土壤侵蚀不同控制措施对水土保持效益的影响分析

2022-11-30袁小红

陕西水利 2022年12期

袁小红

（广东中灏勘察设计咨询有限公司,广东广州 510700）

0 引言

近年来,土壤侵蚀问题导致我国土地水土养分严重流失,引起我国生态环境日益恶化,已成为我国主要的生态自然灾害之一[1],因此,亟需对土壤侵蚀作用下的水土流失现象进行治理。

关于土壤侵蚀问题,国内外的学者们已经开展了从基础理论到实践应用的各方面研究。在理论上,王万忠等[2]通过土壤侵蚀预报模型对侵蚀因子进行了定量评价与研究。谢红霞等[3]、秦富仓等[4]通过坡面水动力学的角度对坡面乔木林、草本植物以及林地等对径流流速的影响进行了相关机理研究。

面对土壤侵蚀,已有许多控制措施对水土流失进行治理,并取得了较好的效益,而对于不同控制措施对水土保持效益的对比研究相对较少。基于此,本文采用人工种植、封山育林以及施肥改良三种控制措施为研究对象,并与天然状态下裸露地表进行了比较,对比研究了土壤侵蚀不同控制措施对水土保持效益的影响。研究结果可为土壤侵蚀下的水土保持植被结构提供科学依据。

1 研究区概况

本文选取长江县城作为试验区域,当地海拔高度约为200 m～400 m,土地面积为3104.16 km2,当地平均气温约18.3℃,全年平均降雨量可达约1685.6 mm,气候差异较为明显,干湿两季分明,属于典型的水力侵蚀区,是我国南方土壤侵蚀作用下水土流失较为严重的区域之一。当地的土壤性质和植被结构与南方水力侵蚀区的土壤物理化学性质相一致,可用于水力侵蚀水土保持控制措施的研究。

2 试验设计与方法

2.1 试验设计

本文采用3 种植被结构（芒萁、草木樨和香根草）对试验站径流小区进行连续四年模拟径流试验,模拟当地水土流失现场,同时选取天然状态下地表裸露的坡面作为试验的对照组（小区1）。图1 为径流小区结构示意图,小区边埂采用混凝土砌筑结构,将每个试验小区的面积分割为100 m2,坡度统一采用25°,坡面坐北朝南。并在每个径流小区下部设置集流槽和导流管,集流桶与导流管连接,用于储存流沙和雨水。

图1 径流小区结构示意图

本文选取的4 种植被结构径流小区分别为：对照组1（小区1）,表示长汀县天然状态地表裸露坡面结构；试验组2（小区2）,表示封山育林具有较少人为干扰后的地表植被坡面结构；试验组3（小区3）,表示的是增加人为干扰,通过人工施加化肥改良,促进植被的生长速度；试验组4（小区4）,表示的是通过人工栽种或补种的方式,进一步增加坡面植被的覆盖面积,提高植被密实度,进而形成高密度的人工种植林。

2.2 试验方法

通过气象观测站实时观测长汀县2015 年～2019 年汛期径流试验数据,并通过计算降雨量与蒸发量的差值获得四个试验小区的净流量,并对集流桶中的泥沙依次进行过滤、烘干和称重获得四个试验小区的泥沙量。待测量完成后,根据《水土保持综合治理效益计算方法》（GB/T 15774-2008）,通过公式（1）和（2）计算径流小区的减流率（ηw）和减沙率（ηs）：

式中：W0为天然状态下径流小区坡面（对照组1）的径流量；WS为采用不同控制措施后径流小区坡面的径流量；G0为天然状态下径流小区坡面（对照组1）的泥沙损失量；GS为采用不同控制措施后径流小区坡面的泥沙损失量。

3 试验结果与分析

3.1 年平均降雨量变化

在相同降雨空间内,了解降雨量大小和时间分布规律将有助于研究当地土壤侵蚀作用下水土流失的变化规律及特征,这对于治理水土流失,提高水土保持效益具有重要作用。在2016 年～2019 年期间,各个试验径流小区的年平均降雨量分别为1736.5 mm、1436.4 mm、1422.1 mm 和1824.5 mm,每年平均降雨量为1605 mm。其中,2019 年降雨量最高,高于年均降雨量约13%；2018 年降雨量最低,比低于全年平均降雨量约11.3%。由以上数据表明,各试验径流小区内的年降水量较多。对于不同年份,降水量也具有明显的差异性,降水量年际变化较大。图2 中结果显示,每月的降雨量具有明显差异,在6 月份降雨量达到峰值,高达436.3 mm,占全年平均降雨量的27.5%,10 月份的降雨量为全年最低,低至29 mm,占全年平均降雨量的1.8%。此外,值得注意的是,汛期4 月～8 月共5 个月的降水总量为1123.5 mm,占据全年平均降雨总量的70.1%。因此,在汛期期间对于实际工程而言,需要着重采取措施对水土保持进行控制,防止水土流失等自然灾害发生。

