1．紫色土水土流失概況

紫色土廣泛分布在長江上游丘陵地山區(qū)，面積26萬多平方公里，集中分布在四川盆地丘陵區(qū)和三峽庫區(qū)，面積16萬平方公里。代表區(qū)域地處中國地勢第二、三階梯的過渡地帶，位于長江上游生態(tài)屏障的最前沿，具有特殊的生態(tài)敏感性。因紫色土土壤礦質(zhì)肥力較高，亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候與非地帶性紫色土成為最佳農(nóng)業(yè)組合，該區(qū)農(nóng)耕活躍，歷來是四川盆地農(nóng)業(yè)的主體區(qū)域，也是全國六大商品糧基地之一，因此人口密度大，人為活動強(qiáng)烈。然而，紫色土地處山地丘陵，紫色母巖巖體松軟，抗風(fēng)化能力弱，土壤抗蝕性差，長期頻繁耕種，土地過度墾殖以及不合理的荒地開墾，導(dǎo)致水土流失異常嚴(yán)重，平均侵蝕強(qiáng)度高達(dá)3000~5000t/km².a。而紫色土主要分布于長江上游，該地區(qū)水土流失與面源污染對未來三峽水利工程的長期安全運行與水環(huán)境安全造成巨大壓力。

2.實驗點基本情況

2.1自然概況

鹽亭站位于四川盆地中部偏北的鹽亭縣林山鄉(xiāng)（105°27′E，31°16′N），屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫17.5℃，極端最低溫-4℃，極端最高溫39.5℃，≥10℃的年積溫5502℃，年均降雨量826mm，6~9月降雨量518.3mm，雨熱同季，年日照時數(shù)1322.8小時，無霜期290天。

試驗區(qū)海拔360~600m，相對高程100~200m，屬中深丘地貌，丘陵多為長崗狀，溝谷切割較深，谷寬50~150m，比降1/100~1/300；坡地為自然近水平臺狀梯地，平均坡比1:3~1:10；出露巖層為侏羅系上部蓬萊鎮(zhèn)組、白堊系底部城墻巖群紫色砂泥巖，巖層傾角5~10°，裂隙發(fā)育，沉積疏松，易風(fēng)化成土；土壤為石灰性紫色土，富含P、K、Mn、Zn、Mo等礦質(zhì)元素，土壤質(zhì)地為沙壤土，土層從坡頂?shù)綔瞎仍?0~100cm之間，坡地平均土層約60cm。

本區(qū)主要植被類型為散生柏木（Cypressus funebris）疏林，其他散生喬木有油桐（Aleurites fordii Hemsi）、香樟（Cinnamomum）、黃連木（Pistacia Chinensis）等；常見的灌木有巢絲花（Rosa roxbughii）、小果薔薇（Rosa cymosa）、馬桑（Coriaria Sinica）等；林下植被為黃茅草坡。自20世紀(jì)70年代初以來，本站與鹽亭縣政府開展榿木（Alanus Cemastogyne）-柏木混交林試驗示范以來，試驗區(qū)已在700公頃的荒山上建造了成片人工榿-柏混交林，森林覆蓋率達(dá)40%，榿柏混交林已成為四川盆地丘陵區(qū)人工林的主體林種。已開墾的農(nóng)田主要作物有小麥、玉米、紅薯（甘薯）、油菜、花生和水稻等。

2.2基礎(chǔ)設(shè)施

試驗站現(xiàn)有工作用房約800 m²，生活用房500 m²，有實驗室18間，擁有連續(xù)流動注射分析儀、原子吸收分光光譜儀、氣象色譜儀、光合作用測定儀和多光譜顯微鏡等進(jìn)口先進(jìn)儀器設(shè)備45套件，總價值50多萬美元；試驗區(qū)土地面積4.8km²，站擁有獨立土地使用權(quán)的試驗地面積約85畝。觀測儀器設(shè)備擁有自動氣象輻射觀測系統(tǒng)、干濕沉降自動采集儀、水面蒸發(fā)測定儀、TDR、FDR、中子儀等土壤水分測定儀器、10套自動水位記錄儀、4套ISCO水沙自動采集系統(tǒng)及自行設(shè)計的翻斗徑流測定儀等試驗觀測儀器40多套件，這些試驗與觀測儀器運轉(zhuǎn)良好，為保障站的水土流失自動觀測與采樣提供了良好的儀器支撐。

