遼西水土保持工程措施與植物措施防控效應分析

穆智育

(綏中縣水利事務服務中心，遼寧 綏中 125200)

水土流失作為土壤侵蝕的重要形式，一般會造成水環境破壞、面源污染、耕地毀壞以及土地退化等一系列問題，水保措施對有效防控面源污染及減沙截流等發揮著重要作用。遼西低山丘陵區屬于我國水土流失重點治理區，經過多年治理，遼西生態環境有了明顯改善，荒山荒坡逐漸變成水保林、經果林，坡耕地成為高校節水的梯田，老果園變成了果樹臺田，明顯減少了河道泥沙淤積情況，水土保持成效顯著[1-2]。低山丘陵區水環境、水文受水保措施的影響較大，為了探討適用于遼西棕壤坡面的水保措施，文章結合常年觀測的坡面徑流小區試驗數據，研究了水保工程措施與植物措施的減污、保土、蓄水效應，旨在為遼西棕壤區面源污染與水土流失防控提供一定支持。

1 小流域概況

文章以遼寧省綏中縣大獐小流域為例，通過定位觀測試驗定量分析水保工程措施與植物措施的防控效果。大獐小流域地處E120°5′17″～120°11′50″、N40°19′51″～40°24′57″之間，總面積25.18km2，其中水土流失21.40km2，海撥高程285m～45m，屬低植被土石質丘陵中度侵蝕區。經現場踏勘，地形總體較平坦，林地面積較少，大部分為疏林地和坡耕地，荒山以土石質山為主，適宜進行整地、造林。

大獐小流域位于半干旱、半濕潤大陸性季風氣候區，年均降水量620.8mm，年均徑流深221mm，降水量年內分配不均勻，年季間變化大，多集中于7～9月。流域內土壤類型以棕壤為主，植被以人工林為主，樹種主要有刺槐、榆樹、楊樹、紫穗槐、荊條等，水保林以刺槐為主，林木成材率較低，草種主要有披堿草、燕麥草、蒲公英、沙打旺等，林草覆蓋率44.76%，在遼西地區其水保措施和土壤類型具有較強的代表性。

2 研究方法

2.1徑流小區設計

依據試驗目的，在坡度較均一、土壤理化特性較一致且土層厚度均勻的同一坡面上設置5個標準徑流小區。徑流小區坡度25°，水平投影面積20m×5m(即100m2)。圍埂設置于小區周邊，圍埂埋深45cm，高出地表30cm，圍埂的主要作用是阻斷內、外徑流交換。將深20cm×寬30cm×長5m的橫向矩形集水槽修筑于小區下方，并利用PVC管把小區徑流及泥沙引入槽內。充分考慮可能發生的最大徑流量和暴雨量，將徑流池設計成1#(1.0m×1.0m×1.0m)、2#(0.8m×1.0m×1.0m)、3#(0.8m×1.0m×1.0m)三個池子，徑流池及其內壁正面安設五分法V型三角分流堰和搪瓷水位尺，自記雨量計安裝于小區附近，以此獲取實時降雨量數據，并按照《水土保持試驗規程》推薦的方法完成徑流觀測和管理。

大獐小流域棕壤坡面現有水保植物措施中地被覆蓋植物以胡枝子、鐵茫萁為主，喬木主要為馬尾松。為最大限度地維持棕壤坡面的原始性，在設計處理徑流小區時應以原有坡面為基礎，結合實際情況適當調整。水平竹節溝是水土流失生態防護型治理最典型的水保工程措施，主要通過每隔一定距離沿山坡等高線修建的蓄水截流溝攔沙蓄水，按照等間隔在溝內設置橫土垱阻斷水流，其形似竹節；梯壁草、果樹梯田、前埂后溝是水土流失高效開發型治理最典型的經果林水保措施。文章結合當地農業工作方式和借鑒南方“前埂后溝 + 梯壁植草 + 反坡梯田” 坡面工程優化配置技術及以上常用措施設計5種處理措施，如表1所示。

表1 標準徑流小區的水保措施

2.2 數據測定方法

以2018-2020年為觀測期，各項數據測定方法如下：選用自記雨量計測定降雨量，人工觀測泥沙量和徑流量，利用試驗站事先率定好的公式對徑流池中水位尺的讀數進行處理，以確定徑流量；采集過、濾烘干次降雨形成的水樣，并結合徑流量監測數據，計算確定含沙量和侵蝕泥沙量；采集次降雨過后的水樣、泥沙樣并測定氮和磷含量，利用鉬酸銨分光和堿性過硫酸鉀消解紫外分光等光度法測定水樣中的總氮、總磷，利用鉬銻抗比色法、硫酸-高氯酸消化擴散吸收法測定泥沙樣中的全氮、全磷含量。

3 結果與分析

3.1 降水特征

大獐小流域2019-2021年降水量較豐富，年均降水量632.8mm，降水量年內分配不均，主要集中于6-9月，其它時段降水量相對較小。通過分析2019-2021年55場次侵蝕性降雨的產流產沙特征發現，各徑流小區的降雨量與產流產沙量存在一定密切聯系，產流產沙量隨降雨量的增加而增大，并且產流量、產沙量的變化規律基本一致。

