半干旱区微集水系统土壤水分调控效果研究

董彦丽，张 富，杨彩红，吴东平，李旭春，张佰林

（1.甘肃农业大学 林学院，甘肃 兰州730070；2.定西市水土保持研究所，甘肃 定西743000）

土壤水是陆地生态系统中水体的重要组成部分，大气降水是土壤水的主要来源。由于半干旱区降雨量少、蒸散量大，暴雨集中、水土流失严重，有限的土壤供水难以满足人工林生长需求，土壤出现“干化”现象，许多人工林因水分亏缺而衰败，土壤供水能力成为半干旱区影响人工林生长发育的最大限制因子［1－4］。近些年，针对梯田［5］、水平沟［6］和鱼鳞坑［7］等单项整地措施的土壤水分及水土保持效应研究较多，在综合研究径流调控工程方面，则主要集中在建设小流域径流调控体系［8］，优化设计和布局工程结构［9］，社 会 经 济 效 益［10］及 提 高 降 水 资 源 利 用 率［11－12］等方面。

定西市安定区地处西北黄土高原半干旱丘陵地区，土层深厚，地下水埋藏较深，天然降水是土壤水的唯一来源，也是植物生长发育的主要限制因子。为解决该地区土壤供水不足问题，安定区率先在退耕还林工程中采用以隔坡水平阶为主体的微集水径流调控工程，以降雨径流的富集叠加利用为核心，从林草措施合理搭配、植物措施与径流调控工程对位配置入手，通过拦蓄降水径流，减少水土流失，提高土壤含水量，增加土壤水分供给，以达到或促进径流林业可持续发展的目的［8，13－15］。对安定区径流调控工程实施初期的研究表明［9，13－15］，径流聚集工程能够有效改善土壤水分环境，提高造林成活率和林木生长量，但在径流调控工程实施的后续效果方面研究较少。安定区2008—2011年连续4a遇到频率为75%以上的中等干旱灾害，本研究通过实时调查径流调控工程隔坡水平阶的拦泥蓄水、土壤增墒效果和林草植被生长发育状况，总结退耕还林工程微集水系统土壤水分调控的实际效果，了解连续干旱对土壤贮水量和植被生长影响程度，以期为今后优化径流聚集工程设计及林草措施配置提供借鉴和参考。

1 研究区概况

安定区位于甘肃省中部，总面积3 638km2，海拔1 750～2 580m；年均气温6.3℃，极端最高气温30.5℃，极端最低气温－20.1℃，平均相对湿度64%，无霜期144d；多年平均降水量420mm，多集中在7—9月，占年降水量的60%～80%，年均蒸发量1 536mm。土壤类型以黄绵土为主，多为粉质壤土，土层深厚，土质较松，适耕性强。

2 研究方法

（1）样地选择。选择赵家铺流域2001年实施完成的退耕还林（草）径流调控工程隔坡水平阶为研究区，以梯田（农地）作为对照。隔坡水平阶隔坡为产流区（种植紫花苜蓿），水平阶（营造侧柏林）拦蓄隔坡径流为蓄水区，样地海拔2 032m，半阴坡中部；对照地梯田海拔1 996m，农作物为马铃薯。

（2）径流调控工程设计标准。工程按降水保证率75%（P≥75%）设计；工程拦蓄标准为200年一遇最大24h暴雨径流；设计聚流比按照《甘肃省小流域水土流失综合防治工程建设技术规程》（DB62／T346－94）要求为：安全聚流比≥增产聚流比≥1；设计林木需水量为1.3～2.6m3／株；根据水土保持功能的不同，将单个水平阶宽度（此处等于侧柏林株距5m）与所对应的隔坡长度（此处等于侧柏林行距6.5m）作为隔坡水平阶的一个单元，一个隔坡水平阶单元分为产流区和蓄水区2个区。产流区隔坡长5m，宽5m，面积25m2；蓄水区水平阶面宽1.5m，长5m，面积7.5m2；每个单元控制面积32.50m2。

（3）径流、泥沙观测。观测点位于安家沟径流试验场，观测小区面积5m×10m，坡度15°，农坡草地，草种为紫花苜蓿，海拔2 010m，半阴坡中部。每次降雨产生径流后，先量算径流池内水的总体积，计算径流量；搅拌均匀后重复3次取水和泥沙的混合样品，沉淀后取泥沙烘干，计算对应的产沙量［16］。观测时间为2002—2011年。

（4）林草植被调查。调查径流调控工程不同工程部位（产流区、蓄水区）林草植被高度、胸径、冠幅、生长量和保存率等。用树冠投影法测定林木郁闭度，用方格网法测定植物盖度（样方面积2m×2m）。调查时间为2011年8月16日。

