董彥麗，張 富，楊彩紅，吳東平，李旭春，張佰林

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.定西市水土保持研究所，甘肅 定西743000）

土壤水是陸地生態(tài)系統(tǒng)中水體的重要組成部分，大氣降水是土壤水的主要來(lái)源。由于半干旱區(qū)降雨量少、蒸散量大，暴雨集中、水土流失嚴(yán)重，有限的土壤供水難以滿足人工林生長(zhǎng)需求，土壤出現(xiàn)“干化”現(xiàn)象，許多人工林因水分虧缺而衰敗，土壤供水能力成為半干旱區(qū)影響人工林生長(zhǎng)發(fā)育的最大限制因子［1－4］。近些年，針對(duì)梯田［5］、水平溝［6］和魚(yú)鱗坑［7］等單項(xiàng)整地措施的土壤水分及水土保持效應(yīng)研究較多，在綜合研究徑流調(diào)控工程方面，則主要集中在建設(shè)小流域徑流調(diào)控體系［8］，優(yōu)化設(shè)計(jì)和布局工程結(jié)構(gòu)［9］，社 會(huì) 經(jīng) 濟(jì) 效 益［10］及 提 高 降 水 資 源 利 用 率［11－12］等方面。

定西市安定區(qū)地處西北黃土高原半干旱丘陵地區(qū)，土層深厚，地下水埋藏較深，天然降水是土壤水的唯一來(lái)源，也是植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要限制因子。為解決該地區(qū)土壤供水不足問(wèn)題，安定區(qū)率先在退耕還林工程中采用以隔坡水平階為主體的微集水徑流調(diào)控工程，以降雨徑流的富集疊加利用為核心，從林草措施合理搭配、植物措施與徑流調(diào)控工程對(duì)位配置入手，通過(guò)攔蓄降水徑流，減少水土流失，提高土壤含水量，增加土壤水分供給，以達(dá)到或促進(jìn)徑流林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目的［8，13－15］。對(duì)安定區(qū)徑流調(diào)控工程實(shí)施初期的研究表明［9，13－15］，徑流聚集工程能夠有效改善土壤水分環(huán)境，提高造林成活率和林木生長(zhǎng)量，但在徑流調(diào)控工程實(shí)施的后續(xù)效果方面研究較少。安定區(qū)2008—2011年連續(xù)4a遇到頻率為75%以上的中等干旱災(zāi)害，本研究通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)查徑流調(diào)控工程隔坡水平階的攔泥蓄水、土壤增墑效果和林草植被生長(zhǎng)發(fā)育狀況，總結(jié)退耕還林工程微集水系統(tǒng)土壤水分調(diào)控的實(shí)際效果，了解連續(xù)干旱對(duì)土壤貯水量和植被生長(zhǎng)影響程度，以期為今后優(yōu)化徑流聚集工程設(shè)計(jì)及林草措施配置提供借鑒和參考。

1 研究區(qū)概況

安定區(qū)位于甘肅省中部，總面積3 638km2，海拔1 750～2 580m；年均氣溫6.3℃，極端最高氣溫30.5℃，極端最低氣溫－20.1℃，平均相對(duì)濕度64%，無(wú)霜期144d；多年平均降水量420mm，多集中在7—9月，占年降水量的60%～80%，年均蒸發(fā)量1 536mm。土壤類(lèi)型以黃綿土為主，多為粉質(zhì)壤土，土層深厚，土質(zhì)較松，適耕性強(qiáng)。

2 研究方法

（1）樣地選擇。選擇趙家鋪流域2001年實(shí)施完成的退耕還林（草）徑流調(diào)控工程隔坡水平階為研究區(qū)，以梯田（農(nóng)地）作為對(duì)照。隔坡水平階隔坡為產(chǎn)流區(qū)（種植紫花苜蓿），水平階（營(yíng)造側(cè)柏林）攔蓄隔坡徑流為蓄水區(qū)，樣地海拔2 032m，半陰坡中部；對(duì)照地梯田海拔1 996m，農(nóng)作物為馬鈴薯。

