坡耕地边沟水土保持机制模拟研究
2019-09-04蔡雄飞王玉宽
蔡雄飞， 雷 丽， 梁 萍， 傅 斌， 王 济， 徐 佩， 王玉宽
(1.贵州师范大学 地理与环境科学学院，550001，贵阳；2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，610041，成都；3.万州典型区生态环境监测重点站，404020，重庆)
坡耕地是我国南方丘陵区水土流失的策源地[1]。以长江上游为例，土壤侵蚀总量中有60%来自坡耕地[2-4]。坡面水系工程在坡耕地的保护与治理中发挥了重要作用。在坡面水系工程措施中，地边沟作为一种费省效宏的措施，具有良好的水土保持作用。地边沟开挖于坡耕地地块(或台地)边缘，梯埂内侧，横剖面呈“U”形或倒置梯形，平均沟宽0.30 m，沟深0.16 m左右，沟道沿梯埂方向顺势延伸至坡耕地两侧，与两侧的排水沟连通。目前针对地边沟水土保持机制研究的报道较少，相关的报道主要有规格较大的山边沟和水平沟。最初的山边沟为梯形断面，发源于欧洲，从增加土地利用和便于大型农具耕作考虑，廖绵濬等[5]对山边沟进行技术改进设计，形成三角形断面的山边沟[6-9]，对果园的水土保持起到了重要作用。在我国北方干旱与半干旱地区，水平沟被广泛应用于陡坡耕地整治，植树造林，其优点是可以有效利用天然降水，提高种植苗木存活率[10-11]。水平沟良好的水土保持效益已得到了广泛的认同[12-14]。水平沟与封育、放牧、鱼鳞坑等3种措施的对比研究表明，水平沟减流减沙较好，改善水分入渗和涵蓄水分效果最好[15-16]。物种Pielou均匀度指数和Shannon-Wiener多样性指数均为鱼鳞坑最高，水平沟居中，封育草地最低[17]。地边沟虽然具有较长的实践应用历史，但由于其规格和形状随坡地条件、耕作制度、和区域气候等不同而复杂多样，其保水保土功能及作用机制至今仍不清楚。为了系统探讨地边沟的水土保持机制，开展川东丘陵区野外地边沟的调查，选取具有代表性的试验点，即盐亭和遂宁的4个野外试验小区，开展11场大田人工模拟降雨试验。探讨地边沟水土保持的过程及机制，旨在为山区坡耕地水土保持提供参考。
1 材料和方法
1.1 研究区域概况
1.1.1 盐亭试验区 盐亭试验区位于四川省盐亭县林山乡，在区内选取2个野外试验小区，即盐亭试验小区Ⅰ(E 105°27′19″, N 31°15′56″)，土层厚度35 cm，平作，坡度7°，地块坡长15 m。试验小区Ⅱ(E 105°27′26″, N 31°15′09″)，土层厚度50 cm，平作，坡度7°，地块坡长17 m。该实验区位于中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站内部。地处嘉陵江一级支流涪江的支流——猕江与湍江分水岭上, 具有四川盆地亚热带湿润季风气候特征。海拔400～600 m。多年平均降雨量825 mm,年内水量分配不均，夏季65.5%，秋季19.7%[18]。土壤类型以水稻土和石灰性紫色土为主,由侏罗纪蓬莱镇母质发育而成,土层厚度为20～70 cm,质地为中壤至重壤,部分为砂质土[19]。
1.1.2 遂宁试验区 遂宁试验区位于遂宁市安居区，在区内选取了2个野外试验小区，即遂宁试验小区Ⅰ(E 105°28′16″, N 30°21′04″)，土层厚度50 cm，平作，坡度7°，地块坡长13 m。试验小区Ⅱ(E 105°27′44″,N 30°21′32″)，土层厚度>100 cm，平作，坡度7°，地块坡长12 m。安居区地处四川盆地中部嘉陵江中下游丘陵区，琼江流域上游。平均海拔约420 m，多年平均降雨量885.31 mm。土壤为侏罗系遂宁组岩层发育而成的紫色土。土壤结构差，持水量小，保水能力差，有机质含量低，抗冲刷和抗蚀能力均弱[20]。
1.2 试验设备
模拟试验设备采用由北京师范大学和北京交通大学联合研制的槽式人工模拟降雨机。该降雨机单机由3个喷头组成，喷头间距1.1 m。降雨机的单个喷头降雨形成的控制区域为矩形，利于多喷头组合扩大受雨面积而不影响降雨强度的空间均匀性[21]。
1.3 试验设计
