减水减沙效益是水土保持的基本效益, 是评价林地水土保持作用的基础。曾伯庆等(1990)、侯喜禄等(1991)的研究结果表明降雨条件与盖度对林地的减水减沙效益影响很大。关于林地减水减沙的研究很多(郝建忠, 1993; 熊运阜, 1996; 赵有恩, 1996; 吴永红, 1998; 侯喜禄, 1990), 但对不同质量林草措施在不同降雨条件下的减水减沙效益未作深入研究。本文将对不同降雨条件下不同盖度人工林地的水土保持减水减沙效益进行分析研究, 为黄土高原水土保持林的建造、水土保持规划和生态环境建设等提供依据。

1 资料来源与分析方法 1.1 资料来源

分析资料是采用黄土高原绥德辛店沟和韭园沟1959 ~ 1963年¹⁾、绥德王茂沟1961 ~ 1964年²⁾、延安大砭沟1959 ~ 1967年2)、山西离石王家沟1957 ~ 1966年³⁾以及安塞1980 ~ 1989年(侯喜禄等, 1990; 1991)部分场次坡耕地、林地径流小区的基本情况资料, 径流场逐次径流泥沙测验资料, 以及降雨量摘录资料。径流小区的坡度在20°~ 35°之间, 坡长在10 ~ 30 m之间, 小区面积为100 ~ 600 m²。坡耕地小区种植的作物主要为谷子(Setaria italica)、糜子(Panicum miliaceum)、豆类(Leguminosae Spp.)、马铃薯(Solanum tuberosum)等, 作物盖度在0 ~ 60 %之间, 且多在35 %以下。林地小区的树种主要是洋槐(Robinia pseudoacacia), 还有椿树(Ailanthus altissima)、榆树(Ulmus pumila)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)、柠条(Caragana microphylla)等, 林地盖度的变化范围为10 %~ 90 %。林地径流小区的基本情况见表 1。

1) 黄河中游水土保持委员会.黄河中游水土保持径流测验资料:天水、西峰、绥德站径流场部分.1965, 1945~ 1963

2) 陕西省水土保持局.陕西省水土保持径流测验资料(上、下册).1976, 1954~ 1976

3) 山西省水土保持科学研究所.山西省水土保持科学研究所径流测验资料.1982, 1955~ 1981

1.2 分析方法

由于黄土高原的垦殖率很高, 与裸露地对照人工林地的减水减沙效益没有实际意义。而黄土高原坡地耕地的土壤侵蚀是由高强度降雨造成的, 大多数降雨是不会产生径流的。因此, 当坡耕地不发生水土流失时, 林地就发挥不出其水土保持的作用。所以, 用于分析的降雨资料应大于坡耕地侵蚀性降雨标准。

由于“雨量”与“雨强”两因素是反映降雨对侵蚀影响的主要降雨特征指标, 经分析, 采用降雨量(P)与最大30 min雨强(I₃₀)的乘积(PI₃₀)作为降雨指标。考虑到黄土高原超渗产流的特点, 决定其水土流失的主要降雨特征指标是降雨强度, 特别是瞬时降雨强度。因此, 在采用PI₃₀指标的同时, 还需考虑最大30 min雨强(I₃₀)。侵蚀性降雨标准的确定方法, 是将所有的侵蚀性降雨资料, 分别按PI₃₀和I₃₀由大到小排序, 计算相应的侵蚀累积百分比(E_p), 再点给PI₃₀和I₃₀与侵蚀累积百分比散点图, 并进行模拟配线, 取E_p =95 %时的PI₃₀和I₃₀值, 作为坡耕地的侵蚀性降雨标准。

对于林地减水减沙效益的分析, 是以坡耕地为对照, 选择降雨条件大于坡耕地侵蚀性降雨标准的降雨侵蚀资料, 计算林地相对于坡耕地的减水、减沙量, 得到林地的相对减水减沙效益。再利用数理统计的方法, 分析林地减水效益、减沙效益分别与降雨和盖度的关系, 从而得到不同降雨条件下不同盖度林地减水减沙效益的大小。

2 结果与分析 2.1 坡耕地侵蚀性降雨标准

由于黄土高原的人工林地分布在20°~ 35°之间的坡地上, 故选择20°~ 35°之间的坡地上径流小区的侵蚀性降雨资料, 共424场, 确定其侵蚀性降雨标准, 所得结果如下:

当E_p =95 %时, PI₃₀ =3.20 mm²·min^-1, I₃₀ =0.24 mm·min^-1。即PI₃₀ >3.20 mm²·min^-1和I₃₀ >0.28 mm·min^-1为20°~ 35°坡耕地的侵蚀性降雨标准。

2.2 林地水土保持减水减沙效益

根据林地径流小区的降雨侵蚀资料, 选择降雨PI₃₀ >3.20 mm²·min^-1, I₃₀ >0.24 mm·min^-1, 且无整地工程措施(如地埂、水平沟、鱼鳞坑)的小区资料, 整理得到用于分析林地减水效益与减沙效益的资料各88场次(表 2), 经统计分析, 得到林地的减水效益和减沙效益各自与降雨、盖度的关系如下:

式中:R为林地的相对减水效益(%); S为林地的相对减沙效益(%); V为林地盖度(0 ~ 100);PI₃₀为降雨特性指标(3.20 ~ 100 mm²·min^-1)。

通过上述关系式, 可得到不同降雨条件下不同盖度林地相对于坡耕地的减水减沙效益指标(表 3)。可以看出, 减水减沙效益随着PI₃₀的增大而减小, 且减幅程度逐渐变小; 减水减沙效益随着盖度的增大而增大, 增加的幅度也逐渐变小; 当盖度>30 %, 就有较为明显的减水减沙作用, 当盖度>70 %, 减水减沙效益趋于稳定。可见, 林地的盖度对其水土保持减水减沙作用的影响非常大, 当盖度达到一定程度时, 就可有效地保持水土, 起到减轻或消除土壤侵蚀的作用。

3 讨论

造林种草具有从根本上治理水土流失的作用, 但由于黄土高原严重的水土流失和干旱的气候环境, 林木生长立地条件差, 成活率较低, 生长速度较慢, 容易形成“小老头树”。林草措施如不与鱼坑、水平沟、水平阶等工程措施相结合, 其水土保持效益必将受到限制。根据山西离石王家沟不同整地措施刺槐林径流小区的降雨侵蚀资料, 水平沟种植与穴植相比, 减水减沙效益都增大, 减沙效益增加不足10 %, 而减水效益则特别明显(表 4)。可见, 整地工程措施可为林木的生长提供充足的水分条件。由表 5可以看出, 与穴植相比, 水平沟种植刺槐林的减水减沙效益平均为93.9 %、96.5 %; 鱼鳞坑种植刺槐林为80.1 %、83.7 %; 水平阶种植刺槐林为52.0 %、73.2 %。当水平沟种植的刺槐林生长到7、8 a时, 可能由于水平沟的淤满, 与穴植相比, 为负效益; 鱼鳞坑的效益也逐年降低。因此, 造林与整地工程相结合, 具有明显的水土保持减蚀效应, 一是可促进林木的生长, 加快其水土保持效益的实现; 而是整地工程措施本身就具有保持水土的作用。但应经常对整地工程措施加以维护管理, 充分发挥其水土保持减蚀作用。