幾種水土保持坡面工程措施效益研究

劉艷改,姚 娜，程艷輝，衛 杰

(湖北安源安全環保科技有限公司,湖北 武漢 4300403)

1 引言

水土保持坡面工程措施是快速治理水土流失的重要方式[1]。通過布設坡面工程措施，對地表下墊面進行二次改造和整理，能夠增強土壤的抗蝕性[2]，改變徑流的沖刷距離[3]，減小徑流的搬運能力[4]，減少徑流和泥沙的輸入[5]，加強水分的入滲，提高坡面土壤含水量[6-7]。坡面工程措施對改善坡面土壤理化性狀[8]、養分狀況[9]也有良好的效果，可提高地面植物的成活率[10，11]，促進降水在坡面的就地入滲，切斷坡面的徑流線路，降低徑流中泥沙的含量[12]。水土保持工程措施是我國坡地水土保持工作的重要措施[13]。但坡面工程措施的布設規格和模式組合需要科學設計，否則會導致微地形改過程中產生新的發生源，進一步加劇土壤侵蝕和環境惡化[14]。系統評價水土保持措施效益并查明水土保持措施在實施過程中存在的問題，提高工程措施布設的經濟效益，對于水土保持工作的規劃、管理和執行具有重大意義[15]。本文分析幾種典型的水土保持坡面工程措施的減流、減沙效應，以及水分、養分的遷移，為合理布設水土保持措施提供科學依據。

2 幾種典型的水土保持坡面工程措施

水平溝、水平階、梯田、魚鱗坑等是目前應用較為廣泛的幾種水土保持坡面工程措施。

水平溝是在坡面上沿等高線方向修筑的小型水保工程。水平溝改造地形的方法具有中國特色[14]，國外關于水平溝的報道不多。它常常布設于坡度較大的丘陵荒坡地，以分散、攔蓄坡面徑流為主要目的[16]。根據地形等條件，水平溝有多種形式的規格和布置方式。在土層較薄的25°以上坡面，一般選用斷續式的竹節壕；在15°～25°的坡地，選用以蓄水為主的蓄水溝；在水利條件滿足的區域，可以采用蓄排結合為主的水平溝。在設計水平溝時，要充分收集當地坡面植物類型及需水量、降雨條件、徑流系數、水文條件、土壤類型、立地條件等方面的資料，計算入溝水量，確定上下兩溝間距和溝斷面尺寸、寬深比，進行斷面校核。同時，要發揮水平溝的邊行優勢，修筑時通過集中施肥和熟土層回填改善土壤結構和肥力狀況，發揮蓄水保肥作用。

梯田能夠縮短坡長，減小地表徑流系數、侵蝕模數，增大持水量，促進降雨的就地入滲，提高控制區水肥含量。梯田斷面的主要設計元素包括: 田面寬度、凈寬、毛寬、田坎高度、田坎占地寬、內/外側坡腳、埂高、原地面坡度等[17]。近年來，不少學者用WEEP模型設計梯田斷面參數取得了良好的效果[18]。

水平階是梯田的簡易形式。根據不同的地形地貌，由于坡面規模較小、坡度較陡而不適用梯田情況下的一種水土保持措施。它適用于15°～25°的陡坡坡面，階面一般寬1.0～1.5 m，反向3°～5°，設計的造林行距是水平階上下兩階間的水平距離的設計依據。

魚鱗坑是工程措施和植物措施相結合的治理方法。從坡頂往下沿等高線呈品字形設置的半圓形坑穴。它可以提高樹木的成活，由林木植被發揮水土保持長期作用。魚鱗坑蓄水能力較其他措施弱，在布設上需要成片布設才能更好地發揮功能[19，20]。與其他幾種方式比較，在相同挖方量下，魚鱗坑點位較多，不同尺寸的規格效果差異較大[21]，在布局設計上要求較高。

3 幾種坡面治理工程措施效益研究

3.1 幾種坡面治理工程措施對侵蝕產流產沙的影響

目前對單一措施研究較多的是梯田。基于20 世紀60 年代黃土高原多地實測數據指出[22～24]，水平梯田可減沙90%～100%、減水70%～90%。劉曉燕等[25]的黃土高原的研究表明，小流域的坡面梯田化程度達到85 %以上的，即使發生大暴雨也少有泥沙。江西省水土保持研究所[26～29]等在南方的研究說明了在紅壤區不同類型的梯田的也有較好的水土保持效益。劉世梁[30]的研究表明，坡面坡度越大，梯田的效果越好，隨著坡度從5°～25°，攔截率從20%上升到84%。水平溝也是一項很好的減流減沙措施。趙世偉[31]在黃土高原區的研究發現，水平溝措施能減少25.7%～40.5%的徑流量，33.7%～56.1%的土壤侵蝕量。崔孟深[32]就水平溝在坡面治理工程中的攔蓄雨水方面進行了研究表明，水平溝部位的農田多得到66.5～275.9 mm的雨水。多個研究表明，魚鱗坑減流減沙效果在幾種措施中最弱[33，34]。目前，對魚鱗坑整地的研究較少，尤其是在南方紅壤區。

