南京市丘陵區(qū)不同農(nóng)耕措施水土保持效益

張真真, 單延功, 吳明洲, 王正誠(chéng), 陳家棟, 龔 暢

(1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局南京分局, 南京210008; 2.南京大學(xué) 環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份公司,南京 210008; 3.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司, 南京 210008)

水土流失是我國(guó)的頭號(hào)環(huán)境問題[1]，我國(guó)水土流失呈現(xiàn)出分布范圍廣、流失面積大、流失強(qiáng)度大、侵蝕嚴(yán)重區(qū)比例高、流失成因復(fù)雜以及區(qū)域差異明顯等特點(diǎn)[2]。據(jù)調(diào)查，全國(guó)水土流失面積356萬km2，僅年均土壤侵蝕量就達(dá)到50億t[3-4]。水土流失破壞地面完整，降低土壤肥力，造成土地硬石化、沙化，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，威脅城鎮(zhèn)安全，加劇干旱等自然災(zāi)害的發(fā)生和發(fā)展，阻礙經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，對(duì)生態(tài)環(huán)境、生產(chǎn)、生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展都造成極大的危害[5]。

水土流失已經(jīng)和正在吞噬著人們賴以生存的寶貴水土資源，如何有效地控制水土流失日益受到社會(huì)和研究人員的廣泛關(guān)注[6]。水土保持植物措施是防治水土流失的重要手段，水土保持措施的合理配置是小流域綜合治理的關(guān)鍵[7]。我國(guó)在水土保持方面創(chuàng)造了許多頗具特色的水土保持措施，如植物措施、耕作措施和工程措施[8]。植物的種類、蓋度、種植方式都是影響水土流失的重要原因[9-10]，分析不同植被措施下的水土保持效應(yīng)的對(duì)于區(qū)域水土流失防治有重要意義。

南京市低山丘陵山區(qū)水土流失面積497.94 km2，占水土流失總面積的96.55%，中山水庫(kù)—方便水庫(kù)飲用水水源保護(hù)區(qū)已被列為南京市市級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)[11-12]。區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)以耕地為主，占土地總面積的41.87%，坡耕地是主要的生產(chǎn)用地。耕作措施具有良好的養(yǎng)分維持和水土流失防控作用，其通過增加地表覆蓋度、土壤根系含量和生物多樣性，提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、全磷等養(yǎng)分含量，但針對(duì)不同地區(qū)，不同措施的土壤改良，水土流失防控，增產(chǎn)增收作用各有差異。因此，針對(duì)南京市低山丘陵區(qū)開展不同農(nóng)耕措施下的水土保持效益分析，探究適宜的耕作措施，能夠?yàn)閰^(qū)域水土保持工作提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

江蘇省南京市橋頭小流域位于江蘇省南京市溧水區(qū)，東經(jīng)119°10′05″，北緯31°40′28″(圖1)，橋頭小流域總流域面積為3.1 km2，匯入溧水區(qū)方便水庫(kù)。流域內(nèi)總?cè)丝诩s2 250人，平均糧食單產(chǎn)約8 250 kg/hm2，農(nóng)村生產(chǎn)總值約22萬元。小流域周圍為低山丘陵區(qū)，以東廬山為主體，以及獅子山、浮山、禁山、尖山等小型山體組成，主峰東廬山，海拔273 m。東廬山與浮山之間丘陵地帶分布著第四紀(jì)殘積、洪積、沖擊土。丘陵覆蓋著赭紅色黏土，河谷發(fā)育于第四紀(jì)，地層中沉積泥沙和淤泥。山坡上主要長(zhǎng)著小樹、雜草，山坡地開墾較為廣泛，植被覆蓋程度不高，每逢較強(qiáng)降水，沖刷劇烈，水土流失較為嚴(yán)重。

