文献参数: 冯瑞, 张祎, 刘晓君, 等.2024年宁夏极端暴雨事件引发的梯田侵蚀调查研究[J].水土保持通报,2026,46(1):181-190. Citation:Feng Rui, Zhang Yi, Liu Xiaojun, et al. Investigation and study on terrace erosion caused by 2024 extreme rainstorm event in Ningxia Hui Autonomous Region [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2026,46(1):181-190.
近年来,中国北方极端暴雨频发,引发的水土流失严重,给水土资源的高效利用和农业生产稳定带来极大挑战
[1]。黄土高原作为北方旱作农业区的重要粮食生产基地,近年来大规模建设高标准梯田,推动机械化生产。新式高标准梯田是在坡耕地上沿等高线修筑的水平条状且顺坡沿等高线呈阶梯式排列的田地,其具备完善的灌排设施和田间道路,系统内部稳定,是黄土高原地区基本农田的重要组成部分
[2]。高标准梯田通过将天然斜坡转化为平坦的台阶,从而增加降雨入渗和土壤泥沙的沉积,缓解水土流失,稳定山坡,抵御大风、暴雨、洪涝等自然灾害,减少土壤侵蚀现象,提高农业生产力
[3]。相较于坡耕地,梯田在防控侵蚀,削减洪峰径流,生物量累积,提高土壤养分和生产力方面具有重要作用
[4]。然而,宁夏地区某些新建高标准梯田存在田坎裸露,缺乏排水设施的问题;加之该区域农业生产地膜覆盖普遍,极端降雨下,新修梯田田面易形成汇流,引发田面湿陷、田坎垮塌,诱发强烈的土壤侵蚀
[1],加剧了水土流失,破坏了农业生产稳定性。
受极端降雨影响,各地易发生水土流失现象,但如何及时了解极端天气情况下水土流失状况,科学准确地评估水土流失危害及水土保持效果,为区域水土流失动态监测和常规站点监测提供有效补充,是当前水土保持监测工作亟需解决的问题。目前“‘7·18’子洲县暴雨调查”
[5]“‘7·26’无定河特大暴雨调查”
[6]“‘8·10’临朐特大暴雨调查”
[7]3次暴雨水土保持调查都通过定量分析表明,暴雨会引发严重的水土流失灾害,如梯田损毁、坝体冲毁、道路侵蚀等问题,但每次调查的研究对象数量有限,未能构建暴雨条件下水土保持调查的完整体系,因而难以开展系统性分析。
2024年宁夏回族自治区盐池县南部、红寺堡中部、同心县中部及西部、海原县南部及东部、彭阳县东部及南部、隆德县南部、西吉县西部、泾源县西部等地发生暴雨,彭阳县冯庄乡、泾源县发生极端暴雨。根据水保站降雨监测数据可得,降雨量在50~100 mm共12站,25~50 mm共114站。最大降雨站点为泾源县新民乡新民站,降雨量达98 mm。2024年8月8日8:00—17:00,共有150站降雨量达50 mm以上,4站降雨量达100 mm以上,受该时段连续强降雨影响,宁夏多地梯田系统遭受了不同程度的侵蚀破坏。为科学评估此次极端降雨状况下梯田水土流失的基本状况,了解其侵蚀类型、强度分布、影响因素等关键信息,有效识别出易发生水土流失的重点位置,并对其潜在的危害性做出科学评价,调查团队于2024年9月18日至10月27日对暴雨影响区展开了梯田受损情况专项调查,为后续优化区域高标准梯田建设及地方政府制定防灾减灾应急预案提供有力支持。
