半干旱区径流调控工程林草间作模式土壤水分及效益研究

张 富，安 彪，刘彦江，华荣祥，牛娟红

(1.甘肃农业大学林学院，甘肃兰州 730070;2.定西市安定区林业局，甘肃 定西 743000;3.定西市安定区畜牧兽医局，甘肃 定西 743000)

甘肃黄土高原丘陵沟壑区地形坡度大、水土流失严重、干旱少雨，降雨难以支撑林木生长需求，人工林普遍出现“土壤干化”现象，导致了许多人工林因水分亏缺而衰败［1－4］。径流调控工程可通过对雨水径流的存贮，使降水得到集约利用，减轻降水不足和供需错位给林木生长带来的不利影响，达到人工林可持续发展的目的［5－7］。定西市安定区在退耕还林(草)工程中采用隔坡水平阶径流调控工程，进行林草间作，较好地解决了生态工程建设中国家要“被子”(生态效益)与群众要“票子”(经济效益)、群众眼前效益(草业开发)与长远效益(森林生态效益)的矛盾，为退耕还林(草)工程“退得下、稳得住、不反弹、能致富”目标的实现提供了技术支撑［8］。由于降水时期与植物生长期的严重错位，大气干旱与土壤干旱的叠加，2011年甘肃省定西市安定区遇到了60年一遇的旱灾，也是定西气象站有观测记录(1957年)以来最为严重的旱灾，农业生产受到严重影响。调查径流调控工程抵御高强度旱灾的能力，探究径流调控工程对土壤增水、植物增产、农民增收的实际效果，对指导今后同类地区的水土保持生态工程建设具有重要的意义。

1 研究区概况

安定区位于甘肃省中部，地理位置为104°12'—105°01'E、35°17'—36°02'N，总面积3 638 km2。全区辖12 镇7 乡和2 个街道办事处，总人口47万人，其中农业人口37万人。年平均降水量420 mm，其中7—9月降水量占年降水量的50%以上，年均蒸发量1 536 mm，平均相对湿度64%;海拔1 750—2 580 m，年平均气温6.3℃，极端最高气温30.5℃，极端最低气温－20.1℃，无霜期144 d。境内山多川少，沟壑纵横，丘陵起伏，降水稀少，暴雨集中，供需错位，水土流失严重，人民生活困难。2000年安定区在退耕还林工程建设中，以林草措施对位配置为前提，以径流调控理论为指导，以径流调控工程为依托，坚持植物措施与工程措施有机结合、乔灌草相结合的原则，有效地提高了水、土、光、热资源的利用率，加快了造林绿化步伐，使水土流失得到了有效控制、林草植被覆盖率显著提高，先后获得了“全国绿化先进集体”、“全国退耕还林先进县(区)”等称号。

2 研究方法

2.1 样地选择

调查观测地点位于安定区北部的巉口镇赵家铺流域，整地方式为隔坡水平阶(以下简称水平阶)，造林地为退耕地，造林模式为侧柏与紫花苜蓿间作，地形部位为半阴坡中部，坡向北偏东45°，坡度15°，海拔2 032 m左右。

2.2 观测项目

(1)工程拦蓄标准:调查水平阶径流调控工程的设计及实际达到的拦蓄标准。

(2)林草植被生长量:观测退耕还林(草)地水平阶蓄水区侧柏(Platycladus orientalis)、水平阶产流区紫花苜蓿(Medicago sativa)的生长发育情况。

2.3 观测内容与方法

(1)土壤容重测定:用环刀法测定0—100 cm深度土层土壤容重，每10 cm取样一个。

(2)土壤水分观测:采用烘干法测定0—200 cm土层不同工程部位(产流区、蓄水区)的土壤水分含量。0—60 cm土层每10 cm取样一个，60—200 cm土层每20 cm取样一个。

