小流域坡耕地治理措施及生態(tài)效益研究

諶 蕓 ，何丙輝，羅 雷

(1.西南大學資源環(huán)境學院三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶400715;2.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌，712100;3.中煤國際工程集團重慶設計研究院，重慶400016)

小流域是水土流失治理的基本單元。小流域綜合治理是指為了充分發(fā)揮水土等自然資源的生態(tài)效益、經濟效益和社會效益，以小流域為單元，在全面規(guī)劃的基礎上，合理安排農、林、牧等各業(yè)用地，因地制宜地布設綜合治理措施，治理與開發(fā)相結合，對流域水土等自然資源進行保護、改良與合理利用[1]。在我國，進行綜合治理的小流域面積一般規(guī)定在30 km2以下，最大不超過 50 km2。

三峽庫區(qū)的小流域中，坡耕地往往占了相當大的比例，是水土流失的主要策源地，坡耕地的整治也是三峽庫區(qū)小流域治理的重點。本研究主要報道了三峽庫區(qū)鐵爐溝小流域坡耕地不同治理措施實施后所取得的生態(tài)效益成果。

1 研究區(qū)概況

鐵爐溝小流域面積約35.64 km2，地處三峽庫區(qū)腹地，位于重慶市豐都縣三合鎮(zhèn)，流域地貌以丘陵為主，地形起伏劇烈，坡度陡，相對高差達200～350 m。流域土壤以侏羅系沙溪廟組砂巖、泥巖風化發(fā)育而成的中性紫色土為主，土層較薄，土壤肥力較差。

鐵爐溝小流域內坡耕地水土流失類型主要有面蝕、溝蝕和以滑坡為主的重力侵蝕。目前，對其主要采取了以下4種治理措施[2]:(1)推行坡改梯。將5°～15°有水源保障的坡耕地逐步改造成水平梯田，將15°～25°的坡耕地改造成梯土。在改造中為防止生土裸露，表土回填厚度在0.2 m以上。(2)營造經果林。對于5°～15°水土流失為輕度或中度的坡耕地，在充分考慮原有經果林的基礎上，布置經果林。該流域種植的主要有柑桔、桃(水蜜桃)、葡萄、桑等。(3)退耕還林還草。將＞25°的陡坡耕地逐步退耕還林還草。為了保證群眾在退耕中收入不減少，退耕土地逐步規(guī)劃為經果林。(4)完善坡面水系。修建了蓄水攔沙工程(包括山坪塘、蓄水池和沉沙凼等)、溝渠工程[1](包括截水溝、排洪溝和沿山溝等)及田間道路。

在實際應用中，4種措施相互聯(lián)系、相輔相成，構成了經果林〔柑橘(Citrusreticulata Banco)〕、經果林〔桑樹(Morus alba L.)〕、水保林〔松樹(Pinus)〕、水保林〔白楊(Populus tomentosa Carr)〕、梯土〔桃樹(Prunus persica+黑麥草 Lolium perenne L.)〕、梯土〔玉米(Zea mays L.)〕等治理措施。

2 試驗方法

2.1 試驗設計

鑒于研究區(qū)沒有標準徑流小區(qū)，本試驗采用自設簡易徑流小區(qū)。簡易徑流小區(qū)規(guī)格為2 m×2 m，小區(qū)周圍用鐵皮做擋板，鐵皮插入土壤20 cm深，下方設置出水口，出水口連接集水池。集水池規(guī)格為1.0 m×1.0 m×1.0 m，底部和四壁用塑料薄膜鋪設。試驗開始后，在集水池頂部蓋上塑料薄膜，以防止降雨直接進入集水池。

2.2 觀測方法

徑流小區(qū)的土壤為砂壤土，平均土層厚度為40 cm。本試驗中僅測定了地表徑流，未測定壤中流。各指標的測定方法為:(1)徑流系數(shù)和泥沙量，每次降雨后，用量筒測量集水池中的集水量(連同泥沙)，待沉淀后將泥沙烘干[3]，測量泥沙量，最后計算出各徑流小區(qū)的徑流系數(shù)和泥沙量(g)。(2)土壤容重和土壤含水量。采用環(huán)刀取土，室內烘干法測定[4]。(3)土壤孔隙度，環(huán)刀浸水法測定。(4)土壤入滲性能，雙環(huán)法測定。(5)土壤養(yǎng)分。雨后 1 d，對 19個徑流小區(qū)的土壤進行采樣(0—20 cm)。樣品風干后，研磨通過1 mm篩孔，并采用常規(guī)土壤農化分析方法進行測定。

