坡耕地邊溝水土保持機制模擬研究

蔡雄飛， 雷 麗， 梁 萍， 傅 斌， 王 濟， 徐 佩， 王玉寬

(1.貴州師范大學 地理與環(huán)境科學學院，550001，貴陽；2.中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，610041，成都；3.萬州典型區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測重點站，404020，重慶)

坡耕地是我國南方丘陵區(qū)水土流失的策源地[1]。以長江上游為例，土壤侵蝕總量中有60%來自坡耕地[2-4]。坡面水系工程在坡耕地的保護與治理中發(fā)揮了重要作用。在坡面水系工程措施中，地邊溝作為一種費省效宏的措施，具有良好的水土保持作用。地邊溝開挖于坡耕地地塊(或臺地)邊緣，梯埂內側，橫剖面呈“U”形或倒置梯形，平均溝寬0.30 m，溝深0.16 m左右，溝道沿梯埂方向順勢延伸至坡耕地兩側，與兩側的排水溝連通。目前針對地邊溝水土保持機制研究的報道較少，相關的報道主要有規(guī)格較大的山邊溝和水平溝。最初的山邊溝為梯形斷面，發(fā)源于歐洲，從增加土地利用和便于大型農具耕作考慮，廖綿濬等[5]對山邊溝進行技術改進設計，形成三角形斷面的山邊溝[6-9]，對果園的水土保持起到了重要作用。在我國北方干旱與半干旱地區(qū)，水平溝被廣泛應用于陡坡耕地整治，植樹造林，其優(yōu)點是可以有效利用天然降水，提高種植苗木存活率[10-11]。水平溝良好的水土保持效益已得到了廣泛的認同[12-14]。水平溝與封育、放牧、魚鱗坑等3種措施的對比研究表明，水平溝減流減沙較好，改善水分入滲和涵蓄水分效果最好[15-16]。物種Pielou均勻度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)均為魚鱗坑最高，水平溝居中，封育草地最低[17]。地邊溝雖然具有較長的實踐應用歷史，但由于其規(guī)格和形狀隨坡地條件、耕作制度、和區(qū)域氣候等不同而復雜多樣，其保水保土功能及作用機制至今仍不清楚。為了系統(tǒng)探討地邊溝的水土保持機制，開展川東丘陵區(qū)野外地邊溝的調查，選取具有代表性的試驗點，即鹽亭和遂寧的4個野外試驗小區(qū)，開展11場大田人工模擬降雨試驗。探討地邊溝水土保持的過程及機制，旨在為山區(qū)坡耕地水土保持提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

1.1.1 鹽亭試驗區(qū) 鹽亭試驗區(qū)位于四川省鹽亭縣林山鄉(xiāng)，在區(qū)內選取2個野外試驗小區(qū)，即鹽亭試驗小區(qū)Ⅰ(E 105°27′19″, N 31°15′56″)，土層厚度35 cm，平作，坡度7°，地塊坡長15 m。試驗小區(qū)Ⅱ(E 105°27′26″, N 31°15′09″)，土層厚度50 cm，平作，坡度7°，地塊坡長17 m。該實驗區(qū)位于中國科學院鹽亭紫色土農業(yè)生態(tài)試驗站內部。地處嘉陵江一級支流涪江的支流——獼江與湍江分水嶺上, 具有四川盆地亞熱帶濕潤季風氣候特征。海拔400～600 m。多年平均降雨量825 mm,年內水量分配不均，夏季65.5%，秋季19.7%[18]。土壤類型以水稻土和石灰性紫色土為主,由侏羅紀蓬萊鎮(zhèn)母質發(fā)育而成,土層厚度為20～70 cm,質地為中壤至重壤,部分為砂質土[19]。

