不同坡度的顺坡垄和横坡垄两种耕作措施保水保土效应分析

刘艳杰

(辽宁省海城市水利事务服务中心，辽宁 海城 114200)

0 引 言

辽宁省土石质山区的海城市水土流失以水力侵蚀为主，部分地区的侵蚀由人为造成，且主要分布于灌木林、坡耕地、老果园和荒草地等。自然条件和人类活动为引起土壤侵蚀的两大要素，其中前者包括地形地貌、降雨、地质、植被等因素，后者有耕作方式、过渡放牧、滥垦乱伐和基本建设等[1]。

项目区地形复杂、土层较薄，以土石质为主，为千山山脉的延续，山地坡度>25°，暴雨过后水势凶猛且流速极大，沿地面径流汇集较快为水土流失创造了客观条件。另外，区域年降水量受地理气候影响分布不均匀，其中60%-70%集中于6-9月且多以暴雨形式出现，土壤在雨滴击溅作用下发生解体、位移，大量的土壤在暴雨地面径流作用下被冲刷带走，从而产生严重的水土流失。流域内主要分布页岩火成岩、石灰岩、沉积岩等，地表抗蚀能力低、稳定性差且风化破碎严重，在集中径流冲刷下被移动搬迁而流失。山区植被由于历史上种种原因被严重破坏，现保留的天然次生林面积少且幼林、疏林的比例偏大。不合理的土地利用方式(毁林开荒、轮垦、撂荒、顺坡耕作)进一步加剧了水土流失，且由于土地资源贫乏、人口增长等原因，燃料、饲料、肥料困难致使过渡放牧和滥垦乱砍问题突出，严重破坏了山区植被，使得林草覆盖率不断下降。近年来，随着经济的发展和人口的增长，山区工程规模、厂区和开矿修路等开发利用项目不断增多，人们对水土资源的利用强度不断增大，而预防水土流失和保护生态环境的意识薄弱，人为破坏地表植被和掠夺式开发较为普遍，在汛期降雨径流作用下随意堆放的弃土石渣、废料等顺水而下，对下游河道产生严重堵塞，土壤侵蚀和生态破坏问题十分突出[2-3]。

水土流失不仅可导致土壤肥力下降、土层变薄、加剧干旱发展等问题，而且能够破坏地面完整性、蚕蚀农田、加大洪涝灾害程度，对当地农业持续发展、生态环境保护和下游防洪安全构成严重威胁[4-7]。因此，有效控制地力下降和土壤侵蚀亟需采取切实可行的耕作措施。文章以松树沟小流域为例，从土壤侵蚀量、径流量的角度观测不同坡度的顺坡和横坡耕作措施，通过对保土效益的评价确定了适宜于辽西低山丘陵区的耕作措施。

1 研究方法

1.1 试验区概况

项目区位于海城市析木镇的东北部，形状近似于长方形，属浑太河流域，为低山丘陵，海拔高度75-340m。研究区大陆性季风气候，日照时数2240.7h，无霜期约182d，多年平均降水量701.7mm，土壤有机质含量相对较低且以草甸土、棕壤土为主。试验区坡耕地相对分散且面积所占比重最大，大部分坡耕地土质贫瘠且土层较薄，一般不适宜大面积水平梯田的修建，所以采取因地制宜的措施治理项目区内的坡耕地，为实现坡耕地有效整治采取退耕还果、保土耕作改垄深耕等措施[8]。

对于项目区内顺坡耕地，拟采取改垄这样的保土耕作措施，改垄向为等高线方向，同时结合深耕。其配置原则为：采取改垄措施的坡耕地的坡度适宜；采取改垄措施的坡耕地基本上属于土层薄、不利于修筑水平梯田、且垄向为顺坡的坡耕地[9-11]。项目实施期内，计划实施保土耕作面积30hm2，以松树沟村(17)号图斑为例，该图斑面积2.95hm2，土壤为棕壤，土层厚度为80cm，坡度为5°-15°；对于25°以上及部分15°-25°的坡耕地进行退耕还果改造，计划实施退耕还果面积16.93hm2，以松树沟村(44)号图斑为例，该图斑面积7.68hm2，土壤为棕壤，土层厚度为40cm，坡度为10°-30°，实施退耕还果7hm2。

