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黄土半干旱区集水技术营造水土保持林

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发表于 2011-7-22 10:58:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
  来源: 论文库www.Lwku.com  作者: 周心澄
                          摘要:径流林业综合育林技术是以径流利用为基础、以降水的合理时空分配为手段,在干旱的气候、土壤环境中为林木的生长创造出相对比较适宜的土壤水环境,提高林的产量和品质。径流林业技术措施的核心技术是集水整地。

关键词:黄土 半干旱区 集水 水土保持林

径流林业综合育林技术是以径流利用为基础、以降水的合理时空分配为手段,在干旱的气候、土壤环境中为林木的生长创造出相对比较适宜的土壤水环境,使降水较少的干旱、半干旱地区也能建立起相对稳定、生长快速的人工林生态系统,提高经济林的产量和品质。在这个技术系统中,对降水的高效利用是其核心,一切技术措施都是围绕着提高降水资源的有效利用、降低水分的无效损失而展开的。通过人工措施改变地表性状使比较小的降雨也能产生地表径流,从而提高降水的地表产流率,增加林木根系分布区域的供水量,同时通过一系列的蓄水保墒措施尽可能减少地表的无效蒸发损失,延长土壤水分的使用时间,使有限的水分主要通过林木根系的吸收参加林木的生理生长活动之后再返回大气,提高水分的利用效率。通过这种措施的,基本上要解决这样两个,一是通过有效的水分调节措施在一般年份使土壤水分基本维持在林木生长发育所需的适宜范围之内,二是在短期天气干旱的情况下,土壤含水量不低于苗木的凋萎湿度以维持林分的稳定性。
    径流林业技术措施的核心技术是集水整地。集水整地系统由微集水区组成,一是产生径流的集水面,二是渗蓄径流的植树穴。根据地形条件,以林木为对象在全林地形成不同的集水与栽植区,组成一个完整的集水、蓄水、水分利用系统。在树木的栽植区降雨不能满足树木正常生长发育的需求,在不同的时间里土壤水分有一定的亏缺量,通过集水面积、径流系数来调节产流量,弥补土壤水分的不足,保持水分供需的基本平衡。因此集水面积大小、集水面上的产流率直接到径流林业技术的综合效率。
    在干旱半干旱地区土壤水分是制约林木生长的关键因子,在确定一系列技术措施时必须考虑到水分对其它因子的制约作用。首先应当选择较耐干旱的树种,做到适地适树,其次,要采取一系列的抗旱造林技术措施,其中造林密度的确定是非常重要的一个环节。在该地区造林密度一定要控制在降水资源环境容量允许的范围之内,也就是所确定的造林密度,应当依据水量平衡的原则,综合考虑树木的生长速度、蒸腾耗水需求、降水量及树木可能的利用水量及土壤的蒸发、渗漏损失,估算出每一株树木所需要的水分营养面积,作为确定造林密度的主要依据。径流林业技术正是以林分与林木个体的水量平衡为基础确定造林密度,保持造林密度在水资源环境容量允许的范围之内。

