口 黄志霖 陈利顶 傅伯杰 吴祥林

　　严重的水土流失是半干旱黄土丘陵沟壑区主要的生态问题，水土流失的主要原因是不适宜的土地利用和缺少植被覆盖。正在实施的退耕还林还草工程的基本目标是通过大范围的植被重建和恢复，增加自然和人工植被，控制水土流失。至2010年，我国将有1466.7万hm²坡耕地退耕还林还草。在半干旱黄土丘陵沟壑区，由于植被生态环境的差异，很多工程项目的结果背离所预期的生态效益目标。

　　植被恢复与重建是恢复生态系统结构与功能的重要途径，显而易见，这种变化将导致包括径流和土壤侵蚀在内的很多生态过程的改变。我们对植被类型不同层次以及不同植被类型的水土保持效应进行了大量的研究，囿于有限的观测时间和模拟降水次数，且多以静态研究为主，植被类型和指标较为单一，所以缺乏植被重建及恢复过程连续变化土壤侵蚀的动态变化过程分析。

　　由于植被对水文影响具有时间、空间尺度相关性，径流小区域研究结果的应用有一定的局限性。基于植被类型起始生态环境及重建、恢复时间的一致性，植被覆盖类型的生态功能就地对比试验，可能是一种有效的途径和方法。自然降水下的连续观测所得到的长期的土壤侵蚀数据，反映植被逐步变化过程和气候变化所形成的共同影响。侵蚀量、分布、累积侵蚀量及其时间变化作为重要的变化趋势测度变量，可以比较各类型不同时段的减蚀效率变化。以坡耕地为对照目标，可以更容易确定农耕坡地耕作导致侵蚀的风险程度以及通过植被重建与恢复能够防止侵蚀风险的程度，研究结果为半干旱黄土丘陵沟壑区的乔灌草人工植被恢复与重建规划.、设计及其景观尺度的合理布局与配置提供了基础。

　　一、研究区概况

　　研究区位于甘肃省定西地区安家沟小流域，海拔1900～2250m，年均降水量427mm空气相对湿度65.8%，无霜期141d，蒸发量1510mm，干燥度为1.15，按气候区划为中温带半干旱区，水土保持区划为黄土丘陵沟壑区第五副区。

　　该小流域属典型梁峁状黄土丘陵沟壑区。沟壑密度3.14km/km²，主要发育为黄绵土和沟道盐渍土，坡面土层厚度一般达40～60m，质地属粉壤土，0～200cm的土壤容重1.1～1.4g/cm³壤空隙度平均为55%。

　　该区植被属森林草原带干草原区。自然植被以禾本科、菊科、豆科等草本植物为主，有少量沙棘分布。人工种植作物主要以春小麦、洋芋、胡麻和豌豆等，油松、沙棘、苜蓿和针茅草为代表性的植被类型。土地利用类型主要为梯田、坡耕地、林地、撂荒坡地和自然荒草坡。

　　二、研究方法

　　1.径流小区设置

　　共设立15个径流小区，小区的垂直投影面积为5m×l0m和l0m×l0m(沙棘、油松林)。设置5种类型小区：农作物地、紫花苜蓿地、沙棘林地、油松林地和针茅草地。各类型分别按照10°、15°和20°三个坡度布设。各小区坡耕地在1985年建成，农作物主要为春小麦单作。沙棘和油松栽植密度分别为lm×lm和2m×3m。针茅草地起始盖度为100%，高度20cm。1993-1998年，苜蓿小区与作物小区轮换。各小区植被覆盖度在生长结束时测定一次。

　　2.径流和泥沙测定

　　产生径流后，量算径流总体积，搅拌均匀后重复取泥沙样，实验室烘干，计算径流量、径流率、产沙量和侵蚀模数。

　　3.降水量测定

　　在试验区有标准气象观测站，由雨量筒和自动降水记录仪记录降水量和降水过程，记录降水持续时间、各时段降水量，计算平均降水强度和最大10min或30min降水强度。

　　4.统计分析方法

　　采用方差分析、回归分析等统计分析方法，得出不同类型的侵蚀量年度动态变化以及累积侵蚀量用来作为评估减蚀效应。通过比较，可以确定减少侵蚀发生的时段、相对效率和不同年度区间的动态分布与变化。

