本書以我國北方黃土半干旱區(qū)為研究核心, 從降水資源條件及林地土壤水分動(dòng)態(tài)研究入手, 提出了林分密度與林分穩(wěn)定的關(guān)系問題, 展開了退耕還林地區(qū)水資源條件與植被演替規(guī)律的研究。
第1 章 降水資源和林地土壤水分
1.1 研究區(qū)域
《全國林業(yè)生態(tài)建設(shè)與治理模式》將我國北部地區(qū)進(jìn)行水土流失治理的地域主要分為
3 個(gè)地帶:黃土高原向沙漠(地)過渡帶、黃土高原向青藏高原過渡帶和黃土高原丘陵溝壑
帶(國家林業(yè)局,2003) 。因此,本書在國家驗(yàn)收的國家“十一五”科技支撐專題“黃土高原
西部高寒區(qū)水土保持型林草植被恢復(fù)技術(shù)試驗(yàn)示范”(2006BAD03A1203)和教育部科學(xué)
技術(shù)重大研究項(xiàng)目“北方退耕還林區(qū)水土保持林植被恢復(fù)和重建技術(shù)研究”(10407)的支
撐下,分別于中國北部的內(nèi)蒙古鄂爾多斯;中國西北部的青海大通;中國中西部的山西呂
梁方山設(shè)置典型試驗(yàn)地。研究區(qū)分布情況及氣候特點(diǎn)見圖1-1 和表1-1 。
1.1.1 黃土高原向沙漠(地)過渡區(qū)
以內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)代表黃土高原向沙漠(地)過渡區(qū),研究不同退耕年限的植被
演替趨勢。
1.地理位置及行政區(qū)劃
鄂爾多斯位于37°35′24″ ~ 40°51′40″N ,106°42′40″ ~ 111°27′20″E,地處黃河中上游,
一面靠長城,三面臨黃河,即黃河由西、北、東環(huán)繞,流程728km ,南臨古長城。地貌由南
北向中部隆起,海拔高為1400 ~ 1700m ,向四周緩慢降低,地勢呈中西部、西北部高,東南
部即四周低,最高在西部桌子山,主峰海拔為2149m 。最低處在東部準(zhǔn)格爾旗馬柵鄉(xiāng),海
拔為850m ,絕對(duì)高差為1299m 。
2.地質(zhì)地貌
鄂爾多斯由于受桌子山到東勝構(gòu)造隆起帶及構(gòu)造帶兩側(cè)底層下沉帶構(gòu)造地質(zhì)的作
用,鄂爾多斯宏觀地貌結(jié)構(gòu)既呈東西帶狀延伸,又呈南北帶狀排列。自南而北帶狀地貌類
型有毛烏素沙地,準(zhǔn)格爾、東勝高平原,庫布齊沙漠和黃河沿岸沖積平原。自東而西排列
的地貌類型有黃河谷地、準(zhǔn)格爾黃土丘陵、東勝準(zhǔn)格爾砒砂巖丘陵、東勝剝蝕丘陵、杭錦旗
高平原、桌子山前丘陵、桌子山中山地、桌子山西側(cè)丘陵及平原、黃河谷地。這一地貌結(jié)構(gòu)
既取決于內(nèi)力作用,又取決于外力的水分與風(fēng)力條件。
3.氣候
鄂爾多斯位于亞洲大陸內(nèi)部,處于東部季風(fēng)到達(dá)的邊緣地帶,終年在大陸氣團(tuán)控制之
下,氣候干燥。影響的主要環(huán)流系統(tǒng)有溫帶氣旋、反氣旋和副熱帶高壓。天氣的非周期變
化和降水的季節(jié)變化都很強(qiáng)。氣候特征為強(qiáng)大陸性、弱季風(fēng)性、干旱少雨、蒸發(fā)旺盛、寒暑
變化明顯、光能資源豐富、大風(fēng)日數(shù)和沙塵日數(shù)多(表1-2) 。
4.水文
鄂爾多斯包括在50mm 等流線以西的干旱區(qū),徑流分布由東部的25mm 到西部減為
5mm 或者不產(chǎn)生徑流。其東部為少水帶,西部為缺水帶。鄂爾多斯的河流稀少,湖泊
較多。
(1) 地表水。黃河環(huán)該市西、北、東三面流過,流程728km ,屬過境河,磴口水文站多
年平均徑流量為306.2 億m3 ,分配給該市的水資源6.31 億m3 ,占全市水資源開發(fā)利用
