楊萬(wàn)芳, 張 富, 邢自生, 趙 越

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070; 2.加拿大新布倫瑞克大學(xué) 林業(yè)與環(huán)境管理學(xué)院, 弗雷德里頓, NB E3 B6 C2, 加拿大)

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定西市安定區(qū)退耕還林地徑流聚集工程的土壤增墑效果

楊萬(wàn)芳1, 張 富1, 邢自生2, 趙 越1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070; 2.加拿大新布倫瑞克大學(xué) 林業(yè)與環(huán)境管理學(xué)院, 弗雷德里頓, NB E3 B6 C2, 加拿大)

摘要：[目的] 分析退耕還林地徑流聚集工程的土壤增墑效果，為改善林地土壤水分供給研究提供依據(jù)。[方法] 通過(guò)對(duì)甘肅省定西市安定區(qū)退耕還林地中徑流聚集工程形式和造林模式的調(diào)查研究,分析半干旱地區(qū)隔坡水平階、隔坡反坡臺(tái)、正方形聚流坑、燕尾式聚流坑不同整地方式下林地增墑效果及其林草的生長(zhǎng)發(fā)育狀況。[結(jié)果] 徑流聚集工程具有明顯的土壤增墑效果,在徑流聚集工程作用下喬木樹(shù)種單株水分供給總量達(dá)2.54～4.29 m3/(株·a),灌木樹(shù)種單株水分供給總量達(dá)1.42～1.79 m3/(株·a),2 m土層內(nèi)含水率達(dá)到8.76%～11.40%,土壤水分基本滿足了林草植被的正常發(fā)育需求,林草生長(zhǎng)旺盛。[結(jié)論] 在同類地區(qū)的人工林建設(shè)中可選擇適宜的樹(shù)種與相應(yīng)的徑流聚集工程結(jié)合,改善林地土壤水分供給狀況。

關(guān)鍵詞：退耕還林; 徑流調(diào)控工程; 土壤水分; 植被生長(zhǎng)

文獻(xiàn)參數(shù)： 楊萬(wàn)芳, 張富, 邢自生, 等.定西市安定區(qū)退耕還林地徑流聚集工程土壤增墑效果[J].水土保持通報(bào)，2016,36(3)：8-12.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.003

長(zhǎng)期以來(lái)，黃土高原地區(qū)由于降雨量小和造林地樹(shù)種選擇不當(dāng)，滿足不了林木生長(zhǎng)發(fā)育需求，導(dǎo)致該區(qū)域的人工植被出現(xiàn)“土壤干化”現(xiàn)象[1-3]。為解決這個(gè)問(wèn)題，安定區(qū)在退耕還林(草)工程建設(shè)中，以林草措施對(duì)位配置為前提，以徑流調(diào)控理論為指導(dǎo)，以徑流聚集工程為依托，堅(jiān)持植物措施與工程措施有機(jī)結(jié)合、喬灌草相結(jié)合的原則[3-5]，根據(jù)不同區(qū)域降雨特征和雨水徑流聚集效果，在其北部和南部地區(qū)實(shí)施了以隔坡水平階、隔坡反坡臺(tái)和正方形聚流坑、燕尾式聚流坑等為主要形式的林地徑流聚集工程[6]，提高了降雨徑流的收集、存貯、利用效率，有效地改善了林地土壤水分利用狀況，大幅度提高了人工林成活率、生長(zhǎng)量和對(duì)干旱災(zāi)害的抵御能力，探索出了喬、灌、草帶間混交的對(duì)位配置治理模式，取得了顯著的成效[7-10]。本文對(duì)徑流聚集工程營(yíng)林10 a后土壤含水率變化、土壤增墑效果、抗旱性能[11]，以及主要造林樹(shù)種的生長(zhǎng)發(fā)育狀況等后續(xù)效應(yīng)進(jìn)行了研究與評(píng)價(jià)。

