半干旱區徑流調控工程林草間作模式土壤水分及效益研究

張 富，安 彪，劉彥江，華榮祥，牛娟紅

(1.甘肅農業大學林學院，甘肅蘭州 730070;2.定西市安定區林業局，甘肅 定西 743000;3.定西市安定區畜牧獸醫局，甘肅 定西 743000)

甘肅黃土高原丘陵溝壑區地形坡度大、水土流失嚴重、干旱少雨，降雨難以支撐林木生長需求，人工林普遍出現“土壤干化”現象，導致了許多人工林因水分虧缺而衰敗［1－4］。徑流調控工程可通過對雨水徑流的存貯，使降水得到集約利用，減輕降水不足和供需錯位給林木生長帶來的不利影響，達到人工林可持續發展的目的［5－7］。定西市安定區在退耕還林(草)工程中采用隔坡水平階徑流調控工程，進行林草間作，較好地解決了生態工程建設中國家要“被子”(生態效益)與群眾要“票子”(經濟效益)、群眾眼前效益(草業開發)與長遠效益(森林生態效益)的矛盾，為退耕還林(草)工程“退得下、穩得住、不反彈、能致富”目標的實現提供了技術支撐［8］。由于降水時期與植物生長期的嚴重錯位，大氣干旱與土壤干旱的疊加，2011年甘肅省定西市安定區遇到了60年一遇的旱災，也是定西氣象站有觀測記錄(1957年)以來最為嚴重的旱災，農業生產受到嚴重影響。調查徑流調控工程抵御高強度旱災的能力，探究徑流調控工程對土壤增水、植物增產、農民增收的實際效果，對指導今后同類地區的水土保持生態工程建設具有重要的意義。

1 研究區概況

安定區位于甘肅省中部，地理位置為104°12'—105°01'E、35°17'—36°02'N，總面積3 638 km2。全區轄12 鎮7 鄉和2 個街道辦事處，總人口47萬人，其中農業人口37萬人。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，年均蒸發量1 536 mm，平均相對濕度64%;海拔1 750—2 580 m，年平均氣溫6.3℃，極端最高氣溫30.5℃，極端最低氣溫－20.1℃，無霜期144 d。境內山多川少，溝壑縱橫，丘陵起伏，降水稀少，暴雨集中，供需錯位，水土流失嚴重，人民生活困難。2000年安定區在退耕還林工程建設中，以林草措施對位配置為前提，以徑流調控理論為指導，以徑流調控工程為依托，堅持植物措施與工程措施有機結合、喬灌草相結合的原則，有效地提高了水、土、光、熱資源的利用率，加快了造林綠化步伐，使水土流失得到了有效控制、林草植被覆蓋率顯著提高，先后獲得了“全國綠化先進集體”、“全國退耕還林先進縣(區)”等稱號。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

調查觀測地點位于安定區北部的巉口鎮趙家鋪流域，整地方式為隔坡水平階(以下簡稱水平階)，造林地為退耕地，造林模式為側柏與紫花苜蓿間作，地形部位為半陰坡中部，坡向北偏東45°，坡度15°，海拔2 032 m左右。

2.2 觀測項目

(1)工程攔蓄標準:調查水平階徑流調控工程的設計及實際達到的攔蓄標準。

(2)林草植被生長量:觀測退耕還林(草)地水平階蓄水區側柏(Platycladus orientalis)、水平階產流區紫花苜蓿(Medicago sativa)的生長發育情況。

2.3 觀測內容與方法

(1)土壤容重測定:用環刀法測定0—100 cm深度土層土壤容重，每10 cm取樣一個。

(2)土壤水分觀測:采用烘干法測定0—200 cm土層不同工程部位(產流區、蓄水區)的土壤水分含量。0—60 cm土層每10 cm取樣一個，60—200 cm土層每20 cm取樣一個。

