甘肅中北部黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持主要措施效應研究——以蘭州市孫家岔流域為例

景凌云，費喜亮，張新民，孫浩峰，吳玉鋒，劉 敏，金 毅

(1.甘肅省水土保持科學研究所，甘肅蘭州 730020;2.蘭州大學資源環(huán)境學院，甘肅蘭州 730000)

甘肅中北部黃土丘陵溝壑區(qū)是黃土高原黃土丘陵溝壑區(qū)第五副區(qū)的一部分，該區(qū)水土流失嚴重、自然條件嚴酷，水土流失給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展帶來了嚴重的危害，如農(nóng)坡地土壤層變薄、溝道水利和水土保持工程使用年限降低或壽命縮短等。

水土流失的形成過程比較復雜，影響因素眾多，盡管國內(nèi)外不少學者研究了在自然降雨以及不同下墊面等綜合因素下形成地表徑流和土壤侵蝕的規(guī)律［1］，但這多是基于其他地區(qū)的實測數(shù)據(jù)或者是模擬實驗，且大多具有理論性強的特點。對于本地區(qū)而言，雖然有各種不同的水土流失治理措施，但對適合本地的主要水土保持措施效應的系統(tǒng)性研究并不多見。本文以孫家岔流域為例，研究收集已完成的“黃河中游水土保持小流域綜合治理試驗示范——榆中縣孫家岔鑒定驗收資料匯編”項目1979—1986年的不同土地利用類型土壤水分觀測資料、梯田和溝臺地的不同作物產(chǎn)量資料、水土保持林地的土壤水分資料，并于2011年7—10月加測了不同土地利用類型的土壤水分。根據(jù)試驗設計要求用土鉆取出不同深度的土壤樣品，最大取土深度為200 cm，烘干法測定土壤水分。土壤水分監(jiān)測點中，同一土地利用類型每次隨機取9～11個土壤剖面，每隔10天取樣一次，對不同土地利用方式的樣品每天盡量一次取完，每個樣2～3次重復。統(tǒng)計分析2010、2011年梯田和溝臺地不同農(nóng)作物的產(chǎn)量數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

甘肅中北部黃土丘陵溝壑區(qū)屬干旱、半干旱地區(qū)，地貌類型屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)第五副區(qū)。立地條件差，海拔2 000 m以上的土地占90%以上，溝道比降一般在2.5% ～7.1%之間，耕地集中分布在各中、小流域上游梁峁、緩坡，下游幾乎都是天然牧荒地。根據(jù)對孫家岔流域的現(xiàn)狀調(diào)查，按地貌類型分類，5°以下較平坦梁峁地占11.0%，5°～15°緩坡地占26.0%，15°～25°坡耕地占30.0%，25°以上的陡坡地占21.3%;溝壑密度為 1.88 km/km2［2］。

根據(jù)多年實測資料，研究區(qū)內(nèi)年降水量233～515.3 mm，多年平均降水量為300 mm左右，且年際變化大，6—9月降水量占全年降水量的70%以上［3］。孫家岔流域內(nèi)荒坡植被蓋度在15% ～45%之間，常見的植物有長芒草、短花針茅、冷蒿、早熟禾、鐵桿蒿、百里香以及甘蒙錦雞兒、藏錦雞兒等;流域內(nèi)無天然林，主要造林樹種有榆樹、杏樹、河北楊、旱柳、檸條、沙棘等;種草多采用紫花苜蓿、沙打旺、草木樨等。

2 研究區(qū)內(nèi)主要水土保持措施

孫家岔小流域的水土保持措施布局有下述特點:一是在梁峁頂沿等高線營造有以灌木為主的防護林，或窄帶梯田(寬1.5～4 m)，林帶多采用灌草行間混交，灌木為檸條、沙棘、檉柳、杞柳，草種有沙打旺、草木樨。二是在梁峁頂以下、農(nóng)坡地以上陡坡地段的荒坡種植有防護林，且多實行灌喬株間混交，灌木有檉柳、檸條、毛條、沙棘，喬木有楊樹、白榆和山杏;隔坡帶多為人工草地。三是梯田和隔坡梯田主要建設在溝邊線以上，25°以下較緩的坡面與灘地均修建連臺梯田和隔坡梯田，并營造地埂防護林。四是村莊多位于梁坡中部和基部，水土流失防治措施主要是聚流林業(yè)和蓄水工程。五是對支溝以上溝道主要采取植物措施與工程措施相結(jié)合的方法進行治理，主溝道建設淤地壩，支毛溝底布設土谷坊群，以此攔截徑流泥沙淤墊河道，提高土地利用率，溝坡兩側(cè)坡面整地營造防護林［4］。