1.1.2 遂寧試驗區(qū) 遂寧試驗區(qū)位于遂寧市安居區(qū)，在區(qū)內選取了2個野外試驗小區(qū)，即遂寧試驗小區(qū)Ⅰ(E 105°28′16″, N 30°21′04″)，土層厚度50 cm，平作，坡度7°，地塊坡長13 m。試驗小區(qū)Ⅱ(E 105°27′44″,N 30°21′32″)，土層厚度>100 cm，平作，坡度7°，地塊坡長12 m。安居區(qū)地處四川盆地中部嘉陵江中下游丘陵區(qū)，瓊江流域上游。平均海拔約420 m，多年平均降雨量885.31 mm。土壤為侏羅系遂寧組巖層發(fā)育而成的紫色土。土壤結構差，持水量小，保水能力差，有機質含量低，抗沖刷和抗蝕能力均弱[20]。

1.2 試驗設備

模擬試驗設備采用由北京師范大學和北京交通大學聯(lián)合研制的槽式人工模擬降雨機。該降雨機單機由3個噴頭組成，噴頭間距1.1 m。降雨機的單個噴頭降雨形成的控制區(qū)域為矩形，利于多噴頭組合擴大受雨面積而不影響降雨強度的空間均勻性[21]。

1.3 試驗設計

1.3.1 小區(qū)設計 試驗在相同降雨區(qū)域內設置規(guī)格一致的有和沒有地邊溝的小區(qū)進行對比試驗。試驗坡耕地坡長均>10 m，坡度6°～8°。在試驗地塊上組裝8臺降雨機，降雨機間距1.5 m，降雨高度2.5 m，可以提供4.5 m×12 m的降雨區(qū)域。在降雨區(qū)域內設計2個2.5 m×4 m的試驗小區(qū)，2小區(qū)中間留1.5 m寬的工作活動區(qū)域(圖1)，采取排水處理。將下坡位小區(qū)命名為試驗A小區(qū)(簡稱A小區(qū))，為無地邊溝小區(qū)，用集流槽以及PVC管將水沙引流至采樣點；上坡位小區(qū)命名為試驗B小區(qū)(簡稱B小區(qū))，為有地邊溝小區(qū)。開挖的地邊溝橫截面設計為長方體形，溝底坡度近似水平，長、寬和深分別為250、30和15 cm，溝口用PVC管引流至采樣點。

圖1 試驗小區(qū)設計圖Fig.1 Design drawing of field experimental plot

1.3.2 試驗設計 對當?shù)亟?年降雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表明，年均暴雨及以上雨型次數(shù)均在6次以上。野外調查也表明暴雨及以上雨型對坡耕地土壤侵蝕的貢獻較大，結合本套降雨機的技術參數(shù)，試驗設計3個降雨強度，即20、55.48、110.95 mm/h。每場降雨歷時40 min，共開展了11場模擬試驗。降雨開始后分別記錄A小區(qū)和B小區(qū)的產流時間，之后每隔4～5 min采1個徑流樣品，密封帶回室內分析測試。每次降雨結束后沖洗A小區(qū)集流槽，對B小區(qū)地邊溝中沉積泥沙進行拍照、測量、清除泥沙。

2 結果與分析

2.1 流量變化過程

試驗表明不同區(qū)域地邊溝均具有較好的保水功能(圖2～4)，減流率在14.08%～36.72%之間。A小區(qū)在整個試驗過程中流量比較穩(wěn)定，而B小區(qū)流量則先逐漸增加，在降雨8～10 min后趨于穩(wěn)定。

圖2 鹽亭試驗小區(qū)Ⅰ模擬試驗的流量變化圖Fig.2 Runoff ratio change with time in Yanting plot Ⅰ

圖3 遂寧試驗小區(qū)Ⅰ模擬試驗的流量變化圖Fig.3 Runoff ratio change with time in Suining plot Ⅰ

圖4 遂寧試驗小區(qū)Ⅱ模擬試驗的流量變化圖Fig.4 Runoff ratio change with time in Suining plot Ⅱ

圖2是鹽亭試驗小區(qū)Ⅰ不同降雨強度下流量變化過程圖。當降雨強度為20 mm/h時，A小區(qū)流量相對穩(wěn)定，平均為23.38 mL/s，B小區(qū)流量逐漸增大， 第35分后2小區(qū)流量幾乎相等，平均為17.38 mL/s,與A小區(qū)相比，流量減少了25.63%。當降雨強度為55.48 mm/h時，A小區(qū)流量出現(xiàn)波動，第15分時出現(xiàn)峰值，之后基本穩(wěn)定，平均流量122.66 mL/s,B小區(qū)流量第5分之后保持穩(wěn)定，同樣在第15分時出現(xiàn)峰值，之后基本穩(wěn)定，平均流量88.02 mL/s, 流量減少了28.24%。

