大棚梯田侵蝕規(guī)律及其防蝕措施

張夢杰，高建恩，，，王顯文，李興華，賈立志

黃土高原退耕還林工程于1997—2002年全面實施，保障糧食安全和退耕還林協(xié)調(diào)發(fā)展成為新的問題［1－2］。大棚梯田作為一種高效利用水土資源的新形式受到廣泛推廣，大棚數(shù)量和效益不斷提高。但是，由于大棚梯田的防護措施不完善導致侵蝕加劇，增加了流域內(nèi)產(chǎn)流產(chǎn)沙量，大棚梯田的高效生產(chǎn)受到威脅。

目前，關于梯田水沙效應研究較多，眾多研究［3－5］表明水平梯田能夠有效攔蓄徑流和泥沙，年均削減暴雨徑流效益在80%以上，年均減沙效益在90%以上。次降雨條件下水平梯田蓄水效益的最大值為97.15%，最小值為70.15%；當次降雨綜合參數(shù)PI、汛期雨量、年產(chǎn)流降雨量分別小于20.00mm2／min，350mm和125mm時，蓄水保土效益均為100%。蓄水保土效益差異主要受次降雨量和累計降雨量的影響。不同梯田質(zhì)量對梯田的蓄水攔沙效率差異較大，徐乃民等［6］按水平梯田質(zhì)量將其分為4類分別為：符合設計標準，田坎完好，田面平整或成反坡；邊埂部分破壞，田面基本水平或坡度小于2°；埂坎破壞嚴重，田面坡度在2°～5°之間；埂坎破壞嚴重，沒有地邊埂，田面坡度大于5°。然而針對水平梯田上修建大棚后，大棚梯田水土流失過程與蓄水減沙效益方面的研究較少。本研究選取黃土高原丘陵溝壑區(qū)陜西省安塞縣馬家溝流域龍泉寺典型大棚梯田，對大棚梯田的侵蝕狀況進行研究，為科學有效防止大棚梯田土壤侵蝕，減少流域產(chǎn)流產(chǎn)沙，保障大棚安全高效生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

安塞縣地處西北內(nèi)陸黃土高原腹地，屬典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，為中溫帶大陸性半干旱季風氣候，海拔1 010～1 358m，年平均氣溫8.8℃，年平均降水量505.3mm。安塞縣發(fā)展大棚梯田已有15a，目前大棚梯田已具備一定的規(guī)模，質(zhì)量效益逐年提高。安塞縣黃土的抗沖性和抗蝕性弱［7－8］，在暴雨條件下，大量的表土在降雨徑流的強烈侵蝕下匯至江河，造成黃河及其支流含沙量大，洪峰高，河道淤積嚴重［9］。2013年7月以來的持續(xù)強降雨對安塞縣大棚梯田產(chǎn)生嚴重的侵蝕損毀，給當?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展造成巨大損失。

馬家溝流域位于安塞縣城西，屬于延河一級支流，地理位置處在北緯36°31′—37°19′，東經(jīng) 108°51′—109°26′之間。龍泉寺梯田大棚所處位置為36°89′N，109°23′E。選取該地9階大棚梯田，大棚梯田編號由下至上分別為1—9號，每階大棚梯田尺寸及大棚外側(cè)梯田的土地利用方式詳見表1。

表1 大棚梯田概況

1.2 研究方法

首先，利用Leica（萊卡）TCRA1202＋全站儀和Unistrong（集思寶）MG838＋手持GPS對大棚梯田在2013年7月暴雨后侵蝕地形進行量測。然后，利用南方CASS 7.0軟件將測量的地形數(shù)據(jù)繪制成CAD圖，利用ArcGIS 10.1對測量CAD圖中大棚外側(cè)梯田侵蝕量進行了計算。2013年7月安塞縣降雨資料是在從陜西省水利廳網(wǎng)站雨情簡報下載收集［10］。

徑流總量計算公式為：

式中：W——徑流總量（m3）；F——降雨總量（mm）；S——攔截降雨面積（m2）；?——集流效率。

通過8組3個重復試驗，測定土層深度為20—30cm土壤容重，其值整體差異不大，土壤平均容重為1.18g／cm3。大棚梯田防蝕措施的直接經(jīng)濟效益計算中，費用參照當?shù)啬壳皩嶋H價格：灌溉水費用2.5元／m3，人工費200元／d。

