基于淤地壩建設為主導的小流域綜合治理條件下水土資源耦合效應研究

姚西文

（平?jīng)鍪兴帘３挚茖W研究所，甘肅 平?jīng)?744000）

紙坊溝小流域位于甘肅省平?jīng)鍪袇^(qū)以南，由南向北入涇河，流域面積18.98 km2，主溝長19.20 km，呈柳葉形，海拔1 365.0～2 104.8 m，該流域地貌在隴東有一定代表性。1954年開始在流域溝口處建設紙坊溝一壩，1965年在八里廟建成紙坊溝二壩。從1974年起，紙坊溝溝道治理由單壩建設進入壩群建設時期，在2 個骨干壩下控上護的基礎上，采用碾壓和水墜施工建成小壩11 座，使主溝道實現(xiàn)了梯臺化。同時，在一、二壩區(qū)間的5 條較大支溝溝口修建了5 座塘壩，以壩帶路，連接交通。期間還實施了梯田、植樹造林等坡面治理措施。

就小流域自然生態(tài)單元而言，耦合效應有3 種表現(xiàn)形式，即協(xié)同效應、疊加效應和拮抗效應。在紙坊溝流域一壩淤地范圍內，在與主溝道垂直的方向上取2 個斷面對壩地及東西2 面溝坡上的梯田小麥地、休閑地等進行了土壤水分、養(yǎng)分測定，并應用流域內3 座水文站多年氣象水文徑流泥沙觀測資料、壩庫淤積測量資料，從微觀和宏觀2 個方面研究平?jīng)鍪屑埛粶闲×饔蛟谟腥藶榛顒訁⑴c下的水土資源耦合效應。

1 研究應用的數(shù)據(jù)資料

本項目研究應用了紙坊溝流域1955—1982年降雨、蒸發(fā)、徑流、泥沙實測及成果匯編資料，1996年7月26 日百年一遇暴雨洪水淤積調查實測資料，2003年6月5—8 日不同地類土壤養(yǎng)分、水分測定資料，2003年7月3 日小麥測產(chǎn)資料和2002年作物種植調查資料。

土壤養(yǎng)分、水分測定是在一壩淤地范圍內與主溝道垂直的方向上取2 個斷面對壩地及東西2 面溝坡上不同地類0～120 cm 深度范圍內土壤含水量、土壤養(yǎng)分進行測定，每隔20 厘米取樣。取樣斷面Ⅰ距一壩大壩400 m，取樣范圍內左岸溝坡平均坡度46°，右岸溝坡平均坡度51°，斷面Ⅱ距一壩大壩800 m，取樣范圍內左岸溝坡平均坡度38°，右岸溝坡平均坡度41°。

溝坡上的樣點按上、中、下坡位布設，壩地則在距左右岸相等的中線上補點，樣地均為梯田小麥地。溝坡上相鄰小麥地若有休閑梯田地或荒坡地、撂荒地、荒臺地等也布點取樣。采用土鉆人工取樣，土壤水分每層取2 個樣本（2 個重復），裝入土盒，現(xiàn)場稱取濕重，隨取隨稱。濕土盒放入電烘箱烘干后及時稱取干重。對 0～20 cm、40～60 cm、100～120 cm 土層所取土樣在取過水分測定樣本后裝入土袋，進行實驗室土壤養(yǎng)分分析。2003年7月3 日對測定了土壤水分、養(yǎng)分的溝坡梯田和壩地小麥進行了實地測產(chǎn)。

2002年對紙坊溝流域土地種植利用情況進行實地調查，根據(jù)種植的各種作物如小麥、玉米、蔬菜、桃、葡萄等測產(chǎn)資料、投入的生產(chǎn)資料及人工，按照2002年的農(nóng)產(chǎn)品市場價格、生產(chǎn)資料價格及勞動力價格進行紙坊溝流域山坡地及壩地投入產(chǎn)出分析。

