密云水庫周邊板栗林下不同水土保持措施效益評價

楊潤澤, 肖輝杰, 馮天驕, 王奮忠, 趙澤坤, 郭子萱, 王世雷, 朱俊英, 李世豐

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室, 北京 100083; 2.北京市密云區(qū)水土保持工作站, 北京 101500)

北京市密云區(qū)石匣小流域?qū)儆诰┙嫉貐^(qū)，隸屬燕山山脈、潮白河流域，位于密云水庫東北方向，是華北地區(qū)重要的生態(tài)屏障[1]。密云石匣小流域具備板栗(CastaneamollissimaBl.)生長的地域條件，板栗作為當(dāng)?shù)鼐用裰匾慕?jīng)濟來源之一，被大面積種植[2]。作為石匣小流域的主要經(jīng)濟作物之一，受經(jīng)濟效益驅(qū)使，當(dāng)?shù)匾研纬闪舜笠?guī)模的板栗林，伴隨的還有當(dāng)?shù)剌^為嚴(yán)重的土壤侵蝕問題[3]。然而，當(dāng)?shù)匕謇趿值慕?jīng)營管理屬于粗放型，居民為方便撿拾板栗而將板栗樹周圍植被破壞，造成地表裸露。除此之外，為了板栗樹根系的擴散而翻動根系周圍土壤，造成土壤松動。長期不合理的耕作習(xí)慣造成了當(dāng)?shù)貒?yán)重的土壤侵蝕問題，使得土地生產(chǎn)力下降，進(jìn)而影響了當(dāng)?shù)匕謇趿值馁|(zhì)量，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重的阻礙。除此之外，當(dāng)?shù)赜写罅堪謇趿址N植于陡坡，在強降雨發(fā)生后會產(chǎn)生大量的徑流與泥沙，大量污染物隨其匯入密云水庫，造成庫區(qū)內(nèi)水質(zhì)下降，給北京市飲用水安全問題造成了嚴(yán)重的威脅[4]。

板栗林下土壤侵蝕問題引起了當(dāng)?shù)卣母叨戎匾暎“l(fā)了《25度以上以裸露坡地為重點的水土保持綜合治理方案》，且針對板栗林下土壤侵蝕也進(jìn)行了相關(guān)防治措施的研究與探索。板栗林多種植于陡坡，有研究表明，5°以上的板栗林地土壤侵蝕問題較為嚴(yán)重，且認(rèn)為25°以上的板栗林地應(yīng)當(dāng)逐步退出板栗種植。為減輕板栗林的土壤侵蝕問題，石匣小流域當(dāng)?shù)刂饕扇〉拇胧┯兄脖淮胧┡c工程措施，植被措施主要采用適合于當(dāng)?shù)厣L且占用養(yǎng)分較低的植被種類，工程措施包括當(dāng)?shù)爻Ｒ娗页杀据^低的魚鱗坑、水平條等措施[5]。本文通過對比分析不同水土保持措施對當(dāng)?shù)匕謇趿值乃帘３肿饔茫Y選出水土保持效益最佳且最適用于當(dāng)?shù)匕謇趿值乃帘３执胧?/p>

1 研究區(qū)概況

本試驗研究區(qū)位于北京市密云區(qū)石匣小流域(43°32′—43°38′N,117°01′—117°07′E)，地處于密云水庫東北方向。該流域隸屬于燕山山脈，面積約33 km2，海拔150～390 m，位于山前沖積平原向山區(qū)的過渡地帶。研究區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)氣候。年平均氣溫8～10℃,7月最高氣溫25.3℃,1月最低氣溫6.6℃。年平均降水量約為662 mm，其中生長季(6—9月)占77%。研究區(qū)日照充足，無霜期173 d，年太陽總輻射322.91 J/cm2，積溫4 073.9℃，有利于間作農(nóng)業(yè)的經(jīng)營。該流域局部土壤為棕壤，其土壤質(zhì)地輕、土層深、土質(zhì)致密、耕作層淺，植被類型以雜草、灌叢為主，覆蓋度為80%。丘陵地帶存在的植被多為人工的板栗(CastaneamollissimaBl.)、刺槐(RobinapseudoacaciaLinn.)、油松(Pinustabulae-formisCarr.)及其他種類經(jīng)濟林等。土地利用方式主要為林地、坡耕地、草地和裸地。該地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)高于土壤自然形成速度，土壤侵蝕問題嚴(yán)重。在這種情況下，由于不合理的土地利用方式與夏季強降雨的頻繁發(fā)生，加劇了當(dāng)?shù)赝寥狼治g的發(fā)生。研究區(qū)土壤侵蝕面積為32.22 km2，共占研究區(qū)總面積的97.7%，土壤侵蝕模數(shù)為2 500 t/(km2·a)。

