蔡雄飛， 雷 麗， 梁 萍， 傅 斌， 王 濟(jì)， 徐 佩， 王玉寬

(1.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，550001，貴陽(yáng)；2.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，610041，成都；3.萬(wàn)州典型區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)重點(diǎn)站，404020，重慶)

坡耕地是我國(guó)南方丘陵區(qū)水土流失的策源地[1]。以長(zhǎng)江上游為例，土壤侵蝕總量中有60%來(lái)自坡耕地[2-4]。坡面水系工程在坡耕地的保護(hù)與治理中發(fā)揮了重要作用。在坡面水系工程措施中，地邊溝作為一種費(fèi)省效宏的措施，具有良好的水土保持作用。地邊溝開(kāi)挖于坡耕地地塊(或臺(tái)地)邊緣，梯埂內(nèi)側(cè)，橫剖面呈“U”形或倒置梯形，平均溝寬0.30 m，溝深0.16 m左右，溝道沿梯埂方向順勢(shì)延伸至坡耕地兩側(cè)，與兩側(cè)的排水溝連通。目前針對(duì)地邊溝水土保持機(jī)制研究的報(bào)道較少，相關(guān)的報(bào)道主要有規(guī)格較大的山邊溝和水平溝。最初的山邊溝為梯形斷面，發(fā)源于歐洲，從增加土地利用和便于大型農(nóng)具耕作考慮，廖綿濬等[5]對(duì)山邊溝進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)設(shè)計(jì)，形成三角形斷面的山邊溝[6-9]，對(duì)果園的水土保持起到了重要作用。在我國(guó)北方干旱與半干旱地區(qū)，水平溝被廣泛應(yīng)用于陡坡耕地整治，植樹(shù)造林，其優(yōu)點(diǎn)是可以有效利用天然降水，提高種植苗木存活率[10-11]。水平溝良好的水土保持效益已得到了廣泛的認(rèn)同[12-14]。水平溝與封育、放牧、魚(yú)鱗坑等3種措施的對(duì)比研究表明，水平溝減流減沙較好，改善水分入滲和涵蓄水分效果最好[15-16]。物種Pielou均勻度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)均為魚(yú)鱗坑最高，水平溝居中，封育草地最低[17]。地邊溝雖然具有較長(zhǎng)的實(shí)踐應(yīng)用歷史，但由于其規(guī)格和形狀隨坡地條件、耕作制度、和區(qū)域氣候等不同而復(fù)雜多樣，其保水保土功能及作用機(jī)制至今仍不清楚。為了系統(tǒng)探討地邊溝的水土保持機(jī)制，開(kāi)展川東丘陵區(qū)野外地邊溝的調(diào)查，選取具有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)，即鹽亭和遂寧的4個(gè)野外試驗(yàn)小區(qū)，開(kāi)展11場(chǎng)大田人工模擬降雨試驗(yàn)。探討地邊溝水土保持的過(guò)程及機(jī)制，旨在為山區(qū)坡耕地水土保持提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

1.1.1 鹽亭試驗(yàn)區(qū) 鹽亭試驗(yàn)區(qū)位于四川省鹽亭縣林山鄉(xiāng)，在區(qū)內(nèi)選取2個(gè)野外試驗(yàn)小區(qū)，即鹽亭試驗(yàn)小區(qū)Ⅰ(E 105°27′19″, N 31°15′56″)，土層厚度35 cm，平作，坡度7°，地塊坡長(zhǎng)15 m。試驗(yàn)小區(qū)Ⅱ(E 105°27′26″, N 31°15′09″)，土層厚度50 cm，平作，坡度7°，地塊坡長(zhǎng)17 m。該實(shí)驗(yàn)區(qū)位于中國(guó)科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站內(nèi)部。地處嘉陵江一級(jí)支流涪江的支流——獼江與湍江分水嶺上, 具有四川盆地亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候特征。海拔400～600 m。多年平均降雨量825 mm,年內(nèi)水量分配不均，夏季65.5%，秋季19.7%[18]。土壤類(lèi)型以水稻土和石灰性紫色土為主,由侏羅紀(jì)蓬萊鎮(zhèn)母質(zhì)發(fā)育而成,土層厚度為20～70 cm,質(zhì)地為中壤至重壤,部分為砂質(zhì)土[19]。

