亚热带高原(山地)季风气候季节性干旱地区保水系统探讨

论文标题：亚热带高原（山地）季风气候季节性干旱地区
保水系统探讨
—昆明呈贡地区土壤保水措施探讨 2011年07月
亚热带高原（山地）季风气候季节性干旱地区
保水系统探讨
—昆明呈贡地区土壤保水措施探讨
摘要
在我国有很多地方常年处于干旱，比如西北地区、黄淮流域、东北地区西部、东南沿海、西南地区西南部，而近年气候反常又出现许多季节性干旱地区;即使不是常年干旱，也是连续几个月不下一滴雨，加上土壤的不透水性，就更造成一段时期内，一二个月甚至几个月连续的干旱，为了可以缓解地面干旱对植被的影响，就需要我们深入考虑怎么可以解决季节性干旱气候保水的问题。

在这样一个降水量分明的地区，增加对区域内部保水，从而延长土地内部水分含有量，对植物良好的生长和水土保持都起到一定的持续性作用，也更好的降低植被养护运营成本，是建设节约型社会和可持续发展的明智之举。

本课题的研究内容主要从工程和生物的角度探讨和分析亚热带高原（山地）季风气候季节性干旱地区保水问题。

根据我国云南昆明呈贡地区典型的山地高原季风气候的地理环境为例，进行探讨和研究。

这对我国改善亚热带季风地区季节性干旱有着十分必要的帮助。

关键词：高原、山地、季节性干旱、保水系统、土壤
1．季节性干旱地区气候情况和土壤情况简述：
在我国有很多地方常年处于干旱，比如西北地区、黄淮流域、东北地区西部、东南沿海、西南地区西南部，而近年气候反常又出现许多季节性干旱地区;即使不是常年干旱，也是连续几个月不下一滴雨，加上土壤的不透水性，就更造成一段时期内，一二个月甚至几个月连续的干旱，为了可以缓解地面干旱对植被的影响，就需要我们深入考虑怎么可以解决季节性干旱气候保水的问题。

1.1亚热带高原季风气候的特点
1.1.1春季
春季温暖，干燥少雨，风高，蒸发旺盛，日温变化大。

气流来自热带大陆，多晴朗天气，月平均气温多在20℃以下。

但昼夜温差大，有“上午如春、午后似夏、晚间如秋、深夜如冬”的“一日四季”的特点。

春季降水量少，空气湿度小，蒸发量大，气温回升快，农业生产易受干旱威胁，不利于小春作物成长和大春播种。

1.1.2夏季
夏无酷暑，雨量集中，气流来自热带海洋，多雨云天气，水分充足，土壤湿润，地面吸收的太阳辐射减少，辐射热量用于水分蒸发的多。

因此，盛夏季节全市除海拔1600米以下的地区平均有2个月左右气温能达到22℃的夏季标准外，其他大多数地区均属21℃以下的春季气候，无酷暑期。

夏季雨量集中，且多大雨、暴雨，降水量占全年的60％以上，故易受洪涝灾害。

1.1.3秋季
秋季温凉，天高气爽，雨水减少，霜期开始，降温快，天气干燥，多数地区气温要比春季低2℃左右。

降水量比夏季减少一半多，但多于冬、春两季，秋旱较少见。

一般在10月上、中旬终止雨季，初霜期于11月上旬开始。

1.1.4冬季
冬无严寒，日照充足，天晴少雨，每月晴天平均在20天左右，日照230小时左右，雨天4日左右，全季降水量仅占全年的3％～5％。

除海拔在1500米以下的河谷地区外，大多数地区有两个多月的冬天(5天平均气温小于10℃)，有时出现阴冷天气，霜冻或降雪，严重时能导致小春作物灾害。

亚热带高原季风气候，其特点就是年温差不大，四季不明显，干、湿季分明，秋季温凉，天高气爽，日照充足；降水形式以降雨为主，雨量集中，霜雪量很小，受东南及西南两股暖湿气流的影响，降雨主要集中在5—10月，形成夏秋湿热雨多、冬春干旱少雨的特点。

