紫色土坡耕地细沟侵蚀的防治

2012-07-06唐成毅严冬春龚长文向茂青

成都理工大学学报（自然科学版） 2012年4期

唐成毅严冬春龚长文向茂青

（1.成都理工大学图书馆，成都610059；2.中国科学院成都山地灾害与环境研究所山地表生过程与生态调控重点实验室，成都610041；3.重庆市忠县水务局水土保持监测站，重庆忠县404300）

细沟侵蚀是坡面土壤侵蚀的主要形式之一［1］。细沟一旦形成，坡面薄层水流转变为股流，其水力学特征发生根本性的转变，侵蚀动力增强，水流侵蚀形态由对单个土壤颗粒的搬运转变为对土壤块体崩解、分散、输移的过程，侵蚀量剧增。已有的研究表明，细沟的发生坡面侵蚀产沙量将增加几倍至几十倍［2］，黄土高原细沟侵蚀量甚至占坡面总侵蚀量的70%以上［3－5］。传统观念认为坡耕地上形成的细沟仅通过耕作措施即可以将其平复，不需要特殊的土壤保持措施。事实上，即使通过耕作措施将细沟平复还是会在坡面上形成负地形，再次降雨情况下很容易出现细沟，甚至形成恶性循环［6］。基于对细沟侵蚀在坡面侵蚀中的重要地位的认识，国内外学者在细沟的发生、发展、侵蚀输沙等方面开展了大量研究［7－10］。对于某一坡度的地块，一次暴雨中细沟总是表现在一定的坡长处发生。这是由于细沟侵蚀的发生需要一定的坡长来汇集径流，这一坡长称为细沟发生的临界坡长［11］。通过暴雨试验调查出细沟发生的临界坡长，进而在临界坡长处通过各种措施控制暴雨下细沟的发生将极大地降低坡面侵蚀量。

紫色土是中国西南山区主要的土壤资源之一，以四川盆地最为集中［12］。紫色土风化速度快、养分储量丰富，历来是农业发展的主要区域；紫色土耕地面积约占四川省耕地总面积的68%［13］。而紫色土大部分为风化碎屑土且土层浅薄，在长江流域季风性暴雨作用下侵蚀强烈，侵蚀模数高达3 798～9 831t／（km2·a），是长江上游主要的侵蚀产沙区之一［14，15］。长期以来，对紫色土坡耕地的水土保持基本沿用了黄土高原的治理措施，忽视了长江上游紫色土坡面产流及水土流失规律与黄土区存在的差别，出现了片面强调采取拦截、蓄渗地表径流的措施防治水土流失的现象，这就形成了虽然长江上游地区水土流失治理面积在不断增加，而对河流输沙的减少效果并不明显的矛盾［16，17］。以往紫色土坡耕地细沟侵蚀的研究相对较少，针对紫色土细沟侵蚀防治措施的报道更少。因此，本文总结了“十一五”期间紫色土细沟侵蚀防治的相关进展及其成效，以期为紫色土坡耕地水土流失综合治理提供参考。

1 紫色土坡耕地细沟侵蚀的特征

分别在典型紫色土试验研究站（盐亭站（E105°27′，N31°16′）、三峡站（N30°24′53″，E108°10′25″））的径流小区上，采用人工模拟降雨试验方法，试验观测了紫色土细沟侵蚀的发生、发展过程。试验前调查了盐亭站和三峡站近年来的降雨资料，盐亭站2003年以来的降雨数据表明，暴雨15次，最大一次降雨量为196.2mm，最大10min雨强为111.69mm／h；三峡站2000～2009年的降雨数据表明，暴雨32次，最大一次降雨量为178.5mm，最大10min雨强为136.3mm／h。基于前人研究中降雨强度与侵蚀量的正相关关系，试验采用两地最大雨强，即盐亭站试验采用110mm／h，三峡站试验采用130mm／h。通过对细沟发生过程的观察，细沟发生的判定以跌坑贯穿为标志。观察到细沟成型后停止降雨，测量坡面细沟的沟头到坡顶的距离，细沟侵蚀量采用填充法测量，坡面总侵蚀量通过收集径流池的淤积泥沙烘干后称质量得到。

试验结果表明（表1）：在2m×8m的小区上，控制含水量在25%左右时，在当地典型暴雨降雨强度下细沟侵蚀量随坡度递增；10°，15°，20°，25°小区细沟侵蚀量占坡面总侵蚀量的比例分别为28.61%，57.66%，80.66%和91.16%。细沟发生的临界坡长随坡度的增大而缩短，10°，15°，20°，25°小区上细沟沟头出现的顺坡长度平均值分别为6.19m，4.15m，2.75m，1.57m。