1 调查区域概况
宁夏回族自治区属典型大陆性气候,降水量自南向北递减。2024年受副热带高压及暖湿气流影响,5—9月降水量较常年偏多。通过当地气象站降雨数据发现,7月22日、8月8日、8月24日,共发生3场典型暴雨。7月22日降雨集中于宁夏南部,降雨量16.65~88.23 mm;8月8日降雨集中于宁夏北部,降雨量42.26~65.59 mm;8月24日降雨集中于宁夏西部,降雨量0.20~101.25 mm。根据此次暴雨过程的累计雨量分布,调查团队选择暴雨中心及附近不同累积雨量梯度所在的9个典型流域进行梯田侵蚀调查。选取的9个小流域,主要分布于贺兰山东麓(水洞沟流域、浅井沟主沟流域、水井沟流域)、宁夏中部干旱带(中坪流域、燕寨科流域、里沟流域)及南部六盘山(唐家河下游流域、朱庄河流域、照明流域)3大地理单元(
表1)。水洞沟流域、中坪流域属于银川平原潜在风蚀重点预防区;浅井沟主沟流域、水井沟流域属于黄土丘陵沟壑水风蚀交错重点治理区;唐家河下游流域、朱庄河流域属于黄土丘陵沟壑水蚀重点治理区;燕寨科流域、里沟流域属于黄土丘陵沟壑残塬水蚀区;照明流域属于六盘山水蚀重点预防区。
2 调查内容与方法
2.1 调查方法
依据宁夏地区暴雨的累积雨量空间分布,确定典型区县。根据累积雨量中心分布区影响的主要河流选择典型河流。针对本次暴雨覆盖范围较广的情况,调查团队按照各县区的年均降水量,自南至北划定调查范围,选取了9个县区内具有代表性的9个小流域,开展此次暴雨调查。使用无人机对整个流域内进行正射拍摄,飞行高度控制在250 m以内
[8],将无人机获取的正射影像DOM进行土地利用解译,在GIS软件下制图得到含小流域边界影像图。根据影像初步分析小流域内土壤侵蚀发生的位置和程度。顺流域边界均匀选取典型梯田,将整座坡面的梯田群按层级数量和田层位置以3∶4∶3的比例分为上中下3部分
[9]。采用应调尽调的原则进行外业实地测量。在野外调查中,通过奥维软件,确定规划的耕地位置。采用基于全球卫星导航系统的实时动态差分定位技术(real-time kinematic, RTK)、全站仪确定侵蚀点位,采用环刀法采集每块梯田的土样,用于测定土壤容重;用钢尺进行侵蚀体积的尺寸测量,采用断面容积法,通过卷尺测量多个断面的高、深、宽,将数据概化为与侵蚀形状接近的立方体来估算损毁体积
[10]。并通过记录田面宽、田坎高等尺寸数据,有无田坝及排水设施、田坎与田面坡度等结构状况,土地利用方式、梯田类型等分类信息,将梯田类型分为:新式机修梯田、老式梯田和坡式梯田。新式机修梯田工程质量好,标准高,地块宽大,田面平整略有向内反坡,埂坎坚实,能有效控制水土流失
[11]。其中调查区域内主要存在复式埂坎式、削坡复式两类新式梯田(
图1);老式梯田田面窄短陡洼,形态完全根据山体的坡度,田坎就地取材,地块狭小分散,无法进行大规模机械化作业
[12];坡式梯田田面不平,田坎通常较低矮,多用泥土或草皮简单垒砌,结构相对简单,分布于坡度较陡、地形破碎的地区
[13]。受损类型和损毁长度等关键损毁指标,通过实地勘测明确侵蚀类型(侵蚀类型分类标准参考水土保持学概论
[14])及发生原因,以评估各类梯田的侵蚀情况。根据流域面积在流域内均匀选取10~20处坡耕地进行细沟侵蚀调查,从“qsdk.shp”数据中筛选面积较大的坡耕地(前75%),随机选取3~5块作为样本。在每个样本中划出10 m宽的样带(有浅沟时按实际宽度),沿坡面设置5~7条测量断面。野外测量时用3把卷尺定位,记录每条细沟的长、宽、深。遇到坡度变化处单独设置测量样带。并计算细沟侵蚀量,用于流域梯田保土量计算。