(3)植物生长量观测:测定径流调控工程不同工程部位(产流区、蓄水区)植物的高度、胸径(地径)、冠幅生长量、产草量等。

(4)草地盖度观测:采用针刺法测定2 m ×2 m样方内的植物盖度。

(5)观测时间:2011年8月14—20日。

(6)相关资料查阅:在定西市相关部门查阅研究区的气象、径流泥沙量、退耕还林(草)面积、草地效益、土地利用、社会经济等相关资料。

3 观测结果及分析

3.1 径流调控工程的设计规格和标准

隔坡水平阶的设计与施工规格见表1。安定区退耕还林工程严格按照设计进行施工，其设计标准为［9］:①径流调控工程对林木的水分保证率按降水保证率为75%设计;②拦蓄200年一遇最大24 h暴雨径流;③按照《甘肃省小流域水土流失综合防治工程建设技术规程》(DB62/T346—94)要求，安全聚流比≥增产聚流比≥1;④年需水量乔木按2.6 m3/株设计;⑤设计频率年植物增产要求的土壤最佳含水率为20%，2 m土层内土壤最低含水率9%。

表1 隔坡水平阶设计参数(P=75%)

实际观测结果表明，水平阶拦蓄了全部径流泥沙，工程外形完好，无水毁现象。

3.2 不同工程部位土壤含水量

2011年8 月的观测表明，水平阶2 m土层内土壤含水率为6.95%，土壤含水量为165.52 mm，2 m土层内土壤含水率低于设计的9%最低含水率。蓄水区(侧柏林)土壤含水量比产流区(紫花苜蓿)低10.19 mm，其中0—60 cm 低10.38 mm，60—200 cm增加0.19 mm，说明侧柏主要耗水层在0—60 cm范围内，且耗水量侧柏林大于紫花苜蓿(见表2)。

表2 隔坡水平阶不同部位土壤含水量变化

3.3 林草生长状况

2000—2010 年平均年降水量为408.6 mm，10年来水平阶径流调控工程的林草植被生长保持了良好的水平。根据安定区畜牧局、林业局多年监测，安定区退耕还草工程种植以紫花苜蓿为主的多年生牧草2.27万 hm2，其中紫花苜蓿2.23万hm2，占总面积的98.35%，红豆草0.04万hm2。紫花苜蓿多年平均高度52～85 cm，两茬多年平均鲜草产量22 525 kg/hm2、青干草产量6 478 kg/hm2;红豆草两茬多年平均鲜草产量24 210 kg/hm2、青干草产量5 565 kg/hm2(表3)。2011年1—6月降水91.6 mm，仅是多年同期平均数的57.8%，研究区农作物夏粮(胡麻)减产70%左右、秋粮(马铃薯)减产60%左右。由于径流调控工程为林木提供了良好的生长发育条件，即使在大旱之年，侧柏林仍然正常生长，相比之下，紫花苜蓿的产量下降幅度较大，减产50%左右。

表3 安定区退耕种草产量kg/hm2

3.3.1 蓄水区林木生长量

定植10年的侧柏，株行距 5.0 m×6.5 m，密度 284株/hm2，保存率 92%，平均树高 2.30 m、胸径 2.07 cm、冠幅1.34 m2，郁闭度4%，林草覆盖度56%，林木生长发育正常。

3.3.2 产流区草地生物量

2011 年样地观测结果表明，紫花苜蓿密度为31丛/m2，第一茬紫花苜蓿的平均高度为27 cm、盖度为56%，产草量鲜重11 300 kg/hm2、干重3 170 kg/hm2。与多年平均生长量相比，大旱年份紫花苜蓿高度下降48% ～68%，生物量下降50%左右。

3.4 效益分析

3.4.1 生态效益

据安定区林业局资料，2000—2010年实施生态林建设6.64万hm2，其中完成退耕还林(草)工程3.25万hm2(还林0.97万hm2，还草2.28万hm2)。全区造林保存面积由1999年的3.82万hm2增加到2010年的10.73万 hm2，增长了180.89%;有林地面积增加了1.34万hm2，增长了98.7%，森林覆盖率由工程实施前的9.8%提高到11.2%，林草覆盖率达到19.45%。退耕还林区水土流失得到全部拦蓄，项目区小流域土壤侵蚀模数由治理前的5 640 t/(km2·a)下降到现在的1 600 t/(km2·a)。