圖1 徑流小區(qū)位置

橋頭小流域位于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫暖濕潤(rùn)，降雨量較豐沛，多年平均降水量1 107.3 mm，降雨多集中在汛期。洪澇災(zāi)害主要是受梅雨、臺(tái)風(fēng)雨影響，梅雨通常發(fā)生在6—7月，其特點(diǎn)是總量大，歷時(shí)長(zhǎng)，范圍廣;臺(tái)風(fēng)雨多發(fā)生在8—9月，其特點(diǎn)是雨強(qiáng)大，歷時(shí)短，降雨范圍相對(duì)較小。

2 研究方法

南京市溧水區(qū)橋頭小流域徑流小區(qū)為水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心組織的“全國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)建設(shè)二期工程”江蘇省水土保持6個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)之一，于2011年新建，監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào):FA3220614140，主要擔(dān)負(fù)溧水區(qū)東部丘陵山區(qū)水土流失監(jiān)測(cè)任務(wù)。

2.1 徑流小區(qū)設(shè)計(jì)

徑流小區(qū)位于秦淮河流域上游方便水庫(kù)匯水區(qū)域，屬丘陵山區(qū)，小區(qū)建設(shè)在山坡農(nóng)用地上(圖2)，為標(biāo)準(zhǔn)水蝕監(jiān)測(cè)小區(qū)，共設(shè)置5個(gè)坡面徑流小區(qū)，規(guī)格均為:寬5 m(與等高線平行)，長(zhǎng)10 m(水平投影，與等高線垂直)，單個(gè)小區(qū)水平投影面積為50 m2，坡度為9°，單個(gè)小區(qū)水平投影面積為50 m2。

圖2 徑流小區(qū)位置布局

監(jiān)測(cè)小區(qū)配套護(hù)埂、集流槽分流池、排水溝、觀測(cè)道路等設(shè)施(圖3)，對(duì)徑流小區(qū)從1—5號(hào)依次進(jìn)行編號(hào)，其中，1號(hào)小區(qū)為林地，種植喬木，2號(hào)為對(duì)照小區(qū)，荒地，3—5號(hào)為農(nóng)耕地，分別種植玉米、花生、油菜。監(jiān)測(cè)小區(qū)坡度為9°，徑流場(chǎng)上部及兩側(cè)設(shè)置圍埂，下部設(shè)集流槽、分流池和集流池。小區(qū)底端用漿砌磚做成矩形集流槽，槽寬0.25 m，深0.20 m，比降1%，集流槽出口布設(shè)分流池和集流池，分流池和集流池內(nèi)徑同為長(zhǎng)1.2 m，寬1.0 m，分流池分流孔高度1.0 m，達(dá)到分流高度后九孔分流，其中一孔引流至集流池。

圖3 徑流小區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2 監(jiān)測(cè)方法

主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括:降雨量、降雨歷時(shí)、平均降雨強(qiáng)度、最大30 min雨強(qiáng)、侵蝕性降雨量、氣象、土壤濕度、水位、流量、平均流量、洪峰流量、含沙量、輸沙率、平均輸沙率以及侵蝕量。

徑流觀測(cè)方法采用體積法。量水設(shè)備采用二級(jí)九孔分流法，為兩個(gè)尺寸為1.2×1×1 m的分流池和1.2×1×1 m的集流池，在第一個(gè)集流池設(shè)置九孔分流孔，每孔Φ50 mmPVC管。其中一個(gè)孔的水進(jìn)入第2個(gè)集流池，總?cè)萘繛?.2 m3+1.2 m3×9=12 m3。每個(gè)沉沙池上設(shè)置可開啟式金屬蓋板一個(gè)。降雨等氣象要素由多功能氣象站監(jiān)測(cè)，定期下載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);土壤濕度由TDR土壤墑情站監(jiān)測(cè);流量監(jiān)測(cè)用流速儀法監(jiān)測(cè)，在斷面上設(shè)立3條垂線，分別測(cè)量水位，流速，并計(jì)算輸沙量。泥沙樣品采用焙干法處理，采集的樣品經(jīng)沉淀、濃縮后倒入烘杯烘干、冷卻后稱重，計(jì)算得出垂線平均含沙量。