2.2 计算方法
本调查采用多源数据融合技术体系量化土壤侵蚀与梯田损毁程度。
式中:M代表土壤侵蚀量(t); V代表侵蚀土方量(m³),通过实地测量获取; γ为土壤容重(g/cm³),采用环刀法采集原状土样实验室测定。
单位面积侵蚀量Md 采用容积法进行测量:
式中:Md代表单位面积侵蚀量(t/km2); M代表土壤侵蚀量(t); S代表实际调查梯田面积(km2),通过GIS解译获得。
保土效益通过情景分析方法进行评价(一般细沟侵蚀量占坡耕地侵蚀量的70%)
[16]梯田总保土量:
式中:T代表流域梯田总保土量(t); A代表坡耕地侵蚀量(t); MT 代表流域梯田侵蚀量(t)。
梯田单位面积保土量:
式中:Td代表单位面积保土量(t/km2); Sz代表流域梯田总面积(km2)。
以上数据源采用ArcGIS空间叠加分析确保计算单元一致性。平行实验测土壤容重(RSD<5%)确保数据可靠性,坐标系(CGCS2000_3_Degree_GK_CM_105E)统一化确保侵蚀位点精确性,对梯田的工程措施、侵蚀过程和空间位置3个方面及其相互关系进行量化系统评估。
按照中华人民共和国水利部批准《土壤侵蚀分类分级标准(SL 190—2007)》为参考,对本次调查涉及的流域进行土壤侵蚀分级
[17],具体分级标准详见
表2。
3 结果与分析
3.1 土壤侵蚀类型特征
调查共发现崩塌、冲沟、切沟、陷穴、滑坡、泻溜及落水洞7种土壤侵蚀类型,且存在同一片梯田中出现多种侵蚀类型的现象。调查发现,梯田侵蚀以冲沟、崩塌、切沟为主(
表3),所占比例分别为57.2%(5.53×10
4 t),21.7%(1.09×10
4 t),10.8%(743.85 t)。通过对流域内农户的走访调查,发现暴雨发生前,农田中无明显侵蚀状况或仅存在微量细沟侵蚀,但暴雨发生后,各流域农田中均出现不同程度的细沟侵蚀,严重的已发展成冲沟、崩塌侵蚀。其中冲沟侵蚀主要分布于燕寨科、照明及里沟流域;崩塌侵蚀主要发生于朱庄河、照明流域;切沟侵蚀主要发生在燕寨科、朱庄河、水井沟流域。
调查显示(
图2),冲沟侵蚀在多数流域中(如唐家河下游流域:侵蚀量比例为80.55%,数量比例为71.68%;里沟流域的侵蚀量比例为66.67%,数量比例为52.78%)侵蚀量比例高于数量比例。但水井沟流域冲沟数量比例达95.68%,侵蚀量比例仅50.00%,说明该流域单个冲沟侵蚀强度较其他流域偏低。相比之下,崩塌侵蚀对朱庄河流域梯田侵蚀量的贡献占据主导地位,其侵蚀量比例(64.29%)与数量比例(74.82%)均远高于其他侵蚀类型。燕寨科流域的落水洞侵蚀(数量比例为39.3%,侵蚀量比例仅为14.29%),照明流域的陷穴侵蚀(数量比例为42.69%,侵蚀量比例仅为2.78%)和里沟流域的滑坡侵蚀(数量比例为39.65%,侵蚀量比例仅为11.11%),均表现出“高发生频率,低侵蚀量”的特征。中坪流域的泻溜侵蚀,其侵蚀量比例(2.5%)远超其侵蚀数量比例(0.06%)。
3.2 土壤侵蚀位置特征
基于实地调查与RTK空间定位影像,标记每个侵蚀所在位点,并对梯田各部分侵蚀数量进行统计(
