黄土高原水土保持植物措施蓄水保土效益研究

　　摘要:黄土高原地区植被稀疏,坡陡沟深,土质疏松,水土流失严重,生态环境日益恶化。对黄土高原地区多年水土保持造林、种草和封坡禁牧等措施的蓄水保土效益及毁林毁草后水土保持效益减退情况进行的研究表明:沟谷林、沙棘林、人工林等均可有效地减少径流量和土壤侵蚀量,具有较好的蓄水保土效益;森林被破坏对流域年径流总量影响较小,对径流年内分配影响较大;在黄土高塬沟壑区退耕地种植草木樨,可有效地减少冲刷量和径流量。

　　关键词: 黄土高原; 水土保持; 植物措施; 蓄水保土

　　中图分类号: S157. 2　　文献标识码: B　　doi: 10. 3969 / j. issn. 1000 - 1379. 2010. 05. 036

　　黄土高原大部分地区植被稀疏,坡陡沟深,土质疏松,水土流失严重,不仅造成土地日益瘠薄、生态环境日益恶化,而且大量泥沙下泄造成黄河下游河道淤积。造林、种草及生态修复是水土保持的一项重要措施,在黄土高原蓄水保土方面发挥了巨大效益。

　　1　造林蓄水保土效益研究

　　1. 1　沟谷林蓄水保土效益

　　黄土高塬沟壑区南小河沟支流杨家沟流域面积为0. 87hm2 , 1954—1955年种植刺槐、杨树、柳树、沙棘等,林地面积达到总面积的40% ,其中80%的林地集中在沟谷部位。沟谷林的年生长量是梁、峁坡的22 倍,草生长状况也较好。1954—1956年在林木还未生长起来的情况下,植树坑、土谷坊、柳谷坊的减沙效益分别为58. 8%、79. 3%、71. 9%; 1957年由于工程拦蓄结束,且在当年大暴雨中基本被冲毁,因此平均减沙效益降为31. 0%; 1958—1965年平均减沙效益为92. 6%; 20世纪七八十年代,杨家沟沟谷刺槐等成材被伐而未进行补植,郁闭度下降到了40% ,平均减沙效益降低为72. 8%。1980年8月2日,杨家沟降雨量(5年一遇)为70. 4 mm,在塬面无治理、大量塬水下塬、沟谷林减少约50%的情况下,减沙效益为71. 4%;1988年7月23日,杨家沟发生2. 5 h降雨量为44. 7 ～135. 1mm的罕见短历时特大暴雨,其沟床侵蚀数量仅为与其相邻的未治理的董庄沟的8% ,流域产沙模数减少约85%。

　　南小河沟流域上游从1952年开始重点治理塬面和梁峁坡面,未造沟谷林,其减沙效益: 1954—1960年为47. 9% , 1961—1976年为45. 8% , 1977—1990年为49. 9%。该减沙效益还包括上游3座坝库对沟床稳定的减沙作用,约为20% ,即塬、梁、峁坡治理的实际减沙效益仅为26% ～30%[ 1 ] 。黄土丘陵沟壑区子午岭天然林区石桥流域中下游梁、峁、坡面已大量垦种,但保持了一定的沟谷林,减沙效益达95%。

　　1. 2　沙棘林蓄水保土效益

　　子午岭南部的中湾林场天然沙棘林郁闭度高、林相结构稳定,存在枯落物层,其地上部分截留、持水量约为5 mm,一般可完全消除小雨(降水量< 2. 5 mm /h) ,林地不产生径流。沙棘林冠最大截留量和枯落物最大持水量是黄蔷薇、栒子木、狼牙刺、虎榛子4种灌木的1. 9～9. 7倍和1. 3～10. 3倍。沙棘林地的稳渗速度取决于非毛管孔隙度的大小,其表土稳渗速度为6mm /min,与农地有显著差异,与黄蔷薇、油松林地的稳渗速度接近。沙棘林地可有效地消除中雨(2. 5～8 mm /h) 、大雨(8～16 mm /h)所产生的地表径流;暴雨( ≥16 mm /h)时,虽可产生地表径流,但不会发生泥沙流失。沙棘根系可较好地网络、凝结土体,防止水力冲刷和重力侵蚀,沙棘主根长2～3 m,水平延伸的侧根在表土层0～40 cm内形成根系密集层,其根量占全剖面的73%。

