川东紫色土区坡耕地边沟土壤保持效益——以重庆万州区长岭镇砂质壤土为例

蔡雄飞， 赵世杰， 徐 佩， 王 济， 王玉宽

(1.贵州师范大学地理与环境科学学院，550001，贵阳；2.中国科学院 水利部 成都山地灾害与环境研究所，610041，成都；3.万州典型区生态环境监测重点站，404020，重庆；4.贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地，550001，贵阳)

我国南方地区降雨充沛，地表径流往往引起严重的坡耕地土壤侵蚀。在有着悠久耕作历史的南方丘陵区尤其是紫色土丘陵区，广大农民创造性地应用坡面水系工程措施防治水土流失。坡面水系工程主要通过构建拦、引、蓄、灌、排等水利工程的有机配置，削弱和转化坡面径流，达到保持水土的目的。工程中具有蓄水保土功能的措施主要有地边沟、沉沙凼、蓄水池等。地边沟开挖于坡耕地地块或台地边缘，梯埂内侧，横剖面呈“U”形或倒置梯形，平均沟宽30 cm，沟深16 cm左右，随梯埂方向延伸至坡地两侧，与坡面排水沟连通。目前针对地边沟的研究报道较少，相关的研究主要有山边沟和水平沟。山边沟为横跨坡向，每隔适当间距所构筑的一系列横沟构成，通过缩短坡长，分层排出径流，达到控制土壤侵蚀的目的[1]。最初的山边沟为梯形断面，发源于欧洲。由于梯形断面的山边沟占地面积较大，不便于大型农具耕作，廖绵濬等[2]对山边沟进行技术改进，形成三角形断面的山边沟 。山边沟因占地面积较大，并不适宜坡耕地的水土保持，主要用于防治地形坡度较大的林地(果园)或草地的水土流失。水平沟被广泛应用于我国北方，尤其是西北干旱与半干旱地区，其蓄水保土效果较好[3]，沟中土壤含水率较高[4]，在保持水土和提高我国西北地区人工种植苗木存活率方面做出重要贡献。但该措施对土壤的微生物特性以及土壤质量恢复的促进作用比封育措施差[5]。地边沟规模较小，构筑容易，水土保持效益与山边沟和水平沟相当，所以，长期以来被广泛应用于我国南方丘陵区坡耕地水土流失的防治。地边沟单边长坡(地块)汇流，其上方地块主要为耕地，泥沙来源丰富，虽然有很长的实践与应用历史，但其水沙输移与沉积机制尚不清楚。通过对川东紫色土丘陵区地边沟实地考察，设计大田人工模拟降雨试验，探讨不同坡面来水来沙和不同沟底坡度条件下地边沟的土壤保持效益，旨在拓展明渠水流研究范围，丰富具有单边汇流的明渠水流水沙输移机理，为川东紫色土区坡耕地水土流失的防治提供理论参考。

1 试验区概况

重庆市万州区在大地构造上属于扬子准地台- 四川台拗- 川东褶束区的北段，背斜与宽缓的向斜组成的梳状构造于万县一带转向东，即“万县弧”[6]。区内出露地层以中生代三叠纪和侏罗纪地层为主，地形破碎，低山丘陵、中低山及各类平坝约占全区面积的1/2以上[7]。海拔121～946 m，中亚热带季风气候，年均温14～19 ℃，年均降水量1 000～1 350 mm，年均日照时间1 300～1 600 h，地带性森林植被为亚热带常绿阔叶林[8]。紫色土在川东鄂西海拔800 m以下的丘陵山地分布广泛，重庆市紫色土分布面积占全市土地面积的33.22%[9]，三峡库区紫色土分布面积占耕地的78.7%[10]。万州区地处三峡库区腹地，紫色土是区内主要耕地资源，以沙溪庙组紫色土分布最广，质地中壤至重壤，部分砂质壤土[11-12]。通过对万州区土壤类型数据(地理国情监测平台2005精度为1 km的栅格数据)统计分析表明万州区紫色土分布面积1 941.25 km2，占全区总面积的56.14%。在川东紫色土丘陵区，万州区紫色土从分布面积和类型而言均十分典型，所以本研究的大田试验点选在重庆市万州区长岭镇梨树村的万州典型区生态环境监测重点站附近耕地( E 108°29′22.96″、N 30°46′12.44″，海拔262 m)。试验土壤为沙溪庙组紫色土，砂质壤土(表1)。在不同条件下探讨地边沟土壤保持效益，考虑地形地貌、气候条件和土壤类型的相似性[9,13]，可为渝西方山丘陵区、渝中平行岭谷区和南充、盐亭等川中丘陵区紫色土坡耕地水土流失的防治提供参考。

