王天宏，呼 帥，李會科，張青峰

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

早在17世紀(jì)80年代，德國林學(xué)家GAYER首次提出了近自然林業(yè)的概念，即在林業(yè)恢復(fù)中加上近自然這一理論，并且認(rèn)為近自然模式恢復(fù)的生態(tài)環(huán)境擁有最好的穩(wěn)定性[1]。2005年我國學(xué)者彭鴻等[2]首次將近自然理論與坡面整治結(jié)合起來。牛銅鋼[3]、姜俊等[4]也陸續(xù)將近自然理論應(yīng)用于流域生態(tài)學(xué)、地貌學(xué)及林業(yè)科學(xué)等的研究當(dāng)中。此外，近自然模式在高速公路邊坡維護(hù)、城市河流景觀設(shè)計、農(nóng)業(yè)經(jīng)營等生產(chǎn)實踐中也得到了較好的應(yīng)用。然而，這種新技術(shù)在大規(guī)模坡面修復(fù)中的應(yīng)用還較少。

陜西省特別是陜南秦巴山區(qū)的水土流失問題制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。土壤侵蝕造成耕地面積減少、肥力下降，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境。溝坡是土壤侵蝕的重要場所和侵蝕泥沙的主要來源，當(dāng)?shù)貞?yīng)用較多的坡面工程措施有水平溝、水平階、坡改梯、魚鱗坑等[5]，尤以坡改梯應(yīng)用最為廣泛。坡面改為梯田后坡長縮短，地表徑流系數(shù)降低，水土流失量減少，并能促進(jìn)雨水入滲，從而提高土地產(chǎn)出效益。然而，由于技術(shù)不夠成熟、投資比例過大、施工工藝不佳及效益穩(wěn)定性差等問題，坡改梯在取得經(jīng)濟(jì)效益的同時，也可能會造成改梯土地不均勻沉降或鹽堿化加劇等問題[6]。因此，一種新的以保障坡面生態(tài)安全為根本前提的坡面修復(fù)技術(shù)——近自然模式坡面整治技術(shù)應(yīng)運而生。為了討論近自然模式坡面整治后坡面的穩(wěn)定性，本研究在秦巴山區(qū)選擇實施與未實施近自然模式坡面整治工程兩種坡面進(jìn)行對比，選擇土壤理化性質(zhì)等指標(biāo)計算坡面穩(wěn)定性，判斷近自然模式坡面整治工程的修復(fù)效果，以期為進(jìn)一步在秦巴山區(qū)推廣近自然模式坡面整治提供參考。

1 試驗區(qū)概況

在漢中市勉縣新鋪鎮(zhèn)余家溝村選擇典型樣地坡面進(jìn)行近自然模式坡面整治對比試驗。余家溝村地處勉縣縣城以西27 km處(106°51′E、33°11′N)，北鄰漢江秦嶺，南依玉帶河畔，土地面積7.8 km2，平均海拔800 m，年均降水量849.5 mm。試驗區(qū)土壤類型主要為黃棕壤，土壤黏粒含量高，遇水容易膨脹，邊坡坡度7°～25°，覆蓋層厚度9.5～18.7 m，水土流失較嚴(yán)重。選取地形地貌基本一致的典型坡面開展試驗并盡可能保持坡面的自然狀態(tài)，采用固定樣帶法劃分兩個長50 m、寬15 m的退化半裸露土質(zhì)坡面作為對照組(原有自然坡面)和試驗組(在原有自然坡面的基礎(chǔ)上實施近自然模式坡面整治)。近自然模式坡面整治措施：在素土中加入1%水泥和0.5%石灰，采用碾壓夯實方式修筑田坎，控制田坎壓實度達(dá)95%以上；以本地植物為主，有層次地種植護(hù)坡植物，采用喬灌混交模式，選定茶樹作為埂坎保護(hù)措施，田面栽植白芍與李子，撒播早熟禾、紫穗槐種子，并于邊埂種植黑麥草，形成一個相對穩(wěn)定的接近自然的植物群落；此外，在坡面建設(shè)生態(tài)截水溝及耕作保護(hù)措施。

2 研究方法

2.1 測定方法

分別在對照組和試驗組坡面上以3 m高程為間隔設(shè)置7個水平采樣面，每個水平采樣面上又以3 m為間隔共設(shè)立5個采樣點。治理1年后采用機(jī)械分層法在每個采樣點按照土層深度0～10、10～20、20～40 cm取土帶回實驗室，進(jìn)行土壤理化性質(zhì)、土壤抗蝕性、土壤抗剪性分析。其中：土壤機(jī)械組成和微團(tuán)聚體采用吸管法進(jìn)行測定；土壤容重、毛管孔隙度和非毛管孔隙度采用環(huán)刀法測定；土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、pH值、陽離子交換量等理化性質(zhì)參照相關(guān)規(guī)范方法測定；土壤抗剪性通過室內(nèi)常規(guī)三軸剪切試驗方法測定。

2.2 穩(wěn)定性評價方法

結(jié)合國內(nèi)外常用的生態(tài)護(hù)坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)，選用了30個指標(biāo)來建立坡面穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系(表1)。其中：X1～X13為土壤理化性質(zhì)指標(biāo)，X14～X28為土壤抗蝕性指標(biāo)，X29、X30為土壤抗剪性指標(biāo)。通過主成分分析，確定累積貢獻(xiàn)率大的指標(biāo)，得到綜合主成分，作為穩(wěn)定性評價的綜合指數(shù)。