2 材料與方法

2.1 徑流小區(qū)概況

本研究采用的徑流小區(qū)布設(shè)于石匣小流域板栗林下，以因地制宜為準(zhǔn)則，共布設(shè)3 m×3 m，3 m×6 m兩種規(guī)格徑流小區(qū)共13個(表1)，對不同徑流小區(qū)布設(shè)不同的水土保持措施。其中植被措施主要選用當(dāng)?shù)爻Ｒ姟⒕哂幸欢ㄋ帘３中б媲页杀镜土闹参铮ň戆亍睸elaginellatamariscina(P. Beauv.) Spring〕、馬齒莧(PortulacaoleraceaLinn.)及自然植被。工程措施主要包括水平條、椰絲毯、魚鱗坑，于2021年8月份共觀測當(dāng)?shù)?0場侵蝕性降雨事件下各小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況。

表1 徑流小區(qū)概況

2.2 數(shù)據(jù)采集方法

通過虹吸式雨量計和雨量桶收集降雨相關(guān)數(shù)據(jù)，包括降雨量(mm)、平均降雨強度(mm/h)、降雨持續(xù)時間(min)、30 min內(nèi)最大降雨強度I30(mm/h)和60 min內(nèi)最大降雨強度I60(mm/h)。每次侵蝕性降雨事件發(fā)生后測量桶內(nèi)徑流深度(mm)，結(jié)合徑流桶底面積與小區(qū)面積計算出單位面積徑流量(m3/km2)；泥沙量的測定需要對每個小區(qū)進(jìn)行3次取樣，采樣前將桶內(nèi)泥水混合物混合均勻，然后轉(zhuǎn)移至實驗室燒杯中沉淀并過濾，再將沉淀物放入電熱恒溫箱中，在105℃下干燥至恒重；稱重后得到沉淀物質(zhì)量，結(jié)合小區(qū)面積計算出3個泥沙樣本的平均值即單位面積泥沙量(t/km2)。每次測量后需將徑流桶清空，以承接下次降雨產(chǎn)生的徑流與泥沙。土壤含水率用TDR法在上中下坡位各測一值，取平均值。

2.3 坡度標(biāo)準(zhǔn)化方法

試驗區(qū)內(nèi)各個徑流小區(qū)處于不同的坡度下，由于坡度是影響土壤侵蝕重要因素，因此我們需要將不同坡度小區(qū)校正到同一坡度下以消除坡度帶來的試驗誤差，使得試驗盡量能在同一條件下進(jìn)行。我們選擇16.5°作為標(biāo)準(zhǔn)坡度，并將其他坡度地塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16.5°進(jìn)行比較，從而有效消除了坡度對土壤侵蝕的影響。結(jié)合以往對坡度標(biāo)準(zhǔn)化和對當(dāng)?shù)氐匦翁卣鞯难芯浚驹囼灢捎昧酥皩W(xué)者研究出的坡度標(biāo)準(zhǔn)化公式[6]：

(1)

Ai′=Ai/Si×S16.5

(2)

式中:S為坡度因子;θ為坡度(°)；Ai′為第i小區(qū)校正到16.5°坡度上的侵蝕量(m3/km2);Ai為第i小區(qū)的侵蝕量(t/km2);S16.5為16.5°坡度的坡度因子;Si為第i小區(qū)的坡度因子。

