隴中黃土丘陵溝壑區(qū)果樹經(jīng)濟林枯落物持水特性分析與探討

［關(guān)鍵詞］ 果樹經(jīng)濟林；枯落物；持水特性；葫蘆河流域；隴中黃土丘陵溝壑區(qū)

［摘要］ 為分析隴中黃土丘陵溝壑區(qū)葫蘆河流域果樹經(jīng)濟林（蘋果）地、山杏水保林地和自然裸地的枯落物持水過程及其特性，通過室內(nèi)浸水試驗，分別對不同地類枯落物蓄積量、持水量、持水率、吸水速率和攔蓄量等水文特性指標進行了對比分析，結(jié)果表明：3種地類枯落物蓄積量在2.80～4.23 t/hm2之間，最大持水量在6.27～14.46 t/hm2之間，有效攔蓄量在5.05～11.55 t/hm2之間，均表現(xiàn)為果樹經(jīng)濟林（蘋果）地＞山杏水保林地＞自然裸地；枯落物的吸水速率與時間之間呈顯著的負相關(guān)冪函數(shù)關(guān)系，吸水速率在0～2 h內(nèi)急劇下降，4 h后趨于平緩，24 h后趨近于0。因此，栽植果樹經(jīng)濟林不僅具有產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟價值，而且其枯落物具有與水保林相同或更高的蓄水保土特性，對改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤有機質(zhì)、提高土壤肥力、增加土壤墑情具有重要作用。

［中圖分類號］ S157[文獻標識碼] ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.04.016

［引用格式］ 趙強，王輔，張鶴，等.隴中黃土丘陵溝壑區(qū)果樹經(jīng)濟林枯落物持水特性分析與探討：以葫蘆河流域果樹經(jīng)濟林地為例[J].中國水土保持，2024（4）：57-60.

枯落物是指覆蓋在土壤表面的地上植物的干枝、落葉、花、果實、樹皮等凋落物，是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一，是影響土壤功能最重要的一層[1]?？萋湮飳痈采w在地表，有減緩地表徑流、防止雨滴擊濺侵蝕、攔蓄降水、抑制表土水分蒸發(fā)等水文作用[2]?？萋湮锬軌蛱岣咄寥婪柿?，改善土壤的理化性質(zhì)和土壤結(jié)構(gòu)[3]。不同林分狀況下的枯落物，對于改善森林水文過程及防止地表沖刷有不同程度的積極作用。在降雨過程中，除林冠的作用外，更主要的是林地地表處于不同轉(zhuǎn)化階段的枯枝落葉對地面狀況的直接影響與作用。腐爛的枯枝落葉可以增加土體有機質(zhì)含量，并促使土壤生物種類及數(shù)量增加、活力增強，這些都有利于土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，進而使土壤透水性能增強、地表徑流量減少。由此可見，枯落物層可以有效地蓄水和減少泥沙的流失量。枯落物層作為土壤的覆蓋層，阻斷了土壤毛管孔隙的直接連接，抑制了土壤水分蒸發(fā)，能夠在少雨季起到改善土壤墑情的作用?；谏鲜龌菊J識，分析和探討果樹經(jīng)濟林枯落物的持水特性和持水能力，對于最大程度提高干旱半干旱西北黃土高原地區(qū)果園林下土壤墑情、改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤有機質(zhì)含量具有重要意義。針對枯落物層的持水性能已有很多學(xué)者做了大量研究。葉海英等[4]認為，枯落物攔蓄降水能力與蓄積量大小有密切關(guān)系；莫菲等[5]認為，枯落物持水能力隨雨強的增大而提高；趙鴻雁等[6]研究發(fā)現(xiàn)，枯落物可以吸收自身干質(zhì)量2～4倍的水量；王忠禹等[7]認為，枯落物持水量與浸水時間有顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系；丁紹蘭等[8]認為，枯落物的持水能力與林分類型有相關(guān)關(guān)系。但目前針對黃土丘陵溝壑區(qū)以蘋果為主的果樹經(jīng)濟林地枯落物層的持水特性研究較少。因此，本研究通過對比黃土丘陵溝壑區(qū)果樹經(jīng)濟林（蘋果）地枯落物與該區(qū)域其他地類枯落物的持水性能，為果樹經(jīng)濟林地枯落物蓄水保土、改善土壤墑情等方面的作用提供科學(xué)依據(jù)，為進一步細化提升果園管理水平、促進本地區(qū)果產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供必要理論支撐。