圖1 2019～2021年降水量分布特征

3.2 減沙保土效益

采用成因分析法(水保法)對比計算空白對照小區A與水保措施小區B、C、D、E的徑流量，以此確定減流蓄水效應，如表2所示。

表2 2019～2021年各徑流小區的徑流量特征

從表2可以看出，C小區的年均徑流量最低為8.24m3，為空白對照小區(徑流量最大)的17.9%，此外B、E徑流小區的減流蓄水效應也比較顯著，B、C、D、E、F徑流小區的減流率依次為67.33%、82.13%、34.66%、76.68%。究其原因，B、C、E徑流小區采取果樹梯田或水平竹節溝等工程措施，通過改變下墊面條件、分段攔蓄徑流、截短坡長和調整微地形等方式，降低了徑流水動力，匯流方式也發生相應的改變，并且植物措施可以增大地表覆蓋和土壤入滲，水保措施的實施有效降低了小區產流量。

3.3 減流蓄水效應

文章利用水保法對比計算空白對照小區與實施水保措施小區的產沙量，以此確定減沙率特征指標，用以反映各水保措施的減沙保土效應，如表3所示。

表3 2019～2021年各徑流小區的產沙量特征

從表3可以看出，C、E小區的侵蝕模數較低依次為412(t/km2·a-1)和450(t/km2·a-1)，為空白對照小區(侵蝕模數最大)的18.6%和20.3%，達到微度侵蝕強度；A、D小區的侵蝕模數較高依次為2216(t/km2·a-1)和1620(t/km2·a-1)，達到輕度侵蝕強度；B、C、E徑流小區相比于A小區具有明顯的減沙效果，減沙率依次為75.77%、81.41%、79.69%，D小區的減沙率只有26.90%，減沙效果不明顯。與荒地相比，在棕壤坡度種植經濟林既能夠獲得一定經濟效益，還可以有效整治水土流失，但若未配套水平節水溝等工程措施，建設初期地表原生植被會受到破壞，土壤顆粒被雨滴濺起引發水土流失，因此必須綜合利用工程措施與植物措施。

3.4 污染防控效應

1)徑流攜帶氮磷污染防控效應。以空白對照A小區為例，通過計算分析自然降雨后的各小區徑流水樣，探討不同水保措施防控徑流攜帶氮、磷等污染物的效應，如表4所示。

表4 2019～2021年各徑流小區的總氮、總磷徑流輸出特征

從表4可以看出，2019～2021年各徑流小區的總氮輸出量為7.92～367.41g，總磷輸出量為0.63～29.61g，總氮輸出量遠遠高于總磷輸出量。C小區的年均總氮、總磷輸出量均最小為2.64g和0.21g，為空白對照小區(輸出量最大)的2.16%和2.13%，并且B、E徑流小區也具有明顯的氮、磷等污染物攔截效應。B、C、D、E徑流小區的總氮攔截率依次為90.81%、97.84%、63.16%、96.49%，其總磷攔截率依次為89.46%、97.87%、67.06%、97.57%。究其原因，工程措施和植物措施具有較好的地表徑流攔截作用，植物可以在一定程度上吸收營養物質，所以對徑流輸出溶解態面源污染物各水保措施小區的防控效果顯著。

2)泥沙攜帶氮磷污染防控效應。以空白對照A小區為例，通過計算分析自然降雨后的各小區徑流水樣，探討不同水保措施防控泥沙攜帶氮、磷等污染物的效應，如表5所示。

表5 2019～2021年各徑流小區的總氮、總磷泥沙輸出特征

從表5可以看出，2019～2021年各徑流小區的全氮年均輸出量為14.75～40.25g，全磷年均輸出量為5.81～1526.72g。C小區的年均全氮、全磷輸出量均最小為14.75g和5.81g，為空白對照小區(輸出量最大)的36.6%和0.4%，除D徑流小區外其它小區的全氮攔截率相差不大。此外，各水保措施均具有明顯的全磷隨泥沙輸出的攔截效果。B、C、D、E徑流小區的全氮攔截率依次為50.78%、63.35%、17.02%、58.58%，其全磷攔截率依次為99.31%、99.62%、98.02%、99.42%。究其原因，工程措施和植物措施具有較好的減沙保土作用，能夠有效防控吸附態面源污染物隨泥沙的輸出。

4 結 論

文章通過定位觀測和試驗分析遼西棕壤坡地徑流小區，探討了水平竹節溝、喬灌草等工程措施和植物措施的面源污染及水土流失防控作用。對于標準徑流小區，工程措施+水保林的減沙率約為75.77 %、減流率約為67.33%，總體次于工程措施+經果林的減沙率(79.69%～81.41%)和減流率(76.18%～82.13%)，但由于植物籬+經濟林。植物籬+經濟林、工程措施+經果林、工程措施+水保林總氮(吸附態和溶解態)年均輸出量相對于荒草地的攔截率均達到60%以上，總磷(吸附態和溶解態)年均輸出量相對于荒草地的攔截率均達到98%以上。因此，各項水保措施對于防控遼西棕壤坡地水土流失和面源污染以及優化水環境等具有顯著作用。