[35] 。 植物根系可通过物理捆绑和化学吸附作

用强化土壤侵蚀阻力 , 随根系密度增大 ,侵蚀阻力呈

指数函数增大[36] 。 根系强化土壤侵蚀阻力的功能与

其结构密切相关 ,直根系的作用显著小于须根系 。

黑土区近期关于降雨特性对细沟间与细沟侵蚀

影响的研究 ,主要集中在降雨强度 、降雨强度-上方

来水 、降雨强度 -坡度 - 坡长及其交互作用 、雨型等

方面 。 随降雨 强 度 增 大 , 细 沟 间 和 细 沟 侵 蚀 同 时 增

加[37] , 降 雨 强 度 对 侵 蚀 的 影 响 显 著 大 于 上 方 来

水[38] 。 细沟一旦 形 成 会 显 著 增 加 径 流 挟 沙 力 , 导 致

侵蚀量显著 增 大[39] 。 侵 蚀 随 降 雨 强 度 、坡 长 的 增 大

而增大 ,但坡度对侵蚀的影响较为复杂 , 降水强度 、坡

度和坡长交互作用对侵蚀的影响 ,远大于各因素单独

或任意两个 因 素 交 互 作 用 的 影 响[38] 。 当 然 , 上 述 研

究结果多在控制条件下获得 ,可能无法真正反映黑土

区长坡长对侵蚀过程的影响 ,换言之 , 细沟间和细沟

侵蚀量的相对大小 ,可能会因坡长大于某个临界值而

发生根本性变化 。 雨型对坡面侵蚀的影响是近年来

区[63] 。 与浅沟 类 似 , 切 沟 多 呈 线 性 景 观[64] , 地 形 条 件是影响切沟发育的核心因素 。 随坡长增加 ,切沟侵 蚀先增加后 减 小 ,存 在 临 界 坡 长[65] 。 切 沟 发 育 随 坡 度增大 也 呈 先 增 大 后 减 小 的 变 化 趋 势 , 当 坡 度 为 3° 6°时 ,典型黑土区的 切 沟 最 为 发 育[66] , 而 南 部 典 型小流域切沟发育的临界坡度略大 ,介于 5° 8°[67] 。 无论切沟侵蚀随坡度如何变化 ,切沟发育必须满足坡 度和集水区面积的临界地形条件 。 受冻融作用影响 , 阳坡或半阳坡切沟发育更强烈[67] 。 切沟发育与土地

利用方式密切 相 关 , 黑 土 区 80%以 上 的 切 沟 发 育 在 坡耕地[62] 。 林带 建 设 也 会 影 响 切 沟 侵 蚀 , 切 沟 密 度 随林带密度增大而减小 ,但林带对切沟侵蚀的影响 , 随距林带距离的增大呈稳定 - 下降 - 消失的变化趋 势[68] 。 梯田 是 黑 土 区 广 泛 采 用 的 水 土 保 持 工 程 措 施 ,但不合理的梯田设计以及邻近坡面向梯田内的径 流汇聚 ,会显 著 增 大 切 沟 发 育 风 险[69] 。 黑 土 区 开 垦 历史较短 ,大部分切沟处于发育活跃期 ,侵蚀强度具 有明显的时空变异特征 ,体积增加率可能是表征切沟 侵蚀强度时 间 变 化 的 理 想 参 数[70] 。 在 年 尺 度 上 , 受 侵蚀动力季节变化的影响 ,春季切沟以宽度和面积扩 大为主 ,夏季以沟头溯源为主[71] 。

2.3 冻融侵蚀

冻融作用是发生在高寒地区 , 因温度变化引起土 壤水分相态和体积变化 , 导致土体冻胀和融沉 ,造成 土壤结构破坏和性质改变的过程 。 冻融侵蚀是冻融 作用导致土 壤 侵 蚀 过 程 改 变 和 强 度 增 加 的 过 程[13] 。 黑土区降雪量占年降水量的 7% 25% ,受融雪期昼 夜温度变化的影响 , 白天融水在夜间重新冻结 , 即昼 夜冻融循环 。 影响冻融循环的主要因素是土壤含水 量和气温 ,含水量越大冻结时冻胀率越大 , 融解时融

