不同水土保持措施對東北黑土區坡耕地產流產沙的影響

苑佰飛,崔海鋒,李 猛,王彩鳳,吳 朋,姜保帥,滕美瑤

(1.長春合利水土保持科技有限公司,吉林 長春 130031; 2.梅河口市水利局,吉林 梅河口 135000)

東北黑土區是我國重要的糧食生產基地,耕地面積大、土壤肥沃,但近年來自然侵蝕和人類不合理耕作等導致東北黑土區水土流失日益嚴重。水土流失不僅會造成耕地退化,而且威脅生態環境安全[1]。據統計,東北黑土區中坡耕地面積占總耕地面積的59.38%,而坡耕地水土流失面積占東北黑土區水土流失面積的49.39%[2],坡耕地水土流失已成為制約東北黑土區農業可持續發展的重要因素。因此,如何科學合理配置水土保持措施,以遏制坡耕地水土流失,實現東北黑土區坡耕地的可持續利用,是當前迫切需要解決的問題。

地形地貌、降水、下墊面條件等是誘發水土流失的重要影響因素,坡耕地作為水土流失重點區域,只有改變其下墊面條件才能有效控制水土流失[3]。東北黑土區坡耕地常見的水土保持措施主要有修筑水平梯田和地埂植物帶,實施等高耕作、保護性耕作等,均起到了較好的蓄水保土效果[4]。此外,科學合理的水土保持措施可以顯著增加土壤養分和團聚體穩定性,進而提高土壤質量[5]。本研究以位于東北黑土區的吉林省梅河口市吉興小流域徑流觀測場為例,分析在相同坡度和自然降雨條件下,不同水土保持措施對典型黑土區坡耕地產流產沙的影響,以及各項措施的減流減沙效益,旨在為東北黑土區坡耕地水土流失治理提供技術支撐和理論依據。

1 研究區概況

試驗地點位于吉林省梅河口市吉興小流域綜合觀測站內,屬于東北黑土區水土流失綜合防治試點工程輝發河項目區,地理位置為北緯42°13′50.8″、東經125°29′5.3″。屬半濕潤中溫帶大陸性季風氣候區,年均氣溫4.02 ℃,年均降水量708.8 mm,降水多集中在6—9月,期間降水量占全年降水量的70%以上。坡度范圍為3°～15°,為典型東北低山丘陵地貌,耕地多為坡耕地,土壤類型主要為黑土、暗棕壤、白漿土等。雨季降水相對集中且強度大,在坡耕地極易發生面蝕和溝蝕,土壤侵蝕模數1 906 t/(km2·a)[6]。

2 研究方法

2.1 試驗小區措施設計

本試驗共選取7個試驗小區,每個小區垂直投影面積為30 m × 5 m(非標準小區),小區從南到北依次排列布設,間距為0.5 m,坡度均為7°。試驗小區圍埂由磚石砌成,下部均設有V形集流槽用于徑流排放。7個試驗小區的措施布置方式分別為:1#小區為裸地,監測期內一直保持地表裸露;2#小區為自然恢復,小區內主要為自然生長的蒿草;3#小區布置植物埂,埂上種植黃花菜,沿坡長每隔5 m設置1條;4#小區布置灌木埂,埂上種植紫穗槐,沿坡長每隔5 m設置1條;5#小區布置水平坑,坑內種植小型果樹;6#小區實施橫壟耕作措施;7#小區實施順壟耕作措施(見表1)。其中3#、4#、6#、7#試驗小區種植作物均為玉米,種植時間、收獲時間和全部田間操作過程嚴格按照當地耕作習慣進行。

表1 7個試驗小區措施設計及基本情況

2.2 數據觀測

試驗觀測時間為2022年5—10月,觀測數據包括降雨量、徑流量和土壤侵蝕量。其中降雨量的測定采用PC-4型全自動氣象站,設定為每5 min自動采集1次降雨數據;徑流量和土壤侵蝕量的測定采用V形集流槽下端配有的HL-3W型坡面徑流泥沙自動監測系統,可實時觀測和記錄降雨過程中坡面產生的徑流量和泥沙量,與傳統人工測量方法相比,該方法不受地點和時間的約束,測量速度快、準確度高。降雨量、徑流量和土壤侵蝕量監測數據均自動上傳至水土流失數據管理云平臺,云平臺嚴格按照《徑流小區和小流域水土保持監測手冊》和《水土保持監測技術規范》(SL 277—2002)等要求自動計算,并整理生成統計表。此外,自動化監測設備和云平臺均安排專人進行日常檢查維護,確保監測數據的完整性和準確性。

