东北地区是我国重要的商品粮基地，得益于有机质含量丰富的黑土资源，因此又被称为东北黑土区。按照包含的土壤类型分为广义东北黑土区^[1-5]和狭义东北黑土区^[6-10]。相对我国其他地区而言，东北地区的农业开发历史最晚，大规模开发始于19世纪末和20世纪初。由于地形较为平坦，在百余年的开垦历史中，很少采取水土保持措施，导致目前已出现明显的水土流失现象，如黑土层厚度变薄甚者丧失，出现大量浅沟和切沟，直接影响到黑土资源的可持续利用和国家粮食安全。为了有的放矢采取水土保持措施，进行东北黑土区坡耕地水土流失危险程度评价迫在眉睫。

对水土流失危险程度有2种理解：一是指水土流失发生的危险性或严重性。水土流失越容易发生或强度越大，危险程度等级就越高。二是指水土流失产生危害的危险程度。水土流失导致的危害越大，危险程度等级就越高。水土流失一旦发生就会对资源和环境造成破坏，从这个意义上说，二者有联系，也有区别：前者只考虑水土流失本身，后者则考虑了水土流失危害对象的性质。一般来说，水土流失越强，危险程度越高。相同水土流失情况下，被危害对象越容易遭受破坏，危险程度越高，因此结合水土流失危害对象进行危险性评价更具实践意义。为了区分2种危险程度，本研究将前者称为水土流失发生的危险性，将后者称为水土流失危害的危险性。水土流失发生危险性评价实质是对其发生与否和发生强度的评价，用影响其发生发展的因子分级判断或综合打分，或用水土流失强度指标。前者从成因、后者从前者综合作用的结果进行评价，影响因子包括自然或人为因素。如Morgan^[11]选择降雨侵蚀力、土壤、植被覆盖、坡度、土壤可蚀性、土地利用等打分。傅伯杰等^[12]选择坡度、地貌类型、土壤特征与抗蚀性、土地利用等分图层叠加。孙希华^[13]选择地貌类型、坡度、坡向和土地利用。Wu等^[14]选择土壤类型、降雨强度、地貌、沟谷密度、坡度、植被覆盖度、矿区、水土保持措施和土地利用类型等。还有许多学者进行了类似的研究^[15-21]。也有用水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》，按影响因子组合判断侵蚀强度^[22-24]，本质上都是评价侵蚀的发生危险性，没有针对侵蚀危害对象。

水土流失危害的危险性评价由水利部颁布的SL190—96《土壤侵蚀分类分级标准》^[25]及其修订版SL190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》^[26]提出，分别给出土壤侵蚀程度和土壤侵蚀潜在危险度。土壤侵蚀程度是指土壤遭受侵蚀过程中所达到的不同阶段，即侵蚀对象是土壤，根据土壤剖面发生层的丧失情况，判断土壤侵蚀程度，反映了土壤侵蚀对土壤剖面的破坏结果。土壤侵蚀潜在危险度同时包含了侵蚀发生发展及其对土壤剖面的破坏程度。在SL718—2015《水土流失危险程度分级标准》^[27]中，虽然只采用了水土流失危险程度1个术语，但根据定义不难看出，既包含了侵蚀发生的危险性，也包括了侵蚀危害的危险性。它是指植被遭到破坏或地表被扰动后，引起或加剧水土流失的可能性及其危害程度的大小。采用2种方法判断：一是直接用抗蚀年限分级标准判别水力侵蚀危险程度等级。抗蚀年限是指超过临界土层厚度的土层厚度与可能的年侵蚀厚度的比值。临界土层厚度考虑了被侵蚀对象的性质，是指林草植被自然恢复所需的最小土层厚度，一般按10cm计。可能的年侵蚀厚度则考虑了侵蚀发生发展现状。由于土层厚度和年侵蚀厚度一般难以获得，又给出了植被自然恢复年限与坡度2个指标组合的危险程度分级判别标准。植被自然恢复年限是指地表植被遭到破坏后，依靠自然能力，植被盖度达到75%所需的时间，在土层厚度超过临界土层厚度(10cm)的情况下，主要取决于降水量多寡，反映了被危害对象的性质。坡度则代表了侵蚀发生强度。上述判别指标或标准以生态恢复为目标，很多学者据此评价了不同区域土壤侵蚀危险性^[28-31]。对东北黑土区坡耕地而言，保护黑土层是为了维持其可持续生产力，确保国家粮食安全。如果将临界土层设为10cm，或依据最小坡度为5°判断侵蚀现状，无论从水土流失危害的危险性，还是从水土流失发生的危险性，都有可能低估了东北黑土区坡耕地的水土流失危险性；因此，本研究以维持黑土坡耕地可持续生产力为目标，通过对松嫩黑土区坡耕地黑土厚度调查和侵蚀现状评价，提出适宜东北黑土区坡耕地的水土流失危险程度评价指标与方法。

