長江中上游不同坡改梯方式生態效益研究

鄧嘉農,唐春霞,何丙輝

(1.長江流域水土保持監測中心站,湖北武漢 430010;2.西南大學資源環境學院三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶 400715)

長江中上游不同坡改梯方式生態效益研究

鄧嘉農1,唐春霞2,何丙輝2

(1.長江流域水土保持監測中心站,湖北武漢 430010;2.西南大學資源環境學院三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶 400715)

坡改梯;水平梯地;坡式梯地;生態效益;長江中上游

在重慶開縣芋子溝小流域和渝北區木耳鎮后河小流域設置試驗小區,根據觀測資料,分析不同坡改梯方式梯地的生態效益。結果表明,在產流產沙方面,均表現為休閑地小區 ＞坡耕地小區 ＞20°坡式梯地小區 ＞15°坡式梯地小區 ＞水平梯地小區,這說明坡改梯梯地與坡耕地、休閑地相比,具有明顯的水土保持效果。在不同坡改梯方式中水平梯地的保土效果最優,產沙量比 15°坡式梯地、20°坡式梯地分別少 78.95%、81.25%,而后兩者則相差不大。在改善土壤養分方面,水平梯地和坡式梯地相比,總體表現為水平梯地略優于 15°坡式梯地,15°坡式梯地優于 20°坡式梯地。

長江流域現有坡耕地 10.7萬 km2,年土壤侵蝕量 8.0億 t,約占流域年土壤侵蝕總量的 1/3[1]。坡耕地水土流失嚴重,迫切需要進行綜合治理,而坡改梯是坡耕地治理中的一項重要的措施。為研究長江中上游地區適宜的坡改梯方式,筆者設置試驗小區,對比休閑地、坡耕地,分析不同坡改梯梯地的生態效益,以期為指導坡耕地治理、發展農業生產提供理論依據[2-3]。

1 研究方法

1.1 試驗小區

試驗地點選在重慶開縣芋子溝小流域和渝北區木耳鎮后河小流域。芋子溝小流域和后河小流域基本情況相近,均位于低山丘陵區,屬亞熱帶季風氣候區,年均氣溫 10.8～18.5℃,年降水量 1 150.7～1 385.0 m m,降水主要集中在每年的 5—10月。

依據試驗需要布置試驗小區,共設5個小區,包括 3個坡度不同的坡改梯小區,1個坡耕地小區和 1個休閑地小區作為對照,各小區的立地條件、土壤狀況等基本一致,其基本情況見表1。

1.2 試驗方法

(1)地表徑流量和產沙量的測定方法。采用徑流小區法進行試驗小區蓄水保土基礎效益的監測。標準徑流小區水平投影面積 100m2,即寬 5 m(與等高線平行)、長 20m(順坡面水平投影方向),由坡面、擋水墻、集水槽、導水管和量水池幾部分組成,在量水池中安裝自記水位計,可以觀測降雨過程中徑流小區內產流、產沙的變化情況。根據非標準小區樣地的實際情況,在樣地外圍修筑混凝土結構的引水溝,將樣地內的徑流匯集到樣地最低處,在最低處開挖一容積為 3 m3的方形蓄水池(長 2 m、寬 1.5 m、高 1m),用于降雨時蓄積地表徑流。降雨時要用蓋子將蓄水池蓋上,避免天然降雨直接落入影響測量精度。記錄每次降雨的降雨量及產生的徑流量,將蓄水池中積蓄的水攪拌均勻后再采集水樣,將水樣用已烘干并稱重的濾紙過濾,然后將濾紙和泥沙恒溫烘干和稱量,以測定單位體積徑流的含沙量。根據每次降雨的徑流量計算小區土壤侵蝕量,并換算成單位面積土壤侵蝕量。

表 1 試驗小區基本情況

(2)土壤理化性狀測定。土壤采樣時間為雨季結束后的 10月下旬,在各試驗小區按 S形設置采樣點,用梅花 5點取樣法采集耕作層(0～30 c m)土樣,重復采樣 3次作為分析土樣,分別對其進行理化性狀測定,取其平均值。測試方法均為常規農化分析方法[4]。