图3)。唐家河下游流域发生的侵蚀数量最多(72处),水井沟流域发生的侵蚀数量最少(4处)。各流域梯田侵蚀主要集中在整座坡面的下部梯田群,侵蚀量呈:下部梯田群>上部梯田群>中部梯田群的分布趋势。实地调研发现,梯田上部梯田群以切沟溯源侵蚀伴随基部掏蚀为主(即冲沟、落水洞侵蚀),下部梯田群则表现为渗透软化和表层剥蚀为主(即冲沟、崩塌、滑坡侵蚀)。此外,唐家河下游流域28号耕地的中下部梯田条带间出现了连级侵蚀现象。上层梯田水流突破田埂后,地表水流逐级递增,致使下游梯田侵蚀量增加,发生连续冲沟侵蚀,最终形成贯穿坡面的连续侵蚀沟。
3.3 不同类型梯田侵蚀特征
本次共调查梯田1 485块(老式梯田975块,新式梯田475块,坡式35块)其中发生侵蚀梯田224块(老式梯田145块,新式梯田76块,坡式3块),侵蚀总量为8 074.02 t。表4—5显示,老式梯田侵蚀最为严重,单位面积侵蚀量达5 347.79 t/km²,总侵蚀量达5 865.93 t,其中发生于土质田坎的侵蚀量占老式梯田总侵蚀量的99%。老式梯田结构老化,排水系统缺失。土质田坎透水性差,易发生崩塌侵蚀,造成田坎垮塌。新式梯田总侵蚀量为1.99×103 t,单位面积侵蚀量仍达3.84×103 t/km2。调查中发现的新式梯田有复式埂坎式和削坡式两类,其中发生在复式埂坎式梯田的侵蚀量占新式梯田侵蚀总量的94%。复式埂坎式梯田侵蚀主要发生于埂坎交界处,侵蚀类型以冲沟、崩塌侵蚀为主。削坡式梯田侵蚀主要发生于田坎下部,侵蚀类型以切沟、落水洞为主。坡式梯田呈现“总量低,强度高”的现象,其总侵蚀量仅222.09 t,单位面积侵蚀量却高达4.65×103 t/km2(接近老式梯田),反映陡坡区(>25°)开发的水土失控隐患。
3.4 不同流域侵蚀特征
调查发现(表6),水井沟(3.49×104 t/km2)、水洞沟(1.11×104 t/km2)流域坡耕地侵蚀较严重,其侵蚀类型以细沟侵蚀为主。不同区县单位面积侵蚀量为41.41~7 080 t/km2。同心、彭阳、隆德等7个县区属微度侵蚀水平(<1 000 t/km2),侵蚀程度较弱。泾源县(照明流域)侵蚀程度最强,单位面积侵蚀量7 080 t/km2,属强烈侵蚀,水洞沟流域单位面积侵蚀量达3 150 t/km2,属中度侵蚀。不同县区梯田保土效果不同,隆德县朱庄河流域保土效果较差,仅为861.46 t/km2,同心县水井沟流域的保土效果最好3.48×104 t/km2,是照明流域的27.6倍。
表6 调查流域坡耕地单位面积侵蚀量、梯田
单位面积侵蚀量及保土量对比
Table 6 Comparison of erosion per unit area of
slope farmland, erosion per unit area of
terraces and soil conservation amount at
survey watersheds 单位:t/km2
4 讨 论
梯田建设是减少流域土壤侵蚀量的有效措施,梯田侵蚀的影响因素有多个方面。有研究
[3]表明,梯田控制水土流失的有效性与梯田结构(梯田田埂质量、田坎高度及坡度)、土地利用类型、土壤质地和地形梯度、降雨强度、植被种类和覆盖度等诸多因素密切相关。
4.1 降雨因素对梯田侵蚀的影响
降雨作为影响梯田蓄水保土效益的关键自然因素,尤其以暴雨和大暴雨对梯田结构的破坏作用最为显著
