金沙江干熱河谷坡改梯對水土保持的影響

肖 理, 王章文, 殷慶元, 黃成敏

(四川大學環(huán)境科學與工程系，四川 成都 610065)

【研究意義】坡耕地是我國山地與丘陵區(qū)重要的耕地資源，約有0.21 億 hm2，其面積雖然只占我國總耕地面積的6.7 %，但貢獻的水土流失量卻占28.3 %[1]。因此，治理坡耕地的水土流失問題已成為生態(tài)環(huán)境保護和生態(tài)文明建設刻不容緩的一環(huán)。針對坡耕地水土流失嚴重及土地生產力低下等問題，坡耕地改成梯田是控制坡地開發(fā)的水土流失，實現當地農業(yè)生產可持續(xù)發(fā)展的重要措施[2]?！厩叭搜芯窟M展】金沙江下游干熱河谷氣候干熱，地形起伏，水熱矛盾突出，地質條件復雜，加上當地的陡坡、順坡耕作比較普遍，人為擾動劇烈，導致了坡耕地成為金沙江干熱河谷區(qū)水土流失面積和程度最大的土地利用類型和金沙江下游泥沙的主要來源[3-5]。大量泥沙淤積也威脅金沙江下游已建和在建的多座巨型水庫，導致水庫安全性和功能性下降，綜合效益大大降低等問題，進而對水庫的使用壽命造成影響[6]?！颈狙芯壳腥朦c】鑒于山區(qū)耕地資源十分稀缺，為滿足基本的糧食需求和生計，坡耕地現在或將來一定時間都會存在，坡改梯以及相應的種植方式和類型的水土保持效益需要評估。對于金沙江干熱河谷坡改梯后梯田裸地，尤其是生物地埂的水土保持效益已有報道[7]，但對于不同修建年代梯田種植不同作物方式下土壤可蝕性和減流、減沙效果還缺乏研究?！緮M解決的關鍵問題】為此，本文選擇金沙江下游的云南省昆明市東川區(qū)為實驗區(qū)，分析當地傳統作物種植的習慣下坡耕地、新老梯田的土壤養(yǎng)分、抗蝕性以及產流產沙差異，旨在評價坡改梯在固土保水、提高土壤質量、增強土壤抗沖和抗蝕性等效益。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省昆明市東川區(qū)南段阿旺鎮(zhèn)的拖潭溝流域范圍內(102°47′50″～103°18′35″E，25°47′5″～26°32′52″N)。拖潭溝流域位于金沙江下游小江流域上游大白河左岸，地勢南西高、北東低，小流域水流均匯入大白河。研究區(qū)巖性以灰?guī)r、白云巖、玄武巖、泥質砂巖為主，巖層傾向東。研究區(qū)土壤主要類型水稻土、紅壤；自然種類有紅椿、赤桉、云南松、麻櫟、車桑子、白刺花、杜鵑、扭黃茅、香茅等。農作物主要有水稻、玉米、紅薯、烤煙、小麥等。實驗地海拔1800 m左右，年均溫13 ℃，年均降水量700～850 mm，年均蒸發(fā)量1700 mm，雨季(6-10月)降水量約占全年降水量的70 %。

1.2 實驗地設計與采樣

在東川區(qū)阿旺鎮(zhèn)研究區(qū)內選擇紅壤剖面，所有實驗地海拔在1816至1822 m之間，且坡向相同。選擇1～2年新修梯田、10年以上老梯田和坡耕地為研究對象，新、老梯田所處山坡的整體坡度與坡耕地一致。上述耕地類型分別種植玉米、紅薯、烤煙或玉米和紅薯套種，每種樣地處理隨機選擇3塊進行定位觀測(表1)。對每種農作物處理類型的3個田塊分別采集土壤樣品，每個樣品沿S形布多點采取耕作表層(0 ～ 20 cm)，共采集81份土壤樣品，以測定土壤養(yǎng)分、pH和機械組成等性質。同時，對新、老梯田、坡耕地以及每種作物類型處理均采集原狀土，用于土壤風干和水穩(wěn)性團聚體分析。

1.3 室內分析與測試方法

1.3.1 土壤基本理化性質測定 土壤容重采用環(huán)刀法野外現場測定，土壤孔隙度利用土壤容重計算。土壤pH以及有機質、全氮、水解氮、速效磷含量分別采用電位法、重鉻酸鉀-硫酸氧化法、凱氏定氮法、堿解擴散法和碳酸氫鈉法測定[8]。將土壤樣品去除膠結物和分散預處理后，利用激光粒度儀(MS2000型，英國馬爾文公司)進行測定。