(3)植物生長量觀測:測定徑流調控工程不同工程部位(產流區、蓄水區)植物的高度、胸徑(地徑)、冠幅生長量、產草量等。

(4)草地蓋度觀測:采用針刺法測定2 m ×2 m樣方內的植物蓋度。

(5)觀測時間:2011年8月14—20日。

(6)相關資料查閱:在定西市相關部門查閱研究區的氣象、徑流泥沙量、退耕還林(草)面積、草地效益、土地利用、社會經濟等相關資料。

3 觀測結果及分析

3.1 徑流調控工程的設計規格和標準

隔坡水平階的設計與施工規格見表1。安定區退耕還林工程嚴格按照設計進行施工，其設計標準為［9］:①徑流調控工程對林木的水分保證率按降水保證率為75%設計;②攔蓄200年一遇最大24 h暴雨徑流;③按照《甘肅省小流域水土流失綜合防治工程建設技術規程》(DB62/T346—94)要求，安全聚流比≥增產聚流比≥1;④年需水量喬木按2.6 m3/株設計;⑤設計頻率年植物增產要求的土壤最佳含水率為20%，2 m土層內土壤最低含水率9%。

表1 隔坡水平階設計參數(P=75%)

實際觀測結果表明，水平階攔蓄了全部徑流泥沙，工程外形完好，無水毀現象。

3.2 不同工程部位土壤含水量

2011年8 月的觀測表明，水平階2 m土層內土壤含水率為6.95%，土壤含水量為165.52 mm，2 m土層內土壤含水率低于設計的9%最低含水率。蓄水區(側柏林)土壤含水量比產流區(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，說明側柏主要耗水層在0—60 cm范圍內，且耗水量側柏林大于紫花苜蓿(見表2)。

表2 隔坡水平階不同部位土壤含水量變化

3.3 林草生長狀況

2000—2010 年平均年降水量為408.6 mm，10年來水平階徑流調控工程的林草植被生長保持了良好的水平。根據安定區畜牧局、林業局多年監測，安定區退耕還草工程種植以紫花苜蓿為主的多年生牧草2.27萬 hm2，其中紫花苜蓿2.23萬hm2，占總面積的98.35%，紅豆草0.04萬hm2。紫花苜蓿多年平均高度52～85 cm，兩茬多年平均鮮草產量22 525 kg/hm2、青干草產量6 478 kg/hm2;紅豆草兩茬多年平均鮮草產量24 210 kg/hm2、青干草產量5 565 kg/hm2(表3)。2011年1—6月降水91.6 mm，僅是多年同期平均數的57.8%，研究區農作物夏糧(胡麻)減產70%左右、秋糧(馬鈴薯)減產60%左右。由于徑流調控工程為林木提供了良好的生長發育條件，即使在大旱之年，側柏林仍然正常生長，相比之下，紫花苜蓿的產量下降幅度較大，減產50%左右。

表3 安定區退耕種草產量kg/hm2

3.3.1 蓄水區林木生長量

定植10年的側柏，株行距 5.0 m×6.5 m，密度 284株/hm2，保存率 92%，平均樹高 2.30 m、胸徑 2.07 cm、冠幅1.34 m2，郁閉度4%，林草覆蓋度56%，林木生長發育正常。

3.3.2 產流區草地生物量

2011 年樣地觀測結果表明，紫花苜蓿密度為31叢/m2，第一茬紫花苜蓿的平均高度為27 cm、蓋度為56%，產草量鮮重11 300 kg/hm2、干重3 170 kg/hm2。與多年平均生長量相比，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 生態效益

據安定區林業局資料，2000—2010年實施生態林建設6.64萬hm2，其中完成退耕還林(草)工程3.25萬hm2(還林0.97萬hm2，還草2.28萬hm2)。全區造林保存面積由1999年的3.82萬hm2增加到2010年的10.73萬 hm2，增長了180.89%;有林地面積增加了1.34萬hm2，增長了98.7%，森林覆蓋率由工程實施前的9.8%提高到11.2%，林草覆蓋率達到19.45%。退耕還林區水土流失得到全部攔蓄，項目區小流域土壤侵蝕模數由治理前的5 640 t/(km2·a)下降到現在的1 600 t/(km2·a)。

