植被毯措施对黑土农田浅沟侵蚀的防护效果研究

2022-12-27孙义秋关颖慧汪志荣吴海龙

水土保持研究 2022年1期

孙义秋, 关颖慧, 汪志荣, 吴海龙

(1.天津理工大学环境科学与安全工程学院, 天津 300384; 2.北京林业大学水土保持学院, 北京 100083)

土壤侵蚀是土地退化的重要过程之一，它对生态系统保护、粮食安全供应、人类健康以及国家经济的发展构成严重威胁[1]。东北黑土区是我国重要的商品粮生产基地，粮食产量约占全国的1/5，据调查黑土区侵蚀沟数量约29万多条，其中发展沟占侵蚀沟总数的88.67%[2]。浅沟作为细沟向冲沟发展的过渡形态，其既是沟道泥沙的搬运通道，也是整个汇水面积内泥沙输送的下坡通道。它的形成过程受径流冲刷和人类耕作的双重影响，虽然可通过耕作去除，但经过降雨冲刷后又会在相同地点重新生成[3-5]。在农业用地上，浅沟侵蚀不仅决定了水土流失的严重程度[1,6]，同时也是土壤质量退化的直接因素[7]，因此，对农田浅沟的治理不仅有助于深入了解黑土区土壤侵蚀的规律，而且对于黑土资源的保护也具有重要意义。

浅沟侵蚀是由于浅沟间的降雨汇入沟道，导致水流的冲刷力增大，使得浅沟不断加深加宽，最终形成更加严重的侵蚀形态。东北黑土区多为漫川漫岗地形，耕地主要为横坡垄作与顺坡垄作两种方式[8]，且在同一地区两种垄作方式往往同时存在[9]。在暴雨或连续性降雨的情况下，汇集的超渗径流在顺坡垄中顺着垄沟向坡下移动，并在横垄与顺垄交汇处滞留，当汇流流量达到一定的程度后，径流漫过垄台，形成较强冲刷能力的股流而不断侵蚀垄台，并最终冲断垄台形成浅沟，由于顺坡垄提供了天然的汇流通道，使得汇流强度大大增强，从而造成浅沟进一步侵蚀。吴桐嘉等[10]通过降雨和汇流对浅沟侵蚀过程试验研究发现，浅沟侵蚀发生的主要方式为下切侵蚀和溯源侵蚀。植被覆盖被认为可以提高土壤的抗冲刷力，更好地防治土壤侵蚀[11]。王文鑫等[12]对草地浅沟进行冲刷试验得出，草被能够有效减少浅沟侵蚀产沙，减弱径流的有效切应力。然而，由于地形的原因径流集中汇集，形成冲刷力较强的股流，使得草被抵挡不住径流的冲击，时常会发生浅沟侵蚀[13]。此外，在植草初期集中股流可能会将草种冲走，造成植被覆盖下降，影响浅沟中植被恢复的效果。

植被毯可以稳固种子，保护植物萌发生长阶段不受雨水冲刷，同时，在成熟期植物根系与植被毯、土壤形成更加牢固的复合体，能够增强其抗冲性[14]。目前，关于植被毯减流减沙作用的研究，如岳桓陛等[15]对植被毯护坡的产流特性研究，植被毯覆盖通过增加坡面局部湍流减缓径流流速，降低了径流对表土的冲刷。郭宇等[16]研究与裸地相比，铺设植被毯措施产沙量减少55.05%～85.18%，产流量减少46.27%～73.9%。刘宏远等[17]认为植被毯减蚀效益与减流效益较强，并在一定程度可改善土壤理化性质。以上研究大多集中在植被毯对边坡治理的研究上，而将植被毯应用于植被恢复早期的浅沟治理研究较少，同时植被毯在不同条件下的水土保持效益也必然存在差异。因此，本研究以东北黑土土壤为研究对象，在不同汇流条件下，通过植被毯对农田浅沟产流产沙的影响，定量研究植被毯措施对田间横顺垄交汇处浅沟侵蚀的防蚀效果，以期为农田浅沟治理提供科学参考。