1.2 试验设计

试验设计了规格为20m×5m的6个标准径流小区，即3°、5°坡下的裸地、顺坡、横坡垄作小区，记录3次重复试验值作为每个小区的实测数据。各小区之间利用埋深≥20cm、厚5cm、高40cm的隔板隔开，长边沿顺坡方向。将具有导流功能的集流槽设置于小区底部，用于降雨的汇集。槽上表面为宽5km的水平面、中部和下沿为倾斜陡槽和挡土墙，降水进入集流口后流经管道并汇集于流桶中，通过采取砂浆抹面处理确保表面平整。另外，为避免雨水的流入将防雨设备设置于集流桶上。降水情况的观测和记录来源于试验小区附近的气象观测站，对6个标准试验小区的各场次降雨径流量进行观测记录，并采集每一次降雨后的水样，经室内过滤、烘干和称重后测定含沙量和小区土壤侵蚀量。

2 结果分析

2.1 侵蚀性降雨的筛选

2018年不考虑降雪影响共测定降水总量为315.4mm，场次降雨25场，试验区降水集中于6-8月，季节性降水特征显著。观测的25场次降水中，降雨量达到最大和最小的场次降水为20180621、20180922，平均雨强分别为28.12mm/h和0.54mm/h，降雨历时为1.42、0.65h，所对应的降雨量为42.6mm、0.5mm。结合辽宁省土石质山区的海城市侵蚀性降雨评判标准，即基本降雨量为9.8mm，由此可确定有8场降雨达到侵蚀性标准，且发生于6、7月份。为准确反映不同校区土壤侵蚀量与降雨强度、降雨量之间的关系，按照从小到大原则排列降雨量。侵蚀性降雨强度及降雨量，见图1。

图1 侵蚀性降雨强度及降雨量

2.2 径流量影响分析

1)降水径流量与顺坡垄作分析。不同坡度裸地小区、种植大豆+顺坡垄作小区的侵蚀性降雨径流量，顺坡垄作措施的侵蚀性降雨径流量观测，见表1。

根据表1可知，裸地小区的径流量<种植大豆+顺坡垄作小区，且两类小区的径流量随着坡度的增加均呈一定的增大趋势，种植大豆+顺坡垄作小区在3°和5°坡度下的径流量为1368.19、1839.41m3/hm2，其变化幅度较裸地增大12.96%和13.71%。从径流量的角度认为顺坡垄作的减流蓄水效果并不明显，但从单场次降水的角度分析，这种耕作措施在降水强度和降雨量较小的条件下具有一定的减流蓄水效应。

2)降水径流量与横坡垄作措施分析。不同坡度裸地小区、种植大豆+横坡垄作小区的侵蚀性降雨径流量。横坡垄作措施的侵蚀性降雨径流量观测，见表2。根据表2可知，裸地小区的经流量远远高于种植大豆+横坡垄作小区，且种植大豆+横坡垄作小区的径流量随着坡度的的增加均呈一定的增大趋势，5°坡度下的径流量(83.32m3/hm2)为3°坡度的3.16倍，相对于裸地小区5°坡度径流量减少了94.85%，由此表明横坡垄作措施在坡度≤5°的条件下具有明显的蓄水保水、减少地表径流的作用。

表2 横坡垄作措施的侵蚀性降雨径流量观测

2.3 侵蚀量影响分析

1)侵蚀量与顺坡垄作措施分析。各坡度裸地小区、种植大豆+顺坡垄作的侵蚀性降雨土壤侵蚀量，顺坡垄作措施的侵蚀性降雨侵蚀量观测，见表3。根据表3可知，较裸地小区3°坡度下的土壤侵蚀量种植大豆+顺坡垄作小区显著减少，降低幅度达到72.85%，且两类小区的侵蚀量随着坡度的增加均呈现出大幅度的上升趋势。较裸地小区5°坡度下的侵蚀量种植大豆+顺坡垄作小区增大了8.20%，可见顺坡垄作措施减少土壤侵蚀量的效应在坡耕地≤5°坡度情况下较为显著，其减少土壤侵蚀效应随着坡度的增大快速下降。

