極端暴雨條件下黃土高原水平梯田損毀情況調查分析
——以岔巴溝流域“7·26”特大暴雨為例

郭晉偉, 何 亮, 裴志林, 呂 渡, 雷斯越, 張曉萍

(西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點室, 陜西 楊凌 712100)

黃土高原位于黃河中上游，是中國歷史悠久的農耕文化發展中心[1]。受地理位置影響，氣候具有干旱特征，劇烈的水土流失和生活的貧困是面臨的嚴重生態和社會問題[2]。梯田是坡度>25°坡面水土保持的主要工程措施之一[3-4]，不僅可以顯著改善土壤水分條件[5-6]，提高農作物產量[7-8]，還能大幅減少所在坡面的產沙數量，降低溝谷侵蝕程度[9]，在重建和改善生境方面發揮著重要作用[10]。降雨是引起水土流失的前提條件和動力條件[11]。在一定的降雨強度下，水平梯田的防蝕效益可以達到95%以上[12]。當降雨強度大于一定程度后，水平梯田的減水減沙效益隨著降雨強度的增大而減小[11]。當降雨徑流超過一定的值時，梯田就被沖毀[13]。2017年7月25日20時至26日8時，黃土高原無定河中下游地區遭到大暴雨侵襲，此次暴雨歷時短、強度大，次雨量、日雨量和24 h累積雨量均達到500年一遇[14]。暴雨中心區集中在子洲縣殿市鎮的小理河流域和綏德縣四十里鋪的無定河流域，12 h最大降雨量為子洲縣水地灣站236.6 mm、李家河站217.8 mm，綏德縣趙家砭站257.7 mm[15]。截至7月27日8時，暴雨洪水造成榆林子洲、榆陽、綏德，延安子長4個縣區14個鄉鎮(社區中心)25.47萬人受災，1座小二型水庫(清水溝)漫溢決口，農作物、淤地壩、水井、通訊、電力、交通設施受到嚴重損壞，因災造成直接經濟損失16.89億元[16]。

岔巴溝流域位于子洲、綏德暴雨中心區域，流域內的梯田也受到了不同程度的損毀。項目組于2017年10月份對岔巴溝流域內的梯田進行調查。通過本次調查，了解不同類型梯田、不同利用方式、不同植被覆蓋等情況下暴雨對梯田的損毀情況，分析其對暴雨產生水土流失的防治效果，有利于分析黃土高原地區極端事件下水土保持成效，為生態環境建設和可持續發展提供科技支持。

1 流域概況

岔巴溝流域位于109.5°—110.1°E，37.5°—37.8°N，屬黃土丘陵溝壑區第一副區[17],為大理河的一級支流，無定河的二級支流，流域面積205 km2，包括13條支溝，溝道長度24.1 km，流域平均寬度7.22 km，切割深度50～250 m，溝壑密度1.05 km/km2[18]。屬于干旱半干旱氣候,多年平均降雨量約450 mm，60%以上集中在6—8月，以短歷時暴雨為主,最大雨強215 mm/h[19]。地勢西北高、東南低，是典型的黃土高原丘陵溝壑區。流域主要為河谷階地和丘陵溝壑兩種地貌，溝壑縱橫交錯[20]。以黃土母質發育的黃綿土為主，土壤顆粒中大于0.05 mm含量約為25.8%，在0.01～0.05 mm之間約為57.7%，小于0.01 mm含量約為16.5%，土壤顆粒中以粉粒為主，極容易被侵蝕。黃土層厚度50～100 m，侵蝕劇烈，面蝕、溝蝕、重力崩塌等作用十分強烈，流域多年平均侵蝕模數15 780 t/km2。

岔巴溝流域內人口為12 000余人，耕地53 km2左右。鄉鎮和村落主要分布在左岸，人口較右岸稠密[21]。流域內梯田廣泛分布，其中一部分是1977年前修建的窄幅老梯田，一部分為近些年機械修建的寬幅新梯田。窄幅老梯田一部分還持續耕作，一部分已經退耕還林草。

2 調查方法

2.1 流域內梯田類型及分布調查

遵循科學、簡潔、高效的基本原則，本次調查工作主要采用Google Earth和GIS繪圖作業、野外調研及實地測量，室內數據處理及統計等方法，對岔巴溝流域不同類型梯田情況進行調查。