1 试验材料与方法

1.1 材料与装置

试验土槽为3 m(长)×2 m(宽)×0.45 m(深)的固定式液压可升降钢槽(图1)，其坡面坡度调节范围0°～30°，为保证试验过程中良好的排水在试验土槽底部每隔10 cm(长)和10 cm(宽)设置直径为5 mm的排水孔。上方汇流装置由供水管、稳流槽和水箱组成，供水流量大小由供水管的阀门进行调节，试验水质为自来水。供试土壤采自黑龙江省克山县克山农场(125°08′—125°37′E，48°12′—48°23′N)坡耕地地表0—20 cm典型耕作黑土，其颗粒组成为：黏粒(<0.002 mm)含量为6.57%，粉粒(0.002～0.05 mm)含量为67.55%，砂粒(>0.05 mm)含量为25.88%，有机质含量为72.95 g/kg，pH(水浸提法，水土比1∶2.5)为6.3。植被毯为北格润尼环境工程有限公司提供，由椰丝纤维和护网通过机械加工制成，毯重334 g/m2，厚度约3～5 mm，纵向断裂强度2 kN/m，横向断裂强度1.9 kN/m，椰丝毯网孔密集且大小合理，能够保证植物顺利穿过茁壮生长。

图1 试验装置示意图

1.2 试验设计

本试验于2020年7—10月在天津理工大学环境科学与安全工程学院进行，根据野外坡耕地浅沟实际调查和相关文献资料，研究区域坡面坡度一般为2°～7°，结合东北黑土区较高频次的瞬时雨强0.71 mm/min[18]，以及参考胡刚等[19]黑土区浅沟侵蚀发育特征，浅沟平均汇流面积3.4 hm2，临界坡长为210 m，汇流强度设计参考下式[20]：

式中:Fe为放水流量(L/min)；We为模拟宽度，本研究设计We=1 m，W为实际沟间距，取值为210～275 m；R为降雨强度(mm/min)；A为浅沟汇流面积(m2)；σ为坡度；α为径流系数，取值0.3。因此本研究设计汇流强度为10，30，40，50 L/min。根据野外调查和测量,由于受微地形地貌的影响，浅沟多具有与坡面坡度垂直的微坡度存在。因此,试验设计坡面坡度7°,垂向微坡度3°。同时,在距土槽顶端30 cm处至槽子末端用刮板刮出设计的浅沟雏形模型,浅沟宽1 m，两侧坡度30°，浅沟底部与两侧坡沟高差7 cm，沟底宽80 cm，浅沟雏形模型横断面近似为梯形(实际使用植被毯前要对沟底进行平整)。为保证浅沟雏形形态的一致,在试验前均用相同的刮板处理。具体试验设计见表1。

表1 试验设计

1.3 试验步骤

试验土壤采用过1 cm筛不研磨处理，尽量保持土壤的原有结构，保证试验土壤形状一致。填土时先将纱布铺在试验土槽底部，并填入5 cm高细沙作为透水层。然后在沙层上铺一层纱布后填15 cm的黄土模拟犁底层和20 cm的黑土作为耕层。其中设计耕层容重为1.15～1.20 g/cm3，犁底层容重为1.25 g/cm3。每次装填试验土槽前，测定土壤含水量并结合容重值确定每层所需的土壤重量。为保证填土的均匀性，每5 cm为1层。装上层土之前，先用齿耙将土壤表面耙松1 cm，以免土壤分层。同时还要将试验土槽四周边界压实，减少边界效应的影响。坡面铺平后，用刮板距顶端30 cm处制作出浅沟模型，之后盖上植被毯并完全覆盖整个浅沟，铺设时用U型钉(钉长5 cm，弯钩为2 cm)从浅沟底部上方向下方每隔1 m固定一个防止移位和保证植被毯和地面良好的接触，同时，植被毯两侧及上方埋于土内并夯实[21]，见图2。

