唐成毅 嚴(yán)冬春 龔長(zhǎng)文 向茂青

（1.成都理工大學(xué) 圖書(shū)館，成都610059；2.中國(guó)科學(xué)院 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 山地表生過(guò)程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610041；3.重慶市忠縣水務(wù)局 水土保持監(jiān)測(cè)站，重慶 忠縣404300）

細(xì)溝侵蝕是坡面土壤侵蝕的主要形式之一［1］。細(xì)溝一旦形成，坡面薄層水流轉(zhuǎn)變?yōu)楣闪?，其水力學(xué)特征發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)變，侵蝕動(dòng)力增強(qiáng)，水流侵蝕形態(tài)由對(duì)單個(gè)土壤顆粒的搬運(yùn)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)土壤塊體崩解、分散、輸移的過(guò)程，侵蝕量劇增。已有的研究表明，細(xì)溝的發(fā)生坡面侵蝕產(chǎn)沙量將增加幾倍至幾十倍［2］，黃土高原細(xì)溝侵蝕量甚至占坡面總侵蝕量的70%以上［3－5］。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為坡耕地上形成的細(xì)溝僅通過(guò)耕作措施即可以將其平復(fù)，不需要特殊的土壤保持措施。事實(shí)上，即使通過(guò)耕作措施將細(xì)溝平復(fù)還是會(huì)在坡面上形成負(fù)地形，再次降雨情況下很容易出現(xiàn)細(xì)溝，甚至形成惡性循環(huán)［6］?；趯?duì)細(xì)溝侵蝕在坡面侵蝕中的重要地位的認(rèn)識(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在細(xì)溝的發(fā)生、發(fā)展、侵蝕輸沙等方面開(kāi)展了大量研究［7－10］。對(duì)于某一坡度的地塊，一次暴雨中細(xì)溝總是表現(xiàn)在一定的坡長(zhǎng)處發(fā)生。這是由于細(xì)溝侵蝕的發(fā)生需要一定的坡長(zhǎng)來(lái)匯集徑流，這一坡長(zhǎng)稱(chēng)為細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)［11］。通過(guò)暴雨試驗(yàn)調(diào)查出細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)，進(jìn)而在臨界坡長(zhǎng)處通過(guò)各種措施控制暴雨下細(xì)溝的發(fā)生將極大地降低坡面侵蝕量。

紫色土是中國(guó)西南山區(qū)主要的土壤資源之一，以四川盆地最為集中［12］。紫色土風(fēng)化速度快、養(yǎng)分儲(chǔ)量豐富，歷來(lái)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要區(qū)域；紫色土耕地面積約占四川省耕地總面積的68%［13］。而紫色土大部分為風(fēng)化碎屑土且土層淺薄，在長(zhǎng)江流域季風(fēng)性暴雨作用下侵蝕強(qiáng)烈，侵蝕模數(shù)高達(dá)3 798～9 831t／（km2·a），是長(zhǎng)江上游主要的侵蝕產(chǎn)沙區(qū)之一［14，15］。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)紫色土坡耕地的水土保持基本沿用了黃土高原的治理措施，忽視了長(zhǎng)江上游紫色土坡面產(chǎn)流及水土流失規(guī)律與黃土區(qū)存在的差別，出現(xiàn)了片面強(qiáng)調(diào)采取攔截、蓄滲地表徑流的措施防治水土流失的現(xiàn)象，這就形成了雖然長(zhǎng)江上游地區(qū)水土流失治理面積在不斷增加，而對(duì)河流輸沙的減少效果并不明顯的矛盾［16，17］。以往紫色土坡耕地細(xì)溝侵蝕的研究相對(duì)較少，針對(duì)紫色土細(xì)溝侵蝕防治措施的報(bào)道更少。因此，本文總結(jié)了“十一五”期間紫色土細(xì)溝侵蝕防治的相關(guān)進(jìn)展及其成效，以期為紫色土坡耕地水土流失綜合治理提供參考。

