贛南水土保持植物措施和工程措施防控效應研究

胡 皓，莫明浩，聶小飛，陳 浩

(1.江西省水土保持科學研究院，江西 南昌330029； 2.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌330029)

水土流失是土壤侵蝕的一種主要形式。水土流失不僅會導致土地退化、耕地毀壞，而且會造成面源污染[1]，破壞水環境，而水土保持措施在截流減沙的同時，對面源污染也具有防控作用。贛南曾是我國南方水土流失最嚴重的地區之一，自20世紀80年代全國八片水土保持重點治理工程實施以來，贛南水土保持生態建設取得了顯著成效[2]。水土保持措施會對山丘區水文、水環境產生重要影響[3]，為了進一步研究贛南紅壤坡面適宜的水土保持措施，本研究借助坡面徑流小區的常年觀測試驗成果，研究水土保持植物措施和工程措施的蓄水、保土、減污效應，以期為南方紅壤區水土流失與面源污染防控提供數據支持。

1 研究區概況

研究區選在江西省贛州市于都縣左馬小流域。左馬小流域位于于都縣城南30 km處，流域面積3.2 km2，地處贛江支流上游、國家水土保持重點建設工程項目區范圍內。小流域以丘陵崗地地貌為主，北部有低山，最低海拔為108 m，最高海拔為314 m，坡度多在5°～25°；地處中亞熱帶季風濕潤氣候區，具有雨量充沛、氣候溫和、光照充足、四季分明、無霜期長等特點，年均降水量1 507.5 mm；土壤類型為花崗巖發育的紅壤，土地利用類型以林地和果園為主，植被以松、杉、灌木類為主，其土壤類型和水土保持措施在贛南地區具有較好的代表性。

2 研究方法

2.1 試驗設計

在土層厚度均勻、土壤理化特性較一致、坡度較均一的同一坡面上，根據研究目的，設置5個標準徑流小區。小區地理坐標為115°24′14″E、25°55′01″N，水平投影面積為100 m2(5 m×20 m)，坡度為25°。小區周邊設置有圍埂，以阻止小區內外部徑流交換，圍埂高出地表30 cm、埋深45 cm。小區下方修筑有橫向集水槽(矩形槽，長5 m、寬30 cm、深20 cm)，承接小區徑流及泥沙，并由PVC管引入徑流池。徑流池根據當地可能發生的最大暴雨和徑流量設計成A、B、C三個池子，A池尺寸為1.0 m×1.0 m×1.0 m，B、C池尺寸均為1.0 m×1.0 m×0.8 m。徑流池設有五分法V形三角分流堰，徑流池內壁正面均安裝有搪瓷水位尺。小區附近安裝有自記雨量計，實時記錄降雨量，小區觀測和管理方法均按《水土保持試驗規程》(SL 419—2007)進行[4]。

研究區紅壤坡面現有的水土保持植物中喬木為馬尾松，地被覆蓋植物主要是鐵芒萁和胡枝子。為了更好地保持紅壤坡面的原始性，徑流小區的處理設計在原有坡面基礎上適當調整。贛南生態防護型水土流失治理中典型的水土保持工程措施有水平竹節溝，它是通過在山坡沿等高線每隔一定距離修建的截流、蓄水溝蓄水攔沙，在溝內間隔一定距離設置一個橫土垱以間斷水流，因形似竹節而得名[5]；高效開發型水土流失治理中經果林開發的典型水土保持措施有前埂后溝、水平臺地、梯壁植草[5]等。根據上述常用措施及當地農業耕作方式的特點，設計了5種處理措施小區，詳見表1。

表1 不同處理措施小區基本情況

2.2 觀測及數據獲取方法

徑流小區于2009年建成，本研究觀測期為2010—2012年。各項數據中，降雨量采用自記雨量計測定；徑流量和泥沙量采用人工觀測，根據徑流池中水位尺的讀數由試驗站事先率定好的公式計算徑流量；利用次降雨過程中采集的水樣過濾烘干測定含沙量，進而根據徑流量計算侵蝕泥沙量；次降雨過后采集水樣和泥沙樣，分別測定氮和磷的含量；水樣中總氮、總磷測定分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法和鉬酸銨分光光度法；泥沙樣中全氮和全磷測定分別采用高氯酸-硫酸消化擴散吸收法和鉬銻抗比色法。

3 試驗結果與分析

3.1 降水特征

2010—2012年研究區降水量豐富，平均年降水量為1 594 mm，但年內降水量分配不勻(圖1)，4—6月份降水量較大，降水量峰值出現在6月份，其他月份降水量明顯較小。對3年中76場侵蝕性降雨的產流產沙特征進行分析，徑流小區場降雨的產流、產沙量與降水量有較好的相關關系，即降水量越大，產流、產沙量也越大，同時產沙量與產流量也表現出基本一致的變化規律。