1.3.2 土壤風干和水穩(wěn)性團聚體 根據薩維諾夫濕篩法[8]，分別測定不同類型梯田及坡耕地表層(0～20 cm)土壤的風干大團聚體和水穩(wěn)性團聚體含量。

結構體破壞率(%)=>0.25 mm團粒(干篩-濕篩)/>0.25 mm團粒(干篩)×100%；

土壤水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GWD)分別為：

1.3.3 徑流小區(qū)侵蝕實驗 用鍍鋅薄鐵皮分別置于種植不同作物的坡耕地和坡改梯土壤中，埋深10cm，圍成面積為2 m2(1 m×2 m)徑流小區(qū)共8個，出口處做成三角出水口，且上方用鐵皮遮蓋，出水接入帶蓋水桶，以收集降水過程中所產生的地表徑流量及泥沙量。徑流量用量筒進行量取，泥沙量用濾紙進行過濾后，烘干稱重。2014年8-9月期間經歷了5場自然降雨實驗，并收集5場降雨所產生的地表徑流與泥沙量。

表1 樣地基本情況

1.4 數據處理

實驗數據是利用SPSS軟件和Microsoft Excel2016進行分析處理，不同處理之間開展顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 土壤基本物理性質

2.1.1 土壤容重和土壤孔隙度 在坡耕地上種植不同作物，土壤容重和孔隙度差異不顯著(表2)。新修梯田上，種植玉米、紅薯以及紅薯與玉米套種的土壤容重之間沒有顯著差異，但種植烤煙土壤的容重顯著高于種植紅薯和紅薯與玉米套種土壤，但新修梯田各處理之間的土壤孔隙度沒有顯著性差異。坡改梯10年以上的老梯田種植紅薯和玉米的土壤容重和孔隙度沒有顯著差異。

種植玉米條件下，新修梯田土壤容重值和孔隙度分別顯著高、低于坡耕地與老梯田土壤；種植紅薯條件下，坡耕地、新修梯田和老梯田之間土壤容重差異顯著；在玉米與紅薯套種方式下，坡耕地與新修梯田之間容重和孔隙度無顯著差異。整體上，老梯田土壤的平均容重(<0.95 g·cm-3)、孔隙度(> 63 %)分別小于和高于新修梯田的平均容重(1.08～1.22 g·cm-3)、孔隙度(53 %～57 %)。

2.1.2 土壤機械組成 雖然老梯田土壤粘粒大于但并不顯著高于坡耕地和新修梯田，老梯田、坡耕地和新修梯田土壤粘粒和粉砂含量之間均無顯著差異。但無論種植紅薯或玉米方式下，老梯田土壤砂粒含量(<15 %)顯著低于相應的坡耕地(>18 %)和新修梯田(>17 %)。

2.2 坡耕地及新老梯田土壤團聚體分布特征

土壤水穩(wěn)性團聚體的變化趨勢是隨著土壤團聚體的粒級減少而含量逐漸增多，土壤團聚體粒級大于5 mm的含量最少，坡耕地處理的甚至完全消失，說明較大的團聚體遇水后更容易破壞(表3)。土壤水穩(wěn)性團聚體粒級以1～ 0.25 mm的含量為主，占水穩(wěn)性團聚體含量的50 %左右。種植玉米田塊中，老梯田(OT1)土壤水穩(wěn)性團聚體含量最高(69.60 %)，分別比坡耕地(CK1)(59.94 %)、新梯田(NT1)的(60.51 %)高10 %、9 %，且經方差分析，均達到顯著性差異(P<0.05)。種植紅薯田塊中，老梯田(OT2)土壤水穩(wěn)性團聚體含量最高(72.29 %)，分別比坡耕地(CK2)(54.35 %)、新梯田(NT2)(61.63 %)高18 %、11 %，且差異顯著(P<0.05)。NT1、NT2土壤水穩(wěn)性團聚體含量與坡耕地對照 CK1、CK2無顯著性差異。

團聚體結構破壞率NT1>CK1>OT1，CK2>NT2>OT2，老梯田的土壤團聚體穩(wěn)定性優(yōu)于坡耕地和新修梯田，而新修梯田的土壤結構破壞率與坡耕地相比較差異不大。平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)的值越大，表示團聚體平均粒徑團聚度越高，團聚體穩(wěn)定性越強[9]，比較可反映土壤團聚體穩(wěn)定性的土壤質量平均直徑(MWD)與土壤幾何平均直徑(GMD)值，除種植玉米方式下的三類土壤MWD值外，新、老梯田MWD、GMD 值均顯著高于坡耕地。

