祁連山淺山區沙棘人工林調節水分作用研究

王紅義

（甘肅省張掖市寺大隆林場，甘肅 張掖 734000）

沙棘生長迅速，枝葉茂密，根系發達；沙棘林內地被物量大，林下植被茂密：因此，沙棘具有良好的保持水土和攔洪促淤功能。為研究沙棘人工林在干旱瘠薄石質山地的生長適應性及其調節水分作用的研究進展，本文探討了祁連山淺山區人工沙棘林的生態水文效應。隨著祁連山人工林面積的日益增加，我們在淺山區營造沙棘地試驗林，從林冠截留、枯枝落葉層持水性能和林地土壤水分物理性質等方面進行了沙棘林調節水分作用的初步研究。選用沙棘進行更新改造，封灘育林，改善生態環境，既產生了生態防護效益，又提高了當地農民的經濟收入，產生良好的社會效益［1］，且充分利用到最適宜于沙棘林生長的立地條件，使其在西部大開發戰略的實施中，成為荒山造林、小流域治理的先鋒樹種。我國三北地區特別是黃土高原地區利用沙棘進行荒山造林、作為小流域治理的主要樹種已呈現出一種蓬勃發展的勢頭［2］。沙棘也有較強的保水改土作用，是干旱地區混交造林的優良伴生樹種［3］。為了及時總結沙棘人工造林后的森林水文生態功能，探索林分與環境的關系，以期為我國沙棘人工林的營林提供理論依據，現對祁連山淺山區人工10年生沙棘林進行分析研究。

1 試驗區自然概況

試驗區設在祁連山淺山區西水大野口流域的干涸河床地，位于100°16′E，38°33′N，海拔2 650m左右，屬高寒山地森林草原氣候，多年平均降水量430mm，年均溫度0.5℃。年蒸發量1 051.7mm，年均相對濕度60%；土壤為礫石沙質土壤；植被為單一沙棘純人工林，郁閉度0.7～0.8。

2 試驗方法

2.1 標準樣地的設置

在試驗區大野口流域的沙棘林、青海云杉林中，選擇典型林分設置固定樣地，規格為20m×20m。

2.2 降雨量、穿透雨量的測定

在標準樣地內，采用網格法布設測定穿透雨量的雨量桶10個，同時在樣地附近空曠地布設對照雨量桶1個，進行林空降雨量及穿透雨量的測定。

2.3 枯枝落葉層最大持水率及持水量測定

在林內選擇3～5個面積為1m×1m的樣方，采樣后取部分樣品烘干求其干質量，估算林地蓄積量；另一部分在室內用清水浸泡24h，求最大持水率和持水量。

2.4 土壤水分物理性質測定

根據土壤剖面發生層次，用200cm3環刀取土樣，測定其容重、最大持水量、最小持水量、毛管持水量等。

3 結果與分析

3.1 沙棘林林冠層調節水分作用與功能

林冠對降水的再分配是森林生態系統重要的水文生態功能之一［4］。根據觀測數據（表1），人工沙棘林郁閉度在0.7～0.8時，林冠截留率為39.3%，而在同一立地條件下天然次生云杉林林冠截留率為26.28%。分析認為：主要是由于沙棘林枝葉茂密，冠層雖較云杉林薄，但其密度較大；云杉林的枝條向下斜伸呈梳子狀分布，有一定的開張度，而沙棘的枝條向上斜伸，呈刷子狀分布。因此，在降水過程中，沙棘林能夠截留較多的降水。沙棘林冠對降水的截留一方面減少地面的實際受雨量，從而減輕侵蝕；另一方面阻截雨滴的濺蝕和雨滴對坡面薄層水流的擾動。

表1 沙棘林與云杉林林冠截留量和截留率的比較

3.2 枯枝落葉層調節水分的作用與功能

枯枝落葉層是森林結構中重要的組成部分，是森林地表的一個重要覆蓋面和保護層，還能為林木的持續生長提供大部分養分，其結構疏松、透氣性能好、蓄水能力強、蓄水量大，可抑制土壤蒸發，改善土壤理化性質，增加降水的入滲，增強土壤抗沖能力等。通過調查測定，結果表明，10年生沙棘林的枯枝落葉層平均厚度為1～3cm；枯枝落葉蓄積量濕質量為22.0t·hm－2，絕干質量6.44t·hm－2左右；其水容重為絕干質量的2.12～4.25倍。沙棘林枯枝落葉層的最大持水率為404.85%，明顯大于青海云杉林的282.54%，但枯枝落葉層最大持水量沙棘林為9.3mm，青海云杉林為9.7mm，兩者相差不大；沙棘林枯枝落葉層的蓄水量可達13.65～27.37t·hm－2（表2）。人工沙棘林和青海云杉林枯枝落葉層持水率的差異，是由于枯枝落葉層的組成成分、分解程度、厚度等因子的不同所致，一般情況下，針葉林未分解枯枝落葉層持水量比闊葉林小，這是因為針葉林大多生長在水分條件較差的坡地，且針葉林的枯枝落葉不易分解的緣故。