以Google Earth影像為數據源，利用Google Earth和GIS平臺對岔巴溝流域具有梯田紋理的區域進行確認并勾勒線條，見圖1，確認流域內梯田的面積和位置分布情況。Google Earth中岔巴溝流域影像時間為2017年5月12日，可以很好地反映出近期梯田位置和梯田利用方式等信息，為野外調查提供了扎實的數據基礎。2017年9—10月間，共勾勒梯田斑塊1 404塊，經過實地考察之后，對所勾勒的1 404塊梯田進行再次確認，去除85塊非梯田斑塊，剩余1 319塊梯田，面積總計25.24 km2，約占岔巴溝流域面積的12.3%?？臻g分布上可以看出，流域上游梯田分布較為稀疏，中、下游分布較為密集，見圖2。

2.2 流域內梯田損毀情況調查

根據岔巴溝流域梯田情況和利用方式判斷，首先按照田面寬幅將梯田分為機修梯田(>15～20 m)、老梯田(3～5 m)，再根據利用方式和植被覆蓋類型，又可分為喬木、灌木、草地和農地等幾種類型。以均勻分布原則，在流域上、中、下游共選出不同類型梯田27塊，見圖3。

圖1 Google Earth影像岔巴溝流域梯田斑塊及線條勾勒 圖2 Google Earth影像岔巴溝流域梯田空間分布 圖3 Google Earth影像岔巴溝流域梯田調查點位

于2017年10月16日—10月21日，對選出來的27塊梯田進行實地測量并進行記錄。依據梯田在地形的分布，選取從分水嶺到匯流的典型地段，依據梯田臺數，按上、中、下分別選取典型臺面進行各項指標測量和調查。再依據不同類型梯田的數量和面積估算全流域狀況。測量指標包括調查梯田的田面寬、田埂高、梯田長度；梯田坍塌損毀的位置及寬、深、高；侵蝕坑數量等。梯田田面寬和田埂高分別以同一塊梯田的3個不同位置進行測量取其平均值。記錄每塊梯田的機修、人工建造等屬性、利用類型、植被覆蓋情況、侵蝕特點、地埂培護情況等，將調查情況填寫表格并對每塊梯田的損毀情況進行拍照。

2.3 流域內梯田土壤侵蝕模數估算

流域內不同類型梯田土壤侵蝕模數按式(1)估算。

(1)

式中：Ai為第i種類型梯田的土壤侵蝕模數；Dv為土壤容重；Si1為第i種類型梯田的測量面積;Vi為不同類型梯田上所測的侵蝕測坑體積，其中侵蝕坑體積V由測量的高、深、寬直接相乘得到，但實際侵蝕坑形狀不規則且多為滑塌狀，按照野外實測寬、深、高估算的測量體積會偏大，根據野外觀測滑塌形狀，對侵蝕坑計算體積取1/2進行修正。梯田統計面積為田面面積，通過野外測量，田埂面積約占梯田總面積的15%，由此得到梯田修正面積。通過查閱《陜西農業土壤》數據資料，黃綿土土壤容重按1.2 g/cm3。

流域內梯田土壤侵蝕模數按式(2) 估算：

(2)

式中：A為流域內梯田的平均土壤侵蝕模數；S為流域內梯田總面積；Si2為流域內第i種類型梯田的總面積。得到各類型梯田的土壤侵蝕模數后，通過加權平均數得到流域內梯田平均土壤侵蝕模數。

3 結果與分析

3.1 基于室內解譯的流域水平梯田分類

3.1.1 按面積分級的梯田數量統計 在ArcGIS下對1 319塊梯田斑塊面積按照0～0.5 hm2(包含0.5)，0.5～1 hm2(包含1) 等分級，進行面積和塊數統計分析。圖4表明，梯田面積在分級統計上表現出單峰下降的冪函數分布態勢。面積≤0.5 hm2的梯田塊數最多，為369塊，占梯田總數的比例為28.0%；0.5～1 hm2間的梯田數309塊，占比23.4%；1～2 hm2的273塊，占比20.7%。面積≤4 hm2的梯田塊數占梯田總數量的91.4%，說明受地形特征影響，岔巴溝流域修建梯田面積以≤4 hm2規模為主。隨著梯田面積增大，梯田斑塊數量迅速減少。

圖4 岔巴溝流域不同面積分級梯田斑塊數量及頻率分布

圖5表明，岔巴溝流域梯田面積表現出雙峰型特征，分別在1～2 hm2，10～15 hm2面積級別上形成2個分布峰?！? hm2的梯田面積約占岔巴溝流域梯田總面積的1/2(50.7%)。聯系圖4和圖5表明，岔巴溝流域梯田在數量和面積上均以≤4 hm2規模為主。

