秦巴山區(qū)近自然模式整治坡面穩(wěn)定性研究

王天宏，呼 帥，李會(huì)科，張青峰

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

早在17世紀(jì)80年代，德國(guó)林學(xué)家GAYER首次提出了近自然林業(yè)的概念，即在林業(yè)恢復(fù)中加上近自然這一理論，并且認(rèn)為近自然模式恢復(fù)的生態(tài)環(huán)境擁有最好的穩(wěn)定性[1]。2005年我國(guó)學(xué)者彭鴻等[2]首次將近自然理論與坡面整治結(jié)合起來。牛銅鋼[3]、姜俊等[4]也陸續(xù)將近自然理論應(yīng)用于流域生態(tài)學(xué)、地貌學(xué)及林業(yè)科學(xué)等的研究當(dāng)中。此外，近自然模式在高速公路邊坡維護(hù)、城市河流景觀設(shè)計(jì)、農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)等生產(chǎn)實(shí)踐中也得到了較好的應(yīng)用。然而，這種新技術(shù)在大規(guī)模坡面修復(fù)中的應(yīng)用還較少。

陜西省特別是陜南秦巴山區(qū)的水土流失問題制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。土壤侵蝕造成耕地面積減少、肥力下降，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境。溝坡是土壤侵蝕的重要場(chǎng)所和侵蝕泥沙的主要來源，當(dāng)?shù)貞?yīng)用較多的坡面工程措施有水平溝、水平階、坡改梯、魚鱗坑等[5]，尤以坡改梯應(yīng)用最為廣泛。坡面改為梯田后坡長(zhǎng)縮短，地表徑流系數(shù)降低，水土流失量減少，并能促進(jìn)雨水入滲，從而提高土地產(chǎn)出效益。然而，由于技術(shù)不夠成熟、投資比例過大、施工工藝不佳及效益穩(wěn)定性差等問題，坡改梯在取得經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也可能會(huì)造成改梯土地不均勻沉降或鹽堿化加劇等問題[6]。因此，一種新的以保障坡面生態(tài)安全為根本前提的坡面修復(fù)技術(shù)——近自然模式坡面整治技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。為了討論近自然模式坡面整治后坡面的穩(wěn)定性，本研究在秦巴山區(qū)選擇實(shí)施與未實(shí)施近自然模式坡面整治工程兩種坡面進(jìn)行對(duì)比，選擇土壤理化性質(zhì)等指標(biāo)計(jì)算坡面穩(wěn)定性，判斷近自然模式坡面整治工程的修復(fù)效果，以期為進(jìn)一步在秦巴山區(qū)推廣近自然模式坡面整治提供參考。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

在漢中市勉縣新鋪鎮(zhèn)余家溝村選擇典型樣地坡面進(jìn)行近自然模式坡面整治對(duì)比試驗(yàn)。余家溝村地處勉縣縣城以西27 km處(106°51′E、33°11′N)，北鄰漢江秦嶺，南依玉帶河畔，土地面積7.8 km2，平均海拔800 m，年均降水量849.5 mm。試驗(yàn)區(qū)土壤類型主要為黃棕壤，土壤黏粒含量高，遇水容易膨脹，邊坡坡度7°～25°，覆蓋層厚度9.5～18.7 m，水土流失較嚴(yán)重。選取地形地貌基本一致的典型坡面開展試驗(yàn)并盡可能保持坡面的自然狀態(tài)，采用固定樣帶法劃分兩個(gè)長(zhǎng)50 m、寬15 m的退化半裸露土質(zhì)坡面作為對(duì)照組(原有自然坡面)和試驗(yàn)組(在原有自然坡面的基礎(chǔ)上實(shí)施近自然模式坡面整治)。近自然模式坡面整治措施：在素土中加入1%水泥和0.5%石灰，采用碾壓夯實(shí)方式修筑田坎，控制田坎壓實(shí)度達(dá)95%以上；以本地植物為主，有層次地種植護(hù)坡植物，采用喬灌混交模式，選定茶樹作為埂坎保護(hù)措施，田面栽植白芍與李子，撒播早熟禾、紫穗槐種子，并于邊埂種植黑麥草，形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的接近自然的植物群落；此外，在坡面建設(shè)生態(tài)截水溝及耕作保護(hù)措施。

2 研究方法

2.1 測(cè)定方法

分別在對(duì)照組和試驗(yàn)組坡面上以3 m高程為間隔設(shè)置7個(gè)水平采樣面，每個(gè)水平采樣面上又以3 m為間隔共設(shè)立5個(gè)采樣點(diǎn)。治理1年后采用機(jī)械分層法在每個(gè)采樣點(diǎn)按照土層深度0～10、10～20、20～40 cm取土帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行土壤理化性質(zhì)、土壤抗蝕性、土壤抗剪性分析。其中：土壤機(jī)械組成和微團(tuán)聚體采用吸管法進(jìn)行測(cè)定；土壤容重、毛管孔隙度和非毛管孔隙度采用環(huán)刀法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、pH值、陽離子交換量等理化性質(zhì)參照相關(guān)規(guī)范方法測(cè)定；土壤抗剪性通過室內(nèi)常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)方法測(cè)定。

2.2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

結(jié)合國(guó)內(nèi)外常用的生態(tài)護(hù)坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，選用了30個(gè)指標(biāo)來建立坡面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。其中：X1～X13為土壤理化性質(zhì)指標(biāo)，X14～X28為土壤抗蝕性指標(biāo)，X29、X30為土壤抗剪性指標(biāo)。通過主成分分析，確定累積貢獻(xiàn)率大的指標(biāo)，得到綜合主成分，作為穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的綜合指數(shù)。