2 小流域水土資源耦合效應的微觀效應

2.1 土壤水分效應

2.1.1 溝坡不同坡位及壩地土壤水分 根據(jù)對紙坊溝流域一壩范圍內的2 個斷面收獲期小麥地土壤水分含量測定結果表明：溝坡上不同坡位梯田小麥地的土壤水分含量上部＜中部＜下部＜壩地，溝坡梯田小麥地的土壤水分含量比壩地低，變化趨勢具有明顯的規(guī)律性（表1）。

通過表1 分析表明：壩地土壤水分對溝坡地土壤水分的影響是十分明顯的，與壩地相鄰的溝坡梯田小麥地土壤水分含量僅相差1.38%，比壩地僅小6.28%。各樣點不同土層土壤水分含量，溝坡梯田隨土層深度的增加總體上是增加的趨勢，而壩地無規(guī)律。不論是溝坡梯田還是壩地，斷面Ⅰ均大于斷面Ⅱ，表明壩地土壤的淤積深度對壩地和溝坡土壤的水分含量具有明顯影響。同時，溝坡梯田小麥地土壤含水量東坡大于西坡，相差0.18 個百分點，東西坡含水量平均為9.59%；壩地土壤含水量平均為11.47%，壩地大于溝坡地，相差1.88 個百分點。

表1 紙坊溝流域溝坡壩地土壤含水量

2.1.2 溝坡同坡位不同地類土壤水分 對相同坡位不同地類梯田樣地土壤含水量測定分析表明：梯田小麥地低于荒臺地，平均低1.94 個百分點，梯田比荒臺地低20.2%。梯田小麥地土壤含水量的最小值與最大值的差值為2.53 個百分點，荒臺地的差值為2.89 個百分點，梯田土壤含水量的一致性高于荒臺地。梯田與荒臺地對應點的差值最大4.34 個百分點，最小0.32 個百分點。梯田小麥地平均8.2%，梯田休閑地平均15.80%，梯田休閑地比梯田小麥地土壤含水量平均多92.68%。壩地小麥地土壤含水量10.33%，相鄰休閑地土壤含水量18.49%，相差8.16個百分點，休閑地比小麥地多78.99%。梯田小麥地和相鄰荒坡地土壤含水量分別為10.75%和17.45%，相差6.7 個百分點，荒坡地比梯田麥地多62.33%。土地種植作物不僅能夠有效利用降水生產(chǎn)糧食，而且能夠降低土壤含水量，減少土壤侵蝕。

2.2 土壤養(yǎng)分效應

2.2.1 溝坡不同坡位及壩地土壤養(yǎng)分 與水分測定同點位的土壤養(yǎng)分含量測定結果分析表明：溝坡梯田小麥地兩斷面間的土壤養(yǎng)分，斷面Ⅰ的全氮、全磷、NH4-N、K2O 均低于斷面Ⅱ，分別低 5.51%、18.63%、8.42%、11.67%；而斷面Ⅰ的有機質、NO3-N、P2O5均高于斷面Ⅱ，分別高出 2.820%、49.485%、7.692%。東西坡之間有機質、全氮、全磷、K2O 差異顯著，其中有機質、全氮、全磷東坡比西坡分別高49.36%、52.94%和61.33%，K2O 西坡比東坡高 27.74%。P2O5東西坡之間差異極顯著，西坡比東坡高30.00%。

不同坡位的土壤養(yǎng)分含量基本上沒有什么規(guī)律，在東坡的7 項養(yǎng)分指標中僅有機質、全氮、NH4-N、P2O5、K2O 表現(xiàn)出上坡＞中坡＞下坡的規(guī)律；在西坡，有機質、全氮、全磷3 項指標表現(xiàn)出溝坡上部大于中下部，但中部又小于下部，似有規(guī)律但不確定或不明顯，NO3-N、NH4-N、P2O5、K2O 4 項指標反而是從下而上表現(xiàn)出遞減的趨勢。

第二，舞臺表演中良好的表現(xiàn)有助于演員更好地發(fā)揮。演員在表演的時候，將自己想象成角色本身，在演唱時就會更加投入，聲音也會達到一個很好的狀態(tài)，演唱也會更吸引觀眾。當演員全神貫注地進入一個角色的時候，他所表現(xiàn)出的演唱能力是超人的，甚至要比平時的演唱狀態(tài)都要好，使“演”和“唱”融合在一起，達到一種近乎完美的境界。

