水土保持措施对水土流失的影响研究——以清原县甘井沟小流域为例

唐秀明

(清原满族自治县水利事业服务中心，辽宁 清原 113300)

水土流失会导致土壤肥力和水源涵养能力的下降，可利用耕地减少、生物多样性破坏以及小生境气候恶化等危害。近年来，为有效控制水土流失的发展国内外学者开展了深入研究，并取得丰硕的成果，如国外学者论述了岩溶地貌、河网密度、岩石特性对水土流失治理的影响，探讨了降雨、气候、植被等因素的影响作用，国内学者研究了小型水保工程、植物覆盖、坡改梯等工程和生物措施[1-5]。生态修复综合治理的前提和关键是土壤理化性质的改变，赵世伟等[6]研究发现植被措施和水土保持工程可以有效提高土壤有机碳质量分数，改善水分环境和土壤结构功能，促进侵蚀土壤的发育；卢炳军等[7]研究认为草地植被覆盖度与土壤全磷、全氮流失量呈指数递减关系，对改善土壤质量林草措施发挥着重要作用；周毅等[8]研究了黄土高原区不同林地类型对风蚀水蚀交错区的水保效应，随坡度的增大同一植被类型下林地抗冲性明显下降，植被措施能有效控制水土流失以及增强土壤抗冲性。文章结合前人研究成果[9-10]，评价分析了不同水保措施对低山丘陵带径流小区的防治效果，为积极完善与探索水土保持工作，有效解决小流域土壤侵蚀问题提供一定技术支持。

1 试验区概况

试验区位于大伙房水库上游的甘井沟小流域，地理位置为E125°13′36″-125°17′20″，N42°14′38″-42°17′02″之间，属于辽东中低山区，地貌单元为山地与河谷，海拔高度597.9m，相对高差218.7m。试验区为北温带大陆性气候，气候比较湿润，年均降雨量776mm，7-9月份降雨量集中，降雨年内分配不均匀，年际变化大，平均径流深304mm，年蒸发量1117.8mm。甘井沟小流域总面积1093.79hm2，其中耕地、林地、果园、水域、居民点和交通道路用地492.53hm2、507.84hm2、28.94hm2、38.98hm2、20.14hm2、5.36hm2。土壤类型有棕壤、暗棕壤、草甸土、水稻土，所占比例83.05%、9.51%、5.3%、2.14%。土壤养分情况有机质含量耕地为2.99%、山地为3.42%；全氮含量耕地0.17%、非耕地0.11%；速磷含量为耕地为5ppm、非耕地2.27ppm；速效钾含量耕地为81ppm、非耕地78ppm。试验区属于长白山植被区系，以红松、云、冷杉针阔混交林带，原始植被不复存，演变为天然次生林。自然植被为柞树林、柞树及其他阔叶混交林、山杨、杨桦林、胡桃秋水曲柳、榛胡枝子灌木林，人工植被主要为落叶松、红松林、油松林、樟子松林。林分郁闭度70%以上。

2 试验方法

2.1 小区设计

试验小区共设计5种不同用地类型，即荒山草地、水保林(油松)、经果林(寒富苹果)、坡改梯耕地(玉米)、坡耕地(皇竹草)，植被覆盖度46.0%、95.2%、81.5%、42.1%、40.0%，各径流小区长20m×宽5m，坡度均为15°，设置气象站，为保证试验数据精度每种用地类型设置3个试验小区。采用60cm×40cm单砖将各径流小区隔开，小区下方水泥抹面修集流槽而上方设排水渠，泥沙和径流经集流槽流入集流池(长1m×宽1m×高1m)，两侧预留1m保护带[11]。