圖5 岔巴溝流域不同面積分級上梯田面積總和及比例

3.1.2 各類型的梯田數量統計 根據野外調查和Google Earth影像進行對比，對1 319塊梯田的屬性進行確認，區分它們的利用方式并統計面積、個數及比例。該地區的梯田類型大致為新機修梯田、老梯田農地、老梯田草地、老梯田喬木、老梯田灌木和隔坡梯田六大類。從面積上看，新機修梯田，老梯田農地和老梯田草地各約占1/3，分別占梯田總面積的30.78%，36.73%和25.78%；老梯田喬木較少，占總面積的6.53%。從數量來看，老梯田農地和老梯田草地的塊數最多，占梯田總塊數的79.30%，其中老梯田農地占40.11%，老梯田草地占39.20%；新機修梯田和老梯田喬木數量較少，分別占13.87%和6.44%(表1)。

表1 岔巴溝流域各類型梯田面積、個數及比例

3.2 流域梯田損毀情況調查及分析

3.2.1 梯田損毀形式 經過野外調查，將暴雨造成的梯田損毀形式分為以下4種：表層結皮脫落、田埂滑塌崩塌，田埂沖毀、田面陷穴穿洞。

(1) 表層結皮脫落。主要發生于老梯田喬木和老梯田草地上。梯田田埂坡面在暴雨沖刷下發生大面積表皮滑塌，表皮基本全部損毀，深度2～3 cm，嚴重的整塊梯田表皮全部沖刷滑塌(圖6)。

(2) 田埂滑塌崩塌。主要發生在老梯田上，部分發生在新機修梯田上。老梯田田埂在暴雨的沖刷下，由于表層硬殼脫落，內填土因降雨自重增加而發生滑塌崩塌，為直線型。還有部分因為田面不平，地勢低洼處產生積水，達到臨界點之后發生大面積滑坡，為拋物線型。新機修梯田田埂上部為斜坡，岸草茂密，下部分為機修時挖出的豎直田埂，土質疏松，降雨時外層土易與內層土剝離，如圖7所示。

圖6 老梯田田埂表皮結皮脫落(郭晉偉于2017年10月拍攝)

圖7 田埂滑塌崩塌(郭晉偉于2017年10月拍攝)

(3) 田埂沖毀。在各梯田上均有發生。老梯田因為缺少人為管護田埂上的地勢低點在降雨中易被沖毀，多次降雨后形成深切溝道，并逐漸擴大，遇到大暴雨，大量雨水從溝道流下，發生更劇烈的侵蝕。老梯田草地和老梯田喬木有部分因為人類放牧，羊在田埂上造成數量極大地踩踏破壞，降雨時更容易沖刷造成破壞。老梯田農地由于人為耕種，田面不平，容易形成地勢低點，在暴雨時造成破壞。新機修梯田上，由于機械耕作時填土不均或者對田埂造成破壞，使田埂土質疏松，暴雨時易被沖毀，并且由于側坡太長，坡面徑流沖刷厲害，造成嚴重的侵蝕(圖8)。

圖8 田埂沖毀(何亮于2017年10月拍攝)

(4) 田面陷穴穿洞。主要發生在老梯田農地和新機修梯田上，并且更容易造成田埂滑塌崩塌和沖毀。在梯田修建時，有的地方因為缺土少土，夯打不實，形成地勢低點，徑流匯集，加上黃土自重形成陷穴。由于田岸相對內層土土質疏松，離田岸近的陷穴更容易形成穿洞，進一步形成切溝，使梯田斷開，造成劇烈侵蝕。還有一部分由樹木引起，在降雨時，土壤自重加上樹木的重量更容易形成陷穴，深度可達1～2 m，在岸邊的樹更容易引起田埂沖毀(圖9)。

圖9 田面陷穴穿洞(郭晉偉于2017年10月拍攝)

