紫色土坡耕地細溝侵蝕的防治

唐成毅 嚴冬春 龔長文 向茂青

（1.成都理工大學 圖書館，成都610059；2.中國科學院 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點實驗室，成都610041；3.重慶市忠縣水務(wù)局 水土保持監(jiān)測站，重慶 忠縣404300）

細溝侵蝕是坡面土壤侵蝕的主要形式之一［1］。細溝一旦形成，坡面薄層水流轉(zhuǎn)變?yōu)楣闪?，其水力學特征發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)變，侵蝕動力增強，水流侵蝕形態(tài)由對單個土壤顆粒的搬運轉(zhuǎn)變?yōu)閷ν寥缐K體崩解、分散、輸移的過程，侵蝕量劇增。已有的研究表明，細溝的發(fā)生坡面侵蝕產(chǎn)沙量將增加幾倍至幾十倍［2］，黃土高原細溝侵蝕量甚至占坡面總侵蝕量的70%以上［3－5］。傳統(tǒng)觀念認為坡耕地上形成的細溝僅通過耕作措施即可以將其平復(fù)，不需要特殊的土壤保持措施。事實上，即使通過耕作措施將細溝平復(fù)還是會在坡面上形成負地形，再次降雨情況下很容易出現(xiàn)細溝，甚至形成惡性循環(huán)［6］。基于對細溝侵蝕在坡面侵蝕中的重要地位的認識，國內(nèi)外學者在細溝的發(fā)生、發(fā)展、侵蝕輸沙等方面開展了大量研究［7－10］。對于某一坡度的地塊，一次暴雨中細溝總是表現(xiàn)在一定的坡長處發(fā)生。這是由于細溝侵蝕的發(fā)生需要一定的坡長來匯集徑流，這一坡長稱為細溝發(fā)生的臨界坡長［11］。通過暴雨試驗調(diào)查出細溝發(fā)生的臨界坡長，進而在臨界坡長處通過各種措施控制暴雨下細溝的發(fā)生將極大地降低坡面侵蝕量。

紫色土是中國西南山區(qū)主要的土壤資源之一，以四川盆地最為集中［12］。紫色土風化速度快、養(yǎng)分儲量豐富，歷來是農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要區(qū)域；紫色土耕地面積約占四川省耕地總面積的68%［13］。而紫色土大部分為風化碎屑土且土層淺薄，在長江流域季風性暴雨作用下侵蝕強烈，侵蝕模數(shù)高達3 798～9 831t／（km2·a），是長江上游主要的侵蝕產(chǎn)沙區(qū)之一［14，15］。長期以來，對紫色土坡耕地的水土保持基本沿用了黃土高原的治理措施，忽視了長江上游紫色土坡面產(chǎn)流及水土流失規(guī)律與黃土區(qū)存在的差別，出現(xiàn)了片面強調(diào)采取攔截、蓄滲地表徑流的措施防治水土流失的現(xiàn)象，這就形成了雖然長江上游地區(qū)水土流失治理面積在不斷增加，而對河流輸沙的減少效果并不明顯的矛盾［16，17］。以往紫色土坡耕地細溝侵蝕的研究相對較少，針對紫色土細溝侵蝕防治措施的報道更少。因此，本文總結(jié)了“十一五”期間紫色土細溝侵蝕防治的相關(guān)進展及其成效，以期為紫色土坡耕地水土流失綜合治理提供參考。

1 紫色土坡耕地細溝侵蝕的特征

分別在典型紫色土試驗研究站（鹽亭站（E105°27′，N31°16′）、三 峽 站 （N30°24′53″，E108°10′25″））的徑流小區(qū)上，采用人工模擬降雨試驗方法，試驗觀測了紫色土細溝侵蝕的發(fā)生、發(fā)展過程。試驗前調(diào)查了鹽亭站和三峽站近年來的降雨資料，鹽亭站2003年以來的降雨數(shù)據(jù)表明，暴雨15次，最大一次降雨量為196.2mm，最大10min雨強為111.69mm／h；三峽站2000～2009年的降雨數(shù)據(jù)表明，暴雨32次，最大一次降雨量為178.5mm，最大10min雨強為136.3mm／h?；谇叭搜芯恐薪涤陱姸扰c侵蝕量的正相關(guān)關(guān)系，試驗采用兩地最大雨強，即鹽亭站試驗采用110mm／h，三峽站試驗采用130mm／h。通過對細溝發(fā)生過程的觀察，細溝發(fā)生的判定以跌坑貫穿為標志。觀察到細溝成型后停止降雨，測量坡面細溝的溝頭到坡頂?shù)木嚯x，細溝侵蝕量采用填充法測量，坡面總侵蝕量通過收集徑流池的淤積泥沙烘干后稱質(zhì)量得到。

