陇东黄土高塬沟壑区坡面径流调控造林效益研究

2018-01-10王志雄段景峰郜文旺黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站甘肃西峰745000

中国水土保持 2018年1期

王志雄，段景峰，郜文旺(黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站，甘肃西峰 745000)

王志雄，段景峰，郜文旺
(黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站，甘肃西峰 745000)

水平阶；鱼鳞坑；径流调控；土壤水分；树木生长量；坡面；高塬沟壑区

以典型小流域坡面径流调控工程为研究对象，通过观测分析水平阶整地造林、鱼鳞坑整地造林与对照不整地造林的土壤水分、养分与树木生长量等，对径流调控工程的抗旱性能及其生产效益进行了研究。结果表明，坡面20～80 cm土层的土壤含水率水平阶>鱼鳞坑>对照；20～40 cm土层土壤养分含量总体上为水平阶>鱼鳞坑>对照，土壤容重水平阶<鱼鳞坑<对照；水平阶整地的造林保存率和树木年生长量均高于鱼鳞坑整地；整地投入水平阶>鱼鳞坑>对照。综合考虑，在黄土高塬沟壑区条件比较好、比较完整的坡面应采用水平阶整地，在条件一般的坡面及陡坡地可采用鱼鳞坑整地，以提高造林成活率和保存率，有效发挥水土保持生态服务功能和作用。

干旱缺水与水土流失并存是制约黄土高塬沟壑区经济社会发展的主要限制因子[1],降雨径流既是该区产生水土流失的动力，又是缓解干旱缺水的重要水源。该区林草生长所需水分主要靠雨水径流的补给，水平阶、鱼鳞坑等径流调控工程通过改变坡面微地形，实现了坡面径流的分段横向拦截，起到了良好的拦泥蓄水作用[2]，对植被恢复和生态系统服务功能的改善发挥着极为重要的作用。

本研究以陇东黄土高塬沟壑区典型小流域已造林6年以上的坡面径流调控工程为研究对象，通过对2013—2014年不同降水条件下径流调控工程土壤水分、土壤理化性质变化及树木生长量等的监测，总结坡面径流调控工程对土壤水分改善的实际效果，分析其对树木生长的影响程度，以期为黄土高塬沟壑区坡面径流调控工程建设提供数据支撑。

1 试验地概况

试验地设在黄土高塬沟壑区具有典型性和代表性的南小河沟小流域和崆峒沟小流域内。试验点为半干旱气候，年均气温为8.5 ℃，年均降水量约560 mm，年内降水分布不均，7—9月降水量占全年降水量的60%～70%，年均蒸发量1 527 mm，无霜期180 d。坡面土壤为黄绵土，土质为轻质壤土，土壤养分含量低、肥力低下。

2 试验布设

南小河沟试验点为2004年造林，采用2年生侧柏苗，在阳坡采用水平阶、鱼鳞坑及不整地造林(对照)3种处理；崆峒沟试验点为2007年造林，阳坡、阴坡均采用水平阶和鱼鳞坑2种整地处理，树种阳坡为侧柏、阴坡为油松，均采用2年生苗。水平阶宽1.0 m、深30 cm，阶内有拦水埂；鱼鳞坑长径0.8 m，短径0.6 m，深0.4 m，弧形拦水埂。油松、侧柏株行距均为2 m×4 m，每个处理设5个重复。

土壤水分于2013、2014年的3月至10月每月中旬测定一次，取土深度分别为20、40、60、80 cm，用烘干法处理。土壤理化性质于2013年9月测定，以环刀法测定土壤容重，重铬酸钾容量法测定土壤有机质，碱解扩散法测定水解性氮，乙酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾，NaOH熔融-钼锑抗比色法测定有效磷。在2013年3月树木生长萌动前和2014年12月树木生长停止后，分别调查崆峒沟试验点阳坡和阴坡造林保存率，观测统计各处理的树高和地径(由于试验开始于2013年，因此以2013年3月树木生长萌动前的观测结果代替2012年12月树木停止生长后的情况)。在试验期间记载日降水量大于5 mm的降水，并收集其他气象资料。

试验地水平阶、鱼鳞坑无水毁现象，但有鱼鳞坑蓄水容积基本用完现象。

3 试验期间降水情况

试验地2012年降水量为509.0 mm，有效降水量为429.5 mm，接近平水年水平；2013年降水量为628.5 mm，有效降水量为545.7 mm，比年均降水量高60多mm，接近偏丰水年水平；2014年降水量为510.9 mm，有效降水量为434.8 mm，属于平水年份。这种正常的年际降水量为试验研究的顺利开展提供了良好的条件。各年逐月降水量见图1。

图1 2012—2014年试验区逐月降水量分析

从年内降水特点分析，2012年第四季度无有效降水，土壤含水率相对较低，影响次年树木萌芽时的水分需要；2013年7、8、9三个月降水量为403.6 mm，有效降水量363.2 mm，分别占年降水量和年有效降水量的64.2%和66.6%；2014年7、8、9三个月降水量为294.3 mm，有效降水量268.4 mm，分别占年降水量和年有效降水量的57.6%和61.7%。这种季节性降水特点与树木生长需要持续的水分供应之间的矛盾，为径流调控抗旱研究提供了客观需求。

4 结果与分析

4.1 不同整地方式对土壤含水率的影响

从各整地处理的土壤含水率(图2—7)分析，水平阶整地方式土壤含水率最高，按土壤含水率大小排序为：水平阶>鱼鳞坑>对照。2013年，南小河沟试验点阳坡水平阶土壤含水率平均为15.16%、鱼鳞坑平均为13.95%、对照平均为12.90%；崆峒沟试验点阳坡水平阶土壤含水率平均为14.26%、鱼鳞坑平均为13.35%，阴坡水平阶土壤含水率平均为15.77%、鱼鳞坑平均为14.89%。2014年，南小河沟试验点阳坡水平阶土壤含水率平均为14.27%、鱼鳞坑平均为13.25%、对照平均为12.46%；崆峒沟试验点阳坡水平阶土壤含水率平均为12.98%、鱼鳞坑平均为11.83%，阴坡水平阶土壤含水率平均为14.63%、鱼鳞坑平均为13.61%。