我国今年春季的云南干旱就是这种气候加上太平洋厄尔尼诺现象加剧，破坏了大气结构，造成海洋季风无法登陆形成降雨是造成这次极端干旱的重要原因。

以云南昆明呈贡地区为例子，据云南呈贡气象站的资料，区内多年平均降水量为782.0mm，年最大值为8月份161.0mm，最小值为1月份11.0mm。

区内气温具有日温差大，年温差小，冬无严寒，夏无酷暑，四季如春的特点。

多年平均气温14.6℃，最大值为每年6—7月，平均气温19.6℃，最小值为每年12月，平均气温7.9℃；极端最低气温-9℃（1975年12月15日），极端最高气温30.4℃（1983年5月24日），年日照数2200小时。

多年平均蒸发量为2086mm，年最大为4月份276mm，最小为11月份111mm。

这些资料充分证明了在这样一些年降雨量不平均的地区内，季节性干旱给植被的生长带来了一定的影响，水是植被生长的根源，没有水植物根系就接受不到养分，加上这样的地区蒸发量又很大，因此地区内植被长势良好存在一定的难度。

1.2地区土壤
在西南高海拔地区是最典型季节性干旱区域，这里的土壤基本为红壤土，红壤土体深厚，剖面层次发育完整。

PH一般在5.0~6.2之间。

红壤成土是富铝化和生物富集两个过程长期
作用的结果。

云南季节性干旱地区的红壤分类为（4个亚类） 1.红壤此即红壤土的典型亚类。

土壤养分一般不高，速效磷缺乏，PH4.5~5.5，质地粘重。

2.山原红壤为高原海拔1800~2500米的高原面上具残存富铝化特征的暗红色土壤。

该亚类是深受古风化壳影响的红壤类型，其矿物风化度深，粘土矿物以高岭石为主，伴有三水铝石。

P H 5.5~6.0，主要呈微酸性反应。

3.黄红壤属红壤向黄壤过渡的类型，主要分布于红壤区中、低山平缓的坡地，所处水分条件较优；土体上部有黄化现象，以黄橙色或橙色为主，下部仍保持红壤的色调；土壤P H 5.0~5.8，粘土矿物仍以高岭石为主，伴有蛭石和三水铝石。

4.红壤性土属于剖面发育差的幼年红壤，主要分布在红壤区的山地陡坡地段。

其土壤侵蚀严重，往往心土、底土裸露地表，石砾多，质地偏砂，有机质和速效养分缺乏，肥力低下。

因此在上述地区土壤基本特点是；保水差，保肥也差，雨季土壤含水量30-50% 旱季含水量只有5-10%，土壤风化度深，容易板结，质地粘重，也就造成植被不透气，植被有好的生长除了有水，还要依靠阳光、空气、养份，所以土壤的好坏亦是决定植物生长好坏的制约因素之一。

2．改良土壤保水措施分析：
有专家说过在西南高原地区的植被为什么没有其它地方比如华东地区的长势要好呢？其实最主要原因是，在植被生长最好季节的时候，地区内缺乏水源，植被得不到水份，长势自然就没有水份充足的地区长势要好。