图2 径流小区各月份平均降雨量柱状分布图

3.2 减流效应分析

图3 为2016 年～2019 年径流小区年平均径流量柱状分配图,从图中可以看出,径流小区1（对照组）的径流量最大（9.82 m3）,随着年份的增加,采取3 种植被结构控制措施后径流小区的径流量均低于对照组径流量,降低量分别为47.5%、47.9%和44.2%。2019 年的年平均降雨量最高（图4）,但2019 年的径流量达到近年来的最低值。这主要是因为经过采用3 种植被结构控制措施后,径流小区草本植物覆盖度和生长速度均随着时间的推移而不断增加,显著降低了雨水对地表土壤的侵蚀冲刷,削弱了土壤侵蚀作用下的水土流失现象,水土保持减流效应明显增加,进而导致较低的径流量。值得注意的是,4 种径流小区的径流量依次为：径流小区1（对照组）＞径流小区4（人工种植）＞径流小区2（封山育林）＞径流小区3（人工施肥改良）。径流小区经过3 种植被结构（芒萁、草木樨和香根草）控制措施后,坡面的的植被覆盖度由2016 年的基本无覆盖至2019 年时草本植物覆盖度已增长为23%、32%和14%,其中增长率最明显的为径流小区3,通过人工施肥改良的方式促进了植被的生长,土壤肥力增加[6],提高了植被的密度和土壤结构,增强了土壤对水土的稳固作用。而对于径流小区4 而言,人工种植较多植被后,土壤肥力快速下降,坡面植物死亡较多,土壤发生固化,不利于草本植物的生长,因此导致径流量较大。径流小区2 经过封山育林措施后,人为干预和其他不利因素较少,草本植物生长较快,增加了对雨水的吸收度,提高土壤的固结能力,水土保持效益增加,径流量减少。

图3 四种植被结构径流小区径流量年际分配图

图4 2016 年～2019 年平均降雨量曲线

3.3 减沙效应分析

图5 为2016 年～2019 年四种植被结构径流小区泥沙量的年际分配图,从图中可以看出,与径流小区1 相比较,其他采用水土保持控制措施后的径流小区的年泥沙量逐渐降低,减沙率随之升高。在2016 年时,采用三种植被结构控制措施后试验小区的年泥沙量分别为11120.1 t/km2、7900.4 t/km2和12811.8 t/km2,时间至2019 年时,在草本植被的固持作用下,径流小区的年泥沙量降低至1154.8 t/km2、1920.4 t/km2和1725.9 t/km2,减沙率分别为90%、76%和87%。因此,草本植被控制措施对于土壤侵蚀作用具有显著效果。表1 为径流小区年均径流量和年均泥沙量。从表1 中可以看出,经过植被改造后的三种土壤结构（径流小区2、3 和4）的年均径流均低于天然状态地表裸露的土壤结构（径流小区1）,径流量分别低了47.5%、48.0%和44.2%,年均泥沙量与径流量的变化趋势相一致,经过不同草本植被控制措施后的小区年均泥沙量均低于天然状态地表裸露小区,年均泥沙量分别低67.8%、71.4%和62.3%。值得注意的是,采用人工施肥改良后的径流小区3 表现出较高的减流量和减沙量,显著降低了土壤的侵蚀作用。产生这种原因主要是因为由于人工施肥改良作用,增加了土壤的肥力,提高草本植被的生长速度,植被密度快速增加,进而削弱了雨水土壤的冲击力,增加了土壤表面水分吸收能力,从而达到减流、减沙效果。此外,在每年的汛期（4 月～8 月）期间,径流小区（1、2、3 和4）的径流量和泥沙量均达到整年的80%,因此,在采用控制措施降低土壤侵蚀和减小水土流失方面要着重加强汛期期间的调节与人为控制。