植被毯措施對(duì)黑土農(nóng)田淺溝侵蝕的防護(hù)效果研究

孫義秋, 關(guān)穎慧, 汪志榮, 吳海龍

(1.天津理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院, 天津 300384; 2.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院, 北京 100083)

土壤侵蝕是土地退化的重要過程之一，它對(duì)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、糧食安全供應(yīng)、人類健康以及國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。東北黑土區(qū)是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，糧食產(chǎn)量約占全國(guó)的1/5，據(jù)調(diào)查黑土區(qū)侵蝕溝數(shù)量約29萬多條，其中發(fā)展溝占侵蝕溝總數(shù)的88.67%[2]。淺溝作為細(xì)溝向沖溝發(fā)展的過渡形態(tài)，其既是溝道泥沙的搬運(yùn)通道，也是整個(gè)匯水面積內(nèi)泥沙輸送的下坡通道。它的形成過程受徑流沖刷和人類耕作的雙重影響，雖然可通過耕作去除，但經(jīng)過降雨沖刷后又會(huì)在相同地點(diǎn)重新生成[3-5]。在農(nóng)業(yè)用地上，淺溝侵蝕不僅決定了水土流失的嚴(yán)重程度[1,6]，同時(shí)也是土壤質(zhì)量退化的直接因素[7]，因此，對(duì)農(nóng)田淺溝的治理不僅有助于深入了解黑土區(qū)土壤侵蝕的規(guī)律，而且對(duì)于黑土資源的保護(hù)也具有重要意義。

淺溝侵蝕是由于淺溝間的降雨匯入溝道，導(dǎo)致水流的沖刷力增大，使得淺溝不斷加深加寬，最終形成更加嚴(yán)重的侵蝕形態(tài)。東北黑土區(qū)多為漫川漫崗地形，耕地主要為橫坡壟作與順坡壟作兩種方式[8]，且在同一地區(qū)兩種壟作方式往往同時(shí)存在[9]。在暴雨或連續(xù)性降雨的情況下，匯集的超滲徑流在順坡壟中順著壟溝向坡下移動(dòng)，并在橫壟與順壟交匯處滯留，當(dāng)匯流流量達(dá)到一定的程度后，徑流漫過壟臺(tái)，形成較強(qiáng)沖刷能力的股流而不斷侵蝕壟臺(tái)，并最終沖斷壟臺(tái)形成淺溝，由于順坡壟提供了天然的匯流通道，使得匯流強(qiáng)度大大增強(qiáng)，從而造成淺溝進(jìn)一步侵蝕。吳桐嘉等[10]通過降雨和匯流對(duì)淺溝侵蝕過程試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，淺溝侵蝕發(fā)生的主要方式為下切侵蝕和溯源侵蝕。植被覆蓋被認(rèn)為可以提高土壤的抗沖刷力，更好地防治土壤侵蝕[11]。王文鑫等[12]對(duì)草地淺溝進(jìn)行沖刷試驗(yàn)得出，草被能夠有效減少淺溝侵蝕產(chǎn)沙，減弱徑流的有效切應(yīng)力。然而，由于地形的原因徑流集中匯集，形成沖刷力較強(qiáng)的股流，使得草被抵擋不住徑流的沖擊，時(shí)常會(huì)發(fā)生淺溝侵蝕[13]。此外，在植草初期集中股流可能會(huì)將草種沖走，造成植被覆蓋下降，影響淺溝中植被恢復(fù)的效果。

植被毯可以穩(wěn)固種子，保護(hù)植物萌發(fā)生長(zhǎng)階段不受雨水沖刷，同時(shí)，在成熟期植物根系與植被毯、土壤形成更加牢固的復(fù)合體，能夠增強(qiáng)其抗沖性[14]。目前，關(guān)于植被毯減流減沙作用的研究，如岳桓陛等[15]對(duì)植被毯護(hù)坡的產(chǎn)流特性研究，植被毯覆蓋通過增加坡面局部湍流減緩徑流流速，降低了徑流對(duì)表土的沖刷。郭宇等[16]研究與裸地相比，鋪設(shè)植被毯措施產(chǎn)沙量減少55.05%～85.18%，產(chǎn)流量減少46.27%～73.9%。劉宏遠(yuǎn)等[17]認(rèn)為植被毯減蝕效益與減流效益較強(qiáng)，并在一定程度可改善土壤理化性質(zhì)。以上研究大多集中在植被毯對(duì)邊坡治理的研究上，而將植被毯應(yīng)用于植被恢復(fù)早期的淺溝治理研究較少，同時(shí)植被毯在不同條件下的水土保持效益也必然存在差異。因此，本研究以東北黑土土壤為研究對(duì)象，在不同匯流條件下，通過植被毯對(duì)農(nóng)田淺溝產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，定量研究植被毯措施對(duì)田間橫順壟交匯處淺溝侵蝕的防蝕效果，以期為農(nóng)田淺溝治理提供科學(xué)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料與裝置