鹽亭站水土保持與水土流失科學(xué)研究歷史悠久，現(xiàn)已建成農(nóng)地綜合觀測場、農(nóng)地徑流觀測場、農(nóng)地徑流模擬試驗場、紫色母巖風(fēng)化-侵蝕場、林地水沙觀測堰、農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)小流域水文站、人口密集農(nóng)村小流域水文站、紫色土坡地養(yǎng)分平衡與遷移試驗場等野外設(shè)施20多項，徑流監(jiān)測小區(qū)總數(shù)達(dá)到69個。

3．水土流失試驗與觀測研究內(nèi)容

3.1小流域不同尺度徑流、泥沙與面源污染遷移的長期觀測

分別建立了地塊、集水區(qū)和小流域觀測設(shè)施，地塊為徑流小區(qū)，分別有林地、坡耕地、草地、裸地等類型，面積分別為32~100m²；集水區(qū)為小型、封閉的截流觀測場，有林地、農(nóng)地、農(nóng)林復(fù)合、居民點，面積分別為5~350畝；小流域為綜合小流域，面積為4.8km²。降雨產(chǎn)流時測定徑流、泥沙量與面源污染物含量動態(tài)。

3.2水土流失對比試驗

利用徑流小區(qū)，開展了裸地、草地、林地、居民點和坡耕地等不同土地利用類型和聚土免耕、順坡耕作、橫坡耕作等不同耕作制度下及不同施肥制度下紫色土坡地水土流失與面源污染物遷移的對比試驗。

3.3紫色土不同下墊面侵蝕的人工模擬降雨試驗

構(gòu)建了可變坡降雨槽、側(cè)噴式模擬降雨器和模擬降雨供水車，建立了紫色土坡地原位不同坡度（5、10、15、20、25°）模擬徑流小區(qū)和移動式模擬降雨平臺；可開展紫色土坡地不同下墊面（坡度、植被）和不同降雨條件（雨強(qiáng)、歷時）的人工模擬降雨試驗，研究紫色土土壤侵蝕過程與機(jī)理。

4．部分重要結(jié)果

4.1、野外試驗觀測結(jié)果

4.1.1主要土地利用類型坡地土壤侵蝕特征

通過對各種土地利用類型坡地侵蝕產(chǎn)沙的定位觀測，紫色土坡地平均土壤侵蝕速率呈松散堆積物>裸地>坡耕地>低覆蓋草地>純柏林地>高覆蓋草地≈高覆蓋林地的順序；裸地平均侵蝕速率高達(dá)12000t/km².a；坡耕地屬輕度到中度侵蝕，平均侵蝕速率因坡度不同有所差異，在800~1800t/km².a范圍內(nèi)；草地的侵蝕量較低，侵蝕強(qiáng)度大多低于300 t/km².a，林地的侵蝕強(qiáng)度最低，多數(shù)在150 t/km².a左右，純柏林地徑流系數(shù)較高；因坡耕地面積大，其侵蝕是小流域泥沙主要來源，但川中丘陵區(qū)森林覆蓋率已由1960s的5%左右上升到目前約22%，大部分陡坡耕地已退耕還林，坡耕地土壤侵蝕已逐漸得到控制；隨著地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與“西部大開發(fā)”的實施，開發(fā)工程建設(shè)項目如開發(fā)區(qū)、道路與水利工程建設(shè)等產(chǎn)生大量松散堆積的土石方未經(jīng)夯實，且無保護(hù)措施，已成為新的水土流失源，紫色土松散堆積物侵蝕強(qiáng)度受堆積形態(tài)（坡度）、坡長、位置、裸露時間等因素影響，侵蝕強(qiáng)度高達(dá)5500~52500t/km².a，川中丘陵區(qū)與三峽庫區(qū)每年因此新增泥沙均超過700萬噸。

