半干旱山丘区低扰动整地集雨植被恢复方法

摘要

本发明涉及一种半干旱山丘区低扰动整地集雨植被恢复方法，包括：根据在坡面上欲种植的植被的种植密度，在所述坡面上布若干包括一个拱形弯曲板的整地构件；所述整地构件中拱形弯曲板的开口沿水平方向朝向所述坡面，且所述拱形弯曲板露出地表；在每一整地构件的拦蓄范围内种植植被。由于本发明利用整地构件对坡面进行植被恢复，整地过程中开挖动土工程量小，对坡面的扰动小，不具有形成的土质台型或坑状局部地形结构不稳等问题。因此利用本发明提供的恢复方法可以在有效拦蓄降雨径流的基础上，能大幅减少传统整地对土壤的扰动，减少整地当年水土流失。

说明书

技术领域

本发明涉及一种整地集雨造林技术，尤其是涉及一种半干旱山丘区低扰动整地集雨植被恢复方法。

背景技术

西北半干旱山丘区主要为黄土高原地区，是我国生态环境脆弱、水土流失严重、贫困人口集中的地区，尤其黄土丘陵沟壑区现存植被覆盖率不足20％。一旦遭遇暴雨，水土流失剧烈，导致土地损毁、生产力下降，成为当地社会经济可持续发展的严重制约，并引发一系列生态与环境问题。水是维持植被生长的基础，在黄土高原地区，降雨是植被的主要甚至唯一水分补给来源，但区内多数地方的年均降雨不足400mm，水分成为当地植被恢复的根本限制性因子。长期生态建设的实践证实，黄土高原地区全年降雨多以少数场次的大雨或暴雨形式发生，雨水主要以超渗产流形式流失，不易被植被持续利用。实践证明，通过在坡面上进行适当整地，拦蓄坡面汇流、增加径流入渗，可大幅提高降雨、径流利用率，已成为该区十分重要的人工植被恢复方法。因此，开展西北半干旱山丘区整地集雨植被恢复技术研究和应用，对促进增加该区植被覆盖、减少水土流失、改善生态环境具有重要意义。

目前，西北半干旱山丘区针对人工植被恢复的整地集雨方式主要有水平阶整地和鱼鳞坑两种，基本原理均是通过工程措施，形成能缩短汇流长度、拦蓄上坡径流的台型或坑状局部地形，以增加土壤入渗、减少径流损失，进而增加可利用水量，促进植被恢复。然而，这两种整地方式都存在开挖动土工程量大，坡面扰动强，且形成的土质台型或坑状局部地形结构不稳等问题，因此会导致整地当 年因扰动新增大量松散土质，遭遇强降雨水土流失较整地前大幅增加；整地多年因局部地形结构不稳，遭受长期径流冲蚀而损坏严重等问题。除此以外，由于需要较大规模的人工开挖堆填，这两种整地方式在规划设计和实际操作时均较为粗放，对坡面水分的植被承载能力考虑不够精细，导致后期植被成活率与保存率不高，形成许多退化低效人工林，水土保持效益低下。

发明内容

针对以上缺陷，本发明提供一种半干旱山丘区低扰动整地集雨植被恢复方法，可以在有效拦蓄降雨径流的基础上，大幅减少传统整地对土壤的扰动，减少整地当年水土流失。

本发明提供的半干旱山丘区低扰动整地集雨植被恢复方法包括：

根据在坡面上欲种植的植被的种植密度，在所述坡面上布若干包括一个拱形弯曲板的整地构件；所述整地构件中拱形弯曲板的开口沿水平方向朝向所述坡面，且所述拱形弯曲板露出地表；

在每一整地构件的拦蓄范围内种植植被。

可选的，所述植被的种植密度的确定方法包括：

根据在坡面上欲种植的植被的类型，确定所述植被的株距；

根据所述坡面的水量收支平衡条件，确定所述植被的行距；

根据所述植被的株距和行距，确定所述植被的种植密度。

可选的，所述水量收支平衡条件包括：

Q+N≥W_f+E₀+E_T

其中，Q为所述整地构件拦蓄范围内的地表径流量，N为所述整地构件拦蓄范围内的降雨净补给量，W_f为所述整地构件拦蓄范围内的无效水填充量，E₀为所述整地构件拦蓄范围内的蒸发量，E_T为所述整地构件内植被的蒸腾量。

