土壤侵蝕不同控制措施對水土保持效益的影響分析

袁小紅

（廣東中灝勘察設計咨詢有限公司,廣東 廣州 510700）

0 引言

近年來,土壤侵蝕問題導致我國土地水土養分嚴重流失,引起我國生態環境日益惡化,已成為我國主要的生態自然災害之一[1],因此,亟需對土壤侵蝕作用下的水土流失現象進行治理。

關于土壤侵蝕問題,國內外的學者們已經開展了從基礎理論到實踐應用的各方面研究。在理論上,王萬忠等[2]通過土壤侵蝕預報模型對侵蝕因子進行了定量評價與研究。謝紅霞等[3]、秦富倉等[4]通過坡面水動力學的角度對坡面喬木林、草本植物以及林地等對徑流流速的影響進行了相關機理研究。

面對土壤侵蝕,已有許多控制措施對水土流失進行治理,并取得了較好的效益,而對于不同控制措施對水土保持效益的對比研究相對較少。基于此,本文采用人工種植、封山育林以及施肥改良三種控制措施為研究對象,并與天然狀態下裸露地表進行了比較,對比研究了土壤侵蝕不同控制措施對水土保持效益的影響。研究結果可為土壤侵蝕下的水土保持植被結構提供科學依據。

1 研究區概況

本文選取長江縣城作為試驗區域,當地海拔高度約為200 m～400 m,土地面積為3104.16 km2,當地平均氣溫約18.3℃,全年平均降雨量可達約1685.6 mm,氣候差異較為明顯,干濕兩季分明,屬于典型的水力侵蝕區,是我國南方土壤侵蝕作用下水土流失較為嚴重的區域之一。當地的土壤性質和植被結構與南方水力侵蝕區的土壤物理化學性質相一致,可用于水力侵蝕水土保持控制措施的研究。

2 試驗設計與方法

2.1 試驗設計

本文采用3 種植被結構（芒萁、草木樨和香根草）對試驗站徑流小區進行連續四年模擬徑流試驗,模擬當地水土流失現場,同時選取天然狀態下地表裸露的坡面作為試驗的對照組（小區1）。圖1 為徑流小區結構示意圖,小區邊埂采用混凝土砌筑結構,將每個試驗小區的面積分割為100 m2,坡度統一采用25°,坡面坐北朝南。并在每個徑流小區下部設置集流槽和導流管,集流桶與導流管連接,用于儲存流沙和雨水。

圖1 徑流小區結構示意圖

本文選取的4 種植被結構徑流小區分別為：對照組1（小區1）,表示長汀縣天然狀態地表裸露坡面結構；試驗組2（小區2）,表示封山育林具有較少人為干擾后的地表植被坡面結構；試驗組3（小區3）,表示的是增加人為干擾,通過人工施加化肥改良,促進植被的生長速度；試驗組4（小區4）,表示的是通過人工栽種或補種的方式,進一步增加坡面植被的覆蓋面積,提高植被密實度,進而形成高密度的人工種植林。

2.2 試驗方法

通過氣象觀測站實時觀測長汀縣2015 年～2019 年汛期徑流試驗數據,并通過計算降雨量與蒸發量的差值獲得四個試驗小區的凈流量,并對集流桶中的泥沙依次進行過濾、烘干和稱重獲得四個試驗小區的泥沙量。待測量完成后,根據《水土保持綜合治理效益計算方法》（GB/T 15774-2008）,通過公式（1）和（2）計算徑流小區的減流率（ηw）和減沙率（ηs）：

式中：W0為天然狀態下徑流小區坡面（對照組1）的徑流量；WS為采用不同控制措施后徑流小區坡面的徑流量；G0為天然狀態下徑流小區坡面（對照組1）的泥沙損失量；GS為采用不同控制措施后徑流小區坡面的泥沙損失量。

3 試驗結果與分析

3.1 年平均降雨量變化

在相同降雨空間內,了解降雨量大小和時間分布規律將有助于研究當地土壤侵蝕作用下水土流失的變化規律及特征,這對于治理水土流失,提高水土保持效益具有重要作用。在2016 年～2019 年期間,各個試驗徑流小區的年平均降雨量分別為1736.5 mm、1436.4 mm、1422.1 mm 和1824.5 mm,每年平均降雨量為1605 mm。其中,2019 年降雨量最高,高于年均降雨量約13%；2018 年降雨量最低,比低于全年平均降雨量約11.3%。由以上數據表明,各試驗徑流小區內的年降水量較多。對于不同年份,降水量也具有明顯的差異性,降水量年際變化較大。圖2 中結果顯示,每月的降雨量具有明顯差異,在6 月份降雨量達到峰值,高達436.3 mm,占全年平均降雨量的27.5%,10 月份的降雨量為全年最低,低至29 mm,占全年平均降雨量的1.8%。此外,值得注意的是,汛期4 月～8 月共5 個月的降水總量為1123.5 mm,占據全年平均降雨總量的70.1%。因此,在汛期期間對于實際工程而言,需要著重采取措施對水土保持進行控制,防止水土流失等自然災害發生。