2.2 数据监测

本试验利用自动气象站监测蒸发、风速、降雨量等气象要素，径流量用自记式储存水位计观测，土壤含沙量利用置换法测定，该过程中人工取泥沙试样。各径流小区应严格按规范实施科学管理，降雨后及时检测产流产沙。采用烘干法测定40-60cm、20-40cm和0-20cm不同深度土壤含水量，土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度和密度用环刀法测定，土壤全氮、全磷利用半微量开氏法和钼睇抗比色法测定。

2.3 数据处理

选择2018年6月-2020年12月进行试验监测，监测数据取研究期平均值，采用SPSS和Excel软件进行统计分析、图表制作及其相关运算，并应用Duncan多重比较法和单因素方差法检验数据显著性[12]。

3 结果分析

3.1 产流产沙变化特征

1)产流量变化特征。以试验小区内产流作为侵蚀性降雨量判别标准，统计分析降雨和产流量，如表1。其中，“a”、“b”、“c”比较各字母不同则代表相互都有显著差异(P<0.05)，对于“ab”和“a”或“ab”和“b”比较有重复字母则代表不具有显著差异，下同，各试验小区产流量，见表1。

表1 各试验小区产流量 m3

从表1可以看出，6-9月侵蚀性降雨和产流占全年的85.62%、85.87%，从小到大排列产流量为水保林<经果林<梯地<荒山草地<坡耕地。荒山草地、梯地、坡耕地与水保林、经果林之间有显著差异(P<0.05)，水保林与经果林总产流量之间不具有显著差异。总径流量最多的是坡耕地，与坡耕地相比水保林和经果林总产流量减少74.25%、70.24%；产流量最大值发生于9月，荒山草地、梯地、坡耕地与水保林、经果林之间有显著差异(P<0.05)，而产流量最少的是水保林，水保林较坡耕地、荒山荒地、梯地、经果林产流量减少70.57%、57.98%、52.42%、10.74%。

2)土壤侵蚀量变化特征。根据试验监测数据，统计分析不同水保措施下各径流小区的土壤侵蚀量，各试验小区土壤侵蚀量，见表2。

表2 各试验小区土壤侵蚀量 t/km2

从表2可以看出，6-7月坡耕地、梯地、荒山草地、经果林、水保林土壤侵蚀量占总侵蚀量的67.37%、50.29%、46.12%、55.95%、52.56%，土壤流失总量为水保林<经果林<梯地<坡耕地<荒山草地。荒山草地、梯地、坡耕地与水保林、经果林之间有显著差异(P<0.05)，土壤侵蚀量最少的为水保林，与荒山草地、坡耕地、梯地、经果林相比水保林的土壤侵蚀量依次减少84.63%、83.00%、74.55%、29.05%。

3.2 土壤理化物理分析

结合试验监测数据，统计分析不同水保措施下各径流小区的土壤物理性质，各径流小区土壤物理性质，见表3；显著差异性分析，显著差异性分析，见表4。

表4 显著差异性分析

从表3可以看出，不同水保措施下土壤40-60cm深底层密度和20-40cm深中层密度均高于0-20cm深表层密度，土壤密度随土层加深逐渐增大，相同土层中土壤密度呈荒山草地>坡耕地>经果林>梯地>水保林。除梯地表层最大蓄水量和毛管持水量较中层低6.18%、12.62%外，其它用地类型的表层最大蓄水量以及毛管持水量均高于底层和中层，并且最大蓄水量和毛管持水量随土层加深逐渐下降。各水保措施下土壤底层和中层自然含水率均低于表层，水保林、梯地底层和表层非毛管孔隙度均低于中层，而荒山草地、梯地、坡耕地表层非毛管孔隙度均高于其它两层。除水保林的中层总孔隙度高于表层的9.27%外，随土层加深荒山草地、经果林、梯地、坡耕地总孔隙度均依次减小[13-18]。

