不同坡度的順坡壟和橫坡壟兩種耕作措施保水保土效應(yīng)分析

劉艷杰

(遼寧省海城市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 海城 114200)

0 引 言

遼寧省土石質(zhì)山區(qū)的海城市水土流失以水力侵蝕為主，部分地區(qū)的侵蝕由人為造成，且主要分布于灌木林、坡耕地、老果園和荒草地等。自然條件和人類活動(dòng)為引起土壤侵蝕的兩大要素，其中前者包括地形地貌、降雨、地質(zhì)、植被等因素，后者有耕作方式、過渡放牧、濫墾亂伐和基本建設(shè)等[1]。

項(xiàng)目區(qū)地形復(fù)雜、土層較薄，以土石質(zhì)為主，為千山山脈的延續(xù)，山地坡度>25°，暴雨過后水勢(shì)兇猛且流速極大，沿地面徑流匯集較快為水土流失創(chuàng)造了客觀條件。另外，區(qū)域年降水量受地理氣候影響分布不均勻，其中60%-70%集中于6-9月且多以暴雨形式出現(xiàn)，土壤在雨滴擊濺作用下發(fā)生解體、位移，大量的土壤在暴雨地面徑流作用下被沖刷帶走，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失。流域內(nèi)主要分布頁巖火成巖、石灰?guī)r、沉積巖等，地表抗蝕能力低、穩(wěn)定性差且風(fēng)化破碎嚴(yán)重，在集中徑流沖刷下被移動(dòng)搬遷而流失。山區(qū)植被由于歷史上種種原因被嚴(yán)重破壞，現(xiàn)保留的天然次生林面積少且幼林、疏林的比例偏大。不合理的土地利用方式(毀林開荒、輪墾、撂荒、順坡耕作)進(jìn)一步加劇了水土流失，且由于土地資源貧乏、人口增長(zhǎng)等原因，燃料、飼料、肥料困難致使過渡放牧和濫墾亂砍問題突出，嚴(yán)重破壞了山區(qū)植被，使得林草覆蓋率不斷下降。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，山區(qū)工程規(guī)模、廠區(qū)和開礦修路等開發(fā)利用項(xiàng)目不斷增多，人們對(duì)水土資源的利用強(qiáng)度不斷增大，而預(yù)防水土流失和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的意識(shí)薄弱，人為破壞地表植被和掠奪式開發(fā)較為普遍，在汛期降雨徑流作用下隨意堆放的棄土石渣、廢料等順?biāo)?，?duì)下游河道產(chǎn)生嚴(yán)重堵塞，土壤侵蝕和生態(tài)破壞問題十分突出[2-3]。

水土流失不僅可導(dǎo)致土壤肥力下降、土層變薄、加劇干旱發(fā)展等問題，而且能夠破壞地面完整性、蠶蝕農(nóng)田、加大洪澇災(zāi)害程度，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和下游防洪安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[4-7]。因此，有效控制地力下降和土壤侵蝕亟需采取切實(shí)可行的耕作措施。文章以松樹溝小流域?yàn)槔瑥耐寥狼治g量、徑流量的角度觀測(cè)不同坡度的順坡和橫坡耕作措施，通過對(duì)保土效益的評(píng)價(jià)確定了適宜于遼西低山丘陵區(qū)的耕作措施。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

項(xiàng)目區(qū)位于海城市析木鎮(zhèn)的東北部，形狀近似于長(zhǎng)方形，屬渾太河流域，為低山丘陵，海拔高度75-340m。研究區(qū)大陸性季風(fēng)氣候，日照時(shí)數(shù)2240.7h，無霜期約182d，多年平均降水量701.7mm，土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低且以草甸土、棕壤土為主。試驗(yàn)區(qū)坡耕地相對(duì)分散且面積所占比重最大，大部分坡耕地土質(zhì)貧瘠且土層較薄，一般不適宜大面積水平梯田的修建，所以采取因地制宜的措施治理項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的坡耕地，為實(shí)現(xiàn)坡耕地有效整治采取退耕還果、保土耕作改壟深耕等措施[8]。