　　三、结果与讨论

　　1.侵蚀次数与侵蚀量

　　研究观测期间，与农耕坡地总侵蚀量相比较，苜蓿地、沙棘林地、油松林地和自然草地分别降低了55.5%、96%、79.3%和92.8%。沙棘林地的年侵蚀率变动范围为0-7.9g/m²，而自然草地为1.0-24.8g/m²。土壤侵蚀量以农耕坡地为最高，依次为：农耕坡地、苜蓿地、油松林地、草地、沙棘林地。农耕坡地、苜蓿地和油松林地显著地大于沙棘林地和自然草坡的侵蚀量。

　　2.侵蚀的月份分布

5-9月，各月侵蚀量占总侵蚀量的比例分别为：8%、16%、43%、31%和3%。侵蚀主要集中分布在7月和8月，极少分布在5月和9月。与农耕坡地比较，在7、8月，苜蓿地、沙棘林地、油松林地及草地侵蚀量分别减少了2388g/m2、4059g/m2、3235g/m2和3920g/m2，而且7、8月的侵蚀量较小差异，这与侵蚀性降水分布与植被覆盖变化有关，多数侵蚀主要出现在限制性时段内，侵蚀发生与土壤对侵蚀高度的敏感性状况是一致的，侵蚀量的月份分布及其变化是降水分布和植被覆盖季节变化的反映。不同类型总侵蚀量的月份分布见图1。
	图1 不同类型总侵蚀量的月份分布(14年)

　　苜蓿地和农耕坡地水土保持效果取决于两个关键时期。4月中旬到5月中旬，降水量小且变率大，长期的水分亏缺经常出现在苜蓿和农作物(春小麦)关键生长阶段，对雨水的高度依赖决定了植被覆盖具有极大的变率，植被覆盖及生物量取决于降水量和关键时段植物对水分需水的满足程度。7月下旬至9月，农耕坡地和苜蓿地秋季作物收割及苜蓿刈割，该时段是侵蚀性降水集中阶段，并且地面失去植被保护，径流及侵蚀产生也集中于这个关键时期。各类型减蚀效应主要分布在7、8月，分别占总减少量的74%、77%、76%和76%。这个结果与降水的月份分布是一致的。

　　3.减蚀率动态变化

　　年度内、年际和月份内及月份间的可变性，妨碍了对不同类型间不同时段水土保持效果差异的比较。各类型1～14年连续的不同阶段侵蚀量累积曲线如图2，各类型土壤侵蚀量排位次序不一致。

图2　不同植被类型重建后的累积侵蚀量(1-14年)	图3　不同植被类型重建后的累积减蚀效率(1-14年)

　　整体上，各类型减蚀率随累积时间延长而表现为稳定的趋势(图3)。为了比较和说明各类型在不同时间段的减蚀效率随时间而呈现的动态变化，特别是连续的过程比较，选择参照体系(农耕坡地)是必要的。将试验观测期分为3部分(图4)即前段(1986～1988年)、中段(1989～1993年)和后段(1994～1999年)；同时，对各类型按照3个不同间隔期(图5)即短期(1986～1988年)、中期(1986～1993年)和长期(1986～1999年)进行考察。

图4　不同植被类型前段、中段和后段减蚀率变化	图5　不同植被类型短期、中期和长期减蚀率变化

　　(1)不同时间段
　　整个试验期间，针茅草地、沙棘林地和油松林地随时间段变化减蚀率逐步提高(图5)。相反，苜蓿草地的减蚀率随时间的延长而逐步降低。前段，减蚀率较高，为81%；中段，减蚀率保持在平稳恒定水平(63%左右)；后段，累积侵蚀减低率逐步降低，仅为31%。前段，苜蓿草地和沙棘林地减蚀率(81%)相同，针茅草地较高(91%)，但油松林减蚀率(51%)较低。中段，沙棘林和针茅草地减蚀率相同(98%)。试验后期，针茅草地、沙棘林地和油松林地减蚀率达到较高的水平(92%、95%和77%)。

