甘肃中北部黄土丘陵沟壑区水土保持主要措施效应研究——以兰州市孙家岔流域为例

景凌云，费喜亮，张新民，孙浩峰，吴玉锋，刘 敏，金 毅

(1.甘肃省水土保持科学研究所，甘肃兰州 730020;2.兰州大学资源环境学院，甘肃兰州 730000)

甘肃中北部黄土丘陵沟壑区是黄土高原黄土丘陵沟壑区第五副区的一部分，该区水土流失严重、自然条件严酷，水土流失给农业生产和经济发展带来了严重的危害，如农坡地土壤层变薄、沟道水利和水土保持工程使用年限降低或寿命缩短等。

水土流失的形成过程比较复杂，影响因素众多，尽管国内外不少学者研究了在自然降雨以及不同下垫面等综合因素下形成地表径流和土壤侵蚀的规律［1］，但这多是基于其他地区的实测数据或者是模拟实验，且大多具有理论性强的特点。对于本地区而言，虽然有各种不同的水土流失治理措施，但对适合本地的主要水土保持措施效应的系统性研究并不多见。本文以孙家岔流域为例，研究收集已完成的“黄河中游水土保持小流域综合治理试验示范——榆中县孙家岔鉴定验收资料汇编”项目1979—1986年的不同土地利用类型土壤水分观测资料、梯田和沟台地的不同作物产量资料、水土保持林地的土壤水分资料，并于2011年7—10月加测了不同土地利用类型的土壤水分。根据试验设计要求用土钻取出不同深度的土壤样品，最大取土深度为200 cm，烘干法测定土壤水分。土壤水分监测点中，同一土地利用类型每次随机取9～11个土壤剖面，每隔10天取样一次，对不同土地利用方式的样品每天尽量一次取完，每个样2～3次重复。统计分析2010、2011年梯田和沟台地不同农作物的产量数据。

1 研究区概况

甘肃中北部黄土丘陵沟壑区属干旱、半干旱地区，地貌类型属黄土高原丘陵沟壑区第五副区。立地条件差，海拔2 000 m以上的土地占90%以上，沟道比降一般在2.5% ～7.1%之间，耕地集中分布在各中、小流域上游梁峁、缓坡，下游几乎都是天然牧荒地。根据对孙家岔流域的现状调查，按地貌类型分类，5°以下较平坦梁峁地占11.0%，5°～15°缓坡地占26.0%，15°～25°坡耕地占30.0%，25°以上的陡坡地占21.3%;沟壑密度为 1.88 km/km2［2］。

根据多年实测资料，研究区内年降水量233～515.3 mm，多年平均降水量为300 mm左右，且年际变化大，6—9月降水量占全年降水量的70%以上［3］。孙家岔流域内荒坡植被盖度在15% ～45%之间，常见的植物有长芒草、短花针茅、冷蒿、早熟禾、铁杆蒿、百里香以及甘蒙锦鸡儿、藏锦鸡儿等;流域内无天然林，主要造林树种有榆树、杏树、河北杨、旱柳、柠条、沙棘等;种草多采用紫花苜蓿、沙打旺、草木樨等。

2 研究区内主要水土保持措施

孙家岔小流域的水土保持措施布局有下述特点:一是在梁峁顶沿等高线营造有以灌木为主的防护林，或窄带梯田(宽1.5～4 m)，林带多采用灌草行间混交，灌木为柠条、沙棘、柽柳、杞柳，草种有沙打旺、草木樨。二是在梁峁顶以下、农坡地以上陡坡地段的荒坡种植有防护林，且多实行灌乔株间混交，灌木有柽柳、柠条、毛条、沙棘，乔木有杨树、白榆和山杏;隔坡带多为人工草地。三是梯田和隔坡梯田主要建设在沟边线以上，25°以下较缓的坡面与滩地均修建连台梯田和隔坡梯田，并营造地埂防护林。四是村庄多位于梁坡中部和基部，水土流失防治措施主要是聚流林业和蓄水工程。五是对支沟以上沟道主要采取植物措施与工程措施相结合的方法进行治理，主沟道建设淤地坝，支毛沟底布设土谷坊群，以此拦截径流泥沙淤垫河道，提高土地利用率，沟坡两侧坡面整地营造防护林［4］。

3 结果与讨论

3.1 措施效应分析

3.1.1 梯田和沟台地效应

梯田主要分布在梁峁顶和比较平缓的坡面(大多小于15°)，沟台地则主要分布在比较宽阔的沟谷地带。相对于坡耕地，梯田和沟台地的效应主要表现在农作物的增产及对水土流失的控制效应上，这主要是通过贮存其本地的降雨和拦截其上部区域的降雨径流来实现的。

(1)梯田和沟台地的增产效应。表1是不同农业用地产量测算结果。

表1 不同农业用地产量测算结果 kg/hm2

由表1可看出，在枯水年，沟台地和梯田种小麦分别比坡耕地增产67%和50%，种玉米分别比坡耕地增产90%和60%，种土豆分别比坡耕地增产77%和54%;在平水年，沟台地和梯田种小麦分别比坡耕地增产63%和50%，种玉米分别比坡耕地增产57%和64%，种土豆分别比坡耕地增产173%和127%;在丰水年，沟台地和梯田种小麦分别比坡耕地增产45%和14%，种玉米分别比坡耕地增产67%和47%，种土豆分别比坡耕地增产79%和29%。因此，依年景不同，沟台地与坡耕地相比较，小麦、玉米、土豆增产幅度分别在45% ～67%、57% ～90%、77% ～173%之间;梯田与坡耕地相比较，小麦、玉米、土豆增产幅度分别在14% ～50%、47% ～64%、29% ～127%之间。

