基于淤地坝建设为主导的小流域综合治理条件下水土资源耦合效应研究

姚西文

（平凉市水土保持科学研究所，甘肃 平凉 744000）

纸坊沟小流域位于甘肃省平凉市区以南，由南向北入泾河，流域面积18.98 km2，主沟长19.20 km，呈柳叶形，海拔1 365.0～2 104.8 m，该流域地貌在陇东有一定代表性。1954年开始在流域沟口处建设纸坊沟一坝，1965年在八里庙建成纸坊沟二坝。从1974年起，纸坊沟沟道治理由单坝建设进入坝群建设时期，在2 个骨干坝下控上护的基础上，采用碾压和水坠施工建成小坝11 座，使主沟道实现了梯台化。同时，在一、二坝区间的5 条较大支沟沟口修建了5 座塘坝，以坝带路，连接交通。期间还实施了梯田、植树造林等坡面治理措施。

就小流域自然生态单元而言，耦合效应有3 种表现形式，即协同效应、叠加效应和拮抗效应。在纸坊沟流域一坝淤地范围内，在与主沟道垂直的方向上取2 个断面对坝地及东西2 面沟坡上的梯田小麦地、休闲地等进行了土壤水分、养分测定，并应用流域内3 座水文站多年气象水文径流泥沙观测资料、坝库淤积测量资料，从微观和宏观2 个方面研究平凉市纸坊沟小流域在有人为活动参与下的水土资源耦合效应。

1 研究应用的数据资料

本项目研究应用了纸坊沟流域1955—1982年降雨、蒸发、径流、泥沙实测及成果汇编资料，1996年7月26 日百年一遇暴雨洪水淤积调查实测资料，2003年6月5—8 日不同地类土壤养分、水分测定资料，2003年7月3 日小麦测产资料和2002年作物种植调查资料。

土壤养分、水分测定是在一坝淤地范围内与主沟道垂直的方向上取2 个断面对坝地及东西2 面沟坡上不同地类0～120 cm 深度范围内土壤含水量、土壤养分进行测定，每隔20 厘米取样。取样断面Ⅰ距一坝大坝400 m，取样范围内左岸沟坡平均坡度46°，右岸沟坡平均坡度51°，断面Ⅱ距一坝大坝800 m，取样范围内左岸沟坡平均坡度38°，右岸沟坡平均坡度41°。

沟坡上的样点按上、中、下坡位布设，坝地则在距左右岸相等的中线上补点，样地均为梯田小麦地。沟坡上相邻小麦地若有休闲梯田地或荒坡地、撂荒地、荒台地等也布点取样。采用土钻人工取样，土壤水分每层取2 个样本（2 个重复），装入土盒，现场称取湿重，随取随称。湿土盒放入电烘箱烘干后及时称取干重。对 0～20 cm、40～60 cm、100～120 cm 土层所取土样在取过水分测定样本后装入土袋，进行实验室土壤养分分析。2003年7月3 日对测定了土壤水分、养分的沟坡梯田和坝地小麦进行了实地测产。

2002年对纸坊沟流域土地种植利用情况进行实地调查，根据种植的各种作物如小麦、玉米、蔬菜、桃、葡萄等测产资料、投入的生产资料及人工，按照2002年的农产品市场价格、生产资料价格及劳动力价格进行纸坊沟流域山坡地及坝地投入产出分析。

2 小流域水土资源耦合效应的微观效应

2.1 土壤水分效应

2.1.1 沟坡不同坡位及坝地土壤水分 根据对纸坊沟流域一坝范围内的2 个断面收获期小麦地土壤水分含量测定结果表明：沟坡上不同坡位梯田小麦地的土壤水分含量上部＜中部＜下部＜坝地，沟坡梯田小麦地的土壤水分含量比坝地低，变化趋势具有明显的规律性（表1）。

通过表1 分析表明：坝地土壤水分对沟坡地土壤水分的影响是十分明显的，与坝地相邻的沟坡梯田小麦地土壤水分含量仅相差1.38%，比坝地仅小6.28%。各样点不同土层土壤水分含量，沟坡梯田随土层深度的增加总体上是增加的趋势，而坝地无规律。不论是沟坡梯田还是坝地，断面Ⅰ均大于断面Ⅱ，表明坝地土壤的淤积深度对坝地和沟坡土壤的水分含量具有明显影响。同时，沟坡梯田小麦地土壤含水量东坡大于西坡，相差0.18 个百分点，东西坡含水量平均为9.59%；坝地土壤含水量平均为11.47%，坝地大于沟坡地，相差1.88 个百分点。

