坡面径流调控措施对山地果园水土流失及面源污染物阻控效果研究

任丽华 ，贾天会 ，李凤鸣 ，计保全 ，王 昕

(1.辽宁省旱地农林研究所，辽宁 朝阳 122000； 2.兴城市水利局，辽宁 兴城 125100)

山地果园水土流失的主要动力来自雨滴击溅、径流冲刷。水土流失会导致土层变薄甚至沙化、地力衰退、生产力下降，破坏保障果园可持续发展的环境基础，而为了提高果实产量大量施用无机化肥，又会导致面源污染(氮、磷)日益加剧，因此控制山地果园水土流失的关键在于科学调控坡面径流。本研究以兴城市头道沟坡面径流观测场为试验场，于2016—2018年对试验场的山地果园梯田、台田、水平槽整地及果园间作、生草等坡面径流调控措施的水、土、全氮、全磷流失量进行了调查分析，研究各类植物、工程措施对控制山地果园水土流失的作用，以期拦蓄、利用天然降雨，减少地表径流及冲刷，提高果园的抗旱、保肥、保水能力。

1 试验场概况

选择位于辽宁省兴城市头道沟小流域的兴城市头道沟坡面径流观测场(监测点编号BB2121917130，2011年建成)作为试验场。试验场所在地属北温带大陆性季风气候区，东南受海洋暖湿气流影响，北部内蒙古高原干冷空气经常侵入，四季分明、雨热同季、日照充足、昼夜温差大、降水偏少，多年平均气温8.7 ℃，最高气温40.9 ℃，最低气温-25.0 ℃，≥10 ℃年积温3 428.8 ℃，多年平均日照时数2 792 h，无霜期168 d，相对湿度63.94%，年降水量630 mm左右，年水面蒸发量1 485.4 mm，降水量年际和年内分配不均，经常出现周期性干旱，干旱频率为20%～25%，降水主要集中在6—8月份，期间降水量占全年的70%左右，并多以暴雨形式出现，而春秋多风少雨，春季干旱频率为30%左右[1]。

试验场地面坡度15°，土壤为棕壤，小区水平投影长20 m、宽5 m、面积100 m2，集水槽、集水池位于径流场下方挡水墙外。径流调控措施分为工程措施和植物措施：工程措施为果树梯田、台田、水平槽整地、无工程果园(对照)；植物措施为果园间作(花生)、生草(自然生草)、清耕(对照)。果树梯田、台田、水平槽整地时间为2011年秋季，苗木栽植时间为2012年春季，栽植株行距为2.50 m×3.00 m，每个小区内种植果树14株。

2 研究方法

2.1 试验设计

(1)径流调控工程措施。工程措施小区设计标准为5年一遇6 h暴雨。其中：梯田，田埂顶宽0.30 m，田埂内侧高0.30 m，田面净宽5.40 m，栽植树种为梨树，株距2.50 m、行距3.00 m，品字形排列，每个台面栽植两行树；台田，池埂高0.25 m、宽0.30 m，果台尺寸2.50 m×3.00 m，栽植树种为梨树，株距2.50 m、行距3.00 m，品字形排列；水平槽，槽长2.20 m，主槽宽0.60 m，副槽宽0.40 m，槽深0.60 m，回土深度0.50 m，槽间距0.30 m，行距3.00 m，埂高0.30 cm，埂顶宽0.50 cm，栽植树种为山杏，株距2.50 m、行距3.00 m，品字形排列；对照，无工程果园，栽植树种为梨树，株距2.50 m、行距3.00 m，品字形排列。

(2)径流调控植物措施。植物措施小区整地方式为梯田，栽植树种为梨树。其中：果园间作，选择植株矮、根浅、无攀援性并具有固氮能力的花生为间作物，其与果树无共同病虫寄主，间作营养带为1.5 m，株间不间作；果园生草，仅对果园中具有木质茎、植株过高、根系过深、竞争性强的杂草进行拔除，选留无木质化或半木质化茎、茎叶匍匐不攀援、矮生、覆盖面大、须根多、耗水量小、对气候适应性强且自然繁殖能力强的草种[2]，以1年生草种为主，当草长到30 cm左右时即可收割， 25～30 d收割1次，一年可割3～4次，割草时留茬不低于10 cm，割下的草放置果树盘下或株间，入冬前结合秋施基肥压青；对照，果园清耕。

2.2 样品采集与分析

降雨量数据来自试验场内WPH1-6太阳能自动气象站观测数据。在形成降雨径流后，记录产流量，并将每个集水池内的水充分搅拌混匀后取样，重复3次，用烘干法测定产沙量，用半微量开氏法测定全氮量，碳酸钠熔融法测定全磷量。

3 结果与分析

3.1 水土流失分析

3.1.1 径流调控工程措施

2016—2018年对径流调控工程措施——果树梯田、台田、水平槽整地和无工程果园(对照)的水、土、全氮、全磷流失情况进行了连续3年的监测。2016年在无工程果园(对照)观测到产流降雨6次，产流雨量355.20 mm；2017年观测到产流降雨4次，产流雨量280.20 mm；2018年观测到产流降雨5次，产流雨量193.60 mm。各年度水、土流失情况见表1，与对照无工程果园相比各年度水、土流失变化情况见表2。

