黃土高塬溝壑區(qū)典型小流域水土保持措施蓄水保土效益分析

朱 悅，姜麗華，畢華興，吳智洋，云 雷，高路博，雷 娜，許華森，鮑 彪

（1．北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京100083；2．陜西省榆林市林科所，陜西 榆林719000）

黃土高原是世界上水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，水土流失是土地退化的根本原因，也是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化的重要原因［1］。人類活動(dòng)對森林的破壞，特別是對山區(qū)森林的砍伐，破壞了原有坡地的相對穩(wěn)定，引起了嚴(yán)重的水土流失［2］。我國從20世紀(jì)50年代開始研究降雨、地形、土壤這些能對水土流失調(diào)控起到重要作用的自然因子對水土流失的影響，并先后大面積推廣了以工程措施和生物措施為主的水土流失治理方法，其中主要有退耕還林還草工程、小流域綜合治理等。小流域綜合治理是指以小流域?yàn)閱卧谌嬉?guī)劃的基礎(chǔ)上，實(shí)行預(yù)防、治理和開發(fā)相結(jié)合，形成有效的水土流失綜合防護(hù)體系，達(dá)到防治水土流失、合理利用水土資源、實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。小流域綜合治理是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的重要組成部分［3］。截至2009年，中國各級開展重點(diǎn)治理的小流域達(dá)7 000多條，總面積20多萬k m2。小流域治理已初見成效，近年來研究小流域治理措施的效益較多，其中黨志良等［4］對陜西省丹鳳縣商棣項(xiàng)目區(qū)陳家溝流域?qū)嵤┧帘３止こ绦б娣治霰砻餍×饔蛑卫淼木C合效益巨大。羅雷等［5］對甘肅省1996－2005年水土保持的農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了評估計(jì)算表明，甘肅省水土保持工作以較小的投入換取了較大的農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水土保持發(fā)展態(tài)勢良好。陳鵬飛等［6］對甘肅省東溝、西溝流域?qū)Ρ妊芯堪l(fā)現(xiàn)溝壑綜合整治對流域的徑流產(chǎn)流有顯著的減少作用。但是這些研究主要集中在對水土保持治理的綜合效益分析，且對比研究較少。本文選取黃土高塬溝壑區(qū)具有典型代表性的楊家溝小流域（治理流域）和董莊溝小流域（對照）進(jìn)行比較分析，研究水土保持綜合治理措施的蓄水保土效益，為今后黃土高原小流域治理提供一定的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

楊家溝小流域（35°42′N，107°33′E）和董莊溝小流域（35°42′N，107°32′E）位于甘肅省慶陽市西峰區(qū)后宮寨鄉(xiāng)境內(nèi)，是黃土高塬溝壑區(qū)南小河溝流域內(nèi)的兩條小支溝，兩溝位置毗鄰。楊家溝小流域和董莊溝小流域地貌主要有塬面、梁茂坡和溝谷，為典型的黃土高塬溝壑區(qū)地貌特征。兩流域地質(zhì)構(gòu)造較單一，均為第四紀(jì)黃土覆蓋，總厚度約250 m。兩小流域塬面均為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，除村莊、道路旁和部分溝頭有小型林帶外，無整塊大片林帶，林草植被主要生長于坡面和溝谷中。楊家溝小流域和董莊溝小流域基本情況對照見表1。根據(jù)西峰氣象站1937－2004年降雨資料統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)多年平均降水量546．9 mm，年最大降雨量828．2 mm（2003年），年最小降雨量309．7 mm（1942年），年平均氣溫9．3℃，最高氣溫39．6℃，最低溫度－22．6℃，最大日溫差23．7℃，無霜期155 d，蒸發(fā)量1 474．6 mm，干燥度1．6。

