丁新輝，謝永生，?，魏富娟，蔡銘陽，索改弟(．中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，700，陜西楊凌;．西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，700，陜西楊凌; ．西北農(nóng)林科技大學(xué)風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院，700，陜西楊凌;．西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，700，陜西楊凌)

?

波狀坡耕地?cái)r擋淀排技術(shù)水沙調(diào)控效果

丁新輝1，謝永生1，2?，魏富娟3，蔡銘陽4，索改弟2
(1．中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，712100，陜西楊凌;2．西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌; 3．西北農(nóng)林科技大學(xué)風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院，712100，陜西楊凌;4．西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

摘要:我國北方土石山區(qū)的地形特點(diǎn)是土層薄、坡長坡陡、波狀起伏、以坡耕地水土流失為主。該區(qū)水土流失嚴(yán)重，侵蝕溝道密集，對當(dāng)?shù)睾拖掠卧斐蓢?yán)重的水土流失問題。為解決波狀坡耕地水土流失的治理問題，針對波狀坡耕地形態(tài)特征和水土流失特點(diǎn)，設(shè)計(jì)波狀坡耕地?cái)r擋淀排技術(shù)，并將其布設(shè)于野外徑流小區(qū)進(jìn)行觀測。結(jié)果表明:1)攔擋淀排技術(shù)對波狀坡耕地削流和減蝕作用均有較好的效果，2年平均的削流率和減蝕率分別為53.72%和87.21%，該技術(shù)對于各種類型的降雨均有較好的坡面削流效果，該措施的排水系統(tǒng)表現(xiàn)出可靠性和穩(wěn)定性。2)通過對不同類型的降雨造成的徑流量分析，攔擋淀排技術(shù)對波狀坡耕地的徑流調(diào)控率在降雨強(qiáng)度較大的情況下能發(fā)揮出較好的效果。通過趨勢線分析，對照小區(qū)的產(chǎn)沙量與降雨量間的直線斜率大于措施小區(qū)(趨勢線接近水平)，說明攔擋淀排措施下不同降雨量產(chǎn)生的泥沙量都很小，攔擋淀排技術(shù)減沙效果顯著。3)通過對次降雨資料分析表明，措施小區(qū)泥沙侵蝕量均遠(yuǎn)小于對照小區(qū)。波狀坡耕地的年泥沙侵蝕量主要是由幾場大暴雨引起的，攔擋淀排技術(shù)在大暴雨情況下也有顯著的減蝕效果。通過添加趨勢線分析發(fā)現(xiàn)措施小區(qū)泥沙侵蝕量與降雨量，降雨強(qiáng)度和 I30之間均沒有良好的線性關(guān)系，措施小區(qū)泥沙侵蝕量受降雨量，降雨強(qiáng)度和 I30的共同影響。在雨季，措施小區(qū)泥沙侵蝕量受地表粗糙度的影響較大。4)從農(nóng)作物產(chǎn)量來看，相同施肥條件下，攔擋淀排技術(shù)在干旱年比平水年份對作物增產(chǎn)的作用更明顯。因此，攔擋淀排技術(shù)能夠有效防治波狀坡耕地水土流失，可作為一項(xiàng)新型坡耕地水土流失防治技術(shù)。

關(guān)鍵詞:波狀坡耕地;水土流失;削流率;減蝕率;攔擋淀排;北方土石山區(qū)

項(xiàng)目名稱:國家科技支撐計(jì)劃“農(nóng)田水土保持工程與耕作關(guān)鍵技術(shù)研究”(2011BAD31B01);水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“工程開挖面與堆積體水土流失測算技術(shù)研究”(201201048)

第2次全國土地調(diào)查顯示，我國坡耕地(坡度＞6°)面積達(dá) 240萬 hm2，約占全國耕地面積的27%［1］。研究［2 3］表明，坡耕地是水土流失的主要策源地，其水土流失量一般占到流域水土流失總量的40% ～60%;因此，研究坡耕地水土流失治理新措施具有十分重要的實(shí)際意義。