1研究區(qū)概況平?jīng)鍪芯硟?nèi)的葫蘆河地處隴中黃土高原，是渭河的一級支流，總流域面積3 701.67 km2，屬黃土丘陵溝壑區(qū)，溝壑密度1.5～2.0 km/km2；屬中溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，多年平均降水量484.7 mm，多年平均徑流深50.00 mm，林分生長期（4—10月）多年平均蒸散量196.47 mm。本次選取葫蘆河流域內(nèi)的靜寧縣雷大鎮(zhèn)（北緯35°16′48″、東經(jīng)105°45′36″）為研究區(qū)。研究區(qū)年均氣溫6.5 ℃，多年平均降水量480.8 mm，降水季節(jié)分配不均勻，其中夏季降水占全年的50%以上，而冬季降水僅占全年的2.5%[9]，雨季降水以暴雨為主，易造成嚴重的水土流失，以水力侵蝕為主。研究區(qū)主要種植果樹經(jīng)濟林（蘋果）、山杏水保林，自然裸地生長以鐵桿蒿為主的蒿類植物群落。

2研究方法

2.1枯落物收集與蓄積量的測定在研究區(qū)內(nèi)分別選取果樹經(jīng)濟林（蘋果）地、山杏水保林地、自然裸地3種不同地類為研究對象，在每種地類的樣地內(nèi)沿對角線選取5個1 m×1 m的小樣方，并收集其中的全部枯落物。將收集到的枯落物樣品帶回實驗室，稱取每個樣地的枯落物鮮質(zhì)量（M0），并從每個樣地中分別取適量樣品進行稱量（W1），再將其放入烘箱中75°烘干24 h后稱量（W0），根據(jù)稱量的結(jié)果計算樣品的自然含水率（R0）、蓄積量（M），重復(fù)3次。

2.2枯落物持水過程的測定枯落物持水動態(tài)過程的測定采用室內(nèi)浸泡法。將100 g的枯落物烘干后裝入0.15 mm孔徑尼龍網(wǎng)袋（預(yù)先稱量并編號），然后把網(wǎng)袋完全浸入盛有清水的容器中，確保網(wǎng)袋上表面完全沒入水中。分別在浸水0.25、0.5、1、2、4、6、8、12和24 h后，將枯落物連同網(wǎng)袋一起取出，靜置5 min直至不再滴水后，迅速稱取濕質(zhì)量，并進行記錄，每個樣地的樣品重復(fù)3次，計算不同時刻浸泡枯落物的持水量和吸水速率，以枯落物浸水24 h后的持水量作為枯落物的最大持水量。相關(guān)研究表明，當(dāng)降雨量達到20 mm后，不論哪種植被類型的枯落物層及其初始含水量高低，其實際持水率均為最大持水率的85%左右，所以選取0.85為有效攔蓄系數(shù)[10]。計算公式分別為Qt=Wt－Wd （3）Rt=（Wt－Wd）/Wd×100%（4）Rmax=（W24－Wd）/Wd×100%（5）Rsmax=Rmax－R0（6）Rsv=0.85Rmax－R0（7）Qmax=M×Rmax（8）Vt=Qt/t（9）式中：Qt為t時刻的枯落物持水量，單位g； 趙強等：隴中黃土丘陵溝壑區(qū)果樹經(jīng)濟林枯落物持水特性分析與探討Wt為t時刻的枯落物濕質(zhì)量，單位g；Wd為枯落物的干質(zhì)量，單位g；Rt為t時刻的枯落物持水率；Rmax為枯落物的最大持水率；Rsmax為枯落物最大攔蓄率；Rsv為枯落物有效攔蓄率；Qmax為枯落物的最大持水量，單位t/hm2；Vt為t時刻的枯落物吸水速率，單位g/h；t為枯落物的浸泡時間，單位h；0.85為有效攔蓄系數(shù)。

