蔡雄飛， 趙世杰， 徐 佩， 王 濟， 王玉寬

(1.貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院，550001，貴陽；2.中國科學院 水利部 成都山地災害與環(huán)境研究所，610041，成都；3.萬州典型區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測重點站，404020，重慶；4.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點實驗室培育基地，550001，貴陽)

我國南方地區(qū)降雨充沛，地表徑流往往引起嚴重的坡耕地土壤侵蝕。在有著悠久耕作歷史的南方丘陵區(qū)尤其是紫色土丘陵區(qū)，廣大農民創(chuàng)造性地應用坡面水系工程措施防治水土流失。坡面水系工程主要通過構建攔、引、蓄、灌、排等水利工程的有機配置，削弱和轉化坡面徑流，達到保持水土的目的。工程中具有蓄水保土功能的措施主要有地邊溝、沉沙凼、蓄水池等。地邊溝開挖于坡耕地地塊或臺地邊緣，梯埂內側，橫剖面呈“U”形或倒置梯形，平均溝寬30 cm，溝深16 cm左右，隨梯埂方向延伸至坡地兩側，與坡面排水溝連通。目前針對地邊溝的研究報道較少，相關的研究主要有山邊溝和水平溝。山邊溝為橫跨坡向，每隔適當間距所構筑的一系列橫溝構成，通過縮短坡長，分層排出徑流，達到控制土壤侵蝕的目的[1]。最初的山邊溝為梯形斷面，發(fā)源于歐洲。由于梯形斷面的山邊溝占地面積較大，不便于大型農具耕作，廖綿濬等[2]對山邊溝進行技術改進，形成三角形斷面的山邊溝 。山邊溝因占地面積較大，并不適宜坡耕地的水土保持，主要用于防治地形坡度較大的林地(果園)或草地的水土流失。水平溝被廣泛應用于我國北方，尤其是西北干旱與半干旱地區(qū)，其蓄水保土效果較好[3]，溝中土壤含水率較高[4]，在保持水土和提高我國西北地區(qū)人工種植苗木存活率方面做出重要貢獻。但該措施對土壤的微生物特性以及土壤質量恢復的促進作用比封育措施差[5]。地邊溝規(guī)模較小，構筑容易，水土保持效益與山邊溝和水平溝相當，所以，長期以來被廣泛應用于我國南方丘陵區(qū)坡耕地水土流失的防治。地邊溝單邊長坡(地塊)匯流，其上方地塊主要為耕地，泥沙來源豐富，雖然有很長的實踐與應用歷史，但其水沙輸移與沉積機制尚不清楚。通過對川東紫色土丘陵區(qū)地邊溝實地考察，設計大田人工模擬降雨試驗，探討不同坡面來水來沙和不同溝底坡度條件下地邊溝的土壤保持效益，旨在拓展明渠水流研究范圍，豐富具有單邊匯流的明渠水流水沙輸移機理，為川東紫色土區(qū)坡耕地水土流失的防治提供理論參考。