　　不同时间段植被类型的减蚀率与植被覆盖度和土壤扰动状况是联系在一起的。苜蓿草地在起始的5年内，盖度迅速下降。从第8年开始，苜蓿由于衰败，需连年重新续植，由于干旱，盖度一直很低且土壤表层疏松，土壤侵蚀量较高。沙棘林地和针茅草地的累积减蚀率迅速上升并稳定地保持在高水平。

　　(2)不同间隔期
　　不同植被类型的短期、中期和长期减蚀率变化与时间段变化特征类似(图5)。整个研究期间，与农耕坡地比较，苜蓿地、油松林地、草地和沙棘林地土壤侵蚀量分别减少了58%、95%、77%和92%。在苜蓿连续收获期间，其减蚀效应较高，但后来相应的重新耕作导致径流减少、侵蚀效率下降。

　　4.植被恢复

　　植被重建后，不同植被类型的自然植被恢复差异很大。耐阴的草本植被大量出现在沙棘林内，与林冠层和枯落物层构成稳定的缓冲层，形成复合的植被层次结构(林冠层、草本层和枯落物层)，地面覆盖度良好。尽管油松林地的覆盖度逐年增加，但要使地面没有植被侵入是不可能的，林地地面裸露；天然针茅群落的植被覆盖度增加，植物种类增多。灌木沙棘进入，说明在保护状态下，针茅群落所进行的自然恢复过程有利于水土保持功能的发挥。

　　已郁闭的10年生沙棘林小区枯枝落叶层厚达4.5cm，干重7.6kg/m²，试验后期，其年侵蚀量几乎为0，减缓侵蚀作用明显。在侵蚀易于发生的区域，要控制侵蚀，植被是必不可少的因素，林冠层及枯落物层覆盖为土壤提供了必要的保护。枯落物能够改善土壤性质，降水雨滴到达土壤前，密集的植被土地覆盖构成缓冲区，并通过根系增加土壤的渗透容量，限制径流和多发的侵蚀产生。沙棘灌木林的径流和侵蚀结果证明：随时间尺度的增加，影响和控制径流、侵蚀的主导因子从降水特征转移到植被覆盖和土壤结构性质的变化。

　　四、结语

　　侵蚀产生量与土地利用及土壤覆盖特征有关。较高的侵蚀量出现在农耕坡地和苜蓿地。这主要是由于缺乏植被覆盖保护和表层土壤被扰动。而其余类型相对低的侵蚀则归功于良好的植被覆盖和土壤无扰动或低扰动。

　　沙棘灌木林和针茅草地是有效的水土保持类型。沙棘林的建立促进天然草本的自然恢复，天然针茅草地也同时具有灌木沙棘的衍生作用。由于较低的减蚀效应和无任何灌草植被衍生及自我更新，油松人工林应该被谨慎地推荐。天然草地的土壤侵蚀量极低，草本覆盖应该得到保育及人工恢复。

　　各类型具有不同的减蚀效率变化趋势。自然草坡和沙棘林的减蚀率在短期内迅速上升并维持在高水平，油松林减蚀率变化缓慢但具有持续增加趋势，然而，苜蓿地的减蚀率一直表现为下降趋势。林地植被类型及结构会显著影响其径流的发生和侵蚀的结果。一年生草本、多年生自然灌草覆盖具有更低的径流和侵蚀量，保留和维持这些类型，能够实现以极低的成本获得良好的生态防护功能，维持自然植被也是一种有效的生态恢复方式和水土流失防治措施。

　　在半干旱丘陵沟壑区，选择适当的植被类型和有效的管理是预防水土流失风险的重要保证。灌木林和草地表现稳定，具有良好的水土保持功能。大量苜蓿草地、乔木林地的建成，无疑会加剧土壤水分的消耗和肥力的下降，从水土保持角度而言，也是植被恢复与重建过程中应谨慎选择的。在生态重建恢复工程中，针对土地利用类型选择适当的措施来防止地表径流和土地退化，以减缓生态系统退化是十分必要的。　■

(作者单位：中国科学院生态环境研究中心系统生态重点实验室)
责任编辑 王晓平