遼西水土保持工程措施與植物措施防控效應(yīng)分析

穆智育

(綏中縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 綏中 125200)

水土流失作為土壤侵蝕的重要形式，一般會造成水環(huán)境破壞、面源污染、耕地毀壞以及土地退化等一系列問題，水保措施對有效防控面源污染及減沙截流等發(fā)揮著重要作用。遼西低山丘陵區(qū)屬于我國水土流失重點(diǎn)治理區(qū)，經(jīng)過多年治理，遼西生態(tài)環(huán)境有了明顯改善，荒山荒坡逐漸變成水保林、經(jīng)果林，坡耕地成為高校節(jié)水的梯田，老果園變成了果樹臺田，明顯減少了河道泥沙淤積情況，水土保持成效顯著[1-2]。低山丘陵區(qū)水環(huán)境、水文受水保措施的影響較大，為了探討適用于遼西棕壤坡面的水保措施，文章結(jié)合常年觀測的坡面徑流小區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了水保工程措施與植物措施的減污、保土、蓄水效應(yīng)，旨在為遼西棕壤區(qū)面源污染與水土流失防控提供一定支持。

1 小流域概況

文章以遼寧省綏中縣大獐小流域?yàn)槔?，通過定位觀測試驗(yàn)定量分析水保工程措施與植物措施的防控效果。大獐小流域地處E120°5′17″～120°11′50″、N40°19′51″～40°24′57″之間，總面積25.18km2，其中水土流失21.40km2，海撥高程285m～45m，屬低植被土石質(zhì)丘陵中度侵蝕區(qū)。經(jīng)現(xiàn)場踏勘，地形總體較平坦，林地面積較少，大部分為疏林地和坡耕地，荒山以土石質(zhì)山為主，適宜進(jìn)行整地、造林。

大獐小流域位于半干旱、半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量620.8mm，年均徑流深221mm，降水量年內(nèi)分配不均勻，年季間變化大，多集中于7～9月。流域內(nèi)土壤類型以棕壤為主，植被以人工林為主，樹種主要有刺槐、榆樹、楊樹、紫穗槐、荊條等，水保林以刺槐為主，林木成材率較低，草種主要有披堿草、燕麥草、蒲公英、沙打旺等，林草覆蓋率44.76%，在遼西地區(qū)其水保措施和土壤類型具有較強(qiáng)的代表性。

2 研究方法

2.1徑流小區(qū)設(shè)計(jì)

依據(jù)試驗(yàn)?zāi)康模谄露容^均一、土壤理化特性較一致且土層厚度均勻的同一坡面上設(shè)置5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)。徑流小區(qū)坡度25°，水平投影面積20m×5m(即100m2)。圍埂設(shè)置于小區(qū)周邊，圍埂埋深45cm，高出地表30cm，圍埂的主要作用是阻斷內(nèi)、外徑流交換。將深20cm×寬30cm×長5m的橫向矩形集水槽修筑于小區(qū)下方，并利用PVC管把小區(qū)徑流及泥沙引入槽內(nèi)。充分考慮可能發(fā)生的最大徑流量和暴雨量，將徑流池設(shè)計(jì)成1#(1.0m×1.0m×1.0m)、2#(0.8m×1.0m×1.0m)、3#(0.8m×1.0m×1.0m)三個(gè)池子，徑流池及其內(nèi)壁正面安設(shè)五分法V型三角分流堰和搪瓷水位尺，自記雨量計(jì)安裝于小區(qū)附近，以此獲取實(shí)時(shí)降雨量數(shù)據(jù)，并按照《水土保持試驗(yàn)規(guī)程》推薦的方法完成徑流觀測和管理。