1 試驗區(qū)概況

重慶市萬州區(qū)在大地構造上屬于揚子準地臺- 四川臺拗- 川東褶束區(qū)的北段，背斜與寬緩的向斜組成的梳狀構造于萬縣一帶轉向東，即“萬縣弧”[6]。區(qū)內出露地層以中生代三疊紀和侏羅紀地層為主，地形破碎，低山丘陵、中低山及各類平壩約占全區(qū)面積的1/2以上[7]。海拔121～946 m，中亞熱帶季風氣候，年均溫14～19 ℃，年均降水量1 000～1 350 mm，年均日照時間1 300～1 600 h，地帶性森林植被為亞熱帶常綠闊葉林[8]。紫色土在川東鄂西海拔800 m以下的丘陵山地分布廣泛，重慶市紫色土分布面積占全市土地面積的33.22%[9]，三峽庫區(qū)紫色土分布面積占耕地的78.7%[10]。萬州區(qū)地處三峽庫區(qū)腹地，紫色土是區(qū)內主要耕地資源，以沙溪廟組紫色土分布最廣，質地中壤至重壤，部分砂質壤土[11-12]。通過對萬州區(qū)土壤類型數據(地理國情監(jiān)測平臺2005精度為1 km的柵格數據)統(tǒng)計分析表明萬州區(qū)紫色土分布面積1 941.25 km2，占全區(qū)總面積的56.14%。在川東紫色土丘陵區(qū)，萬州區(qū)紫色土從分布面積和類型而言均十分典型，所以本研究的大田試驗點選在重慶市萬州區(qū)長嶺鎮(zhèn)梨樹村的萬州典型區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測重點站附近耕地( E 108°29′22.96″、N 30°46′12.44″，海拔262 m)。試驗土壤為沙溪廟組紫色土，砂質壤土(表1)。在不同條件下探討地邊溝土壤保持效益，考慮地形地貌、氣候條件和土壤類型的相似性[9,13]，可為渝西方山丘陵區(qū)、渝中平行嶺谷區(qū)和南充、鹽亭等川中丘陵區(qū)紫色土坡耕地水土流失的防治提供參考。

表1 試驗小區(qū)土壤基本性質Tab.1 Basic properties of tested soil

2 試驗設計與數據來源

地邊溝中泥沙沉積率的主要影響因素有降雨強度，地邊溝溝底坡度，上方坡耕地的坡度、坡長、土壤本身抗沖抗蝕性和作物種植活動。分析試驗點多年降雨數據表明，該區(qū)域多暴雨天氣，強度大，年暴雨次數在5～12次之間，結合槽式人工模擬降雨機的技術參數特點，設定3個降雨強度，即60、90 和112 mm/h；野外調查表明，地邊溝橫截面呈“U”形或倒置梯形，上口平均寬度30.3 cm，平均深度16.1 cm，溝底坡度在0°～2.5°之間。結合野外調查結果以及試驗的可操作性，模擬試驗設置3個溝底坡度，即0、1°和3°。

對于坡耕地地塊而言，其坡度、坡長、土壤本身抗沖抗蝕性在短時間尺度下可認為基本不變，而農作物種植是坡耕地上重要且頻繁的農事活動，不同作物的套種或混種，或者同種作物的不同生長期往往在地表形成不同高度和蓋度的覆蓋層。研究表明農作物葉片、根、莖可有效減弱雨滴對地表土壤的打擊和擾動，增加地表入滲，降低地表徑流沖刷，尤其是低矮的豆科作物效果顯著[14-15]。川東紫色土丘陵區(qū)土壤侵蝕以面蝕為主，雨滴打擊作用是面蝕的主要動力，消除雨滴打擊作用可減少70%以上的土壤侵蝕量[16]。黃土高原地區(qū)研究認為植被的有效蓋度為40%～50%[17]，其溝壑區(qū)人工林地和草地的有效植被覆蓋度應不<60%和50%[18]。為模擬不同時期農作物的覆蓋狀況，將覆蓋情況分為裸地(裸地至幼苗階段)、低覆蓋(低于有效蓋度，本研究設定為25%)和高覆蓋(大于有效蓋度，本研究設定為50%)3種情況。試驗中通過雙層塑料紗網覆蓋小區(qū)來模擬作物覆蓋。具體為：試驗小區(qū)完全為裸地，下文簡稱“A處理”；用雙層塑料紗網從小區(qū)上端向下覆蓋其面積的25%，代表作物蓋度為25%，簡稱B處理；紗網覆蓋面積增大到50%，代表作物蓋度50%，簡稱C處理。將上述降雨強度、溝底坡度和作物蓋度等3個因子相互交叉，共進行27場模擬試驗。

1)人工降雨機。使用美國阿德旺斯德機械設計與制造公司生產的Norton型人工模擬降雨機，通過控制噴頭單擺、雙擺以及擺動頻率控制降雨強度，降雨強度可調范圍為10～120 mm/h，可獲得11個降雨強度[19]。該降雨機由6個噴頭組成，噴頭間距1.1 m，降雨覆蓋區(qū)域為寬2.6 m，長7.5 m，率定表明可提供寬1.2 m和長6.6 m的均勻降雨區(qū)域。模擬試驗時的降雨高度為2.6 m，水壓穩(wěn)定在0.04 MPa。

