南京市丘陵區不同農耕措施水土保持效益

張真真, 單延功, 吳明洲, 王正誠, 陳家棟, 龔 暢

(1.江蘇省水文水資源勘測局南京分局, 南京210008; 2.南京大學 環境規劃設計研究院股份公司,南京 210008; 3.南水北調東線江蘇水源有限責任公司, 南京 210008)

水土流失是我國的頭號環境問題[1]，我國水土流失呈現出分布范圍廣、流失面積大、流失強度大、侵蝕嚴重區比例高、流失成因復雜以及區域差異明顯等特點[2]。據調查，全國水土流失面積356萬km2，僅年均土壤侵蝕量就達到50億t[3-4]。水土流失破壞地面完整，降低土壤肥力，造成土地硬石化、沙化，影響農業生產，威脅城鎮安全，加劇干旱等自然災害的發生和發展，阻礙經濟社會可持續發展，對生態環境、生產、生活、經濟發展都造成極大的危害[5]。

水土流失已經和正在吞噬著人們賴以生存的寶貴水土資源，如何有效地控制水土流失日益受到社會和研究人員的廣泛關注[6]。水土保持植物措施是防治水土流失的重要手段，水土保持措施的合理配置是小流域綜合治理的關鍵[7]。我國在水土保持方面創造了許多頗具特色的水土保持措施，如植物措施、耕作措施和工程措施[8]。植物的種類、蓋度、種植方式都是影響水土流失的重要原因[9-10]，分析不同植被措施下的水土保持效應的對于區域水土流失防治有重要意義。

南京市低山丘陵山區水土流失面積497.94 km2，占水土流失總面積的96.55%，中山水庫—方便水庫飲用水水源保護區已被列為南京市市級水土流失重點預防區[11-12]。區域土地利用結構以耕地為主，占土地總面積的41.87%，坡耕地是主要的生產用地。耕作措施具有良好的養分維持和水土流失防控作用，其通過增加地表覆蓋度、土壤根系含量和生物多樣性，提高土壤有機質、全氮、全鉀、全磷等養分含量，但針對不同地區，不同措施的土壤改良，水土流失防控，增產增收作用各有差異。因此，針對南京市低山丘陵區開展不同農耕措施下的水土保持效益分析，探究適宜的耕作措施，能夠為區域水土保持工作提供理論依據。

1 研究區概況

江蘇省南京市橋頭小流域位于江蘇省南京市溧水區，東經119°10′05″，北緯31°40′28″(圖1)，橋頭小流域總流域面積為3.1 km2，匯入溧水區方便水庫。流域內總人口約2 250人，平均糧食單產約8 250 kg/hm2，農村生產總值約22萬元。小流域周圍為低山丘陵區，以東廬山為主體，以及獅子山、浮山、禁山、尖山等小型山體組成，主峰東廬山，海拔273 m。東廬山與浮山之間丘陵地帶分布著第四紀殘積、洪積、沖擊土。丘陵覆蓋著赭紅色黏土，河谷發育于第四紀，地層中沉積泥沙和淤泥。山坡上主要長著小樹、雜草，山坡地開墾較為廣泛，植被覆蓋程度不高，每逢較強降水，沖刷劇烈，水土流失較為嚴重。

圖1 徑流小區位置

橋頭小流域位于北亞熱帶季風氣候區，氣候溫暖濕潤，降雨量較豐沛，多年平均降水量1 107.3 mm，降雨多集中在汛期。洪澇災害主要是受梅雨、臺風雨影響，梅雨通常發生在6—7月，其特點是總量大，歷時長，范圍廣;臺風雨多發生在8—9月，其特點是雨強大，歷時短，降雨范圍相對較小。

2 研究方法

南京市溧水區橋頭小流域徑流小區為水利部水土保持監測中心組織的“全國水土保持監測網絡和信息系統建設二期工程”江蘇省水土保持6個監測站點之一，于2011年新建，監測點編號:FA3220614140，主要擔負溧水區東部丘陵山區水土流失監測任務。