3 結(jié)果與分析

3.1 樣本降雨事件特征

降雨是土壤侵蝕發(fā)生的直接動力，本研究根據(jù)密云當(dāng)?shù)貧庀笳镜慕涤晗嚓P(guān)數(shù)據(jù)，選取2021年8月份的10次降雨作為樣本降雨事件(表2)。10次降雨事件的降雨總量為189.90 mm，次降雨量的變化范圍為0.2～41.3 mm，平均單次降雨量為18.99 mm；平均雨強、平均降雨歷時、平均I30、平均I60分別為3.25 mm/h，357 min，17.53 mm/h，11.35 mm/h。本研究選取的10場降雨，降雨類型豐富，雨量充足，具有很好的觀測價值，在該條件下進(jìn)行不同水保措施的土壤侵蝕觀測也具有重要的參考價值。

表2 樣本降雨事件特征

3.2 不同植被措施下產(chǎn)流產(chǎn)沙量的對比(未布設(shè)工程措施)

在僅種植植被而無工程措施布設(shè)的條件下，對各種植被措施的產(chǎn)流產(chǎn)沙量進(jìn)行對比。如圖1所示，卷柏、馬齒莧以及當(dāng)?shù)刈匀恢脖痪哂休^好的水土保持效益。其中卷柏、馬齒莧、自然坡面的平均單位面積徑流量分別為598.21，650.88，637.08 m3/km2，徑流系數(shù)分別為0.30，0.33，0.35。在減輕地表徑流作用方面，卷柏、馬齒莧、自然坡面的減流率依次為61.36%，57.96%，58.85%。卷柏、馬齒莧、自然坡面的平均單位面積泥沙量為71.87，82.64，80.31 t/km2，侵蝕濃度分別為0.105，0.109，0.103 kg/L。在減輕泥沙量作用方面，卷柏、馬齒莧、自然坡面的減沙率依次為85.61%，83.57%，83.92%。可以看出，在僅布設(shè)植被措施的情況下，當(dāng)?shù)販p輕地表徑流及泥沙運移作用最大的植被類型為卷柏，其次為自然坡面。

圖1 不同植被措施產(chǎn)流產(chǎn)沙量的對比

3.3 不同植被措施下產(chǎn)流產(chǎn)沙量的對比(布設(shè)工程措施)

3.3.1 工程措施相同、植被措施不同 在布設(shè)工程措施的條件下，對工程措施相同、植被措施不同徑流小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量進(jìn)行對比，可以看出，本研究所栽種的卷柏、馬齒莧兩種植被措施以及生長當(dāng)?shù)靥烊恢脖坏淖匀黄旅婢哂幸欢ㄋ帘３中б妗Ｓ蓤D2可以看出，采取不同植被措施的徑流小區(qū)單位面積徑流量、徑流系數(shù)、徑流深度均不同，不同植被措施下這3種指標(biāo)由大到小排序依次為：裸地、卷柏、馬齒莧、自然坡面。其中自然坡面、馬齒莧、卷柏的單位面積徑流量分別為351.57，411.03，480.74 m3/km2，減流率分別為66.93%，61.34%，54.84%。可以看出，生長天然植被的自然坡面減流效果最好，其次為馬齒莧措施。

圖2 不同植被措施產(chǎn)流產(chǎn)沙量的對比(含工程措施)

卷柏、馬齒莧及自然坡面措施均具有一定的減沙效益。卷柏、馬齒莧與自然坡面的單位面積泥沙量依次為66.45，55.47，46.95 t/km2，減沙率分別為80.30%，83.55%，86.08%。另外從侵蝕濃度角度分析，卷柏、馬齒莧、自然坡面的侵蝕濃度依次為0.12，0.08，0.07 kg/L。可以看出，減沙效果最好的植被措施為自然坡面措施。