大獐小流域棕壤坡面現(xiàn)有水保植物措施中地被覆蓋植物以胡枝子、鐵茫萁為主，喬木主要為馬尾松。為最大限度地維持棕壤坡面的原始性，在設(shè)計(jì)處理徑流小區(qū)時(shí)應(yīng)以原有坡面為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。水平竹節(jié)溝是水土流失生態(tài)防護(hù)型治理最典型的水保工程措施，主要通過每隔一定距離沿山坡等高線修建的蓄水截流溝攔沙蓄水，按照等間隔在溝內(nèi)設(shè)置橫土垱阻斷水流，其形似竹節(jié)；梯壁草、果樹梯田、前埂后溝是水土流失高效開發(fā)型治理最典型的經(jīng)果林水保措施。文章結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)工作方式和借鑒南方“前埂后溝 + 梯壁植草 + 反坡梯田” 坡面工程優(yōu)化配置技術(shù)及以上常用措施設(shè)計(jì)5種處理措施，如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)的水保措施

2.2 數(shù)據(jù)測定方法

以2018-2020年為觀測期，各項(xiàng)數(shù)據(jù)測定方法如下：選用自記雨量計(jì)測定降雨量，人工觀測泥沙量和徑流量，利用試驗(yàn)站事先率定好的公式對徑流池中水位尺的讀數(shù)進(jìn)行處理，以確定徑流量；采集過、濾烘干次降雨形成的水樣，并結(jié)合徑流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，計(jì)算確定含沙量和侵蝕泥沙量；采集次降雨過后的水樣、泥沙樣并測定氮和磷含量，利用鉬酸銨分光和堿性過硫酸鉀消解紫外分光等光度法測定水樣中的總氮、總磷，利用鉬銻抗比色法、硫酸-高氯酸消化擴(kuò)散吸收法測定泥沙樣中的全氮、全磷含量。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水特征

大獐小流域2019-2021年降水量較豐富，年均降水量632.8mm，降水量年內(nèi)分配不均，主要集中于6-9月，其它時(shí)段降水量相對較小。通過分析2019-2021年55場次侵蝕性降雨的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征發(fā)現(xiàn)，各徑流小區(qū)的降雨量與產(chǎn)流產(chǎn)沙量存在一定密切聯(lián)系，產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨降雨量的增加而增大，并且產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量的變化規(guī)律基本一致。

圖1 2019～2021年降水量分布特征

3.2 減沙保土效益

采用成因分析法(水保法)對比計(jì)算空白對照小區(qū)A與水保措施小區(qū)B、C、D、E的徑流量，以此確定減流蓄水效應(yīng)，如表2所示。

表2 2019～2021年各徑流小區(qū)的徑流量特征

從表2可以看出，C小區(qū)的年均徑流量最低為8.24m3，為空白對照小區(qū)(徑流量最大)的17.9%，此外B、E徑流小區(qū)的減流蓄水效應(yīng)也比較顯著，B、C、D、E、F徑流小區(qū)的減流率依次為67.33%、82.13%、34.66%、76.68%。究其原因，B、C、E徑流小區(qū)采取果樹梯田或水平竹節(jié)溝等工程措施，通過改變下墊面條件、分段攔蓄徑流、截短坡長和調(diào)整微地形等方式，降低了徑流水動力，匯流方式也發(fā)生相應(yīng)的改變，并且植物措施可以增大地表覆蓋和土壤入滲，水保措施的實(shí)施有效降低了小區(qū)產(chǎn)流量。

3.3 減流蓄水效應(yīng)

文章利用水保法對比計(jì)算空白對照小區(qū)與實(shí)施水保措施小區(qū)的產(chǎn)沙量，以此確定減沙率特征指標(biāo)，用以反映各水保措施的減沙保土效應(yīng)，如表3所示。

表3 2019～2021年各徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量特征

從表3可以看出，C、E小區(qū)的侵蝕模數(shù)較低依次為412(t/km2·a-1)和450(t/km2·a-1)，為空白對照小區(qū)(侵蝕模數(shù)最大)的18.6%和20.3%，達(dá)到微度侵蝕強(qiáng)度；A、D小區(qū)的侵蝕模數(shù)較高依次為2216(t/km2·a-1)和1620(t/km2·a-1)，達(dá)到輕度侵蝕強(qiáng)度；B、C、E徑流小區(qū)相比于A小區(qū)具有明顯的減沙效果，減沙率依次為75.77%、81.41%、79.69%，D小區(qū)的減沙率只有26.90%，減沙效果不明顯。與荒地相比，在棕壤坡度種植經(jīng)濟(jì)林既能夠獲得一定經(jīng)濟(jì)效益，還可以有效整治水土流失，但若未配套水平節(jié)水溝等工程措施，建設(shè)初期地表原生植被會受到破壞，土壤顆粒被雨滴濺起引發(fā)水土流失，因此必須綜合利用工程措施與植物措施。