對(duì)于項(xiàng)目區(qū)內(nèi)順坡耕地，擬采取改壟這樣的保土耕作措施，改壟向?yàn)榈雀呔€方向，同時(shí)結(jié)合深耕。其配置原則為：采取改壟措施的坡耕地的坡度適宜；采取改壟措施的坡耕地基本上屬于土層薄、不利于修筑水平梯田、且壟向?yàn)轫樒碌钠赂豙9-11]。項(xiàng)目實(shí)施期內(nèi)，計(jì)劃實(shí)施保土耕作面積30hm2，以松樹溝村(17)號(hào)圖斑為例，該圖斑面積2.95hm2，土壤為棕壤，土層厚度為80cm，坡度為5°-15°；對(duì)于25°以上及部分15°-25°的坡耕地進(jìn)行退耕還果改造，計(jì)劃實(shí)施退耕還果面積16.93hm2，以松樹溝村(44)號(hào)圖斑為例，該圖斑面積7.68hm2，土壤為棕壤，土層厚度為40cm，坡度為10°-30°，實(shí)施退耕還果7hm2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了規(guī)格為20m×5m的6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，即3°、5°坡下的裸地、順坡、橫坡壟作小區(qū)，記錄3次重復(fù)試驗(yàn)值作為每個(gè)小區(qū)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。各小區(qū)之間利用埋深≥20cm、厚5cm、高40cm的隔板隔開，長(zhǎng)邊沿順坡方向。將具有導(dǎo)流功能的集流槽設(shè)置于小區(qū)底部，用于降雨的匯集。槽上表面為寬5km的水平面、中部和下沿為傾斜陡槽和擋土墻，降水進(jìn)入集流口后流經(jīng)管道并匯集于流桶中，通過采取砂漿抹面處理確保表面平整。另外，為避免雨水的流入將防雨設(shè)備設(shè)置于集流桶上。降水情況的觀測(cè)和記錄來源于試驗(yàn)小區(qū)附近的氣象觀測(cè)站，對(duì)6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)小區(qū)的各場(chǎng)次降雨徑流量進(jìn)行觀測(cè)記錄，并采集每一次降雨后的水樣，經(jīng)室內(nèi)過濾、烘干和稱重后測(cè)定含沙量和小區(qū)土壤侵蝕量。

2 結(jié)果分析

2.1 侵蝕性降雨的篩選

2018年不考慮降雪影響共測(cè)定降水總量為315.4mm，場(chǎng)次降雨25場(chǎng)，試驗(yàn)區(qū)降水集中于6-8月，季節(jié)性降水特征顯著。觀測(cè)的25場(chǎng)次降水中，降雨量達(dá)到最大和最小的場(chǎng)次降水為20180621、20180922，平均雨強(qiáng)分別為28.12mm/h和0.54mm/h，降雨歷時(shí)為1.42、0.65h，所對(duì)應(yīng)的降雨量為42.6mm、0.5mm。結(jié)合遼寧省土石質(zhì)山區(qū)的海城市侵蝕性降雨評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，即基本降雨量為9.8mm，由此可確定有8場(chǎng)降雨達(dá)到侵蝕性標(biāo)準(zhǔn)，且發(fā)生于6、7月份。為準(zhǔn)確反映不同校區(qū)土壤侵蝕量與降雨強(qiáng)度、降雨量之間的關(guān)系，按照從小到大原則排列降雨量。侵蝕性降雨強(qiáng)度及降雨量，見圖1。