表3 各径流小区土壤物理性质

从表4可以看出，荒山草地与经果林、坡耕地土壤密度不具有显著差异(P<0.05)，而与梯地、水保林有显著差异(P<0.05)，较荒山草地土壤密度梯地和水保林低11.97%、12.68%。荒山草地与梯地、经果林的毛管持水量具有显著差异(P<0.05)，并且较荒山草地高28.10%、30.46%。荒山草地均与水保林、坡耕地、梯地的自然含水率具有显著差异(P<0.05)，并且较荒山草地高72.06%、82.48%、86.35%。荒山草地与水保林、梯地的最大蓄水量都有显著差异(P<0.05)，较荒山草地高21.46%、25.76%。荒山草地与梯地、水保林、经果林的非毛管孔隙度具有显著差异(P<0.05)，除坡耕地小于荒山草地13.26%外，梯地、水保林、经果林均比荒山草地的非毛管孔隙度高52.33%、92.09%、165.81%。荒山草地与坡耕地、水保林、经果林的毛管孔隙度不具有显著差异，并且较荒山草地水保林、梯地的毛管孔隙度高5.62%和18.43%。荒山草地与坡耕地的总孔隙度不具有显著差异，但与水保林、经果林、梯地的总孔隙度具有显著差异(P<0.05)，并且较荒山草地高15.42%、19.14%、22.27%。

3.3 土壤化学性质分析

1)土壤全氮变化特征。统计分析不同土层各水保措施下土壤全氮全磷质量分数，土壤化学性质，见图1。从图1(a)可以看出，除坡耕地外其它用地中层土壤全氮质量分数均低于表层，5种用地类型的底层土壤全氮质量分数均低于中层。从小到大排列全氮量，荒山草地<梯地<水保林<经果林<坡耕地，较荒山草地依次高21.54%、26.15%、78.46%、87.69%，坡耕地中层和经果林表层全氮最高，其它水保措施的均高于荒山草地。

2)土壤全磷变化特征。从图1(b)可以看出，除梯地底层土壤全磷质量分数高于中层外其它用地类型均是底层<中层<表层。经果林和坡耕地的表层处于较高水平，而经果林、水保林和坡耕地中层处于较高水平。从小到大排列土壤全磷质量分数为荒山草地<梯地<水保林<经果林<坡耕地，较荒山草地高21.67%、61.67%、108.33%、130.56%。

(a)土壤全氮质量分析

4 结 论

1)通过分析辽东中低山区甘井沟小流域径流泥沙特征可知，荒山草地、梯地、坡耕地与水保林、经果林之间产流产沙具有显著差异，各水土保持措施具有较好的蓄水保土效应。虽然不同土地利用类型的水保措施均能减弱坡面土壤侵蚀力，有利于控制水土流失，但水土保持效果具有一定差异。其中，水保林的产流产沙效应最优，坡耕地、梯地、经果林次之。深入分析可知，水保林的根系发达、枯枝落叶层厚、林冠幅较大，因此保土蓄水效果最佳；坡耕地种植皇竹草后能够减少泥沙量和径流量，生长过程中皇竹草根系发达，其力学作用能够增加水稳性团聚体，增强土壤紧密度和抗蚀性。

2)通过分析不同用地类型各层土壤孔隙度、含水量和土壤密度可知，种植皇竹草的坡耕地、梯地、经果林和水保林能够改善土壤结构。水保林中的枯枝落叶层和林木根系增大了土壤的透水性、透气性、疏松性和孔隙度，降低了土壤密度；从下而上经果林、荒山草地、坡耕地孔隙度逐渐减小，对径流下渗过程造成不利影响，而水保林和梯地植被群落从下到上非孔隙度先下降后上升，有利于蓄水保墒以及削减径流。

3)通过采取适当的水保措施能够有效提高土壤肥力，对增加土壤全氮全磷种植的皇竹草具有明显作用。各用地类型中土壤TN、TP含量最高的是坡耕地，最低的是荒山草地，水保林和经果林居中。将皇竹草种植在坡耕地上有利于提高土壤肥力和微生物量，从而导致底层和表层全氮含量低于中层。