鄧寶玉

(本溪市水利電力勘測設(shè)計有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117000)

山地丘陵區(qū)水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，而坡耕地是引起土壤流失的關(guān)鍵性因素之一，對坡耕地進(jìn)行改造是防治水土流失的主要治理措施[1]。遼寧省水土保持重點(diǎn)建設(shè)工程的主要內(nèi)容是對小流域進(jìn)行坡耕地的工程改造，而水平梯田是在坡耕地工程改造中的重要措施。當(dāng)前，對坡耕地改造的經(jīng)濟(jì)效果研究相對較多，并且大量工程實(shí)踐表明坡改耕工程措施可明顯提高農(nóng)作物產(chǎn)量，有利于促進(jìn)區(qū)域的蓄水保土作用。胡建民[2]等研究表明坡改梯之后的蓄水和保土效益分別提高67.6%和85.0%；張永濤[3]等研究顯示坡改梯措施實(shí)施后土壤含水量、入滲性和貯水量得到明顯改善，地表徑流量顯著降低；劉志剛[4]等認(rèn)為坡改梯工程可明顯增加土壤養(yǎng)分、提高糧食產(chǎn)量增加農(nóng)民純收入，且對坡面的徑流量攔蓄能力明顯提高。然而，當(dāng)前坡改梯工程下不同農(nóng)作方式對生態(tài)經(jīng)濟(jì)效果的作用影響研究還相對較少，并未形成較為成熟的理論體系，仍需要進(jìn)一步調(diào)查研究。綜上所述，本文以遼寧省水土保持重點(diǎn)建設(shè)工程項(xiàng)目小流域的坡改梯工程為研究對象，以農(nóng)作物產(chǎn)量和產(chǎn)值、土壤流失量、土壤物理性能為主要參數(shù)指標(biāo)，通過水利計算對不同耕作方式下梯田的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效果和差異性進(jìn)行研究分析，探討坡改梯工程在不同耕作方式下對水土保持效果的作用影響[5-7]。

1 研究區(qū)域概況

太子河流域位于遼寧省內(nèi)，屬于國家水土保持重點(diǎn)工程項(xiàng)目區(qū)，河流泥沙量較大，受降雨量和人類活動影響較為顯著，泥沙含量約為57kg/m3。流域大小支干交錯，河道長359km，占地面積為13258km2。其中，流經(jīng)本溪市境內(nèi)的河長159km，流域面積為4325km2；屬于溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，日照豐富、溫差大，年降水量約為450～600mm，7～8月為降雨旺季，徑流量約為16.67億km2。流域內(nèi)植被覆蓋率較低，植被類型為落葉闊葉林；地形地貌特征以低山地丘陵、山間河谷平原以及林草灘地為主，且以低山地丘陵區(qū)為主占總流域面積的75%。土壤以棕土壤、褐土和草甸土為主，土質(zhì)疏松物理性能較差，水土流失嚴(yán)重，是太子河泥沙的主要來源。研究區(qū)域的水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，洪澇災(zāi)害等自然災(zāi)害頻發(fā)，在全國水土保持規(guī)劃中的重點(diǎn)治理范圍之內(nèi)[8]。

2 研究方法

本文結(jié)合研究流域的實(shí)際狀況選擇太子河本溪市境內(nèi)某小流域修筑的土坎梯田，在2016年對試驗(yàn)樣地采用現(xiàn)場觀測、農(nóng)戶訪問調(diào)查等方式對坡改梯工程實(shí)施后不同耕作方式的水土保持生態(tài)經(jīng)濟(jì)效果進(jìn)行研究分析。所選取的坡改梯工程，在配套設(shè)施、類型規(guī)格以及耕作栽培方式等方面具有一定的代表性和合理性。

表1 在3種耕作方式下梯田的參數(shù)特征值

表2 不同耕作方式下梯田的土壤和養(yǎng)分流失量計算結(jié)果

2.1 土壤和養(yǎng)分流失量測定

本文對不同耕作方式下梯田的田間土壤流失量觀測采用沉砂池泥沙測量法進(jìn)行估算，結(jié)合小流域坡改梯工程的實(shí)際情況，可利用修建的土坎水平梯田橫向排水溝沉砂池進(jìn)行相關(guān)計算，在3類耕作方式下梯田的有關(guān)參數(shù)特征見表1。

坡改梯工程實(shí)施后在田埂和田坎重新種植農(nóng)作物，導(dǎo)致本田面順坡傾斜和水土流失，本文將此梯田稱為坡耕梯田，并將此類型耕作方式稱為埂坎耕作。