1.3.1 小区设计 试验在相同降雨区域内设置规格一致的有和没有地边沟的小区进行对比试验。试验坡耕地坡长均>10 m，坡度6°～8°。在试验地块上组装8台降雨机，降雨机间距1.5 m，降雨高度2.5 m，可以提供4.5 m×12 m的降雨区域。在降雨区域内设计2个2.5 m×4 m的试验小区，2小区中间留1.5 m宽的工作活动区域(图1)，采取排水处理。将下坡位小区命名为试验A小区(简称A小区)，为无地边沟小区，用集流槽以及PVC管将水沙引流至采样点；上坡位小区命名为试验B小区(简称B小区)，为有地边沟小区。开挖的地边沟横截面设计为长方体形，沟底坡度近似水平，长、宽和深分别为250、30和15 cm，沟口用PVC管引流至采样点。
图1 试验小区设计图Fig.1 Design drawing of field experimental plot
1.3.2 试验设计 对当地近3年降雨数据统计分析表明，年均暴雨及以上雨型次数均在6次以上。野外调查也表明暴雨及以上雨型对坡耕地土壤侵蚀的贡献较大，结合本套降雨机的技术参数，试验设计3个降雨强度，即20、55.48、110.95 mm/h。每场降雨历时40 min，共开展了11场模拟试验。降雨开始后分别记录A小区和B小区的产流时间，之后每隔4～5 min采1个径流样品，密封带回室内分析测试。每次降雨结束后冲洗A小区集流槽，对B小区地边沟中沉积泥沙进行拍照、测量、清除泥沙。
2 结果与分析
2.1 流量变化过程
试验表明不同区域地边沟均具有较好的保水功能(图2～4)，减流率在14.08%～36.72%之间。A小区在整个试验过程中流量比较稳定，而B小区流量则先逐渐增加，在降雨8～10 min后趋于稳定。
图2 盐亭试验小区Ⅰ模拟试验的流量变化图Fig.2 Runoff ratio change with time in Yanting plot Ⅰ
图3 遂宁试验小区Ⅰ模拟试验的流量变化图Fig.3 Runoff ratio change with time in Suining plot Ⅰ
图4 遂宁试验小区Ⅱ模拟试验的流量变化图Fig.4 Runoff ratio change with time in Suining plot Ⅱ
图2是盐亭试验小区Ⅰ不同降雨强度下流量变化过程图。当降雨强度为20 mm/h时，A小区流量相对稳定，平均为23.38 mL/s，B小区流量逐渐增大， 第35分后2小区流量几乎相等，平均为17.38 mL/s,与A小区相比，流量减少了25.63%。当降雨强度为55.48 mm/h时，A小区流量出现波动，第15分时出现峰值，之后基本稳定，平均流量122.66 mL/s,B小区流量第5分之后保持稳定，同样在第15分时出现峰值，之后基本稳定，平均流量88.02 mL/s, 流量减少了28.24%。
图3是遂宁试验小区Ⅰ不同降雨强度下流量变化过程图，当降雨强度为20 mm/h时，A小区流量稳定，平均为20.56 mL/s，B小区流量逐渐增大，第15分后稳定，平均流量15.93 mL/s,与B小区相比，流量减少了22.57%。当降雨强度为55.48 mm/h时，A小区流量稳定，平均流量93.87 mL/s,B小区流量第15分之后保持稳定，平均流量74.2 mL/s,流量减少了20.95%。
图4是遂宁试验小区Ⅱ不同降雨强度下流量变化过程图，当降雨强度为55.48 mm/h时，A小区流量稳定，平均为103.86 mL/s，B小区流量从24.04 mL/s逐渐增大，第15分后稳定，其平均流量65.72 mL/s,与A小区相比，流量减少了36.72%。当降雨强度为110.95 mm/h时，A小区流量基本稳定，平均流量206.38 mL/s,B小区流量第5分之后保持基本稳定，第35 min时出现波动，平均流量177.31 mL/s,流量减少14.08%。
2.2 含沙量变化过程
试验表明不同区域地边沟均具有很好的土壤保持功能(图5～8)，减沙率在31.93%～64.95%，A小区含沙量比较稳定，除少数场次之外，A和B小区含沙量变化趋势一致。
