長江中上游不同坡改梯方式生態(tài)效益研究

鄧嘉農(nóng),唐春霞,何丙輝

(1.長江流域水土保持監(jiān)測中心站,湖北武漢 430010;2.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶 400715)

長江中上游不同坡改梯方式生態(tài)效益研究

鄧嘉農(nóng)1,唐春霞2,何丙輝2

(1.長江流域水土保持監(jiān)測中心站,湖北武漢 430010;2.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶 400715)

坡改梯;水平梯地;坡式梯地;生態(tài)效益;長江中上游

在重慶開縣芋子溝小流域和渝北區(qū)木耳鎮(zhèn)后河小流域設(shè)置試驗小區(qū),根據(jù)觀測資料,分析不同坡改梯方式梯地的生態(tài)效益。結(jié)果表明,在產(chǎn)流產(chǎn)沙方面,均表現(xiàn)為休閑地小區(qū) ＞坡耕地小區(qū) ＞20°坡式梯地小區(qū) ＞15°坡式梯地小區(qū) ＞水平梯地小區(qū),這說明坡改梯梯地與坡耕地、休閑地相比,具有明顯的水土保持效果。在不同坡改梯方式中水平梯地的保土效果最優(yōu),產(chǎn)沙量比 15°坡式梯地、20°坡式梯地分別少 78.95%、81.25%,而后兩者則相差不大。在改善土壤養(yǎng)分方面,水平梯地和坡式梯地相比,總體表現(xiàn)為水平梯地略優(yōu)于 15°坡式梯地,15°坡式梯地優(yōu)于 20°坡式梯地。

長江流域現(xiàn)有坡耕地 10.7萬 km2,年土壤侵蝕量 8.0億 t,約占流域年土壤侵蝕總量的 1/3[1]。坡耕地水土流失嚴重,迫切需要進行綜合治理,而坡改梯是坡耕地治理中的一項重要的措施。為研究長江中上游地區(qū)適宜的坡改梯方式,筆者設(shè)置試驗小區(qū),對比休閑地、坡耕地,分析不同坡改梯梯地的生態(tài)效益,以期為指導(dǎo)坡耕地治理、發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)[2-3]。

1 研究方法

1.1 試驗小區(qū)

試驗地點選在重慶開縣芋子溝小流域和渝北區(qū)木耳鎮(zhèn)后河小流域。芋子溝小流域和后河小流域基本情況相近,均位于低山丘陵區(qū),屬亞熱帶季風氣候區(qū),年均氣溫 10.8～18.5℃,年降水量 1 150.7～1 385.0 m m,降水主要集中在每年的 5—10月。

依據(jù)試驗需要布置試驗小區(qū),共設(shè)5個小區(qū),包括 3個坡度不同的坡改梯小區(qū),1個坡耕地小區(qū)和 1個休閑地小區(qū)作為對照,各小區(qū)的立地條件、土壤狀況等基本一致,其基本情況見表1。

1.2 試驗方法

(1)地表徑流量和產(chǎn)沙量的測定方法。采用徑流小區(qū)法進行試驗小區(qū)蓄水保土基礎(chǔ)效益的監(jiān)測。標準徑流小區(qū)水平投影面積 100m2,即寬 5 m(與等高線平行)、長 20m(順坡面水平投影方向),由坡面、擋水墻、集水槽、導(dǎo)水管和量水池幾部分組成,在量水池中安裝自記水位計,可以觀測降雨過程中徑流小區(qū)內(nèi)產(chǎn)流、產(chǎn)沙的變化情況。根據(jù)非標準小區(qū)樣地的實際情況,在樣地外圍修筑混凝土結(jié)構(gòu)的引水溝,將樣地內(nèi)的徑流匯集到樣地最低處,在最低處開挖一容積為 3 m3的方形蓄水池(長 2 m、寬 1.5 m、高 1m),用于降雨時蓄積地表徑流。降雨時要用蓋子將蓄水池蓋上,避免天然降雨直接落入影響測量精度。記錄每次降雨的降雨量及產(chǎn)生的徑流量,將蓄水池中積蓄的水攪拌均勻后再采集水樣,將水樣用已烘干并稱重的濾紙過濾,然后將濾紙和泥沙恒溫烘干和稱量,以測定單位體積徑流的含沙量。根據(jù)每次降雨的徑流量計算小區(qū)土壤侵蝕量,并換算成單位面積土壤侵蝕量。