表1 研究區(qū)基本情況對照

楊家溝小流域自1952年開始治理，基本上是按照“全面規(guī)劃，集中治理，連續(xù)治理，溝坡兼治，治坡為主”及“工程措施與生物措施相結(jié)合”的治理方針，主要措施量見表2，其采取的主要水土保持措施有：（1）在塬面修地埂1 273 m；田間道路兩邊造林1．76萬株，修溝邊埂4 585 m，溝頭防護(hù)1處；（2）在山坡造杏林為主，修水平溝、水平階2．64萬m，造林8．93 h m2；坡耕地修邊埂4 643 m，逐年修成水平梯田5．2 h m2，人工牧草地1．3 h m2，其他林間草地和非生產(chǎn)用地8．07 h m2。（3）在溝底每隔20～30 m打一道柳谷坊，谷坊間營造以楊柳為主的溝底防沖林，在兩岸的塌積土上栽植生長迅速的刺槐，坡度大的紅土瀉溜面上栽植沙棘，溝谷臺(tái)地種植苜蓿建立人工割草場。支毛溝修谷坊75道，栽植楊柳1．1萬株，溝道造林22．07 h m2，修水平梯田0．41 h m2，種草6．13 h m2，天然草地7．19 h m2［7］。楊家溝小流域人工栽培的喬木樹種主要有側(cè)柏（Pl atycl adus orientalis）、油松（Pimus tabul aef or mis Carr）、山杏 （Pr unus ar meniaca var．a(chǎn)nsu）、刺 槐 （Robinia pseudoacacia L）、山 楊（Pop ul us davidiana）、旱 柳（Salix matsudana）等，灌木主要有紫穗槐（Acanthoscelides pallidipennis Motschulsky）、檸條（Car agana korshinskii Ko m）、沙棘（Hip pophae r ha mnoides Linn）等，楊家溝小流域內(nèi)經(jīng)過多年的水土保持綜合治理，現(xiàn)已形成以刺槐、側(cè)柏、油松、山杏、沙棘等為主的人工植物群落。塬面、坡面的主要農(nóng)作物為小麥、谷子、玉米、高粱、馬鈴薯、豆類等。董莊溝小流域的植被與楊家溝小流域治理前的植被相似，處于群眾利用的自然狀態(tài)，植被以馬牙草（Arundinella anomala Stend．）、冰草（Agropyron cristatu m）、艾蒿（Artemisia ar gyi）等天然群落為主。

2 研究方法

本文通過測定兩個(gè)小流域土壤容重、土壤粒徑組成、土壤養(yǎng)分、觀測流域徑流和計(jì)算土壤孔隙度、泥沙模數(shù)、輸沙模數(shù)等，以對比分析治理小流域水土保持效益。

2．1 土壤容重測定方法

在楊家溝小流域、董莊溝小流域坡下、坡中、坡上各選擇1塊10 m×10 m的大樣方，在大樣方內(nèi)按S型布設(shè)5個(gè)取樣點(diǎn)，用100 c m3環(huán)刀取表層（0－20 c m）土壤，稱濕重，再烘干至恒重，取平均值進(jìn)行比較分析，按如下公式分析土壤容重。

式中：Rs——土壤容重（g／c m3）；G——濕土重（g）；V——環(huán)刀容積（c m3）；W——樣品含水量（g）。

2．2 土壤孔隙度、顆粒組成測定方法

按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算土壤孔隙度（Pt）［7－8］。其計(jì)算公式為：Pt＝93．947－32．995Rs

土壤顆粒組成用比重計(jì)法測定。

2．3 土壤養(yǎng)分測定方法

樣方選取同土壤容重測定，每個(gè)樣方以S形從右上角到左下角依次布設(shè)5個(gè)點(diǎn)，分別用土鉆取土層0－20，20－60，60－100 c m土，實(shí)驗(yàn)室測0－20，0－100 c m土壤養(yǎng)分。其中土壤全氮采用重鉻酸鉀－硫酸消化法；速效鉀含量采用火焰光度法；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀法；速效磷含量采用碳酸氫鈉法［9］。

2．4 徑流泥沙的測定

西峰水土保持試驗(yàn)站自1954年來先后在南小河溝流域布設(shè)17個(gè)雨量站，各測站的資料系列多為汛期資料且觀測時(shí)段不連續(xù)，本研究的水文資料為1954－1977年楊家溝小流域和董莊溝小流域的徑流泥沙以及降水量，由西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站實(shí)地觀測得到。

本文數(shù)據(jù)分析處理及圖表處理均用Excel 2010軟件完成。

3 結(jié)果分析

3．1 土壤物理性質(zhì)的差異

（1）土壤容重及孔隙度。土壤容重及孔隙度是土壤的基本物理性質(zhì)。對土壤的透氣性、入滲性能、持水能力、溶質(zhì)遷移特征以及土壤的抗侵蝕能力都有非常大的影響［9］。有研究表明，土壤容重及土壤孔隙度與產(chǎn)流產(chǎn)沙有較大相關(guān)性，土壤容重增大，土壤孔隙度減少，初始產(chǎn)流時(shí)間提早，徑流系數(shù)增大，土壤流失量增多。土壤容重綜合反映了土壤固體顆粒和土壤孔隙的狀況，土壤容重小，表明土壤比較疏松，孔隙多，保水效果好，反之，土粒密度大，表明土體比較緊實(shí)，結(jié)構(gòu)性差，孔隙少，保水效果差［10－15］。

從表3可以看出，總體上楊家溝小流域的土壤容重比董莊溝小流域的土壤容重要小，楊家溝小流域坡下、坡中、坡上0－20 c m的土壤容重平均值分別為1．05，0．95，1．02 g／c m3；董莊溝小流域坡下、坡中、坡上的土壤容重分別為1．17，1．09，1．05 g／c m3。

