秦巴山区近自然模式整治坡面稳定性研究

王天宏，呼 帅，李会科，张青峰

(西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

早在17世纪80年代，德国林学家GAYER首次提出了近自然林业的概念，即在林业恢复中加上近自然这一理论，并且认为近自然模式恢复的生态环境拥有最好的稳定性[1]。2005年我国学者彭鸿等[2]首次将近自然理论与坡面整治结合起来。牛铜钢[3]、姜俊等[4]也陆续将近自然理论应用于流域生态学、地貌学及林业科学等的研究当中。此外，近自然模式在高速公路边坡维护、城市河流景观设计、农业经营等生产实践中也得到了较好的应用。然而，这种新技术在大规模坡面修复中的应用还较少。

陕西省特别是陕南秦巴山区的水土流失问题制约了当地经济发展。土壤侵蚀造成耕地面积减少、肥力下降，严重影响了农业生产和生态环境。沟坡是土壤侵蚀的重要场所和侵蚀泥沙的主要来源，当地应用较多的坡面工程措施有水平沟、水平阶、坡改梯、鱼鳞坑等[5]，尤以坡改梯应用最为广泛。坡面改为梯田后坡长缩短，地表径流系数降低，水土流失量减少，并能促进雨水入渗，从而提高土地产出效益。然而，由于技术不够成熟、投资比例过大、施工工艺不佳及效益稳定性差等问题，坡改梯在取得经济效益的同时，也可能会造成改梯土地不均匀沉降或盐碱化加剧等问题[6]。因此，一种新的以保障坡面生态安全为根本前提的坡面修复技术——近自然模式坡面整治技术应运而生。为了讨论近自然模式坡面整治后坡面的稳定性，本研究在秦巴山区选择实施与未实施近自然模式坡面整治工程两种坡面进行对比，选择土壤理化性质等指标计算坡面稳定性，判断近自然模式坡面整治工程的修复效果，以期为进一步在秦巴山区推广近自然模式坡面整治提供参考。

1 试验区概况

在汉中市勉县新铺镇余家沟村选择典型样地坡面进行近自然模式坡面整治对比试验。余家沟村地处勉县县城以西27 km处(106°51′E、33°11′N)，北邻汉江秦岭，南依玉带河畔，土地面积7.8 km2，平均海拔800 m，年均降水量849.5 mm。试验区土壤类型主要为黄棕壤，土壤黏粒含量高，遇水容易膨胀，边坡坡度7°～25°，覆盖层厚度9.5～18.7 m，水土流失较严重。选取地形地貌基本一致的典型坡面开展试验并尽可能保持坡面的自然状态，采用固定样带法划分两个长50 m、宽15 m的退化半裸露土质坡面作为对照组(原有自然坡面)和试验组(在原有自然坡面的基础上实施近自然模式坡面整治)。近自然模式坡面整治措施：在素土中加入1%水泥和0.5%石灰，采用碾压夯实方式修筑田坎，控制田坎压实度达95%以上；以本地植物为主，有层次地种植护坡植物，采用乔灌混交模式，选定茶树作为埂坎保护措施，田面栽植白芍与李子，撒播早熟禾、紫穗槐种子，并于边埂种植黑麦草，形成一个相对稳定的接近自然的植物群落；此外，在坡面建设生态截水沟及耕作保护措施。

2 研究方法

2.1 测定方法

分别在对照组和试验组坡面上以3 m高程为间隔设置7个水平采样面，每个水平采样面上又以3 m为间隔共设立5个采样点。治理1年后采用机械分层法在每个采样点按照土层深度0～10、10～20、20～40 cm取土带回实验室，进行土壤理化性质、土壤抗蚀性、土壤抗剪性分析。其中：土壤机械组成和微团聚体采用吸管法进行测定；土壤容重、毛管孔隙度和非毛管孔隙度采用环刀法测定；土壤有机质、全氮、pH值、阳离子交换量等理化性质参照相关规范方法测定；土壤抗剪性通过室内常规三轴剪切试验方法测定。

2.2 稳定性评价方法

结合国内外常用的生态护坡稳定性评价指标，选用了30个指标来建立坡面稳定性评价指标体系(表1)。其中：X1～X13为土壤理化性质指标，X14～X28为土壤抗蚀性指标，X29、X30为土壤抗剪性指标。通过主成分分析，确定累积贡献率大的指标，得到综合主成分，作为稳定性评价的综合指数。

