黄土区侵蚀沟道环境资源位与植物生态位对位配置

赵秀兰，张 富，张金霞，张宏奎，王玲莉

(1.甘肃农业大学林学院，730070，兰州；2.甘肃中和育生态环境咨询中心，730030，兰州；3.甘肃农业大学水利水电工程学院，730070，兰州；4.崇信县林业技术推广站，744200，甘肃平凉)

黄土高原是我国水土流失的重点治理区，严重的水土流失造成生态平衡失调、土地资源破坏、农业生态环境恶化，制约社会经济的可持续发展，是导致区域贫困的重要原因之一[1-2]。马宁等[3]研究表明，在黄土丘陵沟壑区小流域泥沙侵蚀量中沟谷地占73%，沟间地占27%。坡沟系统既是治理生态环境的基本单元，又是区域侵蚀产沙的主要源地[4]，所以侵蚀沟道治理在小流域水土流失治理中，具有重要意义。众多专家学者在沟道侵蚀治理工作方面做了大量的研究和实践工作，刘彦随等[5]提出“干-支-毛”分层防控、“渠-堤-坝”系统配套、“乔-灌-草”科学搭配的沟道治理技术体系。高若武等[6]等提出沟头防护、护岸工程及沟道防护林措施体系。毕华兴等[7]对黄土高塬沟壑区南小河沟的“三道防线”治理模式进行细化，在沟坡发展地埂经济林、刺槐护坡林与耕地牧草相结合的沟坡防护措施配置模式；在沟谷布设反坡台、植物固沟林、谷坊群、防冲林为主体的沟谷防护措施配置模式。虽然在侵蚀沟道治理方面有许多治理典型，但缺乏深入的理论探讨，尤其在植物措施与立地条件配置方面，所以常出现“小老树”和植物“三低”现象[8]，使水土保持措施效益发挥受到限制。侵蚀沟道的环境资源位是指在侵蚀沟道实际存在的环境资源所构成的多维空间中，能够被植物措施占据、利用或适应的环境资源。如何从沟道环境资源位与植物生态需求位匹配入手研究水土保持植物措施布设，在理论上进行适地适树定量化研究，使立地条件与植物种相互适应，提高水土保持植物措施效益、深化治理典型成果，形成侵蚀沟道植物措施对位配置模式，是侵蚀沟道治理工作中亟待解决的问题，具有普遍的指导意义。

笔者参考小流域坡面对位配置模式[9]，以生态位理论为指导，通过对小流域侵蚀沟道不同部位环境资源位、不同植物种生态需求位进行分析科学确定植物措施与工程措施组合，提出小流域侵蚀沟道水土保持植物措施配置模式及技术，为沟道治理措施的选择及措施间科学配置提供理论依据，以指导黄土高原小流域沟道水土流失治理的实践。

1 研究区概况

甘肃黄土高原地区位于甘肃省中东部，西北黄土高原的西部，西至乌鞘岭和青海，东邻陕西，南以迭山、西秦岭分水岭为界，北接宁夏。地理位置位于E 100°43′～108°42′，N 33°6′～37°39′。区内大部被黄土覆盖，只有少量的土石山地区，黄土厚度一般为10～300 m，海拔在1 000～3 000 m之间，地势西北高向东南低，沟壑密度1.8～2.5 km/km2之间，平均为2.13 km/km2。年降水量为500～650 mm，年内降水分配不均，土壤主要以黄绵土、黑垆土为主。植被为暖温带森林草原，天然森林植被稀少，天然草本植被不连片地分布在沟谷和山坡，植被覆盖度为10%～70%[10]。该区域包括黄土丘陵沟壑第三、五副区和黄土高塬沟壑区(简称“丘三区”“丘五区”和“高塬区”，下同)，沟道侵蚀特征为沟壑纵横、梁峁(塬)起伏、地形破碎、坡陡沟深、沟道比降大、植被稀疏，支沟多处在发育阶段，暴雨径流使沟床下切、沟头延伸、沟岸崩塌滑坡，沟道内土壤类型主要以黄绵土和红土为主。

在甘肃黄土高原区选择自然条件、社会经济状况、水土保持工作开展情况及沟道特征等方面均具有代表性，有较长的监测资料序列，开展过多项试验研究课题，有较为全面的流域治理资料和相对便利的交通条件的流域作为侵蚀沟道植物措施对位配置研究的典型小流域，主要为丘三区的罗玉沟、吕二沟；丘五区的安家沟、称沟河和高塬区的南小河沟流域。

2 指标与方法

1)侵蚀沟道不同地形部位的环境资源位分析与计算。以沟道部位、坡向、坡度、土壤类型以及土壤水分状况等不同地形部位间差异显著的环境因子为指标，对侵蚀沟道立地条件类型进行划分。基于气象观测数据和不同类型侵蚀沟道的坡向、坡度、海拔等下垫面条件，采用气象学统计[11]和空间插值法[12]，对侵蚀沟道的小气候因子的分布规律及其数量变化进行分析及计算，为环境资源位分析提供依据。