表1 径流调控工程措施水土流失情况

表2 径流调控工程措施水土流失变化情况 %

由表2可以看出：果树梯田、台田、水平槽整地与对照无工程果园相比，2016年产流量分别减少了68.92%、68.02%、63.72%,产沙量分别减少了76.26%、75.00%、69.00%；2017年产流量分别减少了69.81%、72.96%、65.80%，产沙量分别减少了79.02%、80.64%、75.04%；2018年产流量分别减少了72.75%、72.84%、61.43%，产沙量分别减少了80.65%、79.23%、67.57%。与对照无工程果园相比果树梯田、台田、水平槽整地三种径流调控工程措施产流量、产沙量均明显减少。经差异性分析，果树梯田、台田、水平槽整地的山地果园水、土流失量均明显低于对照无工程果园，且差异极显著(p<0.01)；三种整地方式及各年度间水、土流失量差异不显著(p>0.05)。

3.1.2 径流调控植物措施

2016—2018年连续3年在果树梯田整地的试验小区实施生草、间作和清耕(对照)试验，并对各处理果园的水、土流失情况进行了监测。2016年在果园清耕(对照)观测到产流降雨5次，产流雨量318.20 mm；2017年观测到产流降雨3次，产流雨量211.80 mm；2018年观测到产流降雨2次，产流雨量149.40 mm。2016—2018年各年度水土流失情况见表3，与对照清耕果园相比各年度水、土流失变化情况见表4。

表3 径流调控植物措施水土流失情况

表4 径流调控植物措施水土流失变化情况 %

由表4可以看出：与对照清耕果园相比，2016年径流调控植物措施中果园生草、间作(花生)产流量分别减少了52.68%、59.19%，产沙量分别减少了83.58%、87.02%；2017年产流量分别减少了73.85%、69.33%，产沙量分别减少了92.88%、88.73%；2018年产流量分别减少了66.18%、64.12%，产沙量分别减少了93.93%、89.45%。与对照清耕果园相比，生草、间作的山地果园水、土流失量明显较低，且差异极显著(p<0.01)。两种处理中生草对水、土拦截效果优于花生间作(除第1年外)，但差异不显著(p>0.05)。随着生草时间增加，植被盖度增大，其径流调控能力增强，表现为生草第2年、第3年的径流调控作用大于生草的第1年。

3.2 面源污染物阻控效果

果园土壤养分流失主要是径流中的可溶性养分及其携带的含有养分和污染物的细颗粒物质，这是产生面源污染物氮、磷的直接原因。坡面径流调控措施通过降低坡度、截断坡长、增加地表植被等措施，有效利用天然降雨，增加土壤入渗，减少地表径流及冲刷，削减径流流速，降低径流泥沙含量，从而达到控制养分元素流失、保护下游水环境的目的。阻控效果评价指标为相对拦截量、拦截率，相对拦截量=对照养分流失量-措施养分流失量，拦截率=(对照养分流失量-措施养分流失量)/对照养分流失量×100%[3]。

3.2.1 径流调控工程措施

径流调控工程措施通过拦截径流泥沙、增加入渗控制养分元素流失，实现对面源污染物的阻控，从而达到保护下游水环境的目的。表5为2016—2018年与对照无工程果园相比，各径流调控工程措施对土壤养分元素的拦截效应。

表5 径流调控工程措施土壤养分拦截效应

由表5可见，与对照无工程果园相比，实施径流调控工程措施5～8年的山地果园对全氮的相对拦截率达到67.63%～80.69%，其中拦截能力梯田﹥台田﹥水平槽，但差异不显著(p>0.05)；对全磷的相对拦截率达到65.46%～80.58%，各措施之间拦截能力差异不显著(p>0.05)

3.2.2 径流调控植物措施

径流调控植物措施通过增加地表植被覆盖从而防止雨滴击溅、增强过滤净化等，拦截径流泥沙，增加降雨入渗，实现对面源污染物的阻控，达到保护下游水环境的目的。表6为2016—2018年与对照清耕果园相比，径流调控植物措施对土壤养分元素的拦截效应。

表6 径流调控植物措施土壤养分拦截效应

由表6可见，与对照清耕果园相比，径流调控植物措施对山地果园面源污染物氮、磷的流失具有明显的阻控效果。在实施果树梯田整地的果园，果园生草对全氮的相对拦截率为83.58%～93.93%，对全磷的相对拦截率为84.93%～95.02%。两种措施中果园生草优于果园间作(除第1年外)，同一年两种措施间差异不显著(p>0.05)。

4 结 语

(1)径流调控措施具有较好的控制山地果园水土流失的作用，与对照相比显著降低了产流量、产沙量、全氮流失量和全磷流失量。经差异性分析，果树梯田、台田、水平槽整地的山地果园水、土、全氮和全磷流失量均明显低于对照无工程果园，且差异极显著(p<0.01)；三种整地措施及各年度间水、土、全氮和全磷流失量差异均不显著(p>0.05)；果园生草、间作两种措施中生草对水、土、全氮和全磷拦截效果优于间作(除第1年外)，但差异不显著(p>0.05)。随着生草时间的增加，植被盖度增大，其径流调控能力增强，表现为生草第2年、第3年的径流调控作用大于生草的第1年。

(2)山地果园土壤养分元素流失是山地果园产生面源污染的直接原因，而土壤养分元素流失主要是部分可溶性养分随坡面径流流失及径流携带部分细颗粒物质向坡下运移，这些细颗粒物质中吸附和含有大量养分和一些污染物质。径流调控措施能通过拦截径流泥沙实现控制养分元素流失，同时径流拦蓄调控植物措施的过滤和吸附作用可以净化坡面径流，减少养分元素和污染物的流失。