表1 坡面稳定性评价指标体系

3 结果与分析

3.1 主成分分析

对采样点数据进行主成分分析，提取特征值大于1的主成分，结果见表2。

表2 坡面稳定性评价指标主成分分析

由表2可知，共提取7个主成分，累积贡献率达到了91.20%，超过 85%的水平，说明这7个主成分能够代表采样点30个原始指标的变化，具有科学性、代表性。第一主成分的贡献率最高(23.975%)。其中，团聚体分散率X21、团聚状况X23、团聚度X24的因子负荷量较大，可命名为土壤团聚程度因子。因此，影响坡面稳定性的最主要因素是土壤团聚程度因子，其表现为土壤团聚体分散率越小、土壤团聚状况越好、团聚度越大，坡面稳定性越强。第二主成分的贡献率为19.711%，有4个指标的因子负荷量较大，分别是>0.5 mm团聚体破坏率X20、>0.25 mm团聚体破坏率X19、>0.5 mm水稳性团聚体含量X18和>0.25 mm水稳性团聚体含量X17，可命名为土壤团聚体状况因子。该因子对坡面稳定性也有较大影响，土壤团聚体破坏率越小，水稳性团聚体含量越高，坡面稳定性越高。第三主成分的贡献率为13.017%，干筛几何平均直径X27和干筛平均质量直径X25的因子负荷量较大，可命名为土壤团聚颗粒直径因子。第四主成分的贡献率为12.914%，结构性颗粒指数X16和<0.002 mm黏粒含量X15的因子负荷量较大，可命名为土壤机械组成因子。第五主成分的贡献率为10.134%，内摩擦角X30和土壤黏聚力X29的因子负荷量较大，可命名为土壤抗剪性因子，土壤内摩擦角的影响略大于土壤黏聚力。后两个主成分之和仅为11.449%，其中只有非毛管孔隙度X4、总磷X6和总氮X5的因子负荷量较大。这两个主成分影响较小，没有实际意义。

3.2 坡面稳定性评价

通过因子得分矩阵，用主成分线性函数计算各因子的主成分值，并以各因子所对应的方差贡献率为权重，计算综合主成分，得到余家沟村坡面综合稳定性指数计算公式为

Y=0.241Y1+ 0.221Y2+ 0.181Y3+ 0.107Y4+

0.098Y5+ 0.091Y6+ 0.062Y7

根据公式分别计算试验组和对照组坡面不同土壤深度的综合稳定性指数，并最终得到两种坡面的综合稳定性指数平均值，结果见表3。

由表3可知，试验组坡面在不同土壤深度的综合稳定性指数均大于对照组，这表明近自然模式整治坡面的稳定性要明显优于未经整治的自然坡面，近自然模式坡面整治效果显著。随着土壤深度的增大，试验组坡面综合稳定性指数呈现逐渐降低的趋势，20～40 cm深度的稳定性较10～20 cm明显降低。

表3 坡面综合稳定性指数计算结果

4 结 语

本研究根据土壤理化性质、土壤抗蚀性和抗剪性等指标建立了秦巴山区坡面稳定性评价指标体系，运用主成分分析法提取了主成分并命名解释变量，通过确定权重和计算因子得分得到坡面综合稳定性指数。研究表明：试验组坡面稳定性指数大于对照组；影响坡面稳定性的主要因素为坡面土壤的抗蚀性指标，土壤理化性质指标和抗剪性指标的影响程度相对较小，因此在坡面修复时应重点关注土壤的团粒特征；经过治理的坡面稳定性增强，未出现土壤侵蚀及土体崩塌现象，并且起到了绿化环境的作用，因此坡面近自然模式整治效果较好；此外，近自然模式整治坡面稳定性随着土层深度的增加而降低，因此应重点关注20～40 cm深度土层的稳定性。

本研究为在秦巴山区实施近自然模式坡面整治提供了参考。但是，本研究试验区的面积较小，试验结果可能会受到周围岸坡的边际效应影响，因此采用近自然模式整治的长期效果还需要通过时间验证，特别是其景观优美度及其生态效应等仍有待研究。