遼西大凌河流域人工沙棘林的水文效應

鄭佳怡 付 曉 鄧紅兵 吳 鋼

(城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室(中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心)，北京，100085)

大凌河流域位于遼寧省西部，地處科爾沁沙地的南緣，是阻止科爾沁沙地向南和向東侵蝕的重要綠色屏障，同時也是我國東北重要城市沈陽市及其遼寧中部城市群生態(tài)安全的重要生態(tài)屏障。它不僅有著調洪蓄水，保護城市、農田、村莊及其人民群眾生命安全的重要作用，而且是為阜新、錦州、朝陽以及遼河三角洲地區(qū)提供工農業(yè)及其城市用水的重要流域。大凌河流域開發(fā)歷史較長，受自然因素和人為因素的影響，水土流失面積范圍廣，特別是河道的泥沙淤積，嚴重影響了水利工程的正常運行，給流域的防洪安全帶來了極大的隱患。同時，水土流失造成了土地資源大面積流失，土壤肥力下降，糧食減產，嚴重阻礙了大凌河流域經濟社會的可持續(xù)發(fā)展。1993年，大凌河流域被國家水利部、財政部列為全國8片重點治理區(qū)之一，進行水土流失治理。歷經連續(xù)16 a大規(guī)模的綜合治理，到2009年，治理范圍內林草覆蓋率由16.3%提高到了58.9%。大凌河流域生態(tài)環(huán)境的改善，對于促進遼寧西部和中部地區(qū)國民經濟持續(xù)、快速發(fā)展起著舉足輕重的作用。沙棘(Hippophae rhamnoides)是該區(qū)的主要造林樹種，它在調節(jié)洪水、涵養(yǎng)水源、保持水土等改善生態(tài)環(huán)境和促進區(qū)域經濟發(fā)展方面起著重要作用，深入研究該流域人工沙棘林的水文效應對流域的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

大凌河流域位于 118°50＇～121°20＇E，40°24＇～42°20＇N，地處內蒙古高原與松遼平原結合處，屬于土石低山丘陵區(qū)。流域面積為12 867.91 km2，目前水土流失面積為6 603.18 km2，占流域總面積的51.30%。該區(qū)屬北溫帶半干旱大陸性季風氣候，年均降水為515 mm，其中6—8月降水占全年80%以上，年均氣溫7.1℃，年均日照時數2 750 h，大于10℃積溫為3 150℃，年均蒸發(fā)量為2 100 mm;年均相對濕度60%，無霜期120～156 d。區(qū)域內植被屬華北植物區(qū)系向內蒙植物區(qū)系的過渡帶，是森林草原植被，除小面積的天然次生林和荊條叢林外，大部分為解放后營造的各種人工林，天然次生林以蒙古櫟(Quercus mongolica Fischer ex Ledebour.)、椴樹(Tilia tuan Szyszyl.)、樺樹(Betula platyphylla Suk.)等樹種為主的針闊混交林;人工林以沙棘、油松(Pinus tabulaeformis Carr.)、刺槐(Robinia pseudoacacia Linn.)林等為主;草本植物以胡枝子(Lespedeza daurica(Laxm.)Schindl.)、隱子草(Cleistogenes kitagawai Honda.)、針芒(Aeschynanthus lancilimbus W.T.Wang.)、堿草(Elymus dahuricus Turcz.)、羊胡草(Carex duriuscula C.A.Mey.)等為主，森林覆蓋率為28%。土壤類型主要是棕壤土、褐土、草甸土和風沙土，土壤肥力較低，土層較薄。該區(qū)年均流量為8.82 億 m3，洪峰流量為 1.48 萬 m3/s，輸沙量為903 萬 t。

2 研究方法

2.1 試驗地設置

選擇有代表性的標準地3塊，面積均為400 m2，以荒山為對照，標準地與荒山具有基本一致的立地條件:土壤為褐土;海拔550～560 m;坡度為3°～5°;坡向均為南坡。對各標準地進行常規(guī)調查，沙棘人工林林齡15 a，密度8 980株·hm－2，平均胸徑4.5 cm，平均樹高2.1 m，郁閉度 0.95。

2.2 徑流小區(qū)設置

每個標準地和荒山各設一個徑流小區(qū)，徑流小區(qū)面積為100 m2(20 m×5 m)，高35 cm(地上20 cm，地下15 cm)，在小區(qū)下方中間部位設置接流槽，接流槽下方設圓形接流池，池底水平。接流池和池高用磚漿砌，并有蓋板。徑流池頂部成里直外斜狀(防止小區(qū)外的雨水進入)，區(qū)外設排水溝。降雨量采用雨量筒觀測;徑流量根據一次降雨結束、地表徑流終止后，量測接流池內水深推算徑流總量;根據測定的含沙率計算土壤侵蝕量;同時用常規(guī)方法測定徑流液和侵蝕土壤中的氮、磷、鉀質量分數［1］。