2.1 徑流小區設計

徑流小區位于秦淮河流域上游方便水庫匯水區域，屬丘陵山區，小區建設在山坡農用地上(圖2)，為標準水蝕監測小區，共設置5個坡面徑流小區，規格均為:寬5 m(與等高線平行)，長10 m(水平投影，與等高線垂直)，單個小區水平投影面積為50 m2，坡度為9°，單個小區水平投影面積為50 m2。

圖2 徑流小區位置布局

監測小區配套護埂、集流槽分流池、排水溝、觀測道路等設施(圖3)，對徑流小區從1—5號依次進行編號，其中，1號小區為林地，種植喬木，2號為對照小區，荒地，3—5號為農耕地，分別種植玉米、花生、油菜。監測小區坡度為9°，徑流場上部及兩側設置圍埂，下部設集流槽、分流池和集流池。小區底端用漿砌磚做成矩形集流槽，槽寬0.25 m，深0.20 m，比降1%，集流槽出口布設分流池和集流池，分流池和集流池內徑同為長1.2 m，寬1.0 m，分流池分流孔高度1.0 m，達到分流高度后九孔分流，其中一孔引流至集流池。

圖3 徑流小區試驗設計

2.2 監測方法

主要監測指標包括:降雨量、降雨歷時、平均降雨強度、最大30 min雨強、侵蝕性降雨量、氣象、土壤濕度、水位、流量、平均流量、洪峰流量、含沙量、輸沙率、平均輸沙率以及侵蝕量。

徑流觀測方法采用體積法。量水設備采用二級九孔分流法，為兩個尺寸為1.2×1×1 m的分流池和1.2×1×1 m的集流池，在第一個集流池設置九孔分流孔，每孔Φ50 mmPVC管。其中一個孔的水進入第2個集流池，總容量為1.2 m3+1.2 m3×9=12 m3。每個沉沙池上設置可開啟式金屬蓋板一個。降雨等氣象要素由多功能氣象站監測，定期下載監測數據;土壤濕度由TDR土壤墑情站監測;流量監測用流速儀法監測，在斷面上設立3條垂線，分別測量水位，流速，并計算輸沙量。泥沙樣品采用焙干法處理，采集的樣品經沉淀、濃縮后倒入烘杯烘干、冷卻后稱重，計算得出垂線平均含沙量。

2.3 數據分析及處理

發生侵蝕和不發生侵蝕的臨界降雨數值稱為侵蝕性降雨標準[13-15]，根據侵蝕性降雨標準可以盡可能剔除不發生侵蝕的降雨，保留發生侵蝕的降雨，從而精確計算侵蝕性降雨侵蝕力，減少計算的工作量[16-18]。本文首先對2015—2017年的侵蝕性降雨進行k-均值聚類分析，確定侵蝕性降雨類型和等級[19-20]，然后根據不同降雨類型分析降雨侵蝕力，并統計不同徑流小區的含沙量和徑流量，最后計算出措施小區相對于對照小區的減沙率和減流率，分析不同植被措施在不同等級降雨條件下的水土保持效應。

3 結果與分析

3.1 降雨特征分析

統計2015—2017年各月降雨總量發現，區域降水主要集中在4—10月份，因此，僅針對4—10月份發生的侵蝕性降雨事件進行分析(圖4)。

圖4 2015-2017年月降雨總量

根據月統計結果，7月份侵蝕性降雨發生頻率和侵蝕性降雨總量都為最高:侵蝕性降雨事件共12次，占月降雨總次數的92.3%;侵蝕性降雨總量為765.0 mm，占月降雨總量的98.6%。根據年統計結果，2015年4—10月份共發生侵蝕性降雨事件17次，2016年4—10月份侵蝕性降雨事件發生頻率最高，共發生26次，2017年4—10月份共發生侵蝕性降雨事件21次。

3.2 侵蝕性降雨的k-均值聚類

為分析不同降雨條件下各類植物措施的水土保持效應，對2015—2017年4—10月份共64場侵蝕性降雨進行分類。本文采用k-均值聚類法進行分類。k-均值聚類法是一種迭代型聚類算法，采用距離作為相似性指標，從而發現給定數據集中的k個類，且每個類的中心是根據類中所有值的均值得到，每個類用聚類中心來描述[21-23]。64場侵蝕性降雨的k-均值聚類結果見表1。

