辽西水土保持工程措施与植物措施防控效应分析

穆智育

(绥中县水利事务服务中心，辽宁 绥中 125200)

水土流失作为土壤侵蚀的重要形式，一般会造成水环境破坏、面源污染、耕地毁坏以及土地退化等一系列问题，水保措施对有效防控面源污染及减沙截流等发挥着重要作用。辽西低山丘陵区属于我国水土流失重点治理区，经过多年治理，辽西生态环境有了明显改善，荒山荒坡逐渐变成水保林、经果林，坡耕地成为高校节水的梯田，老果园变成了果树台田，明显减少了河道泥沙淤积情况，水土保持成效显著[1-2]。低山丘陵区水环境、水文受水保措施的影响较大，为了探讨适用于辽西棕壤坡面的水保措施，文章结合常年观测的坡面径流小区试验数据，研究了水保工程措施与植物措施的减污、保土、蓄水效应，旨在为辽西棕壤区面源污染与水土流失防控提供一定支持。

1 小流域概况

文章以辽宁省绥中县大獐小流域为例，通过定位观测试验定量分析水保工程措施与植物措施的防控效果。大獐小流域地处E120°5′17″～120°11′50″、N40°19′51″～40°24′57″之间，总面积25.18km2，其中水土流失21.40km2，海拨高程285m～45m，属低植被土石质丘陵中度侵蚀区。经现场踏勘，地形总体较平坦，林地面积较少，大部分为疏林地和坡耕地，荒山以土石质山为主，适宜进行整地、造林。

大獐小流域位于半干旱、半湿润大陆性季风气候区，年均降水量620.8mm，年均径流深221mm，降水量年内分配不均匀，年季间变化大，多集中于7～9月。流域内土壤类型以棕壤为主，植被以人工林为主，树种主要有刺槐、榆树、杨树、紫穗槐、荆条等，水保林以刺槐为主，林木成材率较低，草种主要有披碱草、燕麦草、蒲公英、沙打旺等，林草覆盖率44.76%，在辽西地区其水保措施和土壤类型具有较强的代表性。

2 研究方法

2.1径流小区设计

依据试验目的，在坡度较均一、土壤理化特性较一致且土层厚度均匀的同一坡面上设置5个标准径流小区。径流小区坡度25°，水平投影面积20m×5m(即100m2)。围埂设置于小区周边，围埂埋深45cm，高出地表30cm，围埂的主要作用是阻断内、外径流交换。将深20cm×宽30cm×长5m的横向矩形集水槽修筑于小区下方，并利用PVC管把小区径流及泥沙引入槽内。充分考虑可能发生的最大径流量和暴雨量，将径流池设计成1#(1.0m×1.0m×1.0m)、2#(0.8m×1.0m×1.0m)、3#(0.8m×1.0m×1.0m)三个池子，径流池及其内壁正面安设五分法V型三角分流堰和搪瓷水位尺，自记雨量计安装于小区附近，以此获取实时降雨量数据，并按照《水土保持试验规程》推荐的方法完成径流观测和管理。

大獐小流域棕壤坡面现有水保植物措施中地被覆盖植物以胡枝子、铁茫萁为主，乔木主要为马尾松。为最大限度地维持棕壤坡面的原始性，在设计处理径流小区时应以原有坡面为基础，结合实际情况适当调整。水平竹节沟是水土流失生态防护型治理最典型的水保工程措施，主要通过每隔一定距离沿山坡等高线修建的蓄水截流沟拦沙蓄水，按照等间隔在沟内设置横土垱阻断水流，其形似竹节；梯壁草、果树梯田、前埂后沟是水土流失高效开发型治理最典型的经果林水保措施。文章结合当地农业工作方式和借鉴南方“前埂后沟 + 梯壁植草 + 反坡梯田” 坡面工程优化配置技术及以上常用措施设计5种处理措施，如表1所示。

表1 标准径流小区的水保措施

2.2 数据测定方法

以2018-2020年为观测期，各项数据测定方法如下：选用自记雨量计测定降雨量，人工观测泥沙量和径流量，利用试验站事先率定好的公式对径流池中水位尺的读数进行处理，以确定径流量；采集过、滤烘干次降雨形成的水样，并结合径流量监测数据，计算确定含沙量和侵蚀泥沙量；采集次降雨过后的水样、泥沙样并测定氮和磷含量，利用钼酸铵分光和碱性过硫酸钾消解紫外分光等光度法测定水样中的总氮、总磷，利用钼锑抗比色法、硫酸-高氯酸消化扩散吸收法测定泥沙样中的全氮、全磷含量。

3 结果与分析

3.1 降水特征

大獐小流域2019-2021年降水量较丰富，年均降水量632.8mm，降水量年内分配不均，主要集中于6-9月，其它时段降水量相对较小。通过分析2019-2021年55场次侵蚀性降雨的产流产沙特征发现，各径流小区的降雨量与产流产沙量存在一定密切联系，产流产沙量随降雨量的增加而增大，并且产流量、产沙量的变化规律基本一致。