沉率越高 。 温度变化 ,特别是 0 ℃上下温度的变幅与 频率 , 直接控制着冻融过程 ,变幅越大 、频率越高 ,冻 融作用对侵蚀的影响越显著[72] 。 冻融作用主要通过 改变土壤性质和阻滞入渗影响侵蚀 ,冻融循环破坏土 壤结构 、降低土壤容重 、增大土壤孔隙度和饱和导水 率 、改 变 团 聚 体 数 量 及 其 稳 定 性 、降 低 土 壤 粘 结 力[2,73-74] ,导致土壤可蚀性增大 。 冻融循环对土壤性 质的影响具有累积效应 , 与冻融循环次数相关 , 只有 当冻融循环次数达到某 一 阈值后才会显著改变土壤 性质 ,但第 1 次 冻 融 循 环 的 影 响 最 强 烈[75] 。 冻 融 循 环对土壤性质的影响与土壤质地密切相关 , 黑土 、黑 钙土和白浆 土 的 响 应 较 为 明 显[74] , 而 结 构 良 好 的 土 壤受冻融作用的影响相对较小[75] 。 冻融循环对土壤 性质的影响由土壤水冻结膨胀引起 , 因而必然与土壤 含水量有关[76] , 前 一 年 秋 季 降 水 量 和 冬 春 季 降 雪 量 控制着土壤 含 水 量[77] , 而 黑 土 特 殊 的 土 体 构 型 导 致

