郭晉偉, 何 亮, 裴志林, 呂 渡, 雷斯越, 張曉萍

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點室, 陜西 楊凌 712100)

黃土高原位于黃河中上游，是中國歷史悠久的農(nóng)耕文化發(fā)展中心[1]。受地理位置影響，氣候具有干旱特征，劇烈的水土流失和生活的貧困是面臨的嚴(yán)重生態(tài)和社會問題[2]。梯田是坡度>25°坡面水土保持的主要工程措施之一[3-4]，不僅可以顯著改善土壤水分條件[5-6]，提高農(nóng)作物產(chǎn)量[7-8]，還能大幅減少所在坡面的產(chǎn)沙數(shù)量，降低溝谷侵蝕程度[9]，在重建和改善生境方面發(fā)揮著重要作用[10]。降雨是引起水土流失的前提條件和動力條件[11]。在一定的降雨強度下，水平梯田的防蝕效益可以達到95%以上[12]。當(dāng)降雨強度大于一定程度后，水平梯田的減水減沙效益隨著降雨強度的增大而減小[11]。當(dāng)降雨徑流超過一定的值時，梯田就被沖毀[13]。2017年7月25日20時至26日8時，黃土高原無定河中下游地區(qū)遭到大暴雨侵襲，此次暴雨歷時短、強度大，次雨量、日雨量和24 h累積雨量均達到500年一遇[14]。暴雨中心區(qū)集中在子洲縣殿市鎮(zhèn)的小理河流域和綏德縣四十里鋪的無定河流域，12 h最大降雨量為子洲縣水地灣站236.6 mm、李家河站217.8 mm，綏德縣趙家砭站257.7 mm[15]。截至7月27日8時，暴雨洪水造成榆林子洲、榆陽、綏德，延安子長4個縣區(qū)14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(社區(qū)中心)25.47萬人受災(zāi)，1座小二型水庫(清水溝)漫溢決口，農(nóng)作物、淤地壩、水井、通訊、電力、交通設(shè)施受到嚴(yán)重損壞，因災(zāi)造成直接經(jīng)濟損失16.89億元[16]。

岔巴溝流域位于子洲、綏德暴雨中心區(qū)域，流域內(nèi)的梯田也受到了不同程度的損毀。項目組于2017年10月份對岔巴溝流域內(nèi)的梯田進行調(diào)查。通過本次調(diào)查，了解不同類型梯田、不同利用方式、不同植被覆蓋等情況下暴雨對梯田的損毀情況，分析其對暴雨產(chǎn)生水土流失的防治效果，有利于分析黃土高原地區(qū)極端事件下水土保持成效，為生態(tài)環(huán)境建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供科技支持。

1 流域概況

岔巴溝流域位于109.5°—110.1°E，37.5°—37.8°N，屬黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)[17],為大理河的一級支流，無定河的二級支流，流域面積205 km2，包括13條支溝，溝道長度24.1 km，流域平均寬度7.22 km，切割深度50～250 m，溝壑密度1.05 km/km2[18]。屬于干旱半干旱氣候,多年平均降雨量約450 mm，60%以上集中在6—8月，以短歷時暴雨為主,最大雨強215 mm/h[19]。地勢西北高、東南低，是典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)。流域主要為河谷階地和丘陵溝壑兩種地貌，溝壑縱橫交錯[20]。以黃土母質(zhì)發(fā)育的黃綿土為主，土壤顆粒中大于0.05 mm含量約為25.8%，在0.01～0.05 mm之間約為57.7%，小于0.01 mm含量約為16.5%，土壤顆粒中以粉粒為主，極容易被侵蝕。黃土層厚度50～100 m，侵蝕劇烈，面蝕、溝蝕、重力崩塌等作用十分強烈，流域多年平均侵蝕模數(shù)15 780 t/km2。

岔巴溝流域內(nèi)人口為12 000余人，耕地53 km2左右。鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村落主要分布在左岸，人口較右岸稠密[21]。流域內(nèi)梯田廣泛分布，其中一部分是1977年前修建的窄幅老梯田，一部分為近些年機械修建的寬幅新梯田。窄幅老梯田一部分還持續(xù)耕作，一部分已經(jīng)退耕還林草。

