不同水土保持措施对东北黑土区坡耕地产流产沙的影响

苑佰飞,崔海锋,李 猛,王彩凤,吴 朋,姜保帅,滕美瑶

(1.长春合利水土保持科技有限公司,吉林 长春 130031; 2.梅河口市水利局,吉林 梅河口 135000)

东北黑土区是我国重要的粮食生产基地,耕地面积大、土壤肥沃,但近年来自然侵蚀和人类不合理耕作等导致东北黑土区水土流失日益严重。水土流失不仅会造成耕地退化,而且威胁生态环境安全[1]。据统计,东北黑土区中坡耕地面积占总耕地面积的59.38%,而坡耕地水土流失面积占东北黑土区水土流失面积的49.39%[2],坡耕地水土流失已成为制约东北黑土区农业可持续发展的重要因素。因此,如何科学合理配置水土保持措施,以遏制坡耕地水土流失,实现东北黑土区坡耕地的可持续利用,是当前迫切需要解决的问题。

地形地貌、降水、下垫面条件等是诱发水土流失的重要影响因素,坡耕地作为水土流失重点区域,只有改变其下垫面条件才能有效控制水土流失[3]。东北黑土区坡耕地常见的水土保持措施主要有修筑水平梯田和地埂植物带,实施等高耕作、保护性耕作等,均起到了较好的蓄水保土效果[4]。此外,科学合理的水土保持措施可以显著增加土壤养分和团聚体稳定性,进而提高土壤质量[5]。本研究以位于东北黑土区的吉林省梅河口市吉兴小流域径流观测场为例,分析在相同坡度和自然降雨条件下,不同水土保持措施对典型黑土区坡耕地产流产沙的影响,以及各项措施的减流减沙效益,旨在为东北黑土区坡耕地水土流失治理提供技术支撑和理论依据。

1 研究区概况

试验地点位于吉林省梅河口市吉兴小流域综合观测站内,属于东北黑土区水土流失综合防治试点工程辉发河项目区,地理位置为北纬42°13′50.8″、东经125°29′5.3″。属半湿润中温带大陆性季风气候区,年均气温4.02 ℃,年均降水量708.8 mm,降水多集中在6—9月,期间降水量占全年降水量的70%以上。坡度范围为3°～15°,为典型东北低山丘陵地貌,耕地多为坡耕地,土壤类型主要为黑土、暗棕壤、白浆土等。雨季降水相对集中且强度大,在坡耕地极易发生面蚀和沟蚀,土壤侵蚀模数1 906 t/(km2·a)[6]。

2 研究方法

2.1 试验小区措施设计

本试验共选取7个试验小区,每个小区垂直投影面积为30 m × 5 m(非标准小区),小区从南到北依次排列布设,间距为0.5 m,坡度均为7°。试验小区围埂由砖石砌成,下部均设有V形集流槽用于径流排放。7个试验小区的措施布置方式分别为:1#小区为裸地,监测期内一直保持地表裸露;2#小区为自然恢复,小区内主要为自然生长的蒿草;3#小区布置植物埂,埂上种植黄花菜,沿坡长每隔5 m设置1条;4#小区布置灌木埂,埂上种植紫穗槐,沿坡长每隔5 m设置1条;5#小区布置水平坑,坑内种植小型果树;6#小区实施横垄耕作措施;7#小区实施顺垄耕作措施(见表1)。其中3#、4#、6#、7#试验小区种植作物均为玉米,种植时间、收获时间和全部田间操作过程严格按照当地耕作习惯进行。

表1 7个试验小区措施设计及基本情况

2.2 数据观测

试验观测时间为2022年5—10月,观测数据包括降雨量、径流量和土壤侵蚀量。其中降雨量的测定采用PC-4型全自动气象站,设定为每5 min自动采集1次降雨数据;径流量和土壤侵蚀量的测定采用V形集流槽下端配有的HL-3W型坡面径流泥沙自动监测系统,可实时观测和记录降雨过程中坡面产生的径流量和泥沙量,与传统人工测量方法相比,该方法不受地点和时间的约束,测量速度快、准确度高。降雨量、径流量和土壤侵蚀量监测数据均自动上传至水土流失数据管理云平台,云平台严格按照《径流小区和小流域水土保持监测手册》和《水土保持监测技术规范》(SL 277—2002)等要求自动计算,并整理生成统计表。此外,自动化监测设备和云平台均安排专人进行日常检查维护,确保监测数据的完整性和准确性。