波狀坡耕地是指除縱向坡度外，在橫向(等高線方向)也存在起伏，由瓦背形淺溝連成波浪狀的坡耕地［4］。姜永清等［5］認(rèn)為瓦背形淺溝實(shí)質(zhì)上是坡耕地上一種產(chǎn)沙量較高的穩(wěn)定地貌形態(tài)。張永光等［6］發(fā)現(xiàn)淺溝一般位于坡面的中下部，而且多發(fā)育在瓦背狀坡面的集流水路上。淺溝是由暴雨徑流沖刷在坡耕地槽形部位形成的侵蝕溝，橫斷面因再侵蝕和再耕作呈弧形擴(kuò)展，無明顯溝緣、多呈瓦背狀排列，在地貌形態(tài)上并不突出［7］。龔家國等［8］的研究表明耕作對淺溝侵蝕的發(fā)生具有決定作用。賈紹禹等［9］認(rèn)為梯田是減少坡地耕作等造成的水土流失的根本性措施;但是波狀坡耕地土層薄(厚度 ＜1 m)、不適宜修筑水平梯田——主要因?yàn)槠赂奶莨こ虒ν翆拥臄_動大，一經(jīng)開墾，坡面會遭到擾動，且容易碰到下部基巖，造成土層結(jié)構(gòu)的破壞和養(yǎng)分的流失，不利于農(nóng)業(yè)種植［10］。

現(xiàn)有的坡耕地水土保持措施(耕作措施和生物措施)主要是針對坡面橫向無起伏的直型坡［11 12］，對于有波谷匯流的波狀坡耕地則難以發(fā)揮作用，而且這些水土保持措施效益差、不穩(wěn)定、需頻繁維護(hù)、花費(fèi)較多勞力［13 14］。筆者基于波狀坡耕地治理困難的問題，采用對土壤擾動相對較小的雙壁波紋管壤中排水措施［15］，提出一種針對波狀坡耕地水土流失的攔擋淀排技術(shù)，旨在為我國波狀坡耕地水土流失治理提供具有可行性的解決方案，以滿足波狀坡薄土坡耕地水土流失治理的迫切需求。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省承德市平泉縣西部東北溝小流域(E 118°33'09″～118°37'09″，N 41°03'07″～41° 06'19″)，屬燕山山脈中低區(qū)，海拔593～1 179 m，流域內(nèi)水系屬于灤河水系。該流域地貌類型以土石低山為主，年平均地面氣溫7.1℃，無霜期135 d，多年平均降雨量為540.8 mm，年均蒸發(fā)量為1 670 mm，記錄的最大年降水量771.4 mm，最小年降水量為336.9 mm，約80%降水集中在雨季(6—10月)，10年一遇大暴雨6 h降雨量為72 mm，20年一遇大暴雨6 h降雨量為83 mm。流域內(nèi)土壤類型以棕壤、黃綿土、粗骨土以及新積土等為主，研究區(qū)所屬的侵蝕類型區(qū)為北方土石山區(qū)。東北溝小流域在地貌、氣候、土壤、植被類型等方面在冀北山區(qū)具有廣泛代表性，該小流域于1991年被列為灤河重點(diǎn)治理工程項(xiàng)目區(qū)。東北溝小流域于20世紀(jì)90年代初開始采取封禁措施，流域內(nèi)的養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模逐年減小，如今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要以種植業(yè)為主。

2　數(shù)據(jù)與方法

2.1試驗(yàn)布設(shè)

在東北溝小流域共布設(shè)野外徑流小區(qū)——措施小區(qū)和對照小區(qū)各1個(gè)(表1)。2小區(qū)縱向坡度為10°，橫向坡度為5°，垂直投影面積為21 m×15 m，種植作物均為春玉米。各小區(qū)均采取等高耕作，在作物生長期內(nèi)對土壤及作物的管理均不采用大型機(jī)械，操作工具主要為鋤頭、鐵鍬、鎬頭等小型農(nóng)具，各小區(qū)施肥種類、時(shí)間及施肥量也均完全相同。