量的一半。發(fā)源于高原上的黃河支流,因高原上自桌子山到東勝有一條海拔在1500m 左
右的梁地,成為重要的分水嶺脊,諸河流呈放射狀流向四周,成為市內(nèi)外流區(qū)河流,主要分
布于北部和東部,總地區(qū)面積約32 500km2 。
(2) 地下水。鄂爾多斯高原區(qū)雖有黃河繞流其西、北、東三面,但黃河水面均低于原
面300 ~ 500m 。因此,黃河對(duì)高原潛水的形成不存在補(bǔ)給的可能。高原上地下水主要補(bǔ)
給途徑只能是大氣降水和大氣凝結(jié)水。區(qū)域性氣候條件對(duì)區(qū)域地下水的形成起重要作
用,東部地區(qū)降水條件比西部多,東部地下潛水比西部豐富。鄂爾多斯毛烏素和庫布齊兩
大沙地凝結(jié)水補(bǔ)給量為1.9 億m3 ? a- 1 (表1-3) 。
5.土壤
鄂爾多斯地帶性土壤有栗鈣土、灰鈣土、棕鈣土和灰漠土,隱域性土壤有草甸土、沼澤
土、鹽成土、風(fēng)沙土、黃綿土。
栗鈣土是發(fā)育在年降水量300 ~ 400mm ,針茅蒿屬草原植被,具有腐殖質(zhì)層、鈣積層、
鹽基飽和度大于等于50 % 和半濕潤土壤水分狀況的土壤,一般適合旱生植物生長,適當(dāng)
配置中生植物;意}土是發(fā)育在年降水量200 ~ 300mm ,旱生叢生小禾草小半灌木植被,
具有干旱表層、鈣積層、石膏現(xiàn)象、鹽積層和干旱土壤水分狀況的土壤,適合耐旱灌木林和
耐旱牧草生長。棕鈣土是發(fā)育在年降水量180 ~ 255mm ,旱生小針茅,旱生和超旱生小半
灌木植被,具有干旱表層、鈣積層、鹽積層和干旱土壤水分狀況的土壤,適宜耐旱灌木生
長;夷潦前l(fā)育在年降水量小于200mm ,旱生超旱生小半灌木、灌木植被,具礫質(zhì)砂礫
質(zhì)干旱表層、石膏現(xiàn)象、鹽積層、堿積現(xiàn)象和干旱土壤水分狀況的土壤。草甸土和沼澤土
是發(fā)育在地下水位1.5 ~ 2.0m 或地表積水的低洼地區(qū),地勢比較平坦,土層深厚,有機(jī)質(zhì)
含量高,礦質(zhì)營養(yǎng)豐富,潛在肥力高。鹽成土是發(fā)育在地下水位高、地形低洼、地下水徑流
補(bǔ)償,地下水礦化度大于0.5g ? L- 1 的條件下,具有鹽積層和堿積層的土壤。風(fēng)沙土和黃
綿土是只有弱度發(fā)育或沒有土層分化,不具有供鑒別土壤診斷層和診斷特性的土壤。
6.植被
鄂爾多斯屬于干旱、半干旱氣候類型,草原植物得以廣泛發(fā)育,荒漠植物僅分布在西
北部強(qiáng)干旱荒漠地帶,天然林只在東南部有小面積殘存。地帶性植被有草原、荒漠草原與
草原化荒漠,隱域性植被有草甸、沼澤、鹽生和沙生植被類型。地帶性植被因同處溫帶范
圍,緯向分異不明顯,但濕潤度的徑向判別較大,影響到植被類型,東西帶狀分異明顯。自
東而西出現(xiàn)草原、荒漠草原和草原化荒漠3 個(gè)植被類型空間分異更替帶。
1.1.2 黃土高原向青藏高原過渡帶
黃土高原向青藏高原過渡地帶退耕林地進(jìn)行植被調(diào)查主要是對(duì)青海大通地區(qū)。高寒
退耕地類中,此試驗(yàn)地為退耕還林時(shí)間久、保存最完整的人工林地。
1.地理位置及行政歸屬
大通位于青海東部,地處祁連山地與黃土高原的過渡地帶,為青海西寧屬縣。位于
100°51′ ~ 101°56′E 、36°43′ ~ 37°23′N ,海拔2280 ~4622m(常國梁,2005)。
2.地質(zhì)地貌
大通境內(nèi)的土質(zhì),多系巖石的黃土結(jié)構(gòu)。按地區(qū)和地質(zhì)不同,可分為大坂山、娘娘山、
河谷地、黃土區(qū)及礦藏區(qū)等類型。大通三面環(huán)山,北有大坂山,西有娘娘山,東北有蘭雀
山,中南部為盆地,西北窄、高,東南寬、低。全境山巒重疊,溝壑縱橫,地形復(fù)雜。海拔
