隴東黃土高塬溝壑區(qū)坡面徑流調(diào)控造林效益研究

王志雄，段景峰，郜文旺(黃河水利委員會 西峰水土保持科學試驗站，甘肅 西峰 745000)

隴東黃土高塬溝壑區(qū)坡面徑流調(diào)控造林效益研究

王志雄，段景峰，郜文旺
(黃河水利委員會 西峰水土保持科學試驗站，甘肅 西峰 745000)

水平階；魚鱗坑；徑流調(diào)控；土壤水分；樹木生長量；坡面；高塬溝壑區(qū)

以典型小流域坡面徑流調(diào)控工程為研究對象，通過觀測分析水平階整地造林、魚鱗坑整地造林與對照不整地造林的土壤水分、養(yǎng)分與樹木生長量等，對徑流調(diào)控工程的抗旱性能及其生產(chǎn)效益進行了研究。結果表明，坡面20～80 cm土層的土壤含水率水平階>魚鱗坑>對照；20～40 cm土層土壤養(yǎng)分含量總體上為水平階>魚鱗坑>對照，土壤容重水平階<魚鱗坑<對照；水平階整地的造林保存率和樹木年生長量均高于魚鱗坑整地；整地投入水平階>魚鱗坑>對照。綜合考慮，在黃土高塬溝壑區(qū)條件比較好、比較完整的坡面應采用水平階整地，在條件一般的坡面及陡坡地可采用魚鱗坑整地，以提高造林成活率和保存率，有效發(fā)揮水土保持生態(tài)服務功能和作用。

干旱缺水與水土流失并存是制約黃土高塬溝壑區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的主要限制因子[1],降雨徑流既是該區(qū)產(chǎn)生水土流失的動力，又是緩解干旱缺水的重要水源。該區(qū)林草生長所需水分主要靠雨水徑流的補給，水平階、魚鱗坑等徑流調(diào)控工程通過改變坡面微地形，實現(xiàn)了坡面徑流的分段橫向攔截，起到了良好的攔泥蓄水作用[2]，對植被恢復和生態(tài)系統(tǒng)服務功能的改善發(fā)揮著極為重要的作用。

本研究以隴東黃土高塬溝壑區(qū)典型小流域已造林6年以上的坡面徑流調(diào)控工程為研究對象，通過對2013—2014年不同降水條件下徑流調(diào)控工程土壤水分、土壤理化性質(zhì)變化及樹木生長量等的監(jiān)測，總結坡面徑流調(diào)控工程對土壤水分改善的實際效果，分析其對樹木生長的影響程度，以期為黃土高塬溝壑區(qū)坡面徑流調(diào)控工程建設提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗地概況

試驗地設在黃土高塬溝壑區(qū)具有典型性和代表性的南小河溝小流域和崆峒溝小流域內(nèi)。試驗點為半干旱氣候，年均氣溫為8.5 ℃，年均降水量約560 mm，年內(nèi)降水分布不均，7—9月降水量占全年降水量的60%～70%，年均蒸發(fā)量1 527 mm，無霜期180 d。坡面土壤為黃綿土，土質(zhì)為輕質(zhì)壤土，土壤養(yǎng)分含量低、肥力低下。

2 試驗布設

南小河溝試驗點為2004年造林，采用2年生側(cè)柏苗，在陽坡采用水平階、魚鱗坑及不整地造林(對照)3種處理；崆峒溝試驗點為2007年造林，陽坡、陰坡均采用水平階和魚鱗坑2種整地處理，樹種陽坡為側(cè)柏、陰坡為油松，均采用2年生苗。水平階寬1.0 m、深30 cm，階內(nèi)有攔水埂；魚鱗坑長徑0.8 m，短徑0.6 m，深0.4 m，弧形攔水埂。油松、側(cè)柏株行距均為2 m×4 m，每個處理設5個重復。

土壤水分于2013、2014年的3月至10月每月中旬測定一次，取土深度分別為20、40、60、80 cm，用烘干法處理。土壤理化性質(zhì)于2013年9月測定，以環(huán)刀法測定土壤容重，重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質(zhì)，堿解擴散法測定水解性氮，乙酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀，NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定有效磷。在2013年3月樹木生長萌動前和2014年12月樹木生長停止后，分別調(diào)查崆峒溝試驗點陽坡和陰坡造林保存率，觀測統(tǒng)計各處理的樹高和地徑(由于試驗開始于2013年，因此以2013年3月樹木生長萌動前的觀測結果代替2012年12月樹木停止生長后的情況)。在試驗期間記載日降水量大于5 mm的降水，并收集其他氣象資料。

試驗地水平階、魚鱗坑無水毀現(xiàn)象，但有魚鱗坑蓄水容積基本用完現(xiàn)象。

3 試驗期間降水情況

試驗地2012年降水量為509.0 mm，有效降水量為429.5 mm，接近平水年水平；2013年降水量為628.5 mm，有效降水量為545.7 mm，比年均降水量高60多mm，接近偏豐水年水平；2014年降水量為510.9 mm，有效降水量為434.8 mm，屬于平水年份。這種正常的年際降水量為試驗研究的順利開展提供了良好的條件。各年逐月降水量見圖1。

