辽西大凌河流域人工沙棘林的水文效应

郑佳怡 付 晓 邓红兵 吴 钢

(城市与区域生态国家重点实验室(中国科学院生态环境研究中心)，北京，100085)

大凌河流域位于辽宁省西部，地处科尔沁沙地的南缘，是阻止科尔沁沙地向南和向东侵蚀的重要绿色屏障，同时也是我国东北重要城市沈阳市及其辽宁中部城市群生态安全的重要生态屏障。它不仅有着调洪蓄水，保护城市、农田、村庄及其人民群众生命安全的重要作用，而且是为阜新、锦州、朝阳以及辽河三角洲地区提供工农业及其城市用水的重要流域。大凌河流域开发历史较长，受自然因素和人为因素的影响，水土流失面积范围广，特别是河道的泥沙淤积，严重影响了水利工程的正常运行，给流域的防洪安全带来了极大的隐患。同时，水土流失造成了土地资源大面积流失，土壤肥力下降，粮食减产，严重阻碍了大凌河流域经济社会的可持续发展。1993年，大凌河流域被国家水利部、财政部列为全国8片重点治理区之一，进行水土流失治理。历经连续16 a大规模的综合治理，到2009年，治理范围内林草覆盖率由16.3%提高到了58.9%。大凌河流域生态环境的改善，对于促进辽宁西部和中部地区国民经济持续、快速发展起着举足轻重的作用。沙棘(Hippophae rhamnoides)是该区的主要造林树种，它在调节洪水、涵养水源、保持水土等改善生态环境和促进区域经济发展方面起着重要作用，深入研究该流域人工沙棘林的水文效应对流域的可持续发展具有重要的意义。

1 研究区概况

大凌河流域位于 118°50＇～121°20＇E，40°24＇～42°20＇N，地处内蒙古高原与松辽平原结合处，属于土石低山丘陵区。流域面积为12 867.91 km2，目前水土流失面积为6 603.18 km2，占流域总面积的51.30%。该区属北温带半干旱大陆性季风气候，年均降水为515 mm，其中6—8月降水占全年80%以上，年均气温7.1℃，年均日照时数2 750 h，大于10℃积温为3 150℃，年均蒸发量为2 100 mm;年均相对湿度60%，无霜期120～156 d。区域内植被属华北植物区系向内蒙植物区系的过渡带，是森林草原植被，除小面积的天然次生林和荆条丛林外，大部分为解放后营造的各种人工林，天然次生林以蒙古栎(Quercus mongolica Fischer ex Ledebour.)、椴树(Tilia tuan Szyszyl.)、桦树(Betula platyphylla Suk.)等树种为主的针阔混交林;人工林以沙棘、油松(Pinus tabulaeformis Carr.)、刺槐(Robinia pseudoacacia Linn.)林等为主;草本植物以胡枝子(Lespedeza daurica(Laxm.)Schindl.)、隐子草(Cleistogenes kitagawai Honda.)、针芒(Aeschynanthus lancilimbus W.T.Wang.)、碱草(Elymus dahuricus Turcz.)、羊胡草(Carex duriuscula C.A.Mey.)等为主，森林覆盖率为28%。土壤类型主要是棕壤土、褐土、草甸土和风沙土，土壤肥力较低，土层较薄。该区年均流量为8.82 亿 m3，洪峰流量为 1.48 万 m3/s，输沙量为903 万 t。

2 研究方法

2.1 试验地设置

选择有代表性的标准地3块，面积均为400 m2，以荒山为对照，标准地与荒山具有基本一致的立地条件:土壤为褐土;海拔550～560 m;坡度为3°～5°;坡向均为南坡。对各标准地进行常规调查，沙棘人工林林龄15 a，密度8 980株·hm－2，平均胸径4.5 cm，平均树高2.1 m，郁闭度 0.95。

2.2 径流小区设置

每个标准地和荒山各设一个径流小区，径流小区面积为100 m2(20 m×5 m)，高35 cm(地上20 cm，地下15 cm)，在小区下方中间部位设置接流槽，接流槽下方设圆形接流池，池底水平。接流池和池高用砖浆砌，并有盖板。径流池顶部成里直外斜状(防止小区外的雨水进入)，区外设排水沟。降雨量采用雨量筒观测;径流量根据一次降雨结束、地表径流终止后，量测接流池内水深推算径流总量;根据测定的含沙率计算土壤侵蚀量;同时用常规方法测定径流液和侵蚀土壤中的氮、磷、钾质量分数［1］。