刘宝元等^[10]将东北地区黑土集中分布的区域分为3块：1)位于内蒙古呼伦贝尔市和兴安盟、以黑钙土为主的蒙东黑土区；2)位于松嫩平原以黑土和黑钙土为主、伴有草甸土分布的松嫩黑土区；3)位于三江平原，以草甸土、白浆土和黑土为主的三江黑土区。本研究选择松嫩黑土区，南起辽宁省昌图，北至大、小兴安岭汇合的嫩江谷地及其两岸，东界为小兴安岭和张广才岭西麓，西界为大兴安岭东麓。面积约20.7万km², 是3块中面积最大的1块。区内农地面积约13.6万km²，占研究区总土地面积的65.7%。该区根据黑土和黑钙土的分布，又分为东部的松嫩黑土区，位于小兴安岭和张广才岭西麓向嫩江、第二松花江过渡的山前漫岗丘陵和台地区，面积为9.8万km²；以及西部的松嫩黑钙土区，位于大兴安岭东麓向嫩江过渡的山前台地及松嫩平原核心区，面积10.9万km²。

在研究区采用均匀布点方法布设黑土厚度调查点。考虑到坡耕地主要分布在松嫩黑土区，以经度和纬度12′的交叉点为黑土厚度样点，共261个。在松嫩黑钙土区以经度27′和纬度18′的交叉点为黑土厚度样点，共113个，合计374个调查样点(图 1)。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区调查样点分布 Fig. 1 Distribution of surveyed sampling points in the study area

2015年在研究区开展黑土厚度调查和采样。根据布设的样点经纬度到达目的地后(图 2(a))，填写野外调查记录表，拍摄景观照片，采集土壤厚度样品。记录内容包括：样点编号、土地利用、地形特征等。用荷兰Eijkelkamp公司生产的半圆凿钻(Bi-partite)采集原状土柱剖面样品。钻头长100cm，直径4cm，钻杆可根据需要延长(图 2(b))。土样包括从枯枝落叶层到母质层的全土壤剖面原状土柱。每次用土钻取土深度10cm，顺序放入土样剖面盒。土样剖面盒长100cm、宽4cm、深3cm，盒内每10cm 1格，共计10格.当取土深度超过100cm，另装一盒，拼接成完整剖面。取土深度直至母质层，且母质层取土厚度在20cm以上(图 2(c))。如果样点落于居民点或建筑用地时，样点周边1km范围内有农地，将采样点移至农地，否则剔除该样点。如果样点落于水域，剔除该样点。如果样点落于侵蚀沟和路等位置，在不超过10m的范围内调整样点位置。采完土样后，用芒塞尔土壤比色卡比对颜色。考虑到土壤湿度会影响土壤颜色，将样品带回室内风干后，再用比色卡确定颜色(图 2(d))。

图 2(Fig. 2)