2 結(jié)果與討論

2013年進入汛期以后，受冷空氣和副熱帶高壓外圍偏南濕氣流影響，研究區(qū)域從7月2日開始降雨，截止31日持續(xù)強降雨累計達524mm，是該區(qū)域年平均降水量的1.04倍，日最大降水量高達100 mm，屬百年一遇大暴雨。大棚梯田在暴雨條件下受到強烈的侵蝕，大棚外側(cè)梯田產(chǎn)生大面積侵蝕溝，侵蝕溝的平均深度為1.15m，最深達3m。降雨徑流的沖刷侵蝕使大棚梯田形成了深度深且面積大的侵蝕溝，侵蝕溝貼近大棚基部，部分侵蝕溝已經(jīng)進入到大棚內(nèi)部，破壞了大棚的安全穩(wěn)定，增加了梯田的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，破壞了梯田保水保土效益，降低了農(nóng)民的經(jīng)濟收益。

2.1 大棚梯田侵蝕面積和侵蝕量

各階大棚梯田的侵蝕面積和侵蝕量的量測結(jié)果詳見表2。侵蝕面積最大的是第9階大棚，侵蝕面積為39.49m2，侵蝕量為24.11m3；侵蝕面積最小的是第4階大棚，面積為3.99m2，侵蝕量為5.64m3；由表2可以看出，侵蝕面積較小的發(fā)生在第3，4和8階梯田大棚，分別為5.24，3.99和4.25m2，侵蝕面積分別占大棚外側(cè)梯田面積的1%，1.3%，0.85%。3，4，8階梯田大棚由于在貼近大棚基部處形成一個自然淺渠，并且大棚塑料布鋪設在渠道內(nèi)，所以棚面所產(chǎn)生的降雨徑流通過渠道排走，減少流入大棚外側(cè)空地徑流量，減少侵蝕；第3，4階梯田大棚外側(cè)空地種植西瓜采用了壟狀耕作，地表徑流被分段攔蓄，地表徑流流速及流量減小。渠道攔截排導大棚棚面徑流可以減少侵蝕面積70%以上，減少侵蝕量57%以上。第8階梯田大棚外側(cè)空地由于沒有耕作，土壤未被擾動，其抗沖和抗蝕能力強［11］，侵蝕面積和侵蝕量明顯減小。第9階大棚由于長度是其它大棚的2倍，大棚棚面產(chǎn)生徑流量大，侵蝕面積和侵蝕量相對較大。

表2 梯田大棚徑流量及侵蝕量

2.2 大棚梯田侵蝕與大棚面積的關系

作為集流面，塑料大棚集流效率可以達到85.4%以上［12］，產(chǎn)生徑流量大。擬合分析結(jié)果表明，大棚梯田侵蝕量與大棚面積呈正相關關系，大棚梯田侵蝕量隨大棚面積的增加而增加。

不同類型的植被和耕作方式其對降雨的集流效率和水土流失的影響存在差異［13－14］。梯田侵蝕量在第3，4階梯田突然變小，是由于大棚基部的渠道及梯田壟狀耕作共同作用，有效的減少了梯田徑流量，減少侵蝕量。當降雨強度增加時，草地徑流量和產(chǎn)沙量增加明顯，最大增加可達3倍［15］。因此，1，2，6階梯田侵蝕量明顯高于其它梯田，平均侵蝕模數(shù)較大。大棚梯田累計徑流量及棚面產(chǎn)生徑流量詳見表2。通過表2可以看出，第9階梯田大棚由于建造長度太長，不符合國標 GB／T10594—2006的要求［16］，累計434.60m3的集雨量，其棚面在連續(xù)強降雨期間收集雨水量為358.35m3，空地收集雨水量為76.24m3。測量過程發(fā)現(xiàn)，該階梯田所有徑流均流向中部低洼處，在中部出現(xiàn)長21.8m、深度為1.2m的侵蝕溝，同時沖毀下一階梯田的內(nèi)墻壁，對大棚安全造成巨大威脅。

單位面積梯田上大棚面積所占比例決定了大棚徑流量。通過圖1可以看出在大棚比例小于0.5時，平均土壤侵蝕模數(shù)與大棚比例呈正相關關系，平均土壤侵蝕模數(shù)小于469.7t／km2，屬微度侵蝕。因此，大棚梯田在無相應防蝕措施情況下，大棚比例應該小于0.5。平均土壤侵蝕量最小的3座大棚由于其梯田部分采取了渠道攔截大棚徑流、壟狀耕作及免耕的水保措施，平均土壤侵蝕模數(shù)較小，說明大棚梯田防蝕措施能夠有效地減少侵蝕。

表2可以得知，大棚攔截降雨產(chǎn)生徑流量占大棚梯田徑流總量的75%以上，大棚棚面攔截降雨量成為梯田侵蝕的主要外營力，大棚棚面所攔截產(chǎn)生的徑流量對梯田的侵蝕量起決定性作用。梯田侵蝕量與大棚棚面徑流量關系可用對數(shù)函數(shù)進行描述，擬合得到侵蝕量與棚面徑流量關系式為：