如何通过土壤的改良，增强土壤的保水性，是促进植被生长的重要手段。

2.1常用土壤保水措施
2.1.1人工水利措施
利用明沟循环抽排水或竖直排水；用人工的方法，灌溉洗刷大量土壤，使得土壤含水量增加，酸碱性降低。

2.1.2生物化措施
种植植被，不管是乔木还是草坪或是灌木都有良好的改善土壤物理性能、化学特性和土壤入渗能力的效应。

就拿金沙江干热河谷不同类型植被改良土壤的研究为例；0-50cm土层乔木林地和草地上壤容重分别比荒地低15．5％和10．9％，总孔隙度高15．4％和15．3％。

0—50cm土层乔木林地和草地的有机质含量分别比荒地高24．8％和32．3％，全N含量高23．2％和42．9％。

乔木林地和草地的稳渗率分别比荒地高27．4％和88．4％。

这也说明了植被的种植对改良土壤的保水和透气性有很好的帮助作用。

2.1.3化学措施
化学措施主要指的是保水剂：保水剂是一种吸水性树脂，是吸水能力特别强的功能高分子材料。

反复释水、吸水，同时，它还能吸收肥料、农药、并缓慢释放，增加肥效、药效。

高吸水性树脂广泛用于农业、林业、园艺、建筑材料；保水剂不溶于水,但能吸收相当自身重量成百倍的水.保水剂可有效抑制水分蒸发.土壤中渗入保水剂后,在很大程度上抑制了水
分蒸发,提高了土壤饱和含水量,降低了土壤的饱和导水率,从而减缓了土壤释放水的速度,减少了土壤水分的渗透和流失,达到保水的目的.还可以刺激作物根系生长和发育，使根的长度增加、条数增多，在干旱条件下保持较好长势。

2.2常用土壤保水措施的弊端
2.2.1人工水利措施的弊端
利用明沟循环水用人工的方法灌溉和洗涮土壤是可以在一定的时间内地土壤起到改良保水性和酸碱性的作用，但是这要靠人工不断的用电和水来循环，运营和维护成本过高，还需要大量的水源，在季节性干旱地区，长时间无水的情况下，设备就难以有用武之地了。

2.2.2生物化措施的弊端
植被是对土壤有很好的改良作用，但是选用的品种，和后期的养护也是密不可分的，而
且在种植植被的同时，还需要局部换土，浇水施肥，对土壤的改良在一定时间内的作用和成效是有限的，同样在季节性干旱地区，如果植被在长时间得不到水的情况下，那么后期的养护费用，也是一笔不小的开支，这样即提高了改良土壤的成本，又得不到有效的成果，所以植被改良土壤也有一定的不利因素。

2.2.3化学措施的弊端
当前,市场上的保水剂,无论从产地,品名,型号等方面都各不相同。

保水剂虽然是比较好用，可以在短时间能起到很好的效果。

但是保水剂的使用寿命在2年左右，吸水倍率通常在300以上，但是随着使用时间的增加，吸水倍率会减小。

以淀粉为主要原料的保水剂会自动降解，不会对环境造成危害，但如果是用化学原料制造的保水剂就会对土壤环境造成污染。

2.3改良土壤保水能力和酸碱性的几大要素
改良土壤保水能力和酸碱性需要几个重要的要素，才能对土壤保水和改良酸碱性起到一定的效果，首先就是水，没有水土壤永远是干的，那么土壤粘粒含量不可能改变。

第二就是植被系统，植被和土壤互为环境因子，土壤是岩石圈表面的疏松表层，是陆生植物生活的基质。

它提供了植物生活必需的营养和水分，是生态系统中物质与能量交换的重要场所。

由于植物根系与土壤之间具有极大的接触面，在土壤和植物之间进行频繁的物质交换，彼此强烈影响，因而土壤是植物的一个重要生态因子，相反土壤也需要植被系统的帮助，改良自身的孔隙度，植被系统对土壤是有着水土保持的重要作用的。

第三就是保水物质，沙土的保水能力最差，黏土最强，而壤土介于沙土和黏土之间，那么在干旱沙化土壤情况严重的地区，土壤的保水性极差的情况下，在土壤中加入保水吸水物质，从而能在很大程度上抑制土壤内水分蒸发，减少土壤水分的渗漏，提高土壤饱和含水量，降低土壤的饱和导水率，从而减缓土壤释放水的速度。

3．季节性干旱地区的保水系统：
经过在典型季节性干旱地区云南昆明的了解，在昆明5至10月雨量非常大，而别的时候降雨就很少，有雨季和旱季之分，平均海拔高度在1900至2010之间，土壤保水能力差，酸碱性也比较强，在对昆明呈贡县白龙潭区域5公里范围内土壤ＨＰ值测试酸碱性为4.8至5.2，属于酸性土壤。