图2 南小河沟试验点2013年阳坡土壤含水率分析

图3 南小河沟试验点2014年阳坡土壤含水率分析

图4 崆峒沟试验点2013年阳坡土壤含水率分析

图5 崆峒沟试验点2014年阳坡土壤含水率分析

图6 崆峒沟试验点2013年阴坡土壤含水率分析

图7 崆峒沟试验点2014年阴坡土壤含水率分析

由观测结果可知：2013年南小河沟试验点阳坡土壤含水率水平阶整地比鱼鳞坑整地提高8.70%、比对照提高17.51%，鱼鳞坑整地比对照提高8.11%；崆峒沟试验点阳坡土壤含水率水平阶整地比鱼鳞坑整地提高6.67%，阴坡水平阶整地比鱼鳞坑整地提高5.89%。2014年南小河沟试验点阳坡土壤含水率水平阶整地比鱼鳞坑整地提高7.67%、比对照提高14.46%，鱼鳞坑整地比对照提高6.3%；崆峒沟试验点阳坡土壤含水率水平阶整地比鱼鳞坑整地提高9.77%，阴坡水平阶整地比鱼鳞坑整地提高7.49%。

观测结果表明，径流调控工程具有较高的拦蓄径流的能力，特别是在当月降水后，土壤含水率明显高于对照；但在降水量比较少的月份，各处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侧柏、油松根系周围土壤含水率都有所增加。测定结果显示，各处理0～80 cm土层以20～40 cm处土壤含水率最高，而这个土层深度正好是苗木根系集中分布层，因而有利于树木的生长。但数据表明，在个别干旱月份，特别在阳坡面，20 cm深度土壤含水率低于40、60 cm深度处。

4.2 不同整地方式对土壤理化性质的影响

整地不但可以有效地拦截自然降水，增强土壤的抗旱保墒能力，而且能疏松土壤，加厚活土层，改善土壤肥力状况(表1)。经过不同方式的整地，有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量均有不同程度增加，土壤养分含量总体上水平阶>鱼鳞坑>对照，土壤容重则是水平阶<鱼鳞坑<对照，这与水平阶土壤含水率较高、林草生长状况较好相一致。水平阶养分含量较鱼鳞坑和对照高，这主要是由于水平阶拦蓄径流和枯枝落叶的能力较强，加强了腐殖化作用的进行，使营养元素在表层富集。因此，在有条件的坡面，栽植树苗时可考虑覆草，以起到保墒作用[3]，提高苗木成活率和生长量。

表1 不同处理措施对土壤理化性质的影响(2013年9月)

4.3 不同整地方式对树木生长量的影响

崆峒沟试验点阳坡和阴坡造林保存率及树木生长情况观测结果见表2。在试验期内，阳坡水平阶整地侧柏年均地径增加0.32 cm、年均树高增长26.0 cm，鱼鳞坑整地侧柏年均地径增加0.26 cm、年均树高增长22.0 cm，水平阶整地比鱼鳞坑整地侧柏地径年均增长23.08%、树高年均增长18.18%。阴坡水平阶整地油松年均地径增加0.54 cm、年均树高增长38.0 cm，鱼鳞坑整地油松年均地径增加0.47 cm、年均树高增长33.5 cm，水平阶整地比鱼鳞坑整地油松地径年均增长14.89%、树高年均增长13.43%。观测结果表明，水平阶整地的造林保存率和树木年生长量均高于鱼鳞坑整地；并且，因水平阶土壤含水率高，故其树下自然植被也得到改善，草丛密度、高度和覆盖度均有所提高。

表2 崆峒沟各处理阳坡侧柏、阴坡油松年生长量观测结果

4.4 不同整地方式的投入

整地成本根据2014年市场价格计算。水平阶整地成本为5 625元/hm2，鱼鳞坑整地成本为2 875元/hm2，水平阶整地比鱼鳞坑整地成本高2 750元/hm2。各处理以水平阶整地成本最高，其次为鱼鳞坑，不整地处理无整地费用。根据土壤含水率、树木生长量与整地投资对比结果，水平阶整地处理效果最好，鱼鳞坑整地处理效果次之，说明坡面造林整地投工量越大，工程标准越高，拦蓄效果越好，土壤含水率越高，树木生长量也越大。从水土保持生态服务功能价值来看，水平阶、鱼鳞坑造林整地工程可以有效地拦蓄坡面雨水径流，改善土壤入渗性能，增加土壤含水率，为土壤水分的贮存和保持创造了条件，因此土壤含水率比同坡向荒坡均有明显增加[4]。水平阶内草类植被生长明显好于对照不整地处理；鱼鳞坑拦蓄坡面径流面积较水平阶小，拦蓄容积也有限，使用年限较水平阶短；对照不整地无拦蓄效果。水平阶能有效减少坡面水土流失和养分流失，可使径流量和产沙量分别减少67.9%和79.5%，使坡耕地氮、磷流失总量分别减少53.47%和86.83%[5]。有研究表明，水平阶相对10°坡耕地的减水、减沙效益分别达到74.55%和80.52%[6]。因此，在黄土高塬沟壑区条件比较好、比较完整的坡面，应大力推广采用水平阶造林整地，在较陡或支离破碎的坡面上可大面积采用鱼鳞坑整地，以提高造林成活率和保存率。