黄土丘陵沟壑区20年龄期梯田果园对不同标准极端降雨侵蚀调控作用

林廷武, 高建恩,2, 龙韶博, 窦少辉, 张昊晨, 李兴华

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所水利部 水土保持生态工程技术研究中心, 陕西 杨陵 712100； 3.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院, 陕西 杨凌 712100)

自2000年以来，随着人工汇集雨水技术的成熟[1]，山地果树水分匮缺得到解决，有利于高品质苹果生产的光热水土资源得到高效耦合，梯田果园这一水土保持高效农业生产形式在黄土丘陵沟壑区迅速发展，并成为当地经济发展的支柱。仅延安市梯田果园面积近16.67万hm2，产值超过100亿元，是“绿水青山就是金山银山”在黄土高原生态产业发展的重要体现形式。但进入新世纪以来，黄土高原极端天气频发，特别是2013年出现的百年不遇的特大暴雨，对梯田果园的安全生产造成重大威胁[2]。

近年来，学者们对梯田果园侵蚀调控方面的研究取得了一定的进展[3-6]。Sang-Arun等[7]研究了梯田的结构和地表覆盖对梯田侵蚀的影响，随梯田级数增多，由上级田面到下级田面的过程中，其侵蚀形态由细沟侵蚀发展为冲沟；郝连安[8]、贾立志[9]、白先发[10]等在对安塞方塔梯田果园进行野外长期观测的基础上，采用数学模型和室内外试验相结合的方法，研究了梯田果园果树的水肥匮缺、水窖配置、集雨补灌制度与方法等，分析了2013年百年不遇暴雨对梯田果园的侵蚀规律；刘士余等[11]通过对红壤区坡地果园研究，得到在梯田果园裸露的梯壁上植草后，其拦蓄地表径流和控制土壤侵蚀的能力分别提高22.5，30.62倍；李晶晶等[12]研究了高分子材料聚丙烯酰胺对黄土丘陵沟壑区坡地果园径流产沙的影响，认为随撒施量的增加，果园侵蚀泥沙量降低。但以往研究对黄土丘陵沟壑区梯田果园在不同标准极端降雨条件下的安全生产和侵蚀调控研究较为薄弱，为此，本研究在方塔果园布设野外径流小区进行人工降雨试验，分析梯田果园对不同标准极端暴雨的调控响应机制，以便为黄土高原果园的安全生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

径流小区位于安塞县沿河湾镇方塔村(108°50′—109°26′E，36°30′—37°19′N),地貌属黄土丘陵沟壑区，海拔1 012.1～1 731.7 m。安塞县气候属中温带大陆性半干旱季风气候，四季长短不等，干湿分明，年平均气温8.8℃(极端最高温36.8℃，极端最低温-23.6℃)，年平均降水量505.3 mm，降水主要分布在6—9月。方塔梯田果园使用年限超过20 a，边坡有较好的覆盖条件，有长茅草、匍匐冰草、铁杆蒿等多种杂草生长，盖度达60%～65%，杂草高度主要在20～80 cm之间，坡面有丰富枯落物层，主要由枯枝落叶及腐殖质组成，厚度6～10 cm，储量3.5～9.6 kg/m2，土壤基本性质见表1。

表1 研究区土壤基本性质

1.2 径流小区布置

人工模拟降雨径流小区布设于安塞方塔梯田苹果园，由田面和隔坡两部分组成，田面部分为2 m×2 m，田坎部分投影面积为2 m×2 m。方塔梯田果园使用年限超过20 a，受长期人为扰动，梯田边坡不平整，实地测量田面边缘部分有一定坡度(0°～1°)，边坡坡度为37°。其中一个小区有果树生长，果树株高3 m，冠幅1.6 m，郁闭度0.6。每个小区投影面积约8 m2(2 m×4 m)，小区由高0.3 m铁皮围成，铁皮插入土层深度为0.2 m，以消除侧向入渗的影响。小区下方安放集流装置，用塑料桶收集小区内降雨各时段的径流泥沙。