表1 坡面穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系

3 結(jié)果與分析

3.1 主成分分析

對采樣點數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，提取特征值大于1的主成分，結(jié)果見表2。

表2 坡面穩(wěn)定性評價指標(biāo)主成分分析

由表2可知，共提取7個主成分，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了91.20%，超過 85%的水平，說明這7個主成分能夠代表采樣點30個原始指標(biāo)的變化，具有科學(xué)性、代表性。第一主成分的貢獻(xiàn)率最高(23.975%)。其中，團(tuán)聚體分散率X21、團(tuán)聚狀況X23、團(tuán)聚度X24的因子負(fù)荷量較大，可命名為土壤團(tuán)聚程度因子。因此，影響坡面穩(wěn)定性的最主要因素是土壤團(tuán)聚程度因子，其表現(xiàn)為土壤團(tuán)聚體分散率越小、土壤團(tuán)聚狀況越好、團(tuán)聚度越大，坡面穩(wěn)定性越強(qiáng)。第二主成分的貢獻(xiàn)率為19.711%，有4個指標(biāo)的因子負(fù)荷量較大，分別是>0.5 mm團(tuán)聚體破壞率X20、>0.25 mm團(tuán)聚體破壞率X19、>0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量X18和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量X17，可命名為土壤團(tuán)聚體狀況因子。該因子對坡面穩(wěn)定性也有較大影響，土壤團(tuán)聚體破壞率越小，水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量越高，坡面穩(wěn)定性越高。第三主成分的貢獻(xiàn)率為13.017%，干篩幾何平均直徑X27和干篩平均質(zhì)量直徑X25的因子負(fù)荷量較大，可命名為土壤團(tuán)聚顆粒直徑因子。第四主成分的貢獻(xiàn)率為12.914%，結(jié)構(gòu)性顆粒指數(shù)X16和<0.002 mm黏粒含量X15的因子負(fù)荷量較大，可命名為土壤機(jī)械組成因子。第五主成分的貢獻(xiàn)率為10.134%，內(nèi)摩擦角X30和土壤黏聚力X29的因子負(fù)荷量較大，可命名為土壤抗剪性因子，土壤內(nèi)摩擦角的影響略大于土壤黏聚力。后兩個主成分之和僅為11.449%，其中只有非毛管孔隙度X4、總磷X6和總氮X5的因子負(fù)荷量較大。這兩個主成分影響較小，沒有實際意義。

3.2 坡面穩(wěn)定性評價

通過因子得分矩陣，用主成分線性函數(shù)計算各因子的主成分值，并以各因子所對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，計算綜合主成分，得到余家溝村坡面綜合穩(wěn)定性指數(shù)計算公式為

Y=0.241Y1+ 0.221Y2+ 0.181Y3+ 0.107Y4+

0.098Y5+ 0.091Y6+ 0.062Y7

根據(jù)公式分別計算試驗組和對照組坡面不同土壤深度的綜合穩(wěn)定性指數(shù)，并最終得到兩種坡面的綜合穩(wěn)定性指數(shù)平均值，結(jié)果見表3。

由表3可知，試驗組坡面在不同土壤深度的綜合穩(wěn)定性指數(shù)均大于對照組，這表明近自然模式整治坡面的穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于未經(jīng)整治的自然坡面，近自然模式坡面整治效果顯著。隨著土壤深度的增大，試驗組坡面綜合穩(wěn)定性指數(shù)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，20～40 cm深度的穩(wěn)定性較10～20 cm明顯降低。

表3 坡面綜合穩(wěn)定性指數(shù)計算結(jié)果

4 結(jié) 語

本研究根據(jù)土壤理化性質(zhì)、土壤抗蝕性和抗剪性等指標(biāo)建立了秦巴山區(qū)坡面穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系，運用主成分分析法提取了主成分并命名解釋變量，通過確定權(quán)重和計算因子得分得到坡面綜合穩(wěn)定性指數(shù)。研究表明：試驗組坡面穩(wěn)定性指數(shù)大于對照組；影響坡面穩(wěn)定性的主要因素為坡面土壤的抗蝕性指標(biāo)，土壤理化性質(zhì)指標(biāo)和抗剪性指標(biāo)的影響程度相對較小，因此在坡面修復(fù)時應(yīng)重點關(guān)注土壤的團(tuán)粒特征；經(jīng)過治理的坡面穩(wěn)定性增強(qiáng)，未出現(xiàn)土壤侵蝕及土體崩塌現(xiàn)象，并且起到了綠化環(huán)境的作用，因此坡面近自然模式整治效果較好；此外，近自然模式整治坡面穩(wěn)定性隨著土層深度的增加而降低，因此應(yīng)重點關(guān)注20～40 cm深度土層的穩(wěn)定性。

本研究為在秦巴山區(qū)實施近自然模式坡面整治提供了參考。但是，本研究試驗區(qū)的面積較小，試驗結(jié)果可能會受到周圍岸坡的邊際效應(yīng)影響，因此采用近自然模式整治的長期效果還需要通過時間驗證，特別是其景觀優(yōu)美度及其生態(tài)效應(yīng)等仍有待研究。