摘要：为研究坡耕地水土流失机制，明确田间坡面径流量、速度与土壤养分携带、颗粒流动间的关系，指导田间坡面和网草护坡氮磷流失阻控优化设计。本文引入城镇及建筑排水、水力学、土壤学的基本原理，导出气候、地形、土壤、种植模式与田间颗粒流失间的关系，阐述了田间坡面径流计算方法，研究田间坡面水土流失特征与土壤颗粒及氮、磷流失的关系，分析水、土、植物间的协同阻控土肥流失平衡体系各因子间的关系;提出了坡耕地和网草护坡田间土壤氮、磷流失阻控的设计模式，确定田间土壤入渗、颗粒粒径与坡面地表径流洪峰的数理关系，建立坡面径流与土壤颗粒移动平衡等方面的理论计算模型和方法;揭示了土壤糙率、网草糙率、植株密度与流速、总水头损失的间理论关系，析出减少田间氮磷流失的最优植株密度耕作模式，阐明有效阻控田间氮磷流失工程上的有效构造。

关键词：田间坡面;氮磷流失;阻控设计;水土保持

中图分类号：S-3

文献标识码：A

作者简介：张锦宇（1963-），男，高级工程师。研究方向：农业建筑、环境工程、水土保持。

引言

坡耕地土地空间是山区群众赖以生存和发展的生产用地，不合理的耕作模式导致其存在严重的氮磷流失，国土空间资源遭到破坏，危及国家粮食安全。因此，构建坡地“土、肥、水、种”间的生态平衡，有效保育坡面水土的种植系统是必要的。网草护坡、沟管网防护体就是为解决此类问题而问世的，其坡面氮磷流失的演化与气候、径流强度、土壤入渗、坡面土壤抗剪切能力有关。

坡面氮磷流失属水土流失的一个部分，就水土流失研究而言，当前“坡面流水动力学特性”的研究主要在裸坡水流流动方向，如，沙际德和蒋允静[1]的薄层水流的基本动力特性参数;张光辉[2]对坡面水流阻力规律等进行的研究;李光录等[3-5]对坡面流能量与泥沙运动的藕合关系做了研究。这些技术成果为坡面氮磷流移与输沙机理研究奠定了理论基础。同时基于国际实践经验，日本推出的纤维绿化工法[6]，1993年被我国引进后，在道路边坡领域上结合植草技术得到应用;此后肖衡林[7]等对网垫强度对植物护坡的抗冲刷性能进行了研究，而对于坡面土壤养分流失的特征及影响因素的研究[3，8-9]主要集中在机理上。

田间坡面、网草植被、沟管网防护体氮磷阻控技术体系充分利用坡面网草、植物、地形、地质和地区气候等特点，采用增加阻力，来降低径流强度;借助网草护坡上的网和植物生长根系的加筋，来增强土壤抗蚀性，使阻控坡面水土与氮磷流失的生物与工程措施设计标准化。由于微观上在植被和网草护坡覆盖条件下坡面水流特性相当复杂、相关技术也相对滞后，故在这方面的研究比较薄弱[8，9]。鉴于此，本文结合城镇及建筑给排水、水力学与土壤学的基本理论，从宏观上切入研究分析坡面氮磷流失特征及其阻控设计。

设计研究从农田径流量相关的入渗率试验数据和种植密度入手，计算不同状态下的田间坡面径流速度，用其与土壤表面颗粒启动速度作对比，计算判别不同状态下土壤表面颗粒流移量和地表径流量，使两者组合中含氮磷总量最少，达到田间氮磷总量流失阻控最优化，为此，需先分析田间氮磷流失特征。

1氮磷流失特征与工程措施分析

1.1坡面产流、产沙量和氮、磷流失的特征

坡面径流产生的养分携带和颗粒流动是土壤养分流失的2种主要形式，表现为径流养分携带的是地表可溶性养分，随地表水流流失;颗粒态养分流失是随被侵蚀的土壤泥沙流动。2种流失所具有的动力学特性都与气候、降水、地形、地表植被等条件有关。武晓莉[17]等在小流域对氮磷流失情况的连续监测中发现，氮流失总量与地表径流量之间有显著正相关关系，磷流失总量与径流量及产沙量之间相关关系极为显著。SharpleyA.N[18]研究了美国20个小流域的养分流失后认为，径流中的氮、磷流失以侵蚀泥沙携带为主，一般占比60%～75%;彭琳等[19]的研究揭示旱坡耕地的土壤养分流失主要以土壤为载体，其占流失总量的95.0%～99%以上;美国Missisquo湾[20]以气候侵蚀径流输出为主，但这些都与土壤粒径有关。综上，控制泥沙流移是阻控坡面土壤养分流失的设计核心。