的“上层滞水”,也为冻融作用提供了便利条件 。 土壤

含水量越高 ,冻融循环对土壤性质的影响越明显 ,但

含水量的影响主要表现在融雪初期 。 在不同的土地

利用条件下 ,地表枯落物或枯立物盖度明显不同 , 导

致近地表气温 、土壤反射率和表土温度存在差异 , 因

而不同土地利用方式下土壤性质对冻融循环的响应

也会存在差 异 , 坡 耕 地 显 著 大 于 林 地 和 草 地[78] 。 阻

滞入渗是冻融作用影响侵蚀的另一重要途径 ,解冻初

期随着表土温度升高 , 冻结土壤从表层逐渐解冻 ,解

冻深度随冻融循环波动 。 因表层解冻深度有限 ,下层

为不透水的冻结土壤 ,土体构型完全满足蓄满产流条

件 , 由于土体蓄水能力不足 ,解冻土壤极易饱和 ,产生

大量地表径 流[79] , 因 坡 面 阻 力 较 小 , 径 流 流 速 较 大 ,

侵蚀动力 较 强 。 随 着 解 冻 的 持 续 进 行 , 解 冻 深 度 增

大 ,土壤蓄水能力增强 , 加之地表积雪因不断消融而

减少 ,融雪径流减小 ,冻融侵蚀减弱 ,直至消失 。 耕作

措施显著影响冻融侵蚀强度及其空间分布 ,对于横坡

垄作坡面 ,融雪侵蚀产生的细沟主要为顺垄型 、断垄

型和复合型 ,不同类型的细沟形态差异明显 , 同时随

坡型的不同而有所差异[80] 。 切沟沟壁边缘土壤和沟

坡同时受冻融作用影响 ,形成双向冻融区 , 导致冻融

作用更加强烈 , 因而冻融作用对切沟侵蚀的影响显著

大于其他侵蚀类型 ,且集中在融雪初期 ,受控于集水

区坡耕地和沟坡的融水量[81] 。 冻融作用对切沟的影

响以沟头溯源和沟壁扩张为主 , 表现为冻裂 、融塌和

融滑等形式 。 切沟沟壁边缘土壤冻裂宽度随气温降

低而增大 ,最大冻裂宽度发生在 1— 3 月 , 当冻裂宽度

小于 7 cm 时 ,3 月 以后会逐步变窄直至完全恢复;当

冻裂宽度大于 7 cm 时 ,切沟沟壁逐渐融塌[82] 。 解冻

期切沟沟坡土壤含水量迅速增大 , 当含水量大于液限

时 ,沟坡土壤就会以泥流形式沿解冻面滑动 , 堆积于

切沟底部 ,导致切沟快速扩大 ,并为雨季径流准备了

大量可供输移的泥沙 。 当 日均温度变化在 0~3. 8 ℃

时 ,融雪侵蚀较为强烈 ,径流与含沙量先增加后减小 。

融雪初期径流急剧增加 ,融雪中期径流相对稳定并趋

于减小 ,含沙量快速增加 ,侵蚀量达到最大;融雪末期

径流逐渐消失 ,含沙量达到最大 。 当产流产沙峰值出

现频次一致时 ,径流和泥沙呈“8”字形循环滞后关系 ,

反之则呈复式循环滞后关系[83] 。 虽然与其他侵蚀类

型相比 ,冻融侵蚀强度显著偏小 ,但它对土壤抗蚀性

能的改变以及对切沟形态的影响非常显著 ,为夏季水

力侵蚀创造了便利条件 。

2.4 复合侵蚀

复合侵蚀是在两种及两种以上外营力共同作用

下发生的土壤分离 、泥沙输移和泥沙沉积过程 ,是多

种侵蚀营力对同一对象的共同或交替作用 ,从而产生

占 77% 。 降雨是 水 力 侵 蚀 的 原 动 力 , 而 降 雪 是 冻 融 侵蚀的驱动力 ,气候变化导致年降水量下降 ,具有抑 制黑土区水力和冻融侵蚀的作用 。 温度升高是全球 气候变化基本特征 , 黑土区也不例外 , 年均气温呈波 动性上升 。 受降水减少和气温升高的共同影响 ,黑土 区土壤冻结时间延迟 、冻土深度减小 、解冻时间提前 , 整体降低冻融作用的影响 ,但春季温度的快速升高 , 可能会加剧 冻 融 侵 蚀[78] 。 受 全 球 气 候 变 化 的 影 响 , 21 世纪中叶黑土区降雨侵蚀力呈增大趋势 , 但年 降

水量和降雨侵蚀力增幅的空间分布并不一致 ,说明年 内降水格局发生了一定变化 ,北部地区降雨侵蚀力增 幅更大[93] 。 全球气候变化可能显著影响黑土区产流 和侵蚀过程 ,在不同气候变化情景下 ,径流和产沙均 呈增大趋势 。 在月尺度上 ,受晚春和秋季温度变化的 影响 ,4— 6 月 和 8— 9 月 的径流和泥沙 显 著 增 加[94] 。 评估气候变化影响区域径流和侵蚀的不确定性 ,主要 来自大气环流模式和未来土地利用变化 2个方面 ,将 众多大气环流模式进行集成 ,可大幅降低大气环流模 式产生的不确定性 ,但如何降低未来土地利用方式及 其变化引起的不确定性目前尚无定论 。 受这些不确定 性的影响 ,气候变化条件下未来流域径流泥沙的评估结 果 ,与采用历史资料分析得到的流域径流泥沙时间变化 之间存在明显差异 。 前者评估的径流和侵蚀呈增大态 势 ,而后者的结果以下降趋势为主 。 如 1955— 204年 , 松花江径流量呈明显下降趋势 ,是降水和温度变化的直 接结果 , 同时与人类社会活动密切相关 。 1955— 1976 年气候变化是关键因素 , 而 1977— 2004 年 人 类 社 会 活动占主导[95] 。 那 么 , 历 史 下 降 趋 势 如 何 转 变 为 未 来增加态势 ,是确定性结果? 还是源自全球气候变化 评估的不确定性? 尚需深入研究 。

3.2 空间变化

坡面侵蚀严重 、河道输沙少是黑土区水土流失的 典型特点 ,大部分侵蚀泥沙都在小流域内沉积 , 流域 泥沙输移比很低 。 在小流域尺度上 ,受特殊地形条件 的影响 ,侵蚀 动 力 和 侵 蚀 类 型 呈 明 显 的 垂 直 分 带 特 征[10] 。 对于漫川漫岗区 ,从岗顶到坡脚 ,依次为岗顶 溅蚀带 、面蚀加强带 、面蚀强烈带 、面蚀减缓带和坡下 沉积带 ,而强 烈 发 育 的 切 沟 主 要 分 布 于 坡 耕 地 中 下 部[96] 。 坡面侵蚀垂直分带特征受降雨 、地形 、坡耕地 大小及其空间分布 、土地利用方式等多种因素影响 。 随降雨强度和坡度增大 ,坡面强烈侵蚀带逐渐上移 。 当坡度变化在 7° 12°时 ,强烈侵蚀出现在坡中部和 下部[97] 。 坡型显 著 影 响 坡 面 侵 蚀 过 程 , 无 论 坡 型 如 何 ,坡面均呈先侵蚀后沉积的整体格局 ,但强烈侵蚀 发生的部位随坡型的不同而有所变化 , 凸型坡出现在 坡中部 , 凹型坡发生在坡上部 , 而复合型坡面呈侵蚀