表2 土壤容重與機械組成

注：表中數據為平均值±標準差，同一列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。CK1：玉米坡耕地、CK2:紅薯坡耕地、CK3:玉米+紅薯坡耕地、NT1:玉米新修梯田、NT2：紅薯新修梯田、NT3:玉米+紅薯新修梯田、NT4：烤煙新修梯田、OT1:玉米老梯田、OT2：紅薯老梯田。

Note: Data in the table represent the average value ± standard deviation; Different small letters in each column indicate significant difference at 0.05 level.

表3 土壤風干團聚體及水穩(wěn)性的分布特征

注：CK1: 玉米坡耕地、NT1: 玉米新修梯田、OT1:玉米老梯田、CK2: 紅薯坡耕地、NT2: 紅薯新修梯田、OT2：紅薯老梯田。

2.3 土壤pH與養(yǎng)分特征

研究區(qū)紅壤的平均pH范圍為5.27～5.89，坡耕地、新修梯田、老梯田及各種作物下土壤pH均無顯著性差異(表4)。

老梯田的有機質含量最高，大于30 g·kg-1，顯著高于新修梯田和坡耕地處理，而新修梯田與坡耕地各作物處理下一般無顯著差異。在種植玉米條件下，老梯田(OT1)土壤有機質含量顯著高于另外2種處理，但新修梯田(NT1)和坡耕地(CK1)土壤無顯著差異。在種植紅薯條件下，老梯田(OT2)土壤有機質含量顯著高于另外2種處理，但新修梯田(NT2)和坡耕地(CK2)土壤也無顯著差異。玉米和紅薯套種的坡耕地(CK3)與新修梯田(NT3)土壤有機質平均含量分別是20.2、21.1 g·kg-1，并無顯著性差異。

全氮含量最高的是老梯田，平均含量大于1.75 g·kg-1，顯著高于新修梯田和坡耕地土壤。新修梯田土壤全氮平均含量在1.28～1.34 g·kg-1之間，高于坡耕地土壤全氮平均含量(0.83～1.23 g·kg-1)，但除CK1處理外，新修梯田與坡耕地之間無顯著差異。在種植玉米條件下，老梯田(OT1)土壤全氮含量>新修梯田(NT1)>坡耕地(CK1)，且3種處理間差異顯著。在種植紅薯的條件下，老梯田(OT2)土壤全氮含量顯著高于新修梯田(NT2)和坡耕地(CK2)，后2種處理之間土壤全氮含量無顯著差異。玉米和紅薯套種的坡耕地(CK3)與新修梯田(NT3)土壤全氮平均含量無顯著性差異。

表4 土壤pH與養(yǎng)分含量

注：表中數據為平均值±標準差，不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note: Data in the table represent the average value ± standard deviation; Different small letters in each column indicate significant difference at 0.05 level.

圖1 不同降雨強度下坡耕地和新修梯田的產流量和產沙量Fig.1 Runoff and sediment yield of slope croplands and newly-built terraces with different rainfall intensities

老梯田土壤水解氮平均含量整體最高，超過150 mg·kg-1，顯著高于坡耕地，而新修梯田土壤水解氮平均含量則位于老梯田和坡耕地土壤之間。在種植玉米條件下，老梯田(OT1)顯著高于坡耕地(CK1)和新修梯田(NT1)，而CK1和NT1兩者間不具有顯著性差異。種植紅薯的老梯田(OT2)和新修梯田(NT2)土壤水解氮平均含量顯著大于種植紅薯的坡耕地(CK2)。

2.4 種植不同作物方式下的產流與產沙

2.4.1 坡耕地 在中雨、小雨條件下，紅薯地(CK2)產生的徑流量最大，均高于玉米地(CK1)和紅薯與玉米套種地(CK3)，降雨量越大，CK2產流量就越高于另外兩種處理。僅在降雨強度為6.5 mm·h-1時，套種處理(CK3)的產流量大于玉米地，其余均小于CK1處理(圖1)。

就產沙量而言，在中雨(> 2.5 mm·h-1)條件下，玉米地(CK1)的產沙量遠高于紅薯地(CK2)，是紅薯與玉米套種地(CK3)的5和8倍。在小雨條件下，各處理產沙量均不高。在6.5 mm·h-1降雨強度時，紅薯地產流量雖高于玉米地，但產沙量卻低于玉米地，這應該與紅薯葉主要是近地面生長，地表覆蓋度高，具有相對好的保持水土能力有關。