1 紫色土坡耕地細(xì)溝侵蝕的特征

分別在典型紫色土試驗(yàn)研究站（鹽亭站（E105°27′，N31°16′）、三 峽 站 （N30°24′53″，E108°10′25″））的徑流小區(qū)上，采用人工模擬降雨試驗(yàn)方法，試驗(yàn)觀測(cè)了紫色土細(xì)溝侵蝕的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程。試驗(yàn)前調(diào)查了鹽亭站和三峽站近年來(lái)的降雨資料，鹽亭站2003年以來(lái)的降雨數(shù)據(jù)表明，暴雨15次，最大一次降雨量為196.2mm，最大10min雨強(qiáng)為111.69mm／h；三峽站2000～2009年的降雨數(shù)據(jù)表明，暴雨32次，最大一次降雨量為178.5mm，最大10min雨強(qiáng)為136.3mm／h。基于前人研究中降雨強(qiáng)度與侵蝕量的正相關(guān)關(guān)系，試驗(yàn)采用兩地最大雨強(qiáng)，即鹽亭站試驗(yàn)采用110mm／h，三峽站試驗(yàn)采用130mm／h。通過(guò)對(duì)細(xì)溝發(fā)生過(guò)程的觀察，細(xì)溝發(fā)生的判定以跌坑貫穿為標(biāo)志。觀察到細(xì)溝成型后停止降雨，測(cè)量坡面細(xì)溝的溝頭到坡頂?shù)木嚯x，細(xì)溝侵蝕量采用填充法測(cè)量，坡面總侵蝕量通過(guò)收集徑流池的淤積泥沙烘干后稱(chēng)質(zhì)量得到。

試驗(yàn)結(jié)果表明（表1）：在2m×8m的小區(qū)上，控制含水量在25%左右時(shí)，在當(dāng)?shù)氐湫捅┯杲涤陱?qiáng)度下細(xì)溝侵蝕量隨坡度遞增；10°，15°，20°，25°小區(qū)細(xì)溝侵蝕量占坡面總侵蝕量的比例分別為28.61%，57.66%，80.66%和91.16%。細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)隨坡度的增大而縮短，10°，15°，20°，25°小區(qū)上細(xì)溝溝頭出現(xiàn)的順坡長(zhǎng)度平均值分別為6.19m，4.15m，2.75m，1.57m。

分析不同坡度坡面細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)，參照前人在黃土區(qū)做的實(shí)驗(yàn)［11］，采用二次拋物線方程能較好地反映臨界坡長(zhǎng)與坡度的關(guān)系

其中：lr為臨界坡長(zhǎng)；α為坡度；可決系數(shù)R2達(dá)到0.999 3。將上式兩邊對(duì)坡度求導(dǎo)數(shù)，求得紫色土坡面細(xì)溝發(fā)生臨界坡長(zhǎng)的拐點(diǎn)坡度為35.5°。拐點(diǎn)坡度存在的原因，可以從坡面產(chǎn)流過(guò)程來(lái)加以探討。紫色土坡地由于土層薄、結(jié)構(gòu)松散，一般為蓄滿(mǎn)產(chǎn)流。暴雨過(guò)程中，紫色土坡面表層土壤很快飽和，土壤顆粒之間黏結(jié)力降低，入滲率降低，徑流匯集啟動(dòng)泥沙所需要的坡長(zhǎng)變短。而隨著坡度的增大，在土壤顆粒自重分力增大的作用下，徑流匯集產(chǎn)生細(xì)溝的坡長(zhǎng)進(jìn)一步變短。但是，隨著坡度的進(jìn)一步增大，紫色土坡面的壤中流排泄加快，入滲率增大，相同雨強(qiáng)下匯集徑流所需用的坡長(zhǎng)反而增大。紫色土坡面試驗(yàn)的細(xì)溝侵蝕臨界坡長(zhǎng)遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)［11］的原因，主要是由于雨強(qiáng)的差異。從細(xì)溝發(fā)生本身的過(guò)程來(lái)看，無(wú)論紫色土坡面還是黃土坡面，細(xì)溝的發(fā)生均以水流跌坑的貫穿為標(biāo)志；而水流跌坑的順坡分布在初期比較均勻，大雨強(qiáng)時(shí)徑流匯集能量貫穿順坡跌坑所需坡長(zhǎng)變短。至于紫色土坡面細(xì)溝發(fā)生臨界坡長(zhǎng)的拐點(diǎn)坡度大于文獻(xiàn)［11］的結(jié)果，由于試驗(yàn)條件差異太大，這里不做比較。