2)試驗小區(qū)及地邊溝。為了向試驗地邊溝進行薄層單邊匯流，根據降雨機提供的均勻降雨面積，設計小區(qū)(圖1中7)長6 m、寬1 m，上端及兩側用鐵皮分隔(圖1中6)，外圍設置排水溝，避免小區(qū)以外區(qū)域徑流流入小區(qū)。小區(qū)下方開挖地邊溝(圖1中5)，參考野外地邊溝尺寸，將試驗地邊溝橫截面設計為倒置梯形，上口寬30 cm、溝底寬25 cm和深15 cm，長600 cm，溝底坡度0°(0試驗做完修整為1°和3°)。整平溝底及溝壁，確保溝道幾何形態(tài)、坡度以及土壤緊實度一致。在溝壁上方鑲嵌1塊長6 m的鋁合金直角型材(圖1中3)，方便采取坡面水沙樣品。為了準確測定地邊溝中泥沙沉積量，用表面粗糙的無紡布平均分段鋪蓋在地邊溝中(圖1中4)，并用鐵鉤固定(圖1中10)。地邊溝的末端用1根PVC管引流致采樣點，提高坡度確保PVC管中無泥沙沉積。每次試驗前去除地表礫石，根據坡面侵蝕情況從小區(qū)外圍地塊補充適量土壤，均勻翻耕耙平，確保小區(qū)坡面情況一致。

1.土壤； 2.紗網； 3.角鋁； 4.無紡布； 5.地邊溝； 6.小區(qū)邊框； 7.坡耕地供沙小區(qū)； 8.試驗工作區(qū)； 9.溝口采樣點； 10.坡面采樣帶； 11.坡面采樣器； 12.堵頭； 13.活堵頭； 14.采樣口。1.Soil. 2.Gauze nets. 3.Angle aluminum. 4.Non-woven fabrics. 5.Side ditch. 6.Cell border. 7.Slope cultivated land for sand plots. 8.Test work area. 9.Gully sampling points. 10.Slope sampling belts. 11.Slope sampler. 12.Plugs. 13.Live plugs. 14.Sampling ports. 圖1 試驗小區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental plot

3)樣品采集。為了準確測定地邊溝中輸入、沉積、輸出的泥沙量，試驗設計了專門的采樣工具，對坡面、地邊溝和地邊溝末端進行水沙過程采樣。①坡面采樣。用Φ20的PVC管制作，將兩端封堵，切開一個寬3 cm、長6 m的矩形做成坡面采樣器。由3人平端進行采樣。②地邊溝采樣。每場模擬試驗結束后，分段取出無紡布上沉積的泥沙。③地邊溝末端采樣。地邊溝末端用根Φ15的PVC管引流至地埂邊緣，對徑流進行過程采樣。

4)試驗過程。對小區(qū)進行人工模擬降雨→小區(qū)坡面產流(分時段采取小區(qū)徑流樣品)→坡面徑流匯入地邊溝→經過地邊溝的沉積(入滲)作用→徑流流出地邊溝(溝口采樣)。每場模擬試驗持續(xù)40 min左右。試驗過程中每3 min對坡面徑流采樣1次。每2 min對地邊溝末端徑流采樣1次。每場試驗結束后將溝底泥沙分段全部取出，編號并裝入樣品袋中，烘干稱量即為地邊溝中泥沙沉積量。

