黃土區(qū)侵蝕溝道環(huán)境資源位與植物生態(tài)位對位配置

趙秀蘭，張 富，張金霞，張宏奎，王玲莉

(1.甘肅農業(yè)大學林學院，730070，蘭州；2.甘肅中和育生態(tài)環(huán)境咨詢中心，730030，蘭州；3.甘肅農業(yè)大學水利水電工程學院，730070，蘭州；4.崇信縣林業(yè)技術推廣站，744200，甘肅平涼)

黃土高原是我國水土流失的重點治理區(qū)，嚴重的水土流失造成生態(tài)平衡失調、土地資源破壞、農業(yè)生態(tài)環(huán)境惡化，制約社會經濟的可持續(xù)發(fā)展，是導致區(qū)域貧困的重要原因之一[1-2]。馬寧等[3]研究表明，在黃土丘陵溝壑區(qū)小流域泥沙侵蝕量中溝谷地占73%，溝間地占27%。坡溝系統(tǒng)既是治理生態(tài)環(huán)境的基本單元，又是區(qū)域侵蝕產沙的主要源地[4]，所以侵蝕溝道治理在小流域水土流失治理中，具有重要意義。眾多專家學者在溝道侵蝕治理工作方面做了大量的研究和實踐工作，劉彥隨等[5]提出“干-支-毛”分層防控、“渠-堤-壩”系統(tǒng)配套、“喬-灌-草”科學搭配的溝道治理技術體系。高若武等[6]等提出溝頭防護、護岸工程及溝道防護林措施體系。畢華興等[7]對黃土高塬溝壑區(qū)南小河溝的“三道防線”治理模式進行細化，在溝坡發(fā)展地埂經濟林、刺槐護坡林與耕地牧草相結合的溝坡防護措施配置模式；在溝谷布設反坡臺、植物固溝林、谷坊群、防沖林為主體的溝谷防護措施配置模式。雖然在侵蝕溝道治理方面有許多治理典型，但缺乏深入的理論探討，尤其在植物措施與立地條件配置方面，所以常出現(xiàn)“小老樹”和植物“三低”現(xiàn)象[8]，使水土保持措施效益發(fā)揮受到限制。侵蝕溝道的環(huán)境資源位是指在侵蝕溝道實際存在的環(huán)境資源所構成的多維空間中，能夠被植物措施占據(jù)、利用或適應的環(huán)境資源。如何從溝道環(huán)境資源位與植物生態(tài)需求位匹配入手研究水土保持植物措施布設，在理論上進行適地適樹定量化研究，使立地條件與植物種相互適應，提高水土保持植物措施效益、深化治理典型成果，形成侵蝕溝道植物措施對位配置模式，是侵蝕溝道治理工作中亟待解決的問題，具有普遍的指導意義。

筆者參考小流域坡面對位配置模式[9]，以生態(tài)位理論為指導，通過對小流域侵蝕溝道不同部位環(huán)境資源位、不同植物種生態(tài)需求位進行分析科學確定植物措施與工程措施組合，提出小流域侵蝕溝道水土保持植物措施配置模式及技術，為溝道治理措施的選擇及措施間科學配置提供理論依據(jù)，以指導黃土高原小流域溝道水土流失治理的實踐。

1 研究區(qū)概況

甘肅黃土高原地區(qū)位于甘肅省中東部，西北黃土高原的西部，西至烏鞘嶺和青海，東鄰陜西，南以迭山、西秦嶺分水嶺為界，北接寧夏。地理位置位于E 100°43′～108°42′，N 33°6′～37°39′。區(qū)內大部被黃土覆蓋，只有少量的土石山地區(qū)，黃土厚度一般為10～300 m，海拔在1 000～3 000 m之間，地勢西北高向東南低，溝壑密度1.8～2.5 km/km2之間，平均為2.13 km/km2。年降水量為500～650 mm，年內降水分配不均，土壤主要以黃綿土、黑壚土為主。植被為暖溫帶森林草原，天然森林植被稀少，天然草本植被不連片地分布在溝谷和山坡，植被覆蓋度為10%～70%[10]。該區(qū)域包括黃土丘陵溝壑第三、五副區(qū)和黃土高塬溝壑區(qū)(簡稱“丘三區(qū)”“丘五區(qū)”和“高塬區(qū)”，下同)，溝道侵蝕特征為溝壑縱橫、梁峁(塬)起伏、地形破碎、坡陡溝深、溝道比降大、植被稀疏，支溝多處在發(fā)育階段，暴雨徑流使溝床下切、溝頭延伸、溝岸崩塌滑坡，溝道內土壤類型主要以黃綿土和紅土為主。