3.4 污染防控效應(yīng)

1)徑流攜帶氮磷污染防控效應(yīng)。以空白對照A小區(qū)為例，通過計(jì)算分析自然降雨后的各小區(qū)徑流水樣，探討不同水保措施防控徑流攜帶氮、磷等污染物的效應(yīng)，如表4所示。

表4 2019～2021年各徑流小區(qū)的總氮、總磷徑流輸出特征

從表4可以看出，2019～2021年各徑流小區(qū)的總氮輸出量為7.92～367.41g，總磷輸出量為0.63～29.61g，總氮輸出量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于總磷輸出量。C小區(qū)的年均總氮、總磷輸出量均最小為2.64g和0.21g，為空白對照小區(qū)(輸出量最大)的2.16%和2.13%，并且B、E徑流小區(qū)也具有明顯的氮、磷等污染物攔截效應(yīng)。B、C、D、E徑流小區(qū)的總氮攔截率依次為90.81%、97.84%、63.16%、96.49%，其總磷攔截率依次為89.46%、97.87%、67.06%、97.57%。究其原因，工程措施和植物措施具有較好的地表徑流攔截作用，植物可以在一定程度上吸收營養(yǎng)物質(zhì)，所以對徑流輸出溶解態(tài)面源污染物各水保措施小區(qū)的防控效果顯著。

2)泥沙攜帶氮磷污染防控效應(yīng)。以空白對照A小區(qū)為例，通過計(jì)算分析自然降雨后的各小區(qū)徑流水樣，探討不同水保措施防控泥沙攜帶氮、磷等污染物的效應(yīng)，如表5所示。

表5 2019～2021年各徑流小區(qū)的總氮、總磷泥沙輸出特征

從表5可以看出，2019～2021年各徑流小區(qū)的全氮年均輸出量為14.75～40.25g，全磷年均輸出量為5.81～1526.72g。C小區(qū)的年均全氮、全磷輸出量均最小為14.75g和5.81g，為空白對照小區(qū)(輸出量最大)的36.6%和0.4%，除D徑流小區(qū)外其它小區(qū)的全氮攔截率相差不大。此外，各水保措施均具有明顯的全磷隨泥沙輸出的攔截效果。B、C、D、E徑流小區(qū)的全氮攔截率依次為50.78%、63.35%、17.02%、58.58%，其全磷攔截率依次為99.31%、99.62%、98.02%、99.42%。究其原因，工程措施和植物措施具有較好的減沙保土作用，能夠有效防控吸附態(tài)面源污染物隨泥沙的輸出。

4 結(jié) 論

文章通過定位觀測和試驗(yàn)分析遼西棕壤坡地徑流小區(qū)，探討了水平竹節(jié)溝、喬灌草等工程措施和植物措施的面源污染及水土流失防控作用。對于標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，工程措施+水保林的減沙率約為75.77 %、減流率約為67.33%，總體次于工程措施+經(jīng)果林的減沙率(79.69%～81.41%)和減流率(76.18%～82.13%)，但由于植物籬+經(jīng)濟(jì)林。植物籬+經(jīng)濟(jì)林、工程措施+經(jīng)果林、工程措施+水保林總氮(吸附態(tài)和溶解態(tài))年均輸出量相對于荒草地的攔截率均達(dá)到60%以上，總磷(吸附態(tài)和溶解態(tài))年均輸出量相對于荒草地的攔截率均達(dá)到98%以上。因此，各項(xiàng)水保措施對于防控遼西棕壤坡地水土流失和面源污染以及優(yōu)化水環(huán)境等具有顯著作用。