1研究區(qū)概況

安定區(qū)位于甘肅省中部，水土保持區(qū)劃屬黃土丘陵溝壑區(qū)第Ⅴ副區(qū)，地理位置104°12′—105°01′E，35°17′—36°02′N，總流域面積3 638 km2，海拔1 750～2 580 m，全區(qū)多年平均降雨量422.0 mm，其中南部年降雨量為480.0 mm，中部為425.6 mm，北部為355.0 mm，多集中在7—9月，占年降水量的60%～80%，年均蒸發(fā)量1 510 mm，年平均氣溫6.3 ℃，極端最高氣溫34.3 ℃，極端最低氣溫-27.1 ℃，平均相對(duì)濕度64%，無(wú)霜期141 d。全區(qū)總?cè)丝?5.31萬(wàn)人，其中農(nóng)業(yè)人口36.26萬(wàn)人，人均純收入3 101元。2000—2010年實(shí)施生態(tài)林建設(shè)6.51×104hm2，其中完成退耕還林(草)工程3.24×104hm2(還林9 700 hm2，還草2.27×104hm2)，荒山造林3.27×104hm2。至2010年全區(qū)造林保存面積增加到1.07×105hm2，森林覆蓋率提高到11.2%，林草覆蓋率達(dá)到19.45%。

2材料與方法

(1) 年降雨量觀測(cè)。采用2001—2014年定西市林科所(安定區(qū)北部)、安家溝徑流試驗(yàn)場(chǎng)(安定區(qū)中部)、安定區(qū)香泉鄉(xiāng)(安定區(qū)南部)2001年1月至2014年12月雨量觀測(cè)資料。

(2) 徑流聚集工程設(shè)計(jì)。根據(jù)安定區(qū)南北部氣候、降雨、海拔、土壤、造林樹(shù)種等立地條件及水土流失特點(diǎn)的不同，按照《甘肅省小流域水土流失綜合防治工程建設(shè)技術(shù)規(guī)程》的要求，進(jìn)行了隔坡水平階、隔坡反坡臺(tái)(北部)和正方形聚流坑、燕尾式聚流坑(南部)4種徑流聚集工程的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)頻率年降水量選用定西市氣象站多年實(shí)測(cè)降水資料，采用P-Ⅲ型適線法分析計(jì)算，降雨頻率年降水量p=50%時(shí)為420.4 mm，p=75%時(shí)為361.6 mm，p=90%時(shí)為315.2 mm。其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：生產(chǎn)保證率≥50%；設(shè)計(jì)防洪頻率為0.5%，最大24 h暴雨徑流；林木生長(zhǎng)設(shè)計(jì)頻率年(≥75%)降水量為361.6 mm，設(shè)計(jì)頻率年2 m土層內(nèi)平均土壤最低含水率8%～10%；安全聚流比≥增產(chǎn)聚流比≥1；工程有效蓄水深≤50 cm，埂坎加高年限≥3～5 a；工程沿等高線布設(shè)；根據(jù)林木需水量(喬木林2.6 m3/(株·a)、灌木林1.3 m3/(株·a)，確定適宜的造林密度、栽植區(qū)面積和集水區(qū)面積[12]。2014年11月對(duì)研究區(qū)實(shí)施的徑流聚集工程規(guī)格、降雨徑流攔蓄性能、實(shí)際土壤含水量、營(yíng)林模式及樹(shù)草種生長(zhǎng)發(fā)育情況進(jìn)行了調(diào)查，不同徑流聚集工程規(guī)格及營(yíng)林模式見(jiàn)表1。

表1　不同徑流聚集工程規(guī)格及營(yíng)林模式

(3) 樣地選擇。根據(jù)安定區(qū)退耕還林(草)工程項(xiàng)目區(qū)北部、南部降雨量及主要營(yíng)林類型的差異，選擇了4塊代表性樣地(表2)，在樣地的中間部位確定樣方(面積400 m2)。