在甘肅黃土高原區(qū)選擇自然條件、社會經濟狀況、水土保持工作開展情況及溝道特征等方面均具有代表性，有較長的監(jiān)測資料序列，開展過多項試驗研究課題，有較為全面的流域治理資料和相對便利的交通條件的流域作為侵蝕溝道植物措施對位配置研究的典型小流域，主要為丘三區(qū)的羅玉溝、呂二溝；丘五區(qū)的安家溝、稱溝河和高塬區(qū)的南小河溝流域。

2 指標與方法

1)侵蝕溝道不同地形部位的環(huán)境資源位分析與計算。以溝道部位、坡向、坡度、土壤類型以及土壤水分狀況等不同地形部位間差異顯著的環(huán)境因子為指標，對侵蝕溝道立地條件類型進行劃分?；跉庀笥^測數(shù)據(jù)和不同類型侵蝕溝道的坡向、坡度、海拔等下墊面條件，采用氣象學統(tǒng)計[11]和空間插值法[12]，對侵蝕溝道的小氣候因子的分布規(guī)律及其數(shù)量變化進行分析及計算，為環(huán)境資源位分析提供依據(jù)。

2)不同植物生態(tài)需求位分析。在現(xiàn)有資料的基礎上，查閱文獻資料[13-14]，了解植物種的生長發(fā)育所需要的生態(tài)條件，主要包括：海拔、≥10 ℃有效積溫、降雨量、土壤含水量、全年日照時間、土壤含鹽量等因子的最低、最高和最適值。

3)植物種生態(tài)位適宜度計算。生態(tài)位適宜度指數(shù)反映區(qū)域現(xiàn)狀資源條件對發(fā)展需求的適宜程度，采用生態(tài)適宜度模型[8]，對侵蝕溝道立地條件下的植物種進行生態(tài)適宜度的計算。

4)植物措施對位配置模式。對不同立地條件下的整地工程及植物種進行適宜性分析，適宜度指數(shù)≥0.5的植物種生長量較高[15]，生長發(fā)育狀況表現(xiàn)良好。篩選出適宜度指數(shù)≥0.5的植物種進行配置，提出植物措施對位配置模式。由于半干旱區(qū)自然降雨不能滿足植物生長發(fā)育的需求，必須配套相應的工程，通過降雨徑流的富集利用，滿足植物對水分的要求。

3 結果與分析

3.1 侵蝕溝道環(huán)境資源位分析

1)侵蝕溝道立地條件類型劃分。將研究區(qū)侵蝕溝道分為10種立地條件。立地條件主要以溝坡和溝臺地為主，溝臺地以陰陽坡的不同分為Ⅰ和Ⅱ，溝坡以坡向、坡度、土壤類型和土壤水分不同分為Ⅲ至Ⅹ，結果詳見表1。10種立地類型中第Ⅰ至Ⅵ立地類型的水分條件良好，而后4種在陽坡上的水分條件為差，土壤類型主要有紅土和黃土2類。

表1 小流域溝道立地條件類型劃分表Tab.1 Classification table of site condition types of erosion gullies in small watershed

2)侵蝕溝道環(huán)境資源位分析。安家溝(丘五區(qū))小流域地形小氣候研究表明，氣溫、地溫、水氣壓、相對濕度、風速5項地形小氣候因子中，除了風速、相對濕度外，其余因子在陰坡、陽坡和溝底3個部位均隨著月份有規(guī)律性變化，無顯著差異。由于地形對風的抬升作用，隨坡位抬升風速增大，且陽坡高于陰坡。溝底相對濕度較其他部位為高，氣溫在整個溝道內變化較小，水汽壓隨地形高度的上升而降低，降水差異較小。2 m土層內土壤含水率在同一坡向上不同地形部位無顯著差異；不同坡向上同一部位差異顯著，陰坡比陽坡平均多蓄水70.5 mm。