图2 植被毯布设图

为了保证每次试验的初始条件基本一致，试验前一天进行30 mm/h的预降雨，当土壤表面达到充分饱合即将产流时，结束降雨并将土槽用塑料布盖好后，放置24 h进行正式试验，试验前期土壤含水率变化为19.3%～20.5%。试验前后，均对放水流量进行率定，当汇水流量与设计流量的误差在5%以内时方可进行冲刷试验。试验开始后，水流溢出至坡面开始计时，在集流口有径流流出时，记录产流时间。产流后20 L塑料桶每2 min取1次径流泥沙样，每次接样时间为20 s，整个试验过程持续45 min。取样的同时采用染料示踪法测定浅沟径流流速以及径流温度，试验结束后，将接取的泥沙过程样按顺序全部称重，静置澄清后倒出上清液转移泥沙至铝盒，然后在105℃的烘箱中烘干称重并计算泥沙质量。

1.4 计算方法与数据处理

1.4.1 减流效益及减沙效益为比较直观地比较植被毯对浅沟的防护效果，本文引入减流效益(Bl)和减沙效益(Bs)，植被毯覆盖的产流量与无覆盖裸坡的产流量比值为减流效益，植被毯覆盖的产沙量与无覆盖裸坡的产沙量比值为减沙效益，计算公式为：

式中：Q0和Qz分别为无覆盖裸坡和植被毯覆盖的产流量(g/m2);S0和Sz分别为无覆盖裸坡和植被毯覆盖的产沙量(g/m2)。

1.4.2 数据处理及分析采用Excel 2016对数据进行处理，采用Origin 2017进行绘图。

2 试验结果与分析

2.1 不同汇流强度对植被毯覆盖产流过程的影响

图3A—D分别是植被毯在10，30，40，50 L/min汇流强度下坡面径流量随时间变化过程的曲线。图中可以看出，不同汇流强度下，产流率随时间的变化规律基本相同，均呈现出先急剧增大后保持稳定的变化趋势，这是由于试验开始阶段，土壤表层含水率较低，使得径流大量下渗，但随着土壤水分的饱和，径流率达到一定值后呈现为平稳的趋势。但各流量下植被毯覆盖产流率趋于稳定的时间有较大差异，不同汇流强度处理的产流率在汇流开始前10 min内均能达到稳定，表现为汇流强度越大，达到稳定径流率的时间越短，这与康宏亮等[22]的研究放水流量与稳定径流率相关性极大一致。

图3 不同汇流强度下的浅沟径流变化过程

从图中还可以看出，植被毯覆盖对浅沟产流量的影响有明显的不同，汇流强度为10，30 L/min时，植被毯的产流量明显小于裸坡，裸坡产流率是植被毯覆盖的1.14倍和1.18倍。当汇流强度增加到40，50 L/min时，相对于裸坡而言，植被毯对减少产流几乎没有影响。这表明小流量下(汇流强度小于30 L/min)，植被毯覆盖的浅沟保水性能优于无植被毯覆盖的对照组，这与刘宏远等[17]对植被毯边坡防护效益研究进行的降雨试验发现植被毯能够储存水分，增加径流下渗以及可直接减少径流的结论相似。而在流量较大的情况下(汇流强度大于40 L/min)，植被毯覆盖的减流性能下降。一方面是由于植被毯本身的吸水能力达到饱和，使之径流的拦截率下降[23]，同时植被毯下层与土壤表层形成的纤维—土壤综合体的低渗水性，当汇流强度大于入渗速率时，就会形成部分超渗流，从而造成浅沟的下渗量减少[15,17]。另一方面通过观察浅沟沟底侵蚀形态，可能是浅沟径流的相对动能增加，侵蚀能力增强，植被毯下部形成许多较小细沟，这些细沟可为径流提供天然的通道，从而可以减少径流在浅沟内滞留的时间。因此，植被毯在一定范围汇流强度下，相对可以减少径流，当超过这个临界条件后，植被毯就会失去减流作用。