2.3 數(shù)據處理

為方便比較各綜合措施的減流減沙效益，擬將觀測值轉換為到同一坡度(15°)，校正公式如下[5]:

有關坡度因子的計算，查閱相關文獻，緩坡上選用McCool[6]等研究的坡度公式(3—4);陡坡上采用劉寶元[7]的坡度公式(5)。各小區(qū)坡度因子(表1)。

式中:S — —坡度因子;θ— —坡度(°)。

考慮到坡度和措施類型，流域內共設置了19個徑流小區(qū)(表1)。

3 結果與分析

鐵爐溝小流域坡耕地治理的效益包括生態(tài)效益、經濟效益和社會效益。其中，生態(tài)效益又主要表現(xiàn)為兩個方面:減流減沙和土壤改良。

3.1 減沙減流效益分析

鐵爐溝小流域雨季為5—9月，本次試驗觀測期為2006年5—9月，觀測了5次暴雨，總降雨量為255 mm。總共觀測到18組數(shù)據，校正到15°坡度上，計算各徑流小區(qū)徑流系數(shù)及泥沙量(表2)。

表1 徑流小區(qū)基本情況

表2 各措施下徑流系數(shù)和泥沙量觀測分析

由表2可知:(1)梯土(桃樹+黑麥草)的減流效益最好，其徑流系數(shù)為0.12，比順坡耕作(玉米)(對照措施)減少了74.45%，柑橘和桑樹的減流效果相對較差，比對照措施減少了 19.15%和 25.53%;(2)梯土(桃樹+黑麥草)減沙效益最好，比對照措施減少了90.39%的產沙量，松樹、白楊和梯土(玉米)的減沙效果也較好，分別比對照措施減少了89.45%，88.15%和74.75%，柑橘和桑樹減沙效益相對較差，比對照措施減少了17.34%和21.06%。

梯土(桃樹+黑麥草)的減流減沙效益最佳，究其原因，主要是其工程措施一方面改變了微地形，減小了坡度，阻緩了地表徑流，使得徑流系數(shù)較小，另一方面其中的截水溝和排水溝及時將地表徑流排走，有效防止了徑流沖刷土壤。此外，桃樹和黑麥草具有固土和過濾水流泥沙的能力，使其減流減沙效益進一步增強。柑橘和桑樹的減流減沙效果相對較差，主要是因為種植時間短，且農民在其間栽植瓜類作物對土壤造成了擾動。

3.2 土壤改良效益分析

3.2.1 土壤容重及孔隙度[8]土壤容重及孔隙度是衡量土壤結構變化的重要指標。土壤容重下降，總孔隙度增加，將為土壤提供穩(wěn)定持續(xù)的好氣和嫌氣的條件，有利于微生物的活動和繁殖。

由表3可以看出:(1)土壤容重各處理由小到大的順序為:梯土(桃樹+黑麥草)＜松樹＜白楊＜梯土(玉米)＜桑樹＜柑橘、順坡耕作;(2)總孔隙度各處理由大到小的順序為:梯土(桃樹+黑麥草)＞松樹＞白楊＞梯土(玉米)＞柑橘＞桑樹、順坡耕作(玉米);(3)非毛管孔隙度各處理由大到小的順序為:梯土(桃樹+黑麥草)＞松樹＞白楊＞梯土(玉米)＞柑橘＞桑樹＞順坡耕作(玉米);(4)毛管孔隙度各處理由大到小的順序為:松樹＞梯土(桃樹+黑麥草)＞白楊、梯土(玉米)＞柑橘、桑樹＞順坡耕作(玉米);(5)非毛管孔隙度/總孔隙度的大小順序為:梯土(桃樹+黑麥草)＞松樹＞白楊＞梯土(玉米)＞柑橘＞桑樹＞順坡耕作(玉米)。

