长江中上游不同坡改梯方式生态效益研究

邓嘉农,唐春霞,何丙辉

(1.长江流域水土保持监测中心站,湖北武汉 430010;2.西南大学资源环境学院三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400715)

长江中上游不同坡改梯方式生态效益研究

邓嘉农1,唐春霞2,何丙辉2

(1.长江流域水土保持监测中心站,湖北武汉 430010;2.西南大学资源环境学院三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400715)

坡改梯;水平梯地;坡式梯地;生态效益;长江中上游

在重庆开县芋子沟小流域和渝北区木耳镇后河小流域设置试验小区,根据观测资料,分析不同坡改梯方式梯地的生态效益。结果表明,在产流产沙方面,均表现为休闲地小区 ＞坡耕地小区 ＞20°坡式梯地小区 ＞15°坡式梯地小区 ＞水平梯地小区,这说明坡改梯梯地与坡耕地、休闲地相比,具有明显的水土保持效果。在不同坡改梯方式中水平梯地的保土效果最优,产沙量比 15°坡式梯地、20°坡式梯地分别少 78.95%、81.25%,而后两者则相差不大。在改善土壤养分方面,水平梯地和坡式梯地相比,总体表现为水平梯地略优于 15°坡式梯地,15°坡式梯地优于 20°坡式梯地。

长江流域现有坡耕地 10.7万 km2,年土壤侵蚀量 8.0亿 t,约占流域年土壤侵蚀总量的 1/3[1]。坡耕地水土流失严重,迫切需要进行综合治理,而坡改梯是坡耕地治理中的一项重要的措施。为研究长江中上游地区适宜的坡改梯方式,笔者设置试验小区,对比休闲地、坡耕地,分析不同坡改梯梯地的生态效益,以期为指导坡耕地治理、发展农业生产提供理论依据[2-3]。

1 研究方法

1.1 试验小区

试验地点选在重庆开县芋子沟小流域和渝北区木耳镇后河小流域。芋子沟小流域和后河小流域基本情况相近,均位于低山丘陵区,属亚热带季风气候区,年均气温 10.8～18.5℃,年降水量 1 150.7～1 385.0 m m,降水主要集中在每年的 5—10月。

依据试验需要布置试验小区,共设5个小区,包括 3个坡度不同的坡改梯小区,1个坡耕地小区和 1个休闲地小区作为对照,各小区的立地条件、土壤状况等基本一致,其基本情况见表1。

1.2 试验方法

(1)地表径流量和产沙量的测定方法。采用径流小区法进行试验小区蓄水保土基础效益的监测。标准径流小区水平投影面积 100m2,即宽 5 m(与等高线平行)、长 20m(顺坡面水平投影方向),由坡面、挡水墙、集水槽、导水管和量水池几部分组成,在量水池中安装自记水位计,可以观测降雨过程中径流小区内产流、产沙的变化情况。根据非标准小区样地的实际情况,在样地外围修筑混凝土结构的引水沟,将样地内的径流汇集到样地最低处,在最低处开挖一容积为 3 m3的方形蓄水池(长 2 m、宽 1.5 m、高 1m),用于降雨时蓄积地表径流。降雨时要用盖子将蓄水池盖上,避免天然降雨直接落入影响测量精度。记录每次降雨的降雨量及产生的径流量,将蓄水池中积蓄的水搅拌均匀后再采集水样,将水样用已烘干并称重的滤纸过滤,然后将滤纸和泥沙恒温烘干和称量,以测定单位体积径流的含沙量。根据每次降雨的径流量计算小区土壤侵蚀量,并换算成单位面积土壤侵蚀量。

表 1 试验小区基本情况

(2)土壤理化性状测定。土壤采样时间为雨季结束后的 10月下旬,在各试验小区按 S形设置采样点,用梅花 5点取样法采集耕作层(0～30 c m)土样,重复采样 3次作为分析土样,分别对其进行理化性状测定,取其平均值。测试方法均为常规农化分析方法[4]。