(4) 林木生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)查。調(diào)查樣地內(nèi)造林樹(shù)種及方式，造林密度及株行距(m×m)，胸徑(cm)，樹(shù)高(m)，林分蓄積量、郁閉度，林地坡向、坡度。林齡用造林檔案結(jié)合生長(zhǎng)錐、生長(zhǎng)輪測(cè)定；樹(shù)高用卷尺或測(cè)高儀測(cè)定；胸徑用卷尺或游標(biāo)卡尺測(cè)定；株行距、密度、冠幅用卷尺或皮尺測(cè)定；年生長(zhǎng)量通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)木的樹(shù)干解析進(jìn)行。

(5) 土壤水分觀測(cè)。取樣時(shí)間為2014年11月15—16日。在林地行內(nèi)株間取樣，每塊樣地4～5次重復(fù)，取樣深度為200 cm，每20 cm取樣1個(gè)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)共取土樣10個(gè)。采用烘干稱重法測(cè)定土壤含水率(占干土重%)。

表2　退耕還林工程調(diào)查點(diǎn)不同立地條件樣地統(tǒng)計(jì)

3結(jié)果與分析

3.1年降雨量分析

安定區(qū)年降雨量由南向北呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，年降雨量由南部的460～500 mm，中部的380～460 mm，遞減到北部的330～380 mm。安定區(qū)多年平均降雨量420.2 mm，研究期(2005—2014年)年平均降雨量418.9 mm，減少了0.31%，其中安定區(qū)北部(巉口)增加8.57%，南部(香泉)減少1.60%(表3，圖1)。

表3　安定區(qū)不同部位年降雨量分布

注：多年平均為1955—2004年；研究期為2005—2014年。

3.2林木水分供給量分析

3.2.1水分供給量分析調(diào)查結(jié)果表明，安定區(qū)徑流聚集工程均保存完好，林地內(nèi)集流面降雨徑流全部得到攔蓄，集水區(qū)泥沙淤積輕微。本研究采用安家溝徑流試驗(yàn)場(chǎng)(安定區(qū)中部)觀測(cè)資料，確定了安定區(qū)中部的研究期實(shí)際單位面積有效降雨量、單位面積聚流量。對(duì)沒(méi)有實(shí)測(cè)資料的安定區(qū)北部、南部，按中部的實(shí)測(cè)資料，根據(jù)北部、南部實(shí)際降雨量、植被覆蓋度對(duì)徑流系數(shù)進(jìn)行了訂正，最后確定了單位面積聚流量(表4)。

圖1　安定區(qū)北部、中部、南部降雨年際變化

根據(jù)表4數(shù)據(jù)，對(duì)4種徑流調(diào)控工程的產(chǎn)流及攔蓄效果進(jìn)行了計(jì)算(有效降雨量=單位面積有效降雨量×工程面積；工程面積=工程寬度×工程長(zhǎng)度；集流單元聚流量=單位面積聚流量×集流面積；水分供給總量=集流單元聚流量+有效降雨量；集流單元面積=單元隔坡產(chǎn)流區(qū)面積+單元水平階蓄水區(qū)面積)。結(jié)果表明，各樣地降雨、徑流總量基本達(dá)到或超過(guò)林木需水量設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其中側(cè)柏林單株水分供給總量達(dá)4.65 m3/(株·a)，山毛桃×檉柳林單株水分供給總量達(dá)1.65 m3/(株·a)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表4　安定區(qū)不同區(qū)域單位面積聚流量

表5　徑流聚集工程規(guī)格參數(shù)

注：長(zhǎng)度及面積均為水平距離和面積。

3.2.2土壤水分變化觀測(cè)結(jié)果表明，徑流聚集部位(水平階、反坡臺(tái))的土壤含水率要高于產(chǎn)流面(紫花苜蓿、荒坡)，如：隔坡水平階2 m土層內(nèi)的土壤含水率為11.40%高于集流面(紫花苜蓿)10.46%；隔坡反坡臺(tái)土壤含水率為8.76%高于集流面(荒坡)7.09%。說(shuō)明徑流聚集工程具有明顯的徑流聚集效果，林地對(duì)土壤水分的消耗得到了有效補(bǔ)償(圖2—3)。