2.2 不同汇流强度对植被毯覆盖产沙过程的影响

图4A—D分别是植被毯在10，30，40，50 L/min汇水强度下的浅沟产沙量随时间变化过程的曲线。可以看出，在相同汇流强度下，植被毯措施覆盖的浅沟侵蚀量总体上呈逐渐下降并趋于稳定的过程，但汇流强度越大，水流的含沙量越大。另外，通过观察不同流量下侵蚀量的变化曲线发现，前10分钟的侵蚀量变化较大且随着流量的增加，曲线逐渐变陡，即汇流强度越大，其对产沙率的影响越大。一方面是因为流量的增加，使得坡面流相对动能增加，水流的挟沙能力增强。另一方面是由于随着冲刷的进行，土壤水分已充分饱和，土壤抗侵蚀能力很低，被剥离的土壤颗粒随集中水流全部搬运。

图4 不同汇流强度下的浅沟产沙过程曲线

从植被毯措施的防蚀效果来看，在小于30 L/min汇流强度时，植被毯措施的平均产沙率很小，裸坡对照组的产沙率分别是植被毯覆盖的7.06倍和5.61倍。当汇流强度为40 L/min时，植被毯覆盖侵蚀产沙率急剧增加了432.1%，但与裸坡对照组相比，植被毯措施的产沙率减少了26.63%。由此说明一定流量下，植被毯可以减小浅沟侵蚀的发生，随着汇流强度的增加，植被毯措施的产沙率越大，其防护效果越差，这与Won等[24]认为植被毯覆盖在一定范围内可以减少侵蚀的发生甚至不发生的结论相似。但在防护效果达到一定程度后，这些措施将不再是制约坡面侵蚀的因素[23]。植被毯措施在汇流强度增加到50 L/min后土壤侵蚀增大了115.25%，与裸坡对照组产沙率相当甚至略高，失去了其防护浅沟的作用。这是因为一方面较大的水流在植被毯表面及内部形成了直接径流，径流量增加使得径流动能增大，超出了植被毯减蚀的能力，造成较为剧烈的侵蚀[17]，另一方面植被毯布设时浅沟两侧埋入土壤中的植被毯对土壤的扰动，短时间内植被毯无法与土壤形成结合体使得在较大流量下增加了土壤侵蚀，但从长远看，并不影响植被毯在浅沟中的使用。综上可以看出，植被毯覆盖在汇流强度较小的情况下，可以增加浅沟沟底的粗糙度，减小径流流速，从而减少浅沟的侵蚀[25]；而随着汇流强度的增大，植被毯防护效果逐渐降低，并在50 L/min流量时失去防护作用，此外，植被毯布设施工时，应尽量减少对浅沟两侧边坡的扰动，避免因人为施工而造成土壤侵蚀的增加。

2.3 植被毯措施减流减沙效益分析

由表2可知，植被毯措施在不同汇流强度下的减流减沙效益差异较大，随着汇流强度的增加减流效益和减沙效益逐渐下降，汇流强度为10 L/min时，减流减沙效益最好，分别为16.23%和85.83%，而减流减沙效益表现最差的为50 L/min的汇流强度，分别为1.49%和-15.25%，因此，50 L/min汇流强度下，植被毯措施对浅沟无法起到防护作用。从减沙效益来看，植被毯措施在汇流强度小于30 L/min下，减沙效益可以达到80%以上，但汇流强度高于40 L/min后，减沙效益急剧下降为26.63%。表明植被毯措施在小流量下，对浅沟具有明显的减沙效果，而在汇流强度达到一定值后，其减沙效益急剧减小，甚至失去减沙作用。刘宏远等[17]认为植被纤维毯可能会增大坡面侵蚀，其侵蚀结果与降雨强度，植被毯材料和质量等相关。从植被毯措施减流效益来看，随着汇流强度的增加植被毯措施的减流效益逐渐减小，其变化范围为1.49%～16.23%，在汇流强度为40 L/min以上时，植被毯措施的浅沟径流量与裸坡对照组径流量相差无几，减流效益接近，这与张平等[26]植被毯措施可有效减少径流的结果相反。这是因为在试验前进行的预降雨使得植被毯基本吸水饱和，同时由于椰丝毯厚重致密，覆盖度较高，随着汇流时间的积累以及汇流强度的增加集中径流在其上形成直接径流[17]，使得浅沟的入渗量减少。因此，植被毯措施的减流效益与植被毯类型密切相关。