小開(kāi)河引黃灌區(qū)泥沙堆積區(qū)綜合治理的蓄水效應(yīng)評(píng)價(jià)

王景元，劉翠莉，李 雪，王 力，鮑建平

（1.濱州市小開(kāi)河引黃灌溉管理局，山東濱州 256613；2.東營(yíng)市水利局，山東東營(yíng) 257091）

小開(kāi)河引黃灌區(qū)（117°42′～118°04′E，37°17′～38°03′N）位于黃河下游利津水文站上游60 km 處，處于黃河三角洲腹地，屬黃河沖積平原。灌區(qū)為半干旱、半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均降水量584 mm，6—9月平均降水量為457 mm，占全年的78.25%；多年年均水面蒸發(fā)量為1 154 mm；多年年均氣溫為12.3 ℃，極端最低氣溫為-22.7 ℃，極端最高氣溫為40.8 ℃；多年年均無(wú)霜期為210 d，年光照時(shí)數(shù)為2 400～2 700 h。

小開(kāi)河引黃灌區(qū)采取長(zhǎng)距離輸沙技術(shù)，沉沙池建在距離渠首51.3 km 處，采取集中沉沙、以挖待沉方法。由于年年清淤30 萬(wàn)m3，66.1 hm2的棄土場(chǎng)堆積了大量泥沙，因缺乏植被保護(hù)，土地沙化和水土流失現(xiàn)象特別嚴(yán)重。2011年進(jìn)行了水土保持治理并開(kāi)展了跟蹤監(jiān)測(cè)。填筑擋土壩圍堰長(zhǎng)8.89 km，將棄土場(chǎng)分割成12 個(gè)長(zhǎng)200～300 m、寬200～250 m 的網(wǎng)格池，既作為清淤時(shí)的排淤圍堰，又作為綠化平臺(tái)。圍堰頂寬3 m、高2.5 m、邊坡1∶2，種植刺槐、草皮；網(wǎng)格池內(nèi)土地平整，種植楊樹(shù)、大豆、花生。

1 監(jiān)測(cè)方法

1.1 樣地設(shè)置與樣品采集

以不同工程措施及配套生物修復(fù)措施下的典型植被為研究對(duì)象，并以侵蝕區(qū)內(nèi)的裸地作為對(duì)照，主要分析不同植被類型下的防風(fēng)固沙、蓄水保土功能。

在侵蝕區(qū)內(nèi)選取典型工程技術(shù)及配套生物修復(fù)措施下的不同樣地，具體樣地類型見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)樣地概況

選取楊樹(shù)+花生農(nóng)林間作和大豆農(nóng)田作為研究對(duì)象，同時(shí)選取棄土場(chǎng)外圍擋土壩上的刺槐純林作為研究對(duì)象，并以該區(qū)的裸地作為對(duì)照。

侵蝕區(qū)內(nèi)，在各植被類型標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)分別選取200～300 m2不等的標(biāo)準(zhǔn)樣地3 個(gè)，在各樣地內(nèi)按S形均勻布設(shè)4個(gè)試驗(yàn)樣點(diǎn)，分0～20、20～40 cm兩層進(jìn)行分層采樣，土壤樣品風(fēng)干后測(cè)定土壤理化性質(zhì)。

1.2 土壤水文物理參數(shù)測(cè)定

以烘干法測(cè)定土壤含水量；以環(huán)刀浸水法測(cè)定土壤容重、孔隙度等，并計(jì)算蓄水量等各項(xiàng)水文物理指標(biāo)。以單環(huán)滲透筒法測(cè)定不同時(shí)段的土壤入滲率，并制作入滲過(guò)程曲線，應(yīng)用Horton入滲模型和通用（一般）入滲模型擬合灌溉后的土壤入滲過(guò)程，求解初滲率、穩(wěn)滲率等入滲特征參數(shù)。

霍頓（Horton）公式為：

式中：f 為入滲率（mm/min）；f0為初滲率（mm/min）；fc為穩(wěn)滲率（mm/min）；t 為入滲時(shí)間（min）；k 為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

通用經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：a，b，n均為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；其他符號(hào)意義同上。

一定土層深度內(nèi)的土壤毛管蓄水量、非毛管蓄水量和飽和蓄水量計(jì)算公式分別為：

式中：Wc，Wnc和Wt分別為土壤毛管蓄水量、非毛管蓄水量和飽和蓄水量（t/hm2）；Pc，Pnc和Pt分別為毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度（%）；h為計(jì)算土層深度（m），本研究按0.2 m深度計(jì)算。

2 清淤棄土區(qū)不同植被類型蓄水效應(yīng)

