文朝菊

摘要引進(jìn)了具有經(jīng)濟(jì)性、便捷性、可操作性、重現(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn)的模擬降雨試驗(yàn)系統(tǒng)，在云南省坡耕地水土流失綜合治理水土保持監(jiān)測(cè)中進(jìn)行實(shí)踐和運(yùn)用，研究坡耕地土壤產(chǎn)匯流規(guī)律和侵蝕規(guī)律。根據(jù)人工模擬降雨試驗(yàn)產(chǎn)匯流情況，統(tǒng)計(jì)張畢山、吉科等5個(gè)小流域坡地試驗(yàn)小區(qū)和坡改梯后梯地試驗(yàn)小區(qū)共59場(chǎng)次模擬降雨試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析坡改梯水土流失綜合治理效果。結(jié)果表明，坡改梯后梯地土埂發(fā)揮了攔蓄雨量作用，強(qiáng)化了降雨入滲，提高了土壤含水量，降低了暴雨地表徑流形成，土壤流失量和侵蝕強(qiáng)度得到了明顯的緩減，蓄水保土效果較為顯著。

關(guān)鍵詞坡耕地治理；模擬降雨試驗(yàn)；徑流小區(qū)；水土流失；土壤侵蝕；云南省

中圖分類號(hào)S157文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）11-0055-05

AbstractA simulated rainfall experiment system was introduced， which was economical， convenient， feasible and reproducible， and it was practiced and applied in soil and water conservation monitoring in Yunnan Province， law of runoff yield and concentration of slope farmland was studied. According to the artificial simulation of rainfall runoff， the statistical simulation data of rainfall experiment terrace and slope residential district a total of 59 performances of small watershed slope terracing after experiment， the effect of comprehensive treatment of soil and water loss was analyzed. The results showed the soil slope to terrace ridge after the ladder played a role of rainfall interception， strengthened rainfall infiltration， improved soil moisture， reduced surface runoff formation. Soil loss and erosion intensity were significantly reduced， and the effect of water storage and soil conservation was significant.

Key wordsSlope farmland management；Simulated rainfall experiment；Runoff plots；Soil and water loss；Soil erosion；Yunnan Province

坡耕地既是我國(guó)山丘區(qū)群眾賴以生存的基本生產(chǎn)生活用地，又是水土流失的重點(diǎn)區(qū)域。由于坡耕地粗放的生產(chǎn)方式、陡坡開荒等，導(dǎo)致坡耕地水土流失不斷加劇，造成土地退化、土壤肥力下降、生態(tài)環(huán)境惡化等。同時(shí)，坡耕地嚴(yán)重的水土流失，不僅制約了當(dāng)?shù)厝嗣袢罕娚钏降奶岣吆徒?jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，還嚴(yán)重影響國(guó)家耕地和糧食安全、下游江河湖庫(kù)安全，加劇了洪澇災(zāi)害。