圖1 2012—2014年試驗區(qū)逐月降水量分析

從年內(nèi)降水特點分析，2012年第四季度無有效降水，土壤含水率相對較低，影響次年樹木萌芽時的水分需要；2013年7、8、9三個月降水量為403.6 mm，有效降水量363.2 mm，分別占年降水量和年有效降水量的64.2%和66.6%；2014年7、8、9三個月降水量為294.3 mm，有效降水量268.4 mm，分別占年降水量和年有效降水量的57.6%和61.7%。這種季節(jié)性降水特點與樹木生長需要持續(xù)的水分供應之間的矛盾，為徑流調(diào)控抗旱研究提供了客觀需求。

4 結果與分析

4.1 不同整地方式對土壤含水率的影響

從各整地處理的土壤含水率(圖2—7)分析，水平階整地方式土壤含水率最高，按土壤含水率大小排序為：水平階>魚鱗坑>對照。2013年，南小河溝試驗點陽坡水平階土壤含水率平均為15.16%、魚鱗坑平均為13.95%、對照平均為12.90%；崆峒溝試驗點陽坡水平階土壤含水率平均為14.26%、魚鱗坑平均為13.35%，陰坡水平階土壤含水率平均為15.77%、魚鱗坑平均為14.89%。2014年，南小河溝試驗點陽坡水平階土壤含水率平均為14.27%、魚鱗坑平均為13.25%、對照平均為12.46%；崆峒溝試驗點陽坡水平階土壤含水率平均為12.98%、魚鱗坑平均為11.83%，陰坡水平階土壤含水率平均為14.63%、魚鱗坑平均為13.61%。

圖2 南小河溝試驗點2013年陽坡土壤含水率分析

圖3 南小河溝試驗點2014年陽坡土壤含水率分析

圖4 崆峒溝試驗點2013年陽坡土壤含水率分析

圖5 崆峒溝試驗點2014年陽坡土壤含水率分析

圖6 崆峒溝試驗點2013年陰坡土壤含水率分析

圖7 崆峒溝試驗點2014年陰坡土壤含水率分析

由觀測結果可知：2013年南小河溝試驗點陽坡土壤含水率水平階整地比魚鱗坑整地提高8.70%、比對照提高17.51%，魚鱗坑整地比對照提高8.11%；崆峒溝試驗點陽坡土壤含水率水平階整地比魚鱗坑整地提高6.67%，陰坡水平階整地比魚鱗坑整地提高5.89%。2014年南小河溝試驗點陽坡土壤含水率水平階整地比魚鱗坑整地提高7.67%、比對照提高14.46%，魚鱗坑整地比對照提高6.3%；崆峒溝試驗點陽坡土壤含水率水平階整地比魚鱗坑整地提高9.77%，陰坡水平階整地比魚鱗坑整地提高7.49%。

觀測結果表明，徑流調(diào)控工程具有較高的攔蓄徑流的能力，特別是在當月降水后，土壤含水率明顯高于對照；但在降水量比較少的月份，各處理土壤含水率相差不大。

不同整地方式能不同程度地提高土壤含水率，采用不同整地方式后側(cè)柏、油松根系周圍土壤含水率都有所增加。測定結果顯示，各處理0～80 cm土層以20～40 cm處土壤含水率最高，而這個土層深度正好是苗木根系集中分布層，因而有利于樹木的生長。但數(shù)據(jù)表明，在個別干旱月份，特別在陽坡面，20 cm深度土壤含水率低于40、60 cm深度處。

4.2 不同整地方式對土壤理化性質(zhì)的影響

整地不但可以有效地攔截自然降水，增強土壤的抗旱保墑能力，而且能疏松土壤，加厚活土層，改善土壤肥力狀況(表1)。經(jīng)過不同方式的整地，有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量均有不同程度增加，土壤養(yǎng)分含量總體上水平階>魚鱗坑>對照，土壤容重則是水平階<魚鱗坑<對照，這與水平階土壤含水率較高、林草生長狀況較好相一致。水平階養(yǎng)分含量較魚鱗坑和對照高，這主要是由于水平階攔蓄徑流和枯枝落葉的能力較強，加強了腐殖化作用的進行，使營養(yǎng)元素在表層富集。因此，在有條件的坡面，栽植樹苗時可考慮覆草，以起到保墑作用[3]，提高苗木成活率和生長量。

表1 不同處理措施對土壤理化性質(zhì)的影響(2013年9月)