1.3 调控因子定义

梯田果园是由平坡段的田面及隔坡段两部分组成。在方塔梯田果园调查显示：当地果园管理条件较好，田面基本无杂草，主要为果树生长。因此，在梯田果园中，直接起调控作用的因子主要有果树、坡面植被、坡面枯落物。

1.4 试验设计

降雨模拟试验采用便携式侧喷降雨器，分别设置在小区的左右两侧。结合野外人工降雨的经验[13]，试验开始前测定径流小区土壤前期平均含水率，之后将径流小区用塑料布遮盖，进行降雨强度率定，当稳定到设计雨强后，迅速将塑料布揭开并开始计时。研究中分析了安塞地区多年降雨资料，参考《水土保持工程设计规范》中的相关要求，认为高建恩等[14]在黄土高原小流域水力侵蚀模拟试验设计与验证研究中，进行降雨当量分析中给出的相关资料，与本研究区降雨情况一致，可作为暴雨标准的划分依据。降雨设计见表2。

表2 降雨设计及暴雨标准划分

小区坡面处理：(1) 保持坡面自然植被；(2) 对坡面植被进行去除，只保留枯落物层；(3) 清除枯枝落叶及松散腐殖质，达到基本裸坡。本次降雨模拟试验中，径流小区下垫面类型有4种：裸地+裸坡(LL)、果地+裸坡(GL)、果地+枯落物(GK)、果地+自然植被(GZ)(图1)。因此，果树效益=GL-LL，枯落物效益=GK-GL，植被效益=GZ-GK，3个因子总效益=GZ-LL。

1.5 样品采集及处理

径流样收集：模拟降雨过程中，坡面产流后，在接样口用塑料桶接收径流泥沙，每桶接满后记录时间，再收集下一个径流泥沙样，并对样品进行编号，依次进行直至降雨结束。

图1 小区下垫面情况示意图

径流样处理：每个径流样收集后进行称重记录，然后将径流样静置，6个小时后倒去上层清液，用烘干法(105°)将样品烘干后称量泥沙重量。

1.6 数据统计与分析

采用Excel，SPSS 21.0对数据进行统计与分析，Origin 9.0，Excel软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 不同侵蚀调控因子作用下产流特征

2.1.1 不同调控因子对产流过程的影响 在不同标准暴雨下，产流速率的时间变化规律都表现为先增大后在一定区间内波动稳定。果树、枯落物、坡面植被对径流过程的影响程度有明显差异，分析其产流动态变化过程(图2)，可以得出果树对产流速率的调控作用随降雨强度增大而减小，枯落物及坡面植被的调控作用随降雨强度增大而增大。

图2 不同下垫面产流速率的时间变化曲线

同一雨强条件下，各调控因子对产流速率的消减能力随降雨强度的变化差异性明显。在百年一遇暴雨下，果树对产流速率的消减量为89.44 ml/(min·m2)，是坡面植被调控效益的1.19倍，是枯落物调控效益的63.67%；在千年一遇暴雨下，果树对产流速率的消减量为91.07 ml/(min·m2)，是坡面植被和枯落物调控效益的93.54%和34.51%；在5000年一遇暴雨下，枯落物对产流速率的消减量达到了407.3 ml/(min·m2)，是果树和坡面植被的3.05，1.61倍；在万年一遇暴雨下，枯落物对产流速率的消减作用显著提升，达到767.31 ml/(min·m2)，是果树和坡面植被的8.25，2.21倍。果树对产流速率的调控作用在雨强增大过程中较为稳定，枯落物及坡面植被对产流速率的调控作用随降雨强度而增大，坡面枯落物对梯田果园产流速率的调控起主导作用。

2.1.2 不同调控因子对产流总量的影响 降雨径流是土壤侵蚀发生的动力来源，次降雨的产流总量可以反映侵蚀量的大小。4种下垫面条件下，小区产流总量随暴雨等级的提升呈增加趋势，而且与果树对次降雨产流总量的消减作用相比，枯落物及坡面植被对产流总量的调控效果明显高于果树(图3)。