图1 2019～2021年降水量分布特征

3.2 减沙保土效益

采用成因分析法(水保法)对比计算空白对照小区A与水保措施小区B、C、D、E的径流量，以此确定减流蓄水效应，如表2所示。

表2 2019～2021年各径流小区的径流量特征

从表2可以看出，C小区的年均径流量最低为8.24m3，为空白对照小区(径流量最大)的17.9%，此外B、E径流小区的减流蓄水效应也比较显著，B、C、D、E、F径流小区的减流率依次为67.33%、82.13%、34.66%、76.68%。究其原因，B、C、E径流小区采取果树梯田或水平竹节沟等工程措施，通过改变下垫面条件、分段拦蓄径流、截短坡长和调整微地形等方式，降低了径流水动力，汇流方式也发生相应的改变，并且植物措施可以增大地表覆盖和土壤入渗，水保措施的实施有效降低了小区产流量。

3.3 减流蓄水效应

文章利用水保法对比计算空白对照小区与实施水保措施小区的产沙量，以此确定减沙率特征指标，用以反映各水保措施的减沙保土效应，如表3所示。

表3 2019～2021年各径流小区的产沙量特征

从表3可以看出，C、E小区的侵蚀模数较低依次为412(t/km2·a-1)和450(t/km2·a-1)，为空白对照小区(侵蚀模数最大)的18.6%和20.3%，达到微度侵蚀强度；A、D小区的侵蚀模数较高依次为2216(t/km2·a-1)和1620(t/km2·a-1)，达到轻度侵蚀强度；B、C、E径流小区相比于A小区具有明显的减沙效果，减沙率依次为75.77%、81.41%、79.69%，D小区的减沙率只有26.90%，减沙效果不明显。与荒地相比，在棕壤坡度种植经济林既能够获得一定经济效益，还可以有效整治水土流失，但若未配套水平节水沟等工程措施，建设初期地表原生植被会受到破坏，土壤颗粒被雨滴溅起引发水土流失，因此必须综合利用工程措施与植物措施。

3.4 污染防控效应

1)径流携带氮磷污染防控效应。以空白对照A小区为例，通过计算分析自然降雨后的各小区径流水样，探讨不同水保措施防控径流携带氮、磷等污染物的效应，如表4所示。

表4 2019～2021年各径流小区的总氮、总磷径流输出特征

从表4可以看出，2019～2021年各径流小区的总氮输出量为7.92～367.41g，总磷输出量为0.63～29.61g，总氮输出量远远高于总磷输出量。C小区的年均总氮、总磷输出量均最小为2.64g和0.21g，为空白对照小区(输出量最大)的2.16%和2.13%，并且B、E径流小区也具有明显的氮、磷等污染物拦截效应。B、C、D、E径流小区的总氮拦截率依次为90.81%、97.84%、63.16%、96.49%，其总磷拦截率依次为89.46%、97.87%、67.06%、97.57%。究其原因，工程措施和植物措施具有较好的地表径流拦截作用，植物可以在一定程度上吸收营养物质，所以对径流输出溶解态面源污染物各水保措施小区的防控效果显著。

2)泥沙携带氮磷污染防控效应。以空白对照A小区为例，通过计算分析自然降雨后的各小区径流水样，探讨不同水保措施防控泥沙携带氮、磷等污染物的效应，如表5所示。

表5 2019～2021年各径流小区的总氮、总磷泥沙输出特征

从表5可以看出，2019～2021年各径流小区的全氮年均输出量为14.75～40.25g，全磷年均输出量为5.81～1526.72g。C小区的年均全氮、全磷输出量均最小为14.75g和5.81g，为空白对照小区(输出量最大)的36.6%和0.4%，除D径流小区外其它小区的全氮拦截率相差不大。此外，各水保措施均具有明显的全磷随泥沙输出的拦截效果。B、C、D、E径流小区的全氮拦截率依次为50.78%、63.35%、17.02%、58.58%，其全磷拦截率依次为99.31%、99.62%、98.02%、99.42%。究其原因，工程措施和植物措施具有较好的减沙保土作用，能够有效防控吸附态面源污染物随泥沙的输出。

4 结 论

文章通过定位观测和试验分析辽西棕壤坡地径流小区，探讨了水平竹节沟、乔灌草等工程措施和植物措施的面源污染及水土流失防控作用。对于标准径流小区，工程措施+水保林的减沙率约为75.77 %、减流率约为67.33%，总体次于工程措施+经果林的减沙率(79.69%～81.41%)和减流率(76.18%～82.13%)，但由于植物篱+经济林。植物篱+经济林、工程措施+经果林、工程措施+水保林总氮(吸附态和溶解态)年均输出量相对于荒草地的拦截率均达到60%以上，总磷(吸附态和溶解态)年均输出量相对于荒草地的拦截率均达到98%以上。因此，各项水保措施对于防控辽西棕壤坡地水土流失和面源污染以及优化水环境等具有显著作用。