不同水土保持措施對東北黑土區(qū)坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

苑佰飛,崔海鋒,李 猛,王彩鳳,吳 朋,姜保帥,滕美瑤

(1.長春合利水土保持科技有限公司,吉林 長春 130031; 2.梅河口市水利局,吉林 梅河口 135000)

東北黑土區(qū)是我國重要的糧食生產(chǎn)基地,耕地面積大、土壤肥沃,但近年來自然侵蝕和人類不合理耕作等導致東北黑土區(qū)水土流失日益嚴重。水土流失不僅會造成耕地退化,而且威脅生態(tài)環(huán)境安全[1]。據(jù)統(tǒng)計,東北黑土區(qū)中坡耕地面積占總耕地面積的59.38%,而坡耕地水土流失面積占東北黑土區(qū)水土流失面積的49.39%[2],坡耕地水土流失已成為制約東北黑土區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。因此,如何科學合理配置水土保持措施,以遏制坡耕地水土流失,實現(xiàn)東北黑土區(qū)坡耕地的可持續(xù)利用,是當前迫切需要解決的問題。

地形地貌、降水、下墊面條件等是誘發(fā)水土流失的重要影響因素,坡耕地作為水土流失重點區(qū)域,只有改變其下墊面條件才能有效控制水土流失[3]。東北黑土區(qū)坡耕地常見的水土保持措施主要有修筑水平梯田和地埂植物帶,實施等高耕作、保護性耕作等,均起到了較好的蓄水保土效果[4]。此外,科學合理的水土保持措施可以顯著增加土壤養(yǎng)分和團聚體穩(wěn)定性,進而提高土壤質(zhì)量[5]。本研究以位于東北黑土區(qū)的吉林省梅河口市吉興小流域徑流觀測場為例,分析在相同坡度和自然降雨條件下,不同水土保持措施對典型黑土區(qū)坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響,以及各項措施的減流減沙效益,旨在為東北黑土區(qū)坡耕地水土流失治理提供技術支撐和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗地點位于吉林省梅河口市吉興小流域綜合觀測站內(nèi),屬于東北黑土區(qū)水土流失綜合防治試點工程輝發(fā)河項目區(qū),地理位置為北緯42°13′50.8″、東經(jīng)125°29′5.3″。屬半濕潤中溫帶大陸性季風氣候區(qū),年均氣溫4.02 ℃,年均降水量708.8 mm,降水多集中在6—9月,期間降水量占全年降水量的70%以上。坡度范圍為3°～15°,為典型東北低山丘陵地貌,耕地多為坡耕地,土壤類型主要為黑土、暗棕壤、白漿土等。雨季降水相對集中且強度大,在坡耕地極易發(fā)生面蝕和溝蝕,土壤侵蝕模數(shù)1 906 t/(km2·a)[6]。

2 研究方法

2.1 試驗小區(qū)措施設計

本試驗共選取7個試驗小區(qū),每個小區(qū)垂直投影面積為30 m × 5 m(非標準小區(qū)),小區(qū)從南到北依次排列布設,間距為0.5 m,坡度均為7°。試驗小區(qū)圍埂由磚石砌成,下部均設有V形集流槽用于徑流排放。7個試驗小區(qū)的措施布置方式分別為:1#小區(qū)為裸地,監(jiān)測期內(nèi)一直保持地表裸露;2#小區(qū)為自然恢復,小區(qū)內(nèi)主要為自然生長的蒿草;3#小區(qū)布置植物埂,埂上種植黃花菜,沿坡長每隔5 m設置1條;4#小區(qū)布置灌木埂,埂上種植紫穗槐,沿坡長每隔5 m設置1條;5#小區(qū)布置水平坑,坑內(nèi)種植小型果樹;6#小區(qū)實施橫壟耕作措施;7#小區(qū)實施順壟耕作措施(見表1)。其中3#、4#、6#、7#試驗小區(qū)種植作物均為玉米,種植時間、收獲時間和全部田間操作過程嚴格按照當?shù)馗髁晳T進行。