5)樣品處理與數據分析。每次降雨試驗結束后，分段拍照記錄泥沙沉積形態(tài)。從溝的上游依次小心取出每一段無紡布，折疊好帶回室內先風干，再進行烘干處理，之后進行稱量。采集的徑流泥沙樣品先轉移至室內靜置48 h以上，待泥沙完全沉淀后傾倒上層清水，將濃度較高的徑流泥沙過濾，烘干濾紙上的泥沙，冷卻后稱量。徑流體積的量測根據徑流量的大小差別使用了大容量瓶+小量程量筒量測，誤差在1 mL左右。稱量泥沙的電子天平精度為0.1 g，誤差為1 g。溝中沉積泥沙保留1位小數，溝口輸出泥沙量由流量和含沙量乘除運算得出，在計算過程中，為減少舍入誤差，計算的徑流含沙量和平均含沙量暫時保留2位有效數字，計算出溝口輸出泥沙量后保留1位小數。數據采用Excel 2006進行統(tǒng)計和回歸分析。

3 結果與分析

3.1 降雨強度為60 mm/h時泥沙變化特征

A、B、C分別表示地邊溝上方小區(qū)作物覆蓋為A(無覆蓋)、B(25%覆蓋)和C(50%覆蓋)；0、1、3分別表示溝底坡度為0°、1°和3°。A, B and C respectively indicate that the crop coverage of the plot above the Slope Farmland Side Ditch is A (no coverage), B (25%coverage) and C (50% coverage); 0, 1 and 3 indicate that the bottom slope is 0°, 1° and 3°. 圖2 不同坡面來沙、溝中沉積泥沙變化圖 (降雨強度60 mm/h)Fig.2 Variations of incoming sediments from different slopes, and vertical sedimentation at the bottom of the ditch (rainfall intensity 60 mm/h)

降雨強度60 mm/h時不同坡面來沙、溝底坡度條件下溝中輸入、沉積泥沙變化如圖2所示。該組試驗包括3個溝底坡度和每個坡度下小區(qū)的A、B和C處理方式，共9場試驗。當溝底坡度為0°時，A、B和C處理下地邊溝中泥沙輸入總量分別為8 605.6、7 451.6和5 722.5 g，而溝中泥沙沉積量分別為6 639.5、5 802.9和4 525 g，溝中泥沙沉積率分別為77.2%、77.9%和79.1%；當溝底坡度增大到1°時，A、B和C處理下地邊溝中泥沙輸入總量分別為8 300.4、6 011和5 138 g，而溝中泥沙沉積量分別為5 077.7、3 773.5和3 097.9 g，溝中泥沙沉積率分別為61.2%、62.8%和60.3%；當溝底坡度增大到3°時，A、B和C處理下地邊溝泥沙輸入總量分別為4 847.4、4 772.8和3 517.5 g，而溝中泥沙沉積量分別為716.5、626.3和595.8 g，溝中泥沙沉積率分別為14.8%、13.1%和16.9%。表明當地邊溝溝底坡度不變時，對供沙小區(qū)進行的A、B和C處理方式下，徑流含沙量不同，地邊溝中輸入泥沙總量和沉積泥沙總量均不同，但泥沙沉積率變化較小，在77.2%至79.1%之間，平均78.0%。當溝底坡度增大到1°或3°時，呈現相同的規(guī)律，說明溝底坡度一定時，溝中泥沙沉積率不變，隨著溝底坡度的增大，溝中泥沙沉積率減小。

3.2 降雨強度為90 mm/h時泥沙變化特征

降雨強度90 mm/h時不同坡面來沙、地邊溝溝底坡度條件下溝中輸入、沉積泥沙變化見圖3。當溝底坡度為0°時，A、B和C處理下地邊溝中泥沙輸入總量分別為13 332、11 550和7 749.8 g，而溝中泥沙沉積量分別為10 464.4、8 970.4和6 008 g，溝中泥沙沉積率分別為78.5%、77.7%和77.5%；當溝底坡度增大到1°時，A、B和C處理下地邊溝泥沙輸入總量分別為19 470、12 522和8 641.4 g，而溝中泥沙沉積量分別為10 526.8、6 589.2和4 446.1 g，溝中泥沙沉積率分別為54.1%、52.6%和51.5%；當溝底坡度增大到3°時，A、B、C處理下地邊溝泥沙輸入總量分別為7 737.3、7 624.4和6 286.6 g，而溝中泥沙沉積量分別為742.5、796.9和708 g，溝中泥沙沉積率分別為9.6%、10.5%和11.3%。與降雨強度60 mm/h坡面相比，溝底坡度為0°時， A、B和C處理下溝中泥沙沉積率幾乎不變，平均均為77.9%；溝底坡度增大到1°時，不同處理下溝中泥沙沉積率均降低，平均降低8.7百分點；溝底坡度增大到3°時，不同處理下溝中泥沙沉積率均降低，平均降低4.5百分點。