　　镇原县武沟乡5龄人工沙棘林郁闭度为50%～70% ,树冠紧密遮蔽,雨滴不能直接撞击地面形成土壤溅蚀,加之有5～10mm枯落物层的吸收和拦截,使雨水缓缓流下,比天然荒坡减少径流83%、减少泥沙81%～93%[ 3 ]。

　　1. 3　泻溜红土营造沙棘林后的土壤改良效益

　　黄土高塬沟壑区泻溜红土栽种沙棘后,沙棘及其逐渐形成的灌草群落根系的生理代谢及直接松土作用、土壤酶与微生物的生化作用、土壤下渗能力增强后形成的淋溶作用等,使无层次变化的泻溜红土形成了0～14 cm、14～24 cm、24～50 cm、大于50 cm的剖面层次,土壤结构由块状向粒状以至团粒状发展;表土层容重由红土的117 g/ cm3 下降为与黄土接近的113g/ cm3 ;总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度都有一定程度的提高;水稳性团粒开始出现,土壤有机质、速效养分含量有所增加,土壤酶活性提高。泻溜红土栽植的10龄沙棘林的林冠最大截留量为3. 4 mm,枯落物的最大持水量为2. 7 mm,土壤毛管持水量为32. 8% ,饱和持水量为34. 7% ,表土蓄水能力达5. 9mm,累计蓄水能力达12 mm,使降水得到分层拦截后最大限度地就地入渗;重力侵蚀物被沙棘就地拦截,坡下部未见有泥流现象;可产薪柴12 540 kg/hm2 (干重) ;可采鲜叶9 501 kg/hm2 ,营养成分较当地主要牧草高,且牲畜的适口性好[ 4 ]。

　　1. 4　人工林蓄水保土效益

　　天水吕二沟流域人工林地面积为354. 53 hm2 ,占该流域治理措施总面积的59% ,年均减水量为9. 229 万m3 ,占总减水量的53. 4% ,平均减水量为261 m3 / ( hm2 ?a) ;年均减沙量为1. 43 万t,占总减沙量的50. 3% ,平均减沙量为40. 35 t / ( hm2 ?a) [ 5 ] 。

　　2　种草蓄水保土效益研究

　　2. 1　退耕还草蓄水保土效益

　　在黄土高塬沟壑区退耕地种植草木樨后,退耕地当年径流量为47 440 m3 /km2 ,冲刷量为17 860 t/km2 ,约为麦田径流量12 430 m3 /km2 的3. 82倍、冲刷量4 260 t/km2 的4. 19倍。2年生草木樨开始发挥作用后,径流量为2 005 m3 /km2 ,冲刷量为116. 3 t/km2 ,比麦田径流量9 238 m3 /km2 减少78% ,比麦田冲刷量1 137 t/km2 减少89. 8%。在荒坡天然草场种植草木樨,第一年因土壤疏松,牧、草生长量小,覆盖度较原来低,地表较长时间(汛期)处于疏松裸露状态,故径流发生次数比天然荒坡多1倍[ 6 ]。

　　2. 2　豆科牧草对黄绵土生态因素的影响

　　在黄土高塬沟壑区黄绵土坡地上种植多年生紫花苜蓿、红豆草、越年生冬小麦和一年生黄豆,进行径流试验,结果表明:①控制水土和养分流失的效果,红豆草>苜蓿>裸地>黄豆;②提高土壤肥力、增强土壤生物及酶活性方面,苜蓿作用最好,红豆草次之,黄豆最差; ③拦蓄暴雨,使地表水入渗的效果,红豆草最好,苜蓿次之,冬小麦较差; ④利用自然资源,将无机元素转化为有机成分作用方面,苜蓿好于红豆草,红豆草好于冬小麦[ 7 ]。

　　2. 3　香豌豆、牧场草、黄兰沙梗草蓄水保土效益

　　黄土高塬沟壑区多年生香豌豆草层稠密,根系十分发达,水土保持效果好,其结荚期最大截流率为23. 27% ,最大截流量为1. 86 mm,是紫花苜蓿的2. 7倍,比天然中国沙棘林的最大截流量(1. 35 mm)还大[ 8 ]。牧场草横向伸展的根茎与土壤紧密结合在一起形成坚固的草皮,经得住风的侵袭、水的冲刷,其最大截留率为38% ,最大截流量为1. 1～1. 9 mm,对降雨特别是暴雨的消化作用很强[ 9 ]。黄兰沙梗草为疏丛型草类,根系发达、茎秆粗壮,其最大截流率为14. 07%～14. 78% ,最大截流量为0. 45～0. 57 mm,可以起到较好的抗蚀防冲作用[ 10 ]。