2 調(diào)查方法

2.1 流域內(nèi)梯田類型及分布調(diào)查

遵循科學(xué)、簡潔、高效的基本原則，本次調(diào)查工作主要采用Google Earth和GIS繪圖作業(yè)、野外調(diào)研及實地測量，室內(nèi)數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計等方法，對岔巴溝流域不同類型梯田情況進行調(diào)查。

以Google Earth影像為數(shù)據(jù)源，利用Google Earth和GIS平臺對岔巴溝流域具有梯田紋理的區(qū)域進行確認并勾勒線條，見圖1，確認流域內(nèi)梯田的面積和位置分布情況。Google Earth中岔巴溝流域影像時間為2017年5月12日，可以很好地反映出近期梯田位置和梯田利用方式等信息，為野外調(diào)查提供了扎實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。2017年9—10月間，共勾勒梯田斑塊1 404塊，經(jīng)過實地考察之后，對所勾勒的1 404塊梯田進行再次確認，去除85塊非梯田斑塊，剩余1 319塊梯田，面積總計25.24 km2，約占岔巴溝流域面積的12.3%?？臻g分布上可以看出，流域上游梯田分布較為稀疏，中、下游分布較為密集，見圖2。

2.2 流域內(nèi)梯田損毀情況調(diào)查

根據(jù)岔巴溝流域梯田情況和利用方式判斷，首先按照田面寬幅將梯田分為機修梯田(>15～20 m)、老梯田(3～5 m)，再根據(jù)利用方式和植被覆蓋類型，又可分為喬木、灌木、草地和農(nóng)地等幾種類型。以均勻分布原則，在流域上、中、下游共選出不同類型梯田27塊，見圖3。

圖1 Google Earth影像岔巴溝流域梯田斑塊及線條勾勒 圖2 Google Earth影像岔巴溝流域梯田空間分布 圖3 Google Earth影像岔巴溝流域梯田調(diào)查點位

于2017年10月16日—10月21日，對選出來的27塊梯田進行實地測量并進行記錄。依據(jù)梯田在地形的分布，選取從分水嶺到匯流的典型地段，依據(jù)梯田臺數(shù)，按上、中、下分別選取典型臺面進行各項指標(biāo)測量和調(diào)查。再依據(jù)不同類型梯田的數(shù)量和面積估算全流域狀況。測量指標(biāo)包括調(diào)查梯田的田面寬、田埂高、梯田長度；梯田坍塌損毀的位置及寬、深、高；侵蝕坑數(shù)量等。梯田田面寬和田埂高分別以同一塊梯田的3個不同位置進行測量取其平均值。記錄每塊梯田的機修、人工建造等屬性、利用類型、植被覆蓋情況、侵蝕特點、地埂培護情況等，將調(diào)查情況填寫表格并對每塊梯田的損毀情況進行拍照。

2.3 流域內(nèi)梯田土壤侵蝕模數(shù)估算

流域內(nèi)不同類型梯田土壤侵蝕模數(shù)按式(1)估算。

(1)

式中：Ai為第i種類型梯田的土壤侵蝕模數(shù)；Dv為土壤容重；Si1為第i種類型梯田的測量面積;Vi為不同類型梯田上所測的侵蝕測坑體積，其中侵蝕坑體積V由測量的高、深、寬直接相乘得到，但實際侵蝕坑形狀不規(guī)則且多為滑塌狀，按照野外實測寬、深、高估算的測量體積會偏大，根據(jù)野外觀測滑塌形狀，對侵蝕坑計算體積取1/2進行修正。梯田統(tǒng)計面積為田面面積，通過野外測量，田埂面積約占梯田總面積的15%，由此得到梯田修正面積。通過查閱《陜西農(nóng)業(yè)土壤》數(shù)據(jù)資料，黃綿土土壤容重按1.2 g/cm3。

流域內(nèi)梯田土壤侵蝕模數(shù)按式(2) 估算：

(2)