表1 试验小区土壤基本性质Tab.1 Basic properties of tested soil

2 试验设计与数据来源

地边沟中泥沙沉积率的主要影响因素有降雨强度，地边沟沟底坡度，上方坡耕地的坡度、坡长、土壤本身抗冲抗蚀性和作物种植活动。分析试验点多年降雨数据表明，该区域多暴雨天气，强度大，年暴雨次数在5～12次之间，结合槽式人工模拟降雨机的技术参数特点，设定3个降雨强度，即60、90 和112 mm/h；野外调查表明，地边沟横截面呈“U”形或倒置梯形，上口平均宽度30.3 cm，平均深度16.1 cm，沟底坡度在0°～2.5°之间。结合野外调查结果以及试验的可操作性，模拟试验设置3个沟底坡度，即0、1°和3°。

对于坡耕地地块而言，其坡度、坡长、土壤本身抗冲抗蚀性在短时间尺度下可认为基本不变，而农作物种植是坡耕地上重要且频繁的农事活动，不同作物的套种或混种，或者同种作物的不同生长期往往在地表形成不同高度和盖度的覆盖层。研究表明农作物叶片、根、茎可有效减弱雨滴对地表土壤的打击和扰动，增加地表入渗，降低地表径流冲刷，尤其是低矮的豆科作物效果显著[14-15]。川东紫色土丘陵区土壤侵蚀以面蚀为主，雨滴打击作用是面蚀的主要动力，消除雨滴打击作用可减少70%以上的土壤侵蚀量[16]。黄土高原地区研究认为植被的有效盖度为40%～50%[17]，其沟壑区人工林地和草地的有效植被覆盖度应不<60%和50%[18]。为模拟不同时期农作物的覆盖状况，将覆盖情况分为裸地(裸地至幼苗阶段)、低覆盖(低于有效盖度，本研究设定为25%)和高覆盖(大于有效盖度，本研究设定为50%)3种情况。试验中通过双层塑料纱网覆盖小区来模拟作物覆盖。具体为：试验小区完全为裸地，下文简称“A处理”；用双层塑料纱网从小区上端向下覆盖其面积的25%，代表作物盖度为25%，简称B处理；纱网覆盖面积增大到50%，代表作物盖度50%，简称C处理。将上述降雨强度、沟底坡度和作物盖度等3个因子相互交叉，共进行27场模拟试验。

1)人工降雨机。使用美国阿德旺斯德机械设计与制造公司生产的Norton型人工模拟降雨机，通过控制喷头单摆、双摆以及摆动频率控制降雨强度，降雨强度可调范围为10～120 mm/h，可获得11个降雨强度[19]。该降雨机由6个喷头组成，喷头间距1.1 m，降雨覆盖区域为宽2.6 m，长7.5 m，率定表明可提供宽1.2 m和长6.6 m的均匀降雨区域。模拟试验时的降雨高度为2.6 m，水压稳定在0.04 MPa。

2)试验小区及地边沟。为了向试验地边沟进行薄层单边汇流，根据降雨机提供的均匀降雨面积，设计小区(图1中7)长6 m、宽1 m，上端及两侧用铁皮分隔(图1中6)，外围设置排水沟，避免小区以外区域径流流入小区。小区下方开挖地边沟(图1中5)，参考野外地边沟尺寸，将试验地边沟横截面设计为倒置梯形，上口宽30 cm、沟底宽25 cm和深15 cm，长600 cm，沟底坡度0°(0试验做完修整为1°和3°)。整平沟底及沟壁，确保沟道几何形态、坡度以及土壤紧实度一致。在沟壁上方镶嵌1块长6 m的铝合金直角型材(图1中3)，方便采取坡面水沙样品。为了准确测定地边沟中泥沙沉积量，用表面粗糙的无纺布平均分段铺盖在地边沟中(图1中4)，并用铁钩固定(图1中10)。地边沟的末端用1根PVC管引流致采样点，提高坡度确保PVC管中无泥沙沉积。每次试验前去除地表砾石，根据坡面侵蚀情况从小区外围地块补充适量土壤，均匀翻耕耙平，确保小区坡面情况一致。