3.4.2 经济效益

2000—2010 年共完成退耕还草2.28万hm2，其中:收草田达1.76 万 hm2，占 77.2%，增产率 11.6% ～19.1%;收种田达0.52 万 hm2，占22.8%，增产率 27.7% ～43.8%。项目实施期内每年产青干草1 443万kg，产优质牧草种子16万kg，可饲养羊3 500个羊单位。按照《水土保持综合治理效益计算方法》(GB/T15774—2008)的规定计算，退耕还草地与农坡地相比，2000—2011年累计产出净效益4.25亿元。

3.4.3 社会效益

安定区在退耕还林工程中采取的隔坡水平阶径流调控工程，促进了土地利用结构的调整和人与自然和谐发展，取得了保持水土，恢复植被，改良土壤，近草、中材、远材效益兼顾的良好效果，带动了马铃薯、畜草、劳务特色产业的迅速发展，实现了生态和经济、社会效益的共赢。安定区采取林草间作治理模式，在新建牧草基地3.67万hm2的基础上，配饲料、改圈舍、引良种，实现了草多—畜多—肥多—粮多—钱多的良性循环，全区畜牧业产值比退耕前增加了44.5%，每年人均畜牧业收入达400 多元［10］。

4 结论与讨论

(1)径流调控工程土壤增墒效果显著。据定西市水保所、林科所研究资料，侧柏根系吸水区在3 m深度范围内，主要吸水区在2 m深度范围内。采用反坡梯田整地(集流比1∶1.5)营造的侧柏林，2 m深度范围内土壤含水率平均为4.5% ～5%;按降水保证率为75%设计的隔坡水平阶，在林草植被共生的条件下，遇极端干旱天气，林地(集流比1∶3.33)2 m深土层内土壤含水率保持在6.95%，侧柏根系层保持在6.63%，具有明显的土壤增墒效果，提高了林地的可持续性。

(2)经过10余年的生长，侧柏林还处于幼林期;而紫花苜蓿一般利用年限为10年左右，已接近衰退期，生产能力及抗旱性逐步衰退。如何选择林草复合体下一个生长周期适宜的草种，维持牧草正常生长，以发挥正常的生态及经济效益，是目前亟待解决的重要问题。

(致谢:本项研究得到了安定区畜牧兽医局李顺荣、安定区水保局王应刚、定西市林科所王秉忠高级工程师的大力支持与帮助，参加本项研究的还有刘志文、刘怡君、李孙伟、曹亚雄。)

［1］陈云明，刘国彬，杨勤科.黄土高原人工林土壤水分效应的地带性特征［J］.自然资源学报，2004，19(3):195 －200.

［2］李裕元，邵明安.黄土高原气候变迁、植被演替与土壤干层的形成［J］.干旱区资源与环境，2001，15(1):72 －77.

［3］汪习军.对黄土高原水土流失治理的几点认识［J］.中国水土保持，1999(12):17－19.

［4］杨文治，邵明安，彭新德，等.黄土高原环境的旱化与黄土中水分关系［J］.中国科学:D 辑，1998，28(4):357－365.

［5］郭廷辅，段巧甫.径流调控理论是水土保持的精髓［J］.中国水土保持，2001(11):1－5.

［6］张富，余新晓，景亚安，等.黄土高原水土保持防治措施对位配置研究［M］.郑州:黄河水利出版社，2007.

［7］陈鹏飞，陈丽华，张富.定西小流域治理的径流聚散工程体系建设［J］.中国水土保持，2008(8):50－53.

［8］杨冰.定西市退耕还林(草)工程建设回顾与展望［J］.甘肃林业科技，2008，33(3):55 －58.

［9］张富，高嶙，赵克荣.水土保持植物措施与径流调控工程对位配置数量化分析［J］.甘肃农业大学学报，2011，46(4):97－104.

［10］甘肃省林业厅退耕办.甘肃省退耕还林工程建设成绩斐然［J］.甘肃林业科技，2011(4):10－13.