1.1.2 遂寧試驗(yàn)區(qū) 遂寧試驗(yàn)區(qū)位于遂寧市安居區(qū)，在區(qū)內(nèi)選取了2個(gè)野外試驗(yàn)小區(qū)，即遂寧試驗(yàn)小區(qū)Ⅰ(E 105°28′16″, N 30°21′04″)，土層厚度50 cm，平作，坡度7°，地塊坡長(zhǎng)13 m。試驗(yàn)小區(qū)Ⅱ(E 105°27′44″,N 30°21′32″)，土層厚度>100 cm，平作，坡度7°，地塊坡長(zhǎng)12 m。安居區(qū)地處四川盆地中部嘉陵江中下游丘陵區(qū)，瓊江流域上游。平均海拔約420 m，多年平均降雨量885.31 mm。土壤為侏羅系遂寧組巖層發(fā)育而成的紫色土。土壤結(jié)構(gòu)差，持水量小，保水能力差，有機(jī)質(zhì)含量低，抗沖刷和抗蝕能力均弱[20]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

模擬試驗(yàn)設(shè)備采用由北京師范大學(xué)和北京交通大學(xué)聯(lián)合研制的槽式人工模擬降雨機(jī)。該降雨機(jī)單機(jī)由3個(gè)噴頭組成，噴頭間距1.1 m。降雨機(jī)的單個(gè)噴頭降雨形成的控制區(qū)域?yàn)榫匦?，利于多噴頭組合擴(kuò)大受雨面積而不影響降雨強(qiáng)度的空間均勻性[21]。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 小區(qū)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)在相同降雨區(qū)域內(nèi)設(shè)置規(guī)格一致的有和沒(méi)有地邊溝的小區(qū)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)坡耕地坡長(zhǎng)均>10 m，坡度6°～8°。在試驗(yàn)地塊上組裝8臺(tái)降雨機(jī)，降雨機(jī)間距1.5 m，降雨高度2.5 m，可以提供4.5 m×12 m的降雨區(qū)域。在降雨區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)2個(gè)2.5 m×4 m的試驗(yàn)小區(qū)，2小區(qū)中間留1.5 m寬的工作活動(dòng)區(qū)域(圖1)，采取排水處理。將下坡位小區(qū)命名為試驗(yàn)A小區(qū)(簡(jiǎn)稱(chēng)A小區(qū))，為無(wú)地邊溝小區(qū)，用集流槽以及PVC管將水沙引流至采樣點(diǎn)；上坡位小區(qū)命名為試驗(yàn)B小區(qū)(簡(jiǎn)稱(chēng)B小區(qū))，為有地邊溝小區(qū)。開(kāi)挖的地邊溝橫截面設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體形，溝底坡度近似水平，長(zhǎng)、寬和深分別為250、30和15 cm，溝口用PVC管引流至采樣點(diǎn)。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design drawing of field experimental plot

1.3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 對(duì)當(dāng)?shù)亟?年降雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，年均暴雨及以上雨型次數(shù)均在6次以上。野外調(diào)查也表明暴雨及以上雨型對(duì)坡耕地土壤侵蝕的貢獻(xiàn)較大，結(jié)合本套降雨機(jī)的技術(shù)參數(shù)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)降雨強(qiáng)度，即20、55.48、110.95 mm/h。每場(chǎng)降雨歷時(shí)40 min，共開(kāi)展了11場(chǎng)模擬試驗(yàn)。降雨開(kāi)始后分別記錄A小區(qū)和B小區(qū)的產(chǎn)流時(shí)間，之后每隔4～5 min采1個(gè)徑流樣品，密封帶回室內(nèi)分析測(cè)試。每次降雨結(jié)束后沖洗A小區(qū)集流槽，對(duì)B小區(qū)地邊溝中沉積泥沙進(jìn)行拍照、測(cè)量、清除泥沙。