图5是盐亭试验小区Ⅰ不同降雨强度下含沙量变化过程图。当降雨强度为20 mm/h时，A和B小区含沙量均比较稳定，平均含沙量分别为0.013和0.006 g/mL，地边沟减少土壤流失量53.15%。当降雨强度为55.48 mm/h时，A和B小区含沙量均呈现逐渐减小的趋势，第10分之后基本稳定,平均含沙量分别为0.023和0.016 g/mL，地边沟减少土壤流失量31.93%。
图5 盐亭试验小区Ⅰ不同降雨强度下含沙量变化过程图Fig.5 Sediment concentration change with time under different rainfall intensity in Yanting plot Ⅰ
图6是盐亭试验小区Ⅱ不同降雨强度下含沙量变化过程图。当降雨强度为20 mm/h时，A小区含沙量变化波动较大，B小区含沙量逐渐减小，第20分之后保持稳定，平均含沙量分别为0.008和0.004 g/mL，地边沟减少土壤流失量52%。当降雨强度为55.48 mm/h时，A小区含沙量稳定，而B小区含沙量在第20分后稳定，平均含沙量分别为0.024和0.011 g/mL，地边沟减少土壤流失量55.36%。当降雨强度为110.95 mm/h时，A小区含沙量呈逐渐减小，第35分后趋势稳定，B小区含沙量稳定，平均含沙量分别为0.040和0.016 g/mL，地边沟减少土壤流失量60.68%。
图6 盐亭试验小区Ⅱ不同降雨强度下含沙量变化过程图Fig.6 Sediment concentration change with time under different rainfall intensity in Yanting plot Ⅱ
图7是遂宁试验点Ⅰ不同降雨强度下含沙量变化过程图。当降雨强度为20 mm/h时，A小区含沙量变化复杂，B小区含沙量逐渐减小，平均含沙量分别为0.01和0.006 g/mL，地边沟减少土壤流失量38.62%。当降雨强度为55.48 mm/h时，A小区含沙量先逐渐增加，第15分后基本稳定，而B小区则先逐渐减少，第10分后稳定，平均含沙量分别为0.023和0.01 g/mL，地边沟减少土壤流失量55.68%。当降雨强度为110.95 mm/h时，A小区含沙量稳定，B小区含沙量先逐渐减小，第7分之后稳定，第35分开始变小，平均含沙量分别为0.040和0.016 g/mL，地边沟减少土壤流失量64.95%。
图7 遂宁试验小区Ⅰ不同降雨强度下含沙量变化过程图Fig.7 Sediment concentration change with time under different rainfall intensity in Suining plot Ⅰ
图8是遂宁试验小区Ⅱ不同降雨强度下含沙量变化过程图。当降雨强度为20 mm/h时，A小区含沙量先逐渐减少，第17分之后稳定，平均含沙量为0.012 g/mL，B小区在40 min的降雨过程中没有产流，降雨全部入渗。当降雨强度为55.48 mm/h时，A小区在0～15 min变化复杂，之后稳定，B小区含沙量先逐渐减小，第5分之后稳定，平均含沙量分别为0.024和0.012 g/mL，地边沟减少土壤流失量49.80%。当降雨强度为110.95 mm/h时，A和B小区的含沙量均先逐渐减小，第5分之后稳定，平均含沙量分别为0.029和 0.016 g/mL，地边沟减少土壤流失量45.54%。
图8 遂宁试验试验小区Ⅱ不同雨强下含沙量变化过程图Fig.8 Sediment concentration change with time under different rainfall intensity in Suining plot Ⅱ
2.3 土壤颗粒变化
对A和B小区烘干土样进行颗粒组成分析(表1)，结果表明不同降雨强度下泥沙样品中黏粒和细粉粒比例A小区
