基于不同耕作方式的小流域坡改梯工程效果分析

鄧寶玉

(本溪市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117000)

山地丘陵區(qū)水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，而坡耕地是引起土壤流失的關(guān)鍵性因素之一，對(duì)坡耕地進(jìn)行改造是防治水土流失的主要治理措施[1]。遼寧省水土保持重點(diǎn)建設(shè)工程的主要內(nèi)容是對(duì)小流域進(jìn)行坡耕地的工程改造，而水平梯田是在坡耕地工程改造中的重要措施。當(dāng)前，對(duì)坡耕地改造的經(jīng)濟(jì)效果研究相對(duì)較多，并且大量工程實(shí)踐表明坡改耕工程措施可明顯提高農(nóng)作物產(chǎn)量，有利于促進(jìn)區(qū)域的蓄水保土作用。胡建民[2]等研究表明坡改梯之后的蓄水和保土效益分別提高67.6%和85.0%；張永濤[3]等研究顯示坡改梯措施實(shí)施后土壤含水量、入滲性和貯水量得到明顯改善，地表徑流量顯著降低；劉志剛[4]等認(rèn)為坡改梯工程可明顯增加土壤養(yǎng)分、提高糧食產(chǎn)量增加農(nóng)民純收入，且對(duì)坡面的徑流量攔蓄能力明顯提高。然而，當(dāng)前坡改梯工程下不同農(nóng)作方式對(duì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)效果的作用影響研究還相對(duì)較少，并未形成較為成熟的理論體系，仍需要進(jìn)一步調(diào)查研究。綜上所述，本文以遼寧省水土保持重點(diǎn)建設(shè)工程項(xiàng)目小流域的坡改梯工程為研究對(duì)象，以農(nóng)作物產(chǎn)量和產(chǎn)值、土壤流失量、土壤物理性能為主要參數(shù)指標(biāo)，通過(guò)水利計(jì)算對(duì)不同耕作方式下梯田的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效果和差異性進(jìn)行研究分析，探討坡改梯工程在不同耕作方式下對(duì)水土保持效果的作用影響[5-7]。

1 研究區(qū)域概況

太子河流域位于遼寧省內(nèi)，屬于國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程項(xiàng)目區(qū)，河流泥沙量較大，受降雨量和人類活動(dòng)影響較為顯著，泥沙含量約為57kg/m3。流域大小支干交錯(cuò)，河道長(zhǎng)359km，占地面積為13258km2。其中，流經(jīng)本溪市境內(nèi)的河長(zhǎng)159km，流域面積為4325km2；屬于溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，日照豐富、溫差大，年降水量約為450～600mm，7～8月為降雨旺季，徑流量約為16.67億km2。流域內(nèi)植被覆蓋率較低，植被類型為落葉闊葉林；地形地貌特征以低山地丘陵、山間河谷平原以及林草灘地為主，且以低山地丘陵區(qū)為主占總流域面積的75%。土壤以棕土壤、褐土和草甸土為主，土質(zhì)疏松物理性能較差，水土流失嚴(yán)重，是太子河泥沙的主要來(lái)源。研究區(qū)域的水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，洪澇災(zāi)害等自然災(zāi)害頻發(fā)，在全國(guó)水土保持規(guī)劃中的重點(diǎn)治理范圍之內(nèi)[8]。

2 研究方法

本文結(jié)合研究流域的實(shí)際狀況選擇太子河本溪市境內(nèi)某小流域修筑的土坎梯田，在2016年對(duì)試驗(yàn)樣地采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、農(nóng)戶訪問(wèn)調(diào)查等方式對(duì)坡改梯工程實(shí)施后不同耕作方式的水土保持生態(tài)經(jīng)濟(jì)效果進(jìn)行研究分析。所選取的坡改梯工程，在配套設(shè)施、類型規(guī)格以及耕作栽培方式等方面具有一定的代表性和合理性。

表1 在3種耕作方式下梯田的參數(shù)特征值

表2 不同耕作方式下梯田的土壤和養(yǎng)分流失量計(jì)算結(jié)果

2.1 土壤和養(yǎng)分流失量測(cè)定

本文對(duì)不同耕作方式下梯田的田間土壤流失量觀測(cè)采用沉砂池泥沙測(cè)量法進(jìn)行估算，結(jié)合小流域坡改梯工程的實(shí)際情況，可利用修建的土坎水平梯田橫向排水溝沉砂池進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，在3類耕作方式下梯田的有關(guān)參數(shù)特征見(jiàn)表1。

坡改梯工程實(shí)施后在田埂和田坎重新種植農(nóng)作物，導(dǎo)致本田面順坡傾斜和水土流失，本文將此梯田稱為坡耕梯田，并將此類型耕作方式稱為埂坎耕作。