2 結(jié)果與分析

2.1 流量變化過(guò)程

試驗(yàn)表明不同區(qū)域地邊溝均具有較好的保水功能(圖2～4)，減流率在14.08%～36.72%之間。A小區(qū)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中流量比較穩(wěn)定，而B(niǎo)小區(qū)流量則先逐漸增加，在降雨8～10 min后趨于穩(wěn)定。

圖2 鹽亭試驗(yàn)小區(qū)Ⅰ模擬試驗(yàn)的流量變化圖Fig.2 Runoff ratio change with time in Yanting plot Ⅰ

圖3 遂寧試驗(yàn)小區(qū)Ⅰ模擬試驗(yàn)的流量變化圖Fig.3 Runoff ratio change with time in Suining plot Ⅰ

圖4 遂寧試驗(yàn)小區(qū)Ⅱ模擬試驗(yàn)的流量變化圖Fig.4 Runoff ratio change with time in Suining plot Ⅱ

圖2是鹽亭試驗(yàn)小區(qū)Ⅰ不同降雨強(qiáng)度下流量變化過(guò)程圖。當(dāng)降雨強(qiáng)度為20 mm/h時(shí)，A小區(qū)流量相對(duì)穩(wěn)定，平均為23.38 mL/s，B小區(qū)流量逐漸增大， 第35分后2小區(qū)流量幾乎相等，平均為17.38 mL/s,與A小區(qū)相比，流量減少了25.63%。當(dāng)降雨強(qiáng)度為55.48 mm/h時(shí)，A小區(qū)流量出現(xiàn)波動(dòng)，第15分時(shí)出現(xiàn)峰值，之后基本穩(wěn)定，平均流量122.66 mL/s,B小區(qū)流量第5分之后保持穩(wěn)定，同樣在第15分時(shí)出現(xiàn)峰值，之后基本穩(wěn)定，平均流量88.02 mL/s, 流量減少了28.24%。

圖3是遂寧試驗(yàn)小區(qū)Ⅰ不同降雨強(qiáng)度下流量變化過(guò)程圖，當(dāng)降雨強(qiáng)度為20 mm/h時(shí)，A小區(qū)流量穩(wěn)定，平均為20.56 mL/s，B小區(qū)流量逐漸增大，第15分后穩(wěn)定，平均流量15.93 mL/s,與B小區(qū)相比，流量減少了22.57%。當(dāng)降雨強(qiáng)度為55.48 mm/h時(shí)，A小區(qū)流量穩(wěn)定，平均流量93.87 mL/s,B小區(qū)流量第15分之后保持穩(wěn)定，平均流量74.2 mL/s,流量減少了20.95%。

圖4是遂寧試驗(yàn)小區(qū)Ⅱ不同降雨強(qiáng)度下流量變化過(guò)程圖，當(dāng)降雨強(qiáng)度為55.48 mm/h時(shí)，A小區(qū)流量穩(wěn)定，平均為103.86 mL/s，B小區(qū)流量從24.04 mL/s逐漸增大，第15分后穩(wěn)定，其平均流量65.72 mL/s,與A小區(qū)相比，流量減少了36.72%。當(dāng)降雨強(qiáng)度為110.95 mm/h時(shí)，A小區(qū)流量基本穩(wěn)定，平均流量206.38 mL/s,B小區(qū)流量第5分之后保持基本穩(wěn)定，第35 min時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，平均流量177.31 mL/s,流量減少14.08%。

2.2 含沙量變化過(guò)程

試驗(yàn)表明不同區(qū)域地邊溝均具有很好的土壤保持功能(圖5～8)，減沙率在31.93%～64.95%，A小區(qū)含沙量比較穩(wěn)定，除少數(shù)場(chǎng)次之外，A和B小區(qū)含沙量變化趨勢(shì)一致。

