黃土高原水源涵養(yǎng)林截蓄降雨研究進(jìn)展

鄭飛龍 譚軍利 王西娜

摘 要：黃土高原地區(qū)水源涵養(yǎng)林建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境及水文循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生了深刻的影響，有關(guān)學(xué)者對(duì)此開展了大量研究工作并取得了豐富的成果，但缺少系統(tǒng)的總結(jié)和歸納。為了給黃土高原地區(qū)水源涵養(yǎng)林建設(shè)提供技術(shù)參考，從林冠層的截留能力、枯枝落葉層的截持能力和林地土壤的持水能力3個(gè)方面，對(duì)黃土高原地區(qū)水源涵養(yǎng)林截留和攔蓄降雨研究的有關(guān)文獻(xiàn)及成果進(jìn)行了系統(tǒng)整理。林冠層對(duì)降雨的截留是降雨在數(shù)量和空間上的第一次分配，本質(zhì)是植被葉面吸附降水，截留量和截留率受降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)等氣象因子和樹種組成、林齡、郁閉度等林分特征的影響，林冠層截留量占降水量的5%～10%，截留的水量從葉面蒸發(fā)，無(wú)法被植物利用;林地枯落物層對(duì)降雨的截留是對(duì)到達(dá)地面的降雨進(jìn)行第二次分配，其主要影響因素是枯落物累積量和微生物對(duì)枯落物的分解情況，保護(hù)好枯枝落葉層對(duì)于水土保持、涵養(yǎng)水源和水分循環(huán)等生態(tài)功能具有重要意義;林地土壤層能夠貯存70%～80%的降水量，可有效涵養(yǎng)水源，是對(duì)降水的第三次分配，影響林地土壤持水性能的主要因素是土壤孔隙度和黏粒含量，不同林分類型的土壤孔隙度、土壤持水能力差異明顯，混交林能有效截留降水并提高林地土壤的入滲率和入滲量。目前，對(duì)黃土高原水源涵養(yǎng)林?jǐn)r蓄降雨的定性研究較多，定量研究還不夠深入，尤其是土壤水分的量化指標(biāo)還不夠全面，這是需要深化研究的重要內(nèi)容之一;此外，如何保持水源涵養(yǎng)林土壤水分的動(dòng)態(tài)平衡也是需要研究的重要內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：水源涵養(yǎng)林;林冠層;枯枝落葉層;土壤水分;降雨;截留;黃土高原

中圖分類號(hào)：S727.21;P332.1;TV213 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.018

Abstract：The construction of water conservation forest in the Loess Plateau has a profound impact on the ecological environment and hydrological cycle process. Although some relevant scholars have carried out a lot of researches and achieved rich results， there are lack of systematic summaries and inductions. In order to provide technical reference to the construction of water conservation forest in the Loess Plateau area， this paper systematically summarized the relevant literatures and achievements on the interception and rainfall interception of water conservation forest on the Loess Plateau from three aspects： canopy interception capacity， litter interception capacity and soil water holding capacity. The interception of rainfall by forest canopy is the first distribution of rainfall in quantity and space. The essence of interception is that rainfall is absorbed by vegetation leaves. The interception and interception rate are influenced by meteorological factors such as rainfall， rainfall intensity， rainfall duration， tree species composition， forest age and canopy density. Canopy interception accounts for 5% to 10% of precipitation. The interception water evaporates from the leaf surface and cannot be used by plants. The interception of rainfall by forest litter layer is the second distribution of rainfall after reaching the ground. The main influencing factors are litter accumulation and microbial decomposition of litter. Protecting litter layer is of great significance to the ecological functions of soil and water conservation， water conservation and water cycle. The forest soil layer can store 70%-80% of precipitation， and effectively conserve water resources， which is the third distribution of precipitation. The main factors affecting the water holding capacity of forest soil are soil porosity and clay content. The soil porosity and water holding capacity of different forest types are of significantly difference. Mixed forests can effectively intercept precipitation and then improve soil infiltration rate and infiltration. At present， there are many qualitative studies for rainfall interception of water conservation forest in the Loess Plateau， but quantitative studies are not deep enough， especially the quantitative indicators of soil moisture are not comprehensive enough， which is one of the important contents to be further studied. In addition， how to maintain the dynamic balance of soil moisture in water conservation forest is also an important content to be studied.