表1 纸坊沟流域沟坡坝地土壤含水量

2.1.2 沟坡同坡位不同地类土壤水分 对相同坡位不同地类梯田样地土壤含水量测定分析表明：梯田小麦地低于荒台地，平均低1.94 个百分点，梯田比荒台地低20.2%。梯田小麦地土壤含水量的最小值与最大值的差值为2.53 个百分点，荒台地的差值为2.89 个百分点，梯田土壤含水量的一致性高于荒台地。梯田与荒台地对应点的差值最大4.34 个百分点，最小0.32 个百分点。梯田小麦地平均8.2%，梯田休闲地平均15.80%，梯田休闲地比梯田小麦地土壤含水量平均多92.68%。坝地小麦地土壤含水量10.33%，相邻休闲地土壤含水量18.49%，相差8.16个百分点，休闲地比小麦地多78.99%。梯田小麦地和相邻荒坡地土壤含水量分别为10.75%和17.45%，相差6.7 个百分点，荒坡地比梯田麦地多62.33%。土地种植作物不仅能够有效利用降水生产粮食，而且能够降低土壤含水量，减少土壤侵蚀。

2.2 土壤养分效应

2.2.1 沟坡不同坡位及坝地土壤养分 与水分测定同点位的土壤养分含量测定结果分析表明：沟坡梯田小麦地两断面间的土壤养分，断面Ⅰ的全氮、全磷、NH4-N、K2O 均低于断面Ⅱ，分别低 5.51%、18.63%、8.42%、11.67%；而断面Ⅰ的有机质、NO3-N、P2O5均高于断面Ⅱ，分别高出 2.820%、49.485%、7.692%。东西坡之间有机质、全氮、全磷、K2O 差异显著，其中有机质、全氮、全磷东坡比西坡分别高49.36%、52.94%和61.33%，K2O 西坡比东坡高 27.74%。P2O5东西坡之间差异极显著，西坡比东坡高30.00%。

不同坡位的土壤养分含量基本上没有什么规律，在东坡的7 项养分指标中仅有机质、全氮、NH4-N、P2O5、K2O 表现出上坡＞中坡＞下坡的规律；在西坡，有机质、全氮、全磷3 项指标表现出沟坡上部大于中下部，但中部又小于下部，似有规律但不确定或不明显，NO3-N、NH4-N、P2O5、K2O 4 项指标反而是从下而上表现出递减的趋势。

第二，舞台表演中良好的表现有助于演员更好地发挥。演员在表演的时候，将自己想象成角色本身，在演唱时就会更加投入，声音也会达到一个很好的状态，演唱也会更吸引观众。当演员全神贯注地进入一个角色的时候，他所表现出的演唱能力是超人的，甚至要比平时的演唱状态都要好，使“演”和“唱”融合在一起，达到一种近乎完美的境界。

2.2.2 梯田与坝地土壤养分 由表2 可见，坝地土壤的有机质、全氮、全磷、NO3-N、P2O5含量均低于梯田，分别比梯田低0.058 个百分点、0.001 个百分点、0.008 个百分点、32.39%、10.62%，而且全磷含量差异极显著。NH4-N、K2O 的含量坝地大于梯田，分别大44.63%、11.96%。梯田和坝地土壤有机质平均含量在p=99%时差异不显著，但如后文所述，坝地作物产量显著高于梯田地。

表2 坝地梯田小麦地养分含量分析

2.3 土壤结构效应

纸坊沟流域的坝地土壤既非自然土壤，又非耕作土壤，坝地土壤是土壤侵蚀的产物，是土壤侵蚀物随水流运移沉积形成的，其土壤结构具有自身的特征。测定分析表明：坝地土壤粒径组成仍具有黄土性土壤特征，以粉粒为主，粉粒占全部粒径的66.6%～70.0%，而且中细粉粒含量比例大，粉粒比例小，而这种土壤结构的特性非常适合作物的生长，上部轻壤土层通气透水，中下层既有利于保水，又能为作物后期生长提供足够的养分，可以说是作物生长的营养库。另外，坝地土壤既含有较高的粗粉粒，亦含有较多的细粉粒，粘粒含量也比本流域的坡耕地多，因此砂粒、粉粒、粘粒含量比例适宜，是农业土壤中较为理想的土壤质地，通透性好，保水保肥性好，养分含量丰富，有机质的积累和分解快，土壤供肥性好，土性温暖，宜耕作，宜耕期长，耕作质量好。

