黄土高原沟壑区营造林设计思路与技术模式——以千阳县冉家沟为例

李战刚，姚 巍，刘 菁

(陕西省防护林建设工作站，西安 710082)

1 引言

多年来，笔者针对黄土高原沟壑区生态修复技术开展了广泛的研究，在黄土高原抗旱造林、容器苗造林、大苗深栽、径流林业等造林技术方面取得了一系列相对成熟的技术。但是，长期以来，在林业工程建设中，缺乏用植物生态学理论系统分析和研究植物空间配置，“因地制宜，适地适树”原则落实不到位，注重乔木，忽视灌草；强调集中连片，忽视立地条件，在适宜草本植物发育和灌木生长的立地上盲目“造林”；有的无论陡坡缓坡、坡顶坡脚都用同一种规格的整地方法、同一种苗木，看似整齐划一，但却违反了生态学原理，反映出乔灌草空间配置不合理、植被恢复稳定性和适应性差、水土保持效果不佳等问题。如在黄土高原沟壑区，缺乏对小流域地貌细部的划分，造林作业小班区划不合理，只考虑阳坡、阴坡方位及上、中、下位置，而少有针对侵蚀严重的沟谷坡和侵蚀沟缘的技术措施。据对20世纪70年代以来不同水土保持措施减少入黄泥沙的研究资料分析，占水土保持措施总面积50%以上的林地，拦沙量仅16.7%[1]。甚至更极端研究认为，整个黄河中游地区造林措施拦沙量不足1%[2]。这一度曾引起一些人对黄土高原生物治理前景的怀疑。

2003年，国家林业局确定在黄土高原沟壑区、赣南红壤山地以及三峡库区中低山丘陵紫色山丘三个水土流失非常严重的典型地区，开展“生物措施治理水土流失试点”。通过试点，探索生物措施治理水土流失技术模式，给同类地区提供生物措施治理水土流失经验和示范，并逐步向全国推广。陕西省千阳县试点工作于2003年正式启动，陕西省林业勘察设计院受原国家林业局造林司和原陕西省林业厅造林处委托，承担千阳县试点项目实施方案编制。在无编制大纲和具体技术要求情况下，通过大量调研和方案比选论证，最终形成《陕西省千阳县生物措施治理水土流失试点实施方案》(2004)[3]，并唯一通过国家林业局组织的专家评审。

本文借当前社会高度关注黄河流域生态保护和高质量发展之际，再论生物措施治理水土流失，目的在于探索现阶段林业规划设计新思路和技术方向，为扩展黄土高原沟壑区生态修复技术思路提供借鉴。“他山之石，可以攻玉”。

2 试验区概况

千阳县地处渭北黄土高原丘陵沟壑区西部，由山地、台塬、千河谷地三种地貌组成，故有“七山二塬一分川”之称。千河自西北流向东南，将千阳分成南北两部分。全县水土流失面积857 km2，占总土地面积的86%，平均土壤侵蚀模数为2 644 t·km-2·a-1，被列为陕西省48个水土流失重点县之一。年平均气温10.8 ℃，≥10 ℃活动积温3 477.9 ℃，年平均日照时数2 092.7 h，日照百分率47%，多年平均无霜期197 d(最长223 d，最短156 d)。多年平均降水量653 mm，降水多集中在7～9月，占全年降水量54%，夏秋暴雨多且强度大。

试验区位于千阳县南部柿沟乡冉家沟，面积5.52 km2，属于黄土覆盖的丘陵，地貌由梁、峁和沟壑组成。“梁”、“峁”顶较平坦，多为农耕地。“梁”、“峁”坡面以下，急转成陡坡，一般坡度大于35°。主沟道长5.5 km，沟壑密度0.7 km·km-2，沟道比降11.2%。流域中上游属土石山地，中下游为黄土覆盖。土层厚度在50 cm以上，质地多为中壤或轻壤，结构较紧，有明显的碳酸盐分离层，土壤有机质含量21.4～42.9 mg·L-1，有效磷含量2.6～4.2 mg·L-1。区内植被属暖温带落叶阔叶林，乔木树种以人工栽植的刺槐、侧柏为主，天然次生林主要是少量的侧柏、山杨林，灌木主要有荆条、黄蔷薇、酸枣、胡枝子等，草本以蒿类、菅草、莎草等为主。

冉家沟村以农牧业生产为主，2002年全村总人口1 340人，养殖奶牛存栏34头，出栏牛200头、羊300头、猪200头，家禽800只。人均纯收入1 000余元。为推动县域经济发展，2003年县委、县政府提出“稳粮扩经，强牧兴桑”发展思路。