筆者還收集了國內不同地區、不同土壤類型的工程措施減水減沙效果[35～40]。研究結果表明，水土保持坡面工程措施減流量在55%以上(平均68%)，減沙量高于65%(平均81%)，梯田水保效益高于水平溝和魚鱗坑。

3.2 坡面治理工程措施對土壤物理性質的影響

水土保持措施通過改變徑流和泥沙的流動量和流動方式，影響土壤的容重和孔隙狀況，從而改良土壤[41]。任文海[34]在南方花崗巖紅壤下的研究表明，措施處理下容重從大到小依次為對照處理>水平溝處理>水平階處理>魚鱗坑處理。王月玲[42]在黃土高原腹部梁峁丘陵地研究表明，細砂粒平均含量的排列順序為:天然草地>魚鱗坑>水平溝，水平溝、魚鱗坑的最大田間持水量分別比天然草地提高5. 88%、10%，土壤總孔隙度分別提高5. 87%、10 %。張源潤[43]在寧夏的研究表明，40～60 cm的根系生長層是水平溝對土壤容重的主要影響區域，魚鱗坑整地不利于幼樹根系的生長發育，但能降低土壤表層的土壤容重。

工程措施前期可以明顯改善土壤物理性狀，幾種措施處理在不同的條件下對土壤物理性質的影響大小不一。但是工程措施破壞了地形表面，不同程度的影響了土壤的物理性質。目前，對工程措施實施大于5年后土壤物理性質變化的長期定位監測結果報道較少。

3.3 坡面治理工程措施對水分分布的影響

坡面工程措施改變地表形態，影響降雨的再分配過程[44]。水土保持措施與土壤水分的相互作用是水土保持研究熱點。

穆興民[45]在黃土區研究表明，修建兩年梯田的土壤含水量為荒坡各土層的1.37～1.64倍。王秀英[22]研究發現，水土保持坡面工程措施增加了土壤入滲量，將地表徑流更多地轉化為地下徑流。甘肅西峰水保站測定措施實施1年后，水平溝和水平階不同土層的土壤含水量最好，魚鱗坑居中。王青寧[46]研究表明，魚鱗坑的雨季蓄水過程明顯,陽坡坑春季較原狀荒坡的含水量增幅均值可達18.18%,其改善土壤水分狀況的程度高于陰坡坑。程積民[47]等研究黃土丘陵區3種措施整地發現，0～100 cm土壤含水量均比荒山高。

上述結果表明：不同水土保持工程措施對土壤的含水量的影響隨的立地條件改變而變化。目前，學者的研究集中在措施效益的評價上，對不同坡面工程措施提高土壤水分的作用機理研究很少，對水分入滲后轉化壤中流的機制研究不豐富。

3.4 坡面治理工程措施對養分動態的影響

養分隨水土流失的遷移是水土保持學科研究的重點內容。沈燕[48]研究表明，水平溝改良10年的草地土壤養分含量較封育處理更高。劉洋等[49]在江西省的試驗表明，在產流過程中全氮流失最多，全磷較少。褚利平等在云南紅壤區對水平階的試驗研究時發現，磷素流失以泥沙結合態為主，占土壤磷素流失的95.32%～97.54%。

當前研究表明，水土流失的土壤養分以泥沙攜帶流失為主，且在土壤中移動性強的氮等元素流失較多，土壤中固定能力強的養分流失相對較少。養分遷移與水土保持植物布設和生長的研究須進一步加強。

4 展望

在系統地總結了幾種工程措施的效應后，對于水土保持工程措施研究，以后可以從以下幾個方面開展：①工程措施的設計方面。科學的進行坡面措施的布局，可以有效的節省成本，同時使措施的效益值達到最大。不同的水土流失治理分區上，具有不同的降雨、地形、母質與土壤特性。目前，不同坡面工程措施的種類、規格、搭配等研究很少，如何選取合適的工程措施組成水土保持技術體系是急需解決的問題。②加強對坡面水土保持工程措施作用機理的研究。掌握各措施下的水文學原理，研究地上、地下徑流循環規律，分析發生土壤侵蝕的主要階段以及每個階段的徑流侵蝕特征。③需要加強坡面工程措施實施下養分、水分與植物生長的綜合研究，以便更好地發揮治理措施的長期效益。