3 結(jié)果與討論

3.1 措施效應分析

3.1.1 梯田和溝臺地效應

梯田主要分布在梁峁頂和比較平緩的坡面(大多小于15°)，溝臺地則主要分布在比較寬闊的溝谷地帶。相對于坡耕地，梯田和溝臺地的效應主要表現(xiàn)在農(nóng)作物的增產(chǎn)及對水土流失的控制效應上，這主要是通過貯存其本地的降雨和攔截其上部區(qū)域的降雨徑流來實現(xiàn)的。

(1)梯田和溝臺地的增產(chǎn)效應。表1是不同農(nóng)業(yè)用地產(chǎn)量測算結(jié)果。

表1 不同農(nóng)業(yè)用地產(chǎn)量測算結(jié)果 kg/hm2

由表1可看出，在枯水年，溝臺地和梯田種小麥分別比坡耕地增產(chǎn)67%和50%，種玉米分別比坡耕地增產(chǎn)90%和60%，種土豆分別比坡耕地增產(chǎn)77%和54%;在平水年，溝臺地和梯田種小麥分別比坡耕地增產(chǎn)63%和50%，種玉米分別比坡耕地增產(chǎn)57%和64%，種土豆分別比坡耕地增產(chǎn)173%和127%;在豐水年，溝臺地和梯田種小麥分別比坡耕地增產(chǎn)45%和14%，種玉米分別比坡耕地增產(chǎn)67%和47%，種土豆分別比坡耕地增產(chǎn)79%和29%。因此，依年景不同，溝臺地與坡耕地相比較，小麥、玉米、土豆增產(chǎn)幅度分別在45% ～67%、57% ～90%、77% ～173%之間;梯田與坡耕地相比較，小麥、玉米、土豆增產(chǎn)幅度分別在14% ～50%、47% ～64%、29% ～127%之間。

(2)梯田和溝臺地改善土壤水分效應。不同年份7月份降雨量、蒸發(fā)量及土壤水分含量見表2。

由表2可知，在1981—1984年、2011年測取的5年數(shù)據(jù)里，梯田的土壤含水量明顯高于農(nóng)坡地、荒坡地、林地，其平均含水量分別高出農(nóng)、荒、林地2.23、3.85和2.74百分點。這是因為梯田幾乎貯存了本地全部的自然降水，也攔截了其上部或上游區(qū)域的降雨徑流。

表2 不同年度7月份降雨量、蒸發(fā)量及土壤(0—180 cm)水分含量

3.1.2 隔坡梯田效應

孫家岔流域有部分隔坡梯田。根據(jù)甘肅省水保所試驗研究，隔坡梯田的增產(chǎn)效應大于連臺梯田而小于溝臺地。通過對孫家岔流域內(nèi)隔坡梯田的分析，在該類型區(qū)一般年份，如果修筑質(zhì)量得到保證，隔坡梯田除了能夠貯存本地幾乎全部降水外，還可以安全攔截相同降雨條件下1～2倍于其本身面積的降雨徑流。實踐證明，隔坡梯田是干旱山區(qū)，特別是地廣人稀山區(qū)一項攔蓄、利用徑流，加快水土流失治理的重要措施。在地廣人稀，水土流失治理任務重、難度大的干旱半干旱地區(qū)，應該盡可能修筑隔坡比小于2的隔坡梯田［5］。修筑隔坡梯田一是可以盡可能小的工程代價和勞動量，最大程度地控制水土流失，二是在遇枯水年時能使無效水盡可能變?yōu)橛行?，以提高梯田生產(chǎn)的保證率。

3.1.3 水土保持林效應

研究區(qū)水土保持喬木林主要分布于路、渠、田、村等處，流域內(nèi)個別地方有成片的喬木林但生長發(fā)育不良。喬木林在梁頂坡面部位的生長緩慢，但溝底及部分道路旁栽植的生長較快。