2.3 數(shù)據(jù)分析及處理

發(fā)生侵蝕和不發(fā)生侵蝕的臨界降雨數(shù)值稱為侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)[13-15]，根據(jù)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)可以盡可能剔除不發(fā)生侵蝕的降雨，保留發(fā)生侵蝕的降雨，從而精確計(jì)算侵蝕性降雨侵蝕力，減少計(jì)算的工作量[16-18]。本文首先對(duì)2015—2017年的侵蝕性降雨進(jìn)行k-均值聚類分析，確定侵蝕性降雨類型和等級(jí)[19-20]，然后根據(jù)不同降雨類型分析降雨侵蝕力，并統(tǒng)計(jì)不同徑流小區(qū)的含沙量和徑流量，最后計(jì)算出措施小區(qū)相對(duì)于對(duì)照小區(qū)的減沙率和減流率，分析不同植被措施在不同等級(jí)降雨條件下的水土保持效應(yīng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征分析

統(tǒng)計(jì)2015—2017年各月降雨總量發(fā)現(xiàn)，區(qū)域降水主要集中在4—10月份，因此，僅針對(duì)4—10月份發(fā)生的侵蝕性降雨事件進(jìn)行分析(圖4)。

圖4 2015-2017年月降雨總量

根據(jù)月統(tǒng)計(jì)結(jié)果，7月份侵蝕性降雨發(fā)生頻率和侵蝕性降雨總量都為最高:侵蝕性降雨事件共12次，占月降雨總次數(shù)的92.3%;侵蝕性降雨總量為765.0 mm，占月降雨總量的98.6%。根據(jù)年統(tǒng)計(jì)結(jié)果，2015年4—10月份共發(fā)生侵蝕性降雨事件17次，2016年4—10月份侵蝕性降雨事件發(fā)生頻率最高，共發(fā)生26次，2017年4—10月份共發(fā)生侵蝕性降雨事件21次。

3.2 侵蝕性降雨的k-均值聚類

為分析不同降雨條件下各類植物措施的水土保持效應(yīng)，對(duì)2015—2017年4—10月份共64場(chǎng)侵蝕性降雨進(jìn)行分類。本文采用k-均值聚類法進(jìn)行分類。k-均值聚類法是一種迭代型聚類算法，采用距離作為相似性指標(biāo)，從而發(fā)現(xiàn)給定數(shù)據(jù)集中的k個(gè)類，且每個(gè)類的中心是根據(jù)類中所有值的均值得到，每個(gè)類用聚類中心來描述[21-23]。64場(chǎng)侵蝕性降雨的k-均值聚類結(jié)果見表1。

表1 橋頭小流域侵蝕性降雨k-均值聚類結(jié)果

根據(jù)k-均值聚類結(jié)果，侵蝕性降雨分為5類:Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型、Ⅴ型。Ⅰ型降雨量中心值為286.0 mm，為大雨量，Ⅳ型、Ⅴ型降雨量中心值分別為148.8 mm，76.0 mm，為中雨量，Ⅱ型、Ⅲ型降雨量中心值分別為46.9 mm，26.5 mm，為小雨量。Ⅱ型I30中心值為52.07 mm/h，為大雨強(qiáng)，Ⅰ型、Ⅳ型I30中心值分別為36.25 mm/h，27.37 mm/h為中雨強(qiáng)，Ⅲ型、Ⅴ型I30中心值分別為16.90 mm/h，22.39 mm/h，為小雨強(qiáng)。5種降雨類型中，Ⅲ型發(fā)生頻率最高，所占比例為64.6%,Ⅰ型發(fā)生頻率最低，所占比例為1.5%,5種類型降雨的發(fā)生頻率由高到低依次為:Ⅲ型(小雨量、小雨強(qiáng))>Ⅴ型(中雨量、小雨強(qiáng))>Ⅱ型(小雨量、大雨強(qiáng))>Ⅳ型(中雨量、中雨強(qiáng))>Ⅰ型(大雨量、中雨強(qiáng))。

