固原東部黃土丘陵區(qū)降水及退耕林地土壤水分的時(shí)空分布特征研究

殷玉明 王 兵 梁 華 梁 君 仲軍琦

摘要通過(guò)對(duì)固原市原州區(qū)楊達(dá)子溝流域的降水及其退耕林地土壤水分時(shí)空分布特征進(jìn)行分析,結(jié)果表明:同時(shí)次降雨量、月降雨量均存在顯著空間異質(zhì)性。土壤水資源由于地形、降雨、植被覆蓋等的差異性,特別是植被差異性利用,則存在時(shí)空異質(zhì)性。土壤水分在雨季后1~2月在0~150 cm形成高值期,150 cm以下的土壤恢復(fù)緩慢。森林植被差異利用形成了土壤水分剖面不同:沙棘林>檸條林>山桃+山杏林>喬木林。根據(jù)對(duì)水資源系統(tǒng)分析,提出了流域水資源開(kāi)發(fā)利用的對(duì)策:植被空間合理布局;降雨、土壤水的利用等。

關(guān)鍵詞退耕還林地;降雨;土壤水;時(shí)空分布特征;黃土丘陵區(qū)

中圖分類號(hào)S152.7+5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào) 1007-5739(2009)14-0247-01

自實(shí)施退耕還林工程后,以林業(yè)為主的生態(tài)建設(shè)已取得了巨大進(jìn)展,但隨著林草植被的增加,黃土丘陵區(qū)干旱少雨地區(qū)水資源問(wèn)題成為制約林業(yè)生產(chǎn)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸?，F(xiàn)通過(guò)對(duì)原州區(qū)東部黃土丘陵區(qū)小流域降雨、土壤水分的系統(tǒng)分析,得出該區(qū)水資源的時(shí)空分布特征,從而為以流域?yàn)閱卧耐烁值厮Y源利用提供對(duì)策,為原州區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)服務(wù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)選在原州區(qū)東部黃土高原丘陵溝壑區(qū)的楊達(dá)子溝流域,位于固原市東北部15km處。流域面積160km2。年平均氣溫6.8℃,多年平均降水量340mm,其中,7~9月降水量占全年降水量的70%以上,且多以暴雨形式出現(xiàn),年際變化很大;年蒸發(fā)量1 000mm左右,年徑流深23mm。

1.2研究方法

降雨量測(cè)定在沿主溝道布設(shè)若干個(gè)測(cè)點(diǎn),并在一較小區(qū)域布設(shè)不同坡向、海拔高度雨量桶,測(cè)定降雨空間異質(zhì)性。

運(yùn)用土鉆法定位監(jiān)測(cè)土壤水分:以南北向、東向3個(gè)大斷面測(cè)定退耕林地不同植被土壤水分,布設(shè)28個(gè)采樣點(diǎn)。定位監(jiān)測(cè)每月1次(4~10月),其中,4月和10月測(cè)深為400cm,5~9月測(cè)深為200 cm。0～1m每10 cm取樣,1m以下每20cm取樣。土樣用烘箱在105～110℃下烘干計(jì)算水分,用干土質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)表示。

2結(jié)果與分析

2.1降雨空間分布的差異性

降雨與地形地貌關(guān)系:為了分析降雨的時(shí)空分布不均勻性,更細(xì)致地說(shuō)明降水差異,在微型溝流域(0.32 km2)布設(shè)不同坡向與海拔降雨裝置,測(cè)定降雨(陰坡、陽(yáng)坡、峁頂部、溝底),結(jié)果見(jiàn)圖1?？梢钥闯?降雨量陽(yáng)坡與溝底基本相當(dāng),陰坡最多,峁頂部最少,說(shuō)明降雨場(chǎng)降雨在流域上分配是不同的。

以2006年8月降水量表示降雨的空間不均勻性, 8月降水表現(xiàn)出由溝口向溝掌顯著減少的特征,減少幅度很大。月降水量從85.6 mm減少到12.5 mm,減少幅度為73.1mm,減少了約6倍,這種降雨的非均勻性足以對(duì)森林植被水分利用造成影響(表1)。