2.2.2 梯田與壩地土壤養(yǎng)分 由表2 可見，壩地土壤的有機質、全氮、全磷、NO3-N、P2O5含量均低于梯田，分別比梯田低0.058 個百分點、0.001 個百分點、0.008 個百分點、32.39%、10.62%，而且全磷含量差異極顯著。NH4-N、K2O 的含量壩地大于梯田，分別大44.63%、11.96%。梯田和壩地土壤有機質平均含量在p=99%時差異不顯著，但如后文所述，壩地作物產(chǎn)量顯著高于梯田地。

表2 壩地梯田小麥地養(yǎng)分含量分析

2.3 土壤結構效應

紙坊溝流域的壩地土壤既非自然土壤，又非耕作土壤，壩地土壤是土壤侵蝕的產(chǎn)物，是土壤侵蝕物隨水流運移沉積形成的，其土壤結構具有自身的特征。測定分析表明：壩地土壤粒徑組成仍具有黃土性土壤特征，以粉粒為主，粉粒占全部粒徑的66.6%～70.0%，而且中細粉粒含量比例大，粉粒比例小，而這種土壤結構的特性非常適合作物的生長，上部輕壤土層通氣透水，中下層既有利于保水，又能為作物后期生長提供足夠的養(yǎng)分，可以說是作物生長的營養(yǎng)庫。另外，壩地土壤既含有較高的粗粉粒，亦含有較多的細粉粒，粘粒含量也比本流域的坡耕地多，因此砂粒、粉粒、粘粒含量比例適宜，是農(nóng)業(yè)土壤中較為理想的土壤質地，通透性好，保水保肥性好，養(yǎng)分含量豐富，有機質的積累和分解快，土壤供肥性好，土性溫暖，宜耕作，宜耕期長，耕作質量好。

測產(chǎn)表明：紙坊溝流域溝坡梯田小麥單產(chǎn)平均3 209.8 kg/hm2，壩地小麥平均單產(chǎn)為5 151.6 kg/hm2，相差1 941.8 kg/hm2，壩地比梯田多60.5%。經(jīng)t 檢驗，t=5.548，t＞t（16,0.01）=2.921，壩地與梯田小麥單產(chǎn)在p=99%時差異極顯著。

梯田0～20 cm 和100～120 cm 土層有機質含量高于壩地，40～60 cm 低于壩地，土壤有機質平均含量梯田比壩地大0.058 個百分點。t＜t(17,0.01)=0.815，差異不顯著。

小麥收獲期梯田和壩地0～120 cm 土壤含水量平均為9.19%和10.03%，相差0.84 個百分點，經(jīng)t檢驗，梯田和壩地0～120 cm 土壤平均含水量在p=95%時，t=1.153，t＜t（16，0.05）=2.583，差異不顯著。

上述分析表明：壩地土壤水分含量、有機質含量對小麥產(chǎn)量的影響不顯著，是水、肥、氣、熱多種因素綜合作用的結果，而使小麥產(chǎn)量提高的物質基礎則是土壤結構因素，也就是土壤的通氣、透水性能，由此說明壩地的良好土壤結構是作物獲得高產(chǎn)的基礎，以肥調水在一定的土壤水分、養(yǎng)分條件下是適宜的，但在低土壤含水量條件下土壤養(yǎng)分含量過高，反而會對作物的正常生長產(chǎn)生負面影響，形成耦合負效應。

3 小流域水土資源耦合效應的宏觀效應

3.1 壩群蓄水、蒸發(fā)、入滲和滯洪效應

3.1.1 蓄水效應 紙坊溝流域從1954年開始進行溝道治理工程建設，先后建成紙坊溝骨干壩（即一壩）、八里廟骨干壩（即二壩）和16 座小型淤地壩（包括塘壩）。經(jīng)計算，溝道治理工程自建成至2003年累計蓄水660.0 萬m3，壩庫蓄水雖不能產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益，但在增加土壤水分入滲、增加土壤含水量、增加水面蒸發(fā)和增加空氣濕度、改善流域小氣候、增加人畜生活用水、凈化美化生產(chǎn)生活環(huán)境發(fā)揮了非常重要的作用。