圖5是鹽亭試驗(yàn)小區(qū)Ⅰ不同降雨強(qiáng)度下含沙量變化過(guò)程圖。當(dāng)降雨強(qiáng)度為20 mm/h時(shí)，A和B小區(qū)含沙量均比較穩(wěn)定，平均含沙量分別為0.013和0.006 g/mL，地邊溝減少土壤流失量53.15%。當(dāng)降雨強(qiáng)度為55.48 mm/h時(shí)，A和B小區(qū)含沙量均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，第10分之后基本穩(wěn)定,平均含沙量分別為0.023和0.016 g/mL，地邊溝減少土壤流失量31.93%。

圖5 鹽亭試驗(yàn)小區(qū)Ⅰ不同降雨強(qiáng)度下含沙量變化過(guò)程圖Fig.5 Sediment concentration change with time under different rainfall intensity in Yanting plot Ⅰ

圖6是鹽亭試驗(yàn)小區(qū)Ⅱ不同降雨強(qiáng)度下含沙量變化過(guò)程圖。當(dāng)降雨強(qiáng)度為20 mm/h時(shí)，A小區(qū)含沙量變化波動(dòng)較大，B小區(qū)含沙量逐漸減小，第20分之后保持穩(wěn)定，平均含沙量分別為0.008和0.004 g/mL，地邊溝減少土壤流失量52%。當(dāng)降雨強(qiáng)度為55.48 mm/h時(shí)，A小區(qū)含沙量穩(wěn)定，而B(niǎo)小區(qū)含沙量在第20分后穩(wěn)定，平均含沙量分別為0.024和0.011 g/mL，地邊溝減少土壤流失量55.36%。當(dāng)降雨強(qiáng)度為110.95 mm/h時(shí)，A小區(qū)含沙量呈逐漸減小，第35分后趨勢(shì)穩(wěn)定，B小區(qū)含沙量穩(wěn)定，平均含沙量分別為0.040和0.016 g/mL，地邊溝減少土壤流失量60.68%。

圖6 鹽亭試驗(yàn)小區(qū)Ⅱ不同降雨強(qiáng)度下含沙量變化過(guò)程圖Fig.6 Sediment concentration change with time under different rainfall intensity in Yanting plot Ⅱ

圖7是遂寧試驗(yàn)點(diǎn)Ⅰ不同降雨強(qiáng)度下含沙量變化過(guò)程圖。當(dāng)降雨強(qiáng)度為20 mm/h時(shí)，A小區(qū)含沙量變化復(fù)雜，B小區(qū)含沙量逐漸減小，平均含沙量分別為0.01和0.006 g/mL，地邊溝減少土壤流失量38.62%。當(dāng)降雨強(qiáng)度為55.48 mm/h時(shí)，A小區(qū)含沙量先逐漸增加，第15分后基本穩(wěn)定，而B(niǎo)小區(qū)則先逐漸減少，第10分后穩(wěn)定，平均含沙量分別為0.023和0.01 g/mL，地邊溝減少土壤流失量55.68%。當(dāng)降雨強(qiáng)度為110.95 mm/h時(shí)，A小區(qū)含沙量穩(wěn)定，B小區(qū)含沙量先逐漸減小，第7分之后穩(wěn)定，第35分開(kāi)始變小，平均含沙量分別為0.040和0.016 g/mL，地邊溝減少土壤流失量64.95%。

圖7 遂寧試驗(yàn)小區(qū)Ⅰ不同降雨強(qiáng)度下含沙量變化過(guò)程圖Fig.7 Sediment concentration change with time under different rainfall intensity in Suining plot Ⅰ