3 研究内容和方法

国家林业局强调“生物措施治理水土流失试点”不是简单的造林项目，在造林措施上要总结探索新的技术思路。采用生物措施治理水土流失是本项目的基本要求。

方案设计首先从做好前期本底调查开始，包括社会经济调查、小班区划和土地利用现状调查、典型地段土壤调查并采样测定土壤容重、总孔隙度、最大持水量等指标。其次，调整和优化试验区乔灌草空间配置，吸收和借鉴黄土高原沟壑区现有成功的水土保持植治措施，遵循因害设防、因地制宜、适地适树的原则，增强乔灌草空间配置的科学性、合理性和针对性，充分发挥多林种、多树种、多层次生物群体的多功能和效益，不仅达到治理水土流失、改善生态环境，而且保障农民发展生产、增加收入。第三，为评估生物措施治理水土流失的有效性，方案设计了6处径流场及典型地块、典型农户，定点监测水土流失变化及农民经济效益变化。

3.1 土地资源现状

试验区土地总面积551.87 hm2,经现地调查，共区划157个小班，包括林地、草地、园地、农耕地、荒山荒地和未利用地六个一级地类(表1)。

表1 土地利用现状表

3.2 水土流失现状

经调查，试验区水土流失面积551.87 hm2,其中：轻度66.64 hm2，中度393.33 hm2，强度70.90 hm2，极强度21.00 hm2。侵蚀模数与地表形态、植被覆盖度、土地利用状况等因素有着密切的关系，坡耕地水土流失最为严重，据典型调查，一年农闲地，坡度14°，土壤侵蚀模数3 187 t·km-2·a-1；坡度35°，侵蚀模数13 396 t·km-2·a-1。试验区中部以下区域，坡耕地分布集中，植被覆盖度低，面蚀严重。中部以上区域，天然次生林、人工林呈块状分布，灌草植被覆盖度较高，有面蚀和沟蚀同时进行，但侵蚀强度明显减弱。重力侵蚀主要发生在沟谷坡部位，主要侵蚀形式是在暴雨后沟谷坡面和侵蚀沟缘发生崩塌、滑坡、泻溜。土壤侵蚀造成的后果是，沟道数逐渐增多、沟头延伸、沟岸扩张。

表2 项目区坡度构成表

3.3 土地适应性评价

为遵循宜林则林、宜草则草的原则，对试验区各地块进行土地资源适应性评价[4](见表3)。各地块土地等级在三至六级，其中，三级土地面积占2.3%，四级土地面积占73.2%，五级土地面积占21.2%，六级土地面积占3.3%，即除六级外基本适宜农、林、牧业用地。

表3 土地资源评价等级表

3.4 立地类型划分

立地类型是根据全省大地貌特征、地带性气候、林业发展方向、地形特征(地形部位、地面形态、坡势等)和土壤、植被、土地利用性质等主导因子的适应性与技术措施的相似性进行划分的。项目区共划分10个立地类型。 在立地类型划分的基础上，根据立地类型的特点与质量，按照因地制宜、因害设防、适地适树的原则，相应制定10个适宜的造林类型(见表4)。

表4 立地类型与造林类型表

3.5 空间配置设计

在植物空间配置上，突出以优化土地利用结构为基础，以增强水土保持功能为根本，以生态经济型防护林体系建设为准则，遵循因害设防、因地制宜、适地适树的原则，建设功能完善、生物学稳定、生态经济高效的防护林体系。

采取学习借鉴、吸收、集成组装现有成熟技术，充分考虑当地农村生产现状和县域经济发展特点，因地制宜，做好生态治理与生产发展的有机结合，实现试验区植物空间合理配置。在邻近村庄、土质较好的退耕地或撂荒地，在青贮饲料的同时，按照每头牛或6只羊需0.07 hm2草地开展人工种草，支持畜牧业发展。沟谷坡是容易引发重力侵蚀的部位，以营造灌草护沟、保塬为主要措施，改变以往造林时“一个树种满山跑”的现象。

从梁峁顶至沟谷底空间优化配置顺序：

(1)梁峁项:平坦、宽阔、地势高，侵蚀以击溅侵蚀为主，易受大风、干旱、低温等自然灾害侵袭，因而可将近村缓坡的梁峁顶部种植紫花苜蓿等牧草，发展畜牧产业。远村陡坡及梁峁顶部，栽植侧柏、沙棘等适生乔灌，形成梁峁顶生物防护带。

(2)梁峁坡:是沟头以上的集水区和主要耕作区，因人为活动频繁，植被差，易造成面蚀、沟蚀，治理措施主要是在20°以上梁峁坡上营造乔、灌木林；在20°以下缓坡耕地，修筑地埂，并在沟边采用林草防护措施保护农田，近村缓坡耕地地埂上栽植桑树；梁峁坡上营造等高灌木带，带内沟垄种植紫花苜蓿等优良牧草。

(3)侵蚀沟缘:是临近沟岸的边际地带，侵蚀强烈，治理措施可距沟缘2 m左右，采取水平阶或鱼鳞坑整地，栽植密集型沙棘等灌丛生物带，拦截坡面径流，防止沟缘崩塌。树种以沙棘、紫穗槐为主。

(4)沟谷坡:地形复杂，沟蚀、重力侵蚀强烈，陡坡地形破碎地段，大多为大于35°的陡坡，采用鱼鳞坑等整地工程，营造以沙棘为主的护坡林；坡度稍缓坡面，整地营造经济林、用材林；深窄小支毛沟密植沙棘封沟，同时大力封山封沟育林育草。