与LL相比，不同等级暴雨下GL，GK和GZ的平均减水率分别为14.23%，63.14%和87.56%，因此，果树、枯落物和坡面植被的减水率分别为14.23%，49.96%和24.24%。可见，各调控因子减水贡献率随降雨强度的变化而变化，枯落物的减水贡献率远大于果树及坡面植被。由图4可以看出，随暴雨等级提升，枯落物的减水贡献率呈增大趋势，由百年一遇时的52.09%增加到万年一遇时的59.32%，平均减水贡献率为55.82%，坡面植被的减水贡献率总体呈增大趋势，平均减水贡献率为27.85%，而果树的减水贡献率呈减小的趋势，由20.89%减小到10.23%，平均减水贡献率为16.32%。

图3 不同下垫面条件下小区产流总量 图4 不同雨强下调控因子的减水贡献率

2.2 不同侵蚀调控因子作用下产沙特征

2.2.1 不同侵蚀调控因子对侵蚀产沙过程的影响 同一下垫面条件下，随着降雨强度的增大，小区侵蚀强度明显增强，产沙峰值增大，且产沙峰值出现的时间随降雨强度的增大而提前。不同调控因子对产沙速率的影响差异明显，LL和GL条件下，在1 mm/min和1.5 mm/min雨强时，产沙速率表现为先陡增后趋于稳定，再达到峰值后减小趋于稳定，在2 mm/min和2.5 mm/min雨强时，产沙速率表现为陡增达到峰值，而后减小趋于稳定，主要与侵蚀沟的发育有关；GK和GZ条件下，产沙速率表现为缓增而后趋于稳定(图5)。

通过对不同等级暴雨条件下，各小区侵蚀产沙过程的综合分析可得，在百年一遇暴雨下，枯落物对产沙速率的消减量为3.38 g/(min·m2)，是果树及坡面植被调控效益的7.69倍及3.96倍；在千年一遇暴雨下，枯落物对产沙速率的消减量为6.14 g/(min·m2)，是坡面植被和枯落物调控效益的4.66倍和4.74 倍；在5000年一遇暴雨下，枯落物对产沙速率的消减量为9.98 g/(min·m2)，是坡面植被和枯落物调控效益的3.42倍和3.82 倍；在万年一遇暴雨下，枯落物对产沙速率的消减量陡增，达到21.01 g/(min·m2)，是果树和坡面植被的3.13，4.58倍。3种调控因子对产沙速率的调控作用都随降雨强度的增大而增大，果树对产沙速率的调控作用随降雨强度增大超过坡面植被，枯落物对产沙速率的调控作用在任意等级暴雨下都远高于其他两个调控因子。

2.2.2 不同侵蚀调控因子对侵蚀产沙总量的影响 不同下垫面和不等级暴雨条件下，侵蚀产沙总量随时间的变化曲线见图6。LL与GL下垫面条件下，产沙总量曲线随降雨强度增大，曲线由相交到分离，说明果树对侵蚀产沙的调控作用随雨强增大显著增加。对不同下垫面条件下，小区侵蚀产沙状况进行综合分析，不考虑雨强影响，果树减沙率为14.25%，枯落物减沙率为60%，坡面植被的减沙率为15.95%。

各调控因子减沙贡献率如图7所示。果树的减沙贡献率与雨强呈正相关，由1 mm/min时的9.35%增加到2.5 mm/min时的19.4%，平均减水贡献率为15.7%，与其减水贡献率表现出相反的结果。枯落物的减沙贡献率随雨强先略微减小后稳定，平均减沙贡献率为66.6%，而坡面植被的减沙贡献率随降雨强度的增大呈减小趋势，由18.15%减小到14.71%，平均减水贡献率为17.7%。