2280 ~ 4622m ,最低處與最高處相對(duì)高差達(dá)2342m 。
因海拔、氣候、植被、土壤和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)的不同,全境分為河谷階地(川水) 、高原丘
陵地(淺山)和中高山(腦山)3 個(gè)地區(qū)。
(1) 河谷階地。主要由北川河及其支流寶庫河、黑林河和東峽河兩岸河谷階地組成,
橋頭以北河谷較窄,以南較寬;多為1 ~ 4 級(jí)階地,海拔2280 ~ 2600m 。主要土壤為灌溉栗
鈣土,河床附近分布著墊淤土及零星分布著沼澤土。氣候溫暖,土地平坦,土壤較肥沃,灌
溉方便,為大通農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)區(qū)。
(2) 高原丘陵地。高原丘陵地為河谷階地往上的黃土丘陵第四副區(qū),主要分布在縣
境中部和南部,海拔2400 ~ 2750m 。主要土壤為山地栗鈣土。氣候干旱,溝壑縱橫,山高
坡陡,植被稀少,土壤貧瘠,水土流失嚴(yán)重。
(3) 中山和高山區(qū)。中山和高山區(qū)為縣境東、西、北三面地勢較高的地區(qū)。陰濕多
雨,氣候冷涼,無霜期短。海拔2700 ~ 3800m 。土壤主要是山地黑鈣土、山地棕褐土、高山
草旬土及高山石質(zhì)土。多為草甸草原和灌叢草原,為主要放牧區(qū)。海拔3800m 以上的地
區(qū),多為裸露的石山,目前尚未被利用。
3.氣候
大通地處中緯度地區(qū),深居內(nèi)陸,海拔高,受海洋影響微弱,屬大陸性氣候,主要特征
有以下幾點(diǎn)。
(1) 日照。大通雖地處暖溫帶,但由于地勢高聳,空氣稀薄,干燥少云,太陽輻射透過
大氣層的距離較短,被大氣層所反射和吸收的部分比較少,而到達(dá)地面的部分相對(duì)增多,
因而日射強(qiáng)烈。年總輻射量高達(dá)137 ~ 147kcal① ? cm- 2 ,生理輻射量為67.4 ~
72.4kcal ? cm- 2 。太陽輻射量地理分布總趨勢是由東南向西北逐漸增大。全縣年平均日
照時(shí)數(shù)為2605h 。春、夏、秋、冬各季日照時(shí)數(shù)分別占年日照時(shí)數(shù)的25.7 % 、25.8 % 、
23.5 % 、25.0 % 。植物生長旺季的4 ~ 8 月日照時(shí)數(shù)長,占年總?cè)照諘r(shí)數(shù)的43.1 % ,每天
平均為7.2 ~ 7.5h 。
(2) 氣溫。大通氣溫垂直分布明顯。熱量水平較低,晝夜溫差大。受海拔和地形影
響,各地氣溫差異懸殊,年平均氣溫由東南5 ℃ 左右下降到西北角的- 6 ℃ 左右,全縣年平
均氣溫2.8 ℃ ?h氣象站在橋頭鎮(zhèn)的資料(1961 ~ 1985 年)表明,年內(nèi)最熱月為6 月、7
月、8 月,一般7 月氣溫最高,平均為13.9 ℃ ;最冷季節(jié)在12 月、1 月、2 月,一般1 月氣溫
最低,平均為- 11.2 ℃ 。氣溫平均年較差為25.3 ℃ 。年內(nèi)無霜期一般為70 ~ 120d 。
(3) 降水。大通在青海為降水次數(shù)較多的地區(qū)。多年平均降水量為508mm ,降水的
季節(jié)分配很不均勻。降水量顯著集中在暖季,春季(3 ~ 5 月)占年總量的19 % ,夏季(6 ~ 8
月)占55 % ,秋季(9 ~ 11 月)占24 % ,冬季(12 ~ 2 月)占2 % 。全年最多降水月為7 月、8
月,一般月降水量在100mm 左右;最少月為12 月、1 月,一般月降水量僅為1 ~ 3mm 。大
通植物生長期(4 ~ 9 月)降水量約占全年的87 % ,達(dá)400 ~ 600mm 。這期間溫度較高,植
物耗水高,雨熱基本同季,對(duì)植物生長較為有利。但4 ~ 6 月降水只占年總量的29 % ,而