Key words： water conservation forest; canopy; litter layer; soil moisture; rainfall; interception; Loess Plateau

黃土高原地區(qū)土層深厚、地下水位埋藏較深，降水量小但蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤水分是植被唯一能夠直接利用的水資源和生長(zhǎng)發(fā)育的主要限制性因子[1]。受氣候變化及人為干擾的影響，地表植被嚴(yán)重退化、覆蓋率較低，水土流失嚴(yán)重。近年來(lái)，在國(guó)家大力推行退耕還林（草）政策的背景下，黃土高原地區(qū)開展了大規(guī)模的生態(tài)和植被恢復(fù)工程建設(shè)，水源涵養(yǎng)林就是其中重要的建設(shè)內(nèi)容[2-3]。適宜的水源涵養(yǎng)林營(yíng)造模式既能減少暴雨對(duì)坡面的直接沖刷、延緩產(chǎn)流過(guò)程，又能增加降雨入滲、促進(jìn)植被的恢復(fù)，因此利用好植物生長(zhǎng)和土壤水分之間的關(guān)系，對(duì)黃土高原地區(qū)生態(tài)恢復(fù)、控制水土流失具有重要作用。

有關(guān)學(xué)者對(duì)黃土高原地區(qū)水源涵養(yǎng)林截留降水的機(jī)理和林地土壤水分開展了大量研究并取得豐富成果，但缺少系統(tǒng)的總結(jié)和歸納。筆者從林冠層的截留能力、枯枝落葉層的截持能力和林地土壤的持水能力3個(gè)方面，對(duì)黃土高原地區(qū)水源涵養(yǎng)林截留降雨及土壤水分的有關(guān)研究成果進(jìn)行系統(tǒng)整理，旨在為黃土高原地區(qū)水源涵養(yǎng)林建設(shè)提供技術(shù)參考。

1 林冠層的截留能力

降雨在到達(dá)地面之前，首先受到林冠層截留，分為林冠截留、樹干莖流和林內(nèi)降水三部分，這是降雨在數(shù)量和空間上的第一次分配[4]。相關(guān)研究表明，林冠層截留量占降水量的5%～10%，截留的降水從葉面蒸發(fā)，無(wú)法被植物利用[5]。林冠層截留量和截留率的大小主要受氣象因子和植物本身特性的影響，本質(zhì)是植被葉面吸附降水。

1.1 氣象因子的影響

有關(guān)研究表明，降雨量是影響林冠截留的最主要因素，其與林冠截留量和林冠截留率的關(guān)系完全不同，降雨量與截留量間一般為對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，而降雨量與截留率之間為負(fù)冪函數(shù)關(guān)系[6]。在降雨初期，降雨量小于1.0 mm時(shí)雨水可以全部被林冠層吸收，超過(guò)該臨界值后隨降雨量和降雨歷時(shí)的增加截留量不斷增大，但截留率會(huì)減小，當(dāng)林冠截留達(dá)到完全飽和后，雨水將全部穿過(guò)林冠層到達(dá)地面[7]。黨宏忠等[8]研究青海云杉林冠截留特征時(shí)，曾把林冠截留率分成快變期、漸變期和穩(wěn)定期3個(gè)階段。通常情況下，降雨強(qiáng)度與截留量成反比：雨強(qiáng)較小時(shí)，林冠層對(duì)雨滴有顯著的積聚和匯流作用，雨水能夠充分濕潤(rùn)枝葉表面，截留能力較強(qiáng)[9];而雨強(qiáng)較大時(shí)，雨強(qiáng)越大林冠層達(dá)到飽和的時(shí)間越短，截留能力越差。

1.2 林分特征的影響

不同的植被組成導(dǎo)致林冠截留能力呈現(xiàn)出波動(dòng)性大、穩(wěn)定性小等特點(diǎn)[10]。周澤福等[11]在山西五臺(tái)山對(duì)油松純林、落葉松純林、落葉松幼林、樺木-落葉松混交林、樺木-青楊混交林、樺木純林等6種水源涵養(yǎng)林林冠截留情況的研究表明，油松純林截留率最高、樺木純林截留率最低，針葉林截留量較大、針闊葉混交林截留量次之、闊葉林截留量最小，原因是針葉面積指數(shù)大、毛細(xì)張力大，對(duì)水分的吸附作用強(qiáng)，而闊葉則相反，吸附作用較弱。張建軍等[12]在山西吉縣黃土區(qū)的研究表明，油松-刺槐混交林有較高的林冠截留率。不同植被類型的截留率存在很大差異。方書敏[13]研究結(jié)果表明，隴中黃土高原地區(qū)檸條、沙棘和油松林的林冠截留率分別可達(dá)28.0%、18.3%和22.4%。