圖3是遂寧試驗小區(qū)Ⅰ不同降雨強度下流量變化過程圖，當降雨強度為20 mm/h時，A小區(qū)流量穩(wěn)定，平均為20.56 mL/s，B小區(qū)流量逐漸增大，第15分后穩(wěn)定，平均流量15.93 mL/s,與B小區(qū)相比，流量減少了22.57%。當降雨強度為55.48 mm/h時，A小區(qū)流量穩(wěn)定，平均流量93.87 mL/s,B小區(qū)流量第15分之后保持穩(wěn)定，平均流量74.2 mL/s,流量減少了20.95%。

圖4是遂寧試驗小區(qū)Ⅱ不同降雨強度下流量變化過程圖，當降雨強度為55.48 mm/h時，A小區(qū)流量穩(wěn)定，平均為103.86 mL/s，B小區(qū)流量從24.04 mL/s逐漸增大，第15分后穩(wěn)定，其平均流量65.72 mL/s,與A小區(qū)相比，流量減少了36.72%。當降雨強度為110.95 mm/h時，A小區(qū)流量基本穩(wěn)定，平均流量206.38 mL/s,B小區(qū)流量第5分之后保持基本穩(wěn)定，第35 min時出現(xiàn)波動，平均流量177.31 mL/s,流量減少14.08%。

2.2 含沙量變化過程

試驗表明不同區(qū)域地邊溝均具有很好的土壤保持功能(圖5～8)，減沙率在31.93%～64.95%，A小區(qū)含沙量比較穩(wěn)定，除少數(shù)場次之外，A和B小區(qū)含沙量變化趨勢一致。

圖5是鹽亭試驗小區(qū)Ⅰ不同降雨強度下含沙量變化過程圖。當降雨強度為20 mm/h時，A和B小區(qū)含沙量均比較穩(wěn)定，平均含沙量分別為0.013和0.006 g/mL，地邊溝減少土壤流失量53.15%。當降雨強度為55.48 mm/h時，A和B小區(qū)含沙量均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，第10分之后基本穩(wěn)定,平均含沙量分別為0.023和0.016 g/mL，地邊溝減少土壤流失量31.93%。

圖5 鹽亭試驗小區(qū)Ⅰ不同降雨強度下含沙量變化過程圖Fig.5 Sediment concentration change with time under different rainfall intensity in Yanting plot Ⅰ

圖6是鹽亭試驗小區(qū)Ⅱ不同降雨強度下含沙量變化過程圖。當降雨強度為20 mm/h時，A小區(qū)含沙量變化波動較大，B小區(qū)含沙量逐漸減小，第20分之后保持穩(wěn)定，平均含沙量分別為0.008和0.004 g/mL，地邊溝減少土壤流失量52%。當降雨強度為55.48 mm/h時，A小區(qū)含沙量穩(wěn)定，而B小區(qū)含沙量在第20分后穩(wěn)定，平均含沙量分別為0.024和0.011 g/mL，地邊溝減少土壤流失量55.36%。當降雨強度為110.95 mm/h時，A小區(qū)含沙量呈逐漸減小，第35分后趨勢穩(wěn)定，B小區(qū)含沙量穩(wěn)定，平均含沙量分別為0.040和0.016 g/mL，地邊溝減少土壤流失量60.68%。

圖6 鹽亭試驗小區(qū)Ⅱ不同降雨強度下含沙量變化過程圖Fig.6 Sediment concentration change with time under different rainfall intensity in Yanting plot Ⅱ

