黃土丘陵溝壑區20年齡期梯田果園對不同標準極端降雨侵蝕調控作用

林廷武, 高建恩,2, 龍韶博, 竇少輝, 張昊晨, 李興華

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所水利部 水土保持生態工程技術研究中心, 陜西 楊陵 712100； 3.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100)

自2000年以來，隨著人工匯集雨水技術的成熟[1]，山地果樹水分匱缺得到解決，有利于高品質蘋果生產的光熱水土資源得到高效耦合，梯田果園這一水土保持高效農業生產形式在黃土丘陵溝壑區迅速發展，并成為當地經濟發展的支柱。僅延安市梯田果園面積近16.67萬hm2，產值超過100億元，是“綠水青山就是金山銀山”在黃土高原生態產業發展的重要體現形式。但進入新世紀以來，黃土高原極端天氣頻發，特別是2013年出現的百年不遇的特大暴雨，對梯田果園的安全生產造成重大威脅[2]。

近年來，學者們對梯田果園侵蝕調控方面的研究取得了一定的進展[3-6]。Sang-Arun等[7]研究了梯田的結構和地表覆蓋對梯田侵蝕的影響，隨梯田級數增多，由上級田面到下級田面的過程中，其侵蝕形態由細溝侵蝕發展為沖溝；郝連安[8]、賈立志[9]、白先發[10]等在對安塞方塔梯田果園進行野外長期觀測的基礎上，采用數學模型和室內外試驗相結合的方法，研究了梯田果園果樹的水肥匱缺、水窖配置、集雨補灌制度與方法等，分析了2013年百年不遇暴雨對梯田果園的侵蝕規律；劉士余等[11]通過對紅壤區坡地果園研究，得到在梯田果園裸露的梯壁上植草后，其攔蓄地表徑流和控制土壤侵蝕的能力分別提高22.5，30.62倍；李晶晶等[12]研究了高分子材料聚丙烯酰胺對黃土丘陵溝壑區坡地果園徑流產沙的影響，認為隨撒施量的增加，果園侵蝕泥沙量降低。但以往研究對黃土丘陵溝壑區梯田果園在不同標準極端降雨條件下的安全生產和侵蝕調控研究較為薄弱，為此，本研究在方塔果園布設野外徑流小區進行人工降雨試驗，分析梯田果園對不同標準極端暴雨的調控響應機制，以便為黃土高原果園的安全生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

徑流小區位于安塞縣沿河灣鎮方塔村(108°50′—109°26′E，36°30′—37°19′N),地貌屬黃土丘陵溝壑區，海拔1 012.1～1 731.7 m。安塞縣氣候屬中溫帶大陸性半干旱季風氣候，四季長短不等，干濕分明，年平均氣溫8.8℃(極端最高溫36.8℃，極端最低溫-23.6℃)，年平均降水量505.3 mm，降水主要分布在6—9月。方塔梯田果園使用年限超過20 a，邊坡有較好的覆蓋條件，有長茅草、匍匐冰草、鐵桿蒿等多種雜草生長，蓋度達60%～65%，雜草高度主要在20～80 cm之間，坡面有豐富枯落物層，主要由枯枝落葉及腐殖質組成，厚度6～10 cm，儲量3.5～9.6 kg/m2，土壤基本性質見表1。

表1 研究區土壤基本性質

1.2 徑流小區布置

人工模擬降雨徑流小區布設于安塞方塔梯田蘋果園，由田面和隔坡兩部分組成，田面部分為2 m×2 m，田坎部分投影面積為2 m×2 m。方塔梯田果園使用年限超過20 a，受長期人為擾動，梯田邊坡不平整，實地測量田面邊緣部分有一定坡度(0°～1°)，邊坡坡度為37°。其中一個小區有果樹生長，果樹株高3 m，冠幅1.6 m，郁閉度0.6。每個小區投影面積約8 m2(2 m×4 m)，小區由高0.3 m鐵皮圍成，鐵皮插入土層深度為0.2 m，以消除側向入滲的影響。小區下方安放集流裝置，用塑料桶收集小區內降雨各時段的徑流泥沙。