式中：A為流域內(nèi)梯田的平均土壤侵蝕模數(shù)；S為流域內(nèi)梯田總面積；Si2為流域內(nèi)第i種類型梯田的總面積。得到各類型梯田的土壤侵蝕模數(shù)后，通過加權(quán)平均數(shù)得到流域內(nèi)梯田平均土壤侵蝕模數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于室內(nèi)解譯的流域水平梯田分類

3.1.1 按面積分級的梯田數(shù)量統(tǒng)計 在ArcGIS下對1 319塊梯田斑塊面積按照0～0.5 hm2(包含0.5)，0.5～1 hm2(包含1) 等分級，進行面積和塊數(shù)統(tǒng)計分析。圖4表明，梯田面積在分級統(tǒng)計上表現(xiàn)出單峰下降的冪函數(shù)分布態(tài)勢。面積≤0.5 hm2的梯田塊數(shù)最多，為369塊，占梯田總數(shù)的比例為28.0%；0.5～1 hm2間的梯田數(shù)309塊，占比23.4%；1～2 hm2的273塊，占比20.7%。面積≤4 hm2的梯田塊數(shù)占梯田總數(shù)量的91.4%，說明受地形特征影響，岔巴溝流域修建梯田面積以≤4 hm2規(guī)模為主。隨著梯田面積增大，梯田斑塊數(shù)量迅速減少。

圖4 岔巴溝流域不同面積分級梯田斑塊數(shù)量及頻率分布

圖5表明，岔巴溝流域梯田面積表現(xiàn)出雙峰型特征，分別在1～2 hm2，10～15 hm2面積級別上形成2個分布峰?！? hm2的梯田面積約占岔巴溝流域梯田總面積的1/2(50.7%)。聯(lián)系圖4和圖5表明，岔巴溝流域梯田在數(shù)量和面積上均以≤4 hm2規(guī)模為主。

圖5 岔巴溝流域不同面積分級上梯田面積總和及比例

3.1.2 各類型的梯田數(shù)量統(tǒng)計 根據(jù)野外調(diào)查和Google Earth影像進行對比，對1 319塊梯田的屬性進行確認，區(qū)分它們的利用方式并統(tǒng)計面積、個數(shù)及比例。該地區(qū)的梯田類型大致為新機修梯田、老梯田農(nóng)地、老梯田草地、老梯田喬木、老梯田灌木和隔坡梯田六大類。從面積上看，新機修梯田，老梯田農(nóng)地和老梯田草地各約占1/3，分別占梯田總面積的30.78%，36.73%和25.78%；老梯田喬木較少，占總面積的6.53%。從數(shù)量來看，老梯田農(nóng)地和老梯田草地的塊數(shù)最多，占梯田總塊數(shù)的79.30%，其中老梯田農(nóng)地占40.11%，老梯田草地占39.20%；新機修梯田和老梯田喬木數(shù)量較少，分別占13.87%和6.44%(表1)。

表1 岔巴溝流域各類型梯田面積、個數(shù)及比例

3.2 流域梯田損毀情況調(diào)查及分析

3.2.1 梯田損毀形式 經(jīng)過野外調(diào)查，將暴雨造成的梯田損毀形式分為以下4種：表層結(jié)皮脫落、田埂滑塌崩塌，田埂沖毀、田面陷穴穿洞。

(1) 表層結(jié)皮脫落。主要發(fā)生于老梯田喬木和老梯田草地上。梯田田埂坡面在暴雨沖刷下發(fā)生大面積表皮滑塌，表皮基本全部損毀，深度2～3 cm，嚴(yán)重的整塊梯田表皮全部沖刷滑塌(圖6)。

(2) 田埂滑塌崩塌。主要發(fā)生在老梯田上，部分發(fā)生在新機修梯田上。老梯田田埂在暴雨的沖刷下，由于表層硬殼脫落，內(nèi)填土因降雨自重增加而發(fā)生滑塌崩塌，為直線型。還有部分因為田面不平，地勢低洼處產(chǎn)生積水，達到臨界點之后發(fā)生大面積滑坡，為拋物線型。新機修梯田田埂上部為斜坡，岸草茂密，下部分為機修時挖出的豎直田埂，土質(zhì)疏松，降雨時外層土易與內(nèi)層土剝離，如圖7所示。