可选的，采用下式计算所述地表径流量：

Q＝(α×P×A)/A₁

其中，α为所述植被在成熟期在单位面积坡地的年均产流系数，P为年均降雨量，A为所述整地构件的有效汇水面积，A₁为所述整地构件的拦蓄面积。

可选的，采用下式计算所述降雨净补给量：

N＝[α×P×(1-i)×A']/A₁

其中，α为所述植被在成熟期在单位面积坡地的年均产流系数，P为年均降雨量，i为所述植被在成熟期的平均林冠降雨截留率，A'为所述整地构件内植被的林冠遮蔽面积，A₁为所述整地构件的拦蓄面积。

可选的，采用下式计算所述无效水填充量：

其中，θ_i为土壤有效水与无效水分界值，θ₀为年均的土壤最低土壤含水量，L为所述植被在成熟期的平均根系层深度。

可选的，在种植植被之前，所述方法还包括：在植被的种子或根部施用保水剂。

可选的，所述整地构件还包括两个矩形平板；所述的两个矩形平板中，一个矩形平板与所述拱形弯曲板的第一侧边缘平滑连接，另一个矩形平板与所述拱形弯曲板的第二侧边缘平滑连接；所述第一侧边缘为所述拱形弯曲板上的与拱形延伸方向垂直的两个侧边边缘中的一个侧边边缘，所述第二侧边缘为所述拱形弯曲板上的与拱形延伸方向垂直的两个侧边边缘中的另一个侧边边缘。

可选的，每一矩形平板上开设有排水通孔。

可选的，所述整地构件还包括连接件，所述连接件包括一体设置的第一卡接部和第二卡接部；相应的，每一个矩形平板的一个侧边缘上开设有第一卡槽，所述拱形弯曲板的两个侧边缘上均开设有有第二 卡槽；

所述第一卡接部与所述第一卡槽的卡接及所述第二卡接部与所述第二卡槽的卡接，使所述矩形平板与所述拱形弯曲板连接。

本发明提供的半干旱山丘区低扰动整地集雨植被恢复方法，由于整地构件的开口沿水平方向朝向坡面，且整地构件露出地表，因此可以实现对水的拦截。又由于在整地构件的拦蓄范围内种植植被，因此可以使拦截的水供给植被，从而提高植被成活率，提高植被恢复率。由于利用整地构件对坡面进行植被恢复，整地过程中开挖动土工程量小，对坡面的扰动小，不具有形成的土质台型或坑状局部地形结构不稳等问题。因此利用本发明提供的恢复方法可以在有效拦蓄降雨径流的基础上，能大幅减少传统整地对土壤的扰动，减少整地当年水土流失。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征信息和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了根据本发明半干旱山丘区低扰动整地集雨植被恢复方法一实施例的流程示意图；

图2示出了根据本发明半干旱山丘区低扰动整地集雨植被恢复方法一实施例中采用的整地构件的结构示意图；

图3示出了图2中整地构件中一种连接件的结构示意图；

图4示出了图2中整地构件的一种布设方式图；

1-拱形弯曲板；11-拱形弯曲板的第一侧边缘；12-拱形弯曲板的第二侧边缘；21-一个矩形平板；22-另一个矩形平板；3-排水通孔；4-连接件；41-连接件的第一卡接部；42-连接件的第二卡接部；10-整地构件；20-植被种植位置；30-降雨产流汇水区；40-冠幅投影边界；50-林冠截留降雨补给区；a-整地构件拦蓄上部汇流宽度；b-整地构件 拦蓄上部汇流长度；Z-株距；W-行距；R-林木成熟期平均冠幅；r-横截面为圆弧结构的拱形弯曲板的圆弧半径；l-矩形平板横向宽度；A₁-整地构件的拦蓄面积；A₂-整地构件上部林冠遮蔽降雨补给区面积；B₁-整地构件内林冠遮蔽降雨补给区的扇形面积；B₂-整地构件内林冠遮蔽降雨补给区的三角形面积。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明提供一种半干旱山丘区低扰动整地集雨植被恢复方法，该方法适用于西北半干旱山丘区中裸露或撂荒陡坡人工乔、灌植被营造工作中，如图1、2所示，该方法具体包括：