1.3 調控因子定義

梯田果園是由平坡段的田面及隔坡段兩部分組成。在方塔梯田果園調查顯示：當地果園管理條件較好，田面基本無雜草，主要為果樹生長。因此，在梯田果園中，直接起調控作用的因子主要有果樹、坡面植被、坡面枯落物。

1.4 試驗設計

降雨模擬試驗采用便攜式側噴降雨器，分別設置在小區的左右兩側。結合野外人工降雨的經驗[13]，試驗開始前測定徑流小區土壤前期平均含水率，之后將徑流小區用塑料布遮蓋，進行降雨強度率定，當穩定到設計雨強后，迅速將塑料布揭開并開始計時。研究中分析了安塞地區多年降雨資料，參考《水土保持工程設計規范》中的相關要求，認為高建恩等[14]在黃土高原小流域水力侵蝕模擬試驗設計與驗證研究中，進行降雨當量分析中給出的相關資料，與本研究區降雨情況一致，可作為暴雨標準的劃分依據。降雨設計見表2。

表2 降雨設計及暴雨標準劃分

小區坡面處理：(1) 保持坡面自然植被；(2) 對坡面植被進行去除，只保留枯落物層；(3) 清除枯枝落葉及松散腐殖質，達到基本裸坡。本次降雨模擬試驗中，徑流小區下墊面類型有4種：裸地+裸坡(LL)、果地+裸坡(GL)、果地+枯落物(GK)、果地+自然植被(GZ)(圖1)。因此，果樹效益=GL-LL，枯落物效益=GK-GL，植被效益=GZ-GK，3個因子總效益=GZ-LL。

1.5 樣品采集及處理

徑流樣收集：模擬降雨過程中，坡面產流后，在接樣口用塑料桶接收徑流泥沙，每桶接滿后記錄時間，再收集下一個徑流泥沙樣，并對樣品進行編號，依次進行直至降雨結束。

圖1 小區下墊面情況示意圖

徑流樣處理：每個徑流樣收集后進行稱重記錄，然后將徑流樣靜置，6個小時后倒去上層清液，用烘干法(105°)將樣品烘干后稱量泥沙重量。

1.6 數據統計與分析

采用Excel，SPSS 21.0對數據進行統計與分析，Origin 9.0，Excel軟件進行制圖。

2 結果與分析

2.1 不同侵蝕調控因子作用下產流特征

2.1.1 不同調控因子對產流過程的影響 在不同標準暴雨下，產流速率的時間變化規律都表現為先增大后在一定區間內波動穩定。果樹、枯落物、坡面植被對徑流過程的影響程度有明顯差異，分析其產流動態變化過程(圖2)，可以得出果樹對產流速率的調控作用隨降雨強度增大而減小，枯落物及坡面植被的調控作用隨降雨強度增大而增大。

圖2 不同下墊面產流速率的時間變化曲線

同一雨強條件下，各調控因子對產流速率的消減能力隨降雨強度的變化差異性明顯。在百年一遇暴雨下，果樹對產流速率的消減量為89.44 ml/(min·m2)，是坡面植被調控效益的1.19倍，是枯落物調控效益的63.67%；在千年一遇暴雨下，果樹對產流速率的消減量為91.07 ml/(min·m2)，是坡面植被和枯落物調控效益的93.54%和34.51%；在5000年一遇暴雨下，枯落物對產流速率的消減量達到了407.3 ml/(min·m2)，是果樹和坡面植被的3.05，1.61倍；在萬年一遇暴雨下，枯落物對產流速率的消減作用顯著提升，達到767.31 ml/(min·m2)，是果樹和坡面植被的8.25，2.21倍。果樹對產流速率的調控作用在雨強增大過程中較為穩定，枯落物及坡面植被對產流速率的調控作用隨降雨強度而增大，坡面枯落物對梯田果園產流速率的調控起主導作用。

2.1.2 不同調控因子對產流總量的影響 降雨徑流是土壤侵蝕發生的動力來源，次降雨的產流總量可以反映侵蝕量的大小。4種下墊面條件下，小區產流總量隨暴雨等級的提升呈增加趨勢，而且與果樹對次降雨產流總量的消減作用相比，枯落物及坡面植被對產流總量的調控效果明顯高于果樹(圖3)。