馬雪華[14]認(rèn)為：林冠層的截留率和截留量隨著郁閉度的提高而增大，林冠截留率與郁閉度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。譚俊磊等[15]在甘肅大野口關(guān)灘森林實(shí)驗(yàn)站（屬丘陵溝壑區(qū)）測(cè)得青海云杉林的郁閉度在65%～100%區(qū)間內(nèi)逐漸提高時(shí)，林內(nèi)穿透雨量呈逐漸減小的趨勢(shì)，表明在一定郁閉度范圍內(nèi)林冠截留量隨郁閉度的提高而增加。

隨著林齡的變大，葉片數(shù)量會(huì)相應(yīng)增加、冠層厚度變大，進(jìn)而會(huì)使植被郁閉度提高，增加降雨在冠層中的歷時(shí)。劉章文等[16]對(duì)祁連山灌叢樹干莖流特征的研究結(jié)果表明，樹干莖流能夠補(bǔ)給植物根際區(qū)的土壤水分，還能夠?qū)⒏街跇涓缮系酿B(yǎng)分帶到植物根際區(qū)，樹干莖流量的大小與降雨量呈對(duì)數(shù)函數(shù)正相關(guān)關(guān)系，雖然樹干莖流占比很小，但對(duì)樹木生長(zhǎng)非常重要。

綜上所述，林冠層截留受氣象因子和植物特性的影響。降雨量在很大程度上影響著林冠層截留的強(qiáng)弱，隨降雨量的增加，林冠截留量不斷增大，但降雨量超過(guò)某一臨界值后林冠截留率會(huì)基本穩(wěn)定或降低，降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、風(fēng)等因素也不同程度地影響著林冠截留量;樹種組成不同會(huì)導(dǎo)致林冠截留能力存在差異，在營(yíng)造水源涵養(yǎng)林樹種選擇時(shí)對(duì)此應(yīng)充分考慮;經(jīng)林冠截留后，削弱了大氣降水對(duì)土壤水分的補(bǔ)給作用，在延緩地表徑流形成的同時(shí)，改變了林地的水分循環(huán);植被的樹干莖流能夠明顯地補(bǔ)給植物根際區(qū)的土壤水分。

2 枯枝落葉層的截留能力

降雨經(jīng)林冠層截留后到達(dá)地面前，會(huì)受枯落物層的截留而進(jìn)一步減少，這是對(duì)到達(dá)地面的降雨量進(jìn)行第二次分配。吳楊熙等[17]研究表明，枯落物層的截留量占降雨量的比例為8%～10%，直接影響到林下土壤的通氣狀況和對(duì)土壤水分的供應(yīng)、營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)和林地的水文特征等。劉向東等[18]對(duì)六盤山黃土丘陵區(qū)油松林的研究結(jié)果表明，枯枝落葉層的蒸發(fā)量和截留量相當(dāng)，二者共同維持著枯枝落葉層的水量動(dòng)態(tài)平衡。影響枯枝落葉層截留量的因素有林型、林齡、人為活動(dòng)、枯落物的累積量和微生物分解情況等，其中主要影響因素是枯落物的累積量和微生物對(duì)枯落物的分解情況。

2.1 枯落物累積量對(duì)截留能力的影響

一般情況下，隨著枯枝落葉增多、枯落物層厚度變大，攔蓄的雨量也會(huì)變大。劉凱等[19]對(duì)青海高寒山區(qū)云杉-白樺混交林、云杉-落葉松混交林、云杉林、落葉松林、白樺純林等5種林分的水源涵養(yǎng)功能研究表明：云杉-白樺混交林的枯落物儲(chǔ)量為41.52t/hm2，是白樺純林枯落物儲(chǔ)量11.25t/hm2的3.7倍，最大持水率為353.50%，是白樺純林最大持水率304.57%的1.16倍;云杉-落葉松混交林最大持水率為301.47%，是落葉松純林最大持水率246.60%的1.22倍，最大持水量118.42 t/hm2是白樺純林最大持水量34.26t/hm2的4.28倍，原因是混交林的郁閉度比單一純林的高，枯落物儲(chǔ)量更大。蔣積榮等[20]對(duì)比分析甘肅祁連山和云南元陽(yáng)梯田水源涵養(yǎng)林發(fā)現(xiàn)：祁連山水源涵養(yǎng)林枯落物厚度為3.17 cm，是元陽(yáng)梯田水源涵養(yǎng)林枯落物厚度2.33 cm的1.4倍;水源涵養(yǎng)林枯落物最大持水量和平均持水率，祁連山分別為79.01t/hm2和294.05%，是云南元陽(yáng)4.76t/hm2和173.46%的16.61倍和1.7倍。丁紹蘭等[21]研究了青海黃土丘陵區(qū)云杉等13種植被類型的枯落物層持水能力，結(jié)果表明不同類型植被的枯落物平均蓄積量、土壤總孔隙度、非毛管孔隙度與持水能力有相似的關(guān)系。張曉艷等[22]研究表明：枯落物層阻斷了土壤毛管孔隙的相互連通，降低了土壤蒸發(fā)量;枯落物的分解能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤入滲能力，從而增強(qiáng)土壤層轉(zhuǎn)化降水的能力。有關(guān)研究[23-24]表明：枯落物的有效攔蓄量約占最大持水量的80%，當(dāng)降雨到達(dá)坡面枯落物層時(shí)，一部分被攔蓄，另一部分很快下滲，不會(huì)形成長(zhǎng)時(shí)間浸水，因此有效攔蓄量實(shí)際上并不等于最大持水量。

