半干旱區微集水系統土壤水分調控效果研究

董彥麗，張 富，楊彩紅，吳東平，李旭春，張佰林

（1.甘肅農業大學 林學院，甘肅 蘭州730070；2.定西市水土保持研究所，甘肅 定西743000）

土壤水是陸地生態系統中水體的重要組成部分，大氣降水是土壤水的主要來源。由于半干旱區降雨量少、蒸散量大，暴雨集中、水土流失嚴重，有限的土壤供水難以滿足人工林生長需求，土壤出現“干化”現象，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影響人工林生長發育的最大限制因子［1－4］。近些年，針對梯田［5］、水平溝［6］和魚鱗坑［7］等單項整地措施的土壤水分及水土保持效應研究較多，在綜合研究徑流調控工程方面，則主要集中在建設小流域徑流調控體系［8］，優化設計和布局工程結構［9］，社 會 經 濟 效 益［10］及 提 高 降 水 資 源 利 用 率［11－12］等方面。

定西市安定區地處西北黃土高原半干旱丘陵地區，土層深厚，地下水埋藏較深，天然降水是土壤水的唯一來源，也是植物生長發育的主要限制因子。為解決該地區土壤供水不足問題，安定區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、植物措施與徑流調控工程對位配置入手，通過攔蓄降水徑流，減少水土流失，提高土壤含水量，增加土壤水分供給，以達到或促進徑流林業可持續發展的目的［8，13－15］。對安定區徑流調控工程實施初期的研究表明［9，13－15］，徑流聚集工程能夠有效改善土壤水分環境，提高造林成活率和林木生長量，但在徑流調控工程實施的后續效果方面研究較少。安定區2008—2011年連續4a遇到頻率為75%以上的中等干旱災害，本研究通過實時調查徑流調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發育狀況，總結退耕還林工程微集水系統土壤水分調控的實際效果，了解連續干旱對土壤貯水量和植被生長影響程度，以期為今后優化徑流聚集工程設計及林草措施配置提供借鑒和參考。

1 研究區概況

安定區位于甘肅省中部，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℃，平均相對濕度64%，無霜期144d；多年平均降水量420mm，多集中在7—9月，占年降水量的60%～80%，年均蒸發量1 536mm。土壤類型以黃綿土為主，多為粉質壤土，土層深厚，土質較松，適耕性強。

2 研究方法

（1）樣地選擇。選擇趙家鋪流域2001年實施完成的退耕還林（草）徑流調控工程隔坡水平階為研究區，以梯田（農地）作為對照。隔坡水平階隔坡為產流區（種植紫花苜蓿），水平階（營造側柏林）攔蓄隔坡徑流為蓄水區，樣地海拔2 032m，半陰坡中部；對照地梯田海拔1 996m，農作物為馬鈴薯。

（2）徑流調控工程設計標準。工程按降水保證率75%（P≥75%）設計；工程攔蓄標準為200年一遇最大24h暴雨徑流；設計聚流比按照《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）要求為：安全聚流比≥增產聚流比≥1；設計林木需水量為1.3～2.6m3／株；根據水土保持功能的不同，將單個水平階寬度（此處等于側柏林株距5m）與所對應的隔坡長度（此處等于側柏林行距6.5m）作為隔坡水平階的一個單元，一個隔坡水平階單元分為產流區和蓄水區2個區。產流區隔坡長5m，寬5m，面積25m2；蓄水區水平階面寬1.5m，長5m，面積7.5m2；每個單元控制面積32.50m2。

（3）徑流、泥沙觀測。觀測點位于安家溝徑流試驗場，觀測小區面積5m×10m，坡度15°，農坡草地，草種為紫花苜蓿，海拔2 010m，半陰坡中部。每次降雨產生徑流后，先量算徑流池內水的總體積，計算徑流量；攪拌均勻后重復3次取水和泥沙的混合樣品，沉淀后取泥沙烘干，計算對應的產沙量［16］。觀測時間為2002—2011年。

（4）林草植被調查。調查徑流調控工程不同工程部位（產流區、蓄水區）林草植被高度、胸徑、冠幅、生長量和保存率等。用樹冠投影法測定林木郁閉度，用方格網法測定植物蓋度（樣方面積2m×2m）。調查時間為2011年8月16日。

（5）土壤容重及土壤水分測定。用環刀法測定0—100cm內土壤容重，每10cm取樣1個，3次重復。采用烘干法測定0—200cm土層不同工程部位（產流區、蓄水區），0—60cm內每10cm取樣1個，60—200cm內每20cm取樣1個，3次重復。測定時間為2011年8月16日。