表1 7個試驗小區(qū)措施設計及基本情況

2.2 數(shù)據(jù)觀測

試驗觀測時間為2022年5—10月,觀測數(shù)據(jù)包括降雨量、徑流量和土壤侵蝕量。其中降雨量的測定采用PC-4型全自動氣象站,設定為每5 min自動采集1次降雨數(shù)據(jù);徑流量和土壤侵蝕量的測定采用V形集流槽下端配有的HL-3W型坡面徑流泥沙自動監(jiān)測系統(tǒng),可實時觀測和記錄降雨過程中坡面產(chǎn)生的徑流量和泥沙量,與傳統(tǒng)人工測量方法相比,該方法不受地點和時間的約束,測量速度快、準確度高。降雨量、徑流量和土壤侵蝕量監(jiān)測數(shù)據(jù)均自動上傳至水土流失數(shù)據(jù)管理云平臺,云平臺嚴格按照《徑流小區(qū)和小流域水土保持監(jiān)測手冊》和《水土保持監(jiān)測技術規(guī)范》(SL 277—2002)等要求自動計算,并整理生成統(tǒng)計表。此外,自動化監(jiān)測設備和云平臺均安排專人進行日常檢查維護,確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和準確性。

2.3 減流減沙效益計算

某項措施的減流減沙效益計算公式分別為

(1)

(2)

式中:ERi、ESi分別為某一措施小區(qū)的減流效益和減沙效益,單位%;Ra、Ri分別為裸地小區(qū)和某一措施小區(qū)的累計徑流量,單位mm;Sa、Si分別為裸地小區(qū)和某一措施小區(qū)的累計產(chǎn)沙量,單位t。

3 結(jié)果與討論

3.1 降雨量及降雨侵蝕力特征

降雨是水土流失的原動力,而降雨侵蝕力是評估降雨引起區(qū)域土壤侵蝕風險的重要動力指標[7]。2022年5—10月試驗區(qū)內(nèi)總降雨次數(shù)為60次,降雨總量為596.2 mm。對其中無降雨侵蝕力且未引起7個徑流小區(qū)產(chǎn)流的場次降雨不進行統(tǒng)計,期間侵蝕性降雨為21場次(見表2),降雨量累計為518.2 mm,占5—10月降雨總量的86.92%,降雨侵蝕力為1 926.18 MJ·mm/(hm2·h)。最大場次降雨發(fā)生在6月22日,降雨量為83.6 mm,降雨侵蝕力為215.40 MJ·mm/(hm2·h),歷時1 725 min。圖1為2022年5—10月試驗區(qū)月降雨量和月降雨侵蝕力變化特征,可以看出:試驗區(qū)內(nèi)降雨月度分布不均,降雨主要集中在6、7、8月,其他月份降雨較少;降雨侵蝕力與降雨量的月度分布特征相似。

圖1 2022年5—10月試驗區(qū)降雨量及降雨侵蝕力的月度分布

表2 試驗區(qū)2022年5—10月侵蝕性降雨統(tǒng)計

3.2 不同措施對產(chǎn)流的影響

在相同的降雨條件下,裸地小區(qū)和各措施小區(qū)的產(chǎn)流次數(shù)不同,其中裸地小區(qū)產(chǎn)流20次,自然恢復、植物埂、灌木埂措施小區(qū)均產(chǎn)流13次,水平坑措施小區(qū)產(chǎn)流5次,橫壟耕作措施小區(qū)產(chǎn)流8次,順壟耕作措施小區(qū)產(chǎn)流17次。為分析不同水土保持措施對小區(qū)徑流的影響,選取1#～7#試驗小區(qū)產(chǎn)流的降雨量和徑流量進行線性擬合(見圖2),其判定系數(shù)分別為0.786 5、0.367 3、0.394 4、0.394 9、0.759 8、0.714 9、0.558 9,均達到了極顯著相關水平(p<0.01),表明各試驗小區(qū)的徑流量受降雨的影響較大,在相同的降雨條件下,裸地小區(qū)產(chǎn)流最多,順壟耕作措施小區(qū)次之,然后是植物埂、灌木埂、自然恢復措施小區(qū),而水平坑和橫壟耕作措施小區(qū)產(chǎn)流較少。