图 2 原状土柱剖面采样 Fig. 2 Soil sampling profile

按照土壤发生学分类，黑土层是指富含腐殖质的表土层，以野外调查依靠人为主观判断，会带来人为误差。土壤系统分类提供了定量判断指标，相对更为客观^[32]。按照中国土壤系统分类，符合暗沃表层和均腐特性的土壤属于均腐土，包括发生学分类的黑土和黑钙土，有5个判断指标：1)厚度，2)颜色，3)有机质比例，4)盐基饱和度和5)结构^[33]。由于本研究目的是确定黑土层厚度，因此如果满足以下3个指标：1)有机质比例≥1.03%；2)盐基饱和度≥50%；3)主要呈粒状结构、小角块状结构和小亚角块状结构，干时不呈大块状或整体块状结构，也不硬，可直接利用芒塞尔比色卡比对土壤颜色，判断黑土层厚度。具体方法是：搓碎土壤，润态明度 < 3.5，或干态明度 < 5.5，润态彩度 < 3.5。在室内用白光灯对风干原状土判读，记录满足上述颜色的土层厚度。

采集的374个样点中，非耕地样点为60个，耕地样点为314个。耕地样点中的坡耕地样点196个，沉积区或平耕地样点118个。本研究只对196个坡耕地样点进行危险程度评价。

依据SL718—2015《水土流失危险程度分级标准》^[27]，分别采用抗蚀年限指标和自然植被恢复年限与坡度组合指标，判别196个坡耕地样点在这2种方法下的土壤水力侵蚀危险程度(表 1)。

表 1(Tab. 1)

表 1 水土流失危险程度分级标准[27] Tab. 1 Classification Standard for Potential Hazard of Soil Erosion[27] 危险程度分级 Potential hazard class 抗蚀年限 Anti-erodibility duration/a 植被自然恢复年限 Vegetation recovery duration/a 坡度 Slope/(°) 土层厚度 Soil depth/cm 年降水量 Annual precipitation/mm 微度Slight >100 1~3 < 8a or < 15 >10 > 800 1~3 >8~15a，>15~25 >10 > 800 轻度Light >80~100 3~5 < 15a or < 25 >10 600~800 5~8 < 5a or < 8 >10 400~600 中度Medium >50~80 1~3 >15~25a，>25~35 >10 > 800 3~5 >15~25a，>25~35 >10 600~800 5~8 < 25a or < 35 >10 400~600 8~10 < 15a or < 25 >10 200~400 1~3 >25a or>35 >10 >800 3~5 >25a or>35 >10 600~800 重度Heavy >20~50 5~8 >25a or>35 >10 400~600 8~10 >15a or>25 >10 200~400 >10或难以恢复 < 25a or < 35 < 10 < 200 极度Extreme ≤20 >15a or>25 < 10 < 200 注：a东北黑土区地面坡度划分≤5°，>5°~8°，>8°~15°，>15°~25°，>25°，其他土壤侵蚀类型区地面坡度划分≤8°，>8°~15°，>15°~25°，>25°~35°，>35°。Notes: a The slope classifications in the black soil region of northeastern China are ≤5°, >5°~8°, >8°~15°, >15°~25° and >25°. Other soil erosion regions are ≤8°, >8°~15°, >15°~25°, >25°~35° and >35°.

表 1 水土流失危险程度分级标准[27] Tab. 1 Classification Standard for Potential Hazard of Soil Erosion[27]

首先计算了196个坡耕地样点的抗蚀年限，按表 1抗蚀年限分级标准判断各点水土流失危险程度。抗蚀年限计算公式如下：

式中：Y为抗蚀年限，a；P为当前土层厚度，即为前述利用芒塞尔比色卡判断的黑土层厚度，mm；D为临界土层厚度，是指林草植被自然恢复需要的最小土层厚度，取值10cm^[27]；A为农地多年平均年侵蚀厚度，mm/a。对黑土区耕地而言，为了可持续保护土地生产力，黑土的临界土层厚度与林草自然恢复植被需要的最小土层厚度显然不同。熊毅等^[34]将东北黑土分为薄层(0~30cm)、中层(>30~60cm)和厚层(>60cm)3种类型。根据实地调查，当地翻耕深度15~20cm，深松时30cm。当黑土层 < 20cm时，翻耕使黑土层与下伏母质层混合，颜色变浅泛黄，当地人称为“破皮黄”“火烧云”，这已经是退化黑土了，因此将临界土层厚度取为20cm。年侵蚀厚度采用刘宝元等^[10]建立的东北坡耕地土壤流失方程计算：