試驗(yàn)土槽為3 m(長(zhǎng))×2 m(寬)×0.45 m(深)的固定式液壓可升降鋼槽(圖1)，其坡面坡度調(diào)節(jié)范圍0°～30°，為保證試驗(yàn)過程中良好的排水在試驗(yàn)土槽底部每隔10 cm(長(zhǎng))和10 cm(寬)設(shè)置直徑為5 mm的排水孔。上方匯流裝置由供水管、穩(wěn)流槽和水箱組成，供水流量大小由供水管的閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，試驗(yàn)水質(zhì)為自來水。供試土壤采自黑龍江省克山縣克山農(nóng)場(chǎng)(125°08′—125°37′E，48°12′—48°23′N)坡耕地地表0—20 cm典型耕作黑土，其顆粒組成為：黏粒(<0.002 mm)含量為6.57%，粉粒(0.002～0.05 mm)含量為67.55%，砂粒(>0.05 mm)含量為25.88%，有機(jī)質(zhì)含量為72.95 g/kg，pH(水浸提法，水土比1∶2.5)為6.3。植被毯為北格潤(rùn)尼環(huán)境工程有限公司提供，由椰絲纖維和護(hù)網(wǎng)通過機(jī)械加工制成，毯重334 g/m2，厚度約3～5 mm，縱向斷裂強(qiáng)度2 kN/m，橫向斷裂強(qiáng)度1.9 kN/m，椰絲毯網(wǎng)孔密集且大小合理，能夠保證植物順利穿過茁壯生長(zhǎng)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2020年7—10月在天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院進(jìn)行，根據(jù)野外坡耕地淺溝實(shí)際調(diào)查和相關(guān)文獻(xiàn)資料，研究區(qū)域坡面坡度一般為2°～7°，結(jié)合東北黑土區(qū)較高頻次的瞬時(shí)雨強(qiáng)0.71 mm/min[18]，以及參考胡剛等[19]黑土區(qū)淺溝侵蝕發(fā)育特征，淺溝平均匯流面積3.4 hm2，臨界坡長(zhǎng)為210 m，匯流強(qiáng)度設(shè)計(jì)參考下式[20]：

式中:Fe為放水流量(L/min)；We為模擬寬度，本研究設(shè)計(jì)We=1 m，W為實(shí)際溝間距，取值為210～275 m；R為降雨強(qiáng)度(mm/min)；A為淺溝匯流面積(m2)；σ為坡度；α為徑流系數(shù)，取值0.3。因此本研究設(shè)計(jì)匯流強(qiáng)度為10，30，40，50 L/min。根據(jù)野外調(diào)查和測(cè)量,由于受微地形地貌的影響，淺溝多具有與坡面坡度垂直的微坡度存在。因此,試驗(yàn)設(shè)計(jì)坡面坡度7°,垂向微坡度3°。同時(shí),在距土槽頂端30 cm處至槽子末端用刮板刮出設(shè)計(jì)的淺溝雛形模型,淺溝寬1 m，兩側(cè)坡度30°，淺溝底部與兩側(cè)坡溝高差7 cm，溝底寬80 cm，淺溝雛形模型橫斷面近似為梯形(實(shí)際使用植被毯前要對(duì)溝底進(jìn)行平整)。為保證淺溝雛形形態(tài)的一致,在試驗(yàn)前均用相同的刮板處理。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)土壤采用過1 cm篩不研磨處理，盡量保持土壤的原有結(jié)構(gòu)，保證試驗(yàn)土壤形狀一致。填土?xí)r先將紗布鋪在試驗(yàn)土槽底部，并填入5 cm高細(xì)沙作為透水層。然后在沙層上鋪一層紗布后填15 cm的黃土模擬犁底層和20 cm的黑土作為耕層。其中設(shè)計(jì)耕層容重為1.15～1.20 g/cm3，犁底層容重為1.25 g/cm3。每次裝填試驗(yàn)土槽前，測(cè)定土壤含水量并結(jié)合容重值確定每層所需的土壤重量。為保證填土的均勻性，每5 cm為1層。裝上層土之前，先用齒耙將土壤表面耙松1 cm，以免土壤分層。同時(shí)還要將試驗(yàn)土槽四周邊界壓實(shí)，減少邊界效應(yīng)的影響。坡面鋪平后，用刮板距頂端30 cm處制作出淺溝模型，之后蓋上植被毯并完全覆蓋整個(gè)淺溝，鋪設(shè)時(shí)用U型釘(釘長(zhǎng)5 cm，彎鉤為2 cm)從淺溝底部上方向下方每隔1 m固定一個(gè)防止移位和保證植被毯和地面良好的接觸，同時(shí)，植被毯兩側(cè)及上方埋于土內(nèi)并夯實(shí)[21]，見圖2。