2.4.2 新修梯田 新修梯田種植不同作物，不同降雨強度下，隨降雨強度增大，產流量隨之增大，烤煙地(NT4)產流量最大，其次為紅薯地(NT2)，最小的是玉米地(NT1)。產沙量也有相似現象，尤其是中雨條件下，烤煙地(NT4)產沙量高于玉米地，更高于紅薯地(NT2)產沙量的3倍。在小雨條件下，各處理產沙量均不高。中雨條件下，可能由于烤煙地的土壤容重、孔隙度及土壤緊實度有關，地表過于板結，直接影響了水分入滲能力，導致降雨難以及時下滲，烤煙地的產流和產沙量均高。

種植同一作物的坡耕地和新修梯田對比可以發(fā)現，無論種植玉米或紅薯，在中雨條件下新修梯田的產流量和產沙量均遠低于坡耕地。

3 討 論

梯田能夠攔截地表徑流，保持土壤，減少水土流失[10-13]。本文的自然降雨條件下的產流、產沙量實驗也表明，在可產生明顯的降水量(如中雨)條件下，即使是新修梯田減流和減沙效果均高于坡耕地。種植的作物類型與方式也影響產流產沙，植被覆蓋率大的單種或套種方式能有效的減少水土流失(圖1)。

盡管梯田減流與減沙效果顯著，但由于新修梯田的翻耕，以及梯田修筑過程中，表土回填不完全，會導致新修梯田在最初的一段時間內土壤性質不佳，可能不如同樣條件下的坡耕地[14-15]。在東川實驗區(qū)的研究結果反映，在種植同一單一作物條件下，新修梯田土壤容重及孔隙度甚至分別顯著高于和低于坡耕地。但隨著坡改梯年限的增加，土壤容重及土壤孔隙度可以顯著降低和提高(表2)，改善土壤的耕作性，增強降水的入滲，減少地表徑流和產沙量。同時因為微地形的改變，梯田保水保土，經過多年耕作熟化，使老梯田土壤砂粒顯著減少。坡改梯工程將田面坡度變得平坦，延長了雨水的入滲時間，減少了雨水沖刷泥土帶來的坡面水土流失，坡改梯提高土壤風干大團聚體的含量。坡改梯可以形成良好的土壤團聚體結構，而且地勢變平坦有利于枯枝落葉的堆積，也有利于良好的團粒結構形成，從而增強梯田土壤的抗沖性和抗蝕性。

修筑建成初期的新修梯田不僅土壤容重、孔隙度與坡耕地土壤差異不顯著，而且在有機質、全氮、全磷、水解氮和速效磷含量也無顯著差異。但由于梯田具有的攔截泥沙，減少徑流，攔蓄養(yǎng)分和減少的功能，隨著坡改年限的增加，土壤質地逐步變輕，土壤結構優(yōu)化，養(yǎng)分流失減少，有機物質積累增多，老梯田的土壤有機質、全氮、全磷、水解氮等主要養(yǎng)分含量相較于新修梯田和坡耕地顯著增加(表4)。

作物種植類型與方式對土壤容重以及養(yǎng)分含量等性質影響作用不顯著。分別種植玉米、紅薯、煙草及玉米和紅薯套種等方式下在坡耕地、新修梯田和老梯田內部之間的土壤容重、有機質、全氮、全磷、水解氮等含量未出現顯著性差異(表2、表4)。可見實行坡改梯措施的長期效益，在固土保水、提高土壤質量、增強土壤抗沖和抗蝕性的作用十分顯著。

4 結 論

坡耕地改為梯田后，削緩坡度，截短坡長，增加了土壤入滲，其減流減沙效果明顯。但受翻耕擾動以及可能的施工措施不規(guī)范、嚴格等因素影響，梯田修筑后的初期階段，梯田土壤的主要物理性質與養(yǎng)分與坡耕地土壤沒有顯著差異，土壤質量改善未有改善，部分性質可能出現劣化。而隨坡改梯年限增加，其減流減沙和保肥等水土保持累積效應以及耕作熟化作用明顯，老梯田(>10a)土壤容重顯著下降而土壤有機質、全氮、全磷和水解氮等含量顯著提高，土壤質量極大改善。可見，坡改梯在長期實行后，其在固土保水、提高土壤質量等效益會十分顯著。