圖6 老梯田田埂表皮結(jié)皮脫落(郭晉偉于2017年10月拍攝)

圖7 田埂滑塌崩塌(郭晉偉于2017年10月拍攝)

(3) 田埂沖毀。在各梯田上均有發(fā)生。老梯田因為缺少人為管護田埂上的地勢低點在降雨中易被沖毀，多次降雨后形成深切溝道，并逐漸擴大，遇到大暴雨，大量雨水從溝道流下，發(fā)生更劇烈的侵蝕。老梯田草地和老梯田喬木有部分因為人類放牧，羊在田埂上造成數(shù)量極大地踩踏破壞，降雨時更容易沖刷造成破壞。老梯田農(nóng)地由于人為耕種，田面不平，容易形成地勢低點，在暴雨時造成破壞。新機修梯田上，由于機械耕作時填土不均或者對田埂造成破壞，使田埂土質(zhì)疏松，暴雨時易被沖毀，并且由于側(cè)坡太長，坡面徑流沖刷厲害，造成嚴(yán)重的侵蝕(圖8)。

圖8 田埂沖毀(何亮于2017年10月拍攝)

(4) 田面陷穴穿洞。主要發(fā)生在老梯田農(nóng)地和新機修梯田上，并且更容易造成田埂滑塌崩塌和沖毀。在梯田修建時，有的地方因為缺土少土，夯打不實，形成地勢低點，徑流匯集，加上黃土自重形成陷穴。由于田岸相對內(nèi)層土土質(zhì)疏松，離田岸近的陷穴更容易形成穿洞，進一步形成切溝，使梯田斷開，造成劇烈侵蝕。還有一部分由樹木引起，在降雨時，土壤自重加上樹木的重量更容易形成陷穴，深度可達1～2 m，在岸邊的樹更容易引起田埂沖毀(圖9)。

圖9 田面陷穴穿洞(郭晉偉于2017年10月拍攝)

3.2.2 不同類型梯田損毀情況 經(jīng)過6 d的實地調(diào)查測量，共獲取27塊梯田的數(shù)據(jù)，其中新機修梯田8塊、老梯田農(nóng)地5塊、老梯田喬木4塊、老梯田草地8塊、老梯田灌木1塊、隔坡梯田1塊，具體調(diào)查情況見表2和表3。6類梯田類型中，由于新機修梯田的田埂防護較好，侵蝕坑發(fā)生頻次最少，僅為5處/100 m，見表2。但是由于時間短，沒有形成一定的發(fā)生層次，土質(zhì)疏松，產(chǎn)生的侵蝕坑體積無論從平均值還是最大值均為最大，侵蝕坑切割田面最深可達480 cm。老梯田農(nóng)地、老梯田喬木和老梯田草地侵蝕情況基本為同一水平。老梯田農(nóng)地田埂由于人為防護不力，侵蝕坍塌崩坍等現(xiàn)象較為頻繁，侵蝕坑密度為20處/100 m。其年代較長，土層較實，侵蝕坑體積相對較?。挥胁糠謪^(qū)域由于常年耕作導(dǎo)致梯田臺面土壤分布不均，低洼缺土處侵蝕劇烈，侵蝕坑巨大，切割田面深度最大可達300 cm。老梯田草地因為人為破壞或者人為看護不力，侵蝕坑數(shù)量較多，侵蝕坑密度為36處/100 m。由于草皮植被防護，侵蝕坑體積相對較小，多以田埂表層結(jié)皮脫落為主；但是人為破壞嚴(yán)重的地方侵蝕劇烈，侵蝕坑最大深度可達240 cm。老梯田喬木條件下侵蝕坑數(shù)量較多。由于植被防護，平均侵蝕坑體積相對較小；但是因為樹木根系汲水的作用，逐漸形成天然低洼地，形成巨大侵蝕，最大深度可達160 cm。老梯田灌木地位于地勢險要處，人類活動痕跡較少，侵蝕輕微，侵蝕坑密度為21處/100 m，侵蝕坑最大深度40 cm。隔坡梯田地處公路邊，放牧嚴(yán)重，羊群踩踏痕跡明顯，侵蝕坑分布密集，為68處/100 m。侵蝕坑平均體積不大，最大深度60 cm。