圖2隔坡水平階集流面與水平階土壤含水率變化圖3隔坡反坡臺(tái)集流面與反坡臺(tái)土壤含水率變化

同時(shí)，集流面的大小對(duì)林地土壤含水率影響較大。正方形聚流坑單株集流面積平均為7.5 m2(云杉、沙棘分別為9.0，6.0 m2)，單株水分供給總量平均為1.92 m3/(株·a)〔云杉、沙棘分別為2.52和1.32 m3/(株·a)〕，林地2 m的土層土壤含水率為12.43%；而相鄰的燕尾式聚流坑集流面積12.0 m2，單株水分供給總量平均為3.10 m3/(株·a)，土壤含水率為16.91%。2種林分不同深度土壤含水率變化見(jiàn)圖4。

圖4　正方形、燕尾式聚流坑土壤含水率變化

3.3林木生長(zhǎng)效果分析

3.3.1安定區(qū)北部

(1) 林木總生長(zhǎng)量。側(cè)柏和山毛桃的保存率均為100%,檉柳保存率為45%。隔坡反坡臺(tái)山毛桃×檉柳混交林郁閉度為0.87,隔坡水平階側(cè)柏林郁閉度為0.24;隔坡反坡臺(tái)山毛桃、檉柳平均樹(shù)高為1.93,3.75 m,平均地徑為4.46,7.36 cm;隔坡水平階側(cè)柏平均樹(shù)高3.34 m,平均胸徑3.46 cm。不同立地條件下各樹(shù)種長(zhǎng)勢(shì)良好,生長(zhǎng)狀況詳見(jiàn)表6。

(2) 牧草總生長(zhǎng)量分析。根據(jù)安定區(qū)畜牧局、林業(yè)局多年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，多年生紫花苜蓿平均高度52～85 cm，第1茬鮮重16.8 t/hm2，干重5.11 t/hm2，第2茬鮮重9.62 t/hm2，干重2.30 t/hm2，年均鮮草產(chǎn)量22.42 t/hm2，年均干草產(chǎn)量6.48 t/hm2。按1990年不變價(jià)，采用《水土保持綜合治理效益計(jì)算方法》(GB/T15 774-2008)對(duì)比增量法對(duì)退耕還草后退耕地產(chǎn)出效益進(jìn)行了計(jì)算，退耕前農(nóng)坡地平均年產(chǎn)值(1990年不變價(jià))為1 440元/hm2，退耕后草地產(chǎn)值3 527元/hm2，每1 hm2增加產(chǎn)出效益2 087元[13]。

表6　安定區(qū)北部各樹(shù)種總生長(zhǎng)量統(tǒng)計(jì)

3.3.2安定區(qū)南部林木總生長(zhǎng)量分析。云杉×沙棘混交林中云杉、沙棘保存率為100%，云杉平均樹(shù)高3.94 m，郁閉度為0.8。

云杉純林保存率為90%，云杉平均樹(shù)高3.68 m，郁閉度為0.5。該立地條件下各樹(shù)種生長(zhǎng)狀況詳見(jiàn)表7。

表7　安定區(qū)南部各樹(shù)種總生長(zhǎng)量統(tǒng)計(jì)

4討論與結(jié)論

(1) 半干旱地區(qū)，徑流聚集工程通過(guò)對(duì)雨水徑流的攔蓄、存貯，為林木生長(zhǎng)發(fā)育補(bǔ)充了緊缺的雨水資源，有效緩解了林地土壤水分虧缺問(wèn)題，減輕了土壤干化程度，促進(jìn)了退耕還林(草)地林分的可持續(xù)性。