圖8是遂寧試驗(yàn)小區(qū)Ⅱ不同降雨強(qiáng)度下含沙量變化過(guò)程圖。當(dāng)降雨強(qiáng)度為20 mm/h時(shí)，A小區(qū)含沙量先逐漸減少，第17分之后穩(wěn)定，平均含沙量為0.012 g/mL，B小區(qū)在40 min的降雨過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)流，降雨全部入滲。當(dāng)降雨強(qiáng)度為55.48 mm/h時(shí)，A小區(qū)在0～15 min變化復(fù)雜，之后穩(wěn)定，B小區(qū)含沙量先逐漸減小，第5分之后穩(wěn)定，平均含沙量分別為0.024和0.012 g/mL，地邊溝減少土壤流失量49.80%。當(dāng)降雨強(qiáng)度為110.95 mm/h時(shí)，A和B小區(qū)的含沙量均先逐漸減小，第5分之后穩(wěn)定，平均含沙量分別為0.029和 0.016 g/mL，地邊溝減少土壤流失量45.54%。

圖8 遂寧試驗(yàn)試驗(yàn)小區(qū)Ⅱ不同雨強(qiáng)下含沙量變化過(guò)程圖Fig.8 Sediment concentration change with time under different rainfall intensity in Suining plot Ⅱ

2.3 土壤顆粒變化

對(duì)A和B小區(qū)烘干土樣進(jìn)行顆粒組成分析(表1)，結(jié)果表明不同降雨強(qiáng)度下泥沙樣品中黏粒和細(xì)粉粒比例A小區(qū)B小區(qū)。說(shuō)明在地邊溝的保護(hù)作用下，徑流攜帶的泥沙以黏粒和細(xì)粉粒為主。

鹽亭試驗(yàn)小區(qū)Ⅱ，隨著降雨強(qiáng)度的增大(20、55.48、110.95 mm/h)，A小區(qū)的黏粒和細(xì)粉粒所占比例分別為89.49%、72.98%、56.81%，粗粉粒及以上顆粒分別為10.51%、27.02%、43.19%。B小區(qū)的黏粒和細(xì)粉粒所占比例分別為90.01%、78.98%、71.67%，粗粉粒及以上顆粒分別為9.99%、21.02%、28.33%。遂寧試驗(yàn)小區(qū)Ⅰ，隨著降雨強(qiáng)度的增大，A小區(qū)的黏粒和細(xì)粉粒所占比例分別為88.54%、75.90%、70.43%，粗粉粒及以上顆粒分別為11.46%、24.10%、29.57%，B小區(qū)的黏粒和細(xì)粉粒所占比例分別為91.69%、90.6%、85.68%，粗粉粒及以上顆粒分別為8.31%、9.39%、14.32%。遂寧試驗(yàn)點(diǎn)Ⅱ，隨著降雨強(qiáng)度從55.48 mm/h增大到110.95 mm/h， A小區(qū)的黏粒和細(xì)粉粒所占比例分別為77.94%、74.38%，B小區(qū)的黏粒和細(xì)粉粒所占比例分別為89.59%、86.06%，粗粉粒及以上顆粒分別為10.41%、13.94%(表1)。

鹽亭A小區(qū)的黏粒和細(xì)粉粒比例在56.81%到89.49%，平均75.8%。B小區(qū)的黏粒和細(xì)粉粒比例在71.67%到91.69%之間，平均85.54%。遂寧A小區(qū)的粗粉粒及以上顆粒比例在10.51%到43.19%之間，平均24.19%。B小區(qū)的粗粉粒及以上顆粒比例在8.31%到28.33%之間，平均14.46%。表明坡面徑流經(jīng)過(guò)地邊溝的沉積作用，攜帶的泥沙主要是黏粒和細(xì)粉粒，而粗粉粒及以上顆粒則相對(duì)減少。因?yàn)榈剡厹系某练e作用，其徑流中黏粒和細(xì)粉粒率增加值在0.6%到26%之間，平均增加12.85%，粗粉粒及以上顆粒相對(duì)A小區(qū)其減少率在4.9%到61.04%之間，平均減少40.21%。