2.3 土壤樣品采集和土壤理化性質測試

于2009、2010、2011年在每塊標準地內分別選設3個樣方，按0～20 cm和＞20～40 cm 2層采集土樣。土壤含水量采用質量法測試，土壤密度、毛管孔隙度、飽和含水量采用環(huán)刀法測試，土壤中有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、pH值采用常規(guī)農化方法測定［2－3］。土壤貯水量根據土壤孔隙度和土層厚度計算。

2.4 樹冠、樹干截留量的觀測

于2009、2010、2011年6—9月在每一標準地內進行降雨量、林內穿透雨、樹干莖流量的觀測，所有測定方法參見《森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究技術規(guī)范》和其它相關文獻［4－6］。具體是:在林外開闊地段布置3個雨量筒收集大氣降雨，并參照當地氣象觀測站資料;在每一標準地內設一個林分截留觀測場，均勻布置10個穿透雨收集器測定林內穿透雨;并選取3棵標準沙棘，在離地面1.2 m處用聚氯乙烯膠管蛇形環(huán)繞樹干，接引到樹干莖流收集器中。樹冠截留量按公式:Pi=P－Ps－Pt計算，式中，Pi為樹冠截留量;P為大氣降雨量;Ps為喬木樹干莖流量;Pt為穿透雨量。

2.5 凋落物貯量和持水量的測定

2009—2011年凋落物貯量的測定是在每塊標準地中沿對角線設20 cm×20 cm的小樣方5個，然后量測枯落物層的厚度并收取樣方中所有的枯落物，并從每個樣方內用鋁盒采樣3個，室內烘干稱質量，測得枯落物的自然含水率與干質量，以此推算單位面積的枯落物貯量;枯落物最大持水率測定用浸水法［7］91－128。

3 結果與分析

3.1 人工沙棘林的樹冠截留量和樹干莖流量

大氣降水部分被林冠枝葉截持并蒸發(fā)到大氣中，因此，林地內實際降水量減少。樹冠層截留作用不僅減少了林下徑流量，且推遲了產流時間［8］。樹冠截留功能受樹種組成、樹冠大小、形狀、枝葉密度、吸著水的能力、林分郁閉度、降雨量、降雨強度等多種因素影響［9－12］，從而導致樹冠對降雨截留能力的差異。一般而言，降雨量多截留量也多，但沒有一定的規(guī)律性［13］。2011年6月降雨量比2009和2010年分別增加了31.7、52.2 mm，但截留量卻分別減少了14.08、12.72 mm(表1)。根據當地氣象資料分析可知，2011年6月的降水多以歷時短的暴雨形式出現，即雨強大，降雨的穿透性強，時間短。因此，除大氣降水量外，影響樹冠截留量的主要因子是降雨強度和連續(xù)降雨時間。2009—2010年，6月份平均降水為238.90 mm時，沙棘林樹冠平均截留量為76.05 mm，平均截留率為32.28%，即約有1/3的降水被林冠截留，使林地內徑流減少，這與文獻［13］的研究結果基本一致，林冠能夠削弱徑流強度，有保持水土和涵養(yǎng)水源作用。

大氣降水時，樹冠截留的降水通過枝葉的匯聚作用，部分降水會形成樹干莖流。國內外許多研究表明，樹干莖流一般占大氣降水的 3% ～5%［3，6］。樹干莖流的水量雖然較小，但在半干旱地區(qū)，對于林木的生長具有重要意義，因為樹干莖流是以幾倍于林外降水量進入林木根系的周圍，補償林木蒸騰所耗散的水分，對林木生長發(fā)育起到了積極作用［13］。

表1 大凌河流域人工沙棘林樹冠、凋落物截留量

3.2 人工沙棘林凋落物截留量

林地上的凋落物在森林生態(tài)系統(tǒng)中具有非常重要的水源涵養(yǎng)功能。凋落物的吸水性和持水性取決于其在林地上的積累量和其本身的持水能力，而這些又與森林樹種的組成、林分發(fā)育、林分水平及垂直結構、凋落物分解狀況等多種因素有關［12，14－15］。不同森林生態(tài)系統(tǒng)內，凋落物的質和量各不相同，其吸水特性也不盡相同。由表1可見，6月平均大氣降水為238.9 mm，人工沙棘林中凋落物截留量是48.5 mm，平均截留率為20.8%。可見，沙棘林中凋落物量及其截留量大于該地區(qū)其他人工林［16］，這主要是由于沙棘林枝葉繁茂，落葉量高，且郁閉度高，透光性差，林內溫度較低，不利于凋落物分解，所以林內凋落物量較大。不同森林系統(tǒng)中凋落物最大持水率為269.8% ～315.2%，即為自身干質量的 2.7 ～3.2倍［16］?？萋湮镂值乃砍徊糠终舭l(fā)外，剩余部分則緩緩下滲到土壤中。