式中：A为农地多年平均年侵蚀厚度，mm/a；θ为农地坡度，(°)。

其次对196个坡耕地样点按自然植被恢复年限与坡度组合指标判断各点的水土流失危险程度。考虑到自然植被恢复年限难以确定，标准给出了用当前土层厚度和年降水量的组合替代的方法(表 1)：坡度越大，年降水量越少，植被自然恢复年限越长。相同坡度下，植被自然恢复年限随年降水量减少而增加；相同年降水量下，植被自然恢复年限随坡度增加而增加。该标准还针对东北地区地形较缓的特征，将同一危险程度级别的坡度标准值降低。依据调查的当前土层厚度和坡度，以及年降水量，按表 1对应标准得到各点水土流失危险程度。年降水量采用研究区20个站1981—2010年降水量的多年平均值。

对计算的196个坡耕地样点土壤抗蚀年限，依据SL718—2015《水土流失危险程度分级标准》判断其水土流失危险程度(表 2)：86.2%属于微度，轻度以上危险程度只有13.8%，各级比例分别为：轻度危险占3.1%，中度危险占1.5%，重度危险占4.1%，极度危险占5.1%。轻度危险以上的等级主要分于大兴安岭东麓、漫岗丘陵区东南部的小部分区域(图 3(a))。如果从维持耕地生产力角度，将植被自然恢复的10cm临界土层厚度，分别提高到20cm和30cm的耕作层厚度，按此计算抗蚀年限，水土流失危险程度略有提高。按20cm临界土层计算，水土流失危险程度为微度的降低到80.5%，轻度危险以上的等级增加到19.5%，其中轻度危险占2.6%，中度危险占2.6%，重度危险占4.1%，极度危险占10.2%，极度等级增加明显(表 2)。按30cm临界土层计算，水土流失危险程度为微度的降低到78.1%，轻度危险以上的等级增加到21.9%，其中轻度危险占1.0%，中度危险占0.5%，重度危险占4.1%，极度危险占16.3%，也是极度等级增加明显。高强度危险性等级主要分布在东南和西北的漫岗与丘陵过渡地区，随着临界土层厚度增加而扩展(图 3(b)和图 3(c))。

表 2(Tab. 2)

表 2 依据SL718—2015《水土流失危险程度分级标准》判断的各级水土流失危险程度样点占坡耕地调查样点总数比例 Tab. 2 Percentage of slope farmland sampling points at each potential hazard class of soil erosion to total survey sampling points based on SL718—2015 Classification Standard for Potential Hazard of Soil Erosion 危险程度分级 Potential hazard class 抗蚀年限Anti-erodibility duration/a 植被恢复年限与坡度组合 Combined index of vegetation recovery duration and slope 10cm临界土层 Threshold soil depth of 10cm 20cm临界土层 Threshold soil depth of 20cm 30cm临界土层 Threshold soil depth of 30cm 微度Slight 86.2 80.5 78.1 0 轻度Light 3.1 2.6 1.0 84.7 中度Medium 1.5 2.6 0.5 12.7 重度Heavy 4.1 4.1 4.1 2.6 极度Extreme 5.1 10.2 16.3 0

表 2 依据SL718—2015《水土流失危险程度分级标准》判断的各级水土流失危险程度样点占坡耕地调查样点总数比例 Tab. 2 Percentage of slope farmland sampling points at each potential hazard class of soil erosion to total survey sampling points based on SL718—2015 Classification Standard for Potential Hazard of Soil Erosion