表 1 試驗小區(qū)基本情況

(2)土壤理化性狀測定。土壤采樣時間為雨季結(jié)束后的 10月下旬,在各試驗小區(qū)按 S形設(shè)置采樣點,用梅花 5點取樣法采集耕作層(0～30 c m)土樣,重復(fù)采樣 3次作為分析土樣,分別對其進行理化性狀測定,取其平均值。測試方法均為常規(guī)農(nóng)化分析方法[4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 次降雨條件下的產(chǎn)沙量

在相似的次降雨條件下,選取兩個小流域不同試驗小區(qū)單位面積的產(chǎn)沙量,結(jié)果見表 2。由表 2知,在次降雨條件下,不同坡改梯方式對產(chǎn)沙量的影響是明顯的。比較相同坡度(15°)的 T1(休閑地小區(qū))、T2(坡耕地小區(qū))、T4(15°坡式梯地小區(qū))的泥沙量,T1和 T2的產(chǎn)沙量明顯高于 T4。究其原因:第一,降雨會導(dǎo)致土壤濺蝕,破壞土壤表層結(jié)構(gòu),雖然休閑地沒有受到太大的人為干擾,地表也有一部分結(jié)皮,但是其植被覆蓋率低、根系不發(fā)達,不能削弱雨滴對地表土壤的打擊力,也不能有效攔截地表的徑流和泥沙;第二,由于采取了順坡耕作方式,坡耕地耕作造成的溝道為徑流沖刷土壤提供了通道,因此產(chǎn)生的泥沙量較大;第三,坡式梯地的產(chǎn)沙量最小,這與坡式梯地可以減緩坡度、縮短坡長、減緩徑流速度有關(guān)。根據(jù)經(jīng)典的坡面徑流能量公式——拉爾(R.L a l)式,坡面單位面積的徑流能量 E=Q L ρ s i n θ(θ為坡面傾角;Q為單位面積的徑流量;L為坡長;ρ為水的密度)。由上述公式知,減緩坡面傾角和縮短坡長都能有效減少徑流能量,而徑流在土壤侵蝕過程中起著攜帶、運移土壤顆粒的作用,因此徑流能量的大小會直接影響其搬運土壤的能力,徑流能量越大可以搬運的土壤顆粒就越大,數(shù)量也越多。從表 2可以看出,坡改梯后由于坡面傾角減緩、坡長縮短,徑流能量變小,梯地的減沙效果明顯。

表 2 次降雨條件下各試驗小區(qū)產(chǎn)沙量

對比不同坡度的坡式梯地小區(qū)——T3(水平梯地小區(qū))、T4(15°坡式梯地小區(qū))、T5(20°坡式梯地小區(qū)),其產(chǎn)沙量分別為1.2、5.7、6.4 k g/hm2,其中 T3的產(chǎn)沙量相比 T4、T5要少78.95%、81.25%,T4、T5的產(chǎn)沙量則相差不大。上述結(jié)果說明相比坡式梯田,水平梯田的保土效果更優(yōu)。