對不同溝道類型的有效積溫、全年日照的計算結果見表2，可知，在坡度相同時，陽坡的全年日照時間和有效積溫明顯高于陰坡；在不同種類型區(qū)，全年日照時間丘三區(qū)>高塬區(qū)>丘五區(qū)，積溫值丘三區(qū)>丘五區(qū)>高塬區(qū)。

表2 不同立地條件類型環(huán)境資源位Tab.2 Environmental resource level of different site condition type

3.2 植物生態(tài)需求位分析

選取研究區(qū)常見的39種植物分析生態(tài)需求位，部分結果見表3。不同植物種對生長環(huán)境的需求不同，白皮松(Pinusbungeana)在海拔500～2 000 m范圍內適宜生長，披堿草(Elymusdahuricus)在450～4 500 m范圍內可以生長，從低海拔到高海拔地區(qū)都有分布；葡萄(Vitisvinifera)生長的海拔最適值是400～600 m，土壤含水量的最適值是15%～17.5%，對環(huán)境的適應性較差；白皮松比較抗旱，在土壤含水量5%～7.5%最適宜生長，紅三葉(Trifoliumpratense)最適宜的耐鹽含量為0.25%，超過0.6%則沒法生長，老芒麥(Elymussibiricus)最適宜的積溫范圍700～800 ℃。所以在溝道配置植物措施時要根據(jù)植物種的生態(tài)需求位進行配置，才能夠提高植物種的成活率，達到水土保持的目的。

表3 部分適宜植物生態(tài)需求位Tab.3 Ecological demand level of partially suitable plant

3.3 植物種生態(tài)適宜度計算及對位配置模式

對10種立地條件下的植物種進行生態(tài)適宜度的計算，部分結果見表4。同種區(qū)域不同立地條件下，植物的生態(tài)適宜度不同，油松(Pinustabuliformis)、毛白楊(Populustomentosa)在丘三區(qū)第Ⅰ種立地條件下適宜度指數(shù)分別為0.456 6、0.916 8，而在第Ⅱ立地條件下為0.921 5、0.682 4，表明油松在丘三區(qū)第Ⅱ種立地條件下更適宜生長，毛白楊則在第Ⅰ種立地條件下更適宜。不同類型區(qū)相同立地條件下同種植物的生態(tài)適宜度差異明顯，油松在丘五區(qū)、高塬區(qū)第Ⅰ種立地條件下的適宜度指數(shù)為0.452 3、0.240 3，說明油松生態(tài)適宜性丘三區(qū)>丘五區(qū)>高塬區(qū)，毛白楊的生態(tài)適宜性丘三區(qū)>高塬區(qū)>丘五區(qū)；而在第Ⅱ種立地條件下，油松的適宜性丘三區(qū)>丘五區(qū)>高塬區(qū)；毛白楊的適宜性丘三區(qū)>高塬區(qū)>丘五區(qū)，毛白楊在丘三區(qū)和高塬區(qū)更適宜生長。

表4 環(huán)境資源位與植物生態(tài)需求位宜度指數(shù)Tab.4 Suitability index on environmental resource level and plant ecological demand level

根據(jù)環(huán)境資源位與植物生態(tài)需求位適宜度指數(shù)計算結果，篩選出適宜度指數(shù)≥0.5的植物種進行對位配置，根據(jù)GB/T 16453—2008《水土保持綜合治理技術規(guī)范》確定不同立地條件下的整地工程，對降雨徑流進行富集，主要為反坡臺、臺地、水平階、魚鱗坑和穴狀整地。部分結果見表5。白皮松在丘三區(qū)適宜性較好，但在丘五區(qū)和高塬區(qū)適宜性太差；第Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ和Ⅹ種立地類型下適宜生長的植物種較少，只有耐旱耐瘠薄樹種適宜配置，其余類型適宜植物種較多。在坡度較小，土地較平緩的溝臺地可以種植喬木，并配套反坡臺、水平階等整地工程，提高植物的成活率和生長量；在坡度較陡、且水分較差的地區(qū)，應種植耐旱、抗瘠薄的植物種，并配套魚鱗坑及穴狀整地工程。