2.3 减流减沙效益计算

某项措施的减流减沙效益计算公式分别为

(1)

(2)

式中:ERi、ESi分别为某一措施小区的减流效益和减沙效益,单位%;Ra、Ri分别为裸地小区和某一措施小区的累计径流量,单位mm;Sa、Si分别为裸地小区和某一措施小区的累计产沙量,单位t。

3 结果与讨论

3.1 降雨量及降雨侵蚀力特征

降雨是水土流失的原动力,而降雨侵蚀力是评估降雨引起区域土壤侵蚀风险的重要动力指标[7]。2022年5—10月试验区内总降雨次数为60次,降雨总量为596.2 mm。对其中无降雨侵蚀力且未引起7个径流小区产流的场次降雨不进行统计,期间侵蚀性降雨为21场次(见表2),降雨量累计为518.2 mm,占5—10月降雨总量的86.92%,降雨侵蚀力为1 926.18 MJ·mm/(hm2·h)。最大场次降雨发生在6月22日,降雨量为83.6 mm,降雨侵蚀力为215.40 MJ·mm/(hm2·h),历时1 725 min。图1为2022年5—10月试验区月降雨量和月降雨侵蚀力变化特征,可以看出:试验区内降雨月度分布不均,降雨主要集中在6、7、8月,其他月份降雨较少;降雨侵蚀力与降雨量的月度分布特征相似。

图1 2022年5—10月试验区降雨量及降雨侵蚀力的月度分布

表2 试验区2022年5—10月侵蚀性降雨统计

3.2 不同措施对产流的影响

在相同的降雨条件下,裸地小区和各措施小区的产流次数不同,其中裸地小区产流20次,自然恢复、植物埂、灌木埂措施小区均产流13次,水平坑措施小区产流5次,横垄耕作措施小区产流8次,顺垄耕作措施小区产流17次。为分析不同水土保持措施对小区径流的影响,选取1#～7#试验小区产流的降雨量和径流量进行线性拟合(见图2),其判定系数分别为0.786 5、0.367 3、0.394 4、0.394 9、0.759 8、0.714 9、0.558 9,均达到了极显著相关水平(p<0.01),表明各试验小区的径流量受降雨的影响较大,在相同的降雨条件下,裸地小区产流最多,顺垄耕作措施小区次之,然后是植物埂、灌木埂、自然恢复措施小区,而水平坑和横垄耕作措施小区产流较少。

图2 7个试验小区降雨量和径流量的线性拟合

表3总结了与裸地小区相比,不同水土保持措施的减流效益。其中水平坑和横垄耕作措施的减流效益较高,分别为95.79%和93.02%;然后是自然恢复、灌木埂和植物埂措施,减流效益分别为73.54%、68.13%和67.92%;顺垄耕作措施减流效益最低,仅为10.16%。降雨是地表产流的主要驱动力,而土壤入渗能力是影响产流多少的重要因素[8]。晋文娟[9]通过研究坡面产流对坡度的响应特征,发现坡面产流与入渗率呈显著负相关关系,当降雨量相同时,坡面入渗率越高,坡面产流越少。本研究中的各种水土保持措施均对坡面径流起到了拦阻、滞留作用,增加了坡面入渗率。其中,水平坑和横垄耕作措施的减流效益较高,这主要是由于二者均在不同程度上改变了坡耕地的竖向坡度,减缓了径流的流速,且具有较好的蓄水作用,增加了径流的滞留时间,减少了产流次数;顺垄耕作措施的减流效益最低,这主要是由于顺垄耕作后产生的竖向垄沟为产流提供了重要的汇流路径[10],但受试验小区内农作物的影响,顺垄耕作仍存在一定的减流效益,陈龙飞等[11]通过室内人工模拟试验发现,随着玉米的生长,顺垄耕作方式对坡面径流的调控作用会逐渐增强。

表3 不同水土保持措施的减流效益

3.3 不同措施对产沙的影响

为分析不同水土保持措施对小区产沙的影响,选取1#～7#试验小区土壤侵蚀量和降雨量进行线性拟合(见图3),其判定系数分别为0.861 8、0.617 7、0.510 7、0.530 4、0.937 4、0.691 9、0.827 3,均达到了极显著相关水平(p<0.01),表明各试验小区的土壤侵蚀量受降雨的影响较大。在相同的降雨条件下,裸地小区土壤侵蚀量最多,然后是顺垄耕作措施小区,之后是植物埂、灌木埂、自然恢复措施小区,水平坑和横垄耕作措施小区土壤侵蚀量最少。