2 結果與分析

2.1 次降雨條件下的產沙量

在相似的次降雨條件下,選取兩個小流域不同試驗小區單位面積的產沙量,結果見表 2。由表 2知,在次降雨條件下,不同坡改梯方式對產沙量的影響是明顯的。比較相同坡度(15°)的 T1(休閑地小區)、T2(坡耕地小區)、T4(15°坡式梯地小區)的泥沙量,T1和 T2的產沙量明顯高于 T4。究其原因:第一,降雨會導致土壤濺蝕,破壞土壤表層結構,雖然休閑地沒有受到太大的人為干擾,地表也有一部分結皮,但是其植被覆蓋率低、根系不發達,不能削弱雨滴對地表土壤的打擊力,也不能有效攔截地表的徑流和泥沙;第二,由于采取了順坡耕作方式,坡耕地耕作造成的溝道為徑流沖刷土壤提供了通道,因此產生的泥沙量較大;第三,坡式梯地的產沙量最小,這與坡式梯地可以減緩坡度、縮短坡長、減緩徑流速度有關。根據經典的坡面徑流能量公式——拉爾(R.L a l)式,坡面單位面積的徑流能量 E=Q L ρ s i n θ(θ為坡面傾角;Q為單位面積的徑流量;L為坡長;ρ為水的密度)。由上述公式知,減緩坡面傾角和縮短坡長都能有效減少徑流能量,而徑流在土壤侵蝕過程中起著攜帶、運移土壤顆粒的作用,因此徑流能量的大小會直接影響其搬運土壤的能力,徑流能量越大可以搬運的土壤顆粒就越大,數量也越多。從表 2可以看出,坡改梯后由于坡面傾角減緩、坡長縮短,徑流能量變小,梯地的減沙效果明顯。

表 2 次降雨條件下各試驗小區產沙量

對比不同坡度的坡式梯地小區——T3(水平梯地小區)、T4(15°坡式梯地小區)、T5(20°坡式梯地小區),其產沙量分別為1.2、5.7、6.4 k g/hm2,其中 T3的產沙量相比 T4、T5要少78.95%、81.25%,T4、T5的產沙量則相差不大。上述結果說明相比坡式梯田,水平梯田的保土效果更優。

2.2 次降雨條件下的地表徑流量

在相似的次降雨條件下,選取兩個小流域不同試驗小區單位面積的徑流量,結果見表 3。由表 3知,在相似次降雨條件下,不同試驗小區產生的地表徑流量是不一樣的。地表徑流量T1(休閑地小區)＞T2(坡耕地小區)＞T5(20°坡式梯地小區)＞T4(15°坡式梯地小區)＞T3(水平梯地小區),說明地表徑流量與坡改梯方式相關,其中水平梯地徑流量最小,15°坡式梯地次之,休閑地的徑流量最大。休閑地由于地表植被覆蓋率較低,土壤侵蝕嚴重,表層土壤粗骨化,并有部分結皮,不能有效攔截水分,所以徑流量最大;坡耕地作為農用地經常翻耕,導致土壤過于松散,土粒之間黏結力較差,不能抵御雨滴濺蝕和地表徑流沖刷,因此抗侵蝕能力不強,水土保持功能較差,徑流量較大;梯地具有良好的水土保持功能,由于坡改梯改變了坡面微地形,減緩了地表徑流,并通過截水溝和排水溝將地表徑流排走,有效防止了地表徑流在梯地表面漫流,因此相比對照小區,3種坡改梯小區的徑流量較小。3種坡改梯小區中水平梯地的徑流量小于 15°坡式梯地,15°坡式梯地的徑流量又小于 20°坡式梯地,這說明同為坡改梯小區,水平梯地的保水效果比坡式梯地要好。另外,結合表 2、表 3知,15°坡式梯地小區的徑流量僅比水平梯地小區多 17.26%,其泥沙量卻是水平梯地小區的4.75倍,可見由于坡度的問題,坡式梯地徑流具有更大的攜沙能力。

表3 次降雨條件下各試驗小區徑流量

2.3 物理性狀對比

土壤物理性狀反映了土壤的保水能力,其中土壤容重反映了土壤松緊程度,容重小表示土壤疏松多孔、結構性良好,反之則表示土壤緊實板結;土壤孔隙一般用孔隙度表示,即單位土壤容積內孔隙所占的百分數,反映了土壤的通透性[5];土壤含水率則反映了土壤的持水能力。各試驗小區表層土壤的容重、孔隙度及含水率見表 4。

表4 各試驗小區土壤物理性狀對比

一般情況下,土壤容重小說明土壤孔隙多、比較疏松、結構性好,因此容重是反映耕作質量的重要指標[6]。由表 4知,水平梯地、坡式梯地小區的土壤物理性狀均優于沒有采取水土保持措施的休閑地和坡耕地。相比坡耕地,水平梯地的土壤容重小 0.40 g/c m3,孔隙度高 9.78百分點,含水率高 3.0百分點;15°坡式梯地土壤容重小 0.31g/c m3,孔隙度高 8.81百分點,含水率高 2.70百分點;20°坡式梯地土壤容重小 0.20 g/c m3,孔隙度高 7.44百分點,含水率高 2.01百分點。