圖2 7個試驗小區(qū)降雨量和徑流量的線性擬合

表3總結(jié)了與裸地小區(qū)相比,不同水土保持措施的減流效益。其中水平坑和橫壟耕作措施的減流效益較高,分別為95.79%和93.02%;然后是自然恢復、灌木埂和植物埂措施,減流效益分別為73.54%、68.13%和67.92%;順壟耕作措施減流效益最低,僅為10.16%。降雨是地表產(chǎn)流的主要驅(qū)動力,而土壤入滲能力是影響產(chǎn)流多少的重要因素[8]。晉文娟[9]通過研究坡面產(chǎn)流對坡度的響應特征,發(fā)現(xiàn)坡面產(chǎn)流與入滲率呈顯著負相關關系,當降雨量相同時,坡面入滲率越高,坡面產(chǎn)流越少。本研究中的各種水土保持措施均對坡面徑流起到了攔阻、滯留作用,增加了坡面入滲率。其中,水平坑和橫壟耕作措施的減流效益較高,這主要是由于二者均在不同程度上改變了坡耕地的豎向坡度,減緩了徑流的流速,且具有較好的蓄水作用,增加了徑流的滯留時間,減少了產(chǎn)流次數(shù);順壟耕作措施的減流效益最低,這主要是由于順壟耕作后產(chǎn)生的豎向壟溝為產(chǎn)流提供了重要的匯流路徑[10],但受試驗小區(qū)內(nèi)農(nóng)作物的影響,順壟耕作仍存在一定的減流效益,陳龍飛等[11]通過室內(nèi)人工模擬試驗發(fā)現(xiàn),隨著玉米的生長,順壟耕作方式對坡面徑流的調(diào)控作用會逐漸增強。

表3 不同水土保持措施的減流效益

3.3 不同措施對產(chǎn)沙的影響

為分析不同水土保持措施對小區(qū)產(chǎn)沙的影響,選取1#～7#試驗小區(qū)土壤侵蝕量和降雨量進行線性擬合(見圖3),其判定系數(shù)分別為0.861 8、0.617 7、0.510 7、0.530 4、0.937 4、0.691 9、0.827 3,均達到了極顯著相關水平(p<0.01),表明各試驗小區(qū)的土壤侵蝕量受降雨的影響較大。在相同的降雨條件下,裸地小區(qū)土壤侵蝕量最多,然后是順壟耕作措施小區(qū),之后是植物埂、灌木埂、自然恢復措施小區(qū),水平坑和橫壟耕作措施小區(qū)土壤侵蝕量最少。

圖3 7個試驗小區(qū)降雨量和土壤侵蝕量的線性擬合

表4總結(jié)了與裸地小區(qū)相比,不同水土保持措施的減沙效益。其中,水平坑和橫壟耕作措施的減沙效益較高,分別為97.97%和95.78%;然后是自然恢復、灌木埂、植物埂措施,減沙效益分別為86.20%、81.44%、80.88%;順壟耕作措施的減沙效益最低,僅為11.14%。這與各類措施的減水效益呈現(xiàn)一致性。