表1 不同試驗(yàn)點(diǎn)A、B小區(qū)侵蝕泥沙顆粒組成

3 討論

本模擬試驗(yàn)降雨均勻度達(dá)0.89以上，每場(chǎng)降雨持續(xù)時(shí)間為40 min。試驗(yàn)A、B小區(qū)坡度、受雨面、處理方法一致，所以流量和含沙量具有可比性。目前關(guān)于地邊溝水沙輸移機(jī)理的研究及報(bào)道較少，但與地邊溝類(lèi)似的研究表明：水平溝較平播水保效益顯著。張興昌[22]通過(guò)9年的觀(guān)測(cè)表明水平溝較平播減少?gòu)搅髁?5.7%～40.5%。林和平[23]設(shè)計(jì)對(duì)比研究表明水平溝較平播減少?gòu)搅髁?8.25%～62.09%。本研究表明地邊溝同樣具有較好的減流作用，減流率在14.08%～36.72%之間。相同降雨強(qiáng)度下減流率依次表現(xiàn)為遂寧試驗(yàn)小區(qū)Ⅱ>鹽亭試驗(yàn)小區(qū)Ⅰ>遂寧試驗(yàn)小區(qū)Ⅰ，這種差異主要是因?yàn)樵囼?yàn)小區(qū)土壤厚度不一致，其厚度分別為>100、50、35 cm，地邊溝可以降低流速，增加徑流的入滲，所以土壤厚度是影響地邊溝減流效果的重要因素。

隨降雨強(qiáng)度的增大，減流率減小。遂寧試驗(yàn)小區(qū)Ⅱ試驗(yàn)過(guò)程中，B小區(qū)在歷時(shí)40 min的降雨過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)流，說(shuō)明B小區(qū)所有徑流全部入滲。劉俊等[24]的研究表明當(dāng)降水量使坡耕地產(chǎn)生l0～15 mm徑流時(shí)，水平溝種植的田地不發(fā)生徑流現(xiàn)象，當(dāng)降水產(chǎn)生35 mm徑流時(shí)，水平溝可攔蓄27～32 mm,可以減少?gòu)搅?0%，與本研究結(jié)論一致。

大田模擬試驗(yàn)表明地邊溝有很好的減沙效果，減沙率在31.93%～64.95%之間，平均減沙率50.08%，隨降雨強(qiáng)度的增大，減沙率增大。張興昌等[25]研究表明水平溝較平播減少土壤侵蝕量33.7%～88.9%。林和平[23]研究表明水平溝減少土壤侵蝕量降到55.86%～87.17%，平均近40%。地邊溝在設(shè)計(jì)形態(tài)以及規(guī)模上與水平溝均存在差別，但二者在保水保土效益方面相近。水平溝溝體容積較大，占用耕地面積也較大，而地邊溝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積小。在我國(guó)南方丘陵地區(qū)，坡地多以坡式梯田為主，地塊較小，所以地邊溝在該區(qū)域得到廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)論

筆者通過(guò)對(duì)不同區(qū)域地邊溝的大田模擬試驗(yàn)，表明地邊溝具有較好的減流作用，減流率在14.08%～36.72%之間，平均減流率24.7%。土壤厚度是影響地邊溝減流作用的主要因素，土壤厚度越大，相應(yīng)的減流作用越強(qiáng)。不同降雨強(qiáng)度下隨降雨強(qiáng)度的增大，減流率減小。地邊溝有很好的減沙作用。減沙率在31.93%～64.95%之間，平均減沙率50.08%，隨著降雨強(qiáng)度的增大，減沙率增大。在鹽亭Ⅰ、Ⅱ和遂寧Ⅰ、Ⅱ小區(qū)模擬試驗(yàn)中。B小區(qū)由于地邊溝的沉積作用，其徑流輸移泥沙中黏粒和細(xì)粉粒率較A小區(qū)增加12.85%，而粗粉粒及以上顆粒較A小區(qū)平均減少40.21%。比較適合于我國(guó)南方降水豐富的丘陵地區(qū)。

感謝北京師范大學(xué)劉寶元教授及其團(tuán)隊(duì)在設(shè)備及技術(shù)方面對(duì)本研究的幫助！