2.1 清淤棄土區(qū)不同植被類型改良土壤物理性狀

由表2 可知，在清淤棄土區(qū)，刺槐純林、楊樹(shù)＋花生農(nóng)林間作和農(nóng)作物大豆的土壤容重均值均低于裸地，該區(qū)土壤容重均值大小順序?yàn)椋捍蠖狗N植區(qū)＜刺槐種植區(qū)＜花生＋楊樹(shù)種植區(qū)＜裸地。與裸地相比，刺槐林、楊樹(shù)＋花生農(nóng)林間作、大豆容重均值分別降低22.00%、21.00%和31.00%。不同植被類型土壤總孔隙度、毛管孔隙度、孔隙比均值的變化趨勢(shì)相同，大小順序表現(xiàn)為：大豆種植區(qū)＞刺槐種植區(qū)＞花生＋楊樹(shù)種植區(qū)＞裸地。與裸地相比，刺槐、楊樹(shù)＋花生農(nóng)林間作和農(nóng)作物大豆總孔隙度均值上升了16.93%、13.77%和31.44%，刺槐種植區(qū)、楊樹(shù)＋花生種植區(qū)和大豆種植區(qū)毛管孔隙度均值上升了16.85%、13.14%和30.39%；農(nóng)作物大豆種植區(qū)的孔隙比最大，其次為刺槐純林種植區(qū)，而楊樹(shù)+花生農(nóng)林間作種植區(qū)較小。從垂直層次來(lái)看，各植被類型下，土壤表層的土壤容重低于20～40 cm土層，土壤表層的孔隙比較大。

表2 清淤棄土區(qū)不同植被類型的土壤容重和孔隙度

2.2 清淤棄土區(qū)不同植被類型的土壤蓄水性能

由表3可知，在清淤棄土區(qū)，土壤飽和蓄水量均值的大小順序?yàn)椋捍蠖狗N植區(qū)＞刺槐種植區(qū)＞花生＋楊樹(shù)種植區(qū)＞裸地，最大值、最小值分別為113.84、53.46 mm，刺槐、花生＋楊樹(shù)和大豆種植區(qū)飽和蓄水量均值分別是裸地的1.59、1.47 和2.13 倍。毛管最大蓄水量、非毛管最大蓄水量與飽和蓄水量變化趨勢(shì)相同，刺槐純林、花生＋楊樹(shù)農(nóng)林間作和農(nóng)作物大豆的毛管最大蓄水量均值分別是裸地相對(duì)應(yīng)均值的1.67、1.53 和2.2 倍，非毛管最大蓄水量分別是裸地的1.16、2.25和3.11倍。各植被類型下，土壤飽和蓄水量和毛管蓄水量多表現(xiàn)為土壤表層高于20～40 cm土層，而非毛管蓄水量則相反。

表3 清淤棄土區(qū)不同植被類型的土壤蓄水指標(biāo)

在清淤棄土區(qū)，土壤含蓄降水量均值的大小順序?yàn)椋捍蠖狗N植區(qū)＞刺槐種植區(qū)＞花生＋楊樹(shù)種植區(qū)＞裸地，與裸地相比，刺槐、花生＋楊樹(shù)種植區(qū)含蓄降水量均值分別上升了58.15%、42.53%。有效蓄水量均值的大小順序?yàn)椋捍袒狈N植區(qū)＞花生＋楊樹(shù)種植區(qū)＞裸地，與裸地相比，刺槐純林、花生＋楊樹(shù)農(nóng)林間作有效蓄水量均值分別上升了57.99%、41.28%。各植被類型下，土壤涵蓄降水量和有效涵蓄量多表現(xiàn)為土壤表層高于20～40cm土層。

3 清淤棄土區(qū)不同植被類型的土壤滲透性能

由圖1和表4可知，在清淤棄土區(qū)，與對(duì)照裸地相比，刺槐純林、花生＋楊樹(shù)農(nóng)林間作和農(nóng)作物大豆種植區(qū)土壤的初滲速率分別提高了16.78、32.27 和10.33 倍，表明不同植被恢復(fù)措施增強(qiáng)了土壤對(duì)降水的初始入滲性能，并且楊樹(shù)+花生農(nóng)林間作對(duì)土壤的改善效果最好。采用Horton 和通用經(jīng)驗(yàn)入滲模型進(jìn)行擬合分析（結(jié)果見(jiàn)表4），2 種模型均能夠反映滲透曲線的變化特征，其滲透曲線變化趨勢(shì)一致，可分為3 個(gè)階段，即滲透初期、漸變階段、平穩(wěn)階段。采用Horton 模型時(shí)，fc值在0.505～16.296 mm/min，與實(shí)測(cè)值比較接近，k 值在0.195～0.699。而通用模型b值均為負(fù)值，遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)穩(wěn)滲率，結(jié)合相關(guān)系數(shù)、實(shí)測(cè)初始入滲率、穩(wěn)滲率值綜合分析，可以看出Horton 模型擬合結(jié)果比通用模型更接近實(shí)測(cè)值，這表明Horton 模型比較適用于描述清淤棄土區(qū)不同植被類型的土壤入滲特征。

表4 清淤棄土區(qū)不同植被類型土壤入滲的模型擬合

圖1 清淤棄土區(qū)不同植被類型的土壤入滲曲線

4 小結(jié)

在清淤棄土區(qū)，植被恢復(fù)措施能夠明顯改善土壤物理性質(zhì)和蓄水性能，表現(xiàn)為土壤容重降低、孔隙度增大，其中農(nóng)作物大豆改良效果最好，其次為刺槐純林，而楊樹(shù)+花生農(nóng)林間作較差。但楊樹(shù)+花生種植區(qū)的土壤入滲性能得到明顯改善，而農(nóng)作物大豆相對(duì)較差。