坡面徑流調(diào)控措施對山地果園水土流失及面源污染物阻控效果研究

任麗華 ，賈天會 ，李鳳鳴 ，計保全 ，王 昕

(1.遼寧省旱地農(nóng)林研究所，遼寧 朝陽 122000； 2.興城市水利局，遼寧 興城 125100)

山地果園水土流失的主要動力來自雨滴擊濺、徑流沖刷。水土流失會導(dǎo)致土層變薄甚至沙化、地力衰退、生產(chǎn)力下降，破壞保障果園可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境基礎(chǔ)，而為了提高果實產(chǎn)量大量施用無機化肥，又會導(dǎo)致面源污染(氮、磷)日益加劇，因此控制山地果園水土流失的關(guān)鍵在于科學(xué)調(diào)控坡面徑流。本研究以興城市頭道溝坡面徑流觀測場為試驗場，于2016—2018年對試驗場的山地果園梯田、臺田、水平槽整地及果園間作、生草等坡面徑流調(diào)控措施的水、土、全氮、全磷流失量進行了調(diào)查分析，研究各類植物、工程措施對控制山地果園水土流失的作用，以期攔蓄、利用天然降雨，減少地表徑流及沖刷，提高果園的抗旱、保肥、保水能力。

1 試驗場概況

選擇位于遼寧省興城市頭道溝小流域的興城市頭道溝坡面徑流觀測場(監(jiān)測點編號BB2121917130，2011年建成)作為試驗場。試驗場所在地屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，東南受海洋暖濕氣流影響，北部內(nèi)蒙古高原干冷空氣經(jīng)常侵入，四季分明、雨熱同季、日照充足、晝夜溫差大、降水偏少，多年平均氣溫8.7 ℃，最高氣溫40.9 ℃，最低氣溫-25.0 ℃，≥10 ℃年積溫3 428.8 ℃，多年平均日照時數(shù)2 792 h，無霜期168 d，相對濕度63.94%，年降水量630 mm左右，年水面蒸發(fā)量1 485.4 mm，降水量年際和年內(nèi)分配不均，經(jīng)常出現(xiàn)周期性干旱，干旱頻率為20%～25%，降水主要集中在6—8月份，期間降水量占全年的70%左右，并多以暴雨形式出現(xiàn)，而春秋多風(fēng)少雨，春季干旱頻率為30%左右[1]。

試驗場地面坡度15°，土壤為棕壤，小區(qū)水平投影長20 m、寬5 m、面積100 m2，集水槽、集水池位于徑流場下方擋水墻外。徑流調(diào)控措施分為工程措施和植物措施：工程措施為果樹梯田、臺田、水平槽整地、無工程果園(對照)；植物措施為果園間作(花生)、生草(自然生草)、清耕(對照)。果樹梯田、臺田、水平槽整地時間為2011年秋季，苗木栽植時間為2012年春季，栽植株行距為2.50 m×3.00 m，每個小區(qū)內(nèi)種植果樹14株。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

(1)徑流調(diào)控工程措施。工程措施小區(qū)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇6 h暴雨。其中：梯田，田埂頂寬0.30 m，田埂內(nèi)側(cè)高0.30 m，田面凈寬5.40 m，栽植樹種為梨樹，株距2.50 m、行距3.00 m，品字形排列，每個臺面栽植兩行樹；臺田，池埂高0.25 m、寬0.30 m，果臺尺寸2.50 m×3.00 m，栽植樹種為梨樹，株距2.50 m、行距3.00 m，品字形排列；水平槽，槽長2.20 m，主槽寬0.60 m，副槽寬0.40 m，槽深0.60 m，回土深度0.50 m，槽間距0.30 m，行距3.00 m，埂高0.30 cm，埂頂寬0.50 cm，栽植樹種為山杏，株距2.50 m、行距3.00 m，品字形排列；對照，無工程果園，栽植樹種為梨樹，株距2.50 m、行距3.00 m，品字形排列。

(2)徑流調(diào)控植物措施。植物措施小區(qū)整地方式為梯田，栽植樹種為梨樹。其中：果園間作，選擇植株矮、根淺、無攀援性并具有固氮能力的花生為間作物，其與果樹無共同病蟲寄主，間作營養(yǎng)帶為1.5 m，株間不間作；果園生草，僅對果園中具有木質(zhì)莖、植株過高、根系過深、競爭性強的雜草進行拔除，選留無木質(zhì)化或半木質(zhì)化莖、莖葉匍匐不攀援、矮生、覆蓋面大、須根多、耗水量小、對氣候適應(yīng)性強且自然繁殖能力強的草種[2]，以1年生草種為主，當(dāng)草長到30 cm左右時即可收割， 25～30 d收割1次，一年可割3～4次，割草時留茬不低于10 cm，割下的草放置果樹盤下或株間，入冬前結(jié)合秋施基肥壓青；對照，果園清耕。