本研究選取在2016年5～12月不同耕作方式下梯田的土壤流失量進(jìn)行測定。試驗(yàn)測試開始之前，對坡耕地設(shè)置2個沉砂池，對林果梯田和農(nóng)作物梯田設(shè)定5個沉砂池，且沉砂池分別與每階梯田集水區(qū)相互對應(yīng)。測定主要過程為將沉砂池的泥沙清洗干凈，并對上游控制梯田集水區(qū)面積以及每一沉砂池的梯級進(jìn)行測量；在產(chǎn)流產(chǎn)沙降雨過后，分別對各個沉砂池進(jìn)行取樣測定其含泥量并作為田間土壤流失量；通過對沉砂池中泥沙進(jìn)行若干個樣品取樣，并利用土壤農(nóng)化分析法對樣品土壤的養(yǎng)分元素含量進(jìn)行測定，如采用外加熱氧化重鉻酸鉀法對有機(jī)質(zhì)進(jìn)行測定、采用堿解擴(kuò)散法對水解氮進(jìn)行測定、利用火焰光度法對速效鉀進(jìn)行測定、采用鹽酸-硫酸浸提法對有效磷進(jìn)行提取[9]。綜上所述，在不同耕作方式下梯田的單位面積土壤流失量和養(yǎng)分流失量計算結(jié)果見表2。

2.2 土壤水文物理性能指標(biāo)測定

本文結(jié)合研究小流域?qū)嶋H概況，選取了9個典型(3階梯田×3個的測試樣點(diǎn))，對不同耕作方式下的土壤物理性能指標(biāo)進(jìn)行測定，測定土壤標(biāo)稱為0～20cm。其中土壤含水量的測定法選取烘干法進(jìn)行、入滲率則選用單環(huán)滲透法、孔隙度利用環(huán)刀法進(jìn)行測定、土壤顆粒的分形維數(shù)采用LS133320型激光粒度儀進(jìn)行測定，并選取2塊未經(jīng)治理的坡耕地(花生地)為試驗(yàn)對比參照組，該對照組土壤厚度為30cm、坡度為15°、耕地面積為450～550m2、土壤物理性能指標(biāo)測定計算結(jié)果見表3。

2.3 水土保持生態(tài)經(jīng)濟(jì)指數(shù)計算

本文利用土壤流失量估算與典型農(nóng)戶調(diào)查相結(jié)合的方法對小流域的坡改梯工程在不同農(nóng)作方式下的單位面積農(nóng)作物和林果產(chǎn)量進(jìn)行估算，并取3家農(nóng)戶在同一耕作方式下的平均農(nóng)產(chǎn)值為調(diào)查結(jié)果，以2016年市場價對單位面積經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值進(jìn)行估算。結(jié)合生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合指數(shù)等參數(shù)指標(biāo)，引入水土保持生態(tài)經(jīng)濟(jì)指數(shù)Ec進(jìn)行經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值和土壤流失量的比值計算，計算公式如下：

Ec=Eo/Se

(1)

式中，Eo—單位面積經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值，元/hm2；Se—單位面積土壤流失量，t/hm2；Ec—單位面積農(nóng)作物或果樹的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值與土壤流失量的比值，元/t，是表征土壤流失與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出之間相互作用關(guān)系的重要參數(shù)指標(biāo)，其值的大小代表了生態(tài)經(jīng)濟(jì)的耦合效益程度，值越大則經(jīng)濟(jì)效益越高或土壤流失量越小，水土保持工程的實(shí)施效果就越好。

表3 不同耕作方式下田間土壤物理性能指標(biāo)測定結(jié)果 %

3 結(jié)果與分析

3.1 不同耕作方式梯田的土壤與養(yǎng)分流失量

由表2的計算結(jié)果可知，在不同耕作方式下梯田的單位面積土壤流失量和養(yǎng)分流失量存在明顯的差異性。以埂坎耕作方式的梯田土壤流失量15.38t/hm2和土壤養(yǎng)分中有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等元素為基礎(chǔ)值的100%，則壟溝耕作和田間免耕梯田的土壤流失量分別為3.52和1.15t/hm2，其相對值分別為22.9%和7.5%，土壤養(yǎng)分中有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀元素的流失量相對值分別在22.4%～28.0%(平均值為25.2%)和7.9%～14.7%(平均值為11.3%)的范圍內(nèi)。研究表明，田間免耕的耕作方式在坡改梯工程實(shí)施后可明顯增大對土壤和養(yǎng)分流失的控制能力，其作用效果明顯優(yōu)于田間壟溝耕作；同理，當(dāng)梯田工程遭到不利影響時，田間免耕所引起的土壤和養(yǎng)分流失量則會明顯增加。例如埂坎耕作方式的土壤流失量分別是溝壟耕作和田間免耕方式的4.4和13.3倍。