4.3 不同整地方式對樹木生長量的影響

崆峒溝試驗點陽坡和陰坡造林保存率及樹木生長情況觀測結果見表2。在試驗期內(nèi)，陽坡水平階整地側(cè)柏年均地徑增加0.32 cm、年均樹高增長26.0 cm，魚鱗坑整地側(cè)柏年均地徑增加0.26 cm、年均樹高增長22.0 cm，水平階整地比魚鱗坑整地側(cè)柏地徑年均增長23.08%、樹高年均增長18.18%。陰坡水平階整地油松年均地徑增加0.54 cm、年均樹高增長38.0 cm，魚鱗坑整地油松年均地徑增加0.47 cm、年均樹高增長33.5 cm，水平階整地比魚鱗坑整地油松地徑年均增長14.89%、樹高年均增長13.43%。觀測結果表明，水平階整地的造林保存率和樹木年生長量均高于魚鱗坑整地；并且，因水平階土壤含水率高，故其樹下自然植被也得到改善，草叢密度、高度和覆蓋度均有所提高。

表2 崆峒溝各處理陽坡側(cè)柏、陰坡油松年生長量觀測結果

4.4 不同整地方式的投入

整地成本根據(jù)2014年市場價格計算。水平階整地成本為5 625元/hm2，魚鱗坑整地成本為2 875元/hm2，水平階整地比魚鱗坑整地成本高2 750元/hm2。各處理以水平階整地成本最高，其次為魚鱗坑，不整地處理無整地費用。根據(jù)土壤含水率、樹木生長量與整地投資對比結果，水平階整地處理效果最好，魚鱗坑整地處理效果次之，說明坡面造林整地投工量越大，工程標準越高，攔蓄效果越好，土壤含水率越高，樹木生長量也越大。從水土保持生態(tài)服務功能價值來看，水平階、魚鱗坑造林整地工程可以有效地攔蓄坡面雨水徑流，改善土壤入滲性能，增加土壤含水率，為土壤水分的貯存和保持創(chuàng)造了條件，因此土壤含水率比同坡向荒坡均有明顯增加[4]。水平階內(nèi)草類植被生長明顯好于對照不整地處理；魚鱗坑攔蓄坡面徑流面積較水平階小，攔蓄容積也有限，使用年限較水平階短；對照不整地無攔蓄效果。水平階能有效減少坡面水土流失和養(yǎng)分流失，可使徑流量和產(chǎn)沙量分別減少67.9%和79.5%，使坡耕地氮、磷流失總量分別減少53.47%和86.83%[5]。有研究表明，水平階相對10°坡耕地的減水、減沙效益分別達到74.55%和80.52%[6]。因此，在黃土高塬溝壑區(qū)條件比較好、比較完整的坡面，應大力推廣采用水平階造林整地，在較陡或支離破碎的坡面上可大面積采用魚鱗坑整地，以提高造林成活率和保存率。

5 結 論

隴東黃土高塬溝壑區(qū)造林，水分缺乏是突出的限制因子。通過徑流調(diào)控工程, 切斷了徑流在坡面和土壤中的流路，改變了降水在自然坡面的分配，攔蓄了坡面徑流，增加了降雨入滲。

造林成活率、保存率與苗木根系周圍土壤含水率的高低有明顯關系，二者呈正相關。水平階、魚鱗坑的攔蓄效果在一定范圍內(nèi)與降水量呈正相關關系，在雨水充分的年份效果明顯，在天氣持續(xù)干旱到一定程度時效果不明顯。

通過徑流調(diào)控工程，土壤含水率增加，土壤容重有所降低，土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量均有不同程度增加，造林的成活率、保存率提高，樹高、地徑等年生長量也明顯高于不整地，這說明徑流調(diào)控工程在一定程度上緩解了土壤水分缺乏的狀況，提高了樹木生長量。

通過樹木生長量及投資成本的分析，在隴東黃土高塬溝壑區(qū)坡面相對完整、立地條件較好的坡面采用水平階造林效果更好，在坡度較大、坡面不完整的坡面宜采用魚鱗坑造林。

[1] 吳普特,高建恩.黃土高原水土保持新論[M].鄭州:黃河水利出版社,2006:3.

[2] 吳淑芳,吳普特,宋維秀,等.坡面徑流調(diào)控措施下的水沙輸出過程及減流減沙效應研究[J].水利學報,2010,41(7):870-875.

[3] 王志雄,白文璦,李垚林.黃土高塬溝壑區(qū)油松、側(cè)柏抗旱造林技術研究[J].人民黃河,2006,28(8):84-85.

[4] 張志強,王禮先,洪惜英.晉西黃土區(qū)水土保持林造林整地工程效益的研究[J].北京林業(yè)大學學報,1993,15(2):59-67.

[5] 褚利平,王克勤,白文忠,等.水平階影響坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙及氮磷流失的試驗研究[J].水土保持學報,2010,24(4):1-6.

[6] 李苗苗,王克勤,陳志中,等.不同坡度下反坡水平階的蓄水減沙效益[J].水土保持研究,2011,18(6):100-104.

S157．2

A

1000-0941(2018)01-0058-04

王志雄(1975—)，男，甘肅慶陽市人，高級工程師，學士，主要從事水土保持生態(tài)建設與科學研究工作。

2017-11-10

(責任編輯 徐素霞)