2.3 減流減沙效益計算

某項措施的減流減沙效益計算公式分別為

(1)

(2)

式中:ERi、ESi分別為某一措施小區的減流效益和減沙效益,單位%;Ra、Ri分別為裸地小區和某一措施小區的累計徑流量,單位mm;Sa、Si分別為裸地小區和某一措施小區的累計產沙量,單位t。

3 結果與討論

3.1 降雨量及降雨侵蝕力特征

降雨是水土流失的原動力,而降雨侵蝕力是評估降雨引起區域土壤侵蝕風險的重要動力指標[7]。2022年5—10月試驗區內總降雨次數為60次,降雨總量為596.2 mm。對其中無降雨侵蝕力且未引起7個徑流小區產流的場次降雨不進行統計,期間侵蝕性降雨為21場次(見表2),降雨量累計為518.2 mm,占5—10月降雨總量的86.92%,降雨侵蝕力為1 926.18 MJ·mm/(hm2·h)。最大場次降雨發生在6月22日,降雨量為83.6 mm,降雨侵蝕力為215.40 MJ·mm/(hm2·h),歷時1 725 min。圖1為2022年5—10月試驗區月降雨量和月降雨侵蝕力變化特征,可以看出:試驗區內降雨月度分布不均,降雨主要集中在6、7、8月,其他月份降雨較少;降雨侵蝕力與降雨量的月度分布特征相似。

圖1 2022年5—10月試驗區降雨量及降雨侵蝕力的月度分布

表2 試驗區2022年5—10月侵蝕性降雨統計

3.2 不同措施對產流的影響

在相同的降雨條件下,裸地小區和各措施小區的產流次數不同,其中裸地小區產流20次,自然恢復、植物埂、灌木埂措施小區均產流13次,水平坑措施小區產流5次,橫壟耕作措施小區產流8次,順壟耕作措施小區產流17次。為分析不同水土保持措施對小區徑流的影響,選取1#～7#試驗小區產流的降雨量和徑流量進行線性擬合(見圖2),其判定系數分別為0.786 5、0.367 3、0.394 4、0.394 9、0.759 8、0.714 9、0.558 9,均達到了極顯著相關水平(p<0.01),表明各試驗小區的徑流量受降雨的影響較大,在相同的降雨條件下,裸地小區產流最多,順壟耕作措施小區次之,然后是植物埂、灌木埂、自然恢復措施小區,而水平坑和橫壟耕作措施小區產流較少。

圖2 7個試驗小區降雨量和徑流量的線性擬合

表3總結了與裸地小區相比,不同水土保持措施的減流效益。其中水平坑和橫壟耕作措施的減流效益較高,分別為95.79%和93.02%;然后是自然恢復、灌木埂和植物埂措施,減流效益分別為73.54%、68.13%和67.92%;順壟耕作措施減流效益最低,僅為10.16%。降雨是地表產流的主要驅動力,而土壤入滲能力是影響產流多少的重要因素[8]。晉文娟[9]通過研究坡面產流對坡度的響應特征,發現坡面產流與入滲率呈顯著負相關關系,當降雨量相同時,坡面入滲率越高,坡面產流越少。本研究中的各種水土保持措施均對坡面徑流起到了攔阻、滯留作用,增加了坡面入滲率。其中,水平坑和橫壟耕作措施的減流效益較高,這主要是由于二者均在不同程度上改變了坡耕地的豎向坡度,減緩了徑流的流速,且具有較好的蓄水作用,增加了徑流的滯留時間,減少了產流次數;順壟耕作措施的減流效益最低,這主要是由于順壟耕作后產生的豎向壟溝為產流提供了重要的匯流路徑[10],但受試驗小區內農作物的影響,順壟耕作仍存在一定的減流效益,陳龍飛等[11]通過室內人工模擬試驗發現,隨著玉米的生長,順壟耕作方式對坡面徑流的調控作用會逐漸增強。

表3 不同水土保持措施的減流效益

3.3 不同措施對產沙的影響

為分析不同水土保持措施對小區產沙的影響,選取1#～7#試驗小區土壤侵蝕量和降雨量進行線性擬合(見圖3),其判定系數分別為0.861 8、0.617 7、0.510 7、0.530 4、0.937 4、0.691 9、0.827 3,均達到了極顯著相關水平(p<0.01),表明各試驗小區的土壤侵蝕量受降雨的影響較大。在相同的降雨條件下,裸地小區土壤侵蝕量最多,然后是順壟耕作措施小區,之后是植物埂、灌木埂、自然恢復措施小區,水平坑和橫壟耕作措施小區土壤侵蝕量最少。