2)不同植物生态需求位分析。在现有资料的基础上，查阅文献资料[13-14]，了解植物种的生长发育所需要的生态条件，主要包括：海拔、≥10 ℃有效积温、降雨量、土壤含水量、全年日照时间、土壤含盐量等因子的最低、最高和最适值。

3)植物种生态位适宜度计算。生态位适宜度指数反映区域现状资源条件对发展需求的适宜程度，采用生态适宜度模型[8]，对侵蚀沟道立地条件下的植物种进行生态适宜度的计算。

4)植物措施对位配置模式。对不同立地条件下的整地工程及植物种进行适宜性分析，适宜度指数≥0.5的植物种生长量较高[15]，生长发育状况表现良好。筛选出适宜度指数≥0.5的植物种进行配置，提出植物措施对位配置模式。由于半干旱区自然降雨不能满足植物生长发育的需求，必须配套相应的工程，通过降雨径流的富集利用，满足植物对水分的要求。

3 结果与分析

3.1 侵蚀沟道环境资源位分析

1)侵蚀沟道立地条件类型划分。将研究区侵蚀沟道分为10种立地条件。立地条件主要以沟坡和沟台地为主，沟台地以阴阳坡的不同分为Ⅰ和Ⅱ，沟坡以坡向、坡度、土壤类型和土壤水分不同分为Ⅲ至Ⅹ，结果详见表1。10种立地类型中第Ⅰ至Ⅵ立地类型的水分条件良好，而后4种在阳坡上的水分条件为差，土壤类型主要有红土和黄土2类。

表1 小流域沟道立地条件类型划分表Tab.1 Classification table of site condition types of erosion gullies in small watershed

2)侵蚀沟道环境资源位分析。安家沟(丘五区)小流域地形小气候研究表明，气温、地温、水气压、相对湿度、风速5项地形小气候因子中，除了风速、相对湿度外，其余因子在阴坡、阳坡和沟底3个部位均随着月份有规律性变化，无显著差异。由于地形对风的抬升作用，随坡位抬升风速增大，且阳坡高于阴坡。沟底相对湿度较其他部位为高，气温在整个沟道内变化较小，水汽压随地形高度的上升而降低，降水差异较小。2 m土层内土壤含水率在同一坡向上不同地形部位无显著差异；不同坡向上同一部位差异显著，阴坡比阳坡平均多蓄水70.5 mm。

对不同沟道类型的有效积温、全年日照的计算结果见表2，可知，在坡度相同时，阳坡的全年日照时间和有效积温明显高于阴坡；在不同种类型区，全年日照时间丘三区>高塬区>丘五区，积温值丘三区>丘五区>高塬区。

表2 不同立地条件类型环境资源位Tab.2 Environmental resource level of different site condition type

3.2 植物生态需求位分析

选取研究区常见的39种植物分析生态需求位，部分结果见表3。不同植物种对生长环境的需求不同，白皮松(Pinusbungeana)在海拔500～2 000 m范围内适宜生长，披碱草(Elymusdahuricus)在450～4 500 m范围内可以生长，从低海拔到高海拔地区都有分布；葡萄(Vitisvinifera)生长的海拔最适值是400～600 m，土壤含水量的最适值是15%～17.5%，对环境的适应性较差；白皮松比较抗旱，在土壤含水量5%～7.5%最适宜生长，红三叶(Trifoliumpratense)最适宜的耐盐含量为0.25%，超过0.6%则没法生长，老芒麦(Elymussibiricus)最适宜的积温范围700～800 ℃。所以在沟道配置植物措施时要根据植物种的生态需求位进行配置，才能够提高植物种的成活率，达到水土保持的目的。

表3 部分适宜植物生态需求位Tab.3 Ecological demand level of partially suitable plant

3.3 植物种生态适宜度计算及对位配置模式

对10种立地条件下的植物种进行生态适宜度的计算，部分结果见表4。同种区域不同立地条件下，植物的生态适宜度不同，油松(Pinustabuliformis)、毛白杨(Populustomentosa)在丘三区第Ⅰ种立地条件下适宜度指数分别为0.456 6、0.916 8，而在第Ⅱ立地条件下为0.921 5、0.682 4，表明油松在丘三区第Ⅱ种立地条件下更适宜生长，毛白杨则在第Ⅰ种立地条件下更适宜。不同类型区相同立地条件下同种植物的生态适宜度差异明显，油松在丘五区、高塬区第Ⅰ种立地条件下的适宜度指数为0.452 3、0.240 3，说明油松生态适宜性丘三区>丘五区>高塬区，毛白杨的生态适宜性丘三区>高塬区>丘五区；而在第Ⅱ种立地条件下，油松的适宜性丘三区>丘五区>高塬区；毛白杨的适宜性丘三区>高塬区>丘五区，毛白杨在丘三区和高塬区更适宜生长。