2.2 樣品采集與分析

降雨量數(shù)據(jù)來自試驗場內(nèi)WPH1-6太陽能自動氣象站觀測數(shù)據(jù)。在形成降雨徑流后，記錄產(chǎn)流量，并將每個集水池內(nèi)的水充分?jǐn)嚢杌靹蚝笕樱貜?fù)3次，用烘干法測定產(chǎn)沙量，用半微量開氏法測定全氮量，碳酸鈉熔融法測定全磷量。

3 結(jié)果與分析

3.1 水土流失分析

3.1.1 徑流調(diào)控工程措施

2016—2018年對徑流調(diào)控工程措施——果樹梯田、臺田、水平槽整地和無工程果園(對照)的水、土、全氮、全磷流失情況進行了連續(xù)3年的監(jiān)測。2016年在無工程果園(對照)觀測到產(chǎn)流降雨6次，產(chǎn)流雨量355.20 mm；2017年觀測到產(chǎn)流降雨4次，產(chǎn)流雨量280.20 mm；2018年觀測到產(chǎn)流降雨5次，產(chǎn)流雨量193.60 mm。各年度水、土流失情況見表1，與對照無工程果園相比各年度水、土流失變化情況見表2。

表1 徑流調(diào)控工程措施水土流失情況

表2 徑流調(diào)控工程措施水土流失變化情況 %

由表2可以看出：果樹梯田、臺田、水平槽整地與對照無工程果園相比，2016年產(chǎn)流量分別減少了68.92%、68.02%、63.72%,產(chǎn)沙量分別減少了76.26%、75.00%、69.00%；2017年產(chǎn)流量分別減少了69.81%、72.96%、65.80%，產(chǎn)沙量分別減少了79.02%、80.64%、75.04%；2018年產(chǎn)流量分別減少了72.75%、72.84%、61.43%，產(chǎn)沙量分別減少了80.65%、79.23%、67.57%。與對照無工程果園相比果樹梯田、臺田、水平槽整地三種徑流調(diào)控工程措施產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量均明顯減少。經(jīng)差異性分析，果樹梯田、臺田、水平槽整地的山地果園水、土流失量均明顯低于對照無工程果園，且差異極顯著(p<0.01)；三種整地方式及各年度間水、土流失量差異不顯著(p>0.05)。

3.1.2 徑流調(diào)控植物措施

2016—2018年連續(xù)3年在果樹梯田整地的試驗小區(qū)實施生草、間作和清耕(對照)試驗，并對各處理果園的水、土流失情況進行了監(jiān)測。2016年在果園清耕(對照)觀測到產(chǎn)流降雨5次，產(chǎn)流雨量318.20 mm；2017年觀測到產(chǎn)流降雨3次，產(chǎn)流雨量211.80 mm；2018年觀測到產(chǎn)流降雨2次，產(chǎn)流雨量149.40 mm。2016—2018年各年度水土流失情況見表3，與對照清耕果園相比各年度水、土流失變化情況見表4。

表3 徑流調(diào)控植物措施水土流失情況

表4 徑流調(diào)控植物措施水土流失變化情況 %

由表4可以看出：與對照清耕果園相比，2016年徑流調(diào)控植物措施中果園生草、間作(花生)產(chǎn)流量分別減少了52.68%、59.19%，產(chǎn)沙量分別減少了83.58%、87.02%；2017年產(chǎn)流量分別減少了73.85%、69.33%，產(chǎn)沙量分別減少了92.88%、88.73%；2018年產(chǎn)流量分別減少了66.18%、64.12%，產(chǎn)沙量分別減少了93.93%、89.45%。與對照清耕果園相比，生草、間作的山地果園水、土流失量明顯較低，且差異極顯著(p<0.01)。兩種處理中生草對水、土攔截效果優(yōu)于花生間作(除第1年外)，但差異不顯著(p>0.05)。隨著生草時間增加，植被蓋度增大，其徑流調(diào)控能力增強，表現(xiàn)為生草第2年、第3年的徑流調(diào)控作用大于生草的第1年。