    1.集水整地措施
    (1)栽植区面积
    首先,要确定整地的规格大小,包括整地的深度、松土区域的面积,断面形式。 整地的深度主要考虑当地的气候、土壤及产流条件。在干旱半干旱气候条件下,一般要求深整地,以便降低土壤紧实度、促进土壤熟化、增强土壤蓄水能力,在土层比较深厚的情况下,对于防护林和用材林一般最好整地深40-60厘米,经济林80-100厘米。
    确定栽植区面积大小主要考虑三个因素,一是树木的生物与生态学特性,主要考虑水分需求、个体大小、根系分布等,二是汇集径流的贮存、下渗需求,主要考虑所收集的径流水能有效的贮存在树木根系周围,不产生较大的渗漏损失,三是施工的难易程度与费用,主要考虑整地的规格大小、投入的劳力、费用。在干旱半干旱地区,为了增加土壤有效蓄水量,应当采取较大规格的整地,但是整地规格加大破土面增加地表蒸发也随之增加,而且径流进入后渗蓄的深度也相应减少,也增加了地表蒸发量。因此,栽植区面积的大小,应考虑生物经济兼顾的原则,既考虑到树木的根系生长发育及对养分和水分的需求,又要考虑到地形、土壤等自然与经济条件。
    经济林树种一般对水分养分的需求比较高,根系的水平分布比较宽,栽植区的面积宜大一些,其宽度一般在1.4-2.0米,长度主要由造林的株距决定,一般在1.0-2.0米左右;水土保持用材林的阔叶树因根冠较大,一般栽植区宽度在1.0-1.6米,长度在1.0米,针叶树的根系相对比较集中,一般栽植区的宽度在1.0-1.4米,但若是培育速生用材林,则整地宽度可适当加大;薪炭林、护牧林等以灌木为主的水土保持林,栽植区面积可适当小一些,一般宽为0.6-0.8米,长度可依据地形条件而定。
    林木的栽植一般都是延等高线走,因此栽植区的宽度受地形、土壤条件的制约,当坡度比较大时栽植区的宽度不宜太宽,否则一方面施工困难,工程量增加,另一方面在幼林期也容易引起水土流失,降低集水效果。当土壤较为紧实时,对林木的根系生长有影响,其宽度可大一些,如果坡面土壤非常疏松时则可以适当小一些,以免由整地引起坡面水土流失。
    (2)集水面积
    在确定栽植区面积的大小,即径流渗蓄与水分消耗区面积大小之后,即可确定集水面的大小。集水面积的大小主要根据栽植区面积大小、降雨量、地表的产流率、栽植区水分消耗需求、树木需水量、土壤水分短缺量等因素来确定,其目标是所产的径流水能弥补土壤水分的短缺量。
    降雨量与降雨性质是影响集水面积大小的重要因素,一般降雨量大、降雨强度高则产流率也高,相应的集水面应小一些,否则应大一些;土壤比较干旱,土壤水分亏缺严重时,集水面应大一些;地表产流率与地表的性状有关系,产流率越高则收集的水量也越多,相应的集水面应小一些,否则如果地表比较粗糙、或疏松、有裂缝等则产流率比较低,相应的集水面应大一些;如果所栽植的是需水量较大的经济林木,则集水面应大一些,所栽植的是较耐干旱的树种则集水面可以小一些;如果在栽植区采取了蓄水保墒的技术措施有效地降低了土壤的水分消耗时,则可以适当减小集水面积。
    栽植区面积大则集水区面积也应大一些,以满足栽植区的水分贮蓄与消耗,一般栽植区与集水区的面积比例由栽植区的水分亏缺量与进入栽植区的径流量来确定,总的原则是所亏缺的水分基本上等于径流补充的水分。在黄河上中游地区降水量一般在300-600毫米,蒸散需求量一般在700-1000毫米,据此栽植区与集水区的面积(或宽度)比例,对于经济林一般为4:1-8:1,对于防护林一般在2:1-6:1,具体的比例要考虑当地的立地与树种来确定。当然,如果条件许可的话可以通过水量平衡出较准确的比例。
    (3)蓄水工程
    通过集水面所产生的径流直接流入栽植区渗入土壤中供林木吸收利用,但是如果有较强的降雨发生时,如果径流量太大时径流来不及渗入土壤中,有可能冲毁坡面整地工程造成水土流失,因此与集水面相配套,在径流渗蓄区要修筑比普通整地规格更高的蓄水工程,保证有有一定的拦蓄暴雨的能力,保证坡面安全。
蓄水工程的断面形式在山坡地一般有反坡梯田、水平沟、鱼鳞坑等形式,在平缓地有穴状、条带状等形式。在修筑时要考虑本地区可能暴雨量、暴雨强度及所产生的最大径流量,同时还要考虑幼林无覆盖时地表土壤侵蚀造成每年可能的蓄水容积损失量。例如,如果栽植区有效蓄水面积为2.0平方米,集水面积为8.0平方米,24小时最大暴雨量为100毫米,最高径流系数为0.6,则降雨所产生的总径流量为0.6立方米,降落在栽植区的降雨总量为0.2立方米,加上径流量则在这一次降雨过程中进入栽植区的总水量为0.8立方米,考虑到降雨过程中土壤的入渗,所修筑的蓄水容积应在0.4-0.8立方米,即在宽1.0米、长2.0米的栽植区,其外埂的高度应在0.2-0.4米。