3.3 不同降雨類型下的水土保持效應(yīng)分析

通過計(jì)算不同植被措施在不同降雨類型下的減沙率、減流率，分析植被措施的減沙、減流效應(yīng)。減沙率、減流率分別為不同植被措施下的徑流小區(qū)(1，3，4，5號(hào))相對(duì)于對(duì)照小區(qū)(2號(hào))的泥沙減少量、徑流減少量占對(duì)照小區(qū)產(chǎn)沙量、產(chǎn)流量的百分比。

3.3.1 降雨侵蝕力分析 不同降雨條件下的平均降雨侵蝕力分析結(jié)果表明，Ⅰ型降雨侵蝕力最大，為2 179.7(MJ·mm)/(hm2·h),Ⅳ型降雨侵蝕力次之，為1 211.1(MJ·mm)/(hm2·h),Ⅱ型降雨侵蝕力692.6(MJ·mm)/(hm2·h),Ⅴ型降雨侵蝕力為379.4(MJ·mm)/(hm2·h),Ⅲ型降雨侵蝕力為102.3(MJ·mm)/(hm2·h)。由此可知，5種不同的降雨條件下，降雨強(qiáng)度和降雨量均較大的Ⅰ型、Ⅳ型降雨侵蝕力相比其他類型降雨均較高，Ⅰ型降雨特征為大雨量中雨強(qiáng)，其降雨侵蝕力最大，發(fā)生頻率最高的Ⅲ型降雨特征為小雨量小雨強(qiáng)，其降雨侵蝕力最小。

3.3.2 減沙效應(yīng)分析 不同植被措施在不同降雨類型下的減沙率計(jì)算結(jié)果見圖5。

由圖5可知，1號(hào)小區(qū)在Ⅳ型(中雨量、中雨強(qiáng))降雨條件下的減沙率最高，為76.72%，在Ⅰ型(大雨量、中雨強(qiáng))降雨條件下的減沙率最小，在Ⅱ型(小雨量、大雨強(qiáng))、Ⅲ型(小雨量、小雨強(qiáng))、Ⅴ型(中雨量、小雨強(qiáng))的同等降雨條件下，相比其他植被措施減沙率都是最高的，減沙率分別為66.63%，73.90%，54.25%。3號(hào)小區(qū)Ⅰ型降雨條件下的減沙率最高，為32.97%，在Ⅴ型降雨條件下的減沙率最小，在Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型降雨條件下減沙率僅次于林地措施。4號(hào)、5號(hào)小區(qū)減沙率差異不大，在Ⅰ型、Ⅳ型降雨條件下4號(hào)小區(qū)>5號(hào)小區(qū)，在Ⅱ型、Ⅲ型降雨條件下5號(hào)小區(qū)>4號(hào)小區(qū)，在Ⅴ型降雨條件下減沙率相同。

圖5 不同降雨類型下的減沙率

因此，林地措施在Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型、Ⅴ型降雨條件下，減沙率都是最好的，減沙效果最為顯著;玉米地在大雨量、中雨強(qiáng)的降雨條件下減沙率最好;花生地和油菜地減沙率相當(dāng)，在大雨量、中雨強(qiáng)的降雨條件下優(yōu)于林地，次于玉米地，在中雨量、小雨強(qiáng)的降雨條件下優(yōu)于玉米地而次于林地。

3.3.3 減流效應(yīng)分析 不同植被措施在不同降雨類型下的減流率計(jì)算結(jié)果見圖6。

根據(jù)圖6可以看出，4號(hào)小區(qū)在Ⅱ型(小雨量、大雨強(qiáng))、Ⅲ型(小雨量、小雨強(qiáng))、Ⅴ型(中雨量、小雨強(qiáng))降雨條件下的減流率相比其他措施小區(qū)較高，分別為71.61%，57.48%，36.87%，在Ⅳ型(中雨量、中雨強(qiáng))降雨條件下減流率最低，5號(hào)小區(qū)在Ⅰ型(大雨量、中雨強(qiáng))降雨條件下的減流率比其他措施小區(qū)較高，分別為54.02%,3號(hào)小區(qū)在Ⅳ型(中雨量、中雨強(qiáng))降雨條件下減流率最高，在Ⅰ型、Ⅴ型降雨條件下減流率最小。1號(hào)小區(qū)在Ⅲ型降雨條件下減流率最高，僅次于4號(hào)小區(qū)，在Ⅳ型降雨條件下減流率最低，同時(shí)也是所有植被措施中最低的，在所有降雨條件下，減流率都低于4號(hào)小區(qū)。