表5 不同立地條件類型適宜植物種及徑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 結果驗證與評價

在丘三區(qū)呂二溝、丘五區(qū)稱溝河及高塬溝壑區(qū)南小河溝流域對表5提出的配置模式進行驗證且做出適宜性評價。實地調查每個類型區(qū)存活年限較長的白榆(Ulmuspumila)、山杏(Armeniacasibirica)、毛白楊、旱柳(Salixmatsudana)、側柏(Platycladusorientalis)、油松、刺槐(Robiniapseudoacacia)和紅柳(Tamarixramosissima)，結果如表6所示。

表6 對位配置結果驗證表Tab.6 Verification of the alignment configuration result

由表可知，毛白楊在丘三區(qū)第Ⅲ種立地條件下的樹高是第Ⅴ種條件下的3.1倍，胸徑是2.0倍，適宜度指數(shù)較高，說明毛白楊在第Ⅲ和Ⅴ種立地條件下適宜生長，且在第Ⅲ種立地條件下生長狀況優(yōu)于第Ⅴ種立地條件；紅柳在丘五區(qū)第Ⅳ種立地條件下的樹高是第Ⅸ種條件下的1.6倍，冠幅是1.2倍，均適宜生長；在丘三區(qū)第Ⅶ種立地條件下，白榆樹高是山杏的1.4倍，胸徑是1.9倍，白榆和山杏均適宜生長且白榆適宜度指數(shù)高于山杏，說明白榆的生長狀況更優(yōu)；刺槐在丘五區(qū)第Ⅵ種立地條件和高塬區(qū)第Ⅸ種立地條件下，適宜度較小，均不適宜生長。結果表明在同種類型區(qū)，同種植物在立地條件較好的情況下生長發(fā)育情況較好，適宜度指數(shù)高。

4 討論

通過研究發(fā)現(xiàn)，由于地表下墊面對環(huán)境資源的再分配作用，使得侵蝕溝道不同地形部位的環(huán)境資源位產生顯著的差異，不同的環(huán)境資源條件只能滿足特定植物的生長需求。在植物生長發(fā)育過程中，氣候、地形、植物生長狀況會對土地生產潛力有很大影響[8]，植物生長發(fā)育條件越好，生物量越大，消耗的土壤水分更多，會降低土地生產潛力，導致植物的生態(tài)適宜度降低，所以在侵蝕溝道中植物措施環(huán)境資源與植物生態(tài)需求對位配置時，還應注意確定合理的造林處置密度，同時注意喬灌草的混交搭配，充分發(fā)揮植物間耗水量的自然調節(jié)和競爭分配[16]。筆者僅從宏觀層面研究環(huán)境資源位的分布規(guī)律及植物種的生長發(fā)育所需的生態(tài)條件，由于侵蝕溝道的立地條件分異大，影響因子復雜，還有許多微地形造成的變化因子沒有考慮，如溝道內局部積水、局部地段土壤瘠薄、土壤鹽漬化嚴重等不利因素造成的影響還需進一步研究。

5 結論

筆者通過對黃土區(qū)侵蝕溝道環(huán)境資源位與植物生態(tài)需求位對位配置進行研究，深入探討適地適樹定量化研究，提出侵蝕溝道水土保持植物措施對位配置模式。侵蝕溝道不同立地條件下環(huán)境資源位不同，在丘三區(qū)、丘五區(qū)和黃土高塬區(qū)，全年日照時間丘三區(qū)>高塬區(qū)>丘五區(qū)，有效積溫值丘三區(qū)>丘五區(qū)>高塬區(qū)。植物種對生長環(huán)境的生態(tài)需求也不相同，在溝臺地等環(huán)境資源位較好的立地條件類型下植物生態(tài)適宜度指數(shù)較高，適宜植物種類較多。在溝道配置植物措施時要根據(jù)植物種的生態(tài)需求條件選擇生態(tài)適宜度指數(shù)較高的植物種且應配套相應的整地工程，使溝道環(huán)境資源位與適宜的植物生態(tài)需求位相互配置，才能夠提高植物種的成活率，提高水土保持植物措施效益。對位配置模式的應用具有良好的植物生長發(fā)育效果，能為溝道治理措施的選擇及措施間科學配置提供理論依據(jù)。