2.2 次降雨條件下的地表徑流量

在相似的次降雨條件下,選取兩個小流域不同試驗小區(qū)單位面積的徑流量,結(jié)果見表 3。由表 3知,在相似次降雨條件下,不同試驗小區(qū)產(chǎn)生的地表徑流量是不一樣的。地表徑流量T1(休閑地小區(qū))＞T2(坡耕地小區(qū))＞T5(20°坡式梯地小區(qū))＞T4(15°坡式梯地小區(qū))＞T3(水平梯地小區(qū)),說明地表徑流量與坡改梯方式相關(guān),其中水平梯地徑流量最小,15°坡式梯地次之,休閑地的徑流量最大。休閑地由于地表植被覆蓋率較低,土壤侵蝕嚴重,表層土壤粗骨化,并有部分結(jié)皮,不能有效攔截水分,所以徑流量最大;坡耕地作為農(nóng)用地經(jīng)常翻耕,導(dǎo)致土壤過于松散,土粒之間黏結(jié)力較差,不能抵御雨滴濺蝕和地表徑流沖刷,因此抗侵蝕能力不強,水土保持功能較差,徑流量較大;梯地具有良好的水土保持功能,由于坡改梯改變了坡面微地形,減緩了地表徑流,并通過截水溝和排水溝將地表徑流排走,有效防止了地表徑流在梯地表面漫流,因此相比對照小區(qū),3種坡改梯小區(qū)的徑流量較小。3種坡改梯小區(qū)中水平梯地的徑流量小于 15°坡式梯地,15°坡式梯地的徑流量又小于 20°坡式梯地,這說明同為坡改梯小區(qū),水平梯地的保水效果比坡式梯地要好。另外,結(jié)合表 2、表 3知,15°坡式梯地小區(qū)的徑流量僅比水平梯地小區(qū)多 17.26%,其泥沙量卻是水平梯地小區(qū)的4.75倍,可見由于坡度的問題,坡式梯地徑流具有更大的攜沙能力。

表3 次降雨條件下各試驗小區(qū)徑流量

2.3 物理性狀對比

土壤物理性狀反映了土壤的保水能力,其中土壤容重反映了土壤松緊程度,容重小表示土壤疏松多孔、結(jié)構(gòu)性良好,反之則表示土壤緊實板結(jié);土壤孔隙一般用孔隙度表示,即單位土壤容積內(nèi)孔隙所占的百分數(shù),反映了土壤的通透性[5];土壤含水率則反映了土壤的持水能力。各試驗小區(qū)表層土壤的容重、孔隙度及含水率見表 4。

表4 各試驗小區(qū)土壤物理性狀對比

一般情況下,土壤容重小說明土壤孔隙多、比較疏松、結(jié)構(gòu)性好,因此容重是反映耕作質(zhì)量的重要指標[6]。由表 4知,水平梯地、坡式梯地小區(qū)的土壤物理性狀均優(yōu)于沒有采取水土保持措施的休閑地和坡耕地。相比坡耕地,水平梯地的土壤容重小 0.40 g/c m3,孔隙度高 9.78百分點,含水率高 3.0百分點;15°坡式梯地土壤容重小 0.31g/c m3,孔隙度高 8.81百分點,含水率高 2.70百分點;20°坡式梯地土壤容重小 0.20 g/c m3,孔隙度高 7.44百分點,含水率高 2.01百分點。

經(jīng)方差分析,水平梯地與 20°坡式梯地相比,容重、孔隙度、含水率 3個指標的差異均達到顯著水平;與 15°坡式梯地相比,除含水率外,容重、孔隙度差異均不明顯。綜合對比不同坡改梯小區(qū)的土壤理化性狀,總體表現(xiàn)為水平梯地略優(yōu)于 15°坡式梯地,15°坡式梯地優(yōu)于 20°坡式梯地。

2.4 土壤養(yǎng)分對比

各試驗小區(qū)表層(0～20 c m)土壤養(yǎng)分測定結(jié)果見表 5。

表5 各試驗小區(qū)土壤養(yǎng)分含量

由表 5知,水平梯地、坡式梯地小區(qū)土壤養(yǎng)分含量都比沒有采取水土保持措施的休閑地和坡耕地小區(qū)高。經(jīng)方差分析,水平梯地、坡式梯地小區(qū)土壤養(yǎng)分含量與坡耕地、休閑地小區(qū)相比,除全磷外,其他差異均達到了顯著水平或者極顯著水平。這說明坡改梯改變了地塊微地形,將徑流順排水溝排走,減少了土壤養(yǎng)分流失。除全氮含量外,坡耕地小區(qū)的土壤養(yǎng)分含量均低于休閑地小區(qū),究其原因,可能是由于休閑地小區(qū)覆蓋短小雜草,很大一部分降雨沿草皮頂部流失了,只有一小部分徑流沖刷到土壤,故雖然休閑地小區(qū)底部收集的徑流量比坡耕地小區(qū)大,但其養(yǎng)分流失量卻比坡耕地小區(qū)小。