圖2 植被毯布設(shè)圖

為了保證每次試驗(yàn)的初始條件基本一致，試驗(yàn)前一天進(jìn)行30 mm/h的預(yù)降雨，當(dāng)土壤表面達(dá)到充分飽合即將產(chǎn)流時(shí)，結(jié)束降雨并將土槽用塑料布蓋好后，放置24 h進(jìn)行正式試驗(yàn)，試驗(yàn)前期土壤含水率變化為19.3%～20.5%。試驗(yàn)前后，均對(duì)放水流量進(jìn)行率定，當(dāng)匯水流量與設(shè)計(jì)流量的誤差在5%以內(nèi)時(shí)方可進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。試驗(yàn)開始后，水流溢出至坡面開始計(jì)時(shí)，在集流口有徑流流出時(shí)，記錄產(chǎn)流時(shí)間。產(chǎn)流后20 L塑料桶每2 min取1次徑流泥沙樣，每次接樣時(shí)間為20 s，整個(gè)試驗(yàn)過程持續(xù)45 min。取樣的同時(shí)采用染料示蹤法測(cè)定淺溝徑流流速以及徑流溫度，試驗(yàn)結(jié)束后，將接取的泥沙過程樣按順序全部稱重，靜置澄清后倒出上清液轉(zhuǎn)移泥沙至鋁盒，然后在105℃的烘箱中烘干稱重并計(jì)算泥沙質(zhì)量。

1.4 計(jì)算方法與數(shù)據(jù)處理

1.4.1 減流效益及減沙效益 為比較直觀地比較植被毯對(duì)淺溝的防護(hù)效果，本文引入減流效益(Bl)和減沙效益(Bs)，植被毯覆蓋的產(chǎn)流量與無覆蓋裸坡的產(chǎn)流量比值為減流效益，植被毯覆蓋的產(chǎn)沙量與無覆蓋裸坡的產(chǎn)沙量比值為減沙效益，計(jì)算公式為：

式中：Q0和Qz分別為無覆蓋裸坡和植被毯覆蓋的產(chǎn)流量(g/m2);S0和Sz分別為無覆蓋裸坡和植被毯覆蓋的產(chǎn)沙量(g/m2)。

1.4.2 數(shù)據(jù)處理及分析 采用Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用Origin 2017進(jìn)行繪圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同匯流強(qiáng)度對(duì)植被毯覆蓋產(chǎn)流過程的影響

圖3A—D分別是植被毯在10，30，40，50 L/min匯流強(qiáng)度下坡面徑流量隨時(shí)間變化過程的曲線。圖中可以看出，不同匯流強(qiáng)度下，產(chǎn)流率隨時(shí)間的變化規(guī)律基本相同，均呈現(xiàn)出先急劇增大后保持穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，這是由于試驗(yàn)開始階段，土壤表層含水率較低，使得徑流大量下滲，但隨著土壤水分的飽和，徑流率達(dá)到一定值后呈現(xiàn)為平穩(wěn)的趨勢(shì)。但各流量下植被毯覆蓋產(chǎn)流率趨于穩(wěn)定的時(shí)間有較大差異，不同匯流強(qiáng)度處理的產(chǎn)流率在匯流開始前10 min內(nèi)均能達(dá)到穩(wěn)定，表現(xiàn)為匯流強(qiáng)度越大，達(dá)到穩(wěn)定徑流率的時(shí)間越短，這與康宏亮等[22]的研究放水流量與穩(wěn)定徑流率相關(guān)性極大一致。