（5）土壤容重及土壤水分测定。用环刀法测定0—100cm内土壤容重，每10cm取样1个，3次重复。采用烘干法测定0—200cm土层不同工程部位（产流区、蓄水区），0—60cm内每10cm取样1个，60—200cm内每20cm取样1个，3次重复。测定时间为2011年8月16日。

（6）蒸散量计算。试验区位于黄土高原，土层深厚，土壤水分循环不受地下水的影响，而且生长季内炎热干旱的气候使得气态水的凝结量几乎为0［12］，依据水量平衡原理，在无灌溉条件下，水量平衡方程为：

式中：E——贮水量（mm）；M——土壤含水量（%）；R——土壤容重（g／cm3）；H——土层深度（cm）。

式中：ΔW——某一时段内土壤贮水量变化值（mm）；Et1——末期土壤贮水量（mm）；Et2——基期土壤贮水量（mm）。

式中：ET——蒸散量（mm）；P——降雨量（mm）；Q——降雨产生地表径流量（mm）。

3 结果与分析

3.1 降雨量分析

降雨年际变化。2001—2011年研究区降雨量见图1。按照《甘肃省小流域综合治理工程技术管理规程（实行）》中对不同频率年降水量（P%）的划分标准，定西市丰水年（10%）、中等丰水年（25%）、中水年（50%）、中等干旱年（75%）、干旱年（90%）的降雨量标准分别为590，510，431，361，304mm。以此为据，2001—2011年属于中等丰水年的只有2003年，属于中水年的有3a（2005，2006和2007年），属于中等干旱年的有5a（2001，2004，2008，2010和2011年），属于干旱年的有2a（2002和2009年）。2003年降雨量最高达536.5mm，2009年降雨量最低为324.7mm。2001—2011年，11a平均降雨量为405.1mm，整体上介于中等偏旱，不同频率年降水量P介于50%～75%。

图1 研究区降雨量年际变化

降雨量年内变化。1—4月多年平均降雨量较少，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%（图2）。2010年10月—2011年6月间几乎无≥10mm的有效降水，8个月共降雨91.6mm，是同期平均数的65%。

图2 研究区降雨量年内变化

3.2 径流调控工程拦蓄径流、泥沙量分析

据调查，径流调控工程隔坡水平阶保存完好，径流泥沙全部拦蓄，淤积轻微。据定西市水土保持研究所安家沟流域草地（紫花苜蓿）径流观测资料（表1），2002—2011年平均径流深为12.04mm，径流系数为2.9%。对隔坡水平阶2002—2011年产水产沙能力进行计算结果表明，25m2产流区年均产流0.3m3，产沙3.96kg，全部被水平阶拦蓄。

表1 隔坡水平阶径流、泥沙计算结果

3.3 林草植被生长量分析

据调查，蓄水区侧柏长势良好，无干梢、枯叶现象，平均树高2.30m，胸径2.07cm，冠幅1.34m2，保存率达92%；隔坡水平阶产流区产草量为鲜重11.30t／hm2，干重3.17t／hm2，与前10a平均产量（22.53t／hm2（鲜），6.48t／hm2（干））相比下降了约50%（表2）；对照梯田种植的马铃薯受旱严重，产量只有6.77t／hm2，是正常年份（22.50t／hm2）的30%左右。

表2 隔坡水平阶林草植被生长情况

3.4 径流调控工程垂直剖面土壤水分分析

（1）隔坡水平阶不同单元垂直剖面土壤含水率变化。2010年10月—2011年6月，研究区相比同期有效降水量减少35%。观测表明，观测时隔坡水平阶产流区（紫花苜蓿，下同）2m土层土壤含水率达7.05%，高于蓄水区（侧柏，下同）的6.63%，这种差异主要来源于0—60cm土壤水分的差异，60—200cm土层两者无显著的差异。依据隔坡水平阶土壤含水率在垂直剖面上的变化，可将2m土层分为浅层（0—60cm）、中层（60—140cm）和深层（140—200cm）3个明显不同的区域。隔坡水平阶3个区域土壤含水率呈现出低—高—低的变化，浅层土壤受自然降雨和植物根系影响较大，呈现出含水低、变幅大的特点，此层紫花苜蓿土壤含水率为7.74%，侧柏为6.28%，变幅紫花苜蓿为27%，侧柏为43%；中层土壤是剖面含水率最高的区域，林草地具有相近的含水率，两者的含水率在7.60%～7.67%；深层土壤剖面是耗水最多、含水率最低（5.55%～5.67%），体现了林草植被对土壤水分长期利用的结果。而对照区梯田2m土壤含水率达7.89%，高于隔坡水平阶产流区与蓄水区，梯田在垂直剖面0—140cm土层土壤含水率变化较大，在140—200cm土层土壤水分变化逐渐趋于平稳（图3）。