S1、根据在坡面上欲种植的植被的种植密度，在所述坡面上布若干包括一个拱形弯曲板1和两个矩形平板的整地构件；所述整地构件的开口沿水平方向朝向所述坡面，且所述整地构件露出地表；

S2、在每一整地构件的拦蓄范围内种植植被。

可理解的是，拱形弯曲板的开口指的是弯曲板的弯曲方向，例如若一拱形弯曲板的横截面为圆心角为90°的圆弧结构，则该拱形弯曲板的开口方向即圆弧结构的圆心相对于弯曲板的延伸方向。

可理解的是，由于拱形弯曲板的开口沿水平方向朝向所述坡面，因此拱形弯曲板沿铅直方向楔入坡面内。

可理解的是，拱形弯曲板露出地表，即整地构件的一部分埋入土中，一部分暴露出来，在实际中根据需要设置构件的埋深深度和地表 露出高度。例如埋深深度为600-700mm，地表露出高度为300-400mm。

本发明提高的整地集雨植被恢复方法，由于拱形弯曲板的开口沿水平方向朝向坡面，且拱形弯曲板露出地表，因此可以实现对水的拦截。又由于在整地构件的拦蓄范围内种植植被，因此可以使拦截的水供给植被，从而提高植被成活率，提高植被恢复率。由于利用整地构件对坡面进行植被恢复，整地过程中开挖动土工程量小，对坡面的扰动小，不具有形成的土质台型或坑状局部地形结构不稳等问题。因此利用本发明提供的恢复方法可以在有效拦蓄降雨径流的基础上，能大幅减少传统整地对土壤的扰动，减少整地当年水土流失。

在具体实施时，在布设构件时可采用木锤或橡胶锤逐步敲击楔入，土壤过于紧实时，适当用小铁锹少量开挖、填埋。

当整地构件仅包括一个拱形弯曲板时，整地构件规格尺寸较小。但是根据坡面的立地条件，需要选择规格尺寸较大的整地构件时，可以在拱形弯曲板的两侧分别增设一矩形平板，用以增大整地构件的规格尺寸。这样的话，如图2所示，整地构件包括一个拱形弯曲板和两个矩形平板；两个矩形平板中，矩形平板21与拱形弯曲板1的第一侧边缘11平滑连接，矩形平板22与拱形弯曲板1的第二侧边缘12平滑连接。

其中，第一侧边缘11为拱形弯曲板上的与拱形延伸方向垂直的两个侧边边缘中的一个侧边边缘，第二侧边缘12为拱形弯曲板上的与拱形延伸方向垂直的两个侧边边缘中的另一个侧边边缘。

在具体实施时，如图2所示，还可以在每一矩形平板上开设有排水通孔3，目的是在高强暴雨发生时起到排洪作用，减小暴雨对构件的冲击和对植被的浸淹。应当理解的是，在埋设整地构件时，排水通孔3是暴露在土壤外的。

在具体实施时，可以采用连接件连接矩形平板和拱形弯曲板，如图3所示，该连接件4包括一体设置的第一卡接部41和第二卡接部42；相应的，矩形平板21、22的一个侧边缘上开设有第一卡槽，拱形弯曲板1的第一侧边缘11和第二侧边缘12上均开设有第二卡槽；所述第一卡接部41与所述第一卡槽的卡接及所述第二卡接部42与所述第二卡槽的卡接，使所述矩形平板与所述拱形弯曲板连接。