测产表明：纸坊沟流域沟坡梯田小麦单产平均3 209.8 kg/hm2，坝地小麦平均单产为5 151.6 kg/hm2，相差1 941.8 kg/hm2，坝地比梯田多60.5%。经t 检验，t=5.548，t＞t（16,0.01）=2.921，坝地与梯田小麦单产在p=99%时差异极显著。

梯田0～20 cm 和100～120 cm 土层有机质含量高于坝地，40～60 cm 低于坝地，土壤有机质平均含量梯田比坝地大0.058 个百分点。t＜t(17,0.01)=0.815，差异不显著。

小麦收获期梯田和坝地0～120 cm 土壤含水量平均为9.19%和10.03%，相差0.84 个百分点，经t检验，梯田和坝地0～120 cm 土壤平均含水量在p=95%时，t=1.153，t＜t（16，0.05）=2.583，差异不显著。

上述分析表明：坝地土壤水分含量、有机质含量对小麦产量的影响不显著，是水、肥、气、热多种因素综合作用的结果，而使小麦产量提高的物质基础则是土壤结构因素，也就是土壤的通气、透水性能，由此说明坝地的良好土壤结构是作物获得高产的基础，以肥调水在一定的土壤水分、养分条件下是适宜的，但在低土壤含水量条件下土壤养分含量过高，反而会对作物的正常生长产生负面影响，形成耦合负效应。

3 小流域水土资源耦合效应的宏观效应

3.1 坝群蓄水、蒸发、入渗和滞洪效应

3.1.1 蓄水效应 纸坊沟流域从1954年开始进行沟道治理工程建设，先后建成纸坊沟骨干坝（即一坝）、八里庙骨干坝（即二坝）和16 座小型淤地坝（包括塘坝）。经计算，沟道治理工程自建成至2003年累计蓄水660.0 万m3，坝库蓄水虽不能产生直接经济效益，但在增加土壤水分入渗、增加土壤含水量、增加水面蒸发和增加空气湿度、改善流域小气候、增加人畜生活用水、净化美化生产生活环境发挥了非常重要的作用。

3.1.2 蒸发效应 纸坊沟流域沟道治理工程建成后，每年增加水面面积4.64 万m2，水面蒸发增加的蒸发量170 万m3，平均每年增加蒸发量3.66 万m3，对于地处西部干旱地区的纸坊沟流域增加流域空气湿度具有良好的效果。

3.1.3 入渗效应 蓄水和坝地拦截渗入土壤中的地下水量共 504.78 万 m3，平均每年 10.08 万 m3，入渗水既补充了下游地下水源，又使两岸沟坡土壤含水量提高，增加了粮食作物生长、生产土壤供水量。

3.1.4 滞洪效应 新中国成立以后为根治纸坊沟流域的水害，黄河水利委员会西北黄河工程局将纸坊沟流域列为黄土高原地区水土保持重点治理试验示范小流域，纸坊沟水土保持治沟工程的建设，有效遏制了流域的山洪灾害。自1955年纸坊沟一坝建成以来，流域内虽发生了1957年50年一遇暴雨洪水和1996年100年一遇的暴雨洪水，但流域及其下游未损毁土地，未伤及人员。根据建坝前的气象资料以及从县志上查得的各典型降雨对纸坊沟暴雨洪水产生的灾害频率，推算纸坊沟建坝60 多年来，减免可能造成的大小洪水灾害36 次，有效保护了纸坊沟流域及其下游工农业生产及人民群众生命财产安全。从1974年起，纸坊沟流域的沟道治理由单坝建设进入坝群建设时期，由单纯的主沟道防洪治理进入开发性治理，骨干坝与中小型淤地坝并举，主支沟共建阶段。

3.2 水土保持效应

纸坊沟流域建设水平梯田508.8 hm2，造林281.4 hm2，种草 173.0 hm2，修建涝池 20 座，水窖120 座，谷坊150 座，通过对这些坡面治理措施、淤地坝及小型拦蓄工程蓄水保土效益的计算表明，以上措施每年可拦蓄径流27.35 万m3，拦蓄泥沙8.28 万 t。