總的來說，梯土(桃樹+黑麥草)較其它措施，顯著減小了土壤容重和增加了土壤總孔隙度，即土壤結構得到明顯改善。

3.2.2 土壤入滲性能[9]土壤入滲性能是反映林地涵養(yǎng)水源能力的重要水文指標。上述7種措施下，土壤入滲性能測定的試驗結果詳見圖1。

圖1 各措施下的土壤入滲速率

從圖1可以看出:(1)前2 min，順坡耕作(玉米)和梯土(玉米)的入滲速率非常大，分別達到29和28 mm/min;(2)順坡耕作(玉米)和梯土(玉米)入滲速率下降很快，并在第40 min左右進入穩(wěn)滲階段，穩(wěn)滲速率分別為1.5和2.0 mm/min;(3)梯土(桃樹+黑麥草)、水保林(松樹)、水保林(白楊)及經果林(桑樹、柑橘)進入穩(wěn)滲階段相對較慢，穩(wěn)滲速率以梯土(桃樹+黑麥草)最高，達到 5.6 mm/min;松樹、白楊、桑樹、柑橘次之，分別為4.3，3.9，3.5和3.1 mm/min。

總之，土壤入滲性能強弱為:梯土(桃樹+黑麥草)＞水保林(松樹、白楊)＞經果林(柑橘、桑樹)＞梯土(玉米)＞順坡耕作(玉米)。

3.2.3 土壤養(yǎng)分[10]從表4可以看出:(1)有機質含量由大到小的順序為:梯土(桃樹+黑麥草)＞松樹＞白楊＞桑樹＞順坡耕作(玉米)＞梯土(玉米)＞柑橘;(2)全N、全P、全K 和速效N、速效 P、速效K 的含量，梯土(桃樹+黑麥草)都是最高，而其它各項措施和順坡耕作(玉米)相比并沒有優(yōu)勢或者優(yōu)勢很小。故梯土(桃樹+黑麥草)較其它措施，土壤肥力最高。

其原因主要有:(1)梯土(玉米)的耕作土可能有修建梯土時的深翻土，其初始養(yǎng)分不及原耕作層;(2)經果林(桑樹、柑橘)由于種植時間較短，株型較小，提供給土壤的養(yǎng)分比較少，故其土壤養(yǎng)分不及順坡耕作(玉米)的養(yǎng)分狀況。

表4 各措施下土壤養(yǎng)分對照 g/kg

4 結論

(1)梯土(桃樹+黑麥草)的減流減沙效益最佳，松樹、白楊和梯土(玉米)次之，柑橘、桑樹的減流減沙效益相對較差。

(2)梯土(桃樹+黑麥草)更有效地改善了土壤結構。土壤容重由小到大的順序為:梯土(桃樹+黑麥草)＜松樹＜白楊＜梯土(玉米)＜桑樹＜柑橘、順坡耕作(玉米);土壤總孔隙度由大到小的順序:梯土(桃樹+黑麥草)＞松樹＞白楊＞梯土(玉米)＞柑橘＞桑樹、順坡耕作(玉米)。

(3)梯土(桃樹+黑麥草)的穩(wěn)滲速率最大，為5.6 mm/min。此外，穩(wěn)滲速率由小到大的順序:松樹＞白楊＞桑樹＞柑橘＞梯土(玉米)＞順坡耕作(玉米)。

(4)梯土(桃樹+黑麥草)的土壤有機質含量為34.12 g/kg，顯著高于其它措施。其余措施土壤有機質含量順序為:松樹＞白楊＞桑樹＞順坡耕作(玉米)＞梯土(玉米)＞柑橘。

(5)土壤全N、全P、全K和速效N、速效P、速效K的含量，梯土(桃樹+黑麥草)均是最高，而其它各項措施相差不大。

總的來說，鐵爐溝小流域坡耕地治理是成功的。各項綜合措施在減沙減流、土壤改良方面均達到了一定效果，產生了一定的生態(tài)效益。其中，梯土(桃樹+黑麥草)的生態(tài)效益最好。此外，其它調查研究表明梯土(桃樹+黑麥草)的經濟效益較其他措施也是最好的，高達13 950元/hm2。所以，梯土(桃樹+黑麥草)具有最佳的生態(tài)效益和經濟效益，是完全值得在三峽庫區(qū)推廣的小流域坡耕地治理措施。

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