圖3 不同匯流強(qiáng)度下的淺溝徑流變化過程

從圖中還可以看出，植被毯覆蓋對(duì)淺溝產(chǎn)流量的影響有明顯的不同，匯流強(qiáng)度為10，30 L/min時(shí)，植被毯的產(chǎn)流量明顯小于裸坡，裸坡產(chǎn)流率是植被毯覆蓋的1.14倍和1.18倍。當(dāng)匯流強(qiáng)度增加到40，50 L/min時(shí)，相對(duì)于裸坡而言，植被毯對(duì)減少產(chǎn)流幾乎沒有影響。這表明小流量下(匯流強(qiáng)度小于30 L/min)，植被毯覆蓋的淺溝保水性能優(yōu)于無植被毯覆蓋的對(duì)照組，這與劉宏遠(yuǎn)等[17]對(duì)植被毯邊坡防護(hù)效益研究進(jìn)行的降雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)植被毯能夠儲(chǔ)存水分，增加徑流下滲以及可直接減少?gòu)搅鞯慕Y(jié)論相似。而在流量較大的情況下(匯流強(qiáng)度大于40 L/min)，植被毯覆蓋的減流性能下降。一方面是由于植被毯本身的吸水能力達(dá)到飽和，使之徑流的攔截率下降[23]，同時(shí)植被毯下層與土壤表層形成的纖維—土壤綜合體的低滲水性，當(dāng)匯流強(qiáng)度大于入滲速率時(shí)，就會(huì)形成部分超滲流，從而造成淺溝的下滲量減少[15,17]。另一方面通過觀察淺溝溝底侵蝕形態(tài)，可能是淺溝徑流的相對(duì)動(dòng)能增加，侵蝕能力增強(qiáng)，植被毯下部形成許多較小細(xì)溝，這些細(xì)溝可為徑流提供天然的通道，從而可以減少?gòu)搅髟跍\溝內(nèi)滯留的時(shí)間。因此，植被毯在一定范圍匯流強(qiáng)度下，相對(duì)可以減少?gòu)搅鳎?dāng)超過這個(gè)臨界條件后，植被毯就會(huì)失去減流作用。

2.2 不同匯流強(qiáng)度對(duì)植被毯覆蓋產(chǎn)沙過程的影響

圖4A—D分別是植被毯在10，30，40，50 L/min匯水強(qiáng)度下的淺溝產(chǎn)沙量隨時(shí)間變化過程的曲線?？梢钥闯觯谙嗤瑓R流強(qiáng)度下，植被毯措施覆蓋的淺溝侵蝕量總體上呈逐漸下降并趨于穩(wěn)定的過程，但匯流強(qiáng)度越大，水流的含沙量越大。另外，通過觀察不同流量下侵蝕量的變化曲線發(fā)現(xiàn)，前10分鐘的侵蝕量變化較大且隨著流量的增加，曲線逐漸變陡，即匯流強(qiáng)度越大，其對(duì)產(chǎn)沙率的影響越大。一方面是因?yàn)榱髁康脑黾樱沟闷旅媪飨鄬?duì)動(dòng)能增加，水流的挾沙能力增強(qiáng)。另一方面是由于隨著沖刷的進(jìn)行，土壤水分已充分飽和，土壤抗侵蝕能力很低，被剝離的土壤顆粒隨集中水流全部搬運(yùn)。

圖4 不同匯流強(qiáng)度下的淺溝產(chǎn)沙過程曲線

從植被毯措施的防蝕效果來看，在小于30 L/min匯流強(qiáng)度時(shí)，植被毯措施的平均產(chǎn)沙率很小，裸坡對(duì)照組的產(chǎn)沙率分別是植被毯覆蓋的7.06倍和5.61倍。當(dāng)匯流強(qiáng)度為40 L/min時(shí)，植被毯覆蓋侵蝕產(chǎn)沙率急劇增加了432.1%，但與裸坡對(duì)照組相比，植被毯措施的產(chǎn)沙率減少了26.63%。由此說明一定流量下，植被毯可以減小淺溝侵蝕的發(fā)生，隨著匯流強(qiáng)度的增加，植被毯措施的產(chǎn)沙率越大，其防護(hù)效果越差，這與Won等[24]認(rèn)為植被毯覆蓋在一定范圍內(nèi)可以減少侵蝕的發(fā)生甚至不發(fā)生的結(jié)論相似。但在防護(hù)效果達(dá)到一定程度后，這些措施將不再是制約坡面侵蝕的因素[23]。植被毯措施在匯流強(qiáng)度增加到50 L/min后土壤侵蝕增大了115.25%，與裸坡對(duì)照組產(chǎn)沙率相當(dāng)甚至略高，失去了其防護(hù)淺溝的作用。這是因?yàn)橐环矫孑^大的水流在植被毯表面及內(nèi)部形成了直接徑流，徑流量增加使得徑流動(dòng)能增大，超出了植被毯減蝕的能力，造成較為劇烈的侵蝕[17]，另一方面植被毯布設(shè)時(shí)淺溝兩側(cè)埋入土壤中的植被毯對(duì)土壤的擾動(dòng)，短時(shí)間內(nèi)植被毯無法與土壤形成結(jié)合體使得在較大流量下增加了土壤侵蝕，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，并不影響植被毯在淺溝中的使用。綜上可以看出，植被毯覆蓋在匯流強(qiáng)度較小的情況下，可以增加淺溝溝底的粗糙度，減小徑流流速，從而減少淺溝的侵蝕[25]；而隨著匯流強(qiáng)度的增大，植被毯防護(hù)效果逐漸降低，并在50 L/min流量時(shí)失去防護(hù)作用，此外，植被毯布設(shè)施工時(shí)，應(yīng)盡量減少對(duì)淺溝兩側(cè)邊坡的擾動(dòng)，避免因人為施工而造成土壤侵蝕的增加。