云南省是一個(gè)集邊疆、山區(qū)、貧困和民族聚集于一體的省份，也是我國(guó)水土流失較嚴(yán)重的省份之一[1-4]。據(jù)2008年云南省國(guó)土資源廳公布的土地利用現(xiàn)狀成果，云南省耕地面積607.21萬(wàn)hm2，其中坡耕地面積348.45萬(wàn)hm2，占全省耕地面積的57.39%[5]。2010年全省水土流失面積13.4萬(wàn)km2，占全省總面積的35.00%；年流失土壤5億多t，是全國(guó)年流失土壤總量的10%[6]。在全省73個(gè)國(guó)家扶貧攻堅(jiān)縣中，有60個(gè)屬于水土流失嚴(yán)重縣，同時(shí)也是坡耕地分布最為廣泛和少數(shù)民族聚居的地區(qū)。實(shí)施坡耕地水土流失綜合治理，有利于遏制水土流失，對(duì)于云南省生態(tài)文明建設(shè)，促進(jìn)社會(huì)和諧，改善生產(chǎn)條件，保障糧食安全、生態(tài)安全、邊疆安全，實(shí)現(xiàn)全面建設(shè)小康社會(huì)目標(biāo)意義重大[7]。鑒于此，為改變水土流失嚴(yán)重的偏僻地區(qū)群眾生活方式落后、生產(chǎn)力水平低下的狀況，自2010年以來(lái)，云南省在云縣、紅河、文山、昌寧、洱源、東川、宣威、水富、雙柏、西盟等縣（市、區(qū)）開展了12個(gè)小流域坡耕地水土流失綜合治理試點(diǎn)工程，并同步開展水土保持監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作。筆者在云南坡耕地治理中模擬降雨試驗(yàn)，研究坡耕地土壤產(chǎn)匯流規(guī)律和侵蝕現(xiàn)象，旨在為提高該地區(qū)的生產(chǎn)力水平提供借鑒。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)方法坡改梯水土流失綜合治理試點(diǎn)工程項(xiàng)目區(qū)土壤侵蝕狀況的監(jiān)測(cè)主要采用地面觀測(cè)及人工模擬降雨試驗(yàn)方法。根據(jù)各項(xiàng)目區(qū)的坡度組成情況，按坡度實(shí)際情況布設(shè)徑流小區(qū)，分別以5～8 °、8～15 °、15～25 °的坡度，建設(shè)3 m×20 m徑流小區(qū)，每個(gè)流域不少于3個(gè)。布設(shè)時(shí)不僅要考慮周圍環(huán)境，還應(yīng)注意外推到其他地區(qū)的可能性；其次要考慮到極大、極小坡度和極端降水等狀況。

受試驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境、天氣情況和風(fēng)力的影響，實(shí)際落在小區(qū)內(nèi)的降雨量會(huì)不同程度地小于模擬設(shè)計(jì)降雨量。因此，在進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)時(shí)，可能產(chǎn)生2種情況，即產(chǎn)流或不產(chǎn)流。若產(chǎn)流，測(cè)定模擬降雨前土壤含水率，記錄降雨過(guò)程、產(chǎn)流開始和結(jié)束時(shí)間、產(chǎn)流量，并按5 min間隔取水樣測(cè)定侵蝕量，采用加權(quán)平均法計(jì)算平均含砂量，據(jù)此分析模擬降雨產(chǎn)流和土壤侵蝕狀況；若未產(chǎn)流，記錄降雨過(guò)程，采用稱重法測(cè)定模擬降雨前后土壤含水率，通過(guò)土壤含水率對(duì)比分析土壤墑情變化。

1.2試驗(yàn)小區(qū)的選址試驗(yàn)小區(qū)的選址綜合考慮了徑流小區(qū)建設(shè)、場(chǎng)地、交通、水源、位置、儀器安裝及方便看守等相關(guān)要求，結(jié)合云南省坡耕地水土流失綜合治理試點(diǎn)工程（2期）7個(gè)小流域的建設(shè)內(nèi)容，選擇張畢山、馬桑林洼、拖潭溝、吉科、羅灣5個(gè)小流域坡改梯項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行人工模擬降雨試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)各小流域的土壤流失量和侵蝕強(qiáng)度，分析研究坡耕地水土流失綜合治理效果。云南省坡耕地水土流失綜合治理試點(diǎn)工程（2期）項(xiàng)目區(qū)位置如圖1所示。

1.3試驗(yàn)徑流小區(qū)建設(shè)及布局由于野外模擬降雨試驗(yàn)要在前期土壤水分不飽和的狀態(tài)下進(jìn)行，因此每次模擬降雨試驗(yàn)只能在同一徑流小區(qū)進(jìn)行1次降雨過(guò)程。為獲取更多野外模擬降雨水土流失對(duì)比數(shù)據(jù)，根據(jù)自然坡度和土壤情況，每個(gè)項(xiàng)目區(qū)選擇具有代表性的2個(gè)坡度（如5～8 °、8～15 °、15～25 °），每個(gè)坡度建設(shè)坡地和梯地2個(gè)對(duì)比徑流小區(qū)。