圖3 7個試驗小區降雨量和土壤侵蝕量的線性擬合

表4總結了與裸地小區相比,不同水土保持措施的減沙效益。其中,水平坑和橫壟耕作措施的減沙效益較高,分別為97.97%和95.78%;然后是自然恢復、灌木埂、植物埂措施,減沙效益分別為86.20%、81.44%、80.88%;順壟耕作措施的減沙效益最低,僅為11.14%。這與各類措施的減水效益呈現一致性。

表4 不同水土保持措施的減沙效益

各水土保持措施均具有一定的減沙效果,其中水平坑和橫壟耕作措施的減沙效益較高,這主要是由于這兩種措施一方面通過改變坡面地形,減緩了徑流流速,使徑流對土壤的沖刷強度下降,另一方面增加了試驗小區內的植被覆蓋度,有效降低了自然降雨對地表的濺蝕作用,同時植物根系在生長中后期可以增加土壤的抗蝕能力[12]。吳淑芳等[13]通過人工降雨模擬試驗,發現坡面聚流坑措施的減沙效益可達到85%以上。宿敏敏等[14]通過研究不同耕作措施對黑土區土壤流失的影響,發現與裸地相比,全年橫壟耕作措施攔截泥沙率可達到88.4%～99.2%,與本研究的結果呈一致性。此外,自然恢復、灌木埂和植物埂措施的減沙效益也相對較高,均在80%以上,主要是由于這三種措施同樣增加了試驗小區的植被覆蓋度,一方面植被葉片對降雨起到了緩沖和截留作用,降低了雨水濺蝕能力,另一方面植被莖稈和根系對坡面徑流起到了攔蓄作用,可以減輕土壤侵蝕強度和攔截泥沙[15]。李曉娜等[16]提出植物帶可顯著提高徑流攔截率,同時能夠過濾并降低徑流中的泥沙含量。本研究結果進一步表明了適宜的水土保持植物措施具有較高的減沙效益,是坡耕地水土流失治理中不可或缺的重要手段。順壟耕作措施小區內玉米的生長可以對自然降雨起到截留和再分配的作用,玉米根系可以擴大土壤孔隙、增加雨水入滲量[17],使得順壟耕作措施同樣具有一定的減沙作用。劉艷杰[18]通過分析順坡壟和橫坡壟耕作方式的保水保土效應,發現與裸地小區相比,橫坡壟作和順坡壟作均可降低侵蝕量,但順坡壟作減沙效益遠遠低于橫壟耕作。本研究中順壟耕作的減沙效益同樣遠低于其他措施小區,且其土壤侵蝕量高于該區域的年均土壤侵蝕量,這主要是由于順壟耕作產生的豎向壟溝與徑流的流向相同,增大了雨水對坡面的沖刷能力,從而加劇了土壤侵蝕,因此建議在7°以上的坡耕地不采取單一的順壟耕作方式。

4 結論

通過在吉林省梅河口市吉興小流域徑流觀測場布設裸地小區(對照)和自然恢復、植物埂、灌木埂、水平坑、橫壟耕作、順壟耕作6個水土保持措施試驗小區,分析在相同的坡度和自然降雨條件下,不同水土保持措施對東北黑土區坡耕地產流和產沙的影響,結果表明:①各試驗小區的徑流量和土壤侵蝕量與降雨量均呈顯著的正相關關系;②與裸地小區相比,水平坑和橫壟耕作措施的減流減沙效益較高,減流效益分別為95.79%和93.02%,減沙效益分別為97.97%和95.78%,然后是自然恢復、灌木埂、植物埂措施,順壟耕作措施的減流減沙效益最低,僅有10.16%和11.14%,且土壤侵蝕量高于該區域平均土壤侵蝕量;③開展坡耕地水土流失治理對保護東北黑土區的黑土資源和生產能力具有重要作用。水平坑、橫壟耕作、自然恢復、灌木埂、植物埂等水土保持措施均能有效遏制坡耕地水土流失,建議在東北黑土區推廣應用減流減沙效益最佳的水平坑和橫壟耕作措施,不采用單一的順壟耕作措施,同時合理配套種植有經濟作物的植物埂和灌木埂,以最大程度發揮水土流失防治效果,保障耕地安全,促進東北黑土區經濟社會可持續發展。