3.3.2 植被措施相同、工程措施不同 在布設(shè)工程措施的條件下，對工程措施相同、植被措施不同徑流小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量進(jìn)行對比，可以看出，本研究所采用的水平條、椰絲毯和魚鱗坑均具有一定水土保持效益。不同種類工程措施參與的徑流小區(qū)在樣本降雨時間下所產(chǎn)生的徑流量、泥沙量均不同，即不同水土保持工程措施的水土保持效益不同。由圖3可以看出，在減輕地表徑流的作用大小方面3種工程措施的排序依次為：魚鱗坑、水平條、椰絲毯。不同工程措施單位面積徑流量、徑流系數(shù)、徑流深度的排序一致。魚鱗坑、水平條、椰絲毯在樣本降雨時間下產(chǎn)生的單次降雨平均單位徑流量依次為23.20，459.84，482.51 m3/km2；此3種措施參與的徑流小區(qū)相對于無工程措施布設(shè)的小區(qū)其減流率分別達(dá)到97.69%，53.92%，51.61%，在減少徑流量方面效果最好的是魚鱗坑措施，其次為水平條措施。

圖3 不同工程措施產(chǎn)流產(chǎn)沙量的對比

從減沙效果來看，不同工程措施的減沙效益不同。水平條、椰絲毯、魚鱗坑3種措施在樣本降雨下的單位面積泥沙量依次為66.56，67.30，3.21 t/km2，減沙率依次為72.94%，72.64%，98.70%。除此之外，不同工程措施次降雨平均侵蝕濃度最小的為魚鱗坑，為0.02 kg/L。

3.4 不同水土保持措施配置模式下產(chǎn)流產(chǎn)沙量的對比分析

從不同工程措施與不同植被措施組合而成的水土保持措施配置模式角度來看，本研究所采用的水保措施配置模式均具有一定的水土保持效益。不同水保措施配置模式的減流減沙效果有所差異。除裸地外，本研究共有12種水土保持措施配置模式。如圖4所示，在10次樣本降雨事件下產(chǎn)流9次的配置模式有卷柏、馬齒莧、裸地、自然坡面；產(chǎn)流8次的包括卷柏+水平條、卷柏+椰絲毯、馬齒莧+水平條、馬齒莧+椰絲毯、自然坡面+水平條、自然坡面+椰絲毯；產(chǎn)流5次的有魚鱗坑；除此之外，馬齒莧+魚鱗坑、自然坡面+魚鱗坑兩種水保措施配置模式布設(shè)的徑流小區(qū)無產(chǎn)流產(chǎn)沙。

如圖4所示，從水土保持效益對比，卷柏+水平條、卷柏、卷柏+椰絲毯、馬齒莧+水平條、馬齒莧、馬齒莧+椰絲毯、馬齒莧+魚鱗坑、魚鱗坑、自然坡面+水平條、自然坡面、自然坡面+椰絲毯、自然坡面+魚鱗坑的單位面積徑流量依次為413.85，598.21，430.16，497.88，650.88，495.37，0，92.80，509.16，637.08，453.98，0 m3/km2，減流率依次為73.27%，61.36%，72.21%，67.84%，57.95%，68.00%，100%，94.01%，67.11%，58.84%，70.67%，100%；該12種配置模式的單位面積泥沙量依次為61.34，71.87，66.16 t/km2，70.62，82.64，68.62，0，12.82，67.13，80.31，67.12，0 t/km2，減沙率依次為87.73%，85.63%，86.77%，85.88%，83.47%，86.28%，100%，97.44%，86.57%，83.94%，86.58%，100%。

圖4 不同工程措施產(chǎn)流產(chǎn)沙量的對比

可見，本研究所采用的水土保持措施配置模式均具有較好的水土保持效益，其中較為突出的有馬齒莧+魚鱗坑、自然坡面+魚鱗坑等配置模式，其次為單獨布設(shè)的魚鱗坑措施。值得注意的是，魚鱗坑措施參與的配置模式均表現(xiàn)出了較好的水土保持效果。

3.5 不同水土保持措施配置模式下產(chǎn)流產(chǎn)沙量對不同降雨強度的響應(yīng)