其中，第一卡接部41和/或第二卡接部42可包括横截面为梯形的卡接部。

在安装时，首先将拱形弯曲板1沿铅直方向楔入坡面，然后将矩形平板21、22对准拱形弯曲板1的边缘沿铅直方向楔入坡面，直至保持矩形平板顶端与拱形弯曲板齐平，最后将连接件4滑入第一卡槽和第二卡槽内，将矩形平板21、22和拱形弯曲板1连接，构成整体。这里提供了一种拱形弯曲板和矩形平板之间的连接方式，采用卡接的方式进行连接具有便于拆装、连接稳定的优点。

其中，连接件4的尺寸可以根据需要设置，例如竖向高度为50mm横向长度为40mm，梯形向外侧的底宽为20mm，向内侧的底宽为10mm，两梯形间的矩形部分长度为20mm。

在具体实施时，拱形弯曲板1和/或矩形平板21、22的材质可以为泡沫混凝土。所谓的泡沫混凝土为一种轻质混凝土，可采用泡沫剂、硅质材料、钙质材料等环保材料为主混合搅拌，然后浇注成型。在材料的内部形成大量细小的封闭气孔，同时具有较高强度，密度小、质量轻、保温、抗震等优点。而且，泡沫混凝土属于绿色环保新型材料，具有可降解、成本低的优点。

在具体实施时，布设好整地构件后，可以利用木锤或橡胶锤沿构件与坡面接触边缘夯实土壤，减小构件与土壤之间的缝隙，增强构件稳定性。

在具体实施时，拱形弯曲板1可以为一种横截面为圆心角为90° 的圆弧结构。

通常在山丘区，因不同方位和坡位的光照与蒸发差异导致土壤水分存在显著空间异质性，按坡向划分时，阴坡(坡向0～67.5°与337.5°～360°)和半阴坡(112.5°～157.5°与247.5°～292.5°)土壤平均含水量相对较高，植被恢复整地时可选取较小规格集雨坑，。而阳坡(157.5°～247.5°)和半阳坡(67.5°～112.5°与292.5°～337.5°)土壤平均含水量相对较低，则需选择较大规格集雨坑以集蓄更多的降雨径流；按坡度划分时，缓坡(＜25°)、陡坡(25°～35°)和极陡坡(≥35°)的土壤平均含水量通常呈递减变化。其中一种规格的构件为：构件的整体弦长为800mm，中心角为90°，拱形弯曲板1的弦长为600mm，半径为283mm，矩形平板的竖向长度为1000mm、横向宽度143mm；所有板的厚度均为50mm。两矩形平板设置的排水通孔3的直径为50mm，通孔中心距平板的顶端150mm。

在具体实施时，布设整地构件时可先在野外选择坡向、坡度等立地条件相对一致的坡面作为植被恢复的基本立地单元。同一立地单元内，自低海拔向高海拔的方向，沿等高线逐行布设构件，最终呈“品”字形排布。

在具体实施时，本发明提供的植被恢复方法中，植被的种植密度可以采用以下方法确定：

根据在坡面上欲种植的植被的类型，确定所述植被的株距；

根据所述坡面的水量收支平衡条件，确定所述植被的行距；

根据所述植被的株距和行距，确定所述植被的种植密度。

其中，植被的行距即整地构件的行距，植被的间距即为同一行整地构件中相邻两个整地构件的间距，植被的种植密度即为整地构件的布设密度，进而得知所需整地构件的数量。

可理解的是，所谓的水量收支平衡指的是单个整地构件拦蓄范围内的有效供水量与植物耗水量和土壤蒸发量达到动态平衡。

在具体实施时，水量收支平衡条件可以包括：

Q+N≥W_f+E₀+E_T

式中，Q为所述整地构件拦蓄范围内的地表径流量，N为所述整地构件拦蓄范围内的降雨净补给量，W_f为所述整地构件拦蓄范围内的无效水填充量，E₀为所述整地构件拦蓄范围内的蒸发量，E_T为所述整地构件内植被的蒸腾量。

