几种水土保持坡面工程措施效益研究

刘艳改,姚 娜，程艳辉，卫 杰

(湖北安源安全环保科技有限公司,湖北 武汉 4300403)

1 引言

水土保持坡面工程措施是快速治理水土流失的重要方式[1]。通过布设坡面工程措施，对地表下垫面进行二次改造和整理，能够增强土壤的抗蚀性[2]，改变径流的冲刷距离[3]，减小径流的搬运能力[4]，减少径流和泥沙的输入[5]，加强水分的入渗，提高坡面土壤含水量[6-7]。坡面工程措施对改善坡面土壤理化性状[8]、养分状况[9]也有良好的效果，可提高地面植物的成活率[10，11]，促进降水在坡面的就地入渗，切断坡面的径流线路，降低径流中泥沙的含量[12]。水土保持工程措施是我国坡地水土保持工作的重要措施[13]。但坡面工程措施的布设规格和模式组合需要科学设计，否则会导致微地形改过程中产生新的发生源，进一步加剧土壤侵蚀和环境恶化[14]。系统评价水土保持措施效益并查明水土保持措施在实施过程中存在的问题，提高工程措施布设的经济效益，对于水土保持工作的规划、管理和执行具有重大意义[15]。本文分析几种典型的水土保持坡面工程措施的减流、减沙效应，以及水分、养分的迁移，为合理布设水土保持措施提供科学依据。

2 几种典型的水土保持坡面工程措施

水平沟、水平阶、梯田、鱼鳞坑等是目前应用较为广泛的几种水土保持坡面工程措施。

水平沟是在坡面上沿等高线方向修筑的小型水保工程。水平沟改造地形的方法具有中国特色[14]，国外关于水平沟的报道不多。它常常布设于坡度较大的丘陵荒坡地，以分散、拦蓄坡面径流为主要目的[16]。根据地形等条件，水平沟有多种形式的规格和布置方式。在土层较薄的25°以上坡面，一般选用断续式的竹节壕；在15°～25°的坡地，选用以蓄水为主的蓄水沟；在水利条件满足的区域，可以采用蓄排结合为主的水平沟。在设计水平沟时，要充分收集当地坡面植物类型及需水量、降雨条件、径流系数、水文条件、土壤类型、立地条件等方面的资料，计算入沟水量，确定上下两沟间距和沟断面尺寸、宽深比，进行断面校核。同时，要发挥水平沟的边行优势，修筑时通过集中施肥和熟土层回填改善土壤结构和肥力状况，发挥蓄水保肥作用。

梯田能够缩短坡长，减小地表径流系数、侵蚀模数，增大持水量，促进降雨的就地入渗，提高控制区水肥含量。梯田断面的主要设计元素包括: 田面宽度、净宽、毛宽、田坎高度、田坎占地宽、内/外侧坡脚、埂高、原地面坡度等[17]。近年来，不少学者用WEEP模型设计梯田断面参数取得了良好的效果[18]。

水平阶是梯田的简易形式。根据不同的地形地貌，由于坡面规模较小、坡度较陡而不适用梯田情况下的一种水土保持措施。它适用于15°～25°的陡坡坡面，阶面一般宽1.0～1.5 m，反向3°～5°，设计的造林行距是水平阶上下两阶间的水平距离的设计依据。

鱼鳞坑是工程措施和植物措施相结合的治理方法。从坡顶往下沿等高线呈品字形设置的半圆形坑穴。它可以提高树木的成活，由林木植被发挥水土保持长期作用。鱼鳞坑蓄水能力较其他措施弱，在布设上需要成片布设才能更好地发挥功能[19，20]。与其他几种方式比较，在相同挖方量下，鱼鳞坑点位较多，不同尺寸的规格效果差异较大[21]，在布局设计上要求较高。

3 几种坡面治理工程措施效益研究

3.1 几种坡面治理工程措施对侵蚀产流产沙的影响

目前对单一措施研究较多的是梯田。基于20 世纪60 年代黄土高原多地实测数据指出[22～24]，水平梯田可减沙90%～100%、减水70%～90%。刘晓燕等[25]的黄土高原的研究表明，小流域的坡面梯田化程度达到85 %以上的，即使发生大暴雨也少有泥沙。江西省水土保持研究所[26～29]等在南方的研究说明了在红壤区不同类型的梯田的也有较好的水土保持效益。刘世梁[30]的研究表明，坡面坡度越大，梯田的效果越好，随着坡度从5°～25°，拦截率从20%上升到84%。水平沟也是一项很好的减流减沙措施。赵世伟[31]在黄土高原区的研究发现，水平沟措施能减少25.7%～40.5%的径流量，33.7%～56.1%的土壤侵蚀量。崔孟深[32]就水平沟在坡面治理工程中的拦蓄雨水方面进行了研究表明，水平沟部位的农田多得到66.5～275.9 mm的雨水。多个研究表明，鱼鳞坑减流减沙效果在几种措施中最弱[33，34]。目前，对鱼鳞坑整地的研究较少，尤其是在南方红壤区。