图 3(Fig. 3)

图 3 依据SL718—2015《水土流失危险程度分级标准》划分的坡耕地水力侵蚀危险程度等级 Fig. 3 Potential hazard classes of water eroded slope farmland identified by SL718—2015 of the Classification Standard for Potential Hazard of Soil Erosion

对196个坡耕地样点依据SL718—2015《水土流失危险程度分级标准》的植被自然恢复年限和地面坡度判断其水土流失危险程度(表 2)：轻度以上危险程度为100%，没有微度。主要集中在3个级别：轻度危险占84.7%，中度危险占12.8%，重度危险占2.6%，无极度危险。全区以轻度危险为主，中度危险分布在漫岗与丘陵区交汇地带，重度危险主要分布在东南部和西北部的丘陵区(图 3(d))。

从前面的结果看出，采用抗蚀年限指标时，临界土层厚度取10cm、20cm和30cm的水土流失危险程度评价结果基本一致：以微度为主，即不存在水土流失危险性。随着临界土层厚度的增加，极度危险等级比例增加更为明显，表明该区域的侵蚀不容忽视。之所以出现以微度为主的评价结果，由2个原因造成：一是将各级的抗蚀年限标准订的偏低，如微度标准是100年，即经过100年侵蚀后，余下10cm临界土层即被认为无水土流失危险。二是东北地区地形平缓，土壤流失速率相对其他地区偏低，或被认为无侵蚀。采用植被自然恢复与坡度组合指标时，危险程度集中于轻度，只有少部分为中度和重度。等级集中是由于研究区坡度和年降水量变化都很小，坡度变化于0.3°~11°之间，年降水量变化于357~628mm之间，难以体现研究区水土流失危险性的空间分异特征，更无法反映研究区的水土流失特征。

研究区坡度虽然小，但坡长较长，加上长期实行垄作的耕作方式，使该区土壤侵蚀速率虽然相比其他地区尤其是黄土高原地区很低，但足以对黑土资源造成破坏。该地区是我国农业开发最晚的地区，集中的大规模垦殖始于20世纪初^[35]，至今开垦百年，已经出现明显的水土流失。这既表明了该地区侵蚀速率相对较低造成的累积效应，不采取水土保持措施就会造成对土地资源的破坏，另一方面也通过事实说明将抗蚀年限标准定为100年低估了水土流失的危险性：过去100年开垦导致的水土流失已经威胁到黑土资源的可持续利用。

从理论上说，土地资源应能永续利用，而不是只用100年。不侵蚀或侵蚀速率小于成土速率，才能保证资源的永续利用。缪驰远^[36]利用¹⁴C对该区坡耕地土层的成土年龄进行了测定，结果表明：形成1m厚的土层大约需要1万年，即成土速率约为0.1mm/a。假设侵蚀使黑土层到达临界土层厚度20cm已构成最高危险等级，形成20cm黑土层需要2000年，因此，取20cm为临界土层厚度，将2000年作为危险和不危险的界限，即当抗蚀年限≥2000年时，说明侵蚀速率小于等于成土速率，黑土层得以保护，不存在侵蚀危险性。当抗蚀年限 < 2000年时，说明侵蚀速率大于成土速率，黑土层减少。抗蚀年限越短，侵蚀速率超过成土速率的部分越大，黑土层减少速度越快，侵蚀危险性越大，即危险程度级别越高。196个坡耕地样点的抗蚀年限符合正态分布，以2000年作为微度和轻度以上级别的界线，其他各级划分根据频数分布，最终确定基于成土速率的抗蚀年限标准为：>2000年为微度，>500~2000年为轻度危险，>200~500年为中度危险，>50~200年为重度危险，≤50年为极度危险。根据这一标准，研究区微度危险程度比例为7.7%，轻度以上危险程度为92.3%。其中轻度、中度、重度和极度危险程度比例分别为36.7%、36.2%、5.1%和14.3%。漫岗区主体以轻度和中度危险为主，重度和极度危险主要分布在大兴安岭东麓和研究区东南的漫岗与丘陵区接壤地带(图 4)。