人工沙棘林枯枝落葉層對降水的截留主要表現在：一是其具有一定的貯水持水能力，可以有效延長徑流歷時和增加土壤入滲；二是枯枝落葉層的存在增大了地表有效糙率，可以減小地表徑流和防止土壤侵蝕。在干旱陡坡地段保護林下凋落物層對保持水土具有重要的意義。

表2 沙棘林與云杉林林地枯枝落葉層的持水量

3.3 土壤層對水文過程的調節作用

3.3.1 林地土壤物理性質 由表3可知，沙棘林林地土壤的容重0～20cm土層為1.259g·cm－3，其對照為1.46g·cm－3。由此說明，沙棘林地土壤容重已明顯降低。而土壤持水量的3項指標均明顯增加，林地土壤毛管持水量最高。可見，沙棘造林后林地土壤物理性質得到了改善。

表3 沙棘林地土壤物理性質測定

土壤物理性質決定著土壤的滲透率、滲透速度及蓄水保水的功能。沙棘林地的最大持水量、最小持水量、毛管持水量均大于對照，可能是由于沙棘林的根系和土壤之間形成粗大的孔隙，地面的枯枝落葉層不能減輕雨滴的沖擊，長期保持土壤的孔隙不被堵塞，而對照地的枯枝落葉少，雨滴的沖擊往往堵塞著土壤的孔隙，加之超載濫牧，土壤理化性質不良，土壤的滲透和涵養水源的功能相應降低。

3.3.2 土壤層的入滲特性 沙棘林具有增加土壤入滲的作用。一是沙棘生長迅速，林冠郁閉快，枯枝落葉積累快，避免了地表結皮的形成及土壤表層硬化。而且由于枯枝落葉的分解，增加了土壤中有機質含量，改善了土壤理化性質。二是根系的穿透和腐爛作用，增加了土壤孔隙度，改善了土壤結構。這2種作用使沙棘林地土壤容重減小，孔隙度增加，從而增強了土壤的入滲性能。林地土壤的入滲特性可以通過初滲階段和穩滲階段的入滲率來衡量［5，6］，與物理性狀和結構有關。經測定，人工沙棘林地土壤的初滲率0～20cm平均為16.17mm·min－1，是對照區1.85mm·min－1的8.7倍；穩滲率0～20cm平均為2.40mm·min－1，是對照區0.95mm·min－1的2.53倍；初滲和穩滲速率在0～20cm范圍內隨土壤深度增加呈增加趨勢，0～10 cm初滲率和穩滲率分別為1.33mm·min－1、0.90 mm·min－1，10～20cm初滲率和穩滲率分別為31.00mm·min－1、3.90mm·min－1（表4）。

表4 沙棘林滲透率對照表

4 結論

沙棘樹冠截留率一般為40%～49%，沙棘林地抗沖性和抗蝕性隨著樹齡的增加而提高，枯枝落葉層持水量相當于自重的3倍。山西省右玉縣蒼頭河流域營造74km約1.3萬hm2沙棘護岸林，使地表徑流減少80%，表土水蝕減少75%，風蝕減少85%。1hm2沙棘林可把上方6hm2地表徑流變為地下水儲存起來［7］。沙棘通過其茂密的林冠層、林下草被層、枯枝落葉層和發達的根系層形成良好的水分生態環境和森林生態結構，對林下小氣候、土壤水分、養分及生物多樣性有良好影響，其生態、經濟效益明顯。沙棘是植被建造的先鋒樹種和伴生樹種，沙棘林形成的灌木、草本群落，其水土保持、防風固沙效益明顯。祁連山地區沙棘主要分布在干涸石礫河灘，其具有良好的保持水土和攔洪促淤功能。祁連山沙棘人工林郁閉度在0.7～0.8時，林冠截留率為39.3%；沙棘林可增加林地枯枝落葉量，提高林地蓄水量，沙棘林蓄水量達13.65～27.37t·hm－2；沙棘人工林可降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤持水量，改善土壤物理性質；沙棘林地的初滲率0～20cm土層為對照的8.7倍，穩滲率0～20cm土層為對照的2.53倍。

［1］梁立軍，馬進，張廣軍.永壽縣沙棘人工林生長規律初談［J］.國際沙棘研究與開發，2004（2）：16－19

［2］胡建忠.黃土丘陵溝壑區Ⅱ副區沙棘人工林的森林水文作用［J］.沙棘，2002（6）：22－27

［3］邵云.沙棘人工林水土保持效益分析［J］.遼寧林業科技，1995（4）：62－65

［4］劉世榮.中國森林生態系統水文生態功能規律［M］.北京：中國林業出版社，1996：125－128

［5］周小峰.帽兒山、涼水森林水分循環的研究［M］／／林業部科技司.中國森林生態系統定位研究，哈爾濱：東北林業大學出版社，213－222

［6］陳云明，劉國彬，焦鋒，等.黃土丘陵半干旱區人工沙棘林水文特性及效益［J］.山地學報，2004，22（4）：400－405

［7］王雙.淺談干旱地區種植沙棘對于治理生態環境起到的作用［J］.水利科技與經濟，2010，16（5）：521－522