    (4)集水整地施工
    整地。在干旱半干旱、水土流失严重的地区,由于土壤瘠薄、紧实度又高,致使造林苗木的根系初期生长不良,不仅影响成活率而且也影响到后期的生长发育,通过整地措施可以改善林木生长的土壤环境条件,减少幼树生长的阻力。在进行整地施工时,一定要达到预先设计的长、宽、深的标准。开挖时,应将表层熟土堆放在坡上方,生土堆放在坡下。当开挖到要求深度时,再回填上方的熟土,连同上方坡面的表层土一起回填到坑内,直到填平为止。在回填的过程中,应适当进行人工踩实,以有利于蓄水保墒。如果是经济林,则结合整地可以施足底肥。同时在回填的工程中可以在土壤中加一些绿肥、有机肥、复合肥、土壤改良剂、蓄水保墒材料等,以增加土壤养分改良土壤结构。当然所施肥的数量与种类主要由所选的造林树种所确定。为了减少地表蒸发的损失,栽植区表面的形式以在阳坡的造林地能造成小阴坡为较理想,可以降低夏半年的土壤蒸发;在阴坡的造林地修成水平面较为理想,可以改善春季地温,促进林木根系的生长。
    蓄水工程。蓄水工程是栽植区的重要组成部分,是彻底拦蓄坡面径流,保证坡面安全的重要技术措施。蓄水工程的修筑与栽植区整地同时进行,以防止因长时间土壤蒸发使湿度降低影响施工质量。按照整地的断面形式,一定要满足设计蓄水容积所要达到的外埂的高度,注意外埂一定要修结实,不能有虚土,与原地表一定要结合紧密。特别是反坡梯田时,一定要在外侧修加固埂。外埂的顶宽一般为20-30厘米,高度按抗暴雨径流的要求修筑,高度一般在40厘米左右。整修的是利用堆积在坡下方的生土,结合整地开挖面,形成所需要的断面形式,注意与埂的高度、宽度要一致通顺均匀。用人工的方法踩实外埂的土壤,当外埂的高度达到要求后即可用铁锹压实拍光外埂的内侧和外侧及顶部,检查合格后整理好栽植区表面。为了使径流能均匀地分配到各个林木,在整修外埂时应与等高线垂直每隔一株或几株树木修一衡档,以起到防止因径流渗蓄区过长不水平而使径流水向一侧过分集中冲毁蓄水工程。一般可以每隔3米左右修一个,衡档的高度与外埂平齐,定宽30厘米。
    集水面。集水面的主要作用是降雨径流并把它汇集到树木根系分布区。在该地区由于土层比较深厚、表层土壤比较干燥,其产流形式主要是超渗产流,因此地表性状与产流率有密切的关系。为了提高降雨的产流率,需要把集水区修成一定的形式并尽量减少降雨的地表损失。一般来说,集水区应当修成一定的坡度,地表较结实、平整、不易产生水土流失。集水面的整修可分为坡面和梯田等平缓地两种情况。在坡地上整修集水面比较简单,如果是利用自然坡面直接集水,则对坡面凹凸不平的地方进行处理使坡面基本保持平整通直即可,一般不作进一步的处理。如果要增加径流系数,则对集水区地表要进行修整。整修的方法是清除掉杂草后,把坡面整修平整,然后用机械或人工的方法把坡面表层土壤压实拍光。集水面的整修最好结合整地同时进行,以雨后土壤湿度较高时为宜。当集水区地表比较干燥的表土与杂草被清除并回填到栽植区后,趁露出的湿土没有被风干之前应立即进行整修。首先把集水区的形状整修好,坡面弄平整,不能有凹凸不平,然后用人工踩实表土,再用铁锹拍光。用铁锹拍打集水区地表时,最好使用平板锹,要用力均匀,从上到下一行一行地拍。或者用小平板夯(压实拍光机)等机械的方法进行压实拍光作业,可以提高功效数倍到数十倍。对于压实拍光的集水面,杂草的生长蔓延会极大降低集水效果并破坏集水面,所以在进行集水面杂草清除时要彻底,结合植树带整修把杂草连同根系、种子等一起回填到植树带底部,较彻底的预防集水面杂草再生。同时,如果集水面拍得较光滑时,草籽也不易落在坡面上,也可以起到防止杂草滋生的作用。原则上集水区是以每株林木为对象修筑时的,但是在坡面较平整的情况下也可以以两三株树木为对象修筑。集水区边界由15~20厘米高的垂直于等高线的土埂组成,目的是防止因小地形变化引起坡面径流过分集中,把径流均匀地分散导入每一株林木。如果是平坦地面上整修集水面,如梁峁顶部或弃耕的水平梯田等,其主要任务是要把集水面修成一定的坡度,一般要求8°以上,根据地形条件和施工难易程度,可以把集水面修成带状或回字形。施工时以集水面长的中点线为分界,靠近植树带一侧的为挖方,另一侧为填方。结合整地将地表熟土回填而底层生土留下。在完成整地任务后,随即整修集水面,以便填方土壤能与表层土壤紧密结合。将挖方一侧的土壤填到填方的一侧,直到所要求的坡度为止,然后平整集水面,再用人工的方法或机械的方法将集水面压实、拍平即可。在整修过程中应当注意不要破坏植树带,集水面坡度不要过小,整地回填时就要注意回填土的高度,预留要挖去的高度,保证集水面能形成的坡度、植树带有足够的蓄水容积。