4.1.2不同耕作制度對侵蝕泥沙的影響

聚土免耕與常規(guī)平作的土壤侵蝕模數(shù)分別為530.0t km^-2和3122.0t km^-2，聚土免耕減少土壤侵蝕83%；聚土免耕與平作的徑流分別為657.7m³ hm^-2，1754.0m³ hm^-2，聚土免耕減少徑流64%，可見聚土免耕的水土保持效應(yīng)顯著。聚土免耕網(wǎng)格狀的溝和土檔作為微小的蓄水庫接受和保持降雨，所截留的降雨再進(jìn)入土壤水庫，而蓄積在土壤水庫中的水分長期緩慢地為作物生長所利用，緩解了旱地的季節(jié)性干旱，改善了土壤水分條件，聚土免耕溝內(nèi)水分比平作高1.1%，壟上高0.6%。聚土免耕的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)對旱坡地的水土保持的作用尤為突出，聚土免耕以壟溝和小土檔所構(gòu)成的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)對水土保持貢獻(xiàn)率達(dá)80%。試驗結(jié)果還表明，少耕留茬可減少降雨對表土的直接拍擊所引起的土壤濺失。

4.1.3川中丘陵區(qū)典型小流域侵蝕泥沙控制技術(shù)體系

首先建立好坡頂林地的喬灌草植被體系，即具備基本的水土保持功能，控制好源頭的侵蝕與泥沙；利用溝谷水田、塘庫和自然溝渠的濕地功能，控制侵蝕泥沙的輸出，同時合理利用水稻田的高產(chǎn)保障小流域糧食供給；在此基礎(chǔ)上，大力推進(jìn)坡耕地業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，并采用坡地糧經(jīng)彈性結(jié)構(gòu)種植技術(shù)，既可發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，又能建立良好的坡地水土保持耕作體系。同時合理配置臺地間的坡坎林地生態(tài)系統(tǒng)，并與農(nóng)地形成農(nóng)林鑲嵌的空間格局，由此建立丘陵上部的農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)和溝谷濕地系統(tǒng)相相呼應(yīng)的農(nóng)林水系統(tǒng)復(fù)合的小流域侵蝕泥沙控制的生態(tài)經(jīng)濟(jì)體系。

4.1.4小流域侵蝕泥沙來源

利用¹³⁷Cs和²¹⁰Pb示蹤法，重點開展了鹽亭武家溝流域林地、農(nóng)地和裸坡地對溝道泥沙的相對貢獻(xiàn)研究，運用¹³⁷Cs和²¹⁰Pb建立混合模型，求得武家溝流域林地、農(nóng)地和裸坡地的相對來沙量分別為18%、46%和36%，農(nóng)臺地和裸坡地（含溝岸）是流域內(nèi)最重要和次重要的泥沙來源。根據(jù) 1956 年以來水庫的泥沙淤積量，流域輸沙模數(shù)為642t/km².a，占流域面積約2/3的林地和1/3的農(nóng)地的侵蝕模數(shù)分別為173和886t/km².a。

4.2模擬試驗結(jié)果

模擬研究表明，較大雨強(qiáng)時裸地和農(nóng)地上在不同坡度小區(qū)的起始產(chǎn)流時間相差較小，坡度對于起始產(chǎn)流時間影響不明顯；較小雨強(qiáng)時，起始產(chǎn)流時間隨坡度的增加而變小，影響起始產(chǎn)流時間的因素主要有植被類型（土地利用狀況）、坡度、雨強(qiáng)、土壤初始含水量。裸地和農(nóng)地小區(qū)的徑流速率總體隨降雨歷時的延長而增加，但增加速率不同，裸地小區(qū)徑流速率明顯大于農(nóng)地。裸地和農(nóng)地在不同雨強(qiáng)下的地表徑流強(qiáng)度隨降雨歷時的變化，均可以用對數(shù)方程來描述，且擬合效果較好。壤中流是紫色土坡面流的重要形式，在人工降雨和天然降雨觀測中，都有明顯的壤中流產(chǎn)生。壤中流產(chǎn)流受坡度、土層厚度、耕作方式、雨強(qiáng)等因素影響，徑流過程比較復(fù)雜，總體而言，紫色土坡耕地土層較淺是導(dǎo)致壤中流產(chǎn)生的重要條件，緩坡有利于壤中流的產(chǎn)生，壤中流的產(chǎn)生滯后于地表流，產(chǎn)流過程表現(xiàn)出比較緩慢變化的單峰過程；雨強(qiáng)對壤中流的流量過程線有顯著影響，對于壤中流的起始產(chǎn)流時間影響并不明顯，隨雨強(qiáng)增大，壤中流峰值流量顯著增加。