（6）蒸散量計算。試驗區位于黃土高原，土層深厚，土壤水分循環不受地下水的影響，而且生長季內炎熱干旱的氣候使得氣態水的凝結量幾乎為0［12］，依據水量平衡原理，在無灌溉條件下，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——某一時段內土壤貯水量變化值（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——降雨產生地表徑流量（mm）。

3 結果與分析

3.1 降雨量分析

降雨年際變化。2001—2011年研究區降雨量見圖1。按照《甘肅省小流域綜合治理工程技術管理規程（實行）》中對不同頻率年降水量（P%）的劃分標準，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%）的降雨量標準分別為590，510，431，361，304mm。以此為據，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 研究區降雨量年際變化

降雨量年內變化。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≥10mm的有效降水，8個月共降雨91.6mm，是同期平均數的65%。

圖2 研究區降雨量年內變化

3.2 徑流調控工程攔蓄徑流、泥沙量分析

據調查，徑流調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）徑流觀測資料（表1），2002—2011年平均徑流深為12.04mm，徑流系數為2.9%。對隔坡水平階2002—2011年產水產沙能力進行計算結果表明，25m2產流區年均產流0.3m3，產沙3.96kg，全部被水平階攔蓄。

表1 隔坡水平階徑流、泥沙計算結果

3.3 林草植被生長量分析

據調查，蓄水區側柏長勢良好，無干梢、枯葉現象，平均樹高2.30m，胸徑2.07cm，冠幅1.34m2，保存率達92%；隔坡水平階產流區產草量為鮮重11.30t／hm2，干重3.17t／hm2，與前10a平均產量（22.53t／hm2（鮮），6.48t／hm2（干））相比下降了約50%（表2）；對照梯田種植的馬鈴薯受旱嚴重，產量只有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情況

3.4 徑流調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，研究區相比同期有效降水量減少35%。觀測表明，觀測時隔坡水平階產流區（紫花苜蓿，下同）2m土層土壤含水率達7.05%，高于蓄水區（側柏，下同）的6.63%，這種差異主要來源于0—60cm土壤水分的差異，60—200cm土層兩者無顯著的差異。依據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個明顯不同的區域。隔坡水平階3個區域土壤含水率呈現出低—高—低的變化，淺層土壤受自然降雨和植物根系影響較大，呈現出含水低、變幅大的特點，此層紫花苜蓿土壤含水率為7.74%，側柏為6.28%，變幅紫花苜蓿為27%，側柏為43%；中層土壤是剖面含水率最高的區域，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%），體現了林草植被對土壤水分長期利用的結果。而對照區梯田2m土壤含水率達7.89%，高于隔坡水平階產流區與蓄水區，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（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%，比觀測時隔坡紫花苜蓿7.05%高出2.12%，淺層和深層失水最為強烈。反坡梯田側柏林2m多年平均含水率為5.90%，比觀測時水平階側柏林的6.63%還要低0.73%，說明水平階側柏林抗旱效果好于反坡梯田側柏林。水平階側柏林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坡地最高，達到12.22%，其次為梯田9.98%。觀測時對照區梯田降為7.89%，隔坡水平階更低僅為6.95%。在0—120cm土層，隔坡水平階與對照區梯田土壤含水率相差不多，變化規律相似；120—200cm土層，隔坡水平階土壤含水率明顯低于對照區梯田，說明多年生的紫花苜蓿和側柏根系較深，對土壤水分的耗散大于一年生的農作物。

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）不同土地利用類型土壤貯水量變化。農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條件差、產出水平低，故而對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）達到325.06mm。農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和梯田生產性能的提高，對土壤水分的耗散也隨之增加，導致土壤貯水量下降，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給，側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11a生產運行后，隔坡水平階在研究時段內土壤貯水量減少158.21mm，年均減少15.6mm，林草地年均蒸散量為428.6mm。對照地梯田在研究時段內土壤貯水量減少了135.56mm，年均減少13.4mm，年均蒸散量為426.4mm。其中，產流區共產生徑流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；蓄水區側柏林共攔蓄徑流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，高于產流區紫花苜蓿草地（表4）。

表3 不同措施觀測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狀況。

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

（3）正常年份2m土層，農坡地土壤含水率最高，達到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柏根系較深，耗水量大，使土壤含水率低于對照區梯田，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，對照區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）隨著側柏的生長，其需水量還會增加，紫花苜蓿生長期限為10a左右，隨著紫花苜蓿生長勢的衰退，地表覆蓋度的降低，產流率將會提高，對下方蓄水區林地土壤水分的補給將會加強，但是否能夠補償側柏林蒸散量的需求，還有待進一步研究。

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