密云水庫周邊板栗林下不同水土保持措施效益評價

楊潤澤, 肖輝杰, 馮天驕, 王奮忠, 趙澤坤, 郭子萱, 王世雷, 朱俊英, 李世豐

(1.北京林業大學 水土保持學院 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室, 北京 100083; 2.北京市密云區水土保持工作站, 北京 101500)

北京市密云區石匣小流域屬于京郊地區，隸屬燕山山脈、潮白河流域，位于密云水庫東北方向，是華北地區重要的生態屏障[1]。密云石匣小流域具備板栗(CastaneamollissimaBl.)生長的地域條件，板栗作為當地居民重要的經濟來源之一，被大面積種植[2]。作為石匣小流域的主要經濟作物之一，受經濟效益驅使，當地已形成了大規模的板栗林，伴隨的還有當地較為嚴重的土壤侵蝕問題[3]。然而，當地板栗林的經營管理屬于粗放型，居民為方便撿拾板栗而將板栗樹周圍植被破壞，造成地表裸露。除此之外，為了板栗樹根系的擴散而翻動根系周圍土壤，造成土壤松動。長期不合理的耕作習慣造成了當地嚴重的土壤侵蝕問題，使得土地生產力下降，進而影響了當地板栗林的質量，給當地經濟、生態的可持續發展造成嚴重的阻礙。除此之外，當地有大量板栗林種植于陡坡，在強降雨發生后會產生大量的徑流與泥沙，大量污染物隨其匯入密云水庫，造成庫區內水質下降，給北京市飲用水安全問題造成了嚴重的威脅[4]。

板栗林下土壤侵蝕問題引起了當地政府的高度重視，印發了《25度以上以裸露坡地為重點的水土保持綜合治理方案》，且針對板栗林下土壤侵蝕也進行了相關防治措施的研究與探索。板栗林多種植于陡坡，有研究表明，5°以上的板栗林地土壤侵蝕問題較為嚴重，且認為25°以上的板栗林地應當逐步退出板栗種植。為減輕板栗林的土壤侵蝕問題，石匣小流域當地主要采取的措施有植被措施與工程措施，植被措施主要采用適合于當地生長且占用養分較低的植被種類，工程措施包括當地常見且成本較低的魚鱗坑、水平條等措施[5]。本文通過對比分析不同水土保持措施對當地板栗林的水土保持作用，篩選出水土保持效益最佳且最適用于當地板栗林的水土保持措施。

1 研究區概況

本試驗研究區位于北京市密云區石匣小流域(43°32′—43°38′N,117°01′—117°07′E)，地處于密云水庫東北方向。該流域隸屬于燕山山脈，面積約33 km2，海拔150～390 m，位于山前沖積平原向山區的過渡地帶。研究區屬暖溫帶季風氣候。年平均氣溫8～10℃,7月最高氣溫25.3℃,1月最低氣溫6.6℃。年平均降水量約為662 mm，其中生長季(6—9月)占77%。研究區日照充足，無霜期173 d，年太陽總輻射322.91 J/cm2，積溫4 073.9℃，有利于間作農業的經營。該流域局部土壤為棕壤，其土壤質地輕、土層深、土質致密、耕作層淺，植被類型以雜草、灌叢為主，覆蓋度為80%。丘陵地帶存在的植被多為人工的板栗(CastaneamollissimaBl.)、刺槐(RobinapseudoacaciaLinn.)、油松(Pinustabulae-formisCarr.)及其他種類經濟林等。土地利用方式主要為林地、坡耕地、草地和裸地。該地區土壤侵蝕模數高于土壤自然形成速度，土壤侵蝕問題嚴重。在這種情況下，由于不合理的土地利用方式與夏季強降雨的頻繁發生，加劇了當地土壤侵蝕的發生。研究區土壤侵蝕面積為32.22 km2，共占研究區總面積的97.7%，土壤侵蝕模數為2 500 t/(km2·a)。