圖3 不同坡面來沙、溝中沉積泥沙變化圖 (降雨強度90 mm/h)Fig.3 Variations of incoming sediments from different slopes, and vertical sedimentation at the bottom of the ditch (rainfall intensity 90 mm/h)

3.3 降雨強度為112 mm/h時泥沙變化特征

降雨強度112 mm/h時不同坡面來沙、溝底坡度條件下溝中輸入、沉積泥沙變化見圖4。當溝底坡度為0°時，A、B、C處理下地邊溝中泥沙輸入總量分別為9 741.2、7 372.6和5 898.1 g，而溝中泥沙沉積量分別為7 501.1、6 082.4和4 925.3 g，溝中泥沙沉積率分別為77.0%、82.5%和83.5%；當溝底坡度增大到1°時，A、B和C處理下溝中泥沙輸入總量分別為12 496.4、10 447.3和7 364.6 g，而溝中泥沙沉積量分別為6 340.9、5 732.3和3 812.6 g，溝中泥沙沉積率分別為50.7%、54.9%和51.8%；當溝底坡度增大到3°時，A、B、C處理下溝中泥沙輸入總量分別為11 040.8、7 884.8和5 611.6 g，溝中泥沙沉積量分別為1 380.8、1 504.2和820 g，溝中泥沙沉積率分別為12.5%、19.1%和14.6%。當降雨強度從60 mm/h增大到90 mm/h、112 mm/h，溝底坡度為0°時，A處理下溝中泥沙沉積率變化幅度很小，呈增大減小的變化趨勢，B、C處理變化幅度也較小，先減小、后增大。不同處理下平均沉積率從78.0%、77.9%、再增大到81.0%；溝底坡度為1°時，A處理下溝中泥沙沉積率持續(xù)減小，B處理先減小、后小幅增大，C處理先減小、后基本不變。不同處理下平均沉積率從61.4%減小到52.7%、52.5%；溝底坡度為3°時，A、B、C處理下溝中泥沙沉積率均表現為先減小、再增大，不同處理下平均沉積率從14.9%減小到10.4%、再增大到15.4%。

圖4 不同坡面來沙、溝中沉積泥沙變化圖 (降雨強度112 mm/h)Fig.4 Variations of incoming sediments from different slopes, and vertical sedimentation at the bottom of the ditch (rainfall intensity 112 mm/h)

3.4 不同坡面來沙量下溝中泥沙沉積率與溝底坡度相關關系

通過對不同降雨強度、小區(qū)處理方式和溝底坡度的27場人工模擬降雨試驗研究。結果表明：1)在降雨強度、溝底坡度不變時，不同小區(qū)處理方式(含沙量不同)下地邊溝中泥沙輸入量和沉積量不同，但泥沙沉積率變化不大。例如當降雨強度為60 mm/h，溝底坡度為0°時，泥沙沉積率在77.2%～79.1%之間變化，平均78.0%；溝底坡度為1°時，在60.3%～62.8%之間變化，平均61.4%；當溝底坡度為3°時，在13.1%～16.9%之間變化，平均14.9%。當降雨強度增大時呈現相同的變化規(guī)律。2)在降雨強度不變時，通過對小區(qū)進行紗網覆蓋的處理，使地邊溝中泥沙輸入量和沉積量差異均較大，但泥沙沉積率變化不大；隨著溝底坡度的增大，溝中泥沙沉積率減小，溝底坡度與溝中泥沙沉積率呈顯著線性負相關關系(圖5)。