图5 不同下垫面产沙速率的时间变化曲线

图6 不同下垫面侵蚀产沙总量的时间变化曲线

在安塞方塔多年生梯田果园上，通过多个侵蚀调控因子的综合作用，其减沙效益可达92.55%。在万年一遇的暴雨侵蚀冲刷下，其侵蚀模数仅为93.75 t/km2，远低于容许土壤流失量[15]，水土保持效益极高。在2013年6—9月，延安遭遇万年不遇暴雨灾害时，方塔梯田果园受灾害程度小，远低于其他梯田农业模式[9-10]，农业生产得到保障。因此，在果树、坡面植被、枯落物共同作用下，梯田抵抗暴雨的能力显著提升。

3 讨 论

3.1 调控因子对产流的影响分析

各个调控因子对产流的调控作用一方面是自身的截留效果，另一方面是通过增加入渗来实现的。植物冠层叶片吸附截留降雨的能力是有限的，当截留量趋于稳定时，降雨量增大，截留量不变，截留率就会降低[16]。果树冠层的截留能力有限，在模拟暴雨的过程中，截留量很容易达到饱和，而且果树根系较深，对表层土壤孔隙度的改善较弱，因此，果树减水贡献率与降雨强度呈负相关。坡面植被种类多，草灌结构复杂，截留能力较强，同时草本植物根系较浅，对表层土壤结构有明显改良作用。枯落物层主要由枯枝落叶及腐殖质组成，蓄水保水能力强，既能改善表土层土壤结构，也能通过拦挡延长径流过程，增加入渗量。枯落物减水效益>坡面植被>果树，该结果与王红[17]对不同水土保持措施的分析结果有较高的一致性。

图7 不同雨强下调控因子的减沙贡献率

3.2 调控因子对侵蚀产沙的影响分析

果树的减沙贡献率表现与其减水贡献率截然相反，分析认为：从能量角度来看，雨强越大，雨滴能量越大，通过树冠层的作用再到达地面时减少的能量越多[18]，对雨滴击溅侵蚀强度的消减越强，因此当雨强增大，侵蚀加剧时，果树减沙贡献率反而增大。坡面植被一方面通过覆盖，减小降雨对坡面击溅；另一方面，通过植物根系对土体固结及对坡面径流的减缓。枯落物的减沙能力从3个方面作用：一是可以减小雨滴对坡面的击溅侵蚀；二是可以通过机械作用阻挡坡面泥沙，有效降低坡面产沙量；三是可以减缓坡面径流，降低径流的携沙能力[19-20]。

4 结 论

(1) 枯落物及坡面植被对产流速率的调控作用，随暴雨标准提升呈增大趋势，而果树对产流速率的调控作用与暴雨标准呈负相关。对降雨产流总量的消减率表现为枯落物>坡面植被>果树，且枯落物减少率超过果树及坡面植被之和，在产流调控中占主导地位。果树受自身截留作用上限的影响，对产流量的消减作用存在阈值，其对产流总量的消减量稳定在4.49～5.81 L/m2。

(2) 随暴雨标准提升，枯落物及坡面植被对产沙速率的调控作用呈减小趋势，稍有减小，但果树对产沙速率的调控作用明显增强。在百年一遇暴雨下，对产沙速率的调控作用为枯落物>坡面植被>果树，当暴雨标准提升到千年一遇以上时，对产沙速率的调控作用为枯落物>果树>坡面植被。枯落物在调控侵蚀产沙中起主要作用，其减沙率在60%以上。

(3) 20年龄期的方塔梯田果园上，果树生长状况好，梯田隔坡上植被种类繁多，盖度高，且有着丰富的枯落物层，在各种调控因子综合作用下，在百年一遇到万年一遇的暴雨过程中，其减水效益为84.68%～89.14%，减沙效益为86.43%～92.56%。在万年一遇暴雨条件下，侵蚀模数仅为93.75 t/km2，远低于容许土壤侵蚀量。说明目前方塔梯田果园可抵御万年一遇暴雨灾害，与2013年发生百年不遇暴雨的研究结果近似，因此延安方塔果园的综合调控模式可以作为黄土高原丘陵沟壑区梯田果园的示范样板。