图 1  坡地集水整地示意图


图 2  平缓地集水整地示意图
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 楼主| 发表于 2011-7-22 10:58:32 | 显示全部楼层

黄土半干旱区集水技术营造水土保持林

  2.集水面防渗措施
在干旱半干旱地区,提高小雨强降雨的产流率是增加旱季林木水分供应量的重要手段之一,也是提高降水利用率的重要措施。在黄土地区年降雨中小雨强降雨分别占总降雨次数和降雨量的80%和70%以上,一般很难引起地表径流,强烈的水土流失主要是由出现频率极低的大暴雨径流所引起的。在该地区最严重的水分亏缺主要是在春季,而此时不仅降雨量小而且雨强也低,再加上地表层土壤极为干燥,经过冬季的冻融胀缩的之后,表层土壤疏松结构,在迅速回升的气温和强西北风的影响下土壤失水极为强烈,小雨量降雨只能湿润地表层后很快被蒸发回大气,很难形成径流。因此,通过一系列的地表防渗技术对集水区进行处理,不仅可以增加降水的利用率,减小土壤的无效蒸发,而且可以提高土地的生产力和效益。到底选用什么样的地表防渗技术对集水区进行处理,要根据降水特性、林木水分需求量和林种而定,依据当地的经济条件做出合理的选择。
(1)压实拍光处理
压实拍光是一种以紧实地表土壤,减小孔隙度,增加土壤粘结力,形成一层高密度入渗阻力层为特点的地表防渗措施。表土层压实拍光的程度与土壤机械组成、有机质含量、施工时的土壤含水量、压实力大小与均匀程度等因素有关。表层土壤密度越高,水分的入渗阻力大,降雨产流率也越高,在条件允许的情况下应尽量增强压实力,提高表层密度。在整修时,先把地表的杂草连同干燥土层一起铲除回填到栽植区,裸露出湿土,按预定的形状整修好集水面后,根据需求即可进行压实拍光处理。采用人工时先用双脚在集水面上全部踩压一遍后用铁锹自上而下拍打一遍,使表层密实而光滑。如果使用机械的方法,踩实集水面之后用小平板夯全面镇压一遍,并做平滑处理。小平板夯是专为整修集水面而设计制造的,体积小,耗油省,移动方便,镇压力大,可代替20~30个人的体力劳动,宜在施工中推广。压实后表土壤紧实度和表面光滑是衡量压实效果的主要措施,在施工中应认真执行设计标准。
(2)渗剂处理
在极干旱或林木需水量较大的情况下,依靠压实拍光已不能满足林木生长发育对水分的需求,必须对地表进行适当的防渗处理,以进一步提高降雨的产流率,增强对降雨的空间分配强度。国内外常用的防渗化学材料有钠盐、乳胶、蜡状物、沥青及YJG-1、YJG-2、YJG-3、和生物材料如地衣等。其中YJG系列和生物材料是最近几年国内开发使用的几种材料,特别是生物材料是国内外首次应用,为这一领域开辟了新的材料领域。
在选用集水区地表处理材料量要遵循这样几个原则:首先,所选材料应当无任何污染,长久使用不会破坏土壤结构,即对土壤、水质、果实、林木和动物不能有任何污染,也不能对施工人员的健康造成威胁;其次,防渗性能较高,即处理后径流系数能在0.5以上,特别是产流初损雨量应当很低,在小雨量时也有一定的产流量;第三,有较长的使用寿命,耐雨滴的打击和径流的冲刷,在高温、寒冷气候条件下老化或分解速度较慢,使用寿命最少应在3年以上;第四,与土壤有紧密的结合性,在条件下不易和土壤分离;第五,具有可靠的材料来源和合理的价格,性能价格比适宜,使用后投入产出比较高。在黄土地区建议使用YJ克系列材料和生物材料。