表1　波狀坡徑流小區(qū)布設(shè)情況Tab．1　Setting situation of wave type slope runoff plots

圖1　攔擋淀排技術(shù)設(shè)計(jì)圖Fig．1　Design figure of interception-precipitation-drainage technology

如圖1所示，在垂直于波型坡波谷中心線的位置設(shè)置石坎，順波谷線埋設(shè)壤中排水暗管，壤中排水暗管與嵌筑于攔擋坎內(nèi)部的豎管相連，排水管的下方通入田間溝渠或河道。石坎迎水面嵌筑有2列斜向上的引水管，每列4層(圖1b)。坡面徑流匯集于波谷攔擋坎的迎水面，由于引水管設(shè)計(jì)為斜向上一定角度，使得徑流中攜帶的泥沙在石坎底部沉淀下來。當(dāng)水面超過第1層引水管的上端時(shí)，坡面徑流通過斜管進(jìn)入石坎內(nèi)部豎管中，最后進(jìn)入地下暗管排出;若坡面徑流量較大，攔擋下方水面上漲速度過快導(dǎo)致第1層斜管來不及將所有徑流排出，隨著水面的上升，第2層斜管參與排水，依次類推。多層斜管的設(shè)計(jì)一方面能夠保證攔擋的排水速度，另一方面則可以解決由于下層斜管入口被沉淀泥沙掩埋而導(dǎo)致排水不暢的問題。小區(qū)實(shí)景圖及攔擋坎實(shí)物見圖2。

圖2　試驗(yàn)小區(qū)實(shí)物圖Fig．2　Real pictures of experimental plots

根據(jù)攔擋坎的高度以及縱橫向坡度，將攔擋坎長度定為9 m，坎間距定為7.5 m。

2.2數(shù)據(jù)處理

本文涉及的野外氣象數(shù)據(jù)均由設(shè)置在徑流小區(qū)附近的小型氣象站提供，若單日出現(xiàn)多場降雨則按照次降雨量進(jìn)行加權(quán)平均，以多次降雨強(qiáng)度的加權(quán)平均值作為該日的平均降雨強(qiáng)度。措施小區(qū)不收集壤中排水和泥沙，直接在集流池內(nèi)取樣。通過取樣體積計(jì)算出單位體積泥沙含量，由單位體積含沙量及集流池徑流總量即可計(jì)算出小區(qū)降雨產(chǎn)沙總量以及削流率X和減蝕率Y。

式中:A0為對照小區(qū)徑流量，m3;B0為措施小區(qū)徑流量，m3。

式中:A1為對照小區(qū)產(chǎn)沙量，kg;B1為措施小區(qū)產(chǎn)沙量，kg。

所有數(shù)據(jù)均采用 SPSS 22.0處理并用 WPS 2015作圖。

3　結(jié)果與分析

3.1對波狀坡耕地水沙調(diào)控效果

如表2所示，措施小區(qū)2014和2015年坡面總徑流量相當(dāng)，2015年總產(chǎn)沙量只是 2014年的59.09%，說明攔擋淀排技術(shù)對波狀坡耕地坡面侵蝕防治能夠起到良好的效果。

對照小區(qū)2015年的徑流量是2014年的1.63倍，泥沙侵蝕量是2014年的2.15倍，通過分析降雨資料可知，2015年的降雨主要集中在6月和7月，由于剛經(jīng)過收獲，地表覆蓋度小，所以侵蝕嚴(yán)重。從調(diào)控效率來看，由表2計(jì)算可知，攔擋淀排技術(shù)2年平均的削流率和減蝕率分別為53.72%和87.21%，削流和減蝕作用均取得較好的效果。