徑流小區(qū)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)采用百年一遇最大24 h降雨徑流設(shè)計(jì)。徑流小區(qū)的布設(shè)與等高線垂直，在項(xiàng)目區(qū)建設(shè)長(zhǎng)20 m（順坡，投影長(zhǎng)度）×寬3 m（與等高線平行），投影面積60 m2的徑流小區(qū)。同時(shí)，徑流小區(qū)坡頂應(yīng)預(yù)留2.0 m放置減壓水箱，底部預(yù)留1.5 m用于集水口設(shè)置，兩邊預(yù)留1.0 m用于輸水管道布設(shè)。為節(jié)約徑流小區(qū)建設(shè)成本，方便記錄產(chǎn)流過(guò)程，徑流收集采用標(biāo)有容積量刻度的大塑料桶缸。

1.4模擬降雨試驗(yàn)降雨頻率人工模擬降雨試驗(yàn)降雨頻率設(shè)計(jì)是根據(jù)5個(gè)小流域坡耕地治理項(xiàng)目區(qū)周邊水文站、雨量站實(shí)測(cè)長(zhǎng)系列短歷時(shí)資料，采用頻率計(jì)算方法確定暴雨強(qiáng)度及降雨過(guò)程，通過(guò)雨量站1 h短歷時(shí)暴雨頻率計(jì)算得到最大1 h降雨頻率曲線，進(jìn)行同倍比放大，得出百年一遇1 h模擬降雨試驗(yàn)設(shè)計(jì)降雨量。

1.5人工模擬降雨系統(tǒng)采用疊加噴灑式模擬降雨控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)。在總降雨覆蓋面積內(nèi)，將覆蓋面積分為0.5 m×1.5 m的24個(gè)小塊，每個(gè)小塊對(duì)應(yīng)1個(gè)降雨器，通過(guò)相鄰降雨器的任意組合，達(dá)到在不同的降雨面積上進(jìn)行降雨的目的。

降雨系統(tǒng)采用針管式降雨形式。其降雨器的降雨量與針管上所施加的水頭成正比，且為線性關(guān)系，因此，當(dāng)標(biāo)定出水頭與降雨強(qiáng)度的關(guān)系曲線后，通過(guò)調(diào)整水頭可以得到所需降雨強(qiáng)度。對(duì)于復(fù)雜的降雨雨型模擬，也可以通過(guò)自動(dòng)調(diào)整水頭變化過(guò)程。由于降雨雨滴是通過(guò)針頭出流孔緩慢出流聚集后在針尖處形成水滴下落而形成的，因此，各針頭產(chǎn)生的雨滴直徑基本相同，可以認(rèn)為是等直徑雨滴，這與天然降雨的雨滴譜不相似，但是可以認(rèn)為是天然降雨的某當(dāng)量直徑雨滴。由于針頭位置固定，因此每個(gè)雨滴下落后的打擊位置也基本固定，為了消除定點(diǎn)打擊的問(wèn)題，采用機(jī)械方式使針頭位置在某一范圍內(nèi)不斷地移動(dòng)或者振動(dòng)，其移動(dòng)的頻率可以在小范圍內(nèi)影響雨滴直徑的大小。

疊加噴灑式模擬降雨控制系統(tǒng)由供水系統(tǒng)、電磁閥、控制器和控制用PC機(jī)組成，主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)頻次及結(jié)果統(tǒng)計(jì)2011年工程實(shí)施前，開展第1次模擬降雨試驗(yàn)；2012年工程竣工后進(jìn)行第2次模擬降雨試驗(yàn)；2012—2013年各項(xiàng)目區(qū)竣工后第1次大春收割完成后開展第3次模擬降雨試驗(yàn)。試驗(yàn)前，在各小區(qū)土層剖面10、20、30 cm處分別采集土樣測(cè)定土壤含水率，取平均值作為各小區(qū)土壤平均含水率；若模擬降雨試驗(yàn)過(guò)程不產(chǎn)流，試驗(yàn)后加測(cè)1次土壤含水率。

在張畢山、馬桑林洼、拖潭溝、吉科、羅灣5個(gè)小流域進(jìn)行59場(chǎng)次人工模擬降雨試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1～4。有41場(chǎng)次人工模擬降雨度試驗(yàn)產(chǎn)流，占69.5%（表1、2）；有18場(chǎng)次人工模擬降雨試驗(yàn)不產(chǎn)流，占30.5%（表3、4）。