2.2 枯落物分解對(duì)土壤滲透性的影響

枯枝落葉分解后，能釋放養(yǎng)分到土壤中，進(jìn)而改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤滲透性[25]。一方面，枯落物分解后會(huì)形成大量腐殖質(zhì)，有利于土壤孔隙和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)越多、土壤孔隙度較高，持水能力就越強(qiáng);另一方面，枯落物為土壤中的各種生物提供了食物，生物活動(dòng)增大了土壤的總孔隙度，進(jìn)而改善土壤滲透性?；旖涣值目萋湮锪?、養(yǎng)分含量遠(yuǎn)高于單一純林，且分解的腐殖質(zhì)形成了大量孔隙。納磊等[26]研究表明，土壤非毛管孔隙度對(duì)土壤入滲性能影響較大，其與土壤容重之間成負(fù)相關(guān)關(guān)系。綜上所述，枯落物厚度和微生物的分解情況是影響枯枝落葉層截留量的主要因素，而混交林的枯落物量遠(yuǎn)大于單一純林的。

枯枝落葉層能夠截留大量雨水的原因：枯枝落葉層有較強(qiáng)的持水性和透水性，避免了降雨對(duì)地面的直接侵蝕，減少了徑流泥沙量，加速了水分下滲和土壤的吸收[27];枯枝落葉層增大了地面粗糙度，減小了地表徑流速度，改善了土壤結(jié)構(gòu)，提高了土壤持水能力[28];對(duì)降雨對(duì)土壤產(chǎn)生的直接破壞起到了緩沖作用，并增大了入滲量[29]。因此，保護(hù)好枯枝落葉層對(duì)于水土保持、涵養(yǎng)水源和水分循環(huán)等生態(tài)功能具有重要意義[30]。

3 林地土壤持水能力

林地土壤層能夠貯存70%～80%的降雨量，有效涵養(yǎng)水源，是對(duì)降水的第三次分配[31]。影響林地土壤持水性能的因素有土壤質(zhì)地、孔隙度、黏粒含量、鹽分含量、非毛管孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量等，其中主要影響因素是土壤孔隙度和黏粒含量。

3.1 土壤孔隙度的影響

史玉虎[32]研究表明，不同林分類型的土壤持水能力有較大差異，土壤孔隙度越大、結(jié)構(gòu)越松散，土壤滲透性就越強(qiáng)。耿生蓮等[33]對(duì)西寧市南北山云杉的研究表明，樹種配置豐富的混交林土壤持水能力明顯強(qiáng)于樹種單一的純林，如青海云杉-河北楊混交林地的土壤持水能力遠(yuǎn)高于樹種單一或樹種不豐富林地的，混交林模式的植被改變了林下土壤物理性質(zhì)，進(jìn)而改善了其持水能力。劉宇等[34]對(duì)松-櫟混交林、荒草地和農(nóng)用地的研究表明，松-櫟混交林的土壤密度最小，且土壤的蓄水性能和滲透性能均最好，這與潘紫文等[35]對(duì)黑龍江林地和荒草地土壤入滲能力的研究結(jié)論相同。張欽[36]研究表明，混交林的土壤非毛管孔隙度和有效蓄水能力較強(qiáng)。