可理解的是，水量收支平衡条件是以满足整地构件内单株植被(乔木或灌木)正常生长耗水为基本原则，整地构件拦蓄上部汇流宽度既定的前提下确定的约束条件：构件内单株植被(乔木或灌木)上部汇流量与其覆盖区林冠截留后的降雨净补给量之和大于或等于其覆盖区的水分消耗总量(包括林地土壤无效水填充量、林地土壤蒸发量和林木蒸散量)。

在具体实施时，可以采用下式计算所述地表径流量：

Q＝(α×P×A)/A₁

式中，α为所述植被在成熟期在单位面积坡地的年均产流系数，P为年均降雨量，A为所述整地构件的有效汇水面积，A₁为所述整地构件的拦蓄面积，A₁可参考图4。

其中，有效汇水面积A是指上、下两行整地构件之间，未被乔木或灌木冠层遮蔽的坡面垂直投影面积以及整地构件上部林冠遮蔽降雨补给区面积，其中构件上部林冠遮蔽降雨补给区面积由于林冠截留了部分降雨，当按实际降雨计算时，可将其视为部分面积。具体依据构件实际规格及所选林木类型成熟期平均冠幅计算：

A＝a×b-A₁-i×A₂-B₁-2×B₂

式中，参见图4，a为整地构件拦蓄上部汇流宽度，mm；b为整地构件拦蓄上部汇流长度，mm；A₁为构件的拦蓄面积，mm²；i为植被成熟期的平均林冠降雨截留率；A₂为整地构件上部林冠遮蔽降雨补给区面积(扇环面积)，mm²；B₁为构件内林冠遮蔽降雨补给区>2；B₂为构件内林冠遮蔽降雨补给区的三角形面积，mm²。

其中，降雨净补给量N是指降雨过程中，经林冠截留后以林内降雨形式进入土壤的水量，具体可以采用下式计算所述降雨净补给量N：

N＝[α×P×(1-i)×A']/A₁

式中，α为所述植被在成熟期在单位面积坡地的年均产流系数，P为年均降雨量，i为所述植被在成熟期的平均林冠降雨截留率，A'为所述整地构件内植被的林冠遮蔽面积，A₁为所述整地构件的拦蓄面积。

上式中林冠遮蔽面积A'是指整地构件内林木林冠遮蔽范围与其上部汇流范围的重叠面积，可依据构件实际规格及植被的林木类型在成熟期的平均冠幅计算：

A'＝B₁+2×B₂

式中，参见图4，B₁为整地构件内林冠遮蔽降雨补给区的扇形面积，mm²；B₂为整地构件内林冠遮蔽降雨补给区的三角形面积，mm²。

在具体实施时，可以采用下式计算所述无效水填充量：

式中，θ_i为土壤有效水与无效水分界值，θ₀为年均的土壤最低土壤含水量，L为所述植被在成熟期的平均根系层深度。

其中，无效水填充量W_f是指降雨或径流入渗进入土壤后，首先填充土壤有效含水量以下、干季土壤最低含水量以上的水分亏缺，这部分水分不能直接用于植被生长耗水，因此称为无效水填充量。