盐亭试验小区Ⅱ，随着降雨强度的增大(20、55.48、110.95 mm/h)，A小区的黏粒和细粉粒所占比例分别为89.49%、72.98%、56.81%，粗粉粒及以上颗粒分别为10.51%、27.02%、43.19%。B小区的黏粒和细粉粒所占比例分别为90.01%、78.98%、71.67%，粗粉粒及以上颗粒分别为9.99%、21.02%、28.33%。遂宁试验小区Ⅰ，随着降雨强度的增大，A小区的黏粒和细粉粒所占比例分别为88.54%、75.90%、70.43%，粗粉粒及以上颗粒分别为11.46%、24.10%、29.57%，B小区的黏粒和细粉粒所占比例分别为91.69%、90.6%、85.68%，粗粉粒及以上颗粒分别为8.31%、9.39%、14.32%。遂宁试验点Ⅱ，随着降雨强度从55.48 mm/h增大到110.95 mm/h， A小区的黏粒和细粉粒所占比例分别为77.94%、74.38%，B小区的黏粒和细粉粒所占比例分别为89.59%、86.06%，粗粉粒及以上颗粒分别为10.41%、13.94%(表1)。
盐亭A小区的黏粒和细粉粒比例在56.81%到89.49%，平均75.8%。B小区的黏粒和细粉粒比例在71.67%到91.69%之间，平均85.54%。遂宁A小区的粗粉粒及以上颗粒比例在10.51%到43.19%之间，平均24.19%。B小区的粗粉粒及以上颗粒比例在8.31%到28.33%之间，平均14.46%。表明坡面径流经过地边沟的沉积作用，携带的泥沙主要是黏粒和细粉粒，而粗粉粒及以上颗粒则相对减少。因为地边沟的沉积作用，其径流中黏粒和细粉粒率增加值在0.6%到26%之间，平均增加12.85%，粗粉粒及以上颗粒相对A小区其减少率在4.9%到61.04%之间，平均减少40.21%。
表1 不同试验点A、B小区侵蚀泥沙颗粒组成
3 讨论
本模拟试验降雨均匀度达0.89以上，每场降雨持续时间为40 min。试验A、B小区坡度、受雨面、处理方法一致，所以流量和含沙量具有可比性。目前关于地边沟水沙输移机理的研究及报道较少，但与地边沟类似的研究表明：水平沟较平播水保效益显著。张兴昌[22]通过9年的观测表明水平沟较平播减少径流量25.7%～40.5%。林和平[23]设计对比研究表明水平沟较平播减少径流量38.25%～62.09%。本研究表明地边沟同样具有较好的减流作用，减流率在14.08%～36.72%之间。相同降雨强度下减流率依次表现为遂宁试验小区Ⅱ>盐亭试验小区Ⅰ>遂宁试验小区Ⅰ，这种差异主要是因为试验小区土壤厚度不一致，其厚度分别为>100、50、35 cm，地边沟可以降低流速，增加径流的入渗，所以土壤厚度是影响地边沟减流效果的重要因素。
随降雨强度的增大，减流率减小。遂宁试验小区Ⅱ试验过程中，B小区在历时40 min的降雨过程中没有产流，说明B小区所有径流全部入渗。刘俊等[24]的研究表明当降水量使坡耕地产生l0～15 mm径流时，水平沟种植的田地不发生径流现象，当降水产生35 mm径流时，水平沟可拦蓄27～32 mm,可以减少径流70%，与本研究结论一致。
大田模拟试验表明地边沟有很好的减沙效果，减沙率在31.93%～64.95%之间，平均减沙率50.08%，随降雨强度的增大，减沙率增大。张兴昌等[25]研究表明水平沟较平播减少土壤侵蚀量33.7%～88.9%。林和平[23]研究表明水平沟减少土壤侵蚀量降到55.86%～87.17%，平均近40%。地边沟在设计形态以及规模上与水平沟均存在差别，但二者在保水保土效益方面相近。水平沟沟体容积较大，占用耕地面积也较大，而地边沟结构简单，占地面积小。在我国南方丘陵地区，坡地多以坡式梯田为主，地块较小，所以地边沟在该区域得到广泛应用。
4 结论
笔者通过对不同区域地边沟的大田模拟试验，表明地边沟具有较好的减流作用，减流率在14.08%～36.72%之间，平均减流率24.7%。土壤厚度是影响地边沟减流作用的主要因素，土壤厚度越大，相应的减流作用越强。不同降雨强度下随降雨强度的增大，减流率减小。地边沟有很好的减沙作用。减沙率在31.93%～64.95%之间，平均减沙率50.08%，随着降雨强度的增大，减沙率增大。在盐亭Ⅰ、Ⅱ和遂宁Ⅰ、Ⅱ小区模拟试验中。B小区由于地边沟的沉积作用，其径流输移泥沙中黏粒和细粉粒率较A小区增加12.85%，而粗粉粒及以上颗粒较A小区平均减少40.21%。比较适合于我国南方降水丰富的丘陵地区。
感谢北京师范大学刘宝元教授及其团队在设备及技术方面对本研究的帮助！