分析不同坡度坡面细沟发生的临界坡长发现，参照前人在黄土区做的实验［11］，采用二次抛物线方程能较好地反映临界坡长与坡度的关系

其中：lr为临界坡长；α为坡度；可决系数R2达到0.999 3。将上式两边对坡度求导数，求得紫色土坡面细沟发生临界坡长的拐点坡度为35.5°。拐点坡度存在的原因，可以从坡面产流过程来加以探讨。紫色土坡地由于土层薄、结构松散，一般为蓄满产流。暴雨过程中，紫色土坡面表层土壤很快饱和，土壤颗粒之间黏结力降低，入渗率降低，径流汇集启动泥沙所需要的坡长变短。而随着坡度的增大，在土壤颗粒自重分力增大的作用下，径流汇集产生细沟的坡长进一步变短。但是，随着坡度的进一步增大，紫色土坡面的壤中流排泄加快，入渗率增大，相同雨强下汇集径流所需用的坡长反而增大。紫色土坡面试验的细沟侵蚀临界坡长远小于文献［11］的原因，主要是由于雨强的差异。从细沟发生本身的过程来看，无论紫色土坡面还是黄土坡面，细沟的发生均以水流跌坑的贯穿为标志；而水流跌坑的顺坡分布在初期比较均匀，大雨强时径流汇集能量贯穿顺坡跌坑所需坡长变短。至于紫色土坡面细沟发生临界坡长的拐点坡度大于文献［11］的结果，由于试验条件差异太大，这里不做比较。

2 紫色土坡耕地细沟侵蚀防治措施

细沟的发生总是表现在一定的坡长处，查明当地典型暴雨特征的前提下，通过暴雨试验调查出细沟发生的临界坡长，进而通过各种措施在临界坡长处截断径流将极大地降低细沟侵蚀发生的概率。基于这一思路，“十一五”国家科技支撑计划长江上游坡耕地整治项目组开展了大量试验研究，并在中国科学院三峡库区水土保持与环境研究站构建了实体模式。总体归纳起来，控制细沟侵蚀的措施主要包括植物篱（图1）、“地埂＋植物篱”（图2）和“大横坡＋小顺坡”（图3）3种模式。

植物篱模式主要在坡度较缓（α＜10°）的长顺坡上，以细沟发生的临界坡长为间距种植植物篱。植物篱品种包括乔木、灌木和草本类，据中国科学院三峡站筛选的植物篱品种包括黄花、韭菜、哈哈草、桂牧一号、柑橘等。“地埂＋植物篱”模式主要在坡度较陡（α＞10°）的地块上，按照细沟发生的临界坡长修筑地埂，并在地埂的埂坎上种植植物篱，既防治典型暴雨降雨条件下地块内细沟侵蚀，又可以利用植物根系固结地埂。“大横坡＋小顺坡”模式的思路来源于当地农民“横坡整地，顺坡种植”的耕作习惯，适用范围较广，采用横坡截流沟在临界坡长处截断径流，避免细沟侵蚀的发生。其主体结构与“地埂＋植物篱”措施相似，除地块上部的背沟和下部的边沟外，地块内部还有横坡截流沟，增大了两地埂之间的间距，降低修筑地埂的成本。其中，背沟主要是拦截上方坡地径流；地块前缘边沟的功能，主要是拦截、滞留地块产出的径流，沉积泥沙。横坡截流沟的功能主要是减短坡长，在细沟可能发生的临界坡长处开挖水平沟，避免侵蚀细沟的发生，拦截、滞留上部地块产出的径流，沉积泥沙；当然还可供田间行走。每年冬天，农民还要挑沙面土，将水平沟道内沉积的泥沙回返到耕地内。

表1 紫色土坡耕地细沟侵蚀比例及其临界坡长Table 1 Critical length and rate of rill erosion on the purple soil slope cultivated land

图1 植物篱措施剖面示意图Fig.1 Sketch map of the hedge measure section

图2 “地埂＋植物篱”措施剖面示意图Fig.2 Sketch map of the“ridge and hedge”measure section

图3 “大横坡＋小顺坡”耕作措施剖面示意图Fig.3 Sketch map of“downslope ridge tillage and cross trenches”cultivating measure section

3 紫色土坡耕地细沟防治措施初步成效

通过在三峡库区的野外调查和对构建在三峡站内实体模式的观测分析发现，3种治理措施的成效如下。

a.植物篱能有效改良土壤、提高土壤抗蚀性、增加土壤肥力。通过对重庆江津的坡耕地原位调查发现（表2）：乔木类、草本类和灌木类3种不同类型植物篱带内土壤有机质比带间坡耕地分别增加53%，45%和79%；全氮的含量分别增加了61.5%，61.3%，127.6%；水解氮的含量分别增加了71.6%，8.4%，88.4%；全磷的含量分别增加了40.8%，25%，183.8%；土壤速效磷的含量分别增加了83.7%，138.6%，226.5%；土壤全钾的含量分别增加了10.6%，2.1%，29.3%；土壤速效钾的含量分别增加了121.7%，126.4%，210.9%；土壤阳离子交换量分别增加了34.9%，0.4%，29.3%。植物篱的缺点在于植物篱种植在田块内，不可避免地要与田间作物发生竞争，且其拦沙效率与植物篱密度有关。

b.“地埂＋植物篱”兼具了地埂和植物篱的双重功能。在地埂上种植经济价值较高的植物篱，既充分利用了有限的土地资源，提高坡地产量，又起到了植物根系固结地埂的功效。通过在径流小区上设置不同高度的地埂种植植物篱的试验观测发现（表3）：与无地埂植物篱比较，暴雨中“土埂＋哈哈草”模式能有效降低地表径流一半以上，侵蚀量降低70%以上。