表1 橋頭小流域侵蝕性降雨k-均值聚類結果

根據k-均值聚類結果，侵蝕性降雨分為5類:Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型、Ⅴ型。Ⅰ型降雨量中心值為286.0 mm，為大雨量，Ⅳ型、Ⅴ型降雨量中心值分別為148.8 mm，76.0 mm，為中雨量，Ⅱ型、Ⅲ型降雨量中心值分別為46.9 mm，26.5 mm，為小雨量。Ⅱ型I30中心值為52.07 mm/h，為大雨強，Ⅰ型、Ⅳ型I30中心值分別為36.25 mm/h，27.37 mm/h為中雨強，Ⅲ型、Ⅴ型I30中心值分別為16.90 mm/h，22.39 mm/h，為小雨強。5種降雨類型中，Ⅲ型發生頻率最高，所占比例為64.6%,Ⅰ型發生頻率最低，所占比例為1.5%,5種類型降雨的發生頻率由高到低依次為:Ⅲ型(小雨量、小雨強)>Ⅴ型(中雨量、小雨強)>Ⅱ型(小雨量、大雨強)>Ⅳ型(中雨量、中雨強)>Ⅰ型(大雨量、中雨強)。

3.3 不同降雨類型下的水土保持效應分析

通過計算不同植被措施在不同降雨類型下的減沙率、減流率，分析植被措施的減沙、減流效應。減沙率、減流率分別為不同植被措施下的徑流小區(1，3，4，5號)相對于對照小區(2號)的泥沙減少量、徑流減少量占對照小區產沙量、產流量的百分比。

3.3.1 降雨侵蝕力分析 不同降雨條件下的平均降雨侵蝕力分析結果表明，Ⅰ型降雨侵蝕力最大，為2 179.7(MJ·mm)/(hm2·h),Ⅳ型降雨侵蝕力次之，為1 211.1(MJ·mm)/(hm2·h),Ⅱ型降雨侵蝕力692.6(MJ·mm)/(hm2·h),Ⅴ型降雨侵蝕力為379.4(MJ·mm)/(hm2·h),Ⅲ型降雨侵蝕力為102.3(MJ·mm)/(hm2·h)。由此可知，5種不同的降雨條件下，降雨強度和降雨量均較大的Ⅰ型、Ⅳ型降雨侵蝕力相比其他類型降雨均較高，Ⅰ型降雨特征為大雨量中雨強，其降雨侵蝕力最大，發生頻率最高的Ⅲ型降雨特征為小雨量小雨強，其降雨侵蝕力最小。

3.3.2 減沙效應分析 不同植被措施在不同降雨類型下的減沙率計算結果見圖5。

由圖5可知，1號小區在Ⅳ型(中雨量、中雨強)降雨條件下的減沙率最高，為76.72%，在Ⅰ型(大雨量、中雨強)降雨條件下的減沙率最小，在Ⅱ型(小雨量、大雨強)、Ⅲ型(小雨量、小雨強)、Ⅴ型(中雨量、小雨強)的同等降雨條件下，相比其他植被措施減沙率都是最高的，減沙率分別為66.63%，73.90%，54.25%。3號小區Ⅰ型降雨條件下的減沙率最高，為32.97%，在Ⅴ型降雨條件下的減沙率最小，在Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型降雨條件下減沙率僅次于林地措施。4號、5號小區減沙率差異不大，在Ⅰ型、Ⅳ型降雨條件下4號小區>5號小區，在Ⅱ型、Ⅲ型降雨條件下5號小區>4號小區，在Ⅴ型降雨條件下減沙率相同。

圖5 不同降雨類型下的減沙率

因此，林地措施在Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型、Ⅴ型降雨條件下，減沙率都是最好的，減沙效果最為顯著;玉米地在大雨量、中雨強的降雨條件下減沙率最好;花生地和油菜地減沙率相當，在大雨量、中雨強的降雨條件下優于林地，次于玉米地，在中雨量、小雨強的降雨條件下優于玉米地而次于林地。