(2)梯田和沟台地改善土壤水分效应。不同年份7月份降雨量、蒸发量及土壤水分含量见表2。

由表2可知，在1981—1984年、2011年测取的5年数据里，梯田的土壤含水量明显高于农坡地、荒坡地、林地，其平均含水量分别高出农、荒、林地2.23、3.85和2.74百分点。这是因为梯田几乎贮存了本地全部的自然降水，也拦截了其上部或上游区域的降雨径流。

表2 不同年度7月份降雨量、蒸发量及土壤(0—180 cm)水分含量

3.1.2 隔坡梯田效应

孙家岔流域有部分隔坡梯田。根据甘肃省水保所试验研究，隔坡梯田的增产效应大于连台梯田而小于沟台地。通过对孙家岔流域内隔坡梯田的分析，在该类型区一般年份，如果修筑质量得到保证，隔坡梯田除了能够贮存本地几乎全部降水外，还可以安全拦截相同降雨条件下1～2倍于其本身面积的降雨径流。实践证明，隔坡梯田是干旱山区，特别是地广人稀山区一项拦蓄、利用径流，加快水土流失治理的重要措施。在地广人稀，水土流失治理任务重、难度大的干旱半干旱地区，应该尽可能修筑隔坡比小于2的隔坡梯田［5］。修筑隔坡梯田一是可以尽可能小的工程代价和劳动量，最大程度地控制水土流失，二是在遇枯水年时能使无效水尽可能变为有效水，以提高梯田生产的保证率。

3.1.3 水土保持林效应

研究区水土保持乔木林主要分布于路、渠、田、村等处，流域内个别地方有成片的乔木林但生长发育不良。乔木林在梁顶坡面部位的生长缓慢，但沟底及部分道路旁栽植的生长较快。

(1)水保林有利于改善土壤水分。林地的土壤含水率明显高于荒坡地土壤，按1981—1984年、2011年的5年平均数计算，林地的土壤含水率高出荒坡地土壤1.109百分点。与荒坡地表土壤相比较，人工林地表土壤在60和90 min两个时段内在静水条件下的地表渗水量都大于荒坡，可见人工林能够改善土壤结构，增强土壤渗透性。而在人工林地中，沙棘和柠条林地表土壤在相等时段内的渗水量明显大于乔木林地，如沙棘和柠条林地表土壤在60 min时段内，土壤渗水量分别比杨树林地高出42.0%和27.3%，分别比油松林地高出81.3%和62.7%。

(2)乔木林、灌木林耗水比较分析。根据对孙家岔流域的实地观测，在20年生的沙棘和柠条林地，通常有一层1 cm左右厚度的枯枝落叶，可以有效拦蓄降水。显然沙棘和柠条林地表土壤及枯枝落叶的这种渗水、贮水特征相对于杨树等乔木林地，更加有利于水土保持，实测不同植被0—40 cm土壤含水率同样可以说明这个问题(表3)。

表3 不同植被40 cm土层内土壤水分状况

据甘肃水保所试验分析，甘蒙柽柳的耗水系数为472，酸刺为893，白杨为3 731，而就生长量而言，甘蒙柽柳相当于白杨的4.6倍，相当于酸刺的1.8倍，表现为灌木比乔木耗水系数小、生长量高、耐旱。又因为灌木林能够增强地表土壤渗透性、改善土壤水分条件，因此在本区荒坡的水土保持治理中，应该推广选用沙棘、柠条、柽柳、红柳等水土保持树种。

3.2 结论

(1)依年内降水量不同，梯田与坡耕地相比较，小麦、玉米、土豆增产幅度分别在14% ～50%、47% ～64%、29% ～127%之间，沟台地与坡耕地相比较，小麦、玉米、土豆增产幅度分别在45% ～67%、57% ～90%、77% ～173%之间，梯田和沟台地经济效益显著。梯田和沟台地首先贮存了本地几乎全部的自然降水，其次也拦截了其上部的降雨径流，一方面防止了水土流失的发生与发展，另一方面也改善了本地的土壤水分条件而将有利于土壤肥力和结构的改善，这是梯田使农作物增产的根本原因。

(2)在所有年份，梯田的土壤含水量均高于农坡地、荒坡地和造林地土壤，前者平均含水量分别高出后三类地土壤2.23、3.85和2.74百分点。

(3)沙棘和柠条林地表土壤在60 min时段内，土壤渗水量分别比杨树林地高出42.0%和27.3%，分别比油松林地高出81.3%和62.7%。沙棘和柠条林地表土壤及枯枝落叶的渗水、贮水特征使得它比杨树等乔木林地更有利于水土保持，所以在同类型区的水土保持治理中，应该更加重视发展沙棘和柠条等灌木林。

［1］程冬兵，左长青，蔡崇法.不同下垫面每次降雨水土流失特征及影响因素分析［J］.草业学报，2007(5):84-89.

［2］邢贵，张新民，费喜亮，等.孙家岔流域坡面不同土地利用的土壤水分变化分析［J］.干旱地区农业研究，2012，30(2):225-229.

［3］费喜亮，景凌云，孙栋元.半干旱黄土区不同土地利用土壤容水量与渗水率的试验研究［J］.水土保持通报，2011(6):64-68.

［4］赵万春，费喜亮，陈学民，等.降雨条件下地形因素对坡面水土流失作用的影响［J］.兰州交通大学学报，2012(5):50-52.

［5］何有华，景凌云，张晓虹，等.刘家峡库区生态承载力研究［J］.草业科学，2011(12):2119-2122.