圖1 侵蝕性降雨強(qiáng)度及降雨量

2.2 徑流量影響分析

1)降水徑流量與順坡壟作分析。不同坡度裸地小區(qū)、種植大豆+順坡壟作小區(qū)的侵蝕性降雨徑流量，順坡壟作措施的侵蝕性降雨徑流量觀測(cè)，見表1。

根據(jù)表1可知，裸地小區(qū)的徑流量<種植大豆+順坡壟作小區(qū)，且兩類小區(qū)的徑流量隨著坡度的增加均呈一定的增大趨勢(shì)，種植大豆+順坡壟作小區(qū)在3°和5°坡度下的徑流量為1368.19、1839.41m3/hm2，其變化幅度較裸地增大12.96%和13.71%。從徑流量的角度認(rèn)為順坡壟作的減流蓄水效果并不明顯，但從單場(chǎng)次降水的角度分析，這種耕作措施在降水強(qiáng)度和降雨量較小的條件下具有一定的減流蓄水效應(yīng)。

2)降水徑流量與橫坡壟作措施分析。不同坡度裸地小區(qū)、種植大豆+橫坡壟作小區(qū)的侵蝕性降雨徑流量。橫坡壟作措施的侵蝕性降雨徑流量觀測(cè)，見表2。根據(jù)表2可知，裸地小區(qū)的經(jīng)流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于種植大豆+橫坡壟作小區(qū)，且種植大豆+橫坡壟作小區(qū)的徑流量隨著坡度的的增加均呈一定的增大趨勢(shì)，5°坡度下的徑流量(83.32m3/hm2)為3°坡度的3.16倍，相對(duì)于裸地小區(qū)5°坡度徑流量減少了94.85%，由此表明橫坡壟作措施在坡度≤5°的條件下具有明顯的蓄水保水、減少地表徑流的作用。

表2 橫坡壟作措施的侵蝕性降雨徑流量觀測(cè)

2.3 侵蝕量影響分析

1)侵蝕量與順坡壟作措施分析。各坡度裸地小區(qū)、種植大豆+順坡壟作的侵蝕性降雨土壤侵蝕量，順坡壟作措施的侵蝕性降雨侵蝕量觀測(cè)，見表3。根據(jù)表3可知，較裸地小區(qū)3°坡度下的土壤侵蝕量種植大豆+順坡壟作小區(qū)顯著減少，降低幅度達(dá)到72.85%，且兩類小區(qū)的侵蝕量隨著坡度的增加均呈現(xiàn)出大幅度的上升趨勢(shì)。較裸地小區(qū)5°坡度下的侵蝕量種植大豆+順坡壟作小區(qū)增大了8.20%，可見順坡壟作措施減少土壤侵蝕量的效應(yīng)在坡耕地≤5°坡度情況下較為顯著，其減少土壤侵蝕效應(yīng)隨著坡度的增大快速下降。

表3 順坡壟作措施的侵蝕性降雨侵蝕量觀測(cè)

根據(jù)3°坡、5°坡的單場(chǎng)降雨侵蝕量變化特征，隨著雨強(qiáng)、降水量的增大裸地和種植大豆+順坡壟作措施的侵蝕量均呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，其中裸地的侵蝕量變化幅度略小于種植大豆+順坡壟作。以5°坡為例說明這一過程，順坡壟作措施在前4場(chǎng)次降雨中控制水土流失效果較為顯著，而裸地小區(qū)的侵蝕量在后4場(chǎng)次降雨中小于順坡壟作措施，可見順坡壟作控制土壤侵蝕的效果隨著降雨強(qiáng)度、降雨量的增大逐漸變差。