笔者还收集了国内不同地区、不同土壤类型的工程措施减水减沙效果[35～40]。研究结果表明，水土保持坡面工程措施减流量在55%以上(平均68%)，减沙量高于65%(平均81%)，梯田水保效益高于水平沟和鱼鳞坑。

3.2 坡面治理工程措施对土壤物理性质的影响

水土保持措施通过改变径流和泥沙的流动量和流动方式，影响土壤的容重和孔隙状况，从而改良土壤[41]。任文海[34]在南方花岗岩红壤下的研究表明，措施处理下容重从大到小依次为对照处理>水平沟处理>水平阶处理>鱼鳞坑处理。王月玲[42]在黄土高原腹部梁峁丘陵地研究表明，细砂粒平均含量的排列顺序为:天然草地>鱼鳞坑>水平沟，水平沟、鱼鳞坑的最大田间持水量分别比天然草地提高5. 88%、10%，土壤总孔隙度分别提高5. 87%、10 %。张源润[43]在宁夏的研究表明，40～60 cm的根系生长层是水平沟对土壤容重的主要影响区域，鱼鳞坑整地不利于幼树根系的生长发育，但能降低土壤表层的土壤容重。

工程措施前期可以明显改善土壤物理性状，几种措施处理在不同的条件下对土壤物理性质的影响大小不一。但是工程措施破坏了地形表面，不同程度的影响了土壤的物理性质。目前，对工程措施实施大于5年后土壤物理性质变化的长期定位监测结果报道较少。

3.3 坡面治理工程措施对水分分布的影响

坡面工程措施改变地表形态，影响降雨的再分配过程[44]。水土保持措施与土壤水分的相互作用是水土保持研究热点。

穆兴民[45]在黄土区研究表明，修建两年梯田的土壤含水量为荒坡各土层的1.37～1.64倍。王秀英[22]研究发现，水土保持坡面工程措施增加了土壤入渗量，将地表径流更多地转化为地下径流。甘肃西峰水保站测定措施实施1年后，水平沟和水平阶不同土层的土壤含水量最好，鱼鳞坑居中。王青宁[46]研究表明，鱼鳞坑的雨季蓄水过程明显,阳坡坑春季较原状荒坡的含水量增幅均值可达18.18%,其改善土壤水分状况的程度高于阴坡坑。程积民[47]等研究黄土丘陵区3种措施整地发现，0～100 cm土壤含水量均比荒山高。

上述结果表明：不同水土保持工程措施对土壤的含水量的影响随的立地条件改变而变化。目前，学者的研究集中在措施效益的评价上，对不同坡面工程措施提高土壤水分的作用机理研究很少，对水分入渗后转化壤中流的机制研究不丰富。

3.4 坡面治理工程措施对养分动态的影响

养分随水土流失的迁移是水土保持学科研究的重点内容。沈燕[48]研究表明，水平沟改良10年的草地土壤养分含量较封育处理更高。刘洋等[49]在江西省的试验表明，在产流过程中全氮流失最多，全磷较少。褚利平等在云南红壤区对水平阶的试验研究时发现，磷素流失以泥沙结合态为主，占土壤磷素流失的95.32%～97.54%。

当前研究表明，水土流失的土壤养分以泥沙携带流失为主，且在土壤中移动性强的氮等元素流失较多，土壤中固定能力强的养分流失相对较少。养分迁移与水土保持植物布设和生长的研究须进一步加强。

4 展望

在系统地总结了几种工程措施的效应后，对于水土保持工程措施研究，以后可以从以下几个方面开展：①工程措施的设计方面。科学的进行坡面措施的布局，可以有效的节省成本，同时使措施的效益值达到最大。不同的水土流失治理分区上，具有不同的降雨、地形、母质与土壤特性。目前，不同坡面工程措施的种类、规格、搭配等研究很少，如何选取合适的工程措施组成水土保持技术体系是急需解决的问题。②加强对坡面水土保持工程措施作用机理的研究。掌握各措施下的水文学原理，研究地上、地下径流循环规律，分析发生土壤侵蚀的主要阶段以及每个阶段的径流侵蚀特征。③需要加强坡面工程措施实施下养分、水分与植物生长的综合研究，以便更好地发挥治理措施的长期效益。