表2　兩小區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙情況統(tǒng)計(jì)Tab．2　Runoff and sediment statistics of slopes on two plots

3.2次降雨條件下攔擋淀排技術(shù)對波狀坡耕地水沙調(diào)控效果

為準(zhǔn)確評價(jià)該項(xiàng)技術(shù)的次降雨坡面水沙調(diào)控效果，選取2014和2015年共17場降雨進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。如圖3所示，從坡面產(chǎn)流情況來看，所有17場降雨過程中，措施小區(qū)的坡面徑流量均小于對照小區(qū)，說明該技術(shù)對于各種類型的降雨均有較好的坡面削流效果，該措施的排水系統(tǒng)表現(xiàn)出可靠性和穩(wěn)定性。

有研究表明降雨強(qiáng)度對土壤流失量的影響程度北方明顯高于南方［16］，而降雨量對土壤流失的影響程度南方卻明顯高于北方［17 18］。通過對17場降雨分析可知，平均降雨強(qiáng)度 ＞10 mm/h的降雨只有4場，而I30＞10 mm/h的降雨為15場，因此，當(dāng)?shù)氐慕涤暌远虝r(shí)強(qiáng)降雨為主。攔擋淀排技術(shù)對降雨量為10.0和13.5 mm的2場降雨的坡面徑流調(diào)控效率較低(措施小區(qū)和對照小區(qū)徑流量相近)，其平均降雨強(qiáng)度分別為1.9和2.8 mm/h，I30分別為29和3 mm/h;其他15場降雨的的坡面削流率較高，平均降雨強(qiáng)度為6.97 mm/h，平均I30分別為16.84 mm/h，而這17場降雨的平均降雨量為18.1 mm，平均降雨強(qiáng)度為6.42 mm/h，平均I30為23.2 mm/h。通過分析可知，坡面徑流調(diào)控效果較差的2場降雨的共同特點(diǎn)是降雨強(qiáng)度較小(均小于平均降雨強(qiáng)度)，而調(diào)控效率較高的降雨則降雨強(qiáng)度較大。由此可以看出，攔擋淀排技術(shù)對于波狀坡耕地的徑流調(diào)控率在降雨強(qiáng)度較大的情況下能發(fā)揮出較好的效果。

圖3　2小區(qū)17場降雨次降雨坡面產(chǎn)流情況Fig．3　Slope runoffs of 17 rainfalls on two plots

圖4　2小區(qū)17場降雨次降雨坡面產(chǎn)沙情況Fig．4　Slope sediments of 17 rainfalls on two plots

如圖4所示，2014和2015年汛期(6—10月)措施小區(qū)次降雨坡面產(chǎn)沙量均小于對照小區(qū):對照小區(qū)在該時(shí)期內(nèi)累計(jì)產(chǎn)沙507 kg，措施小區(qū)為51.2 kg，措施小區(qū)產(chǎn)沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對照小區(qū)。說明攔擋淀排技術(shù)對于波狀坡耕地坡面產(chǎn)沙調(diào)控效果十分顯著。

由于降雨量為44.1 mm的對照小區(qū)產(chǎn)沙量高達(dá)293.65 kg，所以為便于分析攔擋淀排技術(shù)對其他次降雨的泥沙調(diào)控效率，將其剔除。通過添加趨勢線分析，對照小區(qū)的產(chǎn)沙量與降雨量間的直線斜率大于措施小區(qū)(趨勢線接近水平)的，說明攔擋淀排措施下不同降雨量產(chǎn)生的泥沙量都很小，攔擋淀排技術(shù)減沙效果顯著。從對照小區(qū)來看，降雨量為44.1 mm的降雨造成的泥沙侵蝕量占全年侵蝕量的57.92%。說明該地區(qū)的土壤侵蝕主要是由幾場大暴雨引起的，而這場大暴雨造成的攔擋淀排技術(shù)措施小區(qū)坡面產(chǎn)沙量只有5.23 kg，泥沙調(diào)控率達(dá)到98.22%，表明攔擋淀排技術(shù)在大暴雨情況下亦有顯著的減蝕效果。通過添加趨勢線分析發(fā)現(xiàn)措施小區(qū)泥沙侵蝕量與降雨量，降雨強(qiáng)度，I30之間均沒有良好的線性關(guān)系，措施小區(qū)泥沙侵蝕量受降雨量，降雨強(qiáng)度，I30的共同影響，分析降雨資料表明在雨季，泥沙侵蝕量受地表粗糙度的影響較大。