2 结果与分析

2.1 次降雨条件下的产沙量

在相似的次降雨条件下,选取两个小流域不同试验小区单位面积的产沙量,结果见表 2。由表 2知,在次降雨条件下,不同坡改梯方式对产沙量的影响是明显的。比较相同坡度(15°)的 T1(休闲地小区)、T2(坡耕地小区)、T4(15°坡式梯地小区)的泥沙量,T1和 T2的产沙量明显高于 T4。究其原因:第一,降雨会导致土壤溅蚀,破坏土壤表层结构,虽然休闲地没有受到太大的人为干扰,地表也有一部分结皮,但是其植被覆盖率低、根系不发达,不能削弱雨滴对地表土壤的打击力,也不能有效拦截地表的径流和泥沙;第二,由于采取了顺坡耕作方式,坡耕地耕作造成的沟道为径流冲刷土壤提供了通道,因此产生的泥沙量较大;第三,坡式梯地的产沙量最小,这与坡式梯地可以减缓坡度、缩短坡长、减缓径流速度有关。根据经典的坡面径流能量公式——拉尔(R.L a l)式,坡面单位面积的径流能量 E=Q L ρ s i n θ(θ为坡面倾角;Q为单位面积的径流量;L为坡长;ρ为水的密度)。由上述公式知,减缓坡面倾角和缩短坡长都能有效减少径流能量,而径流在土壤侵蚀过程中起着携带、运移土壤颗粒的作用,因此径流能量的大小会直接影响其搬运土壤的能力,径流能量越大可以搬运的土壤颗粒就越大,数量也越多。从表 2可以看出,坡改梯后由于坡面倾角减缓、坡长缩短,径流能量变小,梯地的减沙效果明显。

表 2 次降雨条件下各试验小区产沙量

对比不同坡度的坡式梯地小区——T3(水平梯地小区)、T4(15°坡式梯地小区)、T5(20°坡式梯地小区),其产沙量分别为1.2、5.7、6.4 k g/hm2,其中 T3的产沙量相比 T4、T5要少78.95%、81.25%,T4、T5的产沙量则相差不大。上述结果说明相比坡式梯田,水平梯田的保土效果更优。

2.2 次降雨条件下的地表径流量

在相似的次降雨条件下,选取两个小流域不同试验小区单位面积的径流量,结果见表 3。由表 3知,在相似次降雨条件下,不同试验小区产生的地表径流量是不一样的。地表径流量T1(休闲地小区)＞T2(坡耕地小区)＞T5(20°坡式梯地小区)＞T4(15°坡式梯地小区)＞T3(水平梯地小区),说明地表径流量与坡改梯方式相关,其中水平梯地径流量最小,15°坡式梯地次之,休闲地的径流量最大。休闲地由于地表植被覆盖率较低,土壤侵蚀严重,表层土壤粗骨化,并有部分结皮,不能有效拦截水分,所以径流量最大;坡耕地作为农用地经常翻耕,导致土壤过于松散,土粒之间黏结力较差,不能抵御雨滴溅蚀和地表径流冲刷,因此抗侵蚀能力不强,水土保持功能较差,径流量较大;梯地具有良好的水土保持功能,由于坡改梯改变了坡面微地形,减缓了地表径流,并通过截水沟和排水沟将地表径流排走,有效防止了地表径流在梯地表面漫流,因此相比对照小区,3种坡改梯小区的径流量较小。3种坡改梯小区中水平梯地的径流量小于 15°坡式梯地,15°坡式梯地的径流量又小于 20°坡式梯地,这说明同为坡改梯小区,水平梯地的保水效果比坡式梯地要好。另外,结合表 2、表 3知,15°坡式梯地小区的径流量仅比水平梯地小区多 17.26%,其泥沙量却是水平梯地小区的4.75倍,可见由于坡度的问题,坡式梯地径流具有更大的携沙能力。

表3 次降雨条件下各试验小区径流量

2.3 物理性状对比

土壤物理性状反映了土壤的保水能力,其中土壤容重反映了土壤松紧程度,容重小表示土壤疏松多孔、结构性良好,反之则表示土壤紧实板结;土壤孔隙一般用孔隙度表示,即单位土壤容积内孔隙所占的百分数,反映了土壤的通透性[5];土壤含水率则反映了土壤的持水能力。各试验小区表层土壤的容重、孔隙度及含水率见表 4。

表4 各试验小区土壤物理性状对比

一般情况下,土壤容重小说明土壤孔隙多、比较疏松、结构性好,因此容重是反映耕作质量的重要指标[6]。由表 4知,水平梯地、坡式梯地小区的土壤物理性状均优于没有采取水土保持措施的休闲地和坡耕地。相比坡耕地,水平梯地的土壤容重小 0.40 g/c m3,孔隙度高 9.78百分点,含水率高 3.0百分点;15°坡式梯地土壤容重小 0.31g/c m3,孔隙度高 8.81百分点,含水率高 2.70百分点;20°坡式梯地土壤容重小 0.20 g/c m3,孔隙度高 7.44百分点,含水率高 2.01百分点。