林地對(duì)調(diào)節(jié)土壤的酸堿性和理化性質(zhì)也有重要作用[37]。不同林分的土壤蓄水性能差異較大，侯貴榮等[38]對(duì)黃土殘塬溝壑區(qū)油松林、刺槐林、油松-刺槐混交林3種林型的水源涵養(yǎng)情況研究表明：油松-刺槐混交林的有效持水量達(dá)81.73 t/hm2，是油松純林有效持水量32.99 t/hm2的2.47倍;最大持水率為387.12%，是油松純林最大持水率305.76%的1.266倍，油松-刺槐混交林涵養(yǎng)水源的能力明顯強(qiáng)于單一純林的?；旖涣值目萋湮锖?、最大持水量、最大持水率遠(yuǎn)高于單一純林的，土壤孔隙度比單一純林的大 [39]。

3.2 黏粒含量的影響

很多研究[40-41]表明：隨著黏粒含量的提高，土壤顆粒比表面積增大，因而可以攜帶更多的電荷、吸引更多的水分子，大幅提升土壤持水能力;林地枯落物經(jīng)過(guò)微生物分解后可以形成腐殖質(zhì)或非腐殖質(zhì)，提高黏粒含量，有利于更多的礦質(zhì)土壤顆粒形成大量團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤的入滲性能。因此，土壤持水性能和土壤黏粒含量有很強(qiáng)的相關(guān)性，多樹種混交有利于提高土壤的持水能力。

綜上所述，土壤孔隙度和黏粒含量是影響土壤持水能力的主要因素，不同林分類型的土壤孔隙度、土壤持水能力差異明顯，混交林能有效截留降雨并提高林地土壤的入滲率和入滲量[42]。就黃土高原地區(qū)來(lái)說(shuō)[43-44]：一方面土壤的理化性質(zhì)決定了土壤貯水保墑能力，另一方面不同類型的林地水分涵蓄滲透時(shí)間和徑流損失也不同，不同立地條件下林地性質(zhì)有明顯的差異，黃土梁、峁頂部大部分人工林樹形矮小，其林地土壤持水能力較差。在林草布局時(shí)，要根據(jù)地形、坡度、坡面等地理特征，采取水平階、水平溝等造林措施，以提高造林成活率，達(dá)到最佳涵養(yǎng)水源的效果[45]。

4 研究展望

（1）目前，對(duì)黃土高原水源涵養(yǎng)林在林冠截留量、枯枝落葉截留量和土壤持水能力方面定性研究較多，定量研究還不夠深入，尤其是土壤水分的量化指標(biāo)還不夠全面，因此可運(yùn)用土壤水動(dòng)力學(xué)模型，從能量、水量平衡、土水勢(shì)角度，根據(jù)植被各生長(zhǎng)時(shí)期的發(fā)育特點(diǎn)，結(jié)合林分、氣象因子等進(jìn)行深入研究，確定土壤物理性質(zhì)和植被生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，量化并建立土壤水分與植被恢復(fù)的互饋關(guān)系，以確定某一具體地區(qū)水源涵養(yǎng)林土壤水分的主控因子，為水源涵養(yǎng)林的營(yíng)造提供科學(xué)依據(jù)。

（2）楊文治[46]認(rèn)為，在黃土高原地區(qū)的河谷和黃土丘陵地帶適當(dāng)發(fā)展防護(hù)林以提高植被覆蓋率，將有效降低風(fēng)速和水分蒸發(fā)量。但有研究指出，人工林在某種程度上是消耗土壤水分的“抽水機(jī)”，不合理的植被覆蓋和盲目造林，會(huì)改變植被與土壤間水分的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，不利于區(qū)域地下水補(bǔ)給和水分循環(huán)，形成土壤干層等[47]。甘肅省定西市安定區(qū)針對(duì)土壤干層現(xiàn)象，采用隔坡水平階徑流調(diào)控工程措施，一定程度上改善了水分不足導(dǎo)致的土壤干層現(xiàn)象[48]。但如何保持水源涵養(yǎng)林土壤水分的動(dòng)態(tài)平衡，仍需開展進(jìn)一步研究。

（3）目前，對(duì)于黃土高原土壤水分的研究尺度主要有兩種，一是黃土高原地區(qū)水資源與水循環(huán)間的影響和土壤水分的區(qū)域分異特征等大尺度，二是影響局部區(qū)域土壤水的小尺度。土壤水的影響因子和變化規(guī)律隨著研究尺度的不同而不同，對(duì)于土壤水分與水源涵養(yǎng)林間關(guān)系的研究，應(yīng)把兩種尺度結(jié)合起來(lái)，以開展更深入的研究。

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