表1 坡面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3 結(jié)果與分析

3.1 主成分分析

對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，提取特征值大于1的主成分，結(jié)果見表2。

表2 坡面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)主成分分析

由表2可知，共提取7個(gè)主成分，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了91.20%，超過 85%的水平，說明這7個(gè)主成分能夠代表采樣點(diǎn)30個(gè)原始指標(biāo)的變化，具有科學(xué)性、代表性。第一主成分的貢獻(xiàn)率最高(23.975%)。其中，團(tuán)聚體分散率X21、團(tuán)聚狀況X23、團(tuán)聚度X24的因子負(fù)荷量較大，可命名為土壤團(tuán)聚程度因子。因此，影響坡面穩(wěn)定性的最主要因素是土壤團(tuán)聚程度因子，其表現(xiàn)為土壤團(tuán)聚體分散率越小、土壤團(tuán)聚狀況越好、團(tuán)聚度越大，坡面穩(wěn)定性越強(qiáng)。第二主成分的貢獻(xiàn)率為19.711%，有4個(gè)指標(biāo)的因子負(fù)荷量較大，分別是>0.5 mm團(tuán)聚體破壞率X20、>0.25 mm團(tuán)聚體破壞率X19、>0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量X18和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量X17，可命名為土壤團(tuán)聚體狀況因子。該因子對(duì)坡面穩(wěn)定性也有較大影響，土壤團(tuán)聚體破壞率越小，水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越高，坡面穩(wěn)定性越高。第三主成分的貢獻(xiàn)率為13.017%，干篩幾何平均直徑X27和干篩平均質(zhì)量直徑X25的因子負(fù)荷量較大，可命名為土壤團(tuán)聚顆粒直徑因子。第四主成分的貢獻(xiàn)率為12.914%，結(jié)構(gòu)性顆粒指數(shù)X16和<0.002 mm黏粒含量X15的因子負(fù)荷量較大，可命名為土壤機(jī)械組成因子。第五主成分的貢獻(xiàn)率為10.134%，內(nèi)摩擦角X30和土壤黏聚力X29的因子負(fù)荷量較大，可命名為土壤抗剪性因子，土壤內(nèi)摩擦角的影響略大于土壤黏聚力。后兩個(gè)主成分之和僅為11.449%，其中只有非毛管孔隙度X4、總磷X6和總氮X5的因子負(fù)荷量較大。這兩個(gè)主成分影響較小，沒有實(shí)際意義。

3.2 坡面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

通過因子得分矩陣，用主成分線性函數(shù)計(jì)算各因子的主成分值，并以各因子所對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，計(jì)算綜合主成分，得到余家溝村坡面綜合穩(wěn)定性指數(shù)計(jì)算公式為

Y=0.241Y1+ 0.221Y2+ 0.181Y3+ 0.107Y4+

0.098Y5+ 0.091Y6+ 0.062Y7

根據(jù)公式分別計(jì)算試驗(yàn)組和對(duì)照組坡面不同土壤深度的綜合穩(wěn)定性指數(shù)，并最終得到兩種坡面的綜合穩(wěn)定性指數(shù)平均值，結(jié)果見表3。

由表3可知，試驗(yàn)組坡面在不同土壤深度的綜合穩(wěn)定性指數(shù)均大于對(duì)照組，這表明近自然模式整治坡面的穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于未經(jīng)整治的自然坡面，近自然模式坡面整治效果顯著。隨著土壤深度的增大，試驗(yàn)組坡面綜合穩(wěn)定性指數(shù)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，20～40 cm深度的穩(wěn)定性較10～20 cm明顯降低。

表3 坡面綜合穩(wěn)定性指數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語

本研究根據(jù)土壤理化性質(zhì)、土壤抗蝕性和抗剪性等指標(biāo)建立了秦巴山區(qū)坡面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用主成分分析法提取了主成分并命名解釋變量，通過確定權(quán)重和計(jì)算因子得分得到坡面綜合穩(wěn)定性指數(shù)。研究表明：試驗(yàn)組坡面穩(wěn)定性指數(shù)大于對(duì)照組；影響坡面穩(wěn)定性的主要因素為坡面土壤的抗蝕性指標(biāo)，土壤理化性質(zhì)指標(biāo)和抗剪性指標(biāo)的影響程度相對(duì)較小，因此在坡面修復(fù)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注土壤的團(tuán)粒特征；經(jīng)過治理的坡面穩(wěn)定性增強(qiáng)，未出現(xiàn)土壤侵蝕及土體崩塌現(xiàn)象，并且起到了綠化環(huán)境的作用，因此坡面近自然模式整治效果較好；此外，近自然模式整治坡面穩(wěn)定性隨著土層深度的增加而降低，因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注20～40 cm深度土層的穩(wěn)定性。

本研究為在秦巴山區(qū)實(shí)施近自然模式坡面整治提供了參考。但是，本研究試驗(yàn)區(qū)的面積較小，試驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)受到周圍岸坡的邊際效應(yīng)影響，因此采用近自然模式整治的長(zhǎng)期效果還需要通過時(shí)間驗(yàn)證，特別是其景觀優(yōu)美度及其生態(tài)效應(yīng)等仍有待研究。