表4 环境资源位与植物生态需求位宜度指数Tab.4 Suitability index on environmental resource level and plant ecological demand level

根据环境资源位与植物生态需求位适宜度指数计算结果，筛选出适宜度指数≥0.5的植物种进行对位配置，根据GB/T 16453—2008《水土保持综合治理技术规范》确定不同立地条件下的整地工程，对降雨径流进行富集，主要为反坡台、台地、水平阶、鱼鳞坑和穴状整地。部分结果见表5。白皮松在丘三区适宜性较好，但在丘五区和高塬区适宜性太差；第Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ和Ⅹ种立地类型下适宜生长的植物种较少，只有耐旱耐瘠薄树种适宜配置，其余类型适宜植物种较多。在坡度较小，土地较平缓的沟台地可以种植乔木，并配套反坡台、水平阶等整地工程，提高植物的成活率和生长量；在坡度较陡、且水分较差的地区，应种植耐旱、抗瘠薄的植物种，并配套鱼鳞坑及穴状整地工程。

表5 不同立地条件类型适宜植物种及径流聚集工程配置模式Tab.5 Suitable plant species for different types of site conditions and configuration mode of runoff aggregation engineering

3.4 结果验证与评价

在丘三区吕二沟、丘五区称沟河及高塬沟壑区南小河沟流域对表5提出的配置模式进行验证且做出适宜性评价。实地调查每个类型区存活年限较长的白榆(Ulmuspumila)、山杏(Armeniacasibirica)、毛白杨、旱柳(Salixmatsudana)、侧柏(Platycladusorientalis)、油松、刺槐(Robiniapseudoacacia)和红柳(Tamarixramosissima)，结果如表6所示。

表6 对位配置结果验证表Tab.6 Verification of the alignment configuration result

由表可知，毛白杨在丘三区第Ⅲ种立地条件下的树高是第Ⅴ种条件下的3.1倍，胸径是2.0倍，适宜度指数较高，说明毛白杨在第Ⅲ和Ⅴ种立地条件下适宜生长，且在第Ⅲ种立地条件下生长状况优于第Ⅴ种立地条件；红柳在丘五区第Ⅳ种立地条件下的树高是第Ⅸ种条件下的1.6倍，冠幅是1.2倍，均适宜生长；在丘三区第Ⅶ种立地条件下，白榆树高是山杏的1.4倍，胸径是1.9倍，白榆和山杏均适宜生长且白榆适宜度指数高于山杏，说明白榆的生长状况更优；刺槐在丘五区第Ⅵ种立地条件和高塬区第Ⅸ种立地条件下，适宜度较小，均不适宜生长。结果表明在同种类型区，同种植物在立地条件较好的情况下生长发育情况较好，适宜度指数高。

4 讨论

通过研究发现，由于地表下垫面对环境资源的再分配作用，使得侵蚀沟道不同地形部位的环境资源位产生显著的差异，不同的环境资源条件只能满足特定植物的生长需求。在植物生长发育过程中，气候、地形、植物生长状况会对土地生产潜力有很大影响[8]，植物生长发育条件越好，生物量越大，消耗的土壤水分更多，会降低土地生产潜力，导致植物的生态适宜度降低，所以在侵蚀沟道中植物措施环境资源与植物生态需求对位配置时，还应注意确定合理的造林处置密度，同时注意乔灌草的混交搭配，充分发挥植物间耗水量的自然调节和竞争分配[16]。笔者仅从宏观层面研究环境资源位的分布规律及植物种的生长发育所需的生态条件，由于侵蚀沟道的立地条件分异大，影响因子复杂，还有许多微地形造成的变化因子没有考虑，如沟道内局部积水、局部地段土壤瘠薄、土壤盐渍化严重等不利因素造成的影响还需进一步研究。

5 结论

笔者通过对黄土区侵蚀沟道环境资源位与植物生态需求位对位配置进行研究，深入探讨适地适树定量化研究，提出侵蚀沟道水土保持植物措施对位配置模式。侵蚀沟道不同立地条件下环境资源位不同，在丘三区、丘五区和黄土高塬区，全年日照时间丘三区>高塬区>丘五区，有效积温值丘三区>丘五区>高塬区。植物种对生长环境的生态需求也不相同，在沟台地等环境资源位较好的立地条件类型下植物生态适宜度指数较高，适宜植物种类较多。在沟道配置植物措施时要根据植物种的生态需求条件选择生态适宜度指数较高的植物种且应配套相应的整地工程，使沟道环境资源位与适宜的植物生态需求位相互配置，才能够提高植物种的成活率，提高水土保持植物措施效益。对位配置模式的应用具有良好的植物生长发育效果，能为沟道治理措施的选择及措施间科学配置提供理论依据。