3.3 人工沙棘林和荒地的土壤理化性狀

林地土壤是水分貯蓄的主要場所，土壤水分貯蓄量和貯蓄方式受其物理性質影響很大［17］。土壤總蓄水量是毛管孔隙和非毛管孔隙蓄水量之和，反映了土壤貯蓄和調節(jié)水分的潛在能力。

從表2可看出，除土壤密度外，0～20 cm土層總孔隙度、非毛管孔隙度、飽和含水率和非毛管蓄水量都高于＞20～40 cm土層，且沙棘林中這些物理性狀明顯高于荒地。這是森林表層土壤長期積累凋落物并腐爛從而形成較厚腐殖質層的結果。因此，在大凌河流域人工種植沙棘能夠顯著改善土壤結構，有利于保持水土，防治區(qū)域水土流失。有關研究表明，生態(tài)系統(tǒng)土壤的滲透性能取決于其非毛管孔隙，在飽和持水量中，非毛管孔隙中滯留的重力水在調蓄水方面具有更為重要的作用［7］130－132。因此，近年來不少研究提出，將土壤非毛管孔隙度大小作為判斷生態(tài)系統(tǒng)土壤蓄水能力大小的主要指標，并用它和土層厚度來計算土壤蓄水量［17］。

表2 人工沙棘林和荒地0～40 cm土壤物理性質

根系的分泌、死亡、腐爛和凋落物分解使土壤，尤其是對表層土壤的密度、有機質、土壤養(yǎng)分、微生物種群等產生重要影響。由表3可看出，pH、全磷和速效磷在不同土壤類型和不同土壤深度無顯著差異;有機質、全氮、全鉀和速效鉀含量沙棘林土壤中顯著高于荒地，但在同一類型土壤中，不同土壤深度卻無顯著差異。速效氮沙棘林中含量顯著大于荒地。

表3 人工沙棘林和荒地0～40 cm土壤化學性質

3.4 人工沙棘林和荒地的徑流量和侵蝕量

由降水引起的土壤侵蝕與地類有著密切關系。樹冠對降水有明顯的截留作用，加之不同植被系統(tǒng)中枯落物對降水攔截作用，以及林地土壤密度較小，非毛管孔隙度較大，穩(wěn)滲透較高，因此林地內地表徑流產流較晚(一般比裸地晚1.5～1.8 h)，林地內地表徑流系數低;而荒地則由于缺少喬、灌及枯落物的攔蓄截留，土壤結構中缺少水穩(wěn)性團粒結構，降水直接沖擊土體，將土壤孔隙堵塞而減低土壤的滲透率，增加了地表徑流［16］。表4為2009—2011年6—8月人工沙棘林和荒地的徑流深和侵蝕量，沙棘林中3年平均徑流深為0.893 mm，而侵蝕量為0.76 t·km－2;徑流深約為荒地的1/50，表明沙棘能顯著減少地表徑流和土壤侵蝕量，而且沙棘林的減流減侵蝕效率比該流域其他人工林好，這是由沙棘林中的樹冠性狀、枯落物層和土壤理化性狀等差異綜合作用的結果［16］。

表4 人工沙棘林和荒地的徑流深和侵蝕量

為了進一步了解大凌河低山丘陵區(qū)不同地類中地表徑流量與降雨量、凋落物量及土壤物理性狀間的關系，本研究對同一地類各樣方(15 m×3 m)數據進行回歸分析，結果見表5。表5表明，2種地類中地表徑流量與降雨量均呈極顯著線性相關(P＜0.05);林內地表徑流量與林內凋落物量、土壤非毛管孔隙度呈顯著負相關;與土壤密度呈顯著正相關。這為以后的大凌河流域水土保持、涵養(yǎng)水源和小流域治理等提供了詳實的數據資料和理論依據，但關于地表徑流量與土壤理化性質還需要在以后的研究中繼續(xù)深入。

表5 地表徑流量(Y)與其影響因子間(X)的回歸方程

4 結束語

2009—2011年6月平均降水為238.9 mm時，沙棘林樹冠截留量3年平均為76.05 mm，平均截留率為32.28%，即約有1/3的降水被林冠截留。不同植被類型中，樹冠對降雨均有較大截留作用，平均截留率為25.15% ～37.19%。

沙棘林中凋落物截留量為48.5 mm，平均截留率為20.8%。除土壤密度外，0～20 cm土層總孔隙度、非毛管孔隙度、飽和含水率和非毛管蓄水量都高于＞20～40 cm土層，且沙棘林中這些物理性狀明顯高于荒地。這是森林表層土壤長期積累凋落物并腐爛從而形成較厚腐殖質層的結果。沙棘林土壤的非毛管蓄水量是荒地的200%。沙棘林土壤中有機質、全氮、全鉀和速效鉀質量分數顯著高于荒地。

2009—2011年6—8月人工沙棘林3年平均徑流深為0.893 mm;侵蝕量為0.76 t·km－2;徑流深約為荒地的1/50。

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