　　2. 4　人工草地蓄水保土效益

　　天水吕二沟流域人工草地面积为29. 53 hm2 ,占该流域治理措施总面积的4. 9% ,年均减水量为0. 764 万m3 ,占总减水量的4. 4% ,平均减水量为258 m3 / ( hm2 ?a) ; 年均减沙量为0. 1万t,占总减沙量的3. 5% ,平均减沙量为35. 1t / ( hm2 ?a) [ 5 ] 。

　　3　毁林毁草后蓄水保土效益减退情况

　　3. 1　子午岭天然林毁林开垦后水沙特性变化

　　新中国成立以来,子午岭林区泾河流域森林面积减少了917. 4 hm2 ,毁林开垦造成流域增水、增沙。当小流域林地覆盖度为40%、较大流域林地覆盖度为60%时,侵蚀速度等于成土速度,也是森林采伐的临界限。华池县北部7乡原属子午岭林区,原林地面积占43. 76% ,沟道密度为0. 75 km /km2 ,年径流深为19. 6 mm,侵蚀模数为260 t/ ( km2 ?a) ,现已成为丘陵沟壑农牧区,林地面积仅占4. 51% ,沟道密度为1. 45 km /km2 ,年径流深为31. 4 mm,侵蚀模数为8 039 t/ ( km2 ?a) 。森林被破坏对流域年径流总量影响较小,但对径流年内分配影响较大。

　　3. 2　泾河流域人为开荒新增水土流失

　　泾河流域人为开荒新增水土流失有两种,一种是陡坡开荒(非林地开荒) ,另一种是毁林开荒。林区开垦为农地后,径流量增加为林地的1. 8倍,土壤流失量增加为林地的113. 5倍;翻耕裸露地的土壤流失量为林地的52倍,农地弃耕撂荒后,侵蚀量迅速下降,仅为林地的4. 6倍。子午岭林区森林平均拦蓄暴雨径流的70% ,最高达90% ,消减洪峰流量在60%以上,拦泥效益达99% ～100%。截至1996 年, 泾河流域陡坡开荒( > 25°的坡耕地)面积为10. 57万hm2 ,陡坡年冲刷量比天然荒坡年冲刷量大6 570～6 600 t/km2 [ 11 ]。

　　4　封坡后蓄水保土效益研究

　　影响林地减洪、减沙能力的指标主要有覆盖度、有无枯枝落叶层、有无工程整地措施等,影响草地减洪、减沙作用的指标主要为盖度。依据上述指标将林地和草地划分为3类质量等级:第一类是林地有工程整地措施,覆盖度在60%以上,有枯枝落叶层,草地盖度在70%以上,具有很强的拦洪拦沙能力;第二类是林地有工程整地措施,覆盖度为40% ～60% ,草地盖度为45%～70% ,具有一定的拦洪拦沙能力;第三类是林地无工程整地措施,覆盖度在40%以下,草地盖度小于45% ,拦洪拦沙能力较差[ 12 ]。

　　1970—1996年黄河中游河龙区间林地、草地年均减洪量分别占水土保持措施年均减洪量的29. 3%和2. 2% ,年均减沙量分别占水土保持措施年均减沙量的25. 1%和2. 3%;泾河流域林地、草地年均减洪量分别占水土保持措施年均减洪量的3411%和6. 1% ,年均减沙量分别占水土保持措施年均减沙总量的42. 3%和7. 8%;北洛河流域林地、草地年均减洪量分别占水土保持措施年均减洪量的36. 8%和2. 0% ,年均减沙量分别占水土保持措施年均减沙量的46. 0%和2. 5%;渭河流域林地、草地年均减洪量分别占水土保持措施年均减洪量的26. 6%和712% , 年均减沙量分别占水土保持措施年均减沙量的816%和5. 8%[ 12 ]。

　　天水吕二沟流域封坡草地为52. 93 hm2 ,年均减水量为11062万m3 ,占总减水量的6. 2% ,平均减水量为201 m3 / ( hm2 ?a) ;年均减沙量为0. 186万t,占总减沙量的615% ,平均减沙量为35. 1 t/ ( hm2 ?a) [ 5 ]。

　　参考文献:

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　　作者简介:王斌(1965—) ,男,甘肃镇原人,高级工程师,主要从事水土保持研究工作。