(1)水保林有利于改善土壤水分。林地的土壤含水率明顯高于荒坡地土壤，按1981—1984年、2011年的5年平均數(shù)計算，林地的土壤含水率高出荒坡地土壤1.109百分點。與荒坡地表土壤相比較，人工林地表土壤在60和90 min兩個時段內(nèi)在靜水條件下的地表滲水量都大于荒坡，可見人工林能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增強土壤滲透性。而在人工林地中，沙棘和檸條林地表土壤在相等時段內(nèi)的滲水量明顯大于喬木林地，如沙棘和檸條林地表土壤在60 min時段內(nèi)，土壤滲水量分別比楊樹林地高出42.0%和27.3%，分別比油松林地高出81.3%和62.7%。

(2)喬木林、灌木林耗水比較分析。根據(jù)對孫家岔流域的實地觀測，在20年生的沙棘和檸條林地，通常有一層1 cm左右厚度的枯枝落葉，可以有效攔蓄降水。顯然沙棘和檸條林地表土壤及枯枝落葉的這種滲水、貯水特征相對于楊樹等喬木林地，更加有利于水土保持，實測不同植被0—40 cm土壤含水率同樣可以說明這個問題(表3)。

表3 不同植被40 cm土層內(nèi)土壤水分狀況

據(jù)甘肅水保所試驗分析，甘蒙檉柳的耗水系數(shù)為472，酸刺為893，白楊為3 731，而就生長量而言，甘蒙檉柳相當于白楊的4.6倍，相當于酸刺的1.8倍，表現(xiàn)為灌木比喬木耗水系數(shù)小、生長量高、耐旱。又因為灌木林能夠增強地表土壤滲透性、改善土壤水分條件，因此在本區(qū)荒坡的水土保持治理中，應該推廣選用沙棘、檸條、檉柳、紅柳等水土保持樹種。

3.2 結(jié)論

(1)依年內(nèi)降水量不同，梯田與坡耕地相比較，小麥、玉米、土豆增產(chǎn)幅度分別在14% ～50%、47% ～64%、29% ～127%之間，溝臺地與坡耕地相比較，小麥、玉米、土豆增產(chǎn)幅度分別在45% ～67%、57% ～90%、77% ～173%之間，梯田和溝臺地經(jīng)濟效益顯著。梯田和溝臺地首先貯存了本地幾乎全部的自然降水，其次也攔截了其上部的降雨徑流，一方面防止了水土流失的發(fā)生與發(fā)展，另一方面也改善了本地的土壤水分條件而將有利于土壤肥力和結(jié)構(gòu)的改善，這是梯田使農(nóng)作物增產(chǎn)的根本原因。

(2)在所有年份，梯田的土壤含水量均高于農(nóng)坡地、荒坡地和造林地土壤，前者平均含水量分別高出后三類地土壤2.23、3.85和2.74百分點。

(3)沙棘和檸條林地表土壤在60 min時段內(nèi)，土壤滲水量分別比楊樹林地高出42.0%和27.3%，分別比油松林地高出81.3%和62.7%。沙棘和檸條林地表土壤及枯枝落葉的滲水、貯水特征使得它比楊樹等喬木林地更有利于水土保持，所以在同類型區(qū)的水土保持治理中，應該更加重視發(fā)展沙棘和檸條等灌木林。

［1］程冬兵，左長青，蔡崇法.不同下墊面每次降雨水土流失特征及影響因素分析［J］.草業(yè)學報，2007(5):84-89.

［2］邢貴，張新民，費喜亮，等.孫家岔流域坡面不同土地利用的土壤水分變化分析［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2012，30(2):225-229.

［3］費喜亮，景凌云，孫棟元.半干旱黃土區(qū)不同土地利用土壤容水量與滲水率的試驗研究［J］.水土保持通報，2011(6):64-68.

［4］趙萬春，費喜亮，陳學民，等.降雨條件下地形因素對坡面水土流失作用的影響［J］.蘭州交通大學學報，2012(5):50-52.

［5］何有華，景凌云，張曉虹，等.劉家峽庫區(qū)生態(tài)承載力研究［J］.草業(yè)科學，2011(12):2119-2122.