表2 不同類型梯田調(diào)查的侵蝕坑量測的平均值

表3 不同類型梯田調(diào)查的侵蝕坑量測的深度最大值

3.3 不同類型梯田侵蝕量估算及分析

3.3.1 不同類型梯田損毀體積分析 如圖10所示，從侵蝕坑個數(shù)來看，本次暴雨造成的梯田損毀侵蝕坑大部分為深度0～0.5 m的淺層侵蝕，其中新機修梯田和老梯田農(nóng)地的相對較少，分別占各自侵蝕坑數(shù)量的41.82%和56.10%，老梯田喬木占72.60%，老梯田草地占82.75%，老梯田灌木和隔坡梯田則基本全部為0～0.5 m的淺層侵蝕，分別占100%和96.58%；深度0.5～2 m的侵蝕也占很大比例，新機修梯田占41.82%，老梯田農(nóng)地占43.09%，老梯田喬木占27.40%，老梯田草地占16.59%，隔坡梯田只有3.42%；新機修梯田、老梯田農(nóng)地和老梯田草地還有部分深度2 m以上的侵蝕坑，其中新機修梯田的較多，2～3 m的占13.64%，甚至有3 m以上的侵蝕坑，占總數(shù)的2.73%，老梯田農(nóng)地和老梯田草地的則較少，分別占0.81%和0.66%。

如圖11所示，從侵蝕體積來看，新機修梯田大部分為深度1 m以上的侵蝕坑，占總侵蝕體積的83.95%，其中2～3 m的占54.88%，而深度0～0.5 m的則只有4.15%；老梯田農(nóng)地大部分為0.5～2 m的侵蝕坑，占總侵蝕體積的68.63%，其中0.5～1 m的占41.87%；老梯田喬木的大部分為深度0.5～1 m的侵蝕坑，占總侵蝕體積的89.61%，其中0～0.5 m的和0.5～1 m分別占總侵蝕體積的45.39%和44.25%，深度為1～2 m的則只占10.39%；老梯田草地的大部分為深度0.5～1 m的侵蝕坑，占總侵蝕坑體積的75.03%，深度為1～2 m的占總侵蝕體積的18.87%，深度2～3 m的則只有6.10%；老梯田灌木和隔坡梯田則基本全部為深度0～0.5 m的侵蝕坑，分別占總侵蝕體積的100%和95.26%。

圖11 按侵蝕坑深度分級各類型梯田侵蝕坑損毀體積比例

總體來看，梯田損毀情況受人類活動影響較大，人類活動頻繁的新機修梯田和老梯田農(nóng)地深度1 m以上侵蝕占據(jù)了較大比例，暴雨過后不好修復(fù)，甚至繼續(xù)擴大，發(fā)展為溝蝕；老梯田喬木、老梯田草地、老梯田灌木和隔坡梯田侵蝕深度1 m以下的占據(jù)了較大比例，多為面狀侵蝕。

3.3.2 不同類型梯田侵蝕模數(shù)估算及分析 由表4看出，從侵蝕模數(shù)來看，隔坡梯田平均侵蝕模數(shù)最大，達到122 525.6 t/km2。老梯田農(nóng)地、草地和喬木條件下侵蝕模數(shù)均在30 000 t/km2水平，新機修梯田為20 000 t/km2，老梯田灌木最小，為6 000 t/km2左右。通過加權(quán)平均數(shù)求得梯田的平均侵蝕模數(shù)為30 733.4 t/(km2·a)。老梯田不同利用中，草地利用類型的侵蝕量最大，其次為老梯田喬木和老梯田農(nóng)地。這是由于老梯田農(nóng)地人為破壞嚴(yán)重，田埂看護不利，容易形成大量侵蝕坍塌。老梯田上形成沖毀后，進一步發(fā)展為切溝，使梯田田面斷開，又因為補修困難，侵蝕逐年擴大，進而對下部的梯田田塊造成破壞。暴雨來時無防護，引起大量的梯田損毀。老梯田草地田埂滑塌嚴(yán)重，基本全部沖毀，雖然大塊侵蝕很少，但是數(shù)量龐大，侵蝕量較大，田埂損毀長度達到95%以上。老梯田喬木因為樹木原因，更容易形成陷穴和田埂破壞，但是因為造成了地勢低點，侵蝕數(shù)量相對減少，侵蝕量相對較低。