1.2網草护坡沟管网防护体对氮、磷流失的作用

现阶段在工程实践中采用的各种生物与工程水保措施都对防止泥沙及养分流失有一定的影响[21]。生物措施是通过增加地表植被覆盖，来减少雨水对土壤养分的侵蚀，网草护坡将这种生物土壤加固的机理用工程手段来实现，尽可能在地表植被覆盖前就能有效控制泥沙的流失产生。网草护坡沟管网防护体等工程措施，其主要功能在于通过面层网草储蓄可溶性养分，减少氮磷流失;通过沟管网截短径流坡长，减少地面径流量，消减雨强与地面坡度等产生的径流冲刷力;网草增强土壤抗冲刷能力;三者协同阻控的主要目标是有效控制泥沙流动，减少泥沙流失，使氮、磷流失总量减少。

2网草护坡沟管网防护体防径流冲刷机制分析

为了研究网草护坡沟管网防护体防径流冲刷机制，对网草护坡做基本假设：网草护坡沟管网防护体表层径流量特征遵循《城市排水工程规划规范》和《室外排水设计规范》;坡面径流动力学特征及粘性与沙质河床相同;坡面沿程水头损失和植被造成的局部水头损失相互独立且互不影响;由于网草护坡和坡面植被的因素，坡面流体处于紊流粗糙区;忽略降水的非均匀性分布，设定小汇水面积范围内各点的暴雨强度都相等;田间耕作面为裸坡，且植被沿整个坡面均匀分布。网与植物、网草沿梯田的布置及其径流模型如图1所示。

坡面径流速度是水流动力冲刷坡面的特征参数，其外在特征、大小与雨量、地形、土壤和地表覆盖有关，为分析坡面氮、磷流失必须从水文气候、土壤成分和种植模式的协同入手。

2.1设计暴雨的计算

在农用地沟管网防护体设计中，设计沟管的汇水面积一般都很小，与市政建筑相仿属集水时间不超过5～120min小汇水面积，在工程设计上认定其汇水面积范围内各点的暴雨强度都相等，忽略降雨的非均匀性分布，可直接用雨量计所测得的点雨量资料做小汇水农用地上的面雨量资料。当无田间气象资料时直接选用临近城镇市政资料，按《建筑给排水设计手册》[22]中暴雨强度公式计算设计暴雨强度：

2.4地形参数计算

2.4.1径流坡长L

径流坡长L为田埂的分水线至竹节沟管的总长度，m，为图1所示的梯田面宽和梯壁斜高。

2.4.2坡面平均坡降J

梯田面或护坡面平均坡降J，为田埂分水线至坡脚沟管断面的平均比降。

2.5坡面径流流速计算

2.5.1汇流历时τ

在工程实践上，对于坡长<150m的田面，一般情况下其地面汇流时间见表3，对于入渗率fc较大的，按表3增加10%～30%。

4结论

4.1坡面氮磷流失量阻控关键因子

坡面氮磷流失量，与坡面降水下渗量、坡面径流总量、径流速度、土壤颗粒大小、种植模式有关，地表土壤颗粒的启动流移与地面糙度和种植模式相关。当径流水冲刷力小于土粒启动力时，坡面水土间存在自平衡，仅可溶性养分随径流流失，田间氮磷流失量等于地表设计流量Q与水中氮磷含量的积;随着径流水力不断增大，面层细颗粒开始流移，糙度不断加大，面层流速按表5规律不断减低，并达到新的平衡;但糙度高于0.24时，糙度对速度的影响趋弱，应优先采用田间种植模式来调节平衡;当坡面径流与土粒启动速度间关系失衡时，必须考虑不同网目密度的覆盖对土壤颗粒表层的影响，用网草阻控坡面径流。

4.2坡面氮磷流失与表层构造

田间氮磷流失量=颗粒氮磷含量+径流可溶氮磷含量。可溶性养分大多在前30min随下渗水入土，故土壤表层和网草面层的构造要求是先增强地面下渗储水功能，在保护土壤颗粒不流失的前提下，提高前30～60min初始入渗率，接收可溶性养分，同时提高稳渗率和总渗透量，降低农田径流系数Ψ，减小地面径流。

4.3坡面氮磷流失与种植密度

用种植模式s/b参数、植株密度的生物措施与网草工程措施的配合，来阻控田间氮磷流失是一种田间耕作模式的研究，坡面总水头损失的控制设计是均衡坡面径流速度与植株密度和植株形式关系的桥梁。

参考文献

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（责任编辑 贾灿）