表3 2009年兩個(gè)小流域土壤容重對比 g／c m3

從表4可以看出楊家溝小流域坡上、坡中、坡下的土壤總孔隙度平均值分別為60．36%，62．57%，59．22%，董莊溝小流域坡上、坡中、坡下的土壤總孔隙度平均值分別為59．42%，57．89%，55．45%，楊家溝小流域的土壤總孔隙度大于董莊溝小流域。這主要是由于楊家溝小流域進(jìn)行過人工林營造工作，植被覆蓋度高，林分密度較大，植被地下根系繁茂，對表層土壤起到一定的疏松作用，致使土壤的容重較低，總孔隙度增大。另外，多年來原地表產(chǎn)生的枯枝落葉，分解形成腐殖質(zhì)，對土壤的物理性質(zhì)也有一定的改善作用?？紫抖扰c土壤容重有一定負(fù)相關(guān)關(guān)系，董莊溝小流域的孔隙度比楊家溝要小，反映出董莊溝小流域土壤疏松情況欠佳。

（2）土壤養(yǎng)分及差異分析。劇烈的水土流失導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的流失，從而導(dǎo)致土地生產(chǎn)力的下降。根據(jù)對楊家溝和董莊溝小流域的土壤養(yǎng)分化驗(yàn)，結(jié)果見表5，董莊溝小流域表層（0－20 c m）土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重，土壤全氮含量比楊家溝低38%，速效磷含量不足楊家溝小流域的50%，速效鉀含量比楊家溝低32%，有機(jī)質(zhì)含量比楊家溝低15%。這在一定程度上反映了沒有采取水土保持措施的小流域水土流失帶走了表層土壤大量養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)使土壤肥力下降。土壤有機(jī)質(zhì)與土壤質(zhì)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)，土壤侵蝕、土壤結(jié)構(gòu)破壞、有機(jī)質(zhì)的礦化和氧化使土壤有機(jī)碳含量降低［16］。0－100 c m土壤中兩小流域土壤養(yǎng)分含量差距不大。

表4 2009年2個(gè)小流域土壤總孔隙度對比 %

表5 土壤養(yǎng)分情況

（3）土壤粒徑組成差異分析。分析兩小流域0－100 c m土壤機(jī)械組成，發(fā)現(xiàn)兩小流域土壤粒徑組成在相同坡位上存在差異（見圖1），經(jīng)過人工治理后的楊家溝小流域在流域坡下、坡中和坡上位置，土壤粒徑相對較?。ㄐ∮?．02 mm），顆粒組成所占比例比未治理的董莊溝大。其中坡下0－20，20－60，60－100 c m土壤中治理流域比未治理流域小于0．02 mm的土壤粒徑組成質(zhì)量百分比分別大5．9%，11．6%，9．4%；坡中分別大10．3%，4．7%，10．2%、坡上分別為6．3%，0，4%。兩流域土壤機(jī)械組成上的差異主要是由于未治理小流域更多的水土流失中，流失的泥沙帶走了土壤中更多的細(xì)小顆粒，影響土壤粒徑組成。

圖1 兩小流域土壤粒徑組成分布

3．2 流域水文差異

為了進(jìn)一步量化研究采用工程和植物措施的楊家溝流域和未采用任何措施的董莊溝流域的水土保持效益情況，在收集了西峰水土保持試驗(yàn)站1954－1977年楊家溝小流域和董家溝小流域的降雨量、徑流模數(shù)和輸沙模數(shù)后，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

由圖2可以看出，兩小流域徑流模數(shù)趨勢基本一致，均在1956年達(dá)到到了最大值。楊家溝小流域和董莊溝小流域盡管同為南小河溝流域的子流域，地理位置接近，降雨量基本一致，徑流模數(shù)差異卻較大，董莊溝小流域的徑流模數(shù)在部分年份達(dá)到了楊家溝流域的30倍。由圖3可以看出，兩流域的輸沙模數(shù)隨徑流模數(shù)的變化成正相關(guān)，徑流模數(shù)基本決定輸沙模數(shù)的變化。但是，在徑流高位運(yùn)行的情況下，沒有經(jīng)過人工治理的董莊溝小流域輸沙模數(shù)偏高，平均是楊家溝輸沙模數(shù)的157%，且董莊溝流域輸沙模數(shù)曲線波動(dòng)較大，而楊家溝流域輸沙模數(shù)曲線較平緩。徑流模數(shù)及輸沙模數(shù)等水文數(shù)據(jù)直接反映水土流失情況，從分析可見不進(jìn)行水土流失防護(hù)工作的小流域蓄水保土效益較治理小流域差。

