摘要：為研究坡耕地水土流失機(jī)制，明確田間坡面徑流量、速度與土壤養(yǎng)分?jǐn)y帶、顆粒流動間的關(guān)系，指導(dǎo)田間坡面和網(wǎng)草護(hù)坡氮磷流失阻控優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文引入城鎮(zhèn)及建筑排水、水力學(xué)、土壤學(xué)的基本原理，導(dǎo)出氣候、地形、土壤、種植模式與田間顆粒流失間的關(guān)系，闡述了田間坡面徑流計(jì)算方法，研究田間坡面水土流失特征與土壤顆粒及氮、磷流失的關(guān)系，分析水、土、植物間的協(xié)同阻控土肥流失平衡體系各因子間的關(guān)系;提出了坡耕地和網(wǎng)草護(hù)坡田間土壤氮、磷流失阻控的設(shè)計(jì)模式，確定田間土壤入滲、顆粒粒徑與坡面地表徑流洪峰的數(shù)理關(guān)系，建立坡面徑流與土壤顆粒移動平衡等方面的理論計(jì)算模型和方法;揭示了土壤糙率、網(wǎng)草糙率、植株密度與流速、總水頭損失的間理論關(guān)系，析出減少田間氮磷流失的最優(yōu)植株密度耕作模式，闡明有效阻控田間氮磷流失工程上的有效構(gòu)造。

關(guān)鍵詞：田間坡面;氮磷流失;阻控設(shè)計(jì);水土保持

中圖分類號：S-3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：張錦宇（1963-），男，高級工程師。研究方向：農(nóng)業(yè)建筑、環(huán)境工程、水土保持。

引言

坡耕地土地空間是山區(qū)群眾賴以生存和發(fā)展的生產(chǎn)用地，不合理的耕作模式導(dǎo)致其存在嚴(yán)重的氮磷流失，國土空間資源遭到破壞，危及國家糧食安全。因此，構(gòu)建坡地“土、肥、水、種”間的生態(tài)平衡，有效保育坡面水土的種植系統(tǒng)是必要的。網(wǎng)草護(hù)坡、溝管網(wǎng)防護(hù)體就是為解決此類問題而問世的，其坡面氮磷流失的演化與氣候、徑流強(qiáng)度、土壤入滲、坡面土壤抗剪切能力有關(guān)。

坡面氮磷流失屬水土流失的一個(gè)部分，就水土流失研究而言，當(dāng)前“坡面流水動力學(xué)特性”的研究主要在裸坡水流流動方向，如，沙際德和蔣允靜[1]的薄層水流的基本動力特性參數(shù);張光輝[2]對坡面水流阻力規(guī)律等進(jìn)行的研究;李光錄等[3-5]對坡面流能量與泥沙運(yùn)動的藕合關(guān)系做了研究。這些技術(shù)成果為坡面氮磷流移與輸沙機(jī)理研究奠定了理論基礎(chǔ)。同時(shí)基于國際實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，日本推出的纖維綠化工法[6]，1993年被我國引進(jìn)后，在道路邊坡領(lǐng)域上結(jié)合植草技術(shù)得到應(yīng)用;此后肖衡林[7]等對網(wǎng)墊強(qiáng)度對植物護(hù)坡的抗沖刷性能進(jìn)行了研究，而對于坡面土壤養(yǎng)分流失的特征及影響因素的研究[3，8-9]主要集中在機(jī)理上。

田間坡面、網(wǎng)草植被、溝管網(wǎng)防護(hù)體氮磷阻控技術(shù)體系充分利用坡面網(wǎng)草、植物、地形、地質(zhì)和地區(qū)氣候等特點(diǎn)，采用增加阻力，來降低徑流強(qiáng)度;借助網(wǎng)草護(hù)坡上的網(wǎng)和植物生長根系的加筋，來增強(qiáng)土壤抗蝕性，使阻控坡面水土與氮磷流失的生物與工程措施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。由于微觀上在植被和網(wǎng)草護(hù)坡覆蓋條件下坡面水流特性相當(dāng)復(fù)雜、相關(guān)技術(shù)也相對滯后，故在這方面的研究比較薄弱[8，9]。鑒于此，本文結(jié)合城鎮(zhèn)及建筑給排水、水力學(xué)與土壤學(xué)的基本理論，從宏觀上切入研究分析坡面氮磷流失特征及其阻控設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)研究從農(nóng)田徑流量相關(guān)的入滲率試驗(yàn)數(shù)據(jù)和種植密度入手，計(jì)算不同狀態(tài)下的田間坡面徑流速度，用其與土壤表面顆粒啟動速度作對比，計(jì)算判別不同狀態(tài)下土壤表面顆粒流移量和地表徑流量，使兩者組合中含氮磷總量最少，達(dá)到田間氮磷總量流失阻控最優(yōu)化，為此，需先分析田間氮磷流失特征。