2.3枯落物最大攔蓄量和有效攔蓄量的計算枯落物的最大攔蓄量和有效攔蓄量的計算公式分別為Wsmax=Rsmax×M（10）Wsv=Rsv×M（11）式中：Wsmax為最大攔蓄量，單位t/hm2；Wsv為有效攔蓄量，單位t/hm2。

2.4數(shù)據(jù)處理采用Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進行前期簡單處理，利用SPSS 23.0軟件對數(shù)據(jù)進行顯著性檢驗和回歸分析，用Origin 9.1軟件作圖。

3結(jié)果分析

3.1不同土地利用類型枯落物蓄積量分析枯落物的蓄積量對于評價枯落物水文功能有重要的作用，不同地類下樹種和地被物組成的不同直接影響枯落物的蓄積量。由表1可知，不同地類枯落物蓄積量有一定的差別，果樹經(jīng)濟林（蘋果）地、山杏水保林地和自然裸地的枯落物蓄積量分別為4.23、3.71和2.80 t/hm2，變動范圍在2.80～4.23 t/hm2之間，總體來看，按枯落物蓄積量排序是果樹經(jīng)濟林（蘋果）地＞山杏水保林地＞自然裸地。分析枯落物蓄積量之間的差別，主要是受地被物種類的影響：自然裸地的地被物以蒿類草本植物為主，果樹經(jīng)濟林（蘋果）和山杏水保林為闊葉林，闊葉林的枯落物蓄積量明顯高于草本；果樹經(jīng)濟林（蘋果）地枯落物蓄積量高于山杏水保林地，原因是蘋果樹冠幅大于山杏冠幅。

3.2不同土地利用類型枯落物水文效應(yīng)分析

3.2.1枯落物持水量如圖1（a）所示，3種不同地類的枯落物持水量變化趨勢基本一致，均表現(xiàn)為隨著浸水時間的增加而增加的趨勢?？萋湮锍炙吭谇? h內(nèi)顯著增加，達到持水量最大值的75%左右，浸水12 h后持水量基本穩(wěn)定，24 h后達到最大值。由表1知，不同地類枯落物的最大持水量范圍在6.27～14.46 t/hm2之間，表現(xiàn)為果樹經(jīng)濟林（蘋果）地（14.46 t/hm2）＞山杏水保林地（11.70 t/hm2）＞自然裸地（6.27 t/hm2）。通過對不同地類枯落物持水量與浸水時間進行擬合分析，發(fā)現(xiàn)兩者之間呈顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為Qt=aln t+b（式中：Qt為枯落物的持水量，單位g；a為方程系數(shù)；t為浸水時間，單位h；b為常數(shù)項），且R2＞0.9，見表2。

3.2.2枯落物持水率如圖1（b）所示，3種不同地類的枯落物持水率變化趨勢基本一致，均表現(xiàn)為與浸水時間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。由表1知，不同地類枯落物的最大持水率表現(xiàn)為果樹經(jīng)濟林（蘋果）地（341.77%）＞山杏水保林地（315.20%）＞自然裸地（223.97%）。對3種不同地類枯落物持水率與浸水時間之間的關(guān)系進行擬合分析，發(fā)現(xiàn)兩者之間有明顯的對數(shù)函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為Rt=cln t+d（式中：Rt為枯落物的持水率；c為方程系數(shù)；t為浸水時間，單位h；d為常數(shù)項），且R2＞0.9，見表2。