3.1.2 蒸發(fā)效應 紙坊溝流域溝道治理工程建成后，每年增加水面面積4.64 萬m2，水面蒸發(fā)增加的蒸發(fā)量170 萬m3，平均每年增加蒸發(fā)量3.66 萬m3，對于地處西部干旱地區(qū)的紙坊溝流域增加流域空氣濕度具有良好的效果。

3.1.3 入滲效應 蓄水和壩地攔截滲入土壤中的地下水量共 504.78 萬 m3，平均每年 10.08 萬 m3，入滲水既補充了下游地下水源，又使兩岸溝坡土壤含水量提高，增加了糧食作物生長、生產(chǎn)土壤供水量。

3.1.4 滯洪效應 新中國成立以后為根治紙坊溝流域的水害，黃河水利委員會西北黃河工程局將紙坊溝流域列為黃土高原地區(qū)水土保持重點治理試驗示范小流域，紙坊溝水土保持治溝工程的建設，有效遏制了流域的山洪災害。自1955年紙坊溝一壩建成以來，流域內雖發(fā)生了1957年50年一遇暴雨洪水和1996年100年一遇的暴雨洪水，但流域及其下游未損毀土地，未傷及人員。根據(jù)建壩前的氣象資料以及從縣志上查得的各典型降雨對紙坊溝暴雨洪水產(chǎn)生的災害頻率，推算紙坊溝建壩60 多年來，減免可能造成的大小洪水災害36 次，有效保護了紙坊溝流域及其下游工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民群眾生命財產(chǎn)安全。從1974年起，紙坊溝流域的溝道治理由單壩建設進入壩群建設時期，由單純的主溝道防洪治理進入開發(fā)性治理，骨干壩與中小型淤地壩并舉，主支溝共建階段。

3.2 水土保持效應

紙坊溝流域建設水平梯田508.8 hm2，造林281.4 hm2，種草 173.0 hm2，修建澇池 20 座，水窖120 座，谷坊150 座，通過對這些坡面治理措施、淤地壩及小型攔蓄工程蓄水保土效益的計算表明，以上措施每年可攔蓄徑流27.35 萬m3，攔蓄泥沙8.28 萬 t。

紙坊溝流域壩群建成后，抬高了河床和溝坡的侵蝕基點，制止并減少了河谷侵蝕面積。據(jù)測算，壩群建設前紙坊溝流域年侵蝕模數(shù)9 266 t/km2，建壩后有49 hm2的面積停止了侵蝕。現(xiàn)在每年可減少土壤侵蝕3 628 t；建壩前主溝道沖刷下切深度0.25～0.4 m/年，建壩后已有9.75 km 的主溝道停止了沖刷和擴張，每年減少溝蝕46 340 t。

3.3 保肥增地增產(chǎn)效應

紙坊溝流域梯田每年保持的8.28 萬t 土壤中，含有機質845.4 t、全氮40.57 t、全磷19.87 t、NH4-N 294.8 kg、NO3-N 350 kg、P2O5186.3 kg、K2O 6 215.5 kg。修建的各壩庫已攔蓄泥沙350.28 萬t，根據(jù)實測的紙坊溝壩地土壤養(yǎng)分含量計算，壩庫內攔淤泥沙保持的有機質33 730 t、全氮1 680 t、全磷560 t、NH4-N 18.04 t、NO3-N 10.01 t、速效磷 7.04 t、速效鉀294.41 t，這些養(yǎng)分成為壩地作物生產(chǎn)和開發(fā)利用的營養(yǎng)庫。