1.土壤； 2.纱网； 3.角铝； 4.无纺布； 5.地边沟； 6.小区边框； 7.坡耕地供沙小区； 8.试验工作区； 9.沟口采样点； 10.坡面采样带； 11.坡面采样器； 12.堵头； 13.活堵头； 14.采样口。1.Soil. 2.Gauze nets. 3.Angle aluminum. 4.Non-woven fabrics. 5.Side ditch. 6.Cell border. 7.Slope cultivated land for sand plots. 8.Test work area. 9.Gully sampling points. 10.Slope sampling belts. 11.Slope sampler. 12.Plugs. 13.Live plugs. 14.Sampling ports. 图1 试验小区示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental plot

3)样品采集。为了准确测定地边沟中输入、沉积、输出的泥沙量，试验设计了专门的采样工具，对坡面、地边沟和地边沟末端进行水沙过程采样。①坡面采样。用Φ20的PVC管制作，将两端封堵，切开一个宽3 cm、长6 m的矩形做成坡面采样器。由3人平端进行采样。②地边沟采样。每场模拟试验结束后，分段取出无纺布上沉积的泥沙。③地边沟末端采样。地边沟末端用根Φ15的PVC管引流至地埂边缘，对径流进行过程采样。

4)试验过程。对小区进行人工模拟降雨→小区坡面产流(分时段采取小区径流样品)→坡面径流汇入地边沟→经过地边沟的沉积(入渗)作用→径流流出地边沟(沟口采样)。每场模拟试验持续40 min左右。试验过程中每3 min对坡面径流采样1次。每2 min对地边沟末端径流采样1次。每场试验结束后将沟底泥沙分段全部取出，编号并装入样品袋中，烘干称量即为地边沟中泥沙沉积量。

5)样品处理与数据分析。每次降雨试验结束后，分段拍照记录泥沙沉积形态。从沟的上游依次小心取出每一段无纺布，折叠好带回室内先风干，再进行烘干处理，之后进行称量。采集的径流泥沙样品先转移至室内静置48 h以上，待泥沙完全沉淀后倾倒上层清水，将浓度较高的径流泥沙过滤，烘干滤纸上的泥沙，冷却后称量。径流体积的量测根据径流量的大小差别使用了大容量瓶+小量程量筒量测，误差在1 mL左右。称量泥沙的电子天平精度为0.1 g，误差为1 g。沟中沉积泥沙保留1位小数，沟口输出泥沙量由流量和含沙量乘除运算得出，在计算过程中，为减少舍入误差，计算的径流含沙量和平均含沙量暂时保留2位有效数字，计算出沟口输出泥沙量后保留1位小数。数据采用Excel 2006进行统计和回归分析。

3 结果与分析

3.1 降雨强度为60 mm/h时泥沙变化特征

A、B、C分别表示地边沟上方小区作物覆盖为A(无覆盖)、B(25%覆盖)和C(50%覆盖)；0、1、3分别表示沟底坡度为0°、1°和3°。A, B and C respectively indicate that the crop coverage of the plot above the Slope Farmland Side Ditch is A (no coverage), B (25%coverage) and C (50% coverage); 0, 1 and 3 indicate that the bottom slope is 0°, 1° and 3°. 图2 不同坡面来沙、沟中沉积泥沙变化图 (降雨强度60 mm/h)Fig.2 Variations of incoming sediments from different slopes, and vertical sedimentation at the bottom of the ditch (rainfall intensity 60 mm/h)

降雨强度60 mm/h时不同坡面来沙、沟底坡度条件下沟中输入、沉积泥沙变化如图2所示。该组试验包括3个沟底坡度和每个坡度下小区的A、B和C处理方式，共9场试验。当沟底坡度为0°时，A、B和C处理下地边沟中泥沙输入总量分别为8 605.6、7 451.6和5 722.5 g，而沟中泥沙沉积量分别为6 639.5、5 802.9和4 525 g，沟中泥沙沉积率分别为77.2%、77.9%和79.1%；当沟底坡度增大到1°时，A、B和C处理下地边沟中泥沙输入总量分别为8 300.4、6 011和5 138 g，而沟中泥沙沉积量分别为5 077.7、3 773.5和3 097.9 g，沟中泥沙沉积率分别为61.2%、62.8%和60.3%；当沟底坡度增大到3°时，A、B和C处理下地边沟泥沙输入总量分别为4 847.4、4 772.8和3 517.5 g，而沟中泥沙沉积量分别为716.5、626.3和595.8 g，沟中泥沙沉积率分别为14.8%、13.1%和16.9%。表明当地边沟沟底坡度不变时，对供沙小区进行的A、B和C处理方式下，径流含沙量不同，地边沟中输入泥沙总量和沉积泥沙总量均不同，但泥沙沉积率变化较小，在77.2%至79.1%之间，平均78.0%。当沟底坡度增大到1°或3°时，呈现相同的规律，说明沟底坡度一定时，沟中泥沙沉积率不变，随着沟底坡度的增大，沟中泥沙沉积率减小。