圖1 2010—2012年研究區降水量年內分布

3.2 蓄水減流效應

采用水保法(成因分析法)，將水土保持措施小區(2#、3#、4#、5#小區)的徑流量與對照小區(1#小區)對比計算蓄水減流效應(表2)。由表2知，年均徑流量最小的為3#小區，其徑流量僅為年均徑流量最大小區(1#小區)的16%，另外2#和5#小區的蓄水減流效應也很明顯。2#—5#小區減流率分別為68.86%、84.05%、35.59%、78.35%。2#、3#、5#小區減流效應較好的原因是采取水平竹節溝或水平臺地等工程措施后截短了坡長，分段攔蓄徑流，改變了下墊面，微地形的改變使得徑流水動力減小，匯流方式也隨之變化，同時植物措施增加了地表覆蓋，增加了土壤入滲，因此水土保持措施小區產流量明顯減小。

表2 2010—2012年不同措施小區徑流量特征分析

3.3 保土減沙效應

通過計算特征指標——減沙率來反映不同措施的保土減沙效應。本研究用水保法將采用水保措施小區的產沙量與對照小區進行對比計算減沙率(表3)。由表3知，3#和5#小區侵蝕模數較小，分別為1#小區的18%和20%，屬于微度侵蝕；1#和4#小區侵蝕模數較大，分別為2 353、1 734 t/(km2·a)，屬于輕度侵蝕。相比1#小區，2#、3#、5#小區減沙效果明顯，減沙率分別為76.47%、81.96%和79.66%，而4#小區減沙效果一般，減沙率僅為26.28%。相對荒地而言，在紅壤坡地種植經濟林能夠治理水土流失，并且獲得經濟收益，但是建設初期如無水平竹節溝等配套工程措施，地表原始植被遭破壞后土壤顆粒容易被雨滴濺起，產生水土流失，所以需要植物措施與工程措施相結合。

表3 2010—2012年各小區產沙量特征分析

3.4 防控污染效應

3.4.1 防控徑流攜帶氮磷污染效應

以1#小區為對照，通過對各小區自然降雨后的徑流進行取樣分析，研究水土保持措施對徑流攜帶的氮、磷等溶解態污染物的防控效應，結果見表4、5。由表4、5知，3年中5個小區的總氮輸出量為8.34～370.53 g，產生的總磷輸出量為0.70～29.80 g，總磷隨徑流輸出量遠小于總氮。3#小區年均輸出的總氮、總磷量均為最小，都僅為年均輸出量最大的1#小區的2%。此外，2#、5#小區攔截氮、磷污染物效應也很明顯。2#至5#小區總氮攔截率分別為90.10%、97.75%、62.24%、95.72%，總磷攔截率分別為88.93%、97.65%、65.87%、96.34%。由于采取的植物措施和工程措施對地表徑流具有攔截作用，以及植物對營養物質具有吸收作用，因此水土保持措施小區對隨徑流輸出的溶解態面源污染物有防控效果。

表4 2010—2012年各小區總氮隨徑流輸出量特征分析

表5 2010—2012年各小區總磷隨徑流輸出量特征分析

3.4.2 防控泥沙攜帶氮磷污染效應

以1#小區為對照，通過對各小區自然降雨后的徑流進行取樣分析，研究水土保持措施對泥沙攜帶的氮、磷等吸附態污染物的防控效應，見表6、7。由表6、7知，3年中5個小區產沙中全氮年均輸出量為15.89～41.73 g，全磷年均輸出量為5.94～1 767.98 g。采取水保措施的小區中，3#小區全氮、全磷年均輸出量均為最小，分別為輸出量最大小區(1#小區)的38.1%和0.3%，除4#小區外，各小區對全氮隨泥沙輸出的攔截率比較接近。同時，各水土保持措施小區對減少全磷輸出的效果都很明顯。2#至5#小區全氮輸出攔截率分別為49.75%、61.91%、17.09%、57.46%，全磷輸出攔截率分別為99.35%、99.66%、98.15%、99.50%。分析2#、3#、5#小區氮磷輸出量減少的主要原因，是植物措施和工程措施具有保土減沙作用，對隨泥沙輸出的吸附態面源污染物有防控效果。

表6 2010—2012年各小區全氮隨泥沙輸出量特征分析

表7 2010—2012年各小區全磷隨泥沙輸出量特征分析

4 結 論

為定量研究水土保持措施對水土流失及面源污染的防控效果，本研究通過贛南紅壤坡地徑流小區的定位觀測和試驗分析，研究了喬灌草、水平竹節溝等植物措施和工程措施的水土流失及面源污染防控效應。在小區尺度，水保林+工程措施減流率為69%左右、減沙率為76%左右，總體次于經果林+工程措施的減流率(78%～84%)和減沙率(80%～82%)，但優于經濟林+植物籬。水保林+工程措施、經果林+工程措施、經濟林+植物籬三類水保措施總氮(含溶解態和吸附態)的年平均輸出量分別為332、209、812 kg/km2，相對于荒地(輸出量1 652 kg/km2)的攔截率分別為80%、87%、51%；總磷(含溶解態和吸附態)的輸出量分別為127、77、362 kg/km2，相對于荒地(輸出量17 779 kg/km2)的攔截率均在98%以上。可見，在贛南紅壤坡地水土保持措施具有良好的防控面源污染物輸出、優化水環境的效果。