2 材料與方法

2.1 徑流小區概況

本研究采用的徑流小區布設于石匣小流域板栗林下，以因地制宜為準則，共布設3 m×3 m，3 m×6 m兩種規格徑流小區共13個(表1)，對不同徑流小區布設不同的水土保持措施。其中植被措施主要選用當地常見、具有一定水土保持效益且成本低廉的植物，包括卷柏〔Selaginellatamariscina(P. Beauv.) Spring〕、馬齒莧(PortulacaoleraceaLinn.)及自然植被。工程措施主要包括水平條、椰絲毯、魚鱗坑，于2021年8月份共觀測當地10場侵蝕性降雨事件下各小區的產流產沙情況。

表1 徑流小區概況

2.2 數據采集方法

通過虹吸式雨量計和雨量桶收集降雨相關數據，包括降雨量(mm)、平均降雨強度(mm/h)、降雨持續時間(min)、30 min內最大降雨強度I30(mm/h)和60 min內最大降雨強度I60(mm/h)。每次侵蝕性降雨事件發生后測量桶內徑流深度(mm)，結合徑流桶底面積與小區面積計算出單位面積徑流量(m3/km2)；泥沙量的測定需要對每個小區進行3次取樣，采樣前將桶內泥水混合物混合均勻，然后轉移至實驗室燒杯中沉淀并過濾，再將沉淀物放入電熱恒溫箱中，在105℃下干燥至恒重；稱重后得到沉淀物質量，結合小區面積計算出3個泥沙樣本的平均值即單位面積泥沙量(t/km2)。每次測量后需將徑流桶清空，以承接下次降雨產生的徑流與泥沙。土壤含水率用TDR法在上中下坡位各測一值，取平均值。

2.3 坡度標準化方法

試驗區內各個徑流小區處于不同的坡度下，由于坡度是影響土壤侵蝕重要因素，因此我們需要將不同坡度小區校正到同一坡度下以消除坡度帶來的試驗誤差，使得試驗盡量能在同一條件下進行。我們選擇16.5°作為標準坡度，并將其他坡度地塊的監測數據轉換為16.5°進行比較，從而有效消除了坡度對土壤侵蝕的影響。結合以往對坡度標準化和對當地地形特征的研究，本試驗采用了之前學者研究出的坡度標準化公式[6]：

(1)

Ai′=Ai/Si×S16.5

(2)

式中:S為坡度因子;θ為坡度(°)；Ai′為第i小區校正到16.5°坡度上的侵蝕量(m3/km2);Ai為第i小區的侵蝕量(t/km2);S16.5為16.5°坡度的坡度因子;Si為第i小區的坡度因子。

3 結果與分析

3.1 樣本降雨事件特征

降雨是土壤侵蝕發生的直接動力，本研究根據密云當地氣象站的降雨相關數據，選取2021年8月份的10次降雨作為樣本降雨事件(表2)。10次降雨事件的降雨總量為189.90 mm，次降雨量的變化范圍為0.2～41.3 mm，平均單次降雨量為18.99 mm；平均雨強、平均降雨歷時、平均I30、平均I60分別為3.25 mm/h，357 min，17.53 mm/h，11.35 mm/h。本研究選取的10場降雨，降雨類型豐富，雨量充足，具有很好的觀測價值，在該條件下進行不同水保措施的土壤侵蝕觀測也具有重要的參考價值。

表2 樣本降雨事件特征

3.2 不同植被措施下產流產沙量的對比(未布設工程措施)

在僅種植植被而無工程措施布設的條件下，對各種植被措施的產流產沙量進行對比。如圖1所示，卷柏、馬齒莧以及當地自然植被均具有較好的水土保持效益。其中卷柏、馬齒莧、自然坡面的平均單位面積徑流量分別為598.21，650.88，637.08 m3/km2，徑流系數分別為0.30，0.33，0.35。在減輕地表徑流作用方面，卷柏、馬齒莧、自然坡面的減流率依次為61.36%，57.96%，58.85%。卷柏、馬齒莧、自然坡面的平均單位面積泥沙量為71.87，82.64，80.31 t/km2，侵蝕濃度分別為0.105，0.109，0.103 kg/L。在減輕泥沙量作用方面，卷柏、馬齒莧、自然坡面的減沙率依次為85.61%，83.57%，83.92%。可以看出，在僅布設植被措施的情況下，當地減輕地表徑流及泥沙運移作用最大的植被類型為卷柏，其次為自然坡面。