圖2 小流域徑流模數(shù)對比

圖3 小流域輸沙模數(shù)對比

4 結(jié) 論

（1）對甘肅省慶陽市西峰區(qū)楊家溝小流域和董莊溝兩個(gè)對比小流域的實(shí)測土壤孔隙度、徑流、泥沙等資料分析可見，經(jīng)過人工治理后的楊家溝小流域，土壤孔隙度、土壤容重均優(yōu)于未經(jīng)人工治理的董莊溝。在相同降雨條件下，兩小流域的徑流模數(shù)、輸沙模數(shù)變化趨勢基本一致，董莊溝小流域的徑流模數(shù)均比楊家溝小流域大，部分年限達(dá)到了其30倍，在徑流模數(shù)一定的情況下，從有觀測資料以來董莊溝小流域輸沙模數(shù)均比楊家溝流域大，大量的水土流失帶走了董莊溝更多土壤養(yǎng)分，其土壤速效磷含量不及楊家溝小流域的50%，其它土壤養(yǎng)分均比楊家溝低15%～38%。

（2）在黃土高塬溝壑區(qū)以水土保持工程措施、植物措施相結(jié)合的水土流失治理方法比單純的依靠自然生態(tài)修復(fù)有更大的蓄水保土效益。水土流失作為一個(gè)多因素形成的結(jié)果，很難依靠自然修復(fù)完全實(shí)現(xiàn)水土保持效益，工程措施、植物措施等多手段治理方法是黃土高原水土流失治理、小流域生態(tài)修復(fù)取得最大蓄水保土效益的必然選擇。

（3）文章主要探討水土保持措施的蓄水保土效益，在以后的研究中還可以增加經(jīng)濟(jì)投入等多方面因素對比分析水土保持的綜合效益。

［1］ 于靜潔，劉昌明．森林水文研究綜述［J］．地理研究，1989，8（1）：88－98．

［2］ 孟慶枚．黃土高原水土保持［M］．鄭州：黃河水利出版社，1996．

［3］ 王立明，虎維軍．淺談小流域綜合治理與新農(nóng)村建設(shè)［J］．中國水土保持2010（8）：35－36．

［4］ 黨志良，林啟才，史淑娟．水土保持綜合治理效益分析與評價(jià)：以丹鳳縣陳家溝小流域?yàn)槔跩］．西北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，40（6）：537－539．

［5］ 羅雷，張濟(jì)世．甘肅省水土保持的農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)與分析［J］．中國水土保持，2009（9）：13－14．

［6］ 陳鵬飛，陳麗華，余新曉，等．溝壑綜合整治對小流域水沙的影響［J］．水土保持研究，2010，17（4）：100－104．

［7］ 田杏芳，賈澤祥，劉斌，等．黃土高源溝壑區(qū)典型小流域水土流失規(guī)律及水土保持治理效益分析研究［M］．鄭州：黃河水利出版社，2008．

［8］ 中國科學(xué)院南京土壤研究所．土壤理化分析［M］．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1978．

［9］ 陳攀攀，畢華興，陳智漢，等．50年來黃土高塬溝壑區(qū)典型小流域土地利用動(dòng)態(tài)變化及其驅(qū)動(dòng)力分析［J］．中國水土保持科學(xué)，2010，8（1）：71－76．

［10］ 鄭紀(jì)勇，邵明安，張興昌．黃土區(qū)坡面表層土壤容重和飽和導(dǎo)水率空間變異特征［J］．水土保持學(xué)報(bào)，2004，18（3）：53－56．

［11］ 陳攀攀．黃土高塬溝壑區(qū)典型小流域土地利用格局變化對水土流失的影響研究［D］．北京：北京林業(yè)大學(xué)，2010．

［12］ 劉鵬濤，馮佰利，慕芳，等．保護(hù)性耕作對黃土高原春玉米田土壤理化特性的影響［J］．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2009，27（4）：171－175．

［13］ 聶小軍，張建輝，劉剛才，等．金沙江干熱河谷侵蝕陡坡植被恢復(fù)對土壤質(zhì)量的影響［J］．生態(tài)環(huán)境，2008，17（4）：1636－1640．

［14］ 汪永英．新民林場不同森林類型土壤持水能力的分析［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2007（5）：80－82．

［15］ 王輝，王全九，邵明安．表層土壤容重對黃土坡面養(yǎng)分隨徑流遷移的影響［J］．水土保持學(xué)報(bào)，2007，21（3）：10－14．

［16］ 張玉斌，曹寧，蘇曉光，等．吉林省低山丘陵區(qū)水土保持措施對土壤性質(zhì)的影響［J］．水土保持通報(bào)，2009，29（5）：226－227．