1氮磷流失特征與工程措施分析

1.1坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙量和氮、磷流失的特征

坡面徑流產(chǎn)生的養(yǎng)分?jǐn)y帶和顆粒流動是土壤養(yǎng)分流失的2種主要形式，表現(xiàn)為徑流養(yǎng)分?jǐn)y帶的是地表可溶性養(yǎng)分，隨地表水流流失;顆粒態(tài)養(yǎng)分流失是隨被侵蝕的土壤泥沙流動。2種流失所具有的動力學(xué)特性都與氣候、降水、地形、地表植被等條件有關(guān)。武曉莉[17]等在小流域?qū)Φ琢魇闆r的連續(xù)監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，氮流失總量與地表徑流量之間有顯著正相關(guān)關(guān)系，磷流失總量與徑流量及產(chǎn)沙量之間相關(guān)關(guān)系極為顯著。SharpleyA.N[18]研究了美國20個(gè)小流域的養(yǎng)分流失后認(rèn)為，徑流中的氮、磷流失以侵蝕泥沙攜帶為主，一般占比60%～75%;彭琳等[19]的研究揭示旱坡耕地的土壤養(yǎng)分流失主要以土壤為載體，其占流失總量的95.0%～99%以上;美國Missisquo灣[20]以氣候侵蝕徑流輸出為主，但這些都與土壤粒徑有關(guān)。綜上，控制泥沙流移是阻控坡面土壤養(yǎng)分流失的設(shè)計(jì)核心。

1.2網(wǎng)草護(hù)坡溝管網(wǎng)防護(hù)體對氮、磷流失的作用

現(xiàn)階段在工程實(shí)踐中采用的各種生物與工程水保措施都對防止泥沙及養(yǎng)分流失有一定的影響[21]。生物措施是通過增加地表植被覆蓋，來減少雨水對土壤養(yǎng)分的侵蝕，網(wǎng)草護(hù)坡將這種生物土壤加固的機(jī)理用工程手段來實(shí)現(xiàn)，盡可能在地表植被覆蓋前就能有效控制泥沙的流失產(chǎn)生。網(wǎng)草護(hù)坡溝管網(wǎng)防護(hù)體等工程措施，其主要功能在于通過面層網(wǎng)草儲蓄可溶性養(yǎng)分，減少氮磷流失;通過溝管網(wǎng)截短徑流坡長，減少地面徑流量，消減雨強(qiáng)與地面坡度等產(chǎn)生的徑流沖刷力;網(wǎng)草增強(qiáng)土壤抗沖刷能力;三者協(xié)同阻控的主要目標(biāo)是有效控制泥沙流動，減少泥沙流失，使氮、磷流失總量減少。

2網(wǎng)草護(hù)坡溝管網(wǎng)防護(hù)體防徑流沖刷機(jī)制分析

為了研究網(wǎng)草護(hù)坡溝管網(wǎng)防護(hù)體防徑流沖刷機(jī)制，對網(wǎng)草護(hù)坡做基本假設(shè)：網(wǎng)草護(hù)坡溝管網(wǎng)防護(hù)體表層徑流量特征遵循《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》和《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》;坡面徑流動力學(xué)特征及粘性與沙質(zhì)河床相同;坡面沿程水頭損失和植被造成的局部水頭損失相互獨(dú)立且互不影響;由于網(wǎng)草護(hù)坡和坡面植被的因素，坡面流體處于紊流粗糙區(qū);忽略降水的非均勻性分布，設(shè)定小匯水面積范圍內(nèi)各點(diǎn)的暴雨強(qiáng)度都相等;田間耕作面為裸坡，且植被沿整個(gè)坡面均勻分布。網(wǎng)與植物、網(wǎng)草沿梯田的布置及其徑流模型如圖1所示。