3.4.2 經濟效益

2000—2010 年共完成退耕還草2.28萬hm2，其中:收草田達1.76 萬 hm2，占 77.2%，增產率 11.6% ～19.1%;收種田達0.52 萬 hm2，占22.8%，增產率 27.7% ～43.8%。項目實施期內每年產青干草1 443萬kg，產優質牧草種子16萬kg，可飼養羊3 500個羊單位。按照《水土保持綜合治理效益計算方法》(GB/T15774—2008)的規定計算，退耕還草地與農坡地相比，2000—2011年累計產出凈效益4.25億元。

3.4.3 社會效益

安定區在退耕還林工程中采取的隔坡水平階徑流調控工程，促進了土地利用結構的調整和人與自然和諧發展，取得了保持水土，恢復植被，改良土壤，近草、中材、遠材效益兼顧的良好效果，帶動了馬鈴薯、畜草、勞務特色產業的迅速發展，實現了生態和經濟、社會效益的共贏。安定區采取林草間作治理模式，在新建牧草基地3.67萬hm2的基礎上，配飼料、改圈舍、引良種，實現了草多—畜多—肥多—糧多—錢多的良性循環，全區畜牧業產值比退耕前增加了44.5%，每年人均畜牧業收入達400 多元［10］。

4 結論與討論

(1)徑流調控工程土壤增墑效果顯著。據定西市水保所、林科所研究資料，側柏根系吸水區在3 m深度范圍內，主要吸水區在2 m深度范圍內。采用反坡梯田整地(集流比1∶1.5)營造的側柏林，2 m深度范圍內土壤含水率平均為4.5% ～5%;按降水保證率為75%設計的隔坡水平階，在林草植被共生的條件下，遇極端干旱天氣，林地(集流比1∶3.33)2 m深土層內土壤含水率保持在6.95%，側柏根系層保持在6.63%，具有明顯的土壤增墑效果，提高了林地的可持續性。

(2)經過10余年的生長，側柏林還處于幼林期;而紫花苜蓿一般利用年限為10年左右，已接近衰退期，生產能力及抗旱性逐步衰退。如何選擇林草復合體下一個生長周期適宜的草種，維持牧草正常生長，以發揮正常的生態及經濟效益，是目前亟待解決的重要問題。

(致謝:本項研究得到了安定區畜牧獸醫局李順榮、安定區水保局王應剛、定西市林科所王秉忠高級工程師的大力支持與幫助，參加本項研究的還有劉志文、劉怡君、李孫偉、曹亞雄。)

［1］陳云明，劉國彬，楊勤科.黃土高原人工林土壤水分效應的地帶性特征［J］.自然資源學報，2004，19(3):195 －200.

［2］李裕元，邵明安.黃土高原氣候變遷、植被演替與土壤干層的形成［J］.干旱區資源與環境，2001，15(1):72 －77.

［3］汪習軍.對黃土高原水土流失治理的幾點認識［J］.中國水土保持，1999(12):17－19.

［4］楊文治，邵明安，彭新德，等.黃土高原環境的旱化與黃土中水分關系［J］.中國科學:D 輯，1998，28(4):357－365.

［5］郭廷輔，段巧甫.徑流調控理論是水土保持的精髓［J］.中國水土保持，2001(11):1－5.

［6］張富，余新曉，景亞安，等.黃土高原水土保持防治措施對位配置研究［M］.鄭州:黃河水利出版社，2007.

［7］陳鵬飛，陳麗華，張富.定西小流域治理的徑流聚散工程體系建設［J］.中國水土保持，2008(8):50－53.

［8］楊冰.定西市退耕還林(草)工程建設回顧與展望［J］.甘肅林業科技，2008，33(3):55 －58.

［9］張富，高嶙，趙克榮.水土保持植物措施與徑流調控工程對位配置數量化分析［J］.甘肅農業大學學報，2011，46(4):97－104.

［10］甘肅省林業廳退耕辦.甘肅省退耕還林工程建設成績斐然［J］.甘肅林業科技，2011(4):10－13.