圖6 不同降雨類型下的減流率

綜上，花生地在小雨量、大雨強(qiáng)，小雨量、小雨強(qiáng)及中雨量、小雨強(qiáng)3種類型的降雨條件下減流率最高，油菜地適合大雨量、中雨強(qiáng)，玉米地在中雨量、中雨強(qiáng)的降雨條件下減流率最佳。

4 結(jié) 論

(1) 降水主要集中在4—10月份，7月份侵蝕性降雨發(fā)生頻率和侵蝕性降雨總量均最高:侵蝕性降雨事件共12次，占月降雨總次數(shù)的92.3%;侵蝕性降雨總量為765.0 mm，占月降雨總量的98.6%。

(2) 侵蝕性降雨分為5類，發(fā)生頻率由高到低依次為:Ⅲ型(小雨量、小雨強(qiáng))、Ⅴ型(中雨量、小雨強(qiáng))、Ⅱ型(小雨量、大雨強(qiáng))、Ⅳ型(中雨量、中雨強(qiáng))、Ⅰ型(大雨量、中雨強(qiáng))。

(3) 發(fā)生頻率最低的Ⅰ型降雨侵蝕力最大，為2 179.7(MJ·mm)/(hm2·h)，降雨特征為大雨量、中雨強(qiáng)，Ⅳ型降雨侵蝕力次之。發(fā)生頻率最高的Ⅲ型降雨侵蝕力最小，為102.3(MJ·mm)/(hm2·h)，降雨特征為小雨量、小雨強(qiáng)。

(4) 就減沙率而言:林地措施在Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型、Ⅴ型降雨條件下，減沙率均為最好，玉米地在Ⅰ型(大雨量、中雨強(qiáng))的降雨條件下減沙效果最佳。就減流率而言:花生地在Ⅱ型(小雨量、大雨強(qiáng))、Ⅲ型(小雨量、小雨強(qiáng))及Ⅴ型(中雨量、小雨強(qiáng))3種類型的降雨條件下減流率最高，油菜地在Ⅰ型(大雨量、中雨強(qiáng))降雨條件下減流率最高，玉米地在Ⅳ型(中雨量、中雨強(qiáng))的降雨條件下減流率最佳。

綜上可知，南京市低山丘陵區(qū)水土流失受侵蝕性降雨影響明顯，發(fā)生頻率最高的是Ⅲ型(小雨量、小雨強(qiáng))，其降雨侵蝕力為最小，發(fā)生頻率最低的是Ⅰ型(大雨量、中雨強(qiáng))，其降雨侵蝕力為最大。

不同農(nóng)耕措施的減沙作用不同:林地措施在Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型、Ⅴ型降雨條件下，減沙率均最好，玉米地在Ⅰ型降雨條件下減沙效果最佳。不同農(nóng)耕措施的減流作用不同:花生地在Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅴ型的降雨條件下減流率最高，油菜地在Ⅰ型降雨條件下減流率最高，玉米地在Ⅳ型降雨條件下減流率最佳。因此，若考慮低山丘陵區(qū)以Ⅲ型為主的降雨特征，則以種植喬木為主的林地和花生地為主的農(nóng)耕地的減流減沙效益最佳。

不同農(nóng)耕措施在不同降雨類型下的水土保持效益不同，但水土流失同時(shí)還受土壤特性、地形、人為等多種因素的影響，因此，分析綜合因素影響下不同農(nóng)耕措施的水土流失效益是下一步研究方向。