圖1 不同植被措施產流產沙量的對比

3.3 不同植被措施下產流產沙量的對比(布設工程措施)

3.3.1 工程措施相同、植被措施不同 在布設工程措施的條件下，對工程措施相同、植被措施不同徑流小區的產流產沙量進行對比，可以看出，本研究所栽種的卷柏、馬齒莧兩種植被措施以及生長當地天然植被的自然坡面均具有一定水土保持效益。由圖2可以看出，采取不同植被措施的徑流小區單位面積徑流量、徑流系數、徑流深度均不同，不同植被措施下這3種指標由大到小排序依次為：裸地、卷柏、馬齒莧、自然坡面。其中自然坡面、馬齒莧、卷柏的單位面積徑流量分別為351.57，411.03，480.74 m3/km2，減流率分別為66.93%，61.34%，54.84%?？梢钥闯?，生長天然植被的自然坡面減流效果最好，其次為馬齒莧措施。

圖2 不同植被措施產流產沙量的對比(含工程措施)

卷柏、馬齒莧及自然坡面措施均具有一定的減沙效益。卷柏、馬齒莧與自然坡面的單位面積泥沙量依次為66.45，55.47，46.95 t/km2，減沙率分別為80.30%，83.55%，86.08%。另外從侵蝕濃度角度分析，卷柏、馬齒莧、自然坡面的侵蝕濃度依次為0.12，0.08，0.07 kg/L?？梢钥闯觯瑴p沙效果最好的植被措施為自然坡面措施。

3.3.2 植被措施相同、工程措施不同 在布設工程措施的條件下，對工程措施相同、植被措施不同徑流小區的產流產沙量進行對比，可以看出，本研究所采用的水平條、椰絲毯和魚鱗坑均具有一定水土保持效益。不同種類工程措施參與的徑流小區在樣本降雨時間下所產生的徑流量、泥沙量均不同，即不同水土保持工程措施的水土保持效益不同。由圖3可以看出，在減輕地表徑流的作用大小方面3種工程措施的排序依次為：魚鱗坑、水平條、椰絲毯。不同工程措施單位面積徑流量、徑流系數、徑流深度的排序一致。魚鱗坑、水平條、椰絲毯在樣本降雨時間下產生的單次降雨平均單位徑流量依次為23.20，459.84，482.51 m3/km2；此3種措施參與的徑流小區相對于無工程措施布設的小區其減流率分別達到97.69%，53.92%，51.61%，在減少徑流量方面效果最好的是魚鱗坑措施，其次為水平條措施。

圖3 不同工程措施產流產沙量的對比

從減沙效果來看，不同工程措施的減沙效益不同。水平條、椰絲毯、魚鱗坑3種措施在樣本降雨下的單位面積泥沙量依次為66.56，67.30，3.21 t/km2，減沙率依次為72.94%，72.64%，98.70%。除此之外，不同工程措施次降雨平均侵蝕濃度最小的為魚鱗坑，為0.02 kg/L。

3.4 不同水土保持措施配置模式下產流產沙量的對比分析

從不同工程措施與不同植被措施組合而成的水土保持措施配置模式角度來看，本研究所采用的水保措施配置模式均具有一定的水土保持效益。不同水保措施配置模式的減流減沙效果有所差異。除裸地外，本研究共有12種水土保持措施配置模式。如圖4所示，在10次樣本降雨事件下產流9次的配置模式有卷柏、馬齒莧、裸地、自然坡面；產流8次的包括卷柏+水平條、卷柏+椰絲毯、馬齒莧+水平條、馬齒莧+椰絲毯、自然坡面+水平條、自然坡面+椰絲毯；產流5次的有魚鱗坑；除此之外，馬齒莧+魚鱗坑、自然坡面+魚鱗坑兩種水保措施配置模式布設的徑流小區無產流產沙。