試驗結(jié)果表明（表1）：在2m×8m的小區(qū)上，控制含水量在25%左右時，在當?shù)氐湫捅┯杲涤陱姸认录殰锨治g量隨坡度遞增；10°，15°，20°，25°小區(qū)細溝侵蝕量占坡面總侵蝕量的比例分別為28.61%，57.66%，80.66%和91.16%。細溝發(fā)生的臨界坡長隨坡度的增大而縮短，10°，15°，20°，25°小區(qū)上細溝溝頭出現(xiàn)的順坡長度平均值分別為6.19m，4.15m，2.75m，1.57m。

分析不同坡度坡面細溝發(fā)生的臨界坡長發(fā)現(xiàn)，參照前人在黃土區(qū)做的實驗［11］，采用二次拋物線方程能較好地反映臨界坡長與坡度的關(guān)系

其中：lr為臨界坡長；α為坡度；可決系數(shù)R2達到0.999 3。將上式兩邊對坡度求導數(shù)，求得紫色土坡面細溝發(fā)生臨界坡長的拐點坡度為35.5°。拐點坡度存在的原因，可以從坡面產(chǎn)流過程來加以探討。紫色土坡地由于土層薄、結(jié)構(gòu)松散，一般為蓄滿產(chǎn)流。暴雨過程中，紫色土坡面表層土壤很快飽和，土壤顆粒之間黏結(jié)力降低，入滲率降低，徑流匯集啟動泥沙所需要的坡長變短。而隨著坡度的增大，在土壤顆粒自重分力增大的作用下，徑流匯集產(chǎn)生細溝的坡長進一步變短。但是，隨著坡度的進一步增大，紫色土坡面的壤中流排泄加快，入滲率增大，相同雨強下匯集徑流所需用的坡長反而增大。紫色土坡面試驗的細溝侵蝕臨界坡長遠小于文獻［11］的原因，主要是由于雨強的差異。從細溝發(fā)生本身的過程來看，無論紫色土坡面還是黃土坡面，細溝的發(fā)生均以水流跌坑的貫穿為標志；而水流跌坑的順坡分布在初期比較均勻，大雨強時徑流匯集能量貫穿順坡跌坑所需坡長變短。至于紫色土坡面細溝發(fā)生臨界坡長的拐點坡度大于文獻［11］的結(jié)果，由于試驗條件差異太大，這里不做比較。

2 紫色土坡耕地細溝侵蝕防治措施

細溝的發(fā)生總是表現(xiàn)在一定的坡長處，查明當?shù)氐湫捅┯晏卣鞯那疤嵯?，通過暴雨試驗調(diào)查出細溝發(fā)生的臨界坡長，進而通過各種措施在臨界坡長處截斷徑流將極大地降低細溝侵蝕發(fā)生的概率。基于這一思路，“十一五”國家科技支撐計劃長江上游坡耕地整治項目組開展了大量試驗研究，并在中國科學院三峽庫區(qū)水土保持與環(huán)境研究站構(gòu)建了實體模式?？傮w歸納起來，控制細溝侵蝕的措施主要包括植物籬（圖1）、“地?。参锘h”（圖2）和“大橫坡＋小順坡”（圖3）3種模式。