本研究選取在2016年5～12月不同耕作方式下梯田的土壤流失量進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)測(cè)試開(kāi)始之前，對(duì)坡耕地設(shè)置2個(gè)沉砂池，對(duì)林果梯田和農(nóng)作物梯田設(shè)定5個(gè)沉砂池，且沉砂池分別與每階梯田集水區(qū)相互對(duì)應(yīng)。測(cè)定主要過(guò)程為將沉砂池的泥沙清洗干凈，并對(duì)上游控制梯田集水區(qū)面積以及每一沉砂池的梯級(jí)進(jìn)行測(cè)量；在產(chǎn)流產(chǎn)沙降雨過(guò)后，分別對(duì)各個(gè)沉砂池進(jìn)行取樣測(cè)定其含泥量并作為田間土壤流失量；通過(guò)對(duì)沉砂池中泥沙進(jìn)行若干個(gè)樣品取樣，并利用土壤農(nóng)化分析法對(duì)樣品土壤的養(yǎng)分元素含量進(jìn)行測(cè)定，如采用外加熱氧化重鉻酸鉀法對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行測(cè)定、采用堿解擴(kuò)散法對(duì)水解氮進(jìn)行測(cè)定、利用火焰光度法對(duì)速效鉀進(jìn)行測(cè)定、采用鹽酸-硫酸浸提法對(duì)有效磷進(jìn)行提取[9]。綜上所述，在不同耕作方式下梯田的單位面積土壤流失量和養(yǎng)分流失量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

2.2 土壤水文物理性能指標(biāo)測(cè)定

本文結(jié)合研究小流域?qū)嶋H概況，選取了9個(gè)典型(3階梯田×3個(gè)的測(cè)試樣點(diǎn))，對(duì)不同耕作方式下的土壤物理性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定土壤標(biāo)稱為0～20cm。其中土壤含水量的測(cè)定法選取烘干法進(jìn)行、入滲率則選用單環(huán)滲透法、孔隙度利用環(huán)刀法進(jìn)行測(cè)定、土壤顆粒的分形維數(shù)采用LS133320型激光粒度儀進(jìn)行測(cè)定，并選取2塊未經(jīng)治理的坡耕地(花生地)為試驗(yàn)對(duì)比參照組，該對(duì)照組土壤厚度為30cm、坡度為15°、耕地面積為450～550m2、土壤物理性能指標(biāo)測(cè)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

2.3 水土保持生態(tài)經(jīng)濟(jì)指數(shù)計(jì)算

本文利用土壤流失量估算與典型農(nóng)戶調(diào)查相結(jié)合的方法對(duì)小流域的坡改梯工程在不同農(nóng)作方式下的單位面積農(nóng)作物和林果產(chǎn)量進(jìn)行估算，并取3家農(nóng)戶在同一耕作方式下的平均農(nóng)產(chǎn)值為調(diào)查結(jié)果，以2016年市場(chǎng)價(jià)對(duì)單位面積經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值進(jìn)行估算。結(jié)合生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)等參數(shù)指標(biāo)，引入水土保持生態(tài)經(jīng)濟(jì)指數(shù)Ec進(jìn)行經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值和土壤流失量的比值計(jì)算，計(jì)算公式如下：

Ec=Eo/Se

(1)

式中，Eo—單位面積經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值，元/hm2；Se—單位面積土壤流失量，t/hm2；Ec—單位面積農(nóng)作物或果樹(shù)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值與土壤流失量的比值，元/t，是表征土壤流失與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出之間相互作用關(guān)系的重要參數(shù)指標(biāo)，其值的大小代表了生態(tài)經(jīng)濟(jì)的耦合效益程度，值越大則經(jīng)濟(jì)效益越高或土壤流失量越小，水土保持工程的實(shí)施效果就越好。

表3 不同耕作方式下田間土壤物理性能指標(biāo)測(cè)定結(jié)果 %

3 結(jié)果與分析

3.1 不同耕作方式梯田的土壤與養(yǎng)分流失量

由表2的計(jì)算結(jié)果可知，在不同耕作方式下梯田的單位面積土壤流失量和養(yǎng)分流失量存在明顯的差異性。以埂坎耕作方式的梯田土壤流失量15.38t/hm2和土壤養(yǎng)分中有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等元素為基礎(chǔ)值的100%，則壟溝耕作和田間免耕梯田的土壤流失量分別為3.52和1.15t/hm2，其相對(duì)值分別為22.9%和7.5%，土壤養(yǎng)分中有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀元素的流失量相對(duì)值分別在22.4%～28.0%(平均值為25.2%)和7.9%～14.7%(平均值為11.3%)的范圍內(nèi)。研究表明，田間免耕的耕作方式在坡改梯工程實(shí)施后可明顯增大對(duì)土壤和養(yǎng)分流失的控制能力，其作用效果明顯優(yōu)于田間壟溝耕作；同理，當(dāng)梯田工程遭到不利影響時(shí)，田間免耕所引起的土壤和養(yǎng)分流失量則會(huì)明顯增加。例如埂坎耕作方式的土壤流失量分別是溝壟耕作和田間免耕方式的4.4和13.3倍。