2.3 土壤样品采集和土壤理化性质测试

于2009、2010、2011年在每块标准地内分别选设3个样方，按0～20 cm和＞20～40 cm 2层采集土样。土壤含水量采用质量法测试，土壤密度、毛管孔隙度、饱和含水量采用环刀法测试，土壤中有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾、pH值采用常规农化方法测定［2－3］。土壤贮水量根据土壤孔隙度和土层厚度计算。

2.4 树冠、树干截留量的观测

于2009、2010、2011年6—9月在每一标准地内进行降雨量、林内穿透雨、树干茎流量的观测，所有测定方法参见《森林生态系统定位研究技术规范》和其它相关文献［4－6］。具体是:在林外开阔地段布置3个雨量筒收集大气降雨，并参照当地气象观测站资料;在每一标准地内设一个林分截留观测场，均匀布置10个穿透雨收集器测定林内穿透雨;并选取3棵标准沙棘，在离地面1.2 m处用聚氯乙烯胶管蛇形环绕树干，接引到树干茎流收集器中。树冠截留量按公式:Pi=P－Ps－Pt计算，式中，Pi为树冠截留量;P为大气降雨量;Ps为乔木树干茎流量;Pt为穿透雨量。

2.5 凋落物贮量和持水量的测定

2009—2011年凋落物贮量的测定是在每块标准地中沿对角线设20 cm×20 cm的小样方5个，然后量测枯落物层的厚度并收取样方中所有的枯落物，并从每个样方内用铝盒采样3个，室内烘干称质量，测得枯落物的自然含水率与干质量，以此推算单位面积的枯落物贮量;枯落物最大持水率测定用浸水法［7］91－128。

3 结果与分析

3.1 人工沙棘林的树冠截留量和树干茎流量

大气降水部分被林冠枝叶截持并蒸发到大气中，因此，林地内实际降水量减少。树冠层截留作用不仅减少了林下径流量，且推迟了产流时间［8］。树冠截留功能受树种组成、树冠大小、形状、枝叶密度、吸着水的能力、林分郁闭度、降雨量、降雨强度等多种因素影响［9－12］，从而导致树冠对降雨截留能力的差异。一般而言，降雨量多截留量也多，但没有一定的规律性［13］。2011年6月降雨量比2009和2010年分别增加了31.7、52.2 mm，但截留量却分别减少了14.08、12.72 mm(表1)。根据当地气象资料分析可知，2011年6月的降水多以历时短的暴雨形式出现，即雨强大，降雨的穿透性强，时间短。因此，除大气降水量外，影响树冠截留量的主要因子是降雨强度和连续降雨时间。2009—2010年，6月份平均降水为238.90 mm时，沙棘林树冠平均截留量为76.05 mm，平均截留率为32.28%，即约有1/3的降水被林冠截留，使林地内径流减少，这与文献［13］的研究结果基本一致，林冠能够削弱径流强度，有保持水土和涵养水源作用。

大气降水时，树冠截留的降水通过枝叶的汇聚作用，部分降水会形成树干茎流。国内外许多研究表明，树干茎流一般占大气降水的 3% ～5%［3，6］。树干茎流的水量虽然较小，但在半干旱地区，对于林木的生长具有重要意义，因为树干茎流是以几倍于林外降水量进入林木根系的周围，补偿林木蒸腾所耗散的水分，对林木生长发育起到了积极作用［13］。

表1 大凌河流域人工沙棘林树冠、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态系统中具有非常重要的水源涵养功能。凋落物的吸水性和持水性取决于其在林地上的积累量和其本身的持水能力，而这些又与森林树种的组成、林分发育、林分水平及垂直结构、凋落物分解状况等多种因素有关［12，14－15］。不同森林生态系统内，凋落物的质和量各不相同，其吸水特性也不尽相同。由表1可见，6月平均大气降水为238.9 mm，人工沙棘林中凋落物截留量是48.5 mm，平均截留率为20.8%。可见，沙棘林中凋落物量及其截留量大于该地区其他人工林［16］，这主要是由于沙棘林枝叶繁茂，落叶量高，且郁闭度高，透光性差，林内温度较低，不利于凋落物分解，所以林内凋落物量较大。不同森林系统中凋落物最大持水率为269.8% ～315.2%，即为自身干质量的 2.7 ～3.2倍［16］。枯落物吸持的水量除一部分蒸发外，剩余部分则缓缓下渗到土壤中。