3.2.2 不同類型梯田損毀情況 經過6 d的實地調查測量，共獲取27塊梯田的數據，其中新機修梯田8塊、老梯田農地5塊、老梯田喬木4塊、老梯田草地8塊、老梯田灌木1塊、隔坡梯田1塊，具體調查情況見表2和表3。6類梯田類型中，由于新機修梯田的田埂防護較好，侵蝕坑發生頻次最少，僅為5處/100 m，見表2。但是由于時間短，沒有形成一定的發生層次，土質疏松，產生的侵蝕坑體積無論從平均值還是最大值均為最大，侵蝕坑切割田面最深可達480 cm。老梯田農地、老梯田喬木和老梯田草地侵蝕情況基本為同一水平。老梯田農地田埂由于人為防護不力，侵蝕坍塌崩坍等現象較為頻繁，侵蝕坑密度為20處/100 m。其年代較長，土層較實，侵蝕坑體積相對較?。挥胁糠謪^域由于常年耕作導致梯田臺面土壤分布不均，低洼缺土處侵蝕劇烈，侵蝕坑巨大，切割田面深度最大可達300 cm。老梯田草地因為人為破壞或者人為看護不力，侵蝕坑數量較多，侵蝕坑密度為36處/100 m。由于草皮植被防護，侵蝕坑體積相對較小，多以田埂表層結皮脫落為主；但是人為破壞嚴重的地方侵蝕劇烈，侵蝕坑最大深度可達240 cm。老梯田喬木條件下侵蝕坑數量較多。由于植被防護，平均侵蝕坑體積相對較小；但是因為樹木根系汲水的作用，逐漸形成天然低洼地，形成巨大侵蝕，最大深度可達160 cm。老梯田灌木地位于地勢險要處，人類活動痕跡較少，侵蝕輕微，侵蝕坑密度為21處/100 m，侵蝕坑最大深度40 cm。隔坡梯田地處公路邊，放牧嚴重，羊群踩踏痕跡明顯，侵蝕坑分布密集，為68處/100 m。侵蝕坑平均體積不大，最大深度60 cm。

表2 不同類型梯田調查的侵蝕坑量測的平均值

表3 不同類型梯田調查的侵蝕坑量測的深度最大值

3.3 不同類型梯田侵蝕量估算及分析

3.3.1 不同類型梯田損毀體積分析 如圖10所示，從侵蝕坑個數來看，本次暴雨造成的梯田損毀侵蝕坑大部分為深度0～0.5 m的淺層侵蝕，其中新機修梯田和老梯田農地的相對較少，分別占各自侵蝕坑數量的41.82%和56.10%，老梯田喬木占72.60%，老梯田草地占82.75%，老梯田灌木和隔坡梯田則基本全部為0～0.5 m的淺層侵蝕，分別占100%和96.58%；深度0.5～2 m的侵蝕也占很大比例，新機修梯田占41.82%，老梯田農地占43.09%，老梯田喬木占27.40%，老梯田草地占16.59%，隔坡梯田只有3.42%；新機修梯田、老梯田農地和老梯田草地還有部分深度2 m以上的侵蝕坑，其中新機修梯田的較多，2～3 m的占13.64%，甚至有3 m以上的侵蝕坑，占總數的2.73%，老梯田農地和老梯田草地的則較少，分別占0.81%和0.66%。

如圖11所示，從侵蝕體積來看，新機修梯田大部分為深度1 m以上的侵蝕坑，占總侵蝕體積的83.95%，其中2～3 m的占54.88%，而深度0～0.5 m的則只有4.15%；老梯田農地大部分為0.5～2 m的侵蝕坑，占總侵蝕體積的68.63%，其中0.5～1 m的占41.87%；老梯田喬木的大部分為深度0.5～1 m的侵蝕坑，占總侵蝕體積的89.61%，其中0～0.5 m的和0.5～1 m分別占總侵蝕體積的45.39%和44.25%，深度為1～2 m的則只占10.39%；老梯田草地的大部分為深度0.5～1 m的侵蝕坑，占總侵蝕坑體積的75.03%，深度為1～2 m的占總侵蝕體積的18.87%，深度2～3 m的則只有6.10%；老梯田灌木和隔坡梯田則基本全部為深度0～0.5 m的侵蝕坑，分別占總侵蝕體積的100%和95.26%。

圖11 按侵蝕坑深度分級各類型梯田侵蝕坑損毀體積比例

總體來看，梯田損毀情況受人類活動影響較大，人類活動頻繁的新機修梯田和老梯田農地深度1 m以上侵蝕占據了較大比例，暴雨過后不好修復，甚至繼續擴大，發展為溝蝕；老梯田喬木、老梯田草地、老梯田灌木和隔坡梯田侵蝕深度1 m以下的占據了較大比例，多為面狀侵蝕。