植物籬模式主要在坡度較緩（α＜10°）的長順坡上，以細溝發(fā)生的臨界坡長為間距種植植物籬。植物籬品種包括喬木、灌木和草本類，據(jù)中國科學院三峽站篩選的植物籬品種包括黃花、韭菜、哈哈草、桂牧一號、柑橘等?！暗毓。参锘h”模式主要在坡度較陡（α＞10°）的地塊上，按照細溝發(fā)生的臨界坡長修筑地埂，并在地埂的埂坎上種植植物籬，既防治典型暴雨降雨條件下地塊內(nèi)細溝侵蝕，又可以利用植物根系固結(jié)地埂?！按髾M坡＋小順坡”模式的思路來源于當?shù)剞r(nóng)民“橫坡整地，順坡種植”的耕作習慣，適用范圍較廣，采用橫坡截流溝在臨界坡長處截斷徑流，避免細溝侵蝕的發(fā)生。其主體結(jié)構(gòu)與“地埂＋植物籬”措施相似，除地塊上部的背溝和下部的邊溝外，地塊內(nèi)部還有橫坡截流溝，增大了兩地埂之間的間距，降低修筑地埂的成本。其中，背溝主要是攔截上方坡地徑流；地塊前緣邊溝的功能，主要是攔截、滯留地塊產(chǎn)出的徑流，沉積泥沙。橫坡截流溝的功能主要是減短坡長，在細溝可能發(fā)生的臨界坡長處開挖水平溝，避免侵蝕細溝的發(fā)生，攔截、滯留上部地塊產(chǎn)出的徑流，沉積泥沙；當然還可供田間行走。每年冬天，農(nóng)民還要挑沙面土，將水平溝道內(nèi)沉積的泥沙回返到耕地內(nèi)。

表1 紫色土坡耕地細溝侵蝕比例及其臨界坡長Table 1 Critical length and rate of rill erosion on the purple soil slope cultivated land

圖1 植物籬措施剖面示意圖Fig.1 Sketch map of the hedge measure section

圖2 “地?。参锘h”措施剖面示意圖Fig.2 Sketch map of the“ridge and hedge”measure section

圖3 “大橫坡＋小順坡”耕作措施剖面示意圖Fig.3 Sketch map of“downslope ridge tillage and cross trenches”cultivating measure section

3 紫色土坡耕地細溝防治措施初步成效

通過在三峽庫區(qū)的野外調(diào)查和對構(gòu)建在三峽站內(nèi)實體模式的觀測分析發(fā)現(xiàn)，3種治理措施的成效如下。

a.植物籬能有效改良土壤、提高土壤抗蝕性、增加土壤肥力。通過對重慶江津的坡耕地原位調(diào)查發(fā)現(xiàn)（表2）：喬木類、草本類和灌木類3種不同類型植物籬帶內(nèi)土壤有機質(zhì)比帶間坡耕地分別增加53%，45%和79%；全氮的含量分別增加了61.5%，61.3%，127.6%；水解氮的含量分別增加了71.6%，8.4%，88.4%；全磷的含量分別增加了40.8%，25%，183.8%；土壤速效磷的含量分別增加了83.7%，138.6%，226.5%；土壤全鉀的含量分別增加了10.6%，2.1%，29.3%；土壤速效鉀的含量分別增加了121.7%，126.4%，210.9%；土壤陽離子交換量分別增加了34.9%，0.4%，29.3%。植物籬的缺點在于植物籬種植在田塊內(nèi)，不可避免地要與田間作物發(fā)生競爭，且其攔沙效率與植物籬密度有關(guān)。

b.“地?。参锘h”兼具了地埂和植物籬的雙重功能。在地埂上種植經(jīng)濟價值較高的植物籬，既充分利用了有限的土地資源，提高坡地產(chǎn)量，又起到了植物根系固結(jié)地埂的功效。通過在徑流小區(qū)上設(shè)置不同高度的地埂種植植物籬的試驗觀測發(fā)現(xiàn)（表3）：與無地埂植物籬比較，暴雨中“土埂＋哈哈草”模式能有效降低地表徑流一半以上，侵蝕量降低70%以上。

表2 不同類型植物籬土壤養(yǎng)分Table 2 Soil nutrient contents in different hedge styles

表3 “地?。参锘h”產(chǎn)流產(chǎn)沙量Table 3 Observation results of runoff and sediments on“ridge and hedge”measure pots

采用137Cs法對野外多年“土?。r麻籬”地塊侵蝕模數(shù)的測定結(jié)果表明（表4），“土?。ヂ榛h”地塊的侵蝕模數(shù)為802.50t／（km2·a），相鄰坡耕地的侵蝕模數(shù)為2 299.70t／（km2·a），“土?。r麻籬”減蝕效率達65%，顯示了良好的減蝕效益。

表4 137Cs法調(diào)查多年“土?。r麻籬”侵蝕－堆積模數(shù)Table 4 Soil erosion rate on the“ridge and hedge”measure pots by 137 Cs technique