3.2 面源污染物阻控效果

果園土壤養(yǎng)分流失主要是徑流中的可溶性養(yǎng)分及其攜帶的含有養(yǎng)分和污染物的細(xì)顆粒物質(zhì)，這是產(chǎn)生面源污染物氮、磷的直接原因。坡面徑流調(diào)控措施通過降低坡度、截斷坡長、增加地表植被等措施，有效利用天然降雨，增加土壤入滲，減少地表徑流及沖刷，削減徑流流速，降低徑流泥沙含量，從而達到控制養(yǎng)分元素流失、保護下游水環(huán)境的目的。阻控效果評價指標(biāo)為相對攔截量、攔截率，相對攔截量=對照養(yǎng)分流失量-措施養(yǎng)分流失量，攔截率=(對照養(yǎng)分流失量-措施養(yǎng)分流失量)/對照養(yǎng)分流失量×100%[3]。

3.2.1 徑流調(diào)控工程措施

徑流調(diào)控工程措施通過攔截徑流泥沙、增加入滲控制養(yǎng)分元素流失，實現(xiàn)對面源污染物的阻控，從而達到保護下游水環(huán)境的目的。表5為2016—2018年與對照無工程果園相比，各徑流調(diào)控工程措施對土壤養(yǎng)分元素的攔截效應(yīng)。

表5 徑流調(diào)控工程措施土壤養(yǎng)分?jǐn)r截效應(yīng)

由表5可見，與對照無工程果園相比，實施徑流調(diào)控工程措施5～8年的山地果園對全氮的相對攔截率達到67.63%～80.69%，其中攔截能力梯田﹥臺田﹥水平槽，但差異不顯著(p>0.05)；對全磷的相對攔截率達到65.46%～80.58%，各措施之間攔截能力差異不顯著(p>0.05)

3.2.2 徑流調(diào)控植物措施

徑流調(diào)控植物措施通過增加地表植被覆蓋從而防止雨滴擊濺、增強過濾凈化等，攔截徑流泥沙，增加降雨入滲，實現(xiàn)對面源污染物的阻控，達到保護下游水環(huán)境的目的。表6為2016—2018年與對照清耕果園相比，徑流調(diào)控植物措施對土壤養(yǎng)分元素的攔截效應(yīng)。

表6 徑流調(diào)控植物措施土壤養(yǎng)分?jǐn)r截效應(yīng)

由表6可見，與對照清耕果園相比，徑流調(diào)控植物措施對山地果園面源污染物氮、磷的流失具有明顯的阻控效果。在實施果樹梯田整地的果園，果園生草對全氮的相對攔截率為83.58%～93.93%，對全磷的相對攔截率為84.93%～95.02%。兩種措施中果園生草優(yōu)于果園間作(除第1年外)，同一年兩種措施間差異不顯著(p>0.05)。

4 結(jié) 語

(1)徑流調(diào)控措施具有較好的控制山地果園水土流失的作用，與對照相比顯著降低了產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量、全氮流失量和全磷流失量。經(jīng)差異性分析，果樹梯田、臺田、水平槽整地的山地果園水、土、全氮和全磷流失量均明顯低于對照無工程果園，且差異極顯著(p<0.01)；三種整地措施及各年度間水、土、全氮和全磷流失量差異均不顯著(p>0.05)；果園生草、間作兩種措施中生草對水、土、全氮和全磷攔截效果優(yōu)于間作(除第1年外)，但差異不顯著(p>0.05)。隨著生草時間的增加，植被蓋度增大，其徑流調(diào)控能力增強，表現(xiàn)為生草第2年、第3年的徑流調(diào)控作用大于生草的第1年。

(2)山地果園土壤養(yǎng)分元素流失是山地果園產(chǎn)生面源污染的直接原因，而土壤養(yǎng)分元素流失主要是部分可溶性養(yǎng)分隨坡面徑流流失及徑流攜帶部分細(xì)顆粒物質(zhì)向坡下運移，這些細(xì)顆粒物質(zhì)中吸附和含有大量養(yǎng)分和一些污染物質(zhì)。徑流調(diào)控措施能通過攔截徑流泥沙實現(xiàn)控制養(yǎng)分元素流失，同時徑流攔蓄調(diào)控植物措施的過濾和吸附作用可以凈化坡面徑流，減少養(yǎng)分元素和污染物的流失。