3.2 不同耕作方式的土壤水文物理性能

研究表明，作物梯田和林果梯田能明顯提高土壤物理性能各參數(shù)指標(biāo)，本文所測(cè)試的6項(xiàng)土壤物理指標(biāo)相對(duì)于順坡耕作均有不同程度的改善[10]。田間免耕和壟溝耕作方式下的前3項(xiàng)指標(biāo)的提高幅度明顯大于其他耕作方式，顆粒分形維數(shù)的提高幅度在35%以上，而毛管孔隙度提高幅度均大于40%。研究表明，坡改梯工程實(shí)施后土壤保持水土能力得到明顯改善，土壤中黏粉粒含量比重得到顯著的增加。根據(jù)表3中的測(cè)量計(jì)算結(jié)果，田間免耕對(duì)土壤物理性質(zhì)的改善程度大于壟溝耕作方式，如以坡耕地土壤各物理指標(biāo)為基礎(chǔ)值100%，則田間免耕和壟溝耕作方式下土壤的總孔隙度分別為134.9%和128.8%、土壤穩(wěn)滲濾為111.6%和107.0%。同理，埂坎耕作方式在梯田工程受到破壞或開(kāi)發(fā)后，其土壤物理性能的降低程度也會(huì)最大。如相對(duì)于坡耕地的總孔隙度和毛管孔隙度的100%，坡耕梯田分別為104.2%和111.1%，相比田間免耕的134.9%和140.7%明顯降低。

3.3 不同耕作方式梯田的生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合效果

利用文中所述計(jì)算方法，對(duì)坡改梯工程后不同耕作方式的梯田進(jìn)行生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合效果計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 坡改梯田在不同耕作方式下的水土保持生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)

由表4計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)埂坎耕作方式下種植花生時(shí)，埂坎耕作方式的Ec值1836元/t僅為溝壟耕作Ec值10224元/t和田間免耕Ec值180625元/t的18.0%，埂坎耕作比溝壟耕作的Ec值降低了82.0%。田間免耕方式的Ec值為18.0625萬(wàn)是溝壟耕作方式Ec值1.0224萬(wàn)元的17.67倍。研究表明，田間免耕種植蘋果相對(duì)于壟溝耕作種植花生在坡改梯工程實(shí)施后的水土保持生態(tài)效益經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯提高，單位面積土壤和養(yǎng)分流失量的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值得到顯著增大，水土保持和生態(tài)經(jīng)濟(jì)的耦合效果大幅增大，同理可知當(dāng)梯田遭到破壞后，則田間的生態(tài)經(jīng)濟(jì)指數(shù)明顯降低[11]。

4 結(jié)論

本文以太子河本溪市境內(nèi)的某小流域的坡改梯工程為研究對(duì)象，通過(guò)選取3種不同耕作方式即埂坎耕作、溝壟耕作和田間免耕耕作方式對(duì)坡改梯工程實(shí)施后的土壤和養(yǎng)分流失量、土壤水文物理性能指標(biāo)和生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合效果進(jìn)行計(jì)算研究，得出的主要結(jié)論如下：

(1)壟溝耕作和田間免耕梯田的土壤流失量分別為3.52和1.15t/hm2，其相對(duì)值分別為22.9%和7.5%，土壤養(yǎng)分中有機(jī)質(zhì)、氮、磷鉀元素的流失量相對(duì)值分別在22.4%～28.0%(平均值為25.2%)和7.9%～14.7%(平均值為11.3%)的范圍內(nèi)。

(2)田間免耕和壟溝耕作方式下的前3項(xiàng)指標(biāo)的提高幅度明顯大于其他耕作方式，顆粒分形維數(shù)的提高幅度在35%以上，而毛管孔隙度提高幅度均大于40%。

(3)當(dāng)埂坎耕作方式下種植花生時(shí)，埂坎耕作方式的Ec值1836元/t僅為溝壟耕作Ec值10224元/t和田間免耕Ec值180625元/t的18.0%，埂坎耕作比溝壟耕作的Ec值降低了82.0%。田間免耕方式的Ec值為18.0625萬(wàn)是溝壟耕作方式Ec值1.0224萬(wàn)元的17.67倍。