新機修梯田田埂上部為斜坡，岸邊草被茂密，暴雨過程中減少徑流沖刷保護了田埂。然而新機修梯田單個坍塌處侵蝕量極大，坍塌體高可達5～7 m，深和寬可達3～5 m，造成幾十方的土方損毀，但是由于數(shù)量極少，侵蝕量最小。

表4 不同類型梯田調(diào)查的侵蝕模數(shù)估算 t/km2

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

(1) 受地形特征影響，岔巴溝流域修建梯田面積以≤4 hm2規(guī)模為主，數(shù)量上占91.4%，面積上占50.7%。新機修梯田、老梯田農(nóng)地和老梯田草地各約占流域內(nèi)水平梯田總面積的1/3。老梯田農(nóng)地和老梯田草地的塊數(shù)最多，分別占40.11%和39.20%，新機修梯田和老梯田喬木數(shù)量較少。

(2) 特大暴雨造成的梯田損毀形式總結(jié)有田埂表層結(jié)皮脫落、田埂滑塌崩塌、田埂沖毀、田面陷穴穿洞4種。

(3) 新機修梯田由于人為看護較好，侵蝕坑發(fā)生頻率最低，為5處/100 m，但是由于土體夯壓不實，低處易形成侵蝕坑，侵蝕坑深平均1 m，最大深度4.8 m，對梯田形成毀滅性損失。老梯田農(nóng)地、草地和喬木的侵蝕坑發(fā)生頻率為20～36處/100 m，侵蝕坑平均深0.3～0.6 m。老梯田灌木和隔坡梯田大部分為深度0～0.5 m的侵蝕坑，老梯田灌木由于人類活動極少，侵蝕坑頻率較低，隔坡梯田由于放牧嚴(yán)重，侵蝕坑頻率最高。

(4) 流域內(nèi)梯田的平均侵蝕模數(shù)為30 733.4 t/km2。其中，老梯田農(nóng)地、草地和喬木條件下侵蝕模數(shù)均在30 000 t/km2水平；新機修梯田為20 000 t/km2；老梯田灌木最小，為6 000 t/km2左右；受放牧等的影響，隔坡梯田的平均侵蝕模數(shù)最大，達到122 525.6 t/km2。

需要說明的是，在具體測量過程中，受暴雨及徑流沖刷，梯田田埂破壞嚴(yán)重，無法辨認損毀部位的新舊情況，因此直接測量侵蝕坑的體積并全部計入本次暴雨造成的損毀情況中，可能會導(dǎo)致估算得到的土壤侵蝕模數(shù)偏高。

4.2 建 議

(1) 增加人為管護。在梯田防護中，人為管護有著極大地作用，有人為管護的田埂侵蝕數(shù)量明顯減少，缺少人為管護的田埂侵蝕嚴(yán)重。應(yīng)當(dāng)定期檢查梯田田埂，做好田壟，在侵蝕嚴(yán)重的地方適當(dāng)補土，阻止或減緩侵蝕擴大。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)由于田埂管護得當(dāng)，部分梯田農(nóng)地安然無恙，損失較小。

(2) 減少或禁止放牧。放牧對梯田的危害極大，放羊過度的地方田埂破壞嚴(yán)重，對暴雨的抵抗力明顯減弱，暴雨來時極易形成損毀。

(3) 多建機修梯田。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，機修梯田田面寬，耕作方便，對暴雨的抵抗力也強。在機修梯田修建時應(yīng)當(dāng)注意田面平整，避免出現(xiàn)低洼處，田埂要夯打堅實。

(4) 注意植樹方法。在梯田上植樹應(yīng)注意選擇灌木樹種，避免樹木過重帶動黃土下陷。植樹位置應(yīng)當(dāng)選擇田面中間或內(nèi)部，不宜在田岸邊植樹，避免樹木下陷徑流沖刷形成損毀。