圖5 不同坡面來水來沙下溝中泥沙沉積率與 溝底坡度相關關系Fig.5 Correlation between the sediment and water flow from different slopes, the sedimentation rate in the lower trench and the bottom slope

4 討論

在本試驗中，分別測試了不同坡面來水來沙量、溝底坡度下溝中泥沙輸入與沉積量。試驗表明，同溝底坡度、降雨強度條件下，不同的小區(qū)處理下坡面來沙總量和溝中沉積總量均不同，但沉積率變化不大。例如溝底坡度為0°條件下的9場試驗，沉積率集中分布在77.0%～83.5%之間，非常接近。說明在地邊溝溝底坡度一定的條件下，徑流含沙量大小對地邊溝中泥沙的沉積率影響較??；同溝底坡度，不同降雨強度、小區(qū)處理方式條件下，其坡面來沙總量和溝中沉積總量不同，但沉積率變化不大。不同溝底坡度、降雨強度、小區(qū)處理方式條件下，坡面來沙總量和溝中沉積總量不同，泥沙沉積率隨坡度增大而減小。當溝底坡度為0°時，溝中泥沙沉積率在77.0%～83.5%之間，平均79.0%；當溝底坡度為1°時，溝中泥沙沉積率在50.7%～62.8%之間，平均55.5%；當坡度為3°時，溝中泥沙沉積率在9.6%～19.1%之間，平均13.6%。表明溝底坡度是影響地邊溝土壤保持效益的主要因子，與溝中泥沙沉積率呈顯著線性負相關關系(圖5)。溝底坡度的大小決定其水動力大小，從而影響了溝中徑流的搬運能力。當溝底坡度為0°時，土壤保持效益可達79.0%，當溝底坡度增大到1°時，地邊溝的土壤保持效益降低到55.5%，當溝底坡度增大到3°時，地邊溝的土壤保持效益降低到13.6%，已經幾乎不具備土壤保持效益。

地邊溝主要發(fā)展與應用于我國南方丘陵區(qū)，然而針對其土壤保持效益的研究報道甚少，與地邊溝類似的研究主要有水平溝。張興昌等[20-21]通過9年天然觀測表明：水平溝較平播減少土壤侵蝕量33.7%～88.9%。而林和平[22]試驗對比研究則表明水平溝減少土壤侵蝕量在55.86%～87.17%之間，平均近40%，減沙量隨試驗小區(qū)坡度的增大而減小。石生新[23]研究表明減沙率均大于46%。李曉原等[24]對5種典型土壤管理措施的產流產沙研究表明，減流減沙效果由高到低的順序為：水平溝>木地膚覆蓋>魚鱗坑>角果藜覆蓋>裸地。丁新輝[25]對板栗林的研究顯示，水平溝減沙率為85.31%。地邊溝在設計形態(tài)以及規(guī)模上與水平溝均存在差別，但二者在土壤保持效益方面相近。試驗表明，當地邊溝溝底坡度為0°或1°時，其土壤保持效益均在50.7%至83.5%之間，考慮到試驗的地邊溝受鋪蓋無紡布的影響，生產實踐中的地邊溝的減沙效益還要更好。

5 結論

1)當地邊溝溝底坡度為1°或0°時，地邊溝具有良好的土壤保持效益，土壤保持量在50.7%～83.5%之間，當溝底坡度增大到3°時，地邊溝土壤保持效益很差，平均土壤保持量僅為13.6%。

2)地邊溝溝底坡度是影響地邊溝土壤保持效益的主要因子，溝底坡度與溝中泥沙沉積率呈顯著線性負相關關系。

3)地邊溝溝底坡度一定時，不同降雨強度和不同徑流含沙量條件下，溝中泥沙輸入量和沉積量均不同，但泥沙沉積率變化較小。當溝底坡度為0°時，溝中泥沙沉積率在77.0%～83.5%之間，平均79.0%；當溝底坡度為1°時，溝中泥沙沉積率在50.7%～62.8%之間，平均55.5%；當溝底坡度為3°時，溝中泥沙沉積率在9.6%～19.1%之間，平均13.6%。