3.3 人工沙棘林和荒地的土壤理化性状

林地土壤是水分贮蓄的主要场所，土壤水分贮蓄量和贮蓄方式受其物理性质影响很大［17］。土壤总蓄水量是毛管孔隙和非毛管孔隙蓄水量之和，反映了土壤贮蓄和调节水分的潜在能力。

从表2可看出，除土壤密度外，0～20 cm土层总孔隙度、非毛管孔隙度、饱和含水率和非毛管蓄水量都高于＞20～40 cm土层，且沙棘林中这些物理性状明显高于荒地。这是森林表层土壤长期积累凋落物并腐烂从而形成较厚腐殖质层的结果。因此，在大凌河流域人工种植沙棘能够显著改善土壤结构，有利于保持水土，防治区域水土流失。有关研究表明，生态系统土壤的渗透性能取决于其非毛管孔隙，在饱和持水量中，非毛管孔隙中滞留的重力水在调蓄水方面具有更为重要的作用［7］130－132。因此，近年来不少研究提出，将土壤非毛管孔隙度大小作为判断生态系统土壤蓄水能力大小的主要指标，并用它和土层厚度来计算土壤蓄水量［17］。

表2 人工沙棘林和荒地0～40 cm土壤物理性质

根系的分泌、死亡、腐烂和凋落物分解使土壤，尤其是对表层土壤的密度、有机质、土壤养分、微生物种群等产生重要影响。由表3可看出，pH、全磷和速效磷在不同土壤类型和不同土壤深度无显著差异;有机质、全氮、全钾和速效钾含量沙棘林土壤中显著高于荒地，但在同一类型土壤中，不同土壤深度却无显著差异。速效氮沙棘林中含量显著大于荒地。

表3 人工沙棘林和荒地0～40 cm土壤化学性质

3.4 人工沙棘林和荒地的径流量和侵蚀量

由降水引起的土壤侵蚀与地类有着密切关系。树冠对降水有明显的截留作用，加之不同植被系统中枯落物对降水拦截作用，以及林地土壤密度较小，非毛管孔隙度较大，稳渗透较高，因此林地内地表径流产流较晚(一般比裸地晚1.5～1.8 h)，林地内地表径流系数低;而荒地则由于缺少乔、灌及枯落物的拦蓄截留，土壤结构中缺少水稳性团粒结构，降水直接冲击土体，将土壤孔隙堵塞而减低土壤的渗透率，增加了地表径流［16］。表4为2009—2011年6—8月人工沙棘林和荒地的径流深和侵蚀量，沙棘林中3年平均径流深为0.893 mm，而侵蚀量为0.76 t·km－2;径流深约为荒地的1/50，表明沙棘能显著减少地表径流和土壤侵蚀量，而且沙棘林的减流减侵蚀效率比该流域其他人工林好，这是由沙棘林中的树冠性状、枯落物层和土壤理化性状等差异综合作用的结果［16］。

表4 人工沙棘林和荒地的径流深和侵蚀量

为了进一步了解大凌河低山丘陵区不同地类中地表径流量与降雨量、凋落物量及土壤物理性状间的关系，本研究对同一地类各样方(15 m×3 m)数据进行回归分析，结果见表5。表5表明，2种地类中地表径流量与降雨量均呈极显著线性相关(P＜0.05);林内地表径流量与林内凋落物量、土壤非毛管孔隙度呈显著负相关;与土壤密度呈显著正相关。这为以后的大凌河流域水土保持、涵养水源和小流域治理等提供了详实的数据资料和理论依据，但关于地表径流量与土壤理化性质还需要在以后的研究中继续深入。

表5 地表径流量(Y)与其影响因子间(X)的回归方程

4 结束语

2009—2011年6月平均降水为238.9 mm时，沙棘林树冠截留量3年平均为76.05 mm，平均截留率为32.28%，即约有1/3的降水被林冠截留。不同植被类型中，树冠对降雨均有较大截留作用，平均截留率为25.15% ～37.19%。

沙棘林中凋落物截留量为48.5 mm，平均截留率为20.8%。除土壤密度外，0～20 cm土层总孔隙度、非毛管孔隙度、饱和含水率和非毛管蓄水量都高于＞20～40 cm土层，且沙棘林中这些物理性状明显高于荒地。这是森林表层土壤长期积累凋落物并腐烂从而形成较厚腐殖质层的结果。沙棘林土壤的非毛管蓄水量是荒地的200%。沙棘林土壤中有机质、全氮、全钾和速效钾质量分数显著高于荒地。

2009—2011年6—8月人工沙棘林3年平均径流深为0.893 mm;侵蚀量为0.76 t·km－2;径流深约为荒地的1/50。

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