3.2 降雨强度为90 mm/h时泥沙变化特征

降雨强度90 mm/h时不同坡面来沙、地边沟沟底坡度条件下沟中输入、沉积泥沙变化见图3。当沟底坡度为0°时，A、B和C处理下地边沟中泥沙输入总量分别为13 332、11 550和7 749.8 g，而沟中泥沙沉积量分别为10 464.4、8 970.4和6 008 g，沟中泥沙沉积率分别为78.5%、77.7%和77.5%；当沟底坡度增大到1°时，A、B和C处理下地边沟泥沙输入总量分别为19 470、12 522和8 641.4 g，而沟中泥沙沉积量分别为10 526.8、6 589.2和4 446.1 g，沟中泥沙沉积率分别为54.1%、52.6%和51.5%；当沟底坡度增大到3°时，A、B、C处理下地边沟泥沙输入总量分别为7 737.3、7 624.4和6 286.6 g，而沟中泥沙沉积量分别为742.5、796.9和708 g，沟中泥沙沉积率分别为9.6%、10.5%和11.3%。与降雨强度60 mm/h坡面相比，沟底坡度为0°时， A、B和C处理下沟中泥沙沉积率几乎不变，平均均为77.9%；沟底坡度增大到1°时，不同处理下沟中泥沙沉积率均降低，平均降低8.7百分点；沟底坡度增大到3°时，不同处理下沟中泥沙沉积率均降低，平均降低4.5百分点。

图3 不同坡面来沙、沟中沉积泥沙变化图 (降雨强度90 mm/h)Fig.3 Variations of incoming sediments from different slopes, and vertical sedimentation at the bottom of the ditch (rainfall intensity 90 mm/h)

3.3 降雨强度为112 mm/h时泥沙变化特征

降雨强度112 mm/h时不同坡面来沙、沟底坡度条件下沟中输入、沉积泥沙变化见图4。当沟底坡度为0°时，A、B、C处理下地边沟中泥沙输入总量分别为9 741.2、7 372.6和5 898.1 g，而沟中泥沙沉积量分别为7 501.1、6 082.4和4 925.3 g，沟中泥沙沉积率分别为77.0%、82.5%和83.5%；当沟底坡度增大到1°时，A、B和C处理下沟中泥沙输入总量分别为12 496.4、10 447.3和7 364.6 g，而沟中泥沙沉积量分别为6 340.9、5 732.3和3 812.6 g，沟中泥沙沉积率分别为50.7%、54.9%和51.8%；当沟底坡度增大到3°时，A、B、C处理下沟中泥沙输入总量分别为11 040.8、7 884.8和5 611.6 g，沟中泥沙沉积量分别为1 380.8、1 504.2和820 g，沟中泥沙沉积率分别为12.5%、19.1%和14.6%。当降雨强度从60 mm/h增大到90 mm/h、112 mm/h，沟底坡度为0°时，A处理下沟中泥沙沉积率变化幅度很小，呈增大减小的变化趋势，B、C处理变化幅度也较小，先减小、后增大。不同处理下平均沉积率从78.0%、77.9%、再增大到81.0%；沟底坡度为1°时，A处理下沟中泥沙沉积率持续减小，B处理先减小、后小幅增大，C处理先减小、后基本不变。不同处理下平均沉积率从61.4%减小到52.7%、52.5%；沟底坡度为3°时，A、B、C处理下沟中泥沙沉积率均表现为先减小、再增大，不同处理下平均沉积率从14.9%减小到10.4%、再增大到15.4%。

图4 不同坡面来沙、沟中沉积泥沙变化图 (降雨强度112 mm/h)Fig.4 Variations of incoming sediments from different slopes, and vertical sedimentation at the bottom of the ditch (rainfall intensity 112 mm/h)