為探究降雨等其他因子對土壤侵蝕相關(guān)因子的影響，對降雨量、雨強等降雨相關(guān)因子與產(chǎn)流產(chǎn)沙量等土壤侵蝕因子及土壤含水率進(jìn)行相關(guān)分析。由表3可知，產(chǎn)流產(chǎn)沙量與所有降雨相關(guān)因子均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。其中徑流量與降雨量、降雨歷時、I30、I60、土壤含水率的相關(guān)系數(shù)分別為0.533，0.455，0.435，0.436，0.827。可以看出，對徑流量影響最大的降雨相關(guān)因子為降雨量。泥沙量與降雨量、降雨歷時、I30、I60、土壤含水率的相關(guān)系數(shù)分別為0.557，0.419，0.425，0.432，0.812。可以看出，對泥沙量影響最大的降雨相關(guān)因子同樣為降雨量。值得注意的有，土壤含水率與除降雨歷時、侵蝕濃度因子外其他所有因子均呈相關(guān)系數(shù)高于0.6的極顯著正相關(guān)關(guān)系，其中與降雨量、徑流量的相關(guān)系數(shù)分別為0.804，0.827。

表3 降雨因子、土壤侵蝕因子、其他因子之間的相關(guān)性

4 討 論

4.1 水土保持措施對板栗林下土壤侵蝕的影響

受經(jīng)濟利益驅(qū)動，板栗林被廣泛種植于山區(qū)丘陵地帶，且較多板栗林栽種于坡度較大的陡坡。板栗林是密云區(qū)的主要經(jīng)濟樹種之一，在當(dāng)?shù)乇淮罅糠N植，然而由于當(dāng)?shù)鼐用耖L期不合理的耕作習(xí)慣，造成了板栗林下植被的嚴(yán)重破壞，大量地表裸露。與此同時，部分居民為促進(jìn)板栗根系擴散而頻繁對板栗林下土壤進(jìn)行疏松，這些行為破壞了林下土壤的性質(zhì)，降低了土地生產(chǎn)力，也加劇了板栗林下的土壤侵蝕問題。除此之外，陡峭的坡面也加劇了土壤侵蝕的發(fā)生。

目前，板栗林下常用的水土保持工程措施包括水平條、樹盤、蓄水池等，其主要通過攔蓄降水、促進(jìn)降水入滲、減輕徑流對坡面的沖刷而減輕林下土壤侵蝕[7]。除此之外，魚鱗坑、賓格網(wǎng)、石籠措施亦可減輕徑流與泥沙對坡地的沖刷[8-10]。然而，工程措施由于僅起到攔擋水土等外力作用，未必能具有最大限度的水土保持效益，因此還需要配合以植被措施對土壤進(jìn)行改良，以達(dá)到水土保持效益的最大化。研究表明，植被覆蓋可以降低雨滴擊濺的動能，并且可以減緩地表徑流的流速，進(jìn)而減輕土壤侵蝕[11]。因此，對于板栗林下土壤侵蝕的防治應(yīng)當(dāng)提高植被覆蓋率。研究表明，卷柏、馬齒莧可有效降低地表徑流量與泥沙量[12-13]。取得這些結(jié)果的原因是植被的冠層部分對降雨進(jìn)行了截留，降低了雨滴擊濺對土壤結(jié)構(gòu)的破壞。且植被地上部分對徑流與泥沙有一定攔截作用。除此之外，植被的根系增加了土壤團聚體的穩(wěn)定性，改善了土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高了土壤的滲透性與抗蝕性。本研究的結(jié)果表明，石籠、魚鱗坑、卷柏、馬齒莧及自然植被等措施均有一定水土保持效益，且馬齒莧+魚鱗坑、自然坡面+魚鱗坑兩種配置模式可將其水土保持效益最大化。對于板栗林下土壤侵蝕的防治問題，除了需要考慮水保措施的防治效果外，還需要平衡生態(tài)防護(hù)與居民增收之間的關(guān)系，在選取工程措施及植被措施時，應(yīng)盡可能節(jié)約成本。未來應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步提高當(dāng)?shù)鼐用竦纳鷳B(tài)保護(hù)觀念，普及水土保持相關(guān)知識。同時應(yīng)當(dāng)加大對當(dāng)?shù)厮帘３执胧┓乐涡б娴难芯浚院Y選出最合適于當(dāng)?shù)氐乃帘３执胧┡渲媚Ｊ健?/p>