（2）徑流調(diào)控工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。工程按降水保證率75%（P≥75%）設(shè)計(jì)；工程攔蓄標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇最大24h暴雨徑流；設(shè)計(jì)聚流比按照《甘肅省小流域水土流失綜合防治工程建設(shè)技術(shù)規(guī)程》（DB62／T346－94）要求為：安全聚流比≥增產(chǎn)聚流比≥1；設(shè)計(jì)林木需水量為1.3～2.6m3／株；根據(jù)水土保持功能的不同，將單個(gè)水平階寬度（此處等于側(cè)柏林株距5m）與所對(duì)應(yīng)的隔坡長(zhǎng)度（此處等于側(cè)柏林行距6.5m）作為隔坡水平階的一個(gè)單元，一個(gè)隔坡水平階單元分為產(chǎn)流區(qū)和蓄水區(qū)2個(gè)區(qū)。產(chǎn)流區(qū)隔坡長(zhǎng)5m，寬5m，面積25m2；蓄水區(qū)水平階面寬1.5m，長(zhǎng)5m，面積7.5m2；每個(gè)單元控制面積32.50m2。

（3）徑流、泥沙觀測(cè)。觀測(cè)點(diǎn)位于安家溝徑流試驗(yàn)場(chǎng)，觀測(cè)小區(qū)面積5m×10m，坡度15°，農(nóng)坡草地，草種為紫花苜蓿，海拔2 010m，半陰坡中部。每次降雨產(chǎn)生徑流后，先量算徑流池內(nèi)水的總體積，計(jì)算徑流量；攪拌均勻后重復(fù)3次取水和泥沙的混合樣品，沉淀后取泥沙烘干，計(jì)算對(duì)應(yīng)的產(chǎn)沙量［16］。觀測(cè)時(shí)間為2002—2011年。

（4）林草植被調(diào)查。調(diào)查徑流調(diào)控工程不同工程部位（產(chǎn)流區(qū)、蓄水區(qū)）林草植被高度、胸徑、冠幅、生長(zhǎng)量和保存率等。用樹(shù)冠投影法測(cè)定林木郁閉度，用方格網(wǎng)法測(cè)定植物蓋度（樣方面積2m×2m）。調(diào)查時(shí)間為2011年8月16日。

（5）土壤容重及土壤水分測(cè)定。用環(huán)刀法測(cè)定0—100cm內(nèi)土壤容重，每10cm取樣1個(gè)，3次重復(fù)。采用烘干法測(cè)定0—200cm土層不同工程部位（產(chǎn)流區(qū)、蓄水區(qū)），0—60cm內(nèi)每10cm取樣1個(gè)，60—200cm內(nèi)每20cm取樣1個(gè)，3次重復(fù)。測(cè)定時(shí)間為2011年8月16日。

（6）蒸散量計(jì)算。試驗(yàn)區(qū)位于黃土高原，土層深厚，土壤水分循環(huán)不受地下水的影響，而且生長(zhǎng)季內(nèi)炎熱干旱的氣候使得氣態(tài)水的凝結(jié)量幾乎為0［12］，依據(jù)水量平衡原理，在無(wú)灌溉條件下，水量平衡方程為：

式中：E——貯水量（mm）；M——土壤含水量（%）；R——土壤容重（g／cm3）；H——土層深度（cm）。

式中：ΔW——某一時(shí)段內(nèi)土壤貯水量變化值（mm）；Et1——末期土壤貯水量（mm）；Et2——基期土壤貯水量（mm）。

式中：ET——蒸散量（mm）；P——降雨量（mm）；Q——降雨產(chǎn)生地表徑流量（mm）。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨量分析

降雨年際變化。2001—2011年研究區(qū)降雨量見(jiàn)圖1。按照《甘肅省小流域綜合治理工程技術(shù)管理規(guī)程（實(shí)行）》中對(duì)不同頻率年降水量（P%）的劃分標(biāo)準(zhǔn)，定西市豐水年（10%）、中等豐水年（25%）、中水年（50%）、中等干旱年（75%）、干旱年（90%）的降雨量標(biāo)準(zhǔn)分別為590，510，431，361，304mm。以此為據(jù)，2001—2011年屬于中等豐水年的只有2003年，屬于中水年的有3a（2005，2006和2007年），屬于中等干旱年的有5a（2001，2004，2008，2010和2011年），屬于干旱年的有2a（2002和2009年）。2003年降雨量最高達(dá)536.5mm，2009年降雨量最低為324.7mm。2001—2011年，11a平均降雨量為405.1mm，整體上介于中等偏旱，不同頻率年降水量P介于50%～75%。

圖1 研究區(qū)降雨量年際變化

降雨量年內(nèi)變化。1—4月多年平均降雨量較少，占年降雨量的12.3%；降雨主要集中在5—9月，占年降雨量的76.0%；10—12月占年降雨量的11.68%（圖2）。2010年10月—2011年6月間幾乎無(wú)≥10mm的有效降水，8個(gè)月共降雨91.6mm，是同期平均數(shù)的65%。