3.3對波狀坡耕地玉米產(chǎn)量的影響

從2014和2015年的玉米產(chǎn)量(表3)看，措施小區(qū)分別比對照小區(qū)高出5.4%和7.2%，而從年降雨量看，2015年屬于枯水年降雨量只有436.2 mm，2014年的全年降雨量為539.8 mm，比2015年高出103.6 mm，屬平水年。說明該地區(qū)玉米產(chǎn)量在施肥相同的情況下受降水的影響較為明顯，坡面土壤水分的調(diào)控對玉米產(chǎn)量有著重要影響，攔擋淀排技術(shù)在枯水年對于玉米產(chǎn)量的影響要大于平水年，即該技術(shù)有助于干旱條件下的作物增產(chǎn)。

表3　不同年份徑流小區(qū)玉米生長量統(tǒng)計(jì)Tab．3　Statistic of the maize growth of runoff plots in different years

4　結(jié)論與討論

1)攔擋淀排技術(shù)對波狀坡耕地削流和減蝕作用均取得較好的效果，2年平均的削流率和減蝕率分別為53.72%和87.21%;

2)通過對不同類型的降雨造成的侵蝕量分析，攔擋淀排技術(shù)對波狀坡耕地的徑流調(diào)控率在降雨強(qiáng)度較大的情況下能發(fā)揮出較好的效果。通過添加趨勢線分析，對照小區(qū)的產(chǎn)沙量與降雨量間的直線斜率大于措施小區(qū)(趨勢線接近水平)的。說明攔擋淀排措施下不同降雨量產(chǎn)生的泥沙量都很小，攔擋淀排技術(shù)減沙效果顯著。

3)通過對次降雨資料分析表明，措施小區(qū)泥沙侵蝕量均遠(yuǎn)小于對照小區(qū)。波狀坡耕地的年泥沙侵蝕量主要是由幾場大暴雨引起的，攔擋淀排技術(shù)在大暴雨情況下也能表現(xiàn)出顯著的減蝕效果。通過添加趨勢線分析發(fā)現(xiàn)措施小區(qū)泥沙侵蝕量與降雨量，降雨強(qiáng)度，I30之間均沒有良好的線性關(guān)系，措施小區(qū)泥沙侵蝕量受降雨量，降雨強(qiáng)度，I30的共同影響。

4)從農(nóng)作物產(chǎn)量來看，相同施肥條件下，攔擋淀排技術(shù)在干旱年比平水年對作物增產(chǎn)的作用更明顯。

波狀坡耕地大多面積較小、地形破碎，無法進(jìn)行機(jī)械化耕種，農(nóng)民主要使用輕型農(nóng)具進(jìn)行種植，攔擋坎的布設(shè)不會對當(dāng)?shù)氐母髟斐商蟮挠绊?。統(tǒng)計(jì)的17場降雨中平均降雨強(qiáng)度大部分都＜5 mm/h，其中有調(diào)控效率高的，也有調(diào)控效率低的(調(diào)控效率高的占大多數(shù))，可能跟下墊面粗糙度以及 I30有關(guān)。攔擋淀排技術(shù)主要通過減少波狀坡耕地水分和養(yǎng)分的流失，提高坡面水肥利用效率，從而促進(jìn)坡耕地玉米的生長;因此，攔擋淀排技術(shù)能夠有效防治波狀坡耕地水土流失，可作為一項(xiàng)新型坡耕地水土流失防治技術(shù)。