圖2 徑流小區各月份平均降雨量柱狀分布圖

3.2 減流效應分析

圖3 為2016 年～2019 年徑流小區年平均徑流量柱狀分配圖,從圖中可以看出,徑流小區1（對照組）的徑流量最大（9.82 m3）,隨著年份的增加,采取3 種植被結構控制措施后徑流小區的徑流量均低于對照組徑流量,降低量分別為47.5%、47.9%和44.2%。2019 年的年平均降雨量最高（圖4）,但2019 年的徑流量達到近年來的最低值。這主要是因為經過采用3 種植被結構控制措施后,徑流小區草本植物覆蓋度和生長速度均隨著時間的推移而不斷增加,顯著降低了雨水對地表土壤的侵蝕沖刷,削弱了土壤侵蝕作用下的水土流失現象,水土保持減流效應明顯增加,進而導致較低的徑流量。值得注意的是,4 種徑流小區的徑流量依次為：徑流小區1（對照組）＞徑流小區4（人工種植）＞徑流小區2（封山育林）＞徑流小區3（人工施肥改良）。徑流小區經過3 種植被結構（芒萁、草木樨和香根草）控制措施后,坡面的的植被覆蓋度由2016 年的基本無覆蓋至2019 年時草本植物覆蓋度已增長為23%、32%和14%,其中增長率最明顯的為徑流小區3,通過人工施肥改良的方式促進了植被的生長,土壤肥力增加[6],提高了植被的密度和土壤結構,增強了土壤對水土的穩固作用。而對于徑流小區4 而言,人工種植較多植被后,土壤肥力快速下降,坡面植物死亡較多,土壤發生固化,不利于草本植物的生長,因此導致徑流量較大。徑流小區2 經過封山育林措施后,人為干預和其他不利因素較少,草本植物生長較快,增加了對雨水的吸收度,提高土壤的固結能力,水土保持效益增加,徑流量減少。

圖3 四種植被結構徑流小區徑流量年際分配圖

圖4 2016 年～2019 年平均降雨量曲線

3.3 減沙效應分析

圖5 為2016 年～2019 年四種植被結構徑流小區泥沙量的年際分配圖,從圖中可以看出,與徑流小區1 相比較,其他采用水土保持控制措施后的徑流小區的年泥沙量逐漸降低,減沙率隨之升高。在2016 年時,采用三種植被結構控制措施后試驗小區的年泥沙量分別為11120.1 t/km2、7900.4 t/km2和12811.8 t/km2,時間至2019 年時,在草本植被的固持作用下,徑流小區的年泥沙量降低至1154.8 t/km2、1920.4 t/km2和1725.9 t/km2,減沙率分別為90%、76%和87%。因此,草本植被控制措施對于土壤侵蝕作用具有顯著效果。表1 為徑流小區年均徑流量和年均泥沙量。從表1 中可以看出,經過植被改造后的三種土壤結構（徑流小區2、3 和4）的年均徑流均低于天然狀態地表裸露的土壤結構（徑流小區1）,徑流量分別低了47.5%、48.0%和44.2%,年均泥沙量與徑流量的變化趨勢相一致,經過不同草本植被控制措施后的小區年均泥沙量均低于天然狀態地表裸露小區,年均泥沙量分別低67.8%、71.4%和62.3%。值得注意的是,采用人工施肥改良后的徑流小區3 表現出較高的減流量和減沙量,顯著降低了土壤的侵蝕作用。產生這種原因主要是因為由于人工施肥改良作用,增加了土壤的肥力,提高草本植被的生長速度,植被密度快速增加,進而削弱了雨水土壤的沖擊力,增加了土壤表面水分吸收能力,從而達到減流、減沙效果。此外,在每年的汛期（4 月～8 月）期間,徑流小區（1、2、3 和4）的徑流量和泥沙量均達到整年的80%,因此,在采用控制措施降低土壤侵蝕和減小水土流失方面要著重加強汛期期間的調節與人為控制。

表1 徑流小區年徑流量和泥沙量分布（4 月～8 月）

圖5 徑流小區四種植被結構控制措施下的年際泥沙量分配圖

4 結論與討論

本文對三種草本植被結構徑流小區（2、3 和4）采用了不同的土壤侵蝕控制措施,并與天然狀態下裸露地表（徑流小區1）進行了對比分析,研究不同控制措施后徑流小區的各月份的降水量、徑流量、泥沙量以及汛期的徑流量和泥沙量。其主要結論如下：

（1）每月的降雨量具有明顯差異,在6 月份降雨量最高,10 月份降雨量最低,汛期期間（4 月～8 月）降雨總量達到全年平均降雨量的80%以上。

（2）各試驗小區產生的徑流量和泥沙量分別為徑流小區1（對照組）最高,徑流小區4（人工種植）和徑流小區2（封山育林）較少,徑流小區3（人工施肥改良）產生的徑流量最少。因此,人工施肥改良控制措施對于水土保持,減少土壤侵蝕具有顯著的保護作用。

（3）各試驗小區的降雨量與泥沙量、徑流量均呈正相關關系,尤其是在汛期（4 月～8 月）期間,需要著重加強對土壤結構的改良,多施有機肥,加強人為調控。