[18]。从降雨分布与侵蚀状况来看,照明流域所在的泾源县年降水量为511.4 mm,属调查区内年降雨量最高的区域,持续性强降雨易诱发壤中流,造成表土松散,从而加剧土坎梯田的侵蚀程度。结合短时强降雨事件分析,灵武市水洞沟流域曾在4小时内降雨209.4 mm(据任家庄气象站,8月24日22:00至8月25日2:00),为监测中短时雨量最大的流域,其单位面积侵蚀量高达3.15×10³ t/km²。盐池浅井沟主沟流域于8月8日发生雨强达66.8 mm/h的短时暴雨,成为单小时降雨强度最大的区域,其单位面积侵蚀量也达629.51 t/km²。已有研究
[19]表明,暴雨强度与梯田侵蚀量之间存在显著正相关关系,短时强降雨尤其容易引发田埂冲决和表土剥蚀。旷兰等
[20]提出的短时雨强>0.5 mm/min(30 min雨量大于15 mm)是梯田冲决的临界气象指标的观点,进一步支持了二者的关联性。
调查显示,冲沟侵蚀在7类侵蚀中发生频率与侵蚀量均居首位。强降雨作用下,细沟侵蚀不断演进,部分沟壁发生局部滑塌与崩解,推动细沟规模扩大并逐步发育为冲沟,从而导致冲沟侵蚀频发。随着雨滴击溅作用增强,径流在沟道内汇集,沟床加深、加宽,致使侵蚀量显著增大。相比之下,陷穴侵蚀虽发生频率较低,但单次侵蚀量高,呈现“低频高量”特征。陷穴侵蚀是黄土地区特有的一种侵蚀现象,其形成机制与黄土结构的不均匀性密切相关:地表水沿裂隙或孔隙下渗,对下层土体进行潜蚀掏空,最终引发表层塌陷形成陷穴。随降雨强度增加,潜蚀作用增强,陷穴规模与深度进一步扩展,侵蚀愈发严重
[21]。
4.2 人为因素对梯田侵蚀的影响
在黄土高原陡坡地带修筑宽幅梯田,需配套更宽道路与更高田坎,这降低了边坡稳定性与阶梯结构抗蚀能力,也提高了崩塌灾害的风险
[22]。不合理的田坎设计在暴雨中易引发连续边坡侵蚀与田坎侵蚀,且梯田近路侧常见局部洼陷,导致径流异常汇集,加剧边坡冲刷与田坎崩塌。降雨还可能诱发边坡垮塌,改变汇流路径,使水流导向路面。道路作为输沙通道,将上方梯田的径流和泥沙输送至下方,促成连续边坡侵蚀
[23]。唐家河下游流域出现田坎连续侵蚀现象。观察其径流痕迹发现,径流溢至田坎时,发生强烈冲刷,田坎出现贯通上下田面的侵蚀沟
[24]。在两种新式高标准梯田中,复式埂坎式梯田(由缓坡与垂直坡复合构成田坎)发生侵蚀较多,其径流于缓坡坎汇集并冲刷坎体,尤其在缓坡与垂直坎交界处受集中水流冲击,易引发冲沟和崩塌侵蚀。而削坡式梯田(采用田埂叠加垂直田坎结构)则在田面径流冲毁田埂后,在田坎下部汇流,进而形成落水洞等侵蚀。实地调查表明,照明流域存在大量不合理滴灌铺设(
图4),导致该区域侵蚀严重,在暴雨条件下加剧侵蚀发生。同时该区种植盆栽崧蓝会降低土壤蓄水能力,暴雨冲刷致使滴灌带暴露损坏,加重侵蚀。此外,尽管玉米地覆膜具有抗侵蚀性,但阻止了径流下渗
[25],在强降雨条件下,膜面汇流增加地表径流,造成梯田侵蚀加剧。
4.3 其他因素对梯田侵蚀的影响
地势条件是影响梯田侵蚀发生位置的关键因素。坡度增大直接强化了径流剪切力,导致侵蚀量显著增加
[26]。在不同类型梯田中,侵蚀分布存在差异。调查发现,水洞沟与燕寨科流域的坡式梯田以上部梯田群侵蚀量比例明显高于下部梯田群(
图3)。研究
[27]表明,顺坡方向上总侵蚀速率总体呈波动下降趋势。新修机修梯田(如浅井沟主沟和里沟流域)因田埂结构松散,易在雨水汇集处发生局部侵蚀,整体风险较高