纸坊沟流域坝群建成后，抬高了河床和沟坡的侵蚀基点，制止并减少了河谷侵蚀面积。据测算，坝群建设前纸坊沟流域年侵蚀模数9 266 t/km2，建坝后有49 hm2的面积停止了侵蚀。现在每年可减少土壤侵蚀3 628 t；建坝前主沟道冲刷下切深度0.25～0.4 m/年，建坝后已有9.75 km 的主沟道停止了冲刷和扩张，每年减少沟蚀46 340 t。

3.3 保肥增地增产效应

纸坊沟流域梯田每年保持的8.28 万t 土壤中，含有机质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。修建的各坝库已拦蓄泥沙350.28 万t，根据实测的纸坊沟坝地土壤养分含量计算，坝库内拦淤泥沙保持的有机质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、速效钾294.41 t，这些养分成为坝地作物生产和开发利用的营养库。

纸坊沟流域从1954年开始建设的2 座骨干坝和16 座淤地坝，除有3 座小型淤地坝目前仍在蓄水外，其余13 座坝目前已淤积形成坝地46.9 hm2。

纸坊沟流域沟坡耕地总面积596.43 hm2，开始沟坡水土保持治理以来，修建水平梯田508.8 hm2，淤地坝的建设以及坝地的淤积形成，使坝地两面沟坡上的梯田种植作物的适宜性提高，产量大幅度提高，蔬菜和经济果树面积增加88.33 hm2，占梯田面积的17.36%。田间测产表明：梯田小麦平均单产 3 217.5 kg/hm2，坡地小麦平均单产1 620 kg/hm2，梯田比坡地增产小麦1 597.5 kg/hm2。梯田小麦地单位面积产值6 949.8 元/hm2，坡地小麦地单位面积产值3 499.2 元/hm2，单位面积产值增加3 450.6 元/hm2。若全部按照小麦计算，纸坊沟流域的508.8 hm2水平梯田比坡地年增加产值257.76 万元。

通过对坝地开发利用情况进行调查，坝地上适宜种植多种作物，坝地作物年生产总值1 170 万元，年净产值84.5 万元，年纯收入57.3 万元，受益农民190 户，人均年增加经济纯收入569.0 元。梯田增产效应和坝地生产效应每年产出净产值323.8 万元。

4 结语

小流域作为一个自然生态单元，不同程度的自然发生着水土流失，在有人口居住并生活其中时，必然要对自然资源尤其是水土资源进行开发利用，以获取基本的生活资料。由于历史的局限和认识的不足，人们最先只知开发而不知保护自然资源，导致在进行土壤资源开发利用的同时，大气降雨同土资源相互作用而发生严重的水土流失，造成自然资源——水土资源的严重破坏并引发严重的自然灾害，水土资源的耦合负效应不断增大。

纸坊沟流域多年来不断进行水土流失综合治理，逐渐从坡面到沟道形成了有效合理的水土资源调控系统，使流域微地形、地貌和植被状况产生了向有利于水土资源相互作用而形成耦合正效应的方向转化的条件，坡面植物措施的实施使地表土壤不受或减少雨水的直接冲击而减轻土壤侵蚀，梯田建设控制了坡耕地的水土流失，使大气降水与耕地土壤相互受益，相互协调，提高了耕地水土资源的开发利用效率，使梯田作物单产比坡地提高了1 倍；沟道治理工程特别是淤地坝建设实施，不仅防止了沟道下切、沟岸扩张和山洪灾害，而且坝库蓄水和坝地的形成既增加了水面、土壤水分入渗及土壤水分蒸发，使流域内自然植被生长茂盛、粮食作物生长良好、自然景观和生态环境得到显著改善，而且还增加了高质量的生产用地，坝地粮食单产比梯田高1.6 倍，比坡地高3.18 倍，生产效益十分显著；坝库蓄水和坝地的形成，使沟坡土壤含水量增加，距离坝地和库区水面越近，沟坡地土壤含水量越高；梯田作物生长的首要限制因素仍是土壤含水量，而坝地作物高产的原因缘于坝地良好的土壤结构使作物生长的水、肥、气、热因素更加协调，作物得以丰产。

总之，基于淤地坝建设为主导的纸坊沟流域水土流失综合治理、水土资源调控系统的形成，使流域内的水土资源相互作用的效应发生了质的转变，使水土资源耦合负效应十分显著地转化为耦合正效应，小流域水土资源在得到有效保护的同时开发利用效率显著提高。