2.241場(chǎng)次人工模擬降雨試驗(yàn)產(chǎn)流情況由表1、2可知，5個(gè)小流域坡改梯后均取得了不同程度的減流減蝕和保水保土效益。從坡地小區(qū)29場(chǎng)次人工模擬降雨試驗(yàn)產(chǎn)流情況（表1）來(lái)看，試驗(yàn)前土壤含水率平均為16.82%，植被覆蓋率平均為53%，實(shí)際平均降雨量為57.9 mm，平均徑流系數(shù)為0.231，平均土壤侵蝕強(qiáng)度為64.45 t/km2。從梯地小區(qū)12場(chǎng)次人工模擬降雨試驗(yàn)產(chǎn)流情況（表2）來(lái)看，試驗(yàn)前平均土壤含水率為23.96%，植被覆蓋率平均為58%，實(shí)際平均降雨量為54.9 mm，平均徑流系數(shù)為0.092，平均土壤侵蝕強(qiáng)度為14.37 t/km2?？傮w來(lái)看，梯地小區(qū)試驗(yàn)前土壤含水率和植被覆蓋率比坡地小區(qū)高，實(shí)際平均降雨量比坡地小區(qū)小，但徑流系數(shù)為坡地小區(qū)的39.83%，平均土壤侵蝕強(qiáng)度較坡地小區(qū)減小了77.70%。

2.318場(chǎng)次人工模擬降雨試驗(yàn)不產(chǎn)流情況由表3、4可知，5個(gè)小流域坡改梯后，梯地植被截留量對(duì)土壤含水率影響較大。從坡地小區(qū)9場(chǎng)次人工模擬降雨試驗(yàn)不產(chǎn)流情況（表3）來(lái)看，試驗(yàn)前土壤含水率為21.46%，植被覆蓋率為21%，實(shí)際平均降雨量為51.8 mm，試驗(yàn)后土壤含水率為42.80%；從梯地小區(qū)9場(chǎng)次人工模擬降雨試驗(yàn)不產(chǎn)流情況（表4）來(lái)看，試驗(yàn)前土壤含水率為20.09%，植被覆蓋率為42%，實(shí)際平均降雨量為49.4 mm，試驗(yàn)后土壤含水率為29.13%。總體來(lái)看，梯地小區(qū)植被覆蓋率是坡地小區(qū)的2倍，試驗(yàn)前梯地小區(qū)土壤含水率和實(shí)際平均降雨量均比坡地小區(qū)略小，但試驗(yàn)后土壤含水率為坡地小區(qū)的68.06%，這主要與梯地植被截流量的增加有關(guān)。

3結(jié)論

（1）該試驗(yàn)結(jié)果表明，坡耕地治理后減流減蝕效益顯著，但由于各小流域基礎(chǔ)條件不同，5個(gè)小流域項(xiàng)目區(qū)坡改梯水土流失綜合治理減流減蝕效益存在較大差異?？傮w來(lái)說(shuō)，坡改梯后梯地土埂發(fā)揮了應(yīng)有的攔蓄效益，強(qiáng)化了降雨入滲，納蓄雨量，地表入滲量增大，降低了暴雨地表徑流形成，有效減輕下游防洪減災(zāi)壓力；坡改梯后梯地蓄水、保土、保肥、緩洪等效果明顯；坡改梯水路配套建設(shè)和規(guī)劃連片種植后，植被覆蓋率增加，泥沙流失量減小，減流減蝕效益顯著。

（2）從5個(gè)小流域項(xiàng)目區(qū)共進(jìn)行的59次人工模擬降雨試驗(yàn)可知，坡改梯水土流失治理有顯著的減流減蝕和保水保土效益。從29場(chǎng)次坡地小區(qū)和12次梯地小區(qū)人工模擬降雨試驗(yàn)產(chǎn)流結(jié)果可以看出，梯地小區(qū)前期土壤含水率和植被覆蓋率比坡地小區(qū)高，實(shí)際平均降雨量比坡地小區(qū)小，但徑流系數(shù)為坡地小區(qū)的39.83%，平均土壤侵蝕強(qiáng)度較坡地小區(qū)減小77.70%。由此可見，坡改梯后保水保土及減流減蝕效益顯著。