5.主要水土保持成果與示范

鹽亭站水土流失試驗、觀測研究歷史悠久，水土保持成果為紫色土坡地水土保持、長江上游生態(tài)環(huán)境建設(shè)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。

5.1積累了豐富的水土流失監(jiān)測數(shù)據(jù)

自1980年正式建站以來，積累了大量紫色土水土流失、面源污染遷移及其環(huán)境效應(yīng)的試驗與觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理與整編，建立了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)文檔。分別于1999年、2005年編印了1970~1995和1996~2005年的試驗觀測數(shù)據(jù)集各1緝。

5.2水土保持技術(shù)

5.2.1旱地聚土免耕技術(shù)

為解決紫色丘陵地區(qū)的農(nóng)業(yè)低產(chǎn)和農(nóng)民增收問題，開發(fā)了“旱地聚土免耕技術(shù)研究”，建立水土保持耕作體系，以解決坡耕地“跑水、跑土、跑肥”的問題。具體做法是橫坡作壟，壟、溝與土檔配套，建立由壟、溝和土檔形成的橫坡網(wǎng)格耕作體系；其次，為防止暴雨對土表的的直接沖擊，減緩表土濺失，實施全土秸稈覆蓋，由此建立壟溝網(wǎng)格耕作與秸稈覆蓋相結(jié)合的水土保持耕作體系。在紫色土累計推廣大1200萬畝，已使紫色土耕地基本實現(xiàn)大面積高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，農(nóng)民收入顯著增加。

5.2.2坡耕地糧經(jīng)彈性種植技術(shù)

利用農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)原理，根據(jù)壟溝的立地條件和作物的需光性差異，實行高桿與矮桿作物套作、好光與喜陰間作相結(jié)合，溝內(nèi)淺坑定植果樹苗或經(jīng)濟(jì)效益高的作物，壟上種糧食作物（小麥與玉米），壟基還可利用季節(jié)時差種植花生和豌豆，壟上不種糧食可退糧還草，發(fā)展果草牧模式，根據(jù)市場可調(diào)節(jié)糧食作物與經(jīng)濟(jì)作物比重，彈性種植與管理。已在川中丘陵區(qū)、三峽庫區(qū)示范與推廣。

5.2.3低效林改造及優(yōu)化利用技術(shù)

榿柏混交林是鹽亭站二十世紀(jì)70年代初推出的對于嚴(yán)重退化紫色陡坡地的植被恢復(fù)模式，現(xiàn)已在川中丘陵區(qū)推廣示范3萬多畝，對于綠化川中丘陵區(qū)發(fā)揮了重要作用，由于榿樹作為先鋒樹種已逐漸死亡，原來的成片榿柏混交林已演變成純柏林，其水土保持效應(yīng)退化，而且蟲災(zāi)嚴(yán)重。通過與地方政府的合作，開展了以純柏林結(jié)構(gòu)改造與優(yōu)化的試驗示范，通過引進(jìn)落葉經(jīng)濟(jì)樹種和草本、灌木等，組建形成森林植被的喬灌草體系，并促進(jìn)枯枝落葉層的形成，顯著提高人工林地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。技術(shù)已在榿柏混交林地開展了大面積示范與推廣。

5.3.小流域侵蝕泥沙與面源污染控制綜合技術(shù)