地表面越平整、紧实度越高,防渗剂的处理效果越好,使用寿命也越长,因此,对要进行防渗剂处理的集水区应事先仔细地压实拍光,除去浮土,平滑表面,而且一般应在苗木栽植后再进行处理,这样可以避免栽植时人为的破坏集水面。
在集水面压实拍光并整理好后即可进行防渗处理。如使用YJG-1,可取YJG-1原液加水按照1:10~1:15的浓度配制好喷洒液,装入喷雾器内备用。喷洒时应选在无风晴朗的天气进行,否则因风吹散、雾化的喷洒液会造成材料浪费而且很难喷匀,如果有雨时喷洒还没有等膜形成与土壤接触牢固而被雨水冲失。在面积较大时可使用大容量喷雾器,例如摇臂式喷雾器,面积较小或补喷时可以使用一般的农用喷雾器。在喷洒时调节好喷雾器的流量,喷头离地面大约30~40厘米,喷头移动的速度要均匀,应当以地面有微积水时为宜,注意不要漏喷。在喷洒后半小时内地表层即可形成防渗层。在喷洒时应该注意一次喷洒成功,否则当地表干燥防渗剂成膜之后很难再加厚膜,这是由于原来喷洒的防渗剂的阻止使新喷的防渗剂变成地表径流流失。喷洒完后,严禁人畜践踏破坏集水面,注意日常保护。
YJG-2和YJG-3也是液体防渗剂,YJG-2要加70%的酒精稀释,并加入适量固化剂后再用喷雾器喷洒,而YJG-3则可加入固化剂后直接喷洒,要注意的是两种溶液配制好后要立即喷洒,否则就会因时间长凝固而无法喷洒。其操作方法与要领与YJG-1相同。
(3)生物防渗处理
与化学防渗剂相比,生物防渗处理有其无法比拟的优点和更广阔和应用前景。在对集水效率要求较高的地方可以使用化学防渗剂,但在对径流系数要求不高时则可以用生物材料来代替,此外,在压实拍光的集水区表面也可以使用生物材料,对集水面起到保护作用。
对集水区地表进行处理的生物材料,经过室内试验和野外试验观测,使用了一种自然存在于黄土高原地区的地衣-石果衣。这种地衣紧密贴生于土壤表面,耐干旱,在合适的温度、湿度条件下可以进行营养繁殖。繁殖好的地衣营养碎片,喷洒在集水面上,利用夏季的有利条件,经过1~2年即可形成地衣保护层。
石果衣的集水效果虽然不如化学材料,但它是一种纯生物材料,又具有极好的水土保持效果,对促进全林地生态环境的改善具有积极的作用。
(4)其他处理方法
    除了上面介绍的几种防渗处理方法和材料之外,还有一些其他材料也在试验中应用了。其中有水泥和107胶混合起来喷洒在集水面上,也具有较高的径流系数和较长的使用寿命;在干旱区还使用了在集水面上铺设油毡纸、塑料薄膜的方法;此外还试验了沥青、拒水粉等材料的防渗性能和使用方法。其中有的材料和方法在一定的条件也可以使用。

主要:
王斌瑞等,黄土高原径流林业. 北京: 林业出版社. 1996,
王斌瑞等,黄河上中游干旱半干旱地区造林技术. 北京:中国农业出版社,2000
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