表3 顺坡垄作措施的侵蚀性降雨侵蚀量观测

根据3°坡、5°坡的单场降雨侵蚀量变化特征，随着雨强、降水量的增大裸地和种植大豆+顺坡垄作措施的侵蚀量均呈现出增大趋势，其中裸地的侵蚀量变化幅度略小于种植大豆+顺坡垄作。以5°坡为例说明这一过程，顺坡垄作措施在前4场次降雨中控制水土流失效果较为显著，而裸地小区的侵蚀量在后4场次降雨中小于顺坡垄作措施，可见顺坡垄作控制土壤侵蚀的效果随着降雨强度、降雨量的增大逐渐变差。

2)横坡垄作措施对侵蚀量的影响。不同坡度裸地小区、种植大豆+横坡垄作小区的侵蚀性降雨土壤侵蚀量。横坡垄作措施的侵蚀性降雨侵蚀量观测，见表4。根据表4可知，裸地小区的侵蚀量随着坡度的增加明显增大，可见土石质山区坡耕地在未采取水土保持措施时将产生较为严重的土壤侵蚀。种植大豆+横坡垄作小区在3°坡度下的侵蚀量为16.41kg/hm2，其减小量达到98.99%，且种植大豆+横坡垄作小区的侵蚀量随着坡度的增大呈一定幅度的增加，5°坡的土壤侵蚀量(78.92kg/hm2)为3°坡的4.81倍。由此表明，横坡垄作措施可有效降低5°坡、3°坡的侵蚀量，其控制效果较裸地小区超过98%。

表4 横坡垄作措施的侵蚀性降雨侵蚀量观测

2.4 蓄水保土效益分析

土壤侵蚀模数和蓄水保土效益，横坡垄作措施的侵蚀性降雨侵蚀量观测，见表5。根据表5可知，3°和5°坡耕地上的顺坡垄作措施的蓄水效益极大的小于横坡垄作，在3°和5°坡上的顺坡垄作蓄水效益为负，该条件下产生的产流量较裸地小区还打，且取水效益随着坡度的增大呈下降趋势。由此进一步说明横坡垄作蓄水效益远远优于顺坡垄作，其原因为横坡垄作羧酸了坡长、减缓了坡度，其降低径流的成效显著。

表5 土壤侵蚀模数及蓄水保土效益

注：不同大写、小写指标分别代表差异显著性水平为0.01和0.05。

根据蓄水保土效益可知，横坡垄作在3°、5°坡的效益均超过99.5%，5°坡横坡垄作的土壤侵蚀模数仅为5°坡顺坡垄作的0.15%，其值为7.70bB。由此可见，在控制坡耕地土壤侵蚀时横坡措施成效现出，并且远远高于顺坡垄作。种植大豆+顺坡垄作在3°坡下的保土效益显著低于横坡垄作，且土壤侵蚀模数极显著高于横坡垄作，即71.85<99.68%、155.36>1.65t/km2·a，相对于裸地小区顺坡垄作措施在3°坡上具有一定的保土作用，但其控制效果远远低于横坡垄作。顺坡垄作小区随着坡度的增大未发挥有效的保土作用，其土壤侵蚀量远远大于横坡垄作并接近于裸地，可见顺坡垄作不宜作为较大坡度的坡耕地措施。

3 结 论

1)按照自小到大的原则排列不同耕作措施的径流量，即：种植大豆+横坡垄作<裸地小区<种植大豆+顺坡垄作；3°坡度下的横坡垄作径流量远远低于顺坡垄作，5°坡度下的横坡垄作径流量有所增大，但仍远远低于顺坡垄作。由此表明，横坡垄作控制地表径流的效果要明显优于顺坡垄作，横坡垄作在坡耕地≤5°坡时具有较强的适用性和可行性。

2)根据自小到大的次序排列3°坡土壤侵蚀量，即：种植大豆+横坡垄作<种植大豆+顺坡垄作<裸地小区，5°坡时为种植大豆+横坡垄作<裸地小区<种植大豆+顺坡垄作。由此可见，顺坡垄作措施在相同坡度下要远远小区顺坡垄作和裸地小区的侵蚀模数，横坡垄作在3°坡下的侵蚀量仅为顺坡的1.05%，虽然顺坡垄作小区的侵蚀量也达到较高的水平，但仍远远低于横坡垄作。综上分析，辽宁省土石质山区的海城市耕作措施宜选取为横坡垄作。