大棚梯田侵蚀规律及其防蚀措施

2014-01-26张梦杰高建恩王显文李兴华贾立志

水土保持通报 2014年4期

张梦杰，高建恩，，，王显文，李兴华，贾立志

黄土高原退耕还林工程于1997—2002年全面实施，保障粮食安全和退耕还林协调发展成为新的问题［1－2］。大棚梯田作为一种高效利用水土资源的新形式受到广泛推广，大棚数量和效益不断提高。但是，由于大棚梯田的防护措施不完善导致侵蚀加剧，增加了流域内产流产沙量，大棚梯田的高效生产受到威胁。

目前，关于梯田水沙效应研究较多，众多研究［3－5］表明水平梯田能够有效拦蓄径流和泥沙，年均削减暴雨径流效益在80%以上，年均减沙效益在90%以上。次降雨条件下水平梯田蓄水效益的最大值为97.15%，最小值为70.15%；当次降雨综合参数PI、汛期雨量、年产流降雨量分别小于20.00mm2／min，350mm和125mm时，蓄水保土效益均为100%。蓄水保土效益差异主要受次降雨量和累计降雨量的影响。不同梯田质量对梯田的蓄水拦沙效率差异较大，徐乃民等［6］按水平梯田质量将其分为4类分别为：符合设计标准，田坎完好，田面平整或成反坡；边埂部分破坏，田面基本水平或坡度小于2°；埂坎破坏严重，田面坡度在2°～5°之间；埂坎破坏严重，没有地边埂，田面坡度大于5°。然而针对水平梯田上修建大棚后，大棚梯田水土流失过程与蓄水减沙效益方面的研究较少。本研究选取黄土高原丘陵沟壑区陕西省安塞县马家沟流域龙泉寺典型大棚梯田，对大棚梯田的侵蚀状况进行研究，为科学有效防止大棚梯田土壤侵蚀，减少流域产流产沙，保障大棚安全高效生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

安塞县地处西北内陆黄土高原腹地，属典型的黄土高原丘陵沟壑区，为中温带大陆性半干旱季风气候，海拔1 010～1 358m，年平均气温8.8℃，年平均降水量505.3mm。安塞县发展大棚梯田已有15a，目前大棚梯田已具备一定的规模，质量效益逐年提高。安塞县黄土的抗冲性和抗蚀性弱［7－8］，在暴雨条件下，大量的表土在降雨径流的强烈侵蚀下汇至江河，造成黄河及其支流含沙量大，洪峰高，河道淤积严重［9］。2013年7月以来的持续强降雨对安塞县大棚梯田产生严重的侵蚀损毁，给当地人民的生命财产和经济发展造成巨大损失。

马家沟流域位于安塞县城西，属于延河一级支流，地理位置处在北纬36°31′—37°19′，东经 108°51′—109°26′之间。龙泉寺梯田大棚所处位置为36°89′N，109°23′E。选取该地9阶大棚梯田，大棚梯田编号由下至上分别为1—9号，每阶大棚梯田尺寸及大棚外侧梯田的土地利用方式详见表1。

表1 大棚梯田概况

1.2 研究方法

首先，利用Leica（莱卡）TCRA1202＋全站仪和Unistrong（集思宝）MG838＋手持GPS对大棚梯田在2013年7月暴雨后侵蚀地形进行量测。然后，利用南方CASS 7.0软件将测量的地形数据绘制成CAD图，利用ArcGIS 10.1对测量CAD图中大棚外侧梯田侵蚀量进行了计算。2013年7月安塞县降雨资料是在从陕西省水利厅网站雨情简报下载收集［10］。

径流总量计算公式为：

式中：W——径流总量（m3）；F——降雨总量（mm）；S——拦截降雨面积（m2）；∂——集流效率。

通过8组3个重复试验，测定土层深度为20—30cm土壤容重，其值整体差异不大，土壤平均容重为1.18g／cm3。大棚梯田防蚀措施的直接经济效益计算中，费用参照当地目前实际价格：灌溉水费用2.5元／m3，人工费200元／d。