-沉积交替 分 布[98] 。 对 于 面 积 较 大 的 坡 耕 地 , 坡 中 部侵蚀最强 , 坡 顶 次 之 , 且 阳 坡 侵 蚀 显 著 大 于 阴 坡 。 土地利用方式显著影响坡面侵蚀垂直分带特征 ,土壤 磁化率监测结果表明 ,磁化率剖面分布受土地利用方 式的显著影响 ,林地磁化率垂直分布相对均匀 , 而不 同坡位坡耕地的磁化率差异显著 ,说明坡耕地发生过 强烈的侵蚀和沉积过程 ,坡中部侵蚀最强烈 , 而坡脚 泥沙沉积最 明 显[99-100] 。 在 区 域 尺 度 上 , 黑 土 区 侵 蚀 类型 、强度及其主控因素具有明显的空间变化 。 北部 以冻融侵蚀为主 ,东南部以水蚀为主 , 西部以风蚀为 主 ,且均具有明显的季节 、年际和多年变化 。 侵蚀类 型空间分布格局是气候 、地貌 、土壤 、植被及人类社会 活动等多种因素综合作用的结果 ,具有明显的南北递 变的纬度地带性和东西递变的经度地带性 , 中度 、重 度侵蚀集中于人类活动强度较大的松嫩平原及其周 边台地 、低山丘陵区 、辽河平原和三江平原及周边台 地[101] 。 水力侵 蚀 强 度 大 致 呈 自 东 南 向 西 北 递 减 趋 势 ,受地形空间分异的影响 ,其强度的空间变化比较 复杂[102] 。 受全 球 气 候 变 化 及 人 类 社 会 活 动 的 双 重 影响 ,黑土区 土 壤 侵 蚀 空 间 分 布 格 局 可 能 会 发 生 转 变 ,但目前相关研究非常少 。 乌裕尔河和讷谟尔河流 域 1965— 2005年沟蚀遥感解译的结 果 表 明 , 在 过 去 40年间 ,沟蚀分布重心出现向西北移动的态势 ,是耕 地面积重 心 发 生 变 化 的 结 果[103] 。 虽 然 相 关 研 究 甚 少 ,但仍可根据全球气候变化及人类社会活动强度的 潜在变化 ,推测未来黑土区土壤侵蚀空间格局变化 。 全球气候变化驱动的温度升高 ,势必会导致黑土冻结 晚 、解冻早 、冻土层厚度降低 , 同时加速积雪融化和冻 土解冻速率 , 可 能 会 强 化 冻 融 作 用 对 土 壤 侵 蚀 的 影 响 。 气候变化导致降水及其季节分布的变化 ,势必会 影响水蚀过程与强度 , 特别是极端暴雨频率增大 , 势 必会引起沟蚀的强烈响应 ,水蚀强度可能增大 ,且其 影响范围可能向西扩大 。

4 研究展望

在过去几十年间 ,东北黑土区土壤侵蚀研究取得

了长足进展 ,为该区水土保持提供了强有力的理论支

持 。 然而 ,为有效阻控黑土区土壤侵蚀 、维持土地生

产力 、保障国家粮食安全 , 亟需加强以下方面的研究

工作 。

4. 1 土壤侵蚀环境效应

黑土区土壤侵蚀环境效应集中体现在黑土厚度

下降 、土壤质量退化及粮食产能降低等方面[4, 9,29] , 因

此 ,需要加强黑土区土壤厚度调查与制图 、土壤厚度

空间分布与主控因素 、土壤厚度下降速率及其与土壤

侵蚀耦合关系等研究 。 只有明确了黑土厚度现状 、空

间分布及其主要影响因素 ,才能为科学制定黑土地保

征 。 黑土区发育多种复合侵蚀 ,冻融对水力侵蚀的影 响集中在改变土壤水文特性 、降低土壤抗蚀性能和提 供泥沙储备 ;而夏秋季强烈发育的水力侵蚀又会改变 局地地形 ,影响积雪深度 、土壤水热特性 、融雪径流流 路 ,进而影响冻融侵蚀过程与强度 。 黑土区土壤侵蚀 具有强烈的时空变化特征 ,受温度与降水季节分布影 响 ,植被或作物生长具有明显的季节变化 , 导致侵蚀 强度也具有显著的季节变化特征 。 就多年尺度而言 , 黑土区土壤侵蚀整体呈下降态势 ,但切沟侵蚀呈加剧

趋势 ,是林地开垦等人类活动的直接结果 。 在未来气 候变化情景下 ,黑土区土壤侵蚀具有增大风险 。 受黑 土区独特地形影响 ,侵蚀类型及强度呈明显的坡面垂 直分带特征 ,坡中部侵蚀强烈 ,坡脚泥沙大量沉积 ,小 流域泥沙连通性差 , 泥沙输移比小 。 在区域尺度上 , 黑土区侵蚀类型和强度具有南北递变的纬度地带性 和东西递变的经度地带性 ,在气候变化条件下冻融侵 蚀的影响可能降低 , 而水蚀强度可能增大 ,影响范围 可能向西扩展 。 未来亟需加强作物产量对土壤厚度 下降和土壤质量退化的响应及其时空分异 、长坡侵蚀 强度强弱交替动力机制 、切沟演变过程及其对极端暴 雨和冻融作用的响应与机理 、复合侵蚀动力过程与耦 合机制 、次降水主要侵蚀类型的产流产沙过程 、土地 利用结构及水土保持对小流域产流产沙过程影响机 理等方面的研究 。

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