與LL相比，不同等級暴雨下GL，GK和GZ的平均減水率分別為14.23%，63.14%和87.56%，因此，果樹、枯落物和坡面植被的減水率分別為14.23%，49.96%和24.24%。可見，各調控因子減水貢獻率隨降雨強度的變化而變化，枯落物的減水貢獻率遠大于果樹及坡面植被。由圖4可以看出，隨暴雨等級提升，枯落物的減水貢獻率呈增大趨勢，由百年一遇時的52.09%增加到萬年一遇時的59.32%，平均減水貢獻率為55.82%，坡面植被的減水貢獻率總體呈增大趨勢，平均減水貢獻率為27.85%，而果樹的減水貢獻率呈減小的趨勢，由20.89%減小到10.23%，平均減水貢獻率為16.32%。

圖3 不同下墊面條件下小區產流總量 圖4 不同雨強下調控因子的減水貢獻率

2.2 不同侵蝕調控因子作用下產沙特征

2.2.1 不同侵蝕調控因子對侵蝕產沙過程的影響 同一下墊面條件下，隨著降雨強度的增大，小區侵蝕強度明顯增強，產沙峰值增大，且產沙峰值出現的時間隨降雨強度的增大而提前。不同調控因子對產沙速率的影響差異明顯，LL和GL條件下，在1 mm/min和1.5 mm/min雨強時，產沙速率表現為先陡增后趨于穩定，再達到峰值后減小趨于穩定，在2 mm/min和2.5 mm/min雨強時，產沙速率表現為陡增達到峰值，而后減小趨于穩定，主要與侵蝕溝的發育有關；GK和GZ條件下，產沙速率表現為緩增而后趨于穩定(圖5)。

通過對不同等級暴雨條件下，各小區侵蝕產沙過程的綜合分析可得，在百年一遇暴雨下，枯落物對產沙速率的消減量為3.38 g/(min·m2)，是果樹及坡面植被調控效益的7.69倍及3.96倍；在千年一遇暴雨下，枯落物對產沙速率的消減量為6.14 g/(min·m2)，是坡面植被和枯落物調控效益的4.66倍和4.74 倍；在5000年一遇暴雨下，枯落物對產沙速率的消減量為9.98 g/(min·m2)，是坡面植被和枯落物調控效益的3.42倍和3.82 倍；在萬年一遇暴雨下，枯落物對產沙速率的消減量陡增，達到21.01 g/(min·m2)，是果樹和坡面植被的3.13，4.58倍。3種調控因子對產沙速率的調控作用都隨降雨強度的增大而增大，果樹對產沙速率的調控作用隨降雨強度增大超過坡面植被，枯落物對產沙速率的調控作用在任意等級暴雨下都遠高于其他兩個調控因子。

2.2.2 不同侵蝕調控因子對侵蝕產沙總量的影響 不同下墊面和不等級暴雨條件下，侵蝕產沙總量隨時間的變化曲線見圖6。LL與GL下墊面條件下，產沙總量曲線隨降雨強度增大，曲線由相交到分離，說明果樹對侵蝕產沙的調控作用隨雨強增大顯著增加。對不同下墊面條件下，小區侵蝕產沙狀況進行綜合分析，不考慮雨強影響，果樹減沙率為14.25%，枯落物減沙率為60%，坡面植被的減沙率為15.95%。

各調控因子減沙貢獻率如圖7所示。果樹的減沙貢獻率與雨強呈正相關，由1 mm/min時的9.35%增加到2.5 mm/min時的19.4%，平均減水貢獻率為15.7%，與其減水貢獻率表現出相反的結果。枯落物的減沙貢獻率隨雨強先略微減小后穩定，平均減沙貢獻率為66.6%，而坡面植被的減沙貢獻率隨降雨強度的增大呈減小趨勢，由18.15%減小到14.71%，平均減水貢獻率為17.7%。