表4 不同水土保持措施的減沙效益

各水土保持措施均具有一定的減沙效果,其中水平坑和橫壟耕作措施的減沙效益較高,這主要是由于這兩種措施一方面通過改變坡面地形,減緩了徑流流速,使徑流對土壤的沖刷強度下降,另一方面增加了試驗小區(qū)內(nèi)的植被覆蓋度,有效降低了自然降雨對地表的濺蝕作用,同時植物根系在生長中后期可以增加土壤的抗蝕能力[12]。吳淑芳等[13]通過人工降雨模擬試驗,發(fā)現(xiàn)坡面聚流坑措施的減沙效益可達到85%以上。宿敏敏等[14]通過研究不同耕作措施對黑土區(qū)土壤流失的影響,發(fā)現(xiàn)與裸地相比,全年橫壟耕作措施攔截泥沙率可達到88.4%～99.2%,與本研究的結(jié)果呈一致性。此外,自然恢復、灌木埂和植物埂措施的減沙效益也相對較高,均在80%以上,主要是由于這三種措施同樣增加了試驗小區(qū)的植被覆蓋度,一方面植被葉片對降雨起到了緩沖和截留作用,降低了雨水濺蝕能力,另一方面植被莖稈和根系對坡面徑流起到了攔蓄作用,可以減輕土壤侵蝕強度和攔截泥沙[15]。李曉娜等[16]提出植物帶可顯著提高徑流攔截率,同時能夠過濾并降低徑流中的泥沙含量。本研究結(jié)果進一步表明了適宜的水土保持植物措施具有較高的減沙效益,是坡耕地水土流失治理中不可或缺的重要手段。順壟耕作措施小區(qū)內(nèi)玉米的生長可以對自然降雨起到截留和再分配的作用,玉米根系可以擴大土壤孔隙、增加雨水入滲量[17],使得順壟耕作措施同樣具有一定的減沙作用。劉艷杰[18]通過分析順坡壟和橫坡壟耕作方式的保水保土效應,發(fā)現(xiàn)與裸地小區(qū)相比,橫坡壟作和順坡壟作均可降低侵蝕量,但順坡壟作減沙效益遠遠低于橫壟耕作。本研究中順壟耕作的減沙效益同樣遠低于其他措施小區(qū),且其土壤侵蝕量高于該區(qū)域的年均土壤侵蝕量,這主要是由于順壟耕作產(chǎn)生的豎向壟溝與徑流的流向相同,增大了雨水對坡面的沖刷能力,從而加劇了土壤侵蝕,因此建議在7°以上的坡耕地不采取單一的順壟耕作方式。

4 結(jié)論

通過在吉林省梅河口市吉興小流域徑流觀測場布設裸地小區(qū)(對照)和自然恢復、植物埂、灌木埂、水平坑、橫壟耕作、順壟耕作6個水土保持措施試驗小區(qū),分析在相同的坡度和自然降雨條件下,不同水土保持措施對東北黑土區(qū)坡耕地產(chǎn)流和產(chǎn)沙的影響,結(jié)果表明:①各試驗小區(qū)的徑流量和土壤侵蝕量與降雨量均呈顯著的正相關關系;②與裸地小區(qū)相比,水平坑和橫壟耕作措施的減流減沙效益較高,減流效益分別為95.79%和93.02%,減沙效益分別為97.97%和95.78%,然后是自然恢復、灌木埂、植物埂措施,順壟耕作措施的減流減沙效益最低,僅有10.16%和11.14%,且土壤侵蝕量高于該區(qū)域平均土壤侵蝕量;③開展坡耕地水土流失治理對保護東北黑土區(qū)的黑土資源和生產(chǎn)能力具有重要作用。水平坑、橫壟耕作、自然恢復、灌木埂、植物埂等水土保持措施均能有效遏制坡耕地水土流失,建議在東北黑土區(qū)推廣應用減流減沙效益最佳的水平坑和橫壟耕作措施,不采用單一的順壟耕作措施,同時合理配套種植有經(jīng)濟作物的植物埂和灌木埂,以最大程度發(fā)揮水土流失防治效果,保障耕地安全,促進東北黑土區(qū)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。