2)橫坡壟作措施對(duì)侵蝕量的影響。不同坡度裸地小區(qū)、種植大豆+橫坡壟作小區(qū)的侵蝕性降雨土壤侵蝕量。橫坡壟作措施的侵蝕性降雨侵蝕量觀測(cè)，見表4。根據(jù)表4可知，裸地小區(qū)的侵蝕量隨著坡度的增加明顯增大，可見土石質(zhì)山區(qū)坡耕地在未采取水土保持措施時(shí)將產(chǎn)生較為嚴(yán)重的土壤侵蝕。種植大豆+橫坡壟作小區(qū)在3°坡度下的侵蝕量為16.41kg/hm2，其減小量達(dá)到98.99%，且種植大豆+橫坡壟作小區(qū)的侵蝕量隨著坡度的增大呈一定幅度的增加，5°坡的土壤侵蝕量(78.92kg/hm2)為3°坡的4.81倍。由此表明，橫坡壟作措施可有效降低5°坡、3°坡的侵蝕量，其控制效果較裸地小區(qū)超過98%。

表4 橫坡壟作措施的侵蝕性降雨侵蝕量觀測(cè)

2.4 蓄水保土效益分析

土壤侵蝕模數(shù)和蓄水保土效益，橫坡壟作措施的侵蝕性降雨侵蝕量觀測(cè)，見表5。根據(jù)表5可知，3°和5°坡耕地上的順坡壟作措施的蓄水效益極大的小于橫坡壟作，在3°和5°坡上的順坡壟作蓄水效益為負(fù)，該條件下產(chǎn)生的產(chǎn)流量較裸地小區(qū)還打，且取水效益隨著坡度的增大呈下降趨勢(shì)。由此進(jìn)一步說明橫坡壟作蓄水效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于順坡壟作，其原因?yàn)闄M坡壟作羧酸了坡長(zhǎng)、減緩了坡度，其降低徑流的成效顯著。

表5 土壤侵蝕模數(shù)及蓄水保土效益

注：不同大寫、小寫指標(biāo)分別代表差異顯著性水平為0.01和0.05。

根據(jù)蓄水保土效益可知，橫坡壟作在3°、5°坡的效益均超過99.5%，5°坡橫坡壟作的土壤侵蝕模數(shù)僅為5°坡順坡壟作的0.15%，其值為7.70bB。由此可見，在控制坡耕地土壤侵蝕時(shí)橫坡措施成效現(xiàn)出，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于順坡壟作。種植大豆+順坡壟作在3°坡下的保土效益顯著低于橫坡壟作，且土壤侵蝕模數(shù)極顯著高于橫坡壟作，即71.85<99.68%、155.36>1.65t/km2·a，相對(duì)于裸地小區(qū)順坡壟作措施在3°坡上具有一定的保土作用，但其控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于橫坡壟作。順坡壟作小區(qū)隨著坡度的增大未發(fā)揮有效的保土作用，其土壤侵蝕量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫坡壟作并接近于裸地，可見順坡壟作不宜作為較大坡度的坡耕地措施。

3 結(jié) 論

1)按照自小到大的原則排列不同耕作措施的徑流量，即：種植大豆+橫坡壟作<裸地小區(qū)<種植大豆+順坡壟作；3°坡度下的橫坡壟作徑流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于順坡壟作，5°坡度下的橫坡壟作徑流量有所增大，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于順坡壟作。由此表明，橫坡壟作控制地表徑流的效果要明顯優(yōu)于順坡壟作，橫坡壟作在坡耕地≤5°坡時(shí)具有較強(qiáng)的適用性和可行性。

2)根據(jù)自小到大的次序排列3°坡土壤侵蝕量，即：種植大豆+橫坡壟作<種植大豆+順坡壟作<裸地小區(qū)，5°坡時(shí)為種植大豆+橫坡壟作<裸地小區(qū)<種植大豆+順坡壟作。由此可見，順坡壟作措施在相同坡度下要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小區(qū)順坡壟作和裸地小區(qū)的侵蝕模數(shù)，橫坡壟作在3°坡下的侵蝕量?jī)H為順坡的1.05%，雖然順坡壟作小區(qū)的侵蝕量也達(dá)到較高的水平，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于橫坡壟作。綜上分析，遼寧省土石質(zhì)山區(qū)的海城市耕作措施宜選取為橫坡壟作。