2.3 植被毯措施減流減沙效益分析

由表2可知，植被毯措施在不同匯流強(qiáng)度下的減流減沙效益差異較大，隨著匯流強(qiáng)度的增加減流效益和減沙效益逐漸下降，匯流強(qiáng)度為10 L/min時(shí)，減流減沙效益最好，分別為16.23%和85.83%，而減流減沙效益表現(xiàn)最差的為50 L/min的匯流強(qiáng)度，分別為1.49%和-15.25%，因此，50 L/min匯流強(qiáng)度下，植被毯措施對(duì)淺溝無法起到防護(hù)作用。從減沙效益來看，植被毯措施在匯流強(qiáng)度小于30 L/min下，減沙效益可以達(dá)到80%以上，但匯流強(qiáng)度高于40 L/min后，減沙效益急劇下降為26.63%。表明植被毯措施在小流量下，對(duì)淺溝具有明顯的減沙效果，而在匯流強(qiáng)度達(dá)到一定值后，其減沙效益急劇減小，甚至失去減沙作用。劉宏遠(yuǎn)等[17]認(rèn)為植被纖維毯可能會(huì)增大坡面侵蝕，其侵蝕結(jié)果與降雨強(qiáng)度，植被毯材料和質(zhì)量等相關(guān)。從植被毯措施減流效益來看，隨著匯流強(qiáng)度的增加植被毯措施的減流效益逐漸減小，其變化范圍為1.49%～16.23%，在匯流強(qiáng)度為40 L/min以上時(shí)，植被毯措施的淺溝徑流量與裸坡對(duì)照組徑流量相差無幾，減流效益接近，這與張平等[26]植被毯措施可有效減少?gòu)搅鞯慕Y(jié)果相反。這是因?yàn)樵谠囼?yàn)前進(jìn)行的預(yù)降雨使得植被毯基本吸水飽和，同時(shí)由于椰絲毯厚重致密，覆蓋度較高，隨著匯流時(shí)間的積累以及匯流強(qiáng)度的增加集中徑流在其上形成直接徑流[17]，使得淺溝的入滲量減少。因此，植被毯措施的減流效益與植被毯類型密切相關(guān)。

表2 不同匯流強(qiáng)度下植被毯覆蓋的減流減沙效益

3 結(jié) 論

(1)植被毯措施對(duì)防護(hù)淺溝侵蝕有較好的減流減沙作用。在小于30 L/min匯流強(qiáng)度下，植被毯措施的減流效益分別為16.23%和15.74%，減沙效益分別為85.83%和82.19%。隨著匯流強(qiáng)度的增加，植被毯措施的防護(hù)效益降低，并在50 L/min匯流強(qiáng)度下失去作用。

(2)植被毯措施能夠減少淺溝侵蝕，增加徑流下滲，但其減流效益明顯低于減沙效益。在一定條件下，可以有效防治淺溝的進(jìn)一步侵蝕，且對(duì)于改善草被前期生長(zhǎng)改善生態(tài)環(huán)境有一定幫助。

(3)植被毯布設(shè)時(shí)，應(yīng)盡量減少對(duì)淺溝兩側(cè)邊坡的擾動(dòng)，避免因人為施工而造成土壤侵蝕的增加。另外，研究發(fā)現(xiàn)植被毯類型對(duì)于淺溝的產(chǎn)流過程有較大影響，今后應(yīng)加強(qiáng)不同植被毯材料對(duì)淺溝防護(hù)效果的研究。