3.2.3枯落物吸水速率從圖1（c）中可以看出，3種不同地類的枯落物吸水速率變化趨勢表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即吸水速率隨著浸水時間的增加逐漸下降：開始浸水時吸水速率最高，在0～2 h內(nèi)急劇下降，從0.25 h時最高的469.88～562.92 g/h，2 h時下降為83.42～106.21 g/h，原因是從風(fēng)干狀態(tài)進入浸水狀態(tài)時枯落物表皮死細胞或者枝葉表面水勢差較大，枯落物迅速吸水；在4 h之后吸水速率下降趨于平緩，24 h時吸水基本停止，表明枯落物吸水達到飽和狀態(tài)。從圖上還可以看出，開始時山杏水保林地枯落物的吸水速率高于果樹經(jīng)濟林（蘋果）地，原因可能是山杏葉片薄于蘋果葉片，使得其開始時能夠在短時間內(nèi)大量吸水。對枯落物吸水速率和浸水時間之間的關(guān)系進行擬合分析，發(fā)現(xiàn)兩者之間呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為Vt=ktn（式中：Vt為枯落物吸水速率，單位g/h；k為方程系數(shù)；t為浸水時間，單位h；n為指數(shù)），且R2＞0.9，見表2。

3.3枯落物的持水能力分析由表1可知，不同地類枯落物的最大攔蓄率在214.12%～324.26%之間，表現(xiàn)為果樹經(jīng)濟林（蘋果）地（324.26%）＞山杏水保林地（295.78%）＞自然裸地（214.12%）；最大攔蓄量在5.99～13.72 t/hm2之間，表現(xiàn)為果樹經(jīng)濟林（蘋果）地（13.72 t/hm2）＞山杏水保林地（10.98 t/hm2）＞自然裸地（5.99 t/hm2）。研究中通常采用有效攔蓄量來反映枯落物對降雨的實際攔蓄量。由表1可知，不同地類枯落物的有效攔蓄率在180.53%～272.99%之間，表現(xiàn)為果樹經(jīng)濟林（蘋果）地（272.99%）＞山杏水保林地（248.87%）＞自然裸地（180.53%）；有效攔蓄量在5.05～11.55 t/hm2之間，表現(xiàn)為果樹經(jīng)濟林（蘋果）地（11.55 t/hm2）＞山杏水保林地（9.24 t/hm2）＞自然裸地（5.05 t/hm2）。按照平?jīng)鍪芯硟?nèi)葫蘆河流域現(xiàn)有果樹經(jīng)濟林栽植面積107 768.26 hm2計算，依據(jù)上述分析中枯落物的持水性能指標，果樹經(jīng)濟林地枯落物年最大有效攔蓄總量可達到1 244 723.4 t。

4結(jié)論與討論研究表明：①不同地類枯落物蓄積量在2.80～4.23 t/hm2之間，果樹經(jīng)濟林（蘋果）地枯落物蓄積量最大，自然裸地最小，不同土地利用方式之間差異明顯；②不同地類枯落物的最大持水量在6.27～14.46 t/hm2之間，果樹經(jīng)濟林（蘋果）地枯落物最大持水量最大，枯落物持水量與浸水時間呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)關(guān)系；③不同地類枯落物有效攔蓄量在5.05～11.55 t/hm2之間，果樹經(jīng)濟林（蘋果）地枯落物有效攔蓄量最大，自然裸地最小?？萋湮镌跍彽乇韽搅?、減少土壤濺蝕、防止表土被沖刷、抑制土壤水分蒸發(fā)方面有重要的作用[11]，枯落物的水文效應(yīng)受地被植物種類的影響。本研究表明：林地枯落物的蓄積量、持水能力和攔蓄能力明顯高于自然裸地，說明營造人工林更加有利于蓄水保土；人工林中果樹經(jīng)濟林（蘋果）的枯落物蓄積量、持水能力和攔蓄能力高于山杏水保林，反映出栽植果樹經(jīng)濟林不僅具有產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟價值，同時其枯落物具有與水保林相同或更高的蓄水保土特性，對于改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤有機質(zhì)、提高土壤肥力、增加土壤墑情具有重要作用?；谏鲜龌窘Y(jié)論，針對西北黃土高原丘陵區(qū)干旱半干旱的氣候特點，建議果農(nóng)在果園管理過程中盡可能保留枯落物對果園地表的原始覆蓋，而不是直接清除，特別是在秋冬季降水稀少可能導(dǎo)致極度春旱缺水的情況下，果樹經(jīng)濟林枯落物能有效減少土壤水分蒸發(fā)，增強蓄水保墑能力，有效緩解水分供需矛盾[12]，有利于次年果樹的生長。

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