3.2 不同耕作方式的土壤水文物理性能

研究表明，作物梯田和林果梯田能明顯提高土壤物理性能各參數(shù)指標(biāo)，本文所測試的6項(xiàng)土壤物理指標(biāo)相對于順坡耕作均有不同程度的改善[10]。田間免耕和壟溝耕作方式下的前3項(xiàng)指標(biāo)的提高幅度明顯大于其他耕作方式，顆粒分形維數(shù)的提高幅度在35%以上，而毛管孔隙度提高幅度均大于40%。研究表明，坡改梯工程實(shí)施后土壤保持水土能力得到明顯改善，土壤中黏粉粒含量比重得到顯著的增加。根據(jù)表3中的測量計算結(jié)果，田間免耕對土壤物理性質(zhì)的改善程度大于壟溝耕作方式，如以坡耕地土壤各物理指標(biāo)為基礎(chǔ)值100%，則田間免耕和壟溝耕作方式下土壤的總孔隙度分別為134.9%和128.8%、土壤穩(wěn)滲濾為111.6%和107.0%。同理，埂坎耕作方式在梯田工程受到破壞或開發(fā)后，其土壤物理性能的降低程度也會最大。如相對于坡耕地的總孔隙度和毛管孔隙度的100%，坡耕梯田分別為104.2%和111.1%，相比田間免耕的134.9%和140.7%明顯降低。

3.3 不同耕作方式梯田的生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合效果

利用文中所述計算方法，對坡改梯工程后不同耕作方式的梯田進(jìn)行生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合效果計算，計算結(jié)果見表4。

表4 坡改梯田在不同耕作方式下的水土保持生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益評價指標(biāo)

由表4計算結(jié)果可知，當(dāng)埂坎耕作方式下種植花生時，埂坎耕作方式的Ec值1836元/t僅為溝壟耕作Ec值10224元/t和田間免耕Ec值180625元/t的18.0%，埂坎耕作比溝壟耕作的Ec值降低了82.0%。田間免耕方式的Ec值為18.0625萬是溝壟耕作方式Ec值1.0224萬元的17.67倍。研究表明，田間免耕種植蘋果相對于壟溝耕作種植花生在坡改梯工程實(shí)施后的水土保持生態(tài)效益經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯提高，單位面積土壤和養(yǎng)分流失量的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值得到顯著增大，水土保持和生態(tài)經(jīng)濟(jì)的耦合效果大幅增大，同理可知當(dāng)梯田遭到破壞后，則田間的生態(tài)經(jīng)濟(jì)指數(shù)明顯降低[11]。

4 結(jié)論

本文以太子河本溪市境內(nèi)的某小流域的坡改梯工程為研究對象，通過選取3種不同耕作方式即埂坎耕作、溝壟耕作和田間免耕耕作方式對坡改梯工程實(shí)施后的土壤和養(yǎng)分流失量、土壤水文物理性能指標(biāo)和生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合效果進(jìn)行計算研究，得出的主要結(jié)論如下：

(1)壟溝耕作和田間免耕梯田的土壤流失量分別為3.52和1.15t/hm2，其相對值分別為22.9%和7.5%，土壤養(yǎng)分中有機(jī)質(zhì)、氮、磷鉀元素的流失量相對值分別在22.4%～28.0%(平均值為25.2%)和7.9%～14.7%(平均值為11.3%)的范圍內(nèi)。

(2)田間免耕和壟溝耕作方式下的前3項(xiàng)指標(biāo)的提高幅度明顯大于其他耕作方式，顆粒分形維數(shù)的提高幅度在35%以上，而毛管孔隙度提高幅度均大于40%。

(3)當(dāng)埂坎耕作方式下種植花生時，埂坎耕作方式的Ec值1836元/t僅為溝壟耕作Ec值10224元/t和田間免耕Ec值180625元/t的18.0%，埂坎耕作比溝壟耕作的Ec值降低了82.0%。田間免耕方式的Ec值為18.0625萬是溝壟耕作方式Ec值1.0224萬元的17.67倍。