根据以上各个公式带入水量收支平衡条件，可以得到构件拦蓄 上部汇流最小长度b的计算公式：

b≥(αPA₁+αiPA₂+αPB₁+2αPB₂+αiPB₁+2αiPB₂+Lθ_iA₁+E₀A₁+E_TA₁-αPB₁-2αPB₂-Lθ₀A₁)/αaP

由于上述计算，均按铅直投影面积计算，故实际在坡面上的构件拦蓄上部汇流长度还需按坡面坡度换算，即：

B＝b/cosθ

其中，θ为坡面坡度。

在上述同时，计算过程中，为简化运算，可按林木植被的种植位置位于整地构件弦长中点处对有关面积参数进行求解：

A₂＝B₁+2×B₂-A₁

式中：参见图4，r为拱形弯曲板半径，mm；l为矩形平板横向宽度，mm；R为所选林木类型成熟期平均冠幅半径，mm。

上述中包含的13个参数中，拱形弯曲板半径r、矩形平板横向宽度、构件拦蓄上部汇流宽度a为本构件规格指标，通常为定值，特殊情况变化构件尺度时，相应调整；坡面坡度θ、年均降雨量P、土壤有效水与无效水分界值θ_i、年均土壤最低土壤含水量θ₀、坡面年均产流系数α属区域地形、气象、土壤与水文基础指标，根据应用本方法的实际区域查阅资料选定；成熟期平均林冠降雨截留率i、林木成熟期平均根系层深度L、林木成熟期平均冠幅R、林地年均蒸发量E₀、林木年均蒸腾量E_T属林业生态基础指标，根据应用本方法时所选乔、灌林木树种查阅资料确定，也可通过观测试验获取。

在具体实施时，种植植被时，可选用播种造林或植苗造林。播 种造林采用穴播，首先在整地构件内用小铁锹人工挖穴或坑；然后在植穴中均匀地播入数粒(大粒种子)至数十粒(小粒种子)；最后覆土镇压，覆土厚度一般为种子直径的2-3倍，土壤粘重的可适当薄些，沙性土壤可适当厚些。植苗造林采用穴植栽植技术，首先在整地构件内用小铁锹人工挖穴或坑，穴的大小和深度应略大于苗木根系；然后将苗木植入穴内，栽植时要保持苗木竖直、根系舒展、深浅适当；最后覆土，填土一半后提苗踩实，再填土踩实，最后覆上虚土。

在具体实施时，在种植植被之前，本发明提供的方法还可包括：在植被的种子或根部施用保水剂。施用保水剂的具体方法分为种子涂层和根部涂层的方式：

种子涂层方式：首先将保水剂兑水溶解稀释；然后将种子浸入搅拌，使种子和保水剂水凝胶均匀混合，静置4～6h；最后取一定量过2mm筛细沙土与浸泡种子均匀搓开，将土与涂层种子混合物撒入播种穴内。

根部涂层方式：首先将保水剂吸水后形成的凝胶加入适量腐殖土和草木灰调成浆；然后将植物根部蘸满浆；最后用薄膜包装后即可运输栽植。

这里，由于采用保水剂，因此在采用整地构件整地的同时还采用施用保水剂的方法，增加土壤持水性，提高栽植林木成活率和土壤水分利用率。

下面以一具体实例对本发明提供的恢复方法与传统方法进行对比说明：

在年均降水量364mm的甘肃省兰州市榆中县孙家岔流域，选择两面荒坡，坡面A(E104°24′，N35°53′)：平均坡度28°、坡面长度40米；坡面B(E104°25′，N35°52′)：平均坡度30°、坡面长度30米。其中，坡面A分左右两块，一块采用本方法种植刺槐，一块采 用传统水平阶整地种植刺槐；坡面B整分左右两块，一块采用本方法种植柠条，一块采用传统鱼鳞坑整地种植柠条。

根据实地观测和资料查询，确定了气象、地形、土壤和林业生态等指标参数，依据上述构件布设位置和数量计算方法，确定了构件布设数量，即林木种植密度(详见表1)。

表1主要计算参数及种植密度计算结果

根据计算，最终确定刺槐种植密度为1275株/公顷，每穴1株，株距200cm、行距400cm；柠条植密度为2209株/公顷，每穴1株，株距100cm、行距230cm。于春季采用大苗完成造林。之后在造林区周边设置铁皮围挡，形成观测小区，观测当年坡面产流、产沙，统计整地和种植人工成本，1年后调查林木成活率。

经对比，采用本发明种植刺槐较传统水平阶整地，节省整地和种植的人工成本约61％，减少整地当年侵蚀量42％，提升成活率22％(本发明实际达92％)；采用本发明种植柠条较传统鱼鳞坑整地，节省整地和种植的人工成本约38％，减少整地当年侵蚀量53％，提升成活率14％(本方法实际达95％)。

在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。