圖2 研究區(qū)降雨量年內(nèi)變化

3.2 徑流調(diào)控工程攔蓄徑流、泥沙量分析

據(jù)調(diào)查，徑流調(diào)控工程隔坡水平階保存完好，徑流泥沙全部攔蓄，淤積輕微。據(jù)定西市水土保持研究所安家溝流域草地（紫花苜蓿）徑流觀測(cè)資料（表1），2002—2011年平均徑流深為12.04mm，徑流系數(shù)為2.9%。對(duì)隔坡水平階2002—2011年產(chǎn)水產(chǎn)沙能力進(jìn)行計(jì)算結(jié)果表明，25m2產(chǎn)流區(qū)年均產(chǎn)流0.3m3，產(chǎn)沙3.96kg，全部被水平階攔蓄。

表1 隔坡水平階徑流、泥沙計(jì)算結(jié)果

3.3 林草植被生長(zhǎng)量分析

據(jù)調(diào)查，蓄水區(qū)側(cè)柏長(zhǎng)勢(shì)良好，無(wú)干梢、枯葉現(xiàn)象，平均樹(shù)高2.30m，胸徑2.07cm，冠幅1.34m2，保存率達(dá)92%；隔坡水平階產(chǎn)流區(qū)產(chǎn)草量為鮮重11.30t／hm2，干重3.17t／hm2，與前10a平均產(chǎn)量（22.53t／hm2（鮮），6.48t／hm2（干））相比下降了約50%（表2）；對(duì)照梯田種植的馬鈴薯受旱嚴(yán)重，產(chǎn)量只有6.77t／hm2，是正常年份（22.50t／hm2）的30%左右。

表2 隔坡水平階林草植被生長(zhǎng)情況

3.4 徑流調(diào)控工程垂直剖面土壤水分分析

（1）隔坡水平階不同單元垂直剖面土壤含水率變化。2010年10月—2011年6月，研究區(qū)相比同期有效降水量減少35%。觀測(cè)表明，觀測(cè)時(shí)隔坡水平階產(chǎn)流區(qū)（紫花苜蓿，下同）2m土層土壤含水率達(dá)7.05%，高于蓄水區(qū)（側(cè)柏，下同）的6.63%，這種差異主要來(lái)源于0—60cm土壤水分的差異，60—200cm土層兩者無(wú)顯著的差異。依據(jù)隔坡水平階土壤含水率在垂直剖面上的變化，可將2m土層分為淺層（0—60cm）、中層（60—140cm）和深層（140—200cm）3個(gè)明顯不同的區(qū)域。隔坡水平階3個(gè)區(qū)域土壤含水率呈現(xiàn)出低—高—低的變化，淺層土壤受自然降雨和植物根系影響較大，呈現(xiàn)出含水低、變幅大的特點(diǎn)，此層紫花苜蓿土壤含水率為7.74%，側(cè)柏為6.28%，變幅紫花苜蓿為27%，側(cè)柏為43%；中層土壤是剖面含水率最高的區(qū)域，林草地具有相近的含水率，兩者的含水率在7.60%～7.67%；深層土壤剖面是耗水最多、含水率最低（5.55%～5.67%），體現(xiàn)了林草植被對(duì)土壤水分長(zhǎng)期利用的結(jié)果。而對(duì)照區(qū)梯田2m土壤含水率達(dá)7.89%，高于隔坡水平階產(chǎn)流區(qū)與蓄水區(qū)，梯田在垂直剖面0—140cm土層土壤含水率變化較大，在140—200cm土層土壤水分變化逐漸趨于平穩(wěn)（圖3）。

圖3 林草地受旱年與正常年垂直剖面土壤水分含量變化

（2）隔坡水平階不同單元抗旱能力分析。根據(jù)定西市水土保持研究所研究，坡耕地紫花苜蓿2m土層多年平均土壤含水率為9.17%，比觀測(cè)時(shí)隔坡紫花苜蓿7.05%高出2.12%，淺層和深層失水最為強(qiáng)烈。反坡梯田側(cè)柏林2m多年平均含水率為5.90%，比觀測(cè)時(shí)水平階側(cè)柏林的6.63%還要低0.73%，說(shuō)明水平階側(cè)柏林抗旱效果好于反坡梯田側(cè)柏林。水平階側(cè)柏林30—180cm的土壤含水率顯著高于反坡梯田，0—30cm，180—200cm則相反（圖3）。