3.3.2 不同類型梯田侵蝕模數估算及分析 由表4看出，從侵蝕模數來看，隔坡梯田平均侵蝕模數最大，達到122 525.6 t/km2。老梯田農地、草地和喬木條件下侵蝕模數均在30 000 t/km2水平，新機修梯田為20 000 t/km2，老梯田灌木最小，為6 000 t/km2左右。通過加權平均數求得梯田的平均侵蝕模數為30 733.4 t/(km2·a)。老梯田不同利用中，草地利用類型的侵蝕量最大，其次為老梯田喬木和老梯田農地。這是由于老梯田農地人為破壞嚴重，田埂看護不利，容易形成大量侵蝕坍塌。老梯田上形成沖毀后，進一步發展為切溝，使梯田田面斷開，又因為補修困難，侵蝕逐年擴大，進而對下部的梯田田塊造成破壞。暴雨來時無防護，引起大量的梯田損毀。老梯田草地田埂滑塌嚴重，基本全部沖毀，雖然大塊侵蝕很少，但是數量龐大，侵蝕量較大，田埂損毀長度達到95%以上。老梯田喬木因為樹木原因，更容易形成陷穴和田埂破壞，但是因為造成了地勢低點，侵蝕數量相對減少，侵蝕量相對較低。

新機修梯田田埂上部為斜坡，岸邊草被茂密，暴雨過程中減少徑流沖刷保護了田埂。然而新機修梯田單個坍塌處侵蝕量極大，坍塌體高可達5～7 m，深和寬可達3～5 m，造成幾十方的土方損毀，但是由于數量極少，侵蝕量最小。

表4 不同類型梯田調查的侵蝕模數估算 t/km2

4 結論與建議

4.1 結 論

(1) 受地形特征影響，岔巴溝流域修建梯田面積以≤4 hm2規模為主，數量上占91.4%，面積上占50.7%。新機修梯田、老梯田農地和老梯田草地各約占流域內水平梯田總面積的1/3。老梯田農地和老梯田草地的塊數最多，分別占40.11%和39.20%，新機修梯田和老梯田喬木數量較少。

(2) 特大暴雨造成的梯田損毀形式總結有田埂表層結皮脫落、田埂滑塌崩塌、田埂沖毀、田面陷穴穿洞4種。

(3) 新機修梯田由于人為看護較好，侵蝕坑發生頻率最低，為5處/100 m，但是由于土體夯壓不實，低處易形成侵蝕坑，侵蝕坑深平均1 m，最大深度4.8 m，對梯田形成毀滅性損失。老梯田農地、草地和喬木的侵蝕坑發生頻率為20～36處/100 m，侵蝕坑平均深0.3～0.6 m。老梯田灌木和隔坡梯田大部分為深度0～0.5 m的侵蝕坑，老梯田灌木由于人類活動極少，侵蝕坑頻率較低，隔坡梯田由于放牧嚴重，侵蝕坑頻率最高。

(4) 流域內梯田的平均侵蝕模數為30 733.4 t/km2。其中，老梯田農地、草地和喬木條件下侵蝕模數均在30 000 t/km2水平；新機修梯田為20 000 t/km2；老梯田灌木最小，為6 000 t/km2左右；受放牧等的影響，隔坡梯田的平均侵蝕模數最大，達到122 525.6 t/km2。

需要說明的是，在具體測量過程中，受暴雨及徑流沖刷，梯田田埂破壞嚴重，無法辨認損毀部位的新舊情況，因此直接測量侵蝕坑的體積并全部計入本次暴雨造成的損毀情況中，可能會導致估算得到的土壤侵蝕模數偏高。

4.2 建 議

(1) 增加人為管護。在梯田防護中，人為管護有著極大地作用，有人為管護的田埂侵蝕數量明顯減少，缺少人為管護的田埂侵蝕嚴重。應當定期檢查梯田田埂，做好田壟，在侵蝕嚴重的地方適當補土，阻止或減緩侵蝕擴大。調查中發現由于田埂管護得當，部分梯田農地安然無恙，損失較小。

(2) 減少或禁止放牧。放牧對梯田的危害極大，放羊過度的地方田埂破壞嚴重，對暴雨的抵抗力明顯減弱，暴雨來時極易形成損毀。

(3) 多建機修梯田。調查中發現，機修梯田田面寬，耕作方便，對暴雨的抵抗力也強。在機修梯田修建時應當注意田面平整，避免出現低洼處，田埂要夯打堅實。

(4) 注意植樹方法。在梯田上植樹應注意選擇灌木樹種，避免樹木過重帶動黃土下陷。植樹位置應當選擇田面中間或內部，不宜在田岸邊植樹，避免樹木下陷徑流沖刷形成損毀。