坡面徑流速度是水流動力沖刷坡面的特征參數(shù)，其外在特征、大小與雨量、地形、土壤和地表覆蓋有關(guān)，為分析坡面氮、磷流失必須從水文氣候、土壤成分和種植模式的協(xié)同入手。

2.1設(shè)計(jì)暴雨的計(jì)算

在農(nóng)用地溝管網(wǎng)防護(hù)體設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)溝管的匯水面積一般都很小，與市政建筑相仿屬集水時(shí)間不超過5～120min小匯水面積，在工程設(shè)計(jì)上認(rèn)定其匯水面積范圍內(nèi)各點(diǎn)的暴雨強(qiáng)度都相等，忽略降雨的非均勻性分布，可直接用雨量計(jì)所測得的點(diǎn)雨量資料做小匯水農(nóng)用地上的面雨量資料。當(dāng)無田間氣象資料時(shí)直接選用臨近城鎮(zhèn)市政資料，按《建筑給排水設(shè)計(jì)手冊》[22]中暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度：

2.4地形參數(shù)計(jì)算

2.4.1徑流坡長L

徑流坡長L為田埂的分水線至竹節(jié)溝管的總長度，m，為圖1所示的梯田面寬和梯壁斜高。

2.4.2坡面平均坡降J

梯田面或護(hù)坡面平均坡降J，為田埂分水線至坡腳溝管斷面的平均比降。

2.5坡面徑流流速計(jì)算

2.5.1匯流歷時(shí)τ

在工程實(shí)踐上，對于坡長<150m的田面，一般情況下其地面匯流時(shí)間見表3，對于入滲率fc較大的，按表3增加10%～30%。

4結(jié)論

4.1坡面氮磷流失量阻控關(guān)鍵因子

坡面氮磷流失量，與坡面降水下滲量、坡面徑流總量、徑流速度、土壤顆粒大小、種植模式有關(guān)，地表土壤顆粒的啟動流移與地面糙度和種植模式相關(guān)。當(dāng)徑流水沖刷力小于土粒啟動力時(shí)，坡面水土間存在自平衡，僅可溶性養(yǎng)分隨徑流流失，田間氮磷流失量等于地表設(shè)計(jì)流量Q與水中氮磷含量的積;隨著徑流水力不斷增大，面層細(xì)顆粒開始流移，糙度不斷加大，面層流速按表5規(guī)律不斷減低，并達(dá)到新的平衡;但糙度高于0.24時(shí)，糙度對速度的影響趨弱，應(yīng)優(yōu)先采用田間種植模式來調(diào)節(jié)平衡;當(dāng)坡面徑流與土粒啟動速度間關(guān)系失衡時(shí)，必須考慮不同網(wǎng)目密度的覆蓋對土壤顆粒表層的影響，用網(wǎng)草阻控坡面徑流。

4.2坡面氮磷流失與表層構(gòu)造

田間氮磷流失量=顆粒氮磷含量+徑流可溶氮磷含量。可溶性養(yǎng)分大多在前30min隨下滲水入土，故土壤表層和網(wǎng)草面層的構(gòu)造要求是先增強(qiáng)地面下滲儲水功能，在保護(hù)土壤顆粒不流失的前提下，提高前30～60min初始入滲率，接收可溶性養(yǎng)分，同時(shí)提高穩(wěn)滲率和總滲透量，降低農(nóng)田徑流系數(shù)Ψ，減小地面徑流。

4.3坡面氮磷流失與種植密度

用種植模式s/b參數(shù)、植株密度的生物措施與網(wǎng)草工程措施的配合，來阻控田間氮磷流失是一種田間耕作模式的研究，坡面總水頭損失的控制設(shè)計(jì)是均衡坡面徑流速度與植株密度和植株形式關(guān)系的橋梁。

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（責(zé)任編輯 賈燦）