（3）不同土地利用類(lèi)型垂直剖面土壤含水率變化。由圖4可以看出，在正常年份（多年平均）2m土層土壤含水率以農(nóng)坡地最高，達(dá)到12.22%，其次為梯田9.98%。觀測(cè)時(shí)對(duì)照區(qū)梯田降為7.89%，隔坡水平階更低僅為6.95%。在0—120cm土層，隔坡水平階與對(duì)照區(qū)梯田土壤含水率相差不多，變化規(guī)律相似；120—200cm土層，隔坡水平階土壤含水率明顯低于對(duì)照區(qū)梯田，說(shuō)明多年生的紫花苜蓿和側(cè)柏根系較深，對(duì)土壤水分的耗散大于一年生的農(nóng)作物。

圖4 不同措施受旱年與正常年垂直剖面土壤含水率變化

（4）不同土地利用類(lèi)型土壤貯水量變化。農(nóng)坡地作為水土流失的主要策源地，在水土流失治理中，其坡耕地利用的主要調(diào)整措施一是興修水平梯田，二是退耕還林草。在正常年份坡耕地由于生產(chǎn)條件差、產(chǎn)出水平低，故而對(duì)土壤水分的利用能力差，所以具有較高的土壤貯水量，在正常年份（多年平均）達(dá)到325.06mm。農(nóng)坡地在種草和興修梯田后，由于多年生紫花苜蓿吸水能力較強(qiáng)和梯田生產(chǎn)性能的提高，對(duì)土壤水分的耗散也隨之增加，導(dǎo)致土壤貯水量下降，其中以紫花苜蓿為甚（表3）。遇到受旱之年，梯田的土壤貯水量比正常年份減少77.16mm，減少了29%，坡地草地的土壤貯水量比正常年份減少51.04mm，減少了23%。與反坡梯田相比，隔坡水平階由于有一定量的徑流補(bǔ)給，側(cè)柏林土壤貯水量增加17.04mm，增加了12%。

3.5 林草植被蒸散量分析

研究期（2001年5月—2011年7月，下同），年均降雨量為413.0mm，隔坡水平階經(jīng)11a生產(chǎn)運(yùn)行后，隔坡水平階在研究時(shí)段內(nèi)土壤貯水量減少158.21mm，年均減少15.6mm，林草地年均蒸散量為428.6mm。對(duì)照地梯田在研究時(shí)段內(nèi)土壤貯水量減少了135.56mm，年均減少13.4mm，年均蒸散量為426.4mm。其中，產(chǎn)流區(qū)共產(chǎn)生徑流128.26mm，年均徑流量12.60mm；土壤貯水量減少155.83mm，年均減少15.3mm，紫花苜蓿年均蒸散量為415.7mm；蓄水區(qū)側(cè)柏林共攔蓄徑流427.53mm，年均攔蓄徑流42.0mm；土壤貯水量減少166.11mm，年均減少16.3mm，年均蒸散量為471.3mm，高于產(chǎn)流區(qū)紫花苜蓿草地（表4）。

表3 不同措施觀測(cè)年與正常年土壤貯水量變化 mm

表4 隔坡水平階不同部位水量平衡 mm

4 結(jié)論

（1）隔坡水平階全部攔蓄上部徑流泥沙，有效地控制了坡耕地水土流失，增加了水資源量，緩解了隔坡水平階林草植被水分供應(yīng)狀況。

（2）受植物根系發(fā)育的影響，隔坡水平階2m垂直剖面土壤含水率呈現(xiàn)出低—高—低的變化趨勢(shì)。

（3）正常年份2m土層，農(nóng)坡地土壤含水率最高，達(dá)到12.22%；梯田土壤含水率為9.98%。遇到干旱年份，受降雨和植物耗水能力的影響，多年生紫花苜蓿與側(cè)柏根系較深，耗水量大，使土壤含水率低于對(duì)照區(qū)梯田，林地低于草地。梯田土壤含水率降為7.89%，隔坡水平階為6.95%。

（4）在研究時(shí)段，隔坡水平階土壤貯水量年均減少15.6mm，年均蒸散量為428.6mm，對(duì)照區(qū)梯田土壤貯水量年均減少13.4mm，梯田總年均蒸散量為426.4mm。

（5）隨著側(cè)柏的生長(zhǎng)，其需水量還會(huì)增加，紫花苜蓿生長(zhǎng)期限為10a左右，隨著紫花苜蓿生長(zhǎng)勢(shì)的衰退，地表覆蓋度的降低，產(chǎn)流率將會(huì)提高，對(duì)下方蓄水區(qū)林地土壤水分的補(bǔ)給將會(huì)加強(qiáng)，但是否能夠補(bǔ)償側(cè)柏林蒸散量的需求，還有待進(jìn)一步研究。

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