(5)沟谷底:是梁峁坡和沟坡产流的汇集地，侵蚀剧烈，治理措施以支沟治理为主，营造以杨、柳为主的沟底防冲林，固定沟床，制止沟底下切和沟岸扩张。对水土流失严重支沟修筑柳谷坊，拦截泥沙、废渣和地表径流。

表5 项目区生物措施治理现状与措施规划表 单位：hm2

4 治理成效监测

试验区在生物措施治理水土流失时主要采取了乔灌草相结合的生物工程技术、侵蚀沟固沟护坡防护林体系建设技术、柳谷坊护沟拦沙滤水技术、封山育林技术、坡耕地筑埂种桑等技术。因地制宜、因害设防，建立了结构合理、高效稳定的生物措施治理水土流失配置模式。三年试点结束，累计完成生物措施治理任务419.94 hm2，工程措施筑坝、修筑谷坊，柳枝填充，拦截废渣、泥沙和地表径流，共修筑柳谷坊55个287 m，修筑地埂36 855 m[5]。

针对不同生物措施治理模式，选取封育与未封、有林地与荒山、有林地与农田对照监测土壤水分及径流变化情况；设置8个固定标准地，调查监测治理措施的效益指标变化效果；设置3组对照6个径流小区，每个径流小区5 m×20 m，每次雨停后半小时内观测，推算泥水总体积，测算泥沙含量。

4.1 土壤理化性质分析比较

为了便于分析，将各类型的0-20，20-40，40-60 cm三层土壤样品测定的结果进行平均计算。结果显示，不同模式对土壤肥力质量提高差异明显，林草混交模式、封山育林模式对土壤质量的提高效果较好，混交林模式、纯林模式次之[6](表6)。

表6 不同模式土壤理化性质分析比较

4.2 年均地表径流量及侵蚀量比较

由表7可以看出，封育比未封育、有林地1比荒山、有林地2比农地的径流量、径流深、泥沙流失量相比显著减少。这是由于采取生物措施后,植被迅速覆盖地表,土壤不再被扰动,径流量和泥沙侵蚀量迅速减少。

表7 三年平均地表径流量及泥沙流失量

4.3 水土流失强度面积变化

从表8可以看出，在采取不同生物治理措施综合治理后，乔灌草空间优化配置，林草与工程、治沟与治坡紧密结合，协调发展，互相促进，建成了完整的水土流失防御体系。通过调查流域土地利用现状、土壤侵蚀主要类型和土壤侵蚀强度级别，根据径流场的连续监测数据以及固定样地观测资料，流域水土流失面积由治理前的551.87 hm2下降为484.37 hm2，减少了43.4%，水土流失强度减轻，土壤侵蚀模数明显减少。流域内土壤侵蚀模数由治理前的2 552.93 t·km-2·a-1降低到2 136.06 t·km-2·a-1，治理程度由21.0%提高到75.3%，经过治理后，试验区土壤侵蚀模数减少16.3%，平均每公顷每年减少土壤流失量104.25 t。

表8 试验区水土流失强度面积变化表

4.4 社会经济情况变化

通过生物措施治理水土流失综合措施的实施，流域内植被覆盖度增加，水土流失面积减小。协调经济发展和生态保护的有机结合，科技支撑，示范带动群众植树种草、发展蚕桑，改善农业生产条件，粮食单产提高，农村产业结构得到优化，高效设施农业和主导产业得到强化，土地利用结构得到调整并趋于合理，群众的收入增长幅度较大，人均年纯收入由治理初期的1 063元增加到了2007年的1 950元以上[7]。

5 结论

(1)试验结果表明，针对地形地貌理采取相应的生物措施，乔灌草空间配置合理，综合治理水土流失效果显著，并取得较好的经济和社会效益，提供了有益的技术示范。宜在同类地区规划设计中推广。

(2)生物措施治理水土流失属较新的研究项目，具体深度研究、成效监测等方面少有报告。通过对冉家沟试点区域的资源、环境、社会经济发展状况全面调查，并根据黄土高原不同地形地貘和立地条件类型特点，对梁峁顶、梁峁坡、侵蚀沟缘、沟谷坡、沟谷底等不同生态治理类型分区规划设计了相应的生物措施。随着生态空间修复力度加大、治理步伐加快，在技术、方法、模式上进一步探索，筛选更合理的生物措施治理模式，获得更佳的水土流失治理效果，为类似地区推广还有许多问题亟待深入具体的研究。

(3) 现阶段机构改革赋予了林业部门新的职能和职责。实现新的职能转换，尽快完成认知转变和技术更新，在生态空间治理中科学分析、实事求是遵循“因害设防，适地适树”“宜林则林，宜灌则灌，宜草则草”原则，有针对性地优化乔灌草空间配置，扩展黄土高原沟壑区生态修复技术思路，提高造林种草作业设计水平，促进防护林提质增效和区域高质量发展。