因此这个地区是典型的亚热带高原山地季风气候季节性干旱地区。

在这样一个地区植被生长却不是很好，就拿距昆明市30公里远的呈贡县来说，呈贡县自然植被属中亚热带常绿阔叶林地带，但自然植被保存不多，大面积林地为以云南松、华山松为主体的次生林和人工林，现有植被的主要树种有：云南松、华山松、滇油杉、冲天柏、旱冬瓜和栎类；常见灌木和草本有：杜鹃、矮杨梅、铁仔、金丝梅、火把果、黄连刺、乌饭、白牛胆、黄背草和扭黄茅。

据对呈贡县白龙潭５公里范围内勘察，主要为梯坪地、坡耕地，有少量灌木林地、荒草地、有林地、果园，其植被覆盖率较低，植被覆盖率约10%，植物长势较弱。

3.1科学的保水系统
那么什么原因造成植被覆盖率和长势较弱呢？归根结底就是土壤的保水能力和降雨的集中化造成的，集中的降雨势必造成水土流失，而集中干旱更造成土壤的沙化，从而出现土壤的保水、保肥能力的下降，植被就更加得不到养分，植被得不到养分长势就不好，根系也得不到水份和营养，又对土壤的保水性产生影响，这样恶性循环造成的后果将是更加严重的水土流失，循环往复势必造成更大灾难。

因此我们需要对土壤的保水性科学的进行改良，从而缓解季节性干旱地区的土壤保水问题。

第一科学的改良土壤保水力需要有长期源源不断的水源地对土壤的粘粒含量和酸碱度进行冲刷并可以储存水源供土壤需要，减少土壤内水份的蒸发量。

第二需要有适合对土壤改良有一定效果的植被系统，不是每一种植物都有良好的改良土壤保水效果，植被中还分乔木和灌木还有地被植物，还有深浅根系乔木，水生植物，耐湿性强的植物，每种植物在不同的位
置种植都对改良土壤保水能力会起到不同的效果。

第三就是土壤保水物质，土壤一旦出现沙化现象，那么保水的能力几乎为零，那么我们需要靠一些保水能力和吸水能力强的物质来深入土壤内部为土壤保存水份储存营养和养份。

通过这三种科学保水的方法同时的运用，就能使土壤的保水能力在较短时间内得到改善，长时间的运用使土壤自身的性质发生改变。

从而得到我们想得到的最理想的目的。

3.2高原山地季节性干旱地区生态保水系统（详见附图一）
怎么可以把上述三种科学的保水方法通过一种又合理又环保又低碳而且成本又低又持久耐用的系统结合在一起使用呢？经过在季节性干旱地区现场的勘测和研究，我们认为可以通过一种工程手段和生物系统相结合的方法组成一个完善的系统。

首先先在山地道路两侧设置盲沟，然后在道路的一侧，地形较低处分别设置多处生态集水池，盲沟连接生态集水池，再把渗滤管连接在生态集水池埋入土壤内，渗滤管埋设的线形可以发散状布局，然后在靠近生态集水池内种植些水生植物，而在周边则选用一些耐水湿植被，然后再外圈种植根系较为发达吸水性强的乔木，这样就组成了一个完整的保水系统。

附图一
3.2.1生态雨水收集池的构造和作用（详见附图二）
生态集水池的构造是需要挖一个面积在250-300平方米，最深处深度在50-70厘米的潭子，在潭子的最底部放置大粒径河石头，然后再放置中粒径的河石，最后上面覆盖卵石，让人在旱季也看不出是个集水池。

放置不同粒径的河石和卵石一是为了景观的需要，二就是为了在雨水多的时候可以集水然后再慢慢的通过几层石头的缝隙回渗入潭底的土壤里，减少蒸发量，并得到充分的水源来进行土壤的保水改良，缓解雨后蒸发量过快造成的土壤缺水。