7 ~ 9 月占年總量的58 % ,明顯地表現(xiàn)為前期偏少、后期偏多,加之降水的年際變化大,年
際、月際降水量很不穩(wěn)定。
降水日數(shù)多、降水強(qiáng)度小和夜雨多是該區(qū)降水的另一特點(diǎn)。城關(guān)地區(qū)平均年降水日
數(shù)為127.8d ,月平均降水強(qiáng)度以雨季的7 月、8 月、9 月最大,特別是8 月份,平均每日達(dá)
6.5mm ;冬季最少,平均每日僅0.5 ~ 0.8mm 。降水量達(dá)10mm 以上的日數(shù)平均為
13.7d ,僅占全年降水日數(shù)的10.7 % ,即小于10mm 的降水日數(shù)占全年降水日數(shù)的
89.3 % 。降水強(qiáng)度小,可使雨水緩慢地滲入土壤中,減少了地表徑流和水土流失。城關(guān)地
區(qū)降水量達(dá)25mm 以上的降水日數(shù)多,多年平均只1.8d ,多出現(xiàn)在7 月和8 月。年平均
蒸發(fā)總量為1290mm ,月平均蒸發(fā)量為107.5mm 。
4.水文
大通河流屬湟水河支流北川河水系,水力資源豐富。北川河的主要支流有寶庫河、黑
林河和東峽河,均發(fā)源于大坂山,主流由北向南注入湟水河。大小溝岔密布,具有明顯的
山區(qū)河流的特點(diǎn):河床切割深,坡降大,水流急,冰期長(11 月中旬~ 3 月上旬) ,水溫低(年
平均水溫5 ℃ ) ;河床沖淤嚴(yán)重,主流搖擺不定,多有分岔,尤以下游更為突出,以至形成大
片砂卵石荒灘。主要河流上游降水量多,氣溫低,蒸發(fā)量不大,較易產(chǎn)生徑流。河川徑流
由降水補(bǔ)給量占48.5 % ,由地下水補(bǔ)給量占51.5 % 。
全縣具有多年平均自產(chǎn)地表水量6.96 億m3 。徑流的年內(nèi)變化隨降水而變,7 ~ 10
月汛期流量占全年的57.6 % ~ 60.0 % ,每年2 月流量最小,8 月最大,兩者相差7 ~ 10 倍,
變化懸殊。
5.土壤
大通境內(nèi)共有8 個(gè)土類,18 個(gè)亞類,22 個(gè)土屬,38 個(gè)土種。土壤垂直分布比較明顯。
各土類分布及形成情況如下。
(1) 高山石質(zhì)土。高山石質(zhì)土分布在大通境內(nèi)大坂山及西部娘娘山,海拔在4000m
以上的巖峰嶺脊及其周圍的坡地上,面積約3.48 萬hm2 ,占總土地面積的11.26 % 。
(2) 高山草甸土。高山草甸土分布在大坂山、娘娘山一帶,海拔3600 ~ 4000m ,上接
高山石質(zhì)土,下接山地棕褐土或山地黑鈣土。主要分布在寶庫、青山、青林、樺林、向化、遜
讓、極樂和良教等鄉(xiāng)山坡的上、中部,面積約5.39 萬hm2 ,占總土地面積的17.44 % 。
(3) 山地棕褐土。山地棕褐土又名黑褐色森林土或褐色森林土,是半干旱地區(qū)山地
垂直帶形成的森林土壤,主要分布在東峽、娘娘山和寶庫溝3 個(gè)地區(qū),多在海拔2700 ~
3200m 的陰山或半陰山。一般在山坡的中、下部,面積約11.54 萬hm2 ,占總土地面積
的2.49 % 。
(4) 黑鈣土。黑鈣土是大通腦山地區(qū)的主要土壤,分布在海拔2750 ~ 3600m 的大坂
山和娘娘山一帶,面積較大,約22 564 萬hm2 ,占總土地面積的48.68 % 。
(5) 栗鈣土。栗鈣土廣泛分布在淺山和川水地區(qū),海拔2280 ~ 2700m 。淺山的旱作
土壤,群眾多稱為黃土、白土;川水灌溉土壤,群眾稱為麻土,土層較厚,土性綿散,色澤灰
黃或淺黃。
(6) 潮砂土。潮砂土是在靠近河谷兩旁的河漫灘或一級(jí)階地河流總積物上,受地下
水活動(dòng)的影響,經(jīng)過翻耕熟化而成的土壤,當(dāng)?shù)厝罕姺Q為下潮地、河灘地。土壤質(zhì)地較輕,