图 4(Fig. 4)

图 4 基于成土速率划分抗蚀年限标准判断的坡耕地水力侵蚀危险程度等级 Fig. 4 Potential hazard classes of water eroded slope farmland determined by the index of anti-erodibility duration based on soil formation rate

水土流失危险程度包括2方面含义：一是水土流失发生的危险性，二是水土流失危害的危险性。二者有区别，又有联系：水土流失发生的危险性越大，造成的危害程度越高。SL718—2015《水土流失危险程度分级标准》^[27]提出的水土流失危险程度，包含了这2方面含义，并给出2种判断方法：抗蚀年限和植被自然恢复年限与坡度指标组合。这2种方法均以生态恢复为目标，界定了被危害对象采用的指标：临界土层和植被自然恢复年限。然而对东北黑土区坡耕地而言，保护黑土层是为了维持其可持续生产力，确保国家粮食安全。加之，黑土集中分布的松嫩漫岗丘陵区虽然坡度较缓，但坡长较长，如果以现有标准判断，低估了水土流失发生及其危害的危险程度；为此，在松嫩黑土区20.7万km²的范围内采集了196个坡耕地样点的土壤剖面样品，利用中国土壤系统分类暗沃表层和均腐特性的定量指标，判断了黑土层厚度，分别采用上述2种方法评价了它们的水力侵蚀危险程度等级，发现该标准针对维护黑土坡耕地可持续生产力的目标不适用。结合已有研究成果，基于黑土成土速率提出抗蚀年限标准评价坡耕地水土流失危险程度。主要结论如下：

1) 抗蚀年限是实际黑土层厚度与临界黑土层厚度之差与土壤流失速率之比，很好地反映了水土流失导致的黑土坡耕地危险程度。为维持作物正常生长，耕作土壤的表土层深度至少应维持20cm，将临界土层厚度由10cm改为20cm对于耕地生产力维护更有意义。

2) 以10、20和30cm为临界黑土层厚度，应用SL718—2015《水土流失危险程度分级标准》^[27]的抗蚀年限标准评价的黑土区坡耕地土壤侵蚀危险程度明显低估，轻度以上危险程度分别只有13.8%、19.5%和21.9%，不利于黑土资源的保护。利用自然植被恢复年限与坡度组合指标的评价结果只有轻度、中度和重度3种级别，其中轻度比例为84.7%，不利于进行水土保持规划。

3) 为了维持黑土资源可持续利用，土壤流失速率应小于成土速率。根据形成20cm临界黑土层需要2000年的研究成果，确定微度和轻度以上危险程度分界，建议黑土坡耕地水土流失危险程度的抗蚀年限标准为：2000年以上是微度危险，>500~2000年是轻度危险，>100~500年是中度危险，>50~100年是重度危险，≤50年是极度危险。据此判断196个坡耕地样点中，轻度以上危险程度比例为92.3%。其中轻度、中度、重度和极度危险程度比例分别为36.7%、36.2%、5.1%和14.3%。

本研究围绕SL718—2015《水土流失危险程度分级标准》^[27]提出的水土流失危险程度指标，主要考虑了黑土层厚度现状和侵蚀速率，提出了为维持长期可持续生产力的抗蚀年限分级标准。实际上，“黑土层”是指具有丰富有机质含量的表土层。黑土有机质含量一般为3%~6%，黑钙土有机质含量为5%~8%^[34]。这是黑土生产力的核心。除了水土流失导致其厚度变薄和生产力下降外，因缺少轮作和大量化肥施入，也会导致有机质含量下降。如果进一步考虑土壤有机质含量，尤其是土壤剖面有机质含量随深度的变化，会从土壤质量角度完善坡耕地水土流失危险程度评价方法。