由于降水的變異不僅反映為空間的量變,也反應(yīng)在降水發(fā)生時(shí)間上,因此筆者在研究降水利用問(wèn)題時(shí)需要對(duì)降水量、供應(yīng)時(shí)間及其保證率進(jìn)行分析。為此提出降雨適量、適時(shí)、有效性3個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)降雨—森林植被需水的功能指標(biāo)[1]。

利用對(duì)策:研究降水資源時(shí)間、空間分布特征,進(jìn)而調(diào)整造林樹(shù)種選擇、初植密度及喬灌結(jié)構(gòu),即順應(yīng)降水時(shí)間動(dòng)態(tài),合理調(diào)整森林布局,提高降雨利用率。同時(shí),根據(jù)降雨的空間變化,對(duì)陰陽(yáng)坡、不同海拔高度采取不同植被治理。

2.2土壤水分異質(zhì)性及其原因分析

2.2.1土壤水分時(shí)間動(dòng)態(tài)。對(duì)林地2006年土壤水剖面作分析(圖2),在2006年豐水季,土壤水分得到逐漸恢復(fù),但恢復(fù)集中在0～150cm,而且直到10月150cm以下土層較8月還低。結(jié)合6~10月土壤水分剖面與降雨月動(dòng)態(tài),可明顯看到土壤水分顯著受降雨量影響,深層土壤水分恢復(fù)進(jìn)程緩慢,植被的作用不可忽視[3-5]。

2.2.2植被利用下的土壤水分分析。對(duì)2006年10月不同植被下的土壤水分進(jìn)行分析,結(jié)果表明:雨季恢復(fù)后不同植被類型下土壤水分仍差異明顯[6,7](圖3),整個(gè)土壤剖面為:沙棘林>檸條林>山桃+山杏林>喬木林。在1 m以下表現(xiàn)的尤為明顯。沙棘林水分除0～1m略低外,深層水分達(dá)16%～19%,喬木林地在100cm以下則基本低于9%,變動(dòng)于7%～10%。灌木林中沙棘林地水分高于檸條林,灌木林地深層水分明顯好于喬灌混交林、喬木林。

2.2.3土壤水資源開(kāi)發(fā)潛力。水土保持措施對(duì)改善土壤水環(huán)境的作用:水土保持工程措施集流整地,其中以水平溝整地效果明顯。研究表明,不同整地方式下可增加一定土壤水資源量。以荒山為對(duì)照,豐水年(550mm以上)栽植穴整地造林:20mm魚鱗坑整地造林40～50mm,水平溝整地造林70～90mm。

利用對(duì)策:根據(jù)對(duì)全流域土壤水分調(diào)查,流域總土壤水資源在2006年4月0～4m的儲(chǔ)量達(dá)到1 971.7萬(wàn)立方米,相當(dāng)于水深520mm。灌木林地占到36%,喬灌混交林地33%,喬木林地31%。由于森林植被對(duì)土壤水分利用差異性存在,降雨對(duì)土壤水資源的支配性影響,在具體利用上應(yīng)該以合理樹(shù)種布局為主,輔以工程集雨技術(shù),達(dá)到水資源供需平衡。

3小結(jié)

黃土丘陵區(qū)屬低水多變的脆弱水環(huán)境,在生態(tài)建設(shè)中應(yīng)以水資源高效利用為目標(biāo),以水資源環(huán)境容量研究及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)集成為核心,在對(duì)區(qū)域降雨、土壤水資源的時(shí)空分布特征充分研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合農(nóng)林牧業(yè)生態(tài)用水需求,采取土壤水庫(kù)、地表/地下水庫(kù)、大氣水庫(kù)3庫(kù)連動(dòng)御旱的整體水資源開(kāi)發(fā)技術(shù),提高偏旱區(qū)水資源利用效率。

降雨的時(shí)空異質(zhì)性是流域水資源管理需要針對(duì)的主要問(wèn)題,應(yīng)該合理人工植被的空間格局,采用人工近距集流技術(shù),其他節(jié)約用水技術(shù)等,保證流域水資源安全、高效利用。

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