附图二3.2.2生态盲沟的构造和作用（详见附图三）
生态盲沟主要是靠近山地道路两侧设置，盲沟深度在40-50厘米之间，宽为50厘米，构造很简单，主要是针对道路上雨水会通过道路的排水坡度流入盲沟，而盲沟的断面一侧与道路相连，另一侧则是不要挡土直接挨着土壤，盲沟里面用卵石填充，一是为固土而也是为了景观需要，而盲沟的最终会水区就是生态集水池。

设置盲沟不单单只是为了道路排水，而是靠盲沟给生态集水池收集水源，在收集水源的同时，盲沟本身也是最好的集水区域，道路越长集会量就越大，而在集水的同时因为盲沟的一侧是与土壤相连，水通过盲沟直接渗入土
壤内部，也是在为土壤进行改良。

附图三3.2.3植被的作用
植被的作用各有不同，在这个科学的土壤保水系统里，不同植被的种植位置和种植品种
是有一定讲究的，先是水生植物种植在生态集水池里，是为了过滤水质，耐水湿性植物种植
在集水池的周围是为了雨季万一水溢出集水池，耐水湿性植物也可以起到一定的水土保持作
用和抗水性作用，而周围种植深根系植物可以对土壤起到一定保水改良作用，不会让水土流
失。

3.2.4渗滤管的作用（详见附图四）
渗滤管是一种环保材料制成的外形犹如方便面的管材，它分成圆管和方管，在敷设渗滤管时要在渗滤管的周围包上一层渗水材料，集水池和盲沟的水可以反渗如网状布局的渗滤管内再通过渗滤管渗入土壤内，而土壤的颗粒是不会进入渗滤管的内部造成管子的堵塞，只有水可以渗透进管子，土壤表面的水也可以通过土壤渗透进管材内部流入集水池，既可以渗滤，也可以反渗透，渗透的是水过滤的是泥沙，反渗透的还是水，因此渗滤管也是一个巨大的保水空间。

渗滤管敷设于土壤下30-50厘米处，圆管可以敷设在道路两侧和地势比较陡的山地，而方管是敷设在比较平坦的草坪上，不同的管径针对不同性质的用地，这种管材也比较耐用一般一二十年没问题。

附图四
3.2.5科学生态保水系统的说明
上述讲述了很多关于生态保水系统的每个系统环节、构造和其作用，那么整个系统是怎么运行呢？我在上述的文章中提到过，让水源、植被、保水物质这三种科学的保水方法同时运行，土壤的保水效果会在短时间内得到改善。

系统中的生态集水池和盲沟就是水源，植被种植是起到一定的生物化作用，而渗滤管就是通常指的保水物质，比如保水剂等等。

把这三种科学的保水方法通过一个系统串连起来，让他们发挥各自的作用，并且相互影响，互相渗透，共同对土壤起作用。

在季节性干旱地区，集中降雨造成水量增加，我们把本来需要迅速排进雨水管的雨水暂时通过盲沟和竖向地形保存到生态雨水收集池中，不让雨水马上排走，利用雨水作为水源，对土壤进行改良，而多余的水在通过竖向地形或是雨水管道排走，利用连接盲沟和雨水收集池的渗滤管的网状敷设，对土壤内部进行物理改良，并且种植植被，让植被的根系也来一起帮助改良土壤。

从把雨水生态收集，到道路周边的盲沟从外至地区内的渗透，再到利用植被和渗滤管进行点与线最后达到面的改良土壤保水的能力的效果，最终达到让地区植被种植深度空间内的土壤变成一个保水，保肥和均衡酸碱度的海绵体，在少雨季可以慢慢释放自身的能量，短期内减缓土壤水份蒸发量，长期彻底改良土壤性质。

3.3季节性干旱地区的保水系统分析
上述提到的保水系统措施，是针对降雨季节不均衡地区种植土壤改良专门研发，是通过
不同造园工程多次反复试验的成果，在很多新材料和新工艺的帮助下发明系统，相对老的常用保水措施，我们可以借鉴其优点发挥其长处，取长补短。