2 结果与讨论

2013年进入汛期以后，受冷空气和副热带高压外围偏南湿气流影响，研究区域从7月2日开始降雨，截止31日持续强降雨累计达524mm，是该区域年平均降水量的1.04倍，日最大降水量高达100 mm，属百年一遇大暴雨。大棚梯田在暴雨条件下受到强烈的侵蚀，大棚外侧梯田产生大面积侵蚀沟，侵蚀沟的平均深度为1.15m，最深达3m。降雨径流的冲刷侵蚀使大棚梯田形成了深度深且面积大的侵蚀沟，侵蚀沟贴近大棚基部，部分侵蚀沟已经进入到大棚内部，破坏了大棚的安全稳定，增加了梯田的产流产沙量，破坏了梯田保水保土效益，降低了农民的经济收益。

2.1 大棚梯田侵蚀面积和侵蚀量

各阶大棚梯田的侵蚀面积和侵蚀量的量测结果详见表2。侵蚀面积最大的是第9阶大棚，侵蚀面积为39.49m2，侵蚀量为24.11m3；侵蚀面积最小的是第4阶大棚，面积为3.99m2，侵蚀量为5.64m3；由表2可以看出，侵蚀面积较小的发生在第3，4和8阶梯田大棚，分别为5.24，3.99和4.25m2，侵蚀面积分别占大棚外侧梯田面积的1%，1.3%，0.85%。3，4，8阶梯田大棚由于在贴近大棚基部处形成一个自然浅渠，并且大棚塑料布铺设在渠道内，所以棚面所产生的降雨径流通过渠道排走，减少流入大棚外侧空地径流量，减少侵蚀；第3，4阶梯田大棚外侧空地种植西瓜采用了垄状耕作，地表径流被分段拦蓄，地表径流流速及流量减小。渠道拦截排导大棚棚面径流可以减少侵蚀面积70%以上，减少侵蚀量57%以上。第8阶梯田大棚外侧空地由于没有耕作，土壤未被扰动，其抗冲和抗蚀能力强［11］，侵蚀面积和侵蚀量明显减小。第9阶大棚由于长度是其它大棚的2倍，大棚棚面产生径流量大，侵蚀面积和侵蚀量相对较大。

表2 梯田大棚径流量及侵蚀量

2.2 大棚梯田侵蚀与大棚面积的关系

作为集流面，塑料大棚集流效率可以达到85.4%以上［12］，产生径流量大。拟合分析结果表明，大棚梯田侵蚀量与大棚面积呈正相关关系，大棚梯田侵蚀量随大棚面积的增加而增加。

不同类型的植被和耕作方式其对降雨的集流效率和水土流失的影响存在差异［13－14］。梯田侵蚀量在第3，4阶梯田突然变小，是由于大棚基部的渠道及梯田垄状耕作共同作用，有效的减少了梯田径流量，减少侵蚀量。当降雨强度增加时，草地径流量和产沙量增加明显，最大增加可达3倍［15］。因此，1，2，6阶梯田侵蚀量明显高于其它梯田，平均侵蚀模数较大。大棚梯田累计径流量及棚面产生径流量详见表2。通过表2可以看出，第9阶梯田大棚由于建造长度太长，不符合国标 GB／T10594—2006的要求［16］，累计434.60m3的集雨量，其棚面在连续强降雨期间收集雨水量为358.35m3，空地收集雨水量为76.24m3。测量过程发现，该阶梯田所有径流均流向中部低洼处，在中部出现长21.8m、深度为1.2m的侵蚀沟，同时冲毁下一阶梯田的内墙壁，对大棚安全造成巨大威胁。

单位面积梯田上大棚面积所占比例决定了大棚径流量。通过图1可以看出在大棚比例小于0.5时，平均土壤侵蚀模数与大棚比例呈正相关关系，平均土壤侵蚀模数小于469.7t／km2，属微度侵蚀。因此，大棚梯田在无相应防蚀措施情况下，大棚比例应该小于0.5。平均土壤侵蚀量最小的3座大棚由于其梯田部分采取了渠道拦截大棚径流、垄状耕作及免耕的水保措施，平均土壤侵蚀模数较小，说明大棚梯田防蚀措施能够有效地减少侵蚀。