對水平梯地、坡式梯地小區(qū)(15°、20°)的土壤養(yǎng)分含量進行比較可知,對于有機質(zhì)、全鉀含量,三者之間無明顯差異;對于全氮含量,水平梯地、15°坡式梯地與 20°坡式梯地差異均達到顯著水平,水平梯地與 15°坡式梯地之間則無明顯差異;對于全磷含量,水平梯地與 20°坡式梯地差異達到顯著水平,水平梯地與 15°坡式梯地、15°坡式梯地與 20°坡式梯地則無明顯差異。綜上所述,水平梯地在保持土壤養(yǎng)分效果方面,尤其是全氮、全磷含量,較坡度較陡的坡式梯地具有一定的優(yōu)越性,有機質(zhì)、全鉀含量則不具優(yōu)越性。

3 結(jié)果與討論

(1)相同坡度(15°)的試驗小區(qū),單位面積產(chǎn)沙量的大小依次為:T1(休閑地小區(qū))＞T2(坡耕地小區(qū))＞T4(15°坡式梯地小區(qū))。

(2)比較不同坡改梯方式的產(chǎn)沙量,結(jié)果為 T3(水平梯地小區(qū))＜T4(15°坡式梯地小區(qū))＜T5(20°坡式梯地小區(qū)),其中T3的產(chǎn)沙量分別比 T4、T5少 78.95%、81.25%,T4、T5則相差不大。

(3)不同坡改梯方式產(chǎn)生的徑流量是不一樣的,表現(xiàn)為 T1(休閑地小區(qū))＞T2(坡耕地小區(qū))＞T5(20°坡式梯地小區(qū))＞T4(15°坡式梯地小區(qū))＞T3(水平梯地小區(qū))。

(4)將 T3(水平梯地小區(qū))與 T4(15°坡式梯地小區(qū))的水土保持效果進行比較可知:T3單位面積徑流量為 3.07 L/m2,T4為 3.60 L/m2;T3單位面積產(chǎn)沙量為 0.000 12 k g/m2,T4為0.000 57k g/m2。雖然坡式梯地的水土保持效果沒有水平梯地理想,但是其流失量已減少到允許范圍內(nèi)。

(5)在保持養(yǎng)分的效果方面,水平梯地在全氮、全磷含量方面較坡度較陡的坡式梯地具有一定的優(yōu)越性,而有機質(zhì)、全鉀含量則不具優(yōu)越性。在改善土壤物理性狀方面,水平梯地和坡式梯地相比,總體表現(xiàn)為水平梯地略優(yōu)于 15°坡式梯地,15°坡式梯地優(yōu)于 20°坡式梯地。

[1]史立人.長江流域的坡耕地治理[J].人民長江,1999,30(7):25-27.

[2]胡建民,胡欣,左長清.紅壤坡地坡改梯水土保持效應(yīng)分析[J].水土保持研究,2005,12(4):271-273.

[3]陳旭暉,周長華.生物梯化的水土保持措施效應(yīng)研究[J].水土保持研究,1998,5(2):163-176.

[4]楊劍虹.土壤理化分析[M].北京:中國大地出版社,2008:18-69.

[5]黃昌勇.土壤學(xué)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2000:185-186.

[6]徐寧,吳兆錄,李正玲.滇西北亞高山不同土地利用類型土壤容重與根系生物量的比較研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36(5):1961-1963.

S 157

A

1000-0941(2011)06-0032-03

鄧嘉農(nóng)(1954—),男,重慶渝中區(qū)人,高級工程師,學(xué)士,主要從事水土保持監(jiān)測與規(guī)劃研究方面的工作。

2011-01-15

(責任編輯 李楊楊)