根据不同环境可以实施系统的全部也可以是其中的一部分，关键是需要根据不同地点，不同环境，不同条件，因地制宜的实施和优化。

3.3.1山地保水系统与平缓地区保水系统
因为季节性干旱地区的地点有很多，就算在同一地区，也有竖向地形不同之处。

最主要的是山地和平缓地的区别了，山地保水系统与平缓地区的区别在于地形不同所选用的保水系统的系统结构和选用的材料不同，因为山地地区水最终的流向是汇入底点的生态雨水收集池，整个系统也会围绕生态雨水收集池，而平缓的地区雨水要靠人工引导，最终流入雨水收集池，然后通过机械的运动为植被土壤浇灌或是利用，而雨水的汇集基本是通过不同的渗滤管材，才能完成最后的汇集，基本不需要盲沟。

所以山地的保水系统要比平地的保水系统简单些，基本是通过重力汇集雨水，然后再反渗透，平地就需要机械的配合，因此虽然两者的系统结构相同，都是围绕水源展开，但是山地的保水系统主要目的是通过物理化生物化的手段做到循环低碳的改良土壤性质。

平地是通过大量收集雨水然后再利用的方式，更多注重的是收集雨水再利用，系统结构上更加复杂，两者上有本质的区别和相同点。

3.3.2 生态保水系统与一般土壤保水措施
我们所提倡的生态保水系统与一般保水系统的区别在与我们的保水措施已经对土壤保水理念上升到可以系统化的通过不同改良土壤的模式和对土壤层层递进的方式使土壤在预先设定好的环境里生态化的得到培育，从而发生质变。

而培育所用的材料却是最环保持久的材料，和最低碳的方式。

而一般的保水措施需要大量水源或通过化学手段去实现目的，是很难达到预期成效的，一般的保水措施只是头痛医头，脚痛医脚，没有从土壤保水能力的本身找原因，治标不治本，有的是对土壤表面的改良冲刷，有的是对土壤内部改良，但是如果不选用已淀粉为主要原料的保水剂对环境就没有保障了，而且保水剂的发挥效应只有1至2年，以后会随着时间而慢慢失去作用，成本又相对高昂。

3.3.3生态保水系统的实施范围
生态保水系统的实施面是非常广泛的，尤其是在需要大量种植乔木的高原山地，不管是土壤的原因还是气候的原因造成的植被生长不良或是植被覆盖率底的公园、果园、都有很大成效，对改善土壤的酸碱度和保水、保肥能力都有一定长远期的作用。

3.3.4生态保水系统的可行性
通过对生态保水系统的反复研究，在季节性降雨不均衡的地方实施生态保水系统是可行的，不管从工程的角度或从生物的角度，还是与一般土壤保水措施的对比分析，得出本生态保水系统的实施将会对这些地区的土壤保水改良带来新的力量。

从工程角度上说,本系统在工程实施上难度不大，建造的成本也不是很高，生态集水池和盲沟只是在一般的水利设备的基础上改良，而渗滤管是一种新的材料，已经在一些较大城市的公园开始实施，比如昆明的米勒寺公园等。

从生物的角度来说,本系统要求种植的植被可以有多种的变化，只要基本原则不变，可以考虑多种植物的多样搭配，既对土壤有一定的保水作用，也丰富了植物的多样性，更是利大于弊。

因此，生态雨水收集系统不管从成本的控制还是从长远期的考虑，更从环保低碳上都是一种比较完善的系统。

目前在云南昆明呈贡新城中央公园二期项目中已经开始运用本文中提到的生态雨水收集系统。

项目的本身地处典型的季节性干旱地区，又是高原山地地形，非常适合运用生态雨水收集系统对项目内地块中的土壤进行改良和保水。

在公园建成后，我们将对先期开工并实施雨水收集系统的地块与没有实施雨水收集系统的地块内的土壤保水性等理化化性做检测，。