3.3.3 減流效應分析 不同植被措施在不同降雨類型下的減流率計算結果見圖6。

根據圖6可以看出，4號小區在Ⅱ型(小雨量、大雨強)、Ⅲ型(小雨量、小雨強)、Ⅴ型(中雨量、小雨強)降雨條件下的減流率相比其他措施小區較高，分別為71.61%，57.48%，36.87%，在Ⅳ型(中雨量、中雨強)降雨條件下減流率最低，5號小區在Ⅰ型(大雨量、中雨強)降雨條件下的減流率比其他措施小區較高，分別為54.02%,3號小區在Ⅳ型(中雨量、中雨強)降雨條件下減流率最高，在Ⅰ型、Ⅴ型降雨條件下減流率最小。1號小區在Ⅲ型降雨條件下減流率最高，僅次于4號小區，在Ⅳ型降雨條件下減流率最低，同時也是所有植被措施中最低的，在所有降雨條件下，減流率都低于4號小區。

圖6 不同降雨類型下的減流率

綜上，花生地在小雨量、大雨強，小雨量、小雨強及中雨量、小雨強3種類型的降雨條件下減流率最高，油菜地適合大雨量、中雨強，玉米地在中雨量、中雨強的降雨條件下減流率最佳。

4 結 論

(1) 降水主要集中在4—10月份，7月份侵蝕性降雨發生頻率和侵蝕性降雨總量均最高:侵蝕性降雨事件共12次，占月降雨總次數的92.3%;侵蝕性降雨總量為765.0 mm，占月降雨總量的98.6%。

(2) 侵蝕性降雨分為5類，發生頻率由高到低依次為:Ⅲ型(小雨量、小雨強)、Ⅴ型(中雨量、小雨強)、Ⅱ型(小雨量、大雨強)、Ⅳ型(中雨量、中雨強)、Ⅰ型(大雨量、中雨強)。

(3) 發生頻率最低的Ⅰ型降雨侵蝕力最大，為2 179.7(MJ·mm)/(hm2·h)，降雨特征為大雨量、中雨強，Ⅳ型降雨侵蝕力次之。發生頻率最高的Ⅲ型降雨侵蝕力最小，為102.3(MJ·mm)/(hm2·h)，降雨特征為小雨量、小雨強。

(4) 就減沙率而言:林地措施在Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型、Ⅴ型降雨條件下，減沙率均為最好，玉米地在Ⅰ型(大雨量、中雨強)的降雨條件下減沙效果最佳。就減流率而言:花生地在Ⅱ型(小雨量、大雨強)、Ⅲ型(小雨量、小雨強)及Ⅴ型(中雨量、小雨強)3種類型的降雨條件下減流率最高，油菜地在Ⅰ型(大雨量、中雨強)降雨條件下減流率最高，玉米地在Ⅳ型(中雨量、中雨強)的降雨條件下減流率最佳。

綜上可知，南京市低山丘陵區水土流失受侵蝕性降雨影響明顯，發生頻率最高的是Ⅲ型(小雨量、小雨強)，其降雨侵蝕力為最小，發生頻率最低的是Ⅰ型(大雨量、中雨強)，其降雨侵蝕力為最大。

不同農耕措施的減沙作用不同:林地措施在Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型、Ⅴ型降雨條件下，減沙率均最好，玉米地在Ⅰ型降雨條件下減沙效果最佳。不同農耕措施的減流作用不同:花生地在Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅴ型的降雨條件下減流率最高，油菜地在Ⅰ型降雨條件下減流率最高，玉米地在Ⅳ型降雨條件下減流率最佳。因此，若考慮低山丘陵區以Ⅲ型為主的降雨特征，則以種植喬木為主的林地和花生地為主的農耕地的減流減沙效益最佳。

不同農耕措施在不同降雨類型下的水土保持效益不同，但水土流失同時還受土壤特性、地形、人為等多種因素的影響，因此，分析綜合因素影響下不同農耕措施的水土流失效益是下一步研究方向。