通過對不同地埂植物籬的經(jīng)濟效益統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，江津示范點種植花椒植物籬后產(chǎn)值為801.6元／畝，而傳統(tǒng)順坡耕作種植玉米的產(chǎn)值為653.2元／畝，每畝增產(chǎn)148.4元。忠縣石寶鎮(zhèn)示范點引種“桂牧一號”牧草植物籬單月生物量達到23.3 kg／m2，推廣當?shù)仞B(yǎng)殖梅花鹿，每畝種植植物籬30～50m2，可供養(yǎng)2頭梅花鹿，增收600元／畝，目前已經(jīng)幫扶注冊1家養(yǎng)殖100頭梅花鹿的“三峽鹿園”養(yǎng)殖場；“土埂＋黃花”模式采用地坎黃花密植45m－2，畝產(chǎn)鮮黃花25kg，市價5.6元／kg，凈增產(chǎn)值140元／畝。

c.“大橫坡＋小順坡”耕作模式與長順坡耕作模式相比，可有效減少徑流量41.7%～59.6%?！按髾M坡＋小順坡”耕作模式相比傳統(tǒng)順坡耕作，在各種降雨條件下都表現(xiàn)出了較好的保土性能；尤其是在強降雨條件下，其保土性能更為顯著，與傳統(tǒng)順坡耕作模式相比降低侵蝕量43.0%?！按髾M坡＋小順坡”措施的攔沙減蝕效果低于“地埂＋植物籬”措施的原因，在于地塊坡長是后者的2倍，產(chǎn)生的地表徑流量大，暴雨中部分徑流通過橫坡截流溝排出地塊，帶走部分泥沙?！按髾M坡＋小順坡”耕作模式養(yǎng)分流失總量均顯著小于全順坡耕作模式，其中總磷流失總量為對照模式的25.3%～48.2%，可溶性磷為對照模式的23.2%～42.3%；總氮流失總量為對照模式的26.7%～42.3%，溶性氮流失總量為對照模式的25.4%～38.6%；全鉀流失總量為對照模式的32.2%～49.5%，速效鉀流失總量為對照模式的29.5%～47.2%。

對于暫時無法實施坡改梯的地區(qū)，“大橫坡＋小順坡”模式具有暫時的替代作用，其綜合了植物籬與“地?。参锘h”兩種措施的優(yōu)點，且造價低、節(jié)省勞力。據(jù)三峽站的測算，以目前農(nóng)村勞動力挖填土工資30元／m3計算，1畝“大橫坡＋小順坡”模式構(gòu)建成本包括橫坡截流溝挖土和邊溝、背溝挖土、地埂修筑，典型區(qū)“大橫坡＋小順坡”模式構(gòu)建成本在不同坡度地塊分別為：231元／畝（10°）、257元／畝（15°）、310元／畝（20°）和415元／畝（25°）。

4 結(jié)語

坡耕地是紫色土區(qū)域典型的土地利用方式，細溝侵蝕是紫色土坡面侵蝕的主要形式之一。試驗研究發(fā)現(xiàn)10°，15°，20°，25°小區(qū)細溝侵蝕量占坡面總侵蝕量的比例分別為28.61%，57.66%，80.66%和91.16%；細溝溝頭出現(xiàn)的順坡長度平均值分別為6.19m，4.15m，2.75m，1.57m：通過各種措施控制細溝的發(fā)生將大大降低坡面侵蝕量?！笆晃濉逼陂g，國家科技支撐計劃長江上游坡耕地整治項目組在大量試驗研究的基礎(chǔ)上，提出主要包括植物籬、“地?。参锘h”和“大橫坡＋小順坡”3種模式控制細溝侵蝕的措施。初步的效益觀測發(fā)現(xiàn)，3種模式均具有較好的生態(tài)、經(jīng)濟效益；尤其是“大橫坡＋小順坡”模式，兼具了植物籬與“地?。参锘h”兩種措施的優(yōu)點，且造價低、節(jié)省勞力，具有較好的推廣前景，特別是暫時無法實施坡改梯的廣大偏遠山區(qū)。

本文數(shù)據(jù)來源于“十一五”國家科技支撐計劃“長江上游坡耕地整治與高效生態(tài)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)試驗示范”項目（2008BAD98B00），由于項目組成員很多，就不一一列出。

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