圖7是遂寧試驗點Ⅰ不同降雨強度下含沙量變化過程圖。當降雨強度為20 mm/h時，A小區(qū)含沙量變化復雜，B小區(qū)含沙量逐漸減小，平均含沙量分別為0.01和0.006 g/mL，地邊溝減少土壤流失量38.62%。當降雨強度為55.48 mm/h時，A小區(qū)含沙量先逐漸增加，第15分后基本穩(wěn)定，而B小區(qū)則先逐漸減少，第10分后穩(wěn)定，平均含沙量分別為0.023和0.01 g/mL，地邊溝減少土壤流失量55.68%。當降雨強度為110.95 mm/h時，A小區(qū)含沙量穩(wěn)定，B小區(qū)含沙量先逐漸減小，第7分之后穩(wěn)定，第35分開始變小，平均含沙量分別為0.040和0.016 g/mL，地邊溝減少土壤流失量64.95%。

圖7 遂寧試驗小區(qū)Ⅰ不同降雨強度下含沙量變化過程圖Fig.7 Sediment concentration change with time under different rainfall intensity in Suining plot Ⅰ

圖8是遂寧試驗小區(qū)Ⅱ不同降雨強度下含沙量變化過程圖。當降雨強度為20 mm/h時，A小區(qū)含沙量先逐漸減少，第17分之后穩(wěn)定，平均含沙量為0.012 g/mL，B小區(qū)在40 min的降雨過程中沒有產流，降雨全部入滲。當降雨強度為55.48 mm/h時，A小區(qū)在0～15 min變化復雜，之后穩(wěn)定，B小區(qū)含沙量先逐漸減小，第5分之后穩(wěn)定，平均含沙量分別為0.024和0.012 g/mL，地邊溝減少土壤流失量49.80%。當降雨強度為110.95 mm/h時，A和B小區(qū)的含沙量均先逐漸減小，第5分之后穩(wěn)定，平均含沙量分別為0.029和 0.016 g/mL，地邊溝減少土壤流失量45.54%。

圖8 遂寧試驗試驗小區(qū)Ⅱ不同雨強下含沙量變化過程圖Fig.8 Sediment concentration change with time under different rainfall intensity in Suining plot Ⅱ

2.3 土壤顆粒變化

對A和B小區(qū)烘干土樣進行顆粒組成分析(表1)，結果表明不同降雨強度下泥沙樣品中黏粒和細粉粒比例A小區(qū)B小區(qū)。說明在地邊溝的保護作用下，徑流攜帶的泥沙以黏粒和細粉粒為主。

鹽亭試驗小區(qū)Ⅱ，隨著降雨強度的增大(20、55.48、110.95 mm/h)，A小區(qū)的黏粒和細粉粒所占比例分別為89.49%、72.98%、56.81%，粗粉粒及以上顆粒分別為10.51%、27.02%、43.19%。B小區(qū)的黏粒和細粉粒所占比例分別為90.01%、78.98%、71.67%，粗粉粒及以上顆粒分別為9.99%、21.02%、28.33%。遂寧試驗小區(qū)Ⅰ，隨著降雨強度的增大，A小區(qū)的黏粒和細粉粒所占比例分別為88.54%、75.90%、70.43%，粗粉粒及以上顆粒分別為11.46%、24.10%、29.57%，B小區(qū)的黏粒和細粉粒所占比例分別為91.69%、90.6%、85.68%，粗粉粒及以上顆粒分別為8.31%、9.39%、14.32%。遂寧試驗點Ⅱ，隨著降雨強度從55.48 mm/h增大到110.95 mm/h， A小區(qū)的黏粒和細粉粒所占比例分別為77.94%、74.38%，B小區(qū)的黏粒和細粉粒所占比例分別為89.59%、86.06%，粗粉粒及以上顆粒分別為10.41%、13.94%(表1)。