(2) 半干旱地區(qū)，依據(jù)造林地立地條件，適宜的造林樹(shù)種與徑流聚集工程形式確定以后，造林密度與林地土壤含水量、林木單株水分供給量的多少呈負(fù)相關(guān)，造林密度的控制成為影響人工林水分供給及林地土壤水分條件的主導(dǎo)因素。造林密度越大，林地土壤含水量、林木單株水分供給量越低，林地的可持續(xù)性降低。

(3) 由于半干旱地區(qū)自然條件嚴(yán)酷，適宜造林樹(shù)種較少，林木生長(zhǎng)緩慢，經(jīng)濟(jì)效益低下，因此在營(yíng)林模式的選擇上，要針對(duì)氣候資源及植被分布的特點(diǎn)，適宜發(fā)展耐旱喬灌木(云杉、側(cè)柏、油松、沙棘、山毛桃、檸條等)與適宜草種(紫花苜蓿等)的帶間混交模式。一是草地當(dāng)年即可發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益，紫花苜蓿可達(dá)10 a以上，使農(nóng)民經(jīng)濟(jì)效益與國(guó)家生態(tài)效益有機(jī)結(jié)合，調(diào)動(dòng)兩個(gè)積極性；二是使草地的早期效益與林地的長(zhǎng)期效益有機(jī)結(jié)合；三是這種模式可以充分利用草地徑流，為下部林地(徑流聚集工程)提供可利用的雨水徑流，可有效地提高林地的可持續(xù)性。

(4) 經(jīng)過(guò)10 a余的生長(zhǎng)，林木還處于幼林期，今后林木需水量還會(huì)增加，因此要加強(qiáng)徑流聚集工程的管護(hù)及幼林地的撫育管理工作，在保證林木水分補(bǔ)給的前提下，實(shí)時(shí)調(diào)整林木密度，確保林地土壤水分的供需平衡。

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收稿日期：2015-06-03修回日期：2015-08-30

通訊作者：張富(1961—),男(漢族),甘肅省定西市人,博士,研究員,主要從事小流域水土保持防治措施對(duì)位配置研究。E-mail:fuzhang001@163.com。

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2016)03-0008-05

中圖分類號(hào)：S157.2

Effects of Runoff Gather Engineering on Soil Moisture Conservation in Forest Land Converted from Cropland in Anding District of Dingxi City

YANG Wanfang1, ZHANG Fu1, XING Zisheng2, Zhao Yue1

(1.CollegeofForestry,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China;2.FacultyofForestry&EnvironmentalManagement,UniversityofNewBrunswick,Fredericton,NBE3B6C2,Canada)

Abstract：[Objective] To analyze the effects of runoff gather engineering on soil moisture conversation in afforestation land converted from cropland in order to provide the basis for improving soil water supply in planted forest. [Methods] With an intensive survey on the runoff gather engineering and afforestation types, we investigated soil moisture conservation and growth and development of tree and grass under different site preparation practices including slope-separate flat terrace(SSFT), slope-separated reversing sloping terrace(SSRST), cone-shape focused fluid pit(CFFP), Swallow-tail-shape focused fluid pit(SFFP) in the region of returning farmland to forest land in Anding district of Dingxi City, Gansu Province. [Results] The runoff gather engineering increased soil moisture and improved water supply to the plants greatly. The total water supply for individual tree reached to 2.54～4.29 m3/a, and it reached to 1.42～1.79 m3/a for an individual bush. Soil moisture within the 2 m soil depth varied from 8.76% to 11.40%, which satisfied the water demand for the growth and development of trees and grasses. [Conclusion] Feasible runoff gather engineering practices combined with suitable tree species, can improve soil water supply in planted forest.

Keywords:converting farmland to forest land; runoff gather engineering; soil moisture; vegetation growth

資助項(xiàng)目：甘肅省科技支撐計(jì)劃—社會(huì)發(fā)展類項(xiàng)目“祖厲河流域面源污染機(jī)理和治理技術(shù)研究”(1204FKCA170)

第一作者：楊萬(wàn)芳(1988—),女(漢族),甘肅省蘭州市人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗帘３帧-mail:695826258@qq.com。