式中：A——月累計侵蝕量（m3）；Q——棚面月累計徑流量（m3）。

圖1 大棚面積比例與土壤平均侵蝕量關系

吳發(fā)啟等［17］研究表明，黃土高原土壤侵蝕總量主要是由20mm／h左右的降雨引起的，可占總侵蝕量的44.3%。土壤侵蝕模數(shù)與PI30和PI45關系最為密切。謝云等［18］研究表明黃土高原坡面侵蝕的侵蝕性降雨雨量標準12mm，平均雨強標準0.04mm／min，最大30min雨強標準0.25mm／min。利用擬合結(jié)果可以求得當侵蝕量為0時，月累計徑流量值為70.9m3，結(jié)合吳發(fā)啟，謝云等研究結(jié)果，即在大棚梯田無防蝕措施情況下，月累計徑流量小于70.9m3時，次降雨強度小于0.04mm／min，大棚梯田不會產(chǎn)生侵蝕。大棚長60m，寬7m，大棚比例為0.45計算，發(fā)生侵蝕臨界月累計降雨臨界值為198mm，且次降雨強度小于0.04mm／min。

2.3 梯田大棚防蝕措施

本研究結(jié)果表明，大棚面積與侵蝕量呈正相關關系。因此，合理設計大棚長度、單位面積梯田上大棚面積所占比例能夠有效地控制侵蝕量。大棚梯田侵蝕的主要營力是大棚棚面攔截降雨所產(chǎn)生的徑流，其徑流量占梯田徑流總量的75%以上，因此，必須對棚面收集的雨水進行調(diào)控。同時，梯田不同土地利用方式對梯田抗蝕、抗沖性存在差異，通過科學合理的耕作方式減少土壤侵蝕。根據(jù)國標 GB／T10594—2006［16］及大棚面積與侵蝕量關系，在沒有相關大棚梯田防蝕措施情況下，建議大棚修建長度為50～60 m，大棚所占比例應小于0.5，根據(jù)實際地形合理選擇。利用在大棚基部開挖渠道攔截收集棚面徑流，渠道中鋪設油毛氈進行防滲和防蝕。在梯田修筑橡塑水窖，利用水窖貯存攔截徑流。設計水窖將降雨徑流全部收集存貯，水窖容量的設計采用10年一遇的暴雨標準（十年一遇暴雨歷時50min，降雨強度為1.0 mm／min），使用30年一遇的暴雨標準進行校核。水窖窖容為22.5m3（根據(jù)地形設計水窖尺寸為：長15m，寬1m，深1.5m）。由于溝壟能夠阻擋，攔蓄了部分徑流，促使其下滲量增大；并且溝壟改變了微地形，增大了地表粗糙度［19］。所以壟狀耕能夠分段攔截梯田徑流，減小徑流動能，減少侵蝕量。免耕減少對土壤擾動，提高了土壤的抗沖和抗蝕能力，可以有效地減少地表徑流，減少侵蝕量［20］。水保耕作處理作物殘茬、免耕、留茬及秸稈還田等措施也能夠有效減輕暴雨侵蝕［21－23］。

2.4 大棚梯田防蝕效益分析

黃土高原干旱缺水，利用橡塑水窖收集天然降雨用于大棚作物灌溉。橡塑水窖水質(zhì)較好可做飲用水和灌溉用水標準［24］。大棚作物需水量較大，例如西紅柿的實際灌溉量為4.1～5.6mm／d［25］。安塞降雨主要集中在6—9月，占全年降雨量的85.6%［26］，水窖可以收集全部降雨利用。按研究區(qū)年平均降水505.3mm來計算，每口水窖每年平均可收集雨水181m3用于大棚作物灌溉，可節(jié)省灌溉費用452.5元。通過渠道和水窖調(diào)控棚面徑流，從而減少梯田侵蝕，年均減少侵蝕11.16m3，可節(jié)省回填費用400元。

3 結(jié)論

（1）黃土高原丘陵溝壑區(qū)大棚梯田侵蝕嚴重，在無防護條件下，梯田侵蝕量與大棚面積呈正相關關系。大棚攔截降雨產(chǎn)生的徑流是梯田侵蝕的主要營力，梯田侵蝕量與大棚產(chǎn)生的徑流量成對數(shù)關系。無防蝕措施條件下，梯田臨界侵蝕月累計徑流流量為70.9m3，即降雨量為198mm。

（2）在不采取大棚梯田防蝕措施條件下，建議大棚修建長度為50～60m，大棚面積所占比例應小于0.5。該條件下大棚梯田單位面積侵蝕量小于469.7 t／km2，屬于微度侵蝕。

（3）需改進梯田大棚設計，利用大棚基部修筑渠道攔截棚面徑流，通過壟狀耕作及免耕等水土保持耕作措施可以有效控制大棚梯田地表徑流量，減少侵蝕量。利用水窖將攔截徑流全部收集存貯，并用于大棚作物灌溉。最終實現(xiàn)黃土高原丘陵溝壑區(qū)水沙調(diào)控和降雨徑流高效利用的目的，解決干旱與水土流失并存的矛盾。

［1］ 唐克麗.退耕還林還牧與保障食物安全的協(xié)調(diào)發(fā)展問題［J］.中國水土保持，2000（8）：35－37.