如圖4所示，從水土保持效益對比，卷柏+水平條、卷柏、卷柏+椰絲毯、馬齒莧+水平條、馬齒莧、馬齒莧+椰絲毯、馬齒莧+魚鱗坑、魚鱗坑、自然坡面+水平條、自然坡面、自然坡面+椰絲毯、自然坡面+魚鱗坑的單位面積徑流量依次為413.85，598.21，430.16，497.88，650.88，495.37，0，92.80，509.16，637.08，453.98，0 m3/km2，減流率依次為73.27%，61.36%，72.21%，67.84%，57.95%，68.00%，100%，94.01%，67.11%，58.84%，70.67%，100%；該12種配置模式的單位面積泥沙量依次為61.34，71.87，66.16 t/km2，70.62，82.64，68.62，0，12.82，67.13，80.31，67.12，0 t/km2，減沙率依次為87.73%，85.63%，86.77%，85.88%，83.47%，86.28%，100%，97.44%，86.57%，83.94%，86.58%，100%。

圖4 不同工程措施產流產沙量的對比

可見，本研究所采用的水土保持措施配置模式均具有較好的水土保持效益，其中較為突出的有馬齒莧+魚鱗坑、自然坡面+魚鱗坑等配置模式，其次為單獨布設的魚鱗坑措施。值得注意的是，魚鱗坑措施參與的配置模式均表現出了較好的水土保持效果。

3.5 不同水土保持措施配置模式下產流產沙量對不同降雨強度的響應

為探究降雨等其他因子對土壤侵蝕相關因子的影響，對降雨量、雨強等降雨相關因子與產流產沙量等土壤侵蝕因子及土壤含水率進行相關分析。由表3可知，產流產沙量與所有降雨相關因子均呈極顯著的正相關關系。其中徑流量與降雨量、降雨歷時、I30、I60、土壤含水率的相關系數分別為0.533，0.455，0.435，0.436，0.827。可以看出，對徑流量影響最大的降雨相關因子為降雨量。泥沙量與降雨量、降雨歷時、I30、I60、土壤含水率的相關系數分別為0.557，0.419，0.425，0.432，0.812。可以看出，對泥沙量影響最大的降雨相關因子同樣為降雨量。值得注意的有，土壤含水率與除降雨歷時、侵蝕濃度因子外其他所有因子均呈相關系數高于0.6的極顯著正相關關系，其中與降雨量、徑流量的相關系數分別為0.804，0.827。

表3 降雨因子、土壤侵蝕因子、其他因子之間的相關性

4 討 論

4.1 水土保持措施對板栗林下土壤侵蝕的影響

受經濟利益驅動，板栗林被廣泛種植于山區丘陵地帶，且較多板栗林栽種于坡度較大的陡坡。板栗林是密云區的主要經濟樹種之一，在當地被大量種植，然而由于當地居民長期不合理的耕作習慣，造成了板栗林下植被的嚴重破壞，大量地表裸露。與此同時，部分居民為促進板栗根系擴散而頻繁對板栗林下土壤進行疏松，這些行為破壞了林下土壤的性質，降低了土地生產力，也加劇了板栗林下的土壤侵蝕問題。除此之外，陡峭的坡面也加劇了土壤侵蝕的發生。

目前，板栗林下常用的水土保持工程措施包括水平條、樹盤、蓄水池等，其主要通過攔蓄降水、促進降水入滲、減輕徑流對坡面的沖刷而減輕林下土壤侵蝕[7]。除此之外，魚鱗坑、賓格網、石籠措施亦可減輕徑流與泥沙對坡地的沖刷[8-10]。然而，工程措施由于僅起到攔擋水土等外力作用，未必能具有最大限度的水土保持效益，因此還需要配合以植被措施對土壤進行改良，以達到水土保持效益的最大化。研究表明，植被覆蓋可以降低雨滴擊濺的動能，并且可以減緩地表徑流的流速，進而減輕土壤侵蝕[11]。因此，對于板栗林下土壤侵蝕的防治應當提高植被覆蓋率。研究表明，卷柏、馬齒莧可有效降低地表徑流量與泥沙量[12-13]。取得這些結果的原因是植被的冠層部分對降雨進行了截留，降低了雨滴擊濺對土壤結構的破壞。且植被地上部分對徑流與泥沙有一定攔截作用。除此之外，植被的根系增加了土壤團聚體的穩定性，改善了土壤結構，進而提高了土壤的滲透性與抗蝕性。本研究的結果表明，石籠、魚鱗坑、卷柏、馬齒莧及自然植被等措施均有一定水土保持效益，且馬齒莧+魚鱗坑、自然坡面+魚鱗坑兩種配置模式可將其水土保持效益最大化。對于板栗林下土壤侵蝕的防治問題，除了需要考慮水保措施的防治效果外，還需要平衡生態防護與居民增收之間的關系，在選取工程措施及植被措施時，應盡可能節約成本。未來應當進一步提高當地居民的生態保護觀念，普及水土保持相關知識。同時應當加大對當地水土保持措施防治效益的研究，以篩選出最合適于當地的水土保持措施配置模式。