鹽亭A小區(qū)的黏粒和細粉粒比例在56.81%到89.49%，平均75.8%。B小區(qū)的黏粒和細粉粒比例在71.67%到91.69%之間，平均85.54%。遂寧A小區(qū)的粗粉粒及以上顆粒比例在10.51%到43.19%之間，平均24.19%。B小區(qū)的粗粉粒及以上顆粒比例在8.31%到28.33%之間，平均14.46%。表明坡面徑流經過地邊溝的沉積作用，攜帶的泥沙主要是黏粒和細粉粒，而粗粉粒及以上顆粒則相對減少。因為地邊溝的沉積作用，其徑流中黏粒和細粉粒率增加值在0.6%到26%之間，平均增加12.85%，粗粉粒及以上顆粒相對A小區(qū)其減少率在4.9%到61.04%之間，平均減少40.21%。

表1 不同試驗點A、B小區(qū)侵蝕泥沙顆粒組成

3 討論

本模擬試驗降雨均勻度達0.89以上，每場降雨持續(xù)時間為40 min。試驗A、B小區(qū)坡度、受雨面、處理方法一致，所以流量和含沙量具有可比性。目前關于地邊溝水沙輸移機理的研究及報道較少，但與地邊溝類似的研究表明：水平溝較平播水保效益顯著。張興昌[22]通過9年的觀測表明水平溝較平播減少徑流量25.7%～40.5%。林和平[23]設計對比研究表明水平溝較平播減少徑流量38.25%～62.09%。本研究表明地邊溝同樣具有較好的減流作用，減流率在14.08%～36.72%之間。相同降雨強度下減流率依次表現(xiàn)為遂寧試驗小區(qū)Ⅱ>鹽亭試驗小區(qū)Ⅰ>遂寧試驗小區(qū)Ⅰ，這種差異主要是因為試驗小區(qū)土壤厚度不一致，其厚度分別為>100、50、35 cm，地邊溝可以降低流速，增加徑流的入滲，所以土壤厚度是影響地邊溝減流效果的重要因素。

隨降雨強度的增大，減流率減小。遂寧試驗小區(qū)Ⅱ試驗過程中，B小區(qū)在歷時40 min的降雨過程中沒有產流，說明B小區(qū)所有徑流全部入滲。劉俊等[24]的研究表明當降水量使坡耕地產生l0～15 mm徑流時，水平溝種植的田地不發(fā)生徑流現(xiàn)象，當降水產生35 mm徑流時，水平溝可攔蓄27～32 mm,可以減少徑流70%，與本研究結論一致。

大田模擬試驗表明地邊溝有很好的減沙效果，減沙率在31.93%～64.95%之間，平均減沙率50.08%，隨降雨強度的增大，減沙率增大。張興昌等[25]研究表明水平溝較平播減少土壤侵蝕量33.7%～88.9%。林和平[23]研究表明水平溝減少土壤侵蝕量降到55.86%～87.17%，平均近40%。地邊溝在設計形態(tài)以及規(guī)模上與水平溝均存在差別，但二者在保水保土效益方面相近。水平溝溝體容積較大，占用耕地面積也較大，而地邊溝結構簡單，占地面積小。在我國南方丘陵地區(qū)，坡地多以坡式梯田為主，地塊較小，所以地邊溝在該區(qū)域得到廣泛應用。

4 結論

筆者通過對不同區(qū)域地邊溝的大田模擬試驗，表明地邊溝具有較好的減流作用，減流率在14.08%～36.72%之間，平均減流率24.7%。土壤厚度是影響地邊溝減流作用的主要因素，土壤厚度越大，相應的減流作用越強。不同降雨強度下隨降雨強度的增大，減流率減小。地邊溝有很好的減沙作用。減沙率在31.93%～64.95%之間，平均減沙率50.08%，隨著降雨強度的增大，減沙率增大。在鹽亭Ⅰ、Ⅱ和遂寧Ⅰ、Ⅱ小區(qū)模擬試驗中。B小區(qū)由于地邊溝的沉積作用，其徑流輸移泥沙中黏粒和細粉粒率較A小區(qū)增加12.85%，而粗粉粒及以上顆粒較A小區(qū)平均減少40.21%。比較適合于我國南方降水豐富的丘陵地區(qū)。

感謝北京師范大學劉寶元教授及其團隊在設備及技術方面對本研究的幫助！