4.2 降雨因子對板栗林下土壤侵蝕的影響

土壤侵蝕是指在降雨產(chǎn)生的地表徑流的沖刷下，造成土壤顆粒被剝離，泥沙運移與沉積的過程[14]。板栗林下土壤侵蝕過程十分復(fù)雜，影響因素較多，主要包括降雨相關(guān)因子與下墊面因子，其中降雨因子主要包括降雨量、雨強等因素，下墊面主要包括地表植被、土壤理化性質(zhì)等因素[15]。根據(jù)之前的研究表明，對土壤侵蝕因子影響最大的降雨因子為降雨侵蝕力因子，即降雨動能E與I30的乘積EI30。而本研究結(jié)果表明，影響產(chǎn)流產(chǎn)沙量最大的降雨因子為降雨量，這種結(jié)果可能是板栗林下土壤侵蝕特殊的過程與機理導(dǎo)致的，因此未來需要加大對板栗林下土壤侵蝕過程與機理的研究。除此之外，有研究表明，未來強降雨發(fā)生的頻率有增加的可能性[11]。未來需要對強降雨可能造成的土壤侵蝕加以警惕，同時對強降雨條件下水土保持效益較好的防治措施進(jìn)行篩選與推廣。

5 結(jié) 論

(1) 在僅布設(shè)植被措施的條件下，卷柏、馬齒莧以及生長天然植被的自然坡面均具有較好的水土保持效益。卷柏、馬齒莧、自然坡面的減流率依次為61.36%，57.96%，58.85%，減沙率依次為85.61%，83.57%，83.92%。在僅布設(shè)植被措施、無工程措施布設(shè)的條件下，當(dāng)?shù)販p輕地表徑流及泥沙運移作用最大的植被類型為卷柏，其次為自然坡面。

(2) 在同時布設(shè)植被措施與工程措施的條件下，各種水保措施也均具有較好的水土保持效益。工程措施相同、植被措施不同時，卷柏、馬齒莧、自然坡面減流率分別為66.93%，61.34%，54.84%，減沙率分別為80.30%，83.55%，86.08%。生長天然植被的自然坡面減流減沙效果最好。工程措施不同、植被措施相同時，魚鱗坑、水平條、椰絲毯減流率分別達(dá)到97.69%，53.92%，51.61%，減沙率依次為72.94%，72.64%，98.70%。在減少徑流量方面效果最好的是魚鱗坑措施，其次為水平條措施。本研究所采用的水保措施配置模式均具有一定的水土保持效益。不同水保措施配置模式的減流減沙效果有所差異。

(3) 綜合比較所有水保措施及配置模式，可以看出，卷柏+水平條、卷柏、卷柏+椰絲毯、馬齒莧+水平條、馬齒莧、馬齒莧+椰絲毯、馬齒莧+魚鱗坑、魚鱗坑、自然坡面+水平條、自然坡面、自然坡面+椰絲毯、自然坡面+魚鱗坑的減流率依次為73.27%，61.36%，72.21%，67.84%，57.95%，68.00%，100%，94.01%，67.11%，58.84%，70.67%，100%，減沙率依次為87.73%，85.63%，86.77%，85.88%，83.47%，86.28%，100%，97.44%，86.57%，83.94%，86.58%，100%。馬齒莧+魚鱗坑、自然坡面+魚鱗坑配置模式的水土保持效益最佳，其次為單獨布設(shè)的魚鱗坑措施。

(4) 對板栗林下產(chǎn)流產(chǎn)沙量影響最大的因子為降雨量因子，降雨量與徑流量、泥沙量的相關(guān)系數(shù)分別為0.533，0.557，呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。徑流量與泥沙量、徑流系數(shù)、侵蝕濃度、土壤含水率的相關(guān)系數(shù)分別為0.843，0.919，0.659，0.827，呈極顯著相關(guān)關(guān)系。