4.2 降雨因子對板栗林下土壤侵蝕的影響

土壤侵蝕是指在降雨產生的地表徑流的沖刷下，造成土壤顆粒被剝離，泥沙運移與沉積的過程[14]。板栗林下土壤侵蝕過程十分復雜，影響因素較多，主要包括降雨相關因子與下墊面因子，其中降雨因子主要包括降雨量、雨強等因素，下墊面主要包括地表植被、土壤理化性質等因素[15]。根據之前的研究表明，對土壤侵蝕因子影響最大的降雨因子為降雨侵蝕力因子，即降雨動能E與I30的乘積EI30。而本研究結果表明，影響產流產沙量最大的降雨因子為降雨量，這種結果可能是板栗林下土壤侵蝕特殊的過程與機理導致的，因此未來需要加大對板栗林下土壤侵蝕過程與機理的研究。除此之外，有研究表明，未來強降雨發生的頻率有增加的可能性[11]。未來需要對強降雨可能造成的土壤侵蝕加以警惕，同時對強降雨條件下水土保持效益較好的防治措施進行篩選與推廣。

5 結 論

(1) 在僅布設植被措施的條件下，卷柏、馬齒莧以及生長天然植被的自然坡面均具有較好的水土保持效益。卷柏、馬齒莧、自然坡面的減流率依次為61.36%，57.96%，58.85%，減沙率依次為85.61%，83.57%，83.92%。在僅布設植被措施、無工程措施布設的條件下，當地減輕地表徑流及泥沙運移作用最大的植被類型為卷柏，其次為自然坡面。

(2) 在同時布設植被措施與工程措施的條件下，各種水保措施也均具有較好的水土保持效益。工程措施相同、植被措施不同時，卷柏、馬齒莧、自然坡面減流率分別為66.93%，61.34%，54.84%，減沙率分別為80.30%，83.55%，86.08%。生長天然植被的自然坡面減流減沙效果最好。工程措施不同、植被措施相同時，魚鱗坑、水平條、椰絲毯減流率分別達到97.69%，53.92%，51.61%，減沙率依次為72.94%，72.64%，98.70%。在減少徑流量方面效果最好的是魚鱗坑措施，其次為水平條措施。本研究所采用的水保措施配置模式均具有一定的水土保持效益。不同水保措施配置模式的減流減沙效果有所差異。

(3) 綜合比較所有水保措施及配置模式，可以看出，卷柏+水平條、卷柏、卷柏+椰絲毯、馬齒莧+水平條、馬齒莧、馬齒莧+椰絲毯、馬齒莧+魚鱗坑、魚鱗坑、自然坡面+水平條、自然坡面、自然坡面+椰絲毯、自然坡面+魚鱗坑的減流率依次為73.27%，61.36%，72.21%，67.84%，57.95%，68.00%，100%，94.01%，67.11%，58.84%，70.67%，100%，減沙率依次為87.73%，85.63%，86.77%，85.88%，83.47%，86.28%，100%，97.44%，86.57%，83.94%，86.58%，100%。馬齒莧+魚鱗坑、自然坡面+魚鱗坑配置模式的水土保持效益最佳，其次為單獨布設的魚鱗坑措施。

(4) 對板栗林下產流產沙量影響最大的因子為降雨量因子，降雨量與徑流量、泥沙量的相關系數分別為0.533，0.557，呈極顯著的正相關關系。徑流量與泥沙量、徑流系數、侵蝕濃度、土壤含水率的相關系數分別為0.843，0.919，0.659，0.827，呈極顯著相關關系。