图3 7个试验小区降雨量和土壤侵蚀量的线性拟合

表4总结了与裸地小区相比,不同水土保持措施的减沙效益。其中,水平坑和横垄耕作措施的减沙效益较高,分别为97.97%和95.78%;然后是自然恢复、灌木埂、植物埂措施,减沙效益分别为86.20%、81.44%、80.88%;顺垄耕作措施的减沙效益最低,仅为11.14%。这与各类措施的减水效益呈现一致性。

表4 不同水土保持措施的减沙效益

各水土保持措施均具有一定的减沙效果,其中水平坑和横垄耕作措施的减沙效益较高,这主要是由于这两种措施一方面通过改变坡面地形,减缓了径流流速,使径流对土壤的冲刷强度下降,另一方面增加了试验小区内的植被覆盖度,有效降低了自然降雨对地表的溅蚀作用,同时植物根系在生长中后期可以增加土壤的抗蚀能力[12]。吴淑芳等[13]通过人工降雨模拟试验,发现坡面聚流坑措施的减沙效益可达到85%以上。宿敏敏等[14]通过研究不同耕作措施对黑土区土壤流失的影响,发现与裸地相比,全年横垄耕作措施拦截泥沙率可达到88.4%～99.2%,与本研究的结果呈一致性。此外,自然恢复、灌木埂和植物埂措施的减沙效益也相对较高,均在80%以上,主要是由于这三种措施同样增加了试验小区的植被覆盖度,一方面植被叶片对降雨起到了缓冲和截留作用,降低了雨水溅蚀能力,另一方面植被茎秆和根系对坡面径流起到了拦蓄作用,可以减轻土壤侵蚀强度和拦截泥沙[15]。李晓娜等[16]提出植物带可显著提高径流拦截率,同时能够过滤并降低径流中的泥沙含量。本研究结果进一步表明了适宜的水土保持植物措施具有较高的减沙效益,是坡耕地水土流失治理中不可或缺的重要手段。顺垄耕作措施小区内玉米的生长可以对自然降雨起到截留和再分配的作用,玉米根系可以扩大土壤孔隙、增加雨水入渗量[17],使得顺垄耕作措施同样具有一定的减沙作用。刘艳杰[18]通过分析顺坡垄和横坡垄耕作方式的保水保土效应,发现与裸地小区相比,横坡垄作和顺坡垄作均可降低侵蚀量,但顺坡垄作减沙效益远远低于横垄耕作。本研究中顺垄耕作的减沙效益同样远低于其他措施小区,且其土壤侵蚀量高于该区域的年均土壤侵蚀量,这主要是由于顺垄耕作产生的竖向垄沟与径流的流向相同,增大了雨水对坡面的冲刷能力,从而加剧了土壤侵蚀,因此建议在7°以上的坡耕地不采取单一的顺垄耕作方式。

4 结论

通过在吉林省梅河口市吉兴小流域径流观测场布设裸地小区(对照)和自然恢复、植物埂、灌木埂、水平坑、横垄耕作、顺垄耕作6个水土保持措施试验小区,分析在相同的坡度和自然降雨条件下,不同水土保持措施对东北黑土区坡耕地产流和产沙的影响,结果表明:①各试验小区的径流量和土壤侵蚀量与降雨量均呈显著的正相关关系;②与裸地小区相比,水平坑和横垄耕作措施的减流减沙效益较高,减流效益分别为95.79%和93.02%,减沙效益分别为97.97%和95.78%,然后是自然恢复、灌木埂、植物埂措施,顺垄耕作措施的减流减沙效益最低,仅有10.16%和11.14%,且土壤侵蚀量高于该区域平均土壤侵蚀量;③开展坡耕地水土流失治理对保护东北黑土区的黑土资源和生产能力具有重要作用。水平坑、横垄耕作、自然恢复、灌木埂、植物埂等水土保持措施均能有效遏制坡耕地水土流失,建议在东北黑土区推广应用减流减沙效益最佳的水平坑和横垄耕作措施,不采用单一的顺垄耕作措施,同时合理配套种植有经济作物的植物埂和灌木埂,以最大程度发挥水土流失防治效果,保障耕地安全,促进东北黑土区经济社会可持续发展。