2 紫色土坡耕地細(xì)溝侵蝕防治措施

細(xì)溝的發(fā)生總是表現(xiàn)在一定的坡長(zhǎng)處，查明當(dāng)?shù)氐湫捅┯晏卣鞯那疤嵯?，通過(guò)暴雨試驗(yàn)調(diào)查出細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)，進(jìn)而通過(guò)各種措施在臨界坡長(zhǎng)處截?cái)鄰搅鲗O大地降低細(xì)溝侵蝕發(fā)生的概率?；谶@一思路，“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃長(zhǎng)江上游坡耕地整治項(xiàng)目組開(kāi)展了大量試驗(yàn)研究，并在中國(guó)科學(xué)院三峽庫(kù)區(qū)水土保持與環(huán)境研究站構(gòu)建了實(shí)體模式?？傮w歸納起來(lái)，控制細(xì)溝侵蝕的措施主要包括植物籬（圖1）、“地埂＋植物籬”（圖2）和“大橫坡＋小順坡”（圖3）3種模式。

植物籬模式主要在坡度較緩（α＜10°）的長(zhǎng)順坡上，以細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)為間距種植植物籬。植物籬品種包括喬木、灌木和草本類(lèi)，據(jù)中國(guó)科學(xué)院三峽站篩選的植物籬品種包括黃花、韭菜、哈哈草、桂牧一號(hào)、柑橘等?！暗毓。参锘h”模式主要在坡度較陡（α＞10°）的地塊上，按照細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)修筑地埂，并在地埂的埂坎上種植植物籬，既防治典型暴雨降雨條件下地塊內(nèi)細(xì)溝侵蝕，又可以利用植物根系固結(jié)地埂?！按髾M坡＋小順坡”模式的思路來(lái)源于當(dāng)?shù)剞r(nóng)民“橫坡整地，順坡種植”的耕作習(xí)慣，適用范圍較廣，采用橫坡截流溝在臨界坡長(zhǎng)處截?cái)鄰搅?，避免?xì)溝侵蝕的發(fā)生。其主體結(jié)構(gòu)與“地?。参锘h”措施相似，除地塊上部的背溝和下部的邊溝外，地塊內(nèi)部還有橫坡截流溝，增大了兩地埂之間的間距，降低修筑地埂的成本。其中，背溝主要是攔截上方坡地徑流；地塊前緣邊溝的功能，主要是攔截、滯留地塊產(chǎn)出的徑流，沉積泥沙。橫坡截流溝的功能主要是減短坡長(zhǎng)，在細(xì)溝可能發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)處開(kāi)挖水平溝，避免侵蝕細(xì)溝的發(fā)生，攔截、滯留上部地塊產(chǎn)出的徑流，沉積泥沙；當(dāng)然還可供田間行走。每年冬天，農(nóng)民還要挑沙面土，將水平溝道內(nèi)沉積的泥沙回返到耕地內(nèi)。

表1 紫色土坡耕地細(xì)溝侵蝕比例及其臨界坡長(zhǎng)Table 1 Critical length and rate of rill erosion on the purple soil slope cultivated land