表2可以得知，大棚拦截降雨产生径流量占大棚梯田径流总量的75%以上，大棚棚面拦截降雨量成为梯田侵蚀的主要外营力，大棚棚面所拦截产生的径流量对梯田的侵蚀量起决定性作用。梯田侵蚀量与大棚棚面径流量关系可用对数函数进行描述，拟合得到侵蚀量与棚面径流量关系式为：

式中：A——月累计侵蚀量（m3）；Q——棚面月累计径流量（m3）。

图1 大棚面积比例与土壤平均侵蚀量关系

吴发启等［17］研究表明，黄土高原土壤侵蚀总量主要是由20mm／h左右的降雨引起的，可占总侵蚀量的44.3%。土壤侵蚀模数与PI30和PI45关系最为密切。谢云等［18］研究表明黄土高原坡面侵蚀的侵蚀性降雨雨量标准12mm，平均雨强标准0.04mm／min，最大30min雨强标准0.25mm／min。利用拟合结果可以求得当侵蚀量为0时，月累计径流量值为70.9m3，结合吴发启，谢云等研究结果，即在大棚梯田无防蚀措施情况下，月累计径流量小于70.9m3时，次降雨强度小于0.04mm／min，大棚梯田不会产生侵蚀。大棚长60m，宽7m，大棚比例为0.45计算，发生侵蚀临界月累计降雨临界值为198mm，且次降雨强度小于0.04mm／min。

2.3 梯田大棚防蚀措施

本研究结果表明，大棚面积与侵蚀量呈正相关关系。因此，合理设计大棚长度、单位面积梯田上大棚面积所占比例能够有效地控制侵蚀量。大棚梯田侵蚀的主要营力是大棚棚面拦截降雨所产生的径流，其径流量占梯田径流总量的75%以上，因此，必须对棚面收集的雨水进行调控。同时，梯田不同土地利用方式对梯田抗蚀、抗冲性存在差异，通过科学合理的耕作方式减少土壤侵蚀。根据国标 GB／T10594—2006［16］及大棚面积与侵蚀量关系，在没有相关大棚梯田防蚀措施情况下，建议大棚修建长度为50～60 m，大棚所占比例应小于0.5，根据实际地形合理选择。利用在大棚基部开挖渠道拦截收集棚面径流，渠道中铺设油毛毡进行防渗和防蚀。在梯田修筑橡塑水窖，利用水窖贮存拦截径流。设计水窖将降雨径流全部收集存贮，水窖容量的设计采用10年一遇的暴雨标准（十年一遇暴雨历时50min，降雨强度为1.0 mm／min），使用30年一遇的暴雨标准进行校核。水窖窖容为22.5m3（根据地形设计水窖尺寸为：长15m，宽1m，深1.5m）。由于沟垄能够阻挡，拦蓄了部分径流，促使其下渗量增大；并且沟垄改变了微地形，增大了地表粗糙度［19］。所以垄状耕能够分段拦截梯田径流，减小径流动能，减少侵蚀量。免耕减少对土壤扰动，提高了土壤的抗冲和抗蚀能力，可以有效地减少地表径流，减少侵蚀量［20］。水保耕作处理作物残茬、免耕、留茬及秸秆还田等措施也能够有效减轻暴雨侵蚀［21－23］。

2.4 大棚梯田防蚀效益分析

黄土高原干旱缺水，利用橡塑水窖收集天然降雨用于大棚作物灌溉。橡塑水窖水质较好可做饮用水和灌溉用水标准［24］。大棚作物需水量较大，例如西红柿的实际灌溉量为4.1～5.6mm／d［25］。安塞降雨主要集中在6—9月，占全年降雨量的85.6%［26］，水窖可以收集全部降雨利用。按研究区年平均降水505.3mm来计算，每口水窖每年平均可收集雨水181m3用于大棚作物灌溉，可节省灌溉费用452.5元。通过渠道和水窖调控棚面径流，从而减少梯田侵蚀，年均减少侵蚀11.16m3，可节省回填费用400元。