經方差分析,水平梯地與 20°坡式梯地相比,容重、孔隙度、含水率 3個指標的差異均達到顯著水平;與 15°坡式梯地相比,除含水率外,容重、孔隙度差異均不明顯。綜合對比不同坡改梯小區的土壤理化性狀,總體表現為水平梯地略優于 15°坡式梯地,15°坡式梯地優于 20°坡式梯地。

2.4 土壤養分對比

各試驗小區表層(0～20 c m)土壤養分測定結果見表 5。

表5 各試驗小區土壤養分含量

由表 5知,水平梯地、坡式梯地小區土壤養分含量都比沒有采取水土保持措施的休閑地和坡耕地小區高。經方差分析,水平梯地、坡式梯地小區土壤養分含量與坡耕地、休閑地小區相比,除全磷外,其他差異均達到了顯著水平或者極顯著水平。這說明坡改梯改變了地塊微地形,將徑流順排水溝排走,減少了土壤養分流失。除全氮含量外,坡耕地小區的土壤養分含量均低于休閑地小區,究其原因,可能是由于休閑地小區覆蓋短小雜草,很大一部分降雨沿草皮頂部流失了,只有一小部分徑流沖刷到土壤,故雖然休閑地小區底部收集的徑流量比坡耕地小區大,但其養分流失量卻比坡耕地小區小。

對水平梯地、坡式梯地小區(15°、20°)的土壤養分含量進行比較可知,對于有機質、全鉀含量,三者之間無明顯差異;對于全氮含量,水平梯地、15°坡式梯地與 20°坡式梯地差異均達到顯著水平,水平梯地與 15°坡式梯地之間則無明顯差異;對于全磷含量,水平梯地與 20°坡式梯地差異達到顯著水平,水平梯地與 15°坡式梯地、15°坡式梯地與 20°坡式梯地則無明顯差異。綜上所述,水平梯地在保持土壤養分效果方面,尤其是全氮、全磷含量,較坡度較陡的坡式梯地具有一定的優越性,有機質、全鉀含量則不具優越性。

3 結果與討論

(1)相同坡度(15°)的試驗小區,單位面積產沙量的大小依次為:T1(休閑地小區)＞T2(坡耕地小區)＞T4(15°坡式梯地小區)。

(2)比較不同坡改梯方式的產沙量,結果為 T3(水平梯地小區)＜T4(15°坡式梯地小區)＜T5(20°坡式梯地小區),其中T3的產沙量分別比 T4、T5少 78.95%、81.25%,T4、T5則相差不大。

(3)不同坡改梯方式產生的徑流量是不一樣的,表現為 T1(休閑地小區)＞T2(坡耕地小區)＞T5(20°坡式梯地小區)＞T4(15°坡式梯地小區)＞T3(水平梯地小區)。

(4)將 T3(水平梯地小區)與 T4(15°坡式梯地小區)的水土保持效果進行比較可知:T3單位面積徑流量為 3.07 L/m2,T4為 3.60 L/m2;T3單位面積產沙量為 0.000 12 k g/m2,T4為0.000 57k g/m2。雖然坡式梯地的水土保持效果沒有水平梯地理想,但是其流失量已減少到允許范圍內。

(5)在保持養分的效果方面,水平梯地在全氮、全磷含量方面較坡度較陡的坡式梯地具有一定的優越性,而有機質、全鉀含量則不具優越性。在改善土壤物理性狀方面,水平梯地和坡式梯地相比,總體表現為水平梯地略優于 15°坡式梯地,15°坡式梯地優于 20°坡式梯地。

[1]史立人.長江流域的坡耕地治理[J].人民長江,1999,30(7):25-27.

[2]胡建民,胡欣,左長清.紅壤坡地坡改梯水土保持效應分析[J].水土保持研究,2005,12(4):271-273.

[3]陳旭暉,周長華.生物梯化的水土保持措施效應研究[J].水土保持研究,1998,5(2):163-176.

[4]楊劍虹.土壤理化分析[M].北京:中國大地出版社,2008:18-69.

[5]黃昌勇.土壤學[M].北京:中國農業出版社,2000:185-186.

[6]徐寧,吳兆錄,李正玲.滇西北亞高山不同土地利用類型土壤容重與根系生物量的比較研究[J].安徽農業科學,2008,36(5):1961-1963.

S 157

A

1000-0941(2011)06-0032-03

鄧嘉農(1954—),男,重慶渝中區人,高級工程師,學士,主要從事水土保持監測與規劃研究方面的工作。

2011-01-15

(責任編輯 李楊楊)