圖1 植物籬措施剖面示意圖Fig.1 Sketch map of the hedge measure section

圖2 “地?。参锘h”措施剖面示意圖Fig.2 Sketch map of the“ridge and hedge”measure section

圖3 “大橫坡＋小順坡”耕作措施剖面示意圖Fig.3 Sketch map of“downslope ridge tillage and cross trenches”cultivating measure section

3 紫色土坡耕地細(xì)溝防治措施初步成效

通過(guò)在三峽庫(kù)區(qū)的野外調(diào)查和對(duì)構(gòu)建在三峽站內(nèi)實(shí)體模式的觀測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，3種治理措施的成效如下。

a.植物籬能有效改良土壤、提高土壤抗蝕性、增加土壤肥力。通過(guò)對(duì)重慶江津的坡耕地原位調(diào)查發(fā)現(xiàn)（表2）：?jiǎn)棠绢?lèi)、草本類(lèi)和灌木類(lèi)3種不同類(lèi)型植物籬帶內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)比帶間坡耕地分別增加53%，45%和79%；全氮的含量分別增加了61.5%，61.3%，127.6%；水解氮的含量分別增加了71.6%，8.4%，88.4%；全磷的含量分別增加了40.8%，25%，183.8%；土壤速效磷的含量分別增加了83.7%，138.6%，226.5%；土壤全鉀的含量分別增加了10.6%，2.1%，29.3%；土壤速效鉀的含量分別增加了121.7%，126.4%，210.9%；土壤陽(yáng)離子交換量分別增加了34.9%，0.4%，29.3%。植物籬的缺點(diǎn)在于植物籬種植在田塊內(nèi)，不可避免地要與田間作物發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)，且其攔沙效率與植物籬密度有關(guān)。

b.“地?。参锘h”兼具了地埂和植物籬的雙重功能。在地埂上種植經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的植物籬，既充分利用了有限的土地資源，提高坡地產(chǎn)量，又起到了植物根系固結(jié)地埂的功效。通過(guò)在徑流小區(qū)上設(shè)置不同高度的地埂種植植物籬的試驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)（表3）：與無(wú)地埂植物籬比較，暴雨中“土埂＋哈哈草”模式能有效降低地表徑流一半以上，侵蝕量降低70%以上。

表2 不同類(lèi)型植物籬土壤養(yǎng)分Table 2 Soil nutrient contents in different hedge styles

表3 “地?。参锘h”產(chǎn)流產(chǎn)沙量Table 3 Observation results of runoff and sediments on“ridge and hedge”measure pots

采用137Cs法對(duì)野外多年“土?。r麻籬”地塊侵蝕模數(shù)的測(cè)定結(jié)果表明（表4），“土埂＋芝麻籬”地塊的侵蝕模數(shù)為802.50t／（km2·a），相鄰坡耕地的侵蝕模數(shù)為2 299.70t／（km2·a），“土?。r麻籬”減蝕效率達(dá)65%，顯示了良好的減蝕效益。

表4 137Cs法調(diào)查多年“土?。r麻籬”侵蝕－堆積模數(shù)Table 4 Soil erosion rate on the“ridge and hedge”measure pots by 137 Cs technique

通過(guò)對(duì)不同地埂植物籬的經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，江津示范點(diǎn)種植花椒植物籬后產(chǎn)值為801.6元／畝，而傳統(tǒng)順坡耕作種植玉米的產(chǎn)值為653.2元／畝，每畝增產(chǎn)148.4元。忠縣石寶鎮(zhèn)示范點(diǎn)引種“桂牧一號(hào)”牧草植物籬單月生物量達(dá)到23.3 kg／m2，推廣當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖梅花鹿，每畝種植植物籬30～50m2，可供養(yǎng)2頭梅花鹿，增收600元／畝，目前已經(jīng)幫扶注冊(cè)1家養(yǎng)殖100頭梅花鹿的“三峽鹿園”養(yǎng)殖場(chǎng)；“土?。S花”模式采用地坎黃花密植45m－2，畝產(chǎn)鮮黃花25kg，市價(jià)5.6元／kg，凈增產(chǎn)值140元／畝。