圖5 不同下墊面產沙速率的時間變化曲線

圖6 不同下墊面侵蝕產沙總量的時間變化曲線

在安塞方塔多年生梯田果園上，通過多個侵蝕調控因子的綜合作用，其減沙效益可達92.55%。在萬年一遇的暴雨侵蝕沖刷下，其侵蝕模數僅為93.75 t/km2，遠低于容許土壤流失量[15]，水土保持效益極高。在2013年6—9月，延安遭遇萬年不遇暴雨災害時，方塔梯田果園受災害程度小，遠低于其他梯田農業模式[9-10]，農業生產得到保障。因此，在果樹、坡面植被、枯落物共同作用下，梯田抵抗暴雨的能力顯著提升。

3 討 論

3.1 調控因子對產流的影響分析

各個調控因子對產流的調控作用一方面是自身的截留效果，另一方面是通過增加入滲來實現的。植物冠層葉片吸附截留降雨的能力是有限的，當截留量趨于穩定時，降雨量增大，截留量不變，截留率就會降低[16]。果樹冠層的截留能力有限，在模擬暴雨的過程中，截留量很容易達到飽和，而且果樹根系較深，對表層土壤孔隙度的改善較弱，因此，果樹減水貢獻率與降雨強度呈負相關。坡面植被種類多，草灌結構復雜，截留能力較強，同時草本植物根系較淺，對表層土壤結構有明顯改良作用。枯落物層主要由枯枝落葉及腐殖質組成，蓄水保水能力強，既能改善表土層土壤結構，也能通過攔擋延長徑流過程，增加入滲量。枯落物減水效益>坡面植被>果樹，該結果與王紅[17]對不同水土保持措施的分析結果有較高的一致性。

圖7 不同雨強下調控因子的減沙貢獻率

3.2 調控因子對侵蝕產沙的影響分析

果樹的減沙貢獻率表現與其減水貢獻率截然相反，分析認為：從能量角度來看，雨強越大，雨滴能量越大，通過樹冠層的作用再到達地面時減少的能量越多[18]，對雨滴擊濺侵蝕強度的消減越強，因此當雨強增大，侵蝕加劇時，果樹減沙貢獻率反而增大。坡面植被一方面通過覆蓋，減小降雨對坡面擊濺；另一方面，通過植物根系對土體固結及對坡面徑流的減緩。枯落物的減沙能力從3個方面作用：一是可以減小雨滴對坡面的擊濺侵蝕；二是可以通過機械作用阻擋坡面泥沙，有效降低坡面產沙量；三是可以減緩坡面徑流，降低徑流的攜沙能力[19-20]。

4 結 論

(1) 枯落物及坡面植被對產流速率的調控作用，隨暴雨標準提升呈增大趨勢，而果樹對產流速率的調控作用與暴雨標準呈負相關。對降雨產流總量的消減率表現為枯落物>坡面植被>果樹，且枯落物減少率超過果樹及坡面植被之和，在產流調控中占主導地位。果樹受自身截留作用上限的影響，對產流量的消減作用存在閾值，其對產流總量的消減量穩定在4.49～5.81 L/m2。

(2) 隨暴雨標準提升，枯落物及坡面植被對產沙速率的調控作用呈減小趨勢，稍有減小，但果樹對產沙速率的調控作用明顯增強。在百年一遇暴雨下，對產沙速率的調控作用為枯落物>坡面植被>果樹，當暴雨標準提升到千年一遇以上時，對產沙速率的調控作用為枯落物>果樹>坡面植被。枯落物在調控侵蝕產沙中起主要作用，其減沙率在60%以上。

(3) 20年齡期的方塔梯田果園上，果樹生長狀況好，梯田隔坡上植被種類繁多，蓋度高，且有著豐富的枯落物層，在各種調控因子綜合作用下，在百年一遇到萬年一遇的暴雨過程中，其減水效益為84.68%～89.14%，減沙效益為86.43%～92.56%。在萬年一遇暴雨條件下，侵蝕模數僅為93.75 t/km2，遠低于容許土壤侵蝕量。說明目前方塔梯田果園可抵御萬年一遇暴雨災害，與2013年發生百年不遇暴雨的研究結果近似，因此延安方塔果園的綜合調控模式可以作為黃土高原丘陵溝壑區梯田果園的示范樣板。