［2］ 秦建明，陳程.我國退耕還林還草歷史發(fā)展階段及其政策演變［J］.農(nóng)業(yè)技術經(jīng)濟，2005（1）：58－63.

［3］ 吳發(fā)啟，張玉斌，王健.黃土高原水平梯田的蓄水保土效益分析［J］.中國水土保持科學，2004，2（1）：34－37.

［4］ 徐乃民，張金慧.水平梯田蓄水減沙效益計算探討［J］.中國水土保持，1993（3）：32－34.

［5］ 趙文禮.黃河流域的梯田［J］.中國水土保持，1983（2）：36－40.

［6］ 徐乃民，張金慧.水平梯田蓄水減沙效益計算探討［J］.中國水土保持，1993（3）：32－34.

［7］ 朱顯謨.黃土高原水蝕的主要類型及其有關因素［J］.水土保持通報，1982，2（1）：25－30.

［8］ 王佑民，郭培才，高維森.黃土高原土壤抗蝕性研究［J］.水土保持學報，1994，8（4）：11－16.

［9］ 吳普特，高建恩.黃土高原水土保持與雨水資源化［J］.中國水土保持科學，2008，6（1）：107－111.

［10］ 陜西省水利廳.雨晴簡報［OL］.（2013－12－02）［2014－05－05］.http：∥www.sxmwr.gov.cn／fw－zxfw－yqjb－1－155－60.

［11］ 郭賢仕，楊如萍，馬一凡，等.保護性耕作對坡耕地土壤水分特性和水土流失的影響［J］.水土保持通報，2010，30（4）：1－5.

［12］ 魏興琥，謝忠奎，李小雁，等.溫室集雨與集雨水高效利用研究［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2003，21（1）：11－16.

［13］ 馬海龍，金曉琴，劉國彬，等.黃土丘陵區(qū)不同農(nóng)田類型土壤抗蝕性分異研究［J］.水土保持研究，2013，20（2）：5－8.

［14］ 孫飛達，王立，龍瑞軍，等.黃土丘陵區(qū)不同降雨強度對農(nóng)地土壤侵蝕的影響［J］.水土保持研究，2007，14（2）：16－18.

［15］ 田棟，高建恩，吳普特，等.林草措施調(diào)控坡面降雨徑流輸沙效應的初步研究［J］.灌溉排水學報，2007，26（3）：19－22.

［16］ 中國機械工業(yè)聯(lián)合會.GB／T10594—2006日光溫室和塑料大棚結(jié)構(gòu)與性能要求［S］.北京：中國標準出版社，2003.

［17］ 吳發(fā)啟，趙曉光，劉秉正，等.黃土高原南部緩坡耕地降雨與侵蝕的關系［J］.水土保持研究，1999，6（2）：53－60.

［18］ 謝云，劉寶元，章文波，等.侵蝕性降雨標準研究［J］.水土保持學報，2000，14（4）：6－11.

［19］ 吳發(fā)啟，趙曉光，劉秉正，等.耕作活動對坡耕地徑流及產(chǎn)沙的影響［J］.西北林學院學報，1998，13（2）：20－25.

［20］ Lindstrom M J，Schumacher T E，Cogo N P.耕作措施對徑流和土壤侵蝕的影響［J］.水土保持科技情報，1999（3）：5－7.

［21］ Tangdale C W，Mills W C.水保耕作技術在大暴雨侵蝕中的減災作用［J］.水土保持科技情報，1997（2）：19－21.

［22］ 許曉鴻，隋媛媛，張瑜，等.黑土區(qū)不同耕作措施的水土保持效益［J］.中國水土保持科學，2013，11（3）：12－16.

［23］ 張仁陟，黃高寶，蔡立群，等.幾種保護性耕作措施在黃土高原旱作農(nóng)田的實踐［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2013，21（1）：61－69.

［24］ 王廣周，高建恩，肖克飆，等.一種新型橡塑水窖的水質(zhì)變化監(jiān)測分析［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2008，26（2）：150－153.

［25］ 孫寧寧，董斌，羅金耀.大棚溫室作物需水量計算模型研究進展［J］.節(jié)水灌溉，2006（2）：16－19.

［26］ 廖鑫，徐學選，劉普靈.基于日雨量的延安地區(qū)降雨侵蝕力動態(tài)特征分析［J］.水土保持研究，2009，16（2）：34－37.