紙坊溝流域從1954年開始建設的2 座骨干壩和16 座淤地壩，除有3 座小型淤地壩目前仍在蓄水外，其余13 座壩目前已淤積形成壩地46.9 hm2。

紙坊溝流域溝坡耕地總面積596.43 hm2，開始溝坡水土保持治理以來，修建水平梯田508.8 hm2，淤地壩的建設以及壩地的淤積形成，使壩地兩面溝坡上的梯田種植作物的適宜性提高，產(chǎn)量大幅度提高，蔬菜和經(jīng)濟果樹面積增加88.33 hm2，占梯田面積的17.36%。田間測產(chǎn)表明：梯田小麥平均單產(chǎn) 3 217.5 kg/hm2，坡地小麥平均單產(chǎn)1 620 kg/hm2，梯田比坡地增產(chǎn)小麥1 597.5 kg/hm2。梯田小麥地單位面積產(chǎn)值6 949.8 元/hm2，坡地小麥地單位面積產(chǎn)值3 499.2 元/hm2，單位面積產(chǎn)值增加3 450.6 元/hm2。若全部按照小麥計算，紙坊溝流域的508.8 hm2水平梯田比坡地年增加產(chǎn)值257.76 萬元。

通過對壩地開發(fā)利用情況進行調查，壩地上適宜種植多種作物，壩地作物年生產(chǎn)總值1 170 萬元，年凈產(chǎn)值84.5 萬元，年純收入57.3 萬元，受益農(nóng)民190 戶，人均年增加經(jīng)濟純收入569.0 元。梯田增產(chǎn)效應和壩地生產(chǎn)效應每年產(chǎn)出凈產(chǎn)值323.8 萬元。

4 結語

小流域作為一個自然生態(tài)單元，不同程度的自然發(fā)生著水土流失，在有人口居住并生活其中時，必然要對自然資源尤其是水土資源進行開發(fā)利用，以獲取基本的生活資料。由于歷史的局限和認識的不足，人們最先只知開發(fā)而不知保護自然資源，導致在進行土壤資源開發(fā)利用的同時，大氣降雨同土資源相互作用而發(fā)生嚴重的水土流失，造成自然資源——水土資源的嚴重破壞并引發(fā)嚴重的自然災害，水土資源的耦合負效應不斷增大。

紙坊溝流域多年來不斷進行水土流失綜合治理，逐漸從坡面到溝道形成了有效合理的水土資源調控系統(tǒng)，使流域微地形、地貌和植被狀況產(chǎn)生了向有利于水土資源相互作用而形成耦合正效應的方向轉化的條件，坡面植物措施的實施使地表土壤不受或減少雨水的直接沖擊而減輕土壤侵蝕，梯田建設控制了坡耕地的水土流失，使大氣降水與耕地土壤相互受益，相互協(xié)調，提高了耕地水土資源的開發(fā)利用效率，使梯田作物單產(chǎn)比坡地提高了1 倍；溝道治理工程特別是淤地壩建設實施，不僅防止了溝道下切、溝岸擴張和山洪災害，而且壩庫蓄水和壩地的形成既增加了水面、土壤水分入滲及土壤水分蒸發(fā)，使流域內自然植被生長茂盛、糧食作物生長良好、自然景觀和生態(tài)環(huán)境得到顯著改善，而且還增加了高質量的生產(chǎn)用地，壩地糧食單產(chǎn)比梯田高1.6 倍，比坡地高3.18 倍，生產(chǎn)效益十分顯著；壩庫蓄水和壩地的形成，使溝坡土壤含水量增加，距離壩地和庫區(qū)水面越近，溝坡地土壤含水量越高；梯田作物生長的首要限制因素仍是土壤含水量，而壩地作物高產(chǎn)的原因緣于壩地良好的土壤結構使作物生長的水、肥、氣、熱因素更加協(xié)調，作物得以豐產(chǎn)。

總之，基于淤地壩建設為主導的紙坊溝流域水土流失綜合治理、水土資源調控系統(tǒng)的形成，使流域內的水土資源相互作用的效應發(fā)生了質的轉變，使水土資源耦合負效應十分顯著地轉化為耦合正效應，小流域水土資源在得到有效保護的同時開發(fā)利用效率顯著提高。