（3）坡度與土壤侵蝕強(qiáng)度的關(guān)系受植被覆蓋度和實(shí)際降雨量的影響。坡度越小，植被覆蓋度越大，減流減蝕效果越好。然而，在植被覆蓋度相等的情況下，坡度小的坡地如果實(shí)際降雨量大，也會(huì)出現(xiàn)比大坡度坡地更強(qiáng)的土壤侵蝕情況。

（4）植被截流量對(duì)土壤含水率影響較大。從9次坡地小區(qū)和9次梯地小區(qū)人工模擬降雨試驗(yàn)不產(chǎn)流結(jié)果可以看出，梯地小區(qū)植被覆蓋率是坡地小區(qū)的2倍，試驗(yàn)前梯地小區(qū)土壤含水率和實(shí)際平均降雨量均比坡地小區(qū)略小，但試驗(yàn)后土壤含水率為坡地小區(qū)的68.06%，表明植被截流量增加。

（5）從監(jiān)測(cè)手段來(lái)看，該研究創(chuàng)新了坡耕地水土保持監(jiān)測(cè)新方法，具有試驗(yàn)性和開創(chuàng)性。首次引進(jìn)模擬降雨系統(tǒng)實(shí)地運(yùn)用于云南坡耕地水土保持監(jiān)測(cè)中，不僅探索和研究了坡耕地治理前后土壤產(chǎn)匯流規(guī)律和侵蝕規(guī)律，還實(shí)現(xiàn)了由過(guò)去的目估丈量監(jiān)測(cè)到用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析土壤侵蝕狀況的轉(zhuǎn)變。

（6）云南省坡改梯治理水保監(jiān)測(cè)項(xiàng)目采用人工模擬降雨試驗(yàn)方法具有經(jīng)濟(jì)性、便捷性、可控性、重現(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn)。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模擬降雨系統(tǒng)在野外環(huán)境下還存在一定的局限性和不足。

4建議

（1）人工模擬降雨裝置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可取得較為理想的降雨成果，但在野外試驗(yàn)受地形、風(fēng)速、風(fēng)向、氣流、降雨高度等因素的影響較大，加上受徑流小區(qū)面積的限制，雖然試驗(yàn)是按百年一遇的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模擬降雨，但部分降雨還是隨風(fēng)飄落到小區(qū)外，落到徑流小區(qū)地面降雨量相對(duì)減少，面平均降雨強(qiáng)度因此降低，使得模擬降雨實(shí)測(cè)的面平均雨量小于設(shè)計(jì)降雨量，偏差幅度為25.10%～32.00%，未達(dá)到設(shè)計(jì)降雨要求。根據(jù)59場(chǎng)次人工模擬降雨獲得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議今后在野外使用人工模擬降雨系統(tǒng)時(shí)盡量選在無(wú)風(fēng)或輕微風(fēng)的情況下進(jìn)行，徑流小區(qū)建設(shè)由3 m×20 m改為5 m×20 m，并適當(dāng)降低人工模擬降雨設(shè)計(jì)高度等。在該研究中，已通過(guò)改良設(shè)計(jì)降雨高度6 m降為4 m進(jìn)行野外模擬降雨試驗(yàn)，獲得相對(duì)較好的監(jiān)測(cè)結(jié)果。該降雨高度4 m可借鑒運(yùn)用于類似項(xiàng)目的水土保持監(jiān)測(cè)。

（2）針對(duì)坡耕地水土流失綜合治理工程實(shí)施過(guò)程中仍存在的關(guān)鍵技術(shù)、重大措施及實(shí)用技術(shù)等問(wèn)題，提出在認(rèn)真總結(jié)和創(chuàng)新水土流失綜合治理監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，有目的、有計(jì)劃、有針對(duì)性地研究不同治理措施、不同治理模式、不同管理方法，使坡改梯后生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益協(xié)調(diào)、健康、快速地發(fā)展。

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