[10]。其上部梯田群更易发生冲沟侵蚀,细颗粒在持续降雨中向下迁移,导致底部梯田群流失量常低于顶部
[28]。但也有研究指出,因下部汇水累积效应更强,整座梯田自上至下的侵蚀量可能呈递增趋势
[29],朱庄河、中坪和照明流域即符合该规律(
图3)。而唐家河下游与水井沟流域中下部梯田群侵蚀更严重(
图3),可能与整座梯田上部和下部的相对高差和汇水面积有关
[30]。暴雨条件下,上部梯田群因汇水面积较小,难以形成集中股流;而中下部梯田易发育细沟,这些细沟沿坡面延长,并通过合并与分叉作用不断拓宽和向深层发育,因此侵蚀主要集中于中下部梯田群
[31]。土壤质地是影响梯田抗侵蚀能力的另一重要因子。老式梯田长期耕作导致有机碳减少、团聚体稳定性降低、容重上升
[32],抗蚀性下降,下渗减少、径流和剪切力增大,从而更易发生冲沟侵蚀
[10]。新修梯田则因机械翻动导致土体疏松、容重低、压实差,强降雨时易发生内部侵蚀(如落水洞和陷穴)或地表冲刷。土壤含水率也是重要因子之一。较高含水率有利于干湿交替后结构快速恢复,缩短侵蚀响应时间。水洞沟流域平均含水率仅4.64%,为调查区最低,土壤团聚体易遭破坏且恢复缓慢,导致干湿交替过程中发生侵蚀
[9]。
4.4 梯田侵蚀的防控
调查发现,缓坡石坎抗蚀性优于陡坡土坎。因此,梯田建设中应依据坡度合理选择田坎类型,陡坡区宜采用石砌或混凝土等坚固结构,并配合回填土夯实与坡面植草,以兼顾经济性与抗蚀能力。针对田埂基部易被冲刷的问题,建议加宽加高埂体、加强夯实,关键部位以石料镶边,埂顶设计为向内微反坡,并全面植草固土。同时应强化排水沟衔接处,及时修补裂缝,确保水流经反坡田面或内倾排水沟均匀分散,避免集中冲刷。综合分析表明,整座坡面的下部梯田群侵蚀较为严重,主要是整座梯田缺乏有效的水沙调控措施,导致径流向下汇集能量增强。故应以综合治理为原则,在整座坡面上部修建截水沟(缓冲径流的作用)
[10]中部设置反坡田面(内倾3°~5°可减少71%的径流
[9])下部建设分级排水与导流槽系统,实现径流逐级消能,从而减轻下部侵蚀
[33]。同时,滴灌技术具备节水减蚀能力,但不合理铺设会加剧局部侵蚀。建议将滴灌管埋设至25 cm深度并进行锚固,以防暴雨冲刷导致裸露
[34]。
5 结 论
宁夏典型暴雨调查流域中,照明流域梯田侵蚀最为严重(7 080 t/km²),其次为水洞沟流域(3 150 t/km2),水井沟流域侵蚀最轻。老式农耕梯田侵蚀量较高(5.35×104 t/km²);而新式梯田侵蚀相对较轻(3.84×104 t/km²),新式梯田中,复式埂坎式梯田因结构缺陷抗蚀能力相对较差。在7种侵蚀类型中,冲沟侵蚀量最大(5.55×104 t),为崩塌侵蚀的5.09倍。在空间分布上,下部梯田群侵蚀频率最高,且多发于田坎、坎边坡及田埂等关键部位。
梯田侵蚀主要受降雨、人为及其他3类因素影响。高雨量与短时强降雨易诱发沟蚀;不合理的田坎设计在暴雨下常引发连续边坡及田坎侵蚀;覆膜玉米地因径流汇集加剧田面冲刷。地势条件直接影响侵蚀集中发生的区位,土壤容重过高会增强径流,引发冲沟与崩塌;新修梯田因回填土容重低,未经压实,易同时发生冲沟侵蚀和陷穴、落水洞等内部侵蚀。梯田侵蚀防控需统筹结构设计、植被保护、排水系统与长效管护措施,系统提升整体抗蚀能力。
宁夏重点研发计划项目(引才专项)“黄土高原水沙连通性对生态建设响应及碳输移影响研究:以西吉县聂家河小流域为例”(2024BEH04060)