3.4 不同坡面来沙量下沟中泥沙沉积率与沟底坡度相关关系

通过对不同降雨强度、小区处理方式和沟底坡度的27场人工模拟降雨试验研究。结果表明：1)在降雨强度、沟底坡度不变时，不同小区处理方式(含沙量不同)下地边沟中泥沙输入量和沉积量不同，但泥沙沉积率变化不大。例如当降雨强度为60 mm/h，沟底坡度为0°时，泥沙沉积率在77.2%～79.1%之间变化，平均78.0%；沟底坡度为1°时，在60.3%～62.8%之间变化，平均61.4%；当沟底坡度为3°时，在13.1%～16.9%之间变化，平均14.9%。当降雨强度增大时呈现相同的变化规律。2)在降雨强度不变时，通过对小区进行纱网覆盖的处理，使地边沟中泥沙输入量和沉积量差异均较大，但泥沙沉积率变化不大；随着沟底坡度的增大，沟中泥沙沉积率减小，沟底坡度与沟中泥沙沉积率呈显著线性负相关关系(图5)。

图5 不同坡面来水来沙下沟中泥沙沉积率与 沟底坡度相关关系Fig.5 Correlation between the sediment and water flow from different slopes, the sedimentation rate in the lower trench and the bottom slope

4 讨论

在本试验中，分别测试了不同坡面来水来沙量、沟底坡度下沟中泥沙输入与沉积量。试验表明，同沟底坡度、降雨强度条件下，不同的小区处理下坡面来沙总量和沟中沉积总量均不同，但沉积率变化不大。例如沟底坡度为0°条件下的9场试验，沉积率集中分布在77.0%～83.5%之间，非常接近。说明在地边沟沟底坡度一定的条件下，径流含沙量大小对地边沟中泥沙的沉积率影响较小；同沟底坡度，不同降雨强度、小区处理方式条件下，其坡面来沙总量和沟中沉积总量不同，但沉积率变化不大。不同沟底坡度、降雨强度、小区处理方式条件下，坡面来沙总量和沟中沉积总量不同，泥沙沉积率随坡度增大而减小。当沟底坡度为0°时，沟中泥沙沉积率在77.0%～83.5%之间，平均79.0%；当沟底坡度为1°时，沟中泥沙沉积率在50.7%～62.8%之间，平均55.5%；当坡度为3°时，沟中泥沙沉积率在9.6%～19.1%之间，平均13.6%。表明沟底坡度是影响地边沟土壤保持效益的主要因子，与沟中泥沙沉积率呈显著线性负相关关系(图5)。沟底坡度的大小决定其水动力大小，从而影响了沟中径流的搬运能力。当沟底坡度为0°时，土壤保持效益可达79.0%，当沟底坡度增大到1°时，地边沟的土壤保持效益降低到55.5%，当沟底坡度增大到3°时，地边沟的土壤保持效益降低到13.6%，已经几乎不具备土壤保持效益。

地边沟主要发展与应用于我国南方丘陵区，然而针对其土壤保持效益的研究报道甚少，与地边沟类似的研究主要有水平沟。张兴昌等[20-21]通过9年天然观测表明：水平沟较平播减少土壤侵蚀量33.7%～88.9%。而林和平[22]试验对比研究则表明水平沟减少土壤侵蚀量在55.86%～87.17%之间，平均近40%，减沙量随试验小区坡度的增大而减小。石生新[23]研究表明减沙率均大于46%。李晓原等[24]对5种典型土壤管理措施的产流产沙研究表明，减流减沙效果由高到低的顺序为：水平沟>木地肤覆盖>鱼鳞坑>角果藜覆盖>裸地。丁新辉[25]对板栗林的研究显示，水平沟减沙率为85.31%。地边沟在设计形态以及规模上与水平沟均存在差别，但二者在土壤保持效益方面相近。试验表明，当地边沟沟底坡度为0°或1°时，其土壤保持效益均在50.7%至83.5%之间，考虑到试验的地边沟受铺盖无纺布的影响，生产实践中的地边沟的减沙效益还要更好。

5 结论

1)当地边沟沟底坡度为1°或0°时，地边沟具有良好的土壤保持效益，土壤保持量在50.7%～83.5%之间，当沟底坡度增大到3°时，地边沟土壤保持效益很差，平均土壤保持量仅为13.6%。

2)地边沟沟底坡度是影响地边沟土壤保持效益的主要因子，沟底坡度与沟中泥沙沉积率呈显著线性负相关关系。

3)地边沟沟底坡度一定时，不同降雨强度和不同径流含沙量条件下，沟中泥沙输入量和沉积量均不同，但泥沙沉积率变化较小。当沟底坡度为0°时，沟中泥沙沉积率在77.0%～83.5%之间，平均79.0%；当沟底坡度为1°时，沟中泥沙沉积率在50.7%～62.8%之间，平均55.5%；当沟底坡度为3°时，沟中泥沙沉积率在9.6%～19.1%之间，平均13.6%。