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Regulating effects of the interception-precipitation-drainage technology on water and sediment in wave type slope farmland

Ding Xinhui1，Xie Yongsheng1，2，Wei Fujuan3，Cai Mingyang4，Suo Gaidi2
(1．Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and the Ministry of Water Resources，712100，Yangling，Shaanxi，China; 2．College of Resources and Environment，Northwest Agriculture＆Forest University，712100，Yangling，Shaanxi，China;3．College of Landscape Architecture and Arts，Northwest Agriculture＆Forest University，712100，Yangling，Shaanxi，China;4．Institute of Soil and Water Conservation，Northwest Agriculture＆Forest University，712100，Yangling，Shaanxi，China)

Abstract:［Background］The terrain features of the rocky mountain area in northern China are characterized by thin soil layer，long steep slope，wave type undulating，mainly soil and water erosion in slope farmland．The soil erosion of this area is serious，and the erosion channels are intensive，causing serious soil and water loss to the local and downstream．［Methods］In order to solve the soil erosionproblems of wave type slope farmland，based on the morphological features of wave type slope farmland and its characteristics of soil and water loss，we designed the interception-precipitation-drainage technology on wave type slope，deployed the cells with the technology(measure cell)and contrast cell，and observed the runoff and sand output．［Results］1)The average rate of cutting flow and rate of erosion reduction on the wave type slope by interception-precipitation-drainage technology in 2 years were 53．72%and 87．21%，respectively，meaning that favorable results of both cutting flow and reducing erosion achieved．The technology presented solid cutting runoff effect on slope for all kinds of rainfall，and the drainage system of the measure cell showed feasible reliability and stability．2)Analyzing the erosion caused by different rainfall intensity，the interception-precipitation-drainage technology on wave type slope played a better effect on the runoff regulation in large rain intensity．Through the trend line analysis，the linear slope between runoff and rainfall of the contrast cell was greater than that of measure cell(trend line close to horizontal level)，indicating that the amount of sediment produced by different rainfall was very small under the interception-precipitation-drainage technology on wave type slope，i．e．，the sediment reduction effect of the interception-precipitation-drainage technology on the wave type slope was significant．3)According to the analysis of the data of individual rainfall，the sediment erosion amount on the measure cell was much smaller than that of the contrast one．The annual sediment erosion on wave type slope farmland was mainly caused by several downpours，the interception-precipitationdrainage technology on wave type slope had significant effect on decreasing erosion under the downpours．Analysis by adding trend line showed that sediment erosion in the measure cell had no good linear relationship with rainfall，rainfall intensity and I30，and the sediment erosion on the measure cell was influenced jointly by rainfall，rainfall intensity and I30．Moreover，in the rainy season，the sediment erosion on the measure cell was largely affected by surface roughness．4)Regarding the crop yield，on the same condition of fertilization，the increasing production effect of the wave type slope interceptionprecipitation-drainage technology was more obvious in dry year than flat water year．［Conclusions］Therefore，the interception-precipitation-drainage technology on the wave type slope may effectively prevent the soil and water loss on wave type slope farmland，which can be used as a novel control technology of soil erosion on slope farmland．

Keywords:wave type slope farmland;soil erosion;rate of cutting flow;rate of erosion reduction; interception-preciptation-drainage;northern rocky mountain area

中圖分類號:S157.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1672-3007(2016)03-0123-07

DOI:10．16843/j．sswc．2016．03．016

收稿日期:2015 12 21修回日期:2016 05 10

第一作者簡介:丁新輝(1989—)，男，碩士研究生。主要研究方向:坡耕地水土流失治理。E-mail:dingxinhui14@mails．ucas．a(chǎn)c．cn

通信作者?簡介:謝永生(1960—)，男，博士，研究員。主要研究方向:土地資源與水土保持。E-mail:ysxie@ms．iswc．a(chǎn)c．cn