图3 林草地受旱年与正常年垂直剖面土壤水分含量变化

（2）隔坡水平阶不同单元抗旱能力分析。根据定西市水土保持研究所研究，坡耕地紫花苜蓿2m土层多年平均土壤含水率为9.17%，比观测时隔坡紫花苜蓿7.05%高出2.12%，浅层和深层失水最为强烈。反坡梯田侧柏林2m多年平均含水率为5.90%，比观测时水平阶侧柏林的6.63%还要低0.73%，说明水平阶侧柏林抗旱效果好于反坡梯田侧柏林。水平阶侧柏林30—180cm的土壤含水率显著高于反坡梯田，0—30cm，180—200cm则相反（图3）。

（3）不同土地利用类型垂直剖面土壤含水率变化。由图4可以看出，在正常年份（多年平均）2m土层土壤含水率以农坡地最高，达到12.22%，其次为梯田9.98%。观测时对照区梯田降为7.89%，隔坡水平阶更低仅为6.95%。在0—120cm土层，隔坡水平阶与对照区梯田土壤含水率相差不多，变化规律相似；120—200cm土层，隔坡水平阶土壤含水率明显低于对照区梯田，说明多年生的紫花苜蓿和侧柏根系较深，对土壤水分的耗散大于一年生的农作物。

图4 不同措施受旱年与正常年垂直剖面土壤含水率变化

（4）不同土地利用类型土壤贮水量变化。农坡地作为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调整措施一是兴修水平梯田，二是退耕还林草。在正常年份坡耕地由于生产条件差、产出水平低，故而对土壤水分的利用能力差，所以具有较高的土壤贮水量，在正常年份（多年平均）达到325.06mm。农坡地在种草和兴修梯田后，由于多年生紫花苜蓿吸水能力较强和梯田生产性能的提高，对土壤水分的耗散也随之增加，导致土壤贮水量下降，其中以紫花苜蓿为甚（表3）。遇到受旱之年，梯田的土壤贮水量比正常年份减少77.16mm，减少了29%，坡地草地的土壤贮水量比正常年份减少51.04mm，减少了23%。与反坡梯田相比，隔坡水平阶由于有一定量的径流补给，侧柏林土壤贮水量增加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），年均降雨量为413.0mm，隔坡水平阶经11a生产运行后，隔坡水平阶在研究时段内土壤贮水量减少158.21mm，年均减少15.6mm，林草地年均蒸散量为428.6mm。对照地梯田在研究时段内土壤贮水量减少了135.56mm，年均减少13.4mm，年均蒸散量为426.4mm。其中，产流区共产生径流128.26mm，年均径流量12.60mm；土壤贮水量减少155.83mm，年均减少15.3mm，紫花苜蓿年均蒸散量为415.7mm；蓄水区侧柏林共拦蓄径流427.53mm，年均拦蓄径流42.0mm；土壤贮水量减少166.11mm，年均减少16.3mm，年均蒸散量为471.3mm，高于产流区紫花苜蓿草地（表4）。

表3 不同措施观测年与正常年土壤贮水量变化 mm

表4 隔坡水平阶不同部位水量平衡 mm

4 结论

（1）隔坡水平阶全部拦蓄上部径流泥沙，有效地控制了坡耕地水土流失，增加了水资源量，缓解了隔坡水平阶林草植被水分供应状况。

（2）受植物根系发育的影响，隔坡水平阶2m垂直剖面土壤含水率呈现出低—高—低的变化趋势。

（3）正常年份2m土层，农坡地土壤含水率最高，达到12.22%；梯田土壤含水率为9.98%。遇到干旱年份，受降雨和植物耗水能力的影响，多年生紫花苜蓿与侧柏根系较深，耗水量大，使土壤含水率低于对照区梯田，林地低于草地。梯田土壤含水率降为7.89%，隔坡水平阶为6.95%。

（4）在研究时段，隔坡水平阶土壤贮水量年均减少15.6mm，年均蒸散量为428.6mm，对照区梯田土壤贮水量年均减少13.4mm，梯田总年均蒸散量为426.4mm。

（5）随着侧柏的生长，其需水量还会增加，紫花苜蓿生长期限为10a左右，随着紫花苜蓿生长势的衰退，地表覆盖度的降低，产流率将会提高，对下方蓄水区林地土壤水分的补给将会加强，但是否能够补偿侧柏林蒸散量的需求，还有待进一步研究。

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