经方差分析,水平梯地与 20°坡式梯地相比,容重、孔隙度、含水率 3个指标的差异均达到显著水平;与 15°坡式梯地相比,除含水率外,容重、孔隙度差异均不明显。综合对比不同坡改梯小区的土壤理化性状,总体表现为水平梯地略优于 15°坡式梯地,15°坡式梯地优于 20°坡式梯地。

2.4 土壤养分对比

各试验小区表层(0～20 c m)土壤养分测定结果见表 5。

表5 各试验小区土壤养分含量

由表 5知,水平梯地、坡式梯地小区土壤养分含量都比没有采取水土保持措施的休闲地和坡耕地小区高。经方差分析,水平梯地、坡式梯地小区土壤养分含量与坡耕地、休闲地小区相比,除全磷外,其他差异均达到了显著水平或者极显著水平。这说明坡改梯改变了地块微地形,将径流顺排水沟排走,减少了土壤养分流失。除全氮含量外,坡耕地小区的土壤养分含量均低于休闲地小区,究其原因,可能是由于休闲地小区覆盖短小杂草,很大一部分降雨沿草皮顶部流失了,只有一小部分径流冲刷到土壤,故虽然休闲地小区底部收集的径流量比坡耕地小区大,但其养分流失量却比坡耕地小区小。

对水平梯地、坡式梯地小区(15°、20°)的土壤养分含量进行比较可知,对于有机质、全钾含量,三者之间无明显差异;对于全氮含量,水平梯地、15°坡式梯地与 20°坡式梯地差异均达到显著水平,水平梯地与 15°坡式梯地之间则无明显差异;对于全磷含量,水平梯地与 20°坡式梯地差异达到显著水平,水平梯地与 15°坡式梯地、15°坡式梯地与 20°坡式梯地则无明显差异。综上所述,水平梯地在保持土壤养分效果方面,尤其是全氮、全磷含量,较坡度较陡的坡式梯地具有一定的优越性,有机质、全钾含量则不具优越性。

3 结果与讨论

(1)相同坡度(15°)的试验小区,单位面积产沙量的大小依次为:T1(休闲地小区)＞T2(坡耕地小区)＞T4(15°坡式梯地小区)。

(2)比较不同坡改梯方式的产沙量,结果为 T3(水平梯地小区)＜T4(15°坡式梯地小区)＜T5(20°坡式梯地小区),其中T3的产沙量分别比 T4、T5少 78.95%、81.25%,T4、T5则相差不大。

(3)不同坡改梯方式产生的径流量是不一样的,表现为 T1(休闲地小区)＞T2(坡耕地小区)＞T5(20°坡式梯地小区)＞T4(15°坡式梯地小区)＞T3(水平梯地小区)。

(4)将 T3(水平梯地小区)与 T4(15°坡式梯地小区)的水土保持效果进行比较可知:T3单位面积径流量为 3.07 L/m2,T4为 3.60 L/m2;T3单位面积产沙量为 0.000 12 k g/m2,T4为0.000 57k g/m2。虽然坡式梯地的水土保持效果没有水平梯地理想,但是其流失量已减少到允许范围内。

(5)在保持养分的效果方面,水平梯地在全氮、全磷含量方面较坡度较陡的坡式梯地具有一定的优越性,而有机质、全钾含量则不具优越性。在改善土壤物理性状方面,水平梯地和坡式梯地相比,总体表现为水平梯地略优于 15°坡式梯地,15°坡式梯地优于 20°坡式梯地。

[1]史立人.长江流域的坡耕地治理[J].人民长江,1999,30(7):25-27.

[2]胡建民,胡欣,左长清.红壤坡地坡改梯水土保持效应分析[J].水土保持研究,2005,12(4):271-273.

[3]陈旭晖,周长华.生物梯化的水土保持措施效应研究[J].水土保持研究,1998,5(2):163-176.

[4]杨剑虹.土壤理化分析[M].北京:中国大地出版社,2008:18-69.

[5]黄昌勇.土壤学[M].北京:中国农业出版社,2000:185-186.

[6]徐宁,吴兆录,李正玲.滇西北亚高山不同土地利用类型土壤容重与根系生物量的比较研究[J].安徽农业科学,2008,36(5):1961-1963.

S 157

A

1000-0941(2011)06-0032-03

邓嘉农(1954—),男,重庆渝中区人,高级工程师,学士,主要从事水土保持监测与规划研究方面的工作。

2011-01-15

(责任编辑 李杨杨)