表2 不同类型植物篱土壤养分Table 2 Soil nutrient contents in different hedge styles

表3 “地埂＋植物篱”产流产沙量Table 3 Observation results of runoff and sediments on“ridge and hedge”measure pots

采用137Cs法对野外多年“土埂＋苎麻篱”地块侵蚀模数的测定结果表明（表4），“土埂＋芝麻篱”地块的侵蚀模数为802.50t／（km2·a），相邻坡耕地的侵蚀模数为2 299.70t／（km2·a），“土埂＋苎麻篱”减蚀效率达65%，显示了良好的减蚀效益。

表4 137Cs法调查多年“土埂＋苎麻篱”侵蚀－堆积模数Table 4 Soil erosion rate on the“ridge and hedge”measure pots by 137 Cs technique

通过对不同地埂植物篱的经济效益统计发现，江津示范点种植花椒植物篱后产值为801.6元／亩，而传统顺坡耕作种植玉米的产值为653.2元／亩，每亩增产148.4元。忠县石宝镇示范点引种“桂牧一号”牧草植物篱单月生物量达到23.3 kg／m2，推广当地养殖梅花鹿，每亩种植植物篱30～50m2，可供养2头梅花鹿，增收600元／亩，目前已经帮扶注册1家养殖100头梅花鹿的“三峡鹿园”养殖场；“土埂＋黄花”模式采用地坎黄花密植45m－2，亩产鲜黄花25kg，市价5.6元／kg，净增产值140元／亩。

c.“大横坡＋小顺坡”耕作模式与长顺坡耕作模式相比，可有效减少径流量41.7%～59.6%。“大横坡＋小顺坡”耕作模式相比传统顺坡耕作，在各种降雨条件下都表现出了较好的保土性能；尤其是在强降雨条件下，其保土性能更为显著，与传统顺坡耕作模式相比降低侵蚀量43.0%。“大横坡＋小顺坡”措施的拦沙减蚀效果低于“地埂＋植物篱”措施的原因，在于地块坡长是后者的2倍，产生的地表径流量大，暴雨中部分径流通过横坡截流沟排出地块，带走部分泥沙。“大横坡＋小顺坡”耕作模式养分流失总量均显著小于全顺坡耕作模式，其中总磷流失总量为对照模式的25.3%～48.2%，可溶性磷为对照模式的23.2%～42.3%；总氮流失总量为对照模式的26.7%～42.3%，溶性氮流失总量为对照模式的25.4%～38.6%；全钾流失总量为对照模式的32.2%～49.5%，速效钾流失总量为对照模式的29.5%～47.2%。

对于暂时无法实施坡改梯的地区，“大横坡＋小顺坡”模式具有暂时的替代作用，其综合了植物篱与“地埂＋植物篱”两种措施的优点，且造价低、节省劳力。据三峡站的测算，以目前农村劳动力挖填土工资30元／m3计算，1亩“大横坡＋小顺坡”模式构建成本包括横坡截流沟挖土和边沟、背沟挖土、地埂修筑，典型区“大横坡＋小顺坡”模式构建成本在不同坡度地块分别为：231元／亩（10°）、257元／亩（15°）、310元／亩（20°）和415元／亩（25°）。

4 结语

坡耕地是紫色土区域典型的土地利用方式，细沟侵蚀是紫色土坡面侵蚀的主要形式之一。试验研究发现10°，15°，20°，25°小区细沟侵蚀量占坡面总侵蚀量的比例分别为28.61%，57.66%，80.66%和91.16%；细沟沟头出现的顺坡长度平均值分别为6.19m，4.15m，2.75m，1.57m：通过各种措施控制细沟的发生将大大降低坡面侵蚀量。“十一五”期间，国家科技支撑计划长江上游坡耕地整治项目组在大量试验研究的基础上，提出主要包括植物篱、“地埂＋植物篱”和“大横坡＋小顺坡”3种模式控制细沟侵蚀的措施。初步的效益观测发现，3种模式均具有较好的生态、经济效益；尤其是“大横坡＋小顺坡”模式，兼具了植物篱与“地埂＋植物篱”两种措施的优点，且造价低、节省劳力，具有较好的推广前景，特别是暂时无法实施坡改梯的广大偏远山区。

本文数据来源于“十一五”国家科技支撑计划“长江上游坡耕地整治与高效生态农业关键技术试验示范”项目（2008BAD98B00），由于项目组成员很多，就不一一列出。

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