c.“大橫坡＋小順坡”耕作模式與長(zhǎng)順坡耕作模式相比，可有效減少?gòu)搅髁?1.7%～59.6%。“大橫坡＋小順坡”耕作模式相比傳統(tǒng)順坡耕作，在各種降雨條件下都表現(xiàn)出了較好的保土性能；尤其是在強(qiáng)降雨條件下，其保土性能更為顯著，與傳統(tǒng)順坡耕作模式相比降低侵蝕量43.0%。“大橫坡＋小順坡”措施的攔沙減蝕效果低于“地?。参锘h”措施的原因，在于地塊坡長(zhǎng)是后者的2倍，產(chǎn)生的地表徑流量大，暴雨中部分徑流通過(guò)橫坡截流溝排出地塊，帶走部分泥沙?！按髾M坡＋小順坡”耕作模式養(yǎng)分流失總量均顯著小于全順坡耕作模式，其中總磷流失總量為對(duì)照模式的25.3%～48.2%，可溶性磷為對(duì)照模式的23.2%～42.3%；總氮流失總量為對(duì)照模式的26.7%～42.3%，溶性氮流失總量為對(duì)照模式的25.4%～38.6%；全鉀流失總量為對(duì)照模式的32.2%～49.5%，速效鉀流失總量為對(duì)照模式的29.5%～47.2%。

對(duì)于暫時(shí)無(wú)法實(shí)施坡改梯的地區(qū)，“大橫坡＋小順坡”模式具有暫時(shí)的替代作用，其綜合了植物籬與“地?。参锘h”兩種措施的優(yōu)點(diǎn)，且造價(jià)低、節(jié)省勞力。據(jù)三峽站的測(cè)算，以目前農(nóng)村勞動(dòng)力挖填土工資30元／m3計(jì)算，1畝“大橫坡＋小順坡”模式構(gòu)建成本包括橫坡截流溝挖土和邊溝、背溝挖土、地埂修筑，典型區(qū)“大橫坡＋小順坡”模式構(gòu)建成本在不同坡度地塊分別為：231元／畝（10°）、257元／畝（15°）、310元／畝（20°）和415元／畝（25°）。

4 結(jié)語(yǔ)

坡耕地是紫色土區(qū)域典型的土地利用方式，細(xì)溝侵蝕是紫色土坡面侵蝕的主要形式之一。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)10°，15°，20°，25°小區(qū)細(xì)溝侵蝕量占坡面總侵蝕量的比例分別為28.61%，57.66%，80.66%和91.16%；細(xì)溝溝頭出現(xiàn)的順坡長(zhǎng)度平均值分別為6.19m，4.15m，2.75m，1.57m：通過(guò)各種措施控制細(xì)溝的發(fā)生將大大降低坡面侵蝕量?！笆晃濉逼陂g，國(guó)家科技支撐計(jì)劃長(zhǎng)江上游坡耕地整治項(xiàng)目組在大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出主要包括植物籬、“地?。参锘h”和“大橫坡＋小順坡”3種模式控制細(xì)溝侵蝕的措施。初步的效益觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，3種模式均具有較好的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益；尤其是“大橫坡＋小順坡”模式，兼具了植物籬與“地?。参锘h”兩種措施的優(yōu)點(diǎn)，且造價(jià)低、節(jié)省勞力，具有較好的推廣前景，特別是暫時(shí)無(wú)法實(shí)施坡改梯的廣大偏遠(yuǎn)山區(qū)。

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃“長(zhǎng)江上游坡耕地整治與高效生態(tài)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)示范”項(xiàng)目（2008BAD98B00），由于項(xiàng)目組成員很多，就不一一列出。

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