遼西地區(qū)沙棘灌叢下降雨條件的水土流失影響試驗探討

邱 俊

(沈陽市水務(wù)事務(wù)服務(wù)與行政執(zhí)法中心，遼寧 沈陽 110015)

我國由于自然氣候區(qū)域存在差異較為明顯的，水土流失范圍和強度都較高[1]。遼西地處我國東北干旱半干旱區(qū)，屬于典型的大陸季風氣候，由于特殊的自然條件較，遼西水土流失較為嚴重，根據(jù)遼寧省第三次遙感普查數(shù)據(jù)顯示，遼西土壤侵蝕面積占全省侵蝕總面積的49.3%[2]。沙棘植物的生態(tài)適應(yīng)性極強，屬于胡頹子科類植物，沙棘的作物根系較淺且十分發(fā)達，根系長度可高于10m[3]。沙棘植物具有較強的抗干旱，耐嚴寒和耐貧瘠能力，在栽植之后可以快速郁閉成林，覆蓋地表，經(jīng)濟和生態(tài)效益十分顯著，已經(jīng)成為東北地區(qū)水土保持的先鋒樹種[4]。近些年來，對于沙棘植物的防護固沙效應(yīng)研究取得一定成果[5- 15]，但是對于沙棘灌叢下降雨條件的水土流失定量影響的研究成果還較少，尤其沙棘灌叢郁閉度高低對水保效應(yīng)的影響還未進行相關(guān)研究，為提高棘防護固沙工程建設(shè)規(guī)劃和設(shè)計的科學(xué)性，通過試驗方式，以遼西阜新地區(qū)沙棘坡地作為試驗地塊，對不同降雨條件下的沙棘灌叢的水保效應(yīng)進行測定，并對沙棘灌叢不同郁閉度下水保效應(yīng)進行分析，研究成果可為區(qū)域沙棘防護固沙工程建設(shè)提供支持。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

阜新地區(qū)位于遼寧的西部，區(qū)域?qū)儆诘湫偷拇箨懠撅L氣候，降雨稀少，降水量多年均值為560mm，氣候條件較為特殊，風沙較大，水土流失嚴重，區(qū)域水土流失面積占全省水土流失面積的比重超過40%，水土流失面積位列遼寧省第五。沙棘植物具有較強的抗干旱，耐嚴寒和耐貧瘠能力，在栽植之后可以快速郁閉成林，覆蓋地表，已經(jīng)成為阜新地區(qū)水土保持的優(yōu)勢樹種，阜新地區(qū)從80年代開始逐步種植沙棘，截止到2020年，全市沙棘種植面積超過6萬km2，全市土質(zhì)和沙質(zhì)面積分別為2695.5km2和1220km2，除部分石質(zhì)面積外全市土質(zhì)均適合種植沙棘。本文選取阜蒙縣林科所試驗基地作為試驗區(qū)域，并按照沙棘郁閉度選取5塊試驗樣地，各試驗樣地土壤主要為潮褐土，黃土狀及現(xiàn)代沖積物是其成土母質(zhì)，試驗場地主要特征見表1。

1.2 試驗方法

采用寬度為40cm的鋼板在各試驗樣地坡面上向地下插入深度為25cm，其作用在于避免雨滴由于擊濺使得測定數(shù)據(jù)準確度有所影響。將三角槽底部寬度為1m安裝在各試驗徑流小區(qū)的底部，采用廣口瓶通過三角槽進行地表徑流的匯集。1臺便攜式自動氣象站安裝在試驗場地外，降雨觀測精度為1mm。觀測期主要分布在2020年5月20日到8月20日，期間觀測的明顯降雨特征的場次數(shù)為28場，觀測的總降雨量為252mm，按照氣象標準劃分其觀測的中、小雨量級分別為20場，觀測的暴雨場次為8場，并在8場暴雨場次過程中進行降雨侵蝕的觀測，最大場次和最小場次降雨量級分別為45.2mm和9.2mm，各場次降雨主要特征見表2。采用容積為2000mL的廣口瓶對降雨結(jié)束后的徑流和泥沙進行全部收集，對其中的500mL進行攪拌均勻后測定含沙量，將收集的水樣進行烘干、過濾后進行稱重，對其泥沙質(zhì)量進行測定。

表1 試驗場地主要特征

表2 各場次降雨主要特征

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 水沙特征試驗結(jié)果

對5塊試驗選地在不同降雨特征下的產(chǎn)水量和產(chǎn)沙量進行測定，各試驗地塊測定結(jié)果分別見表3—7。

從各試驗地塊沙棘產(chǎn)水產(chǎn)沙特征總體可看出，沙棘灌叢郁閉度對產(chǎn)水產(chǎn)沙影響較為明顯，從表1中可看出，從1#試驗地塊到5#試驗地塊，其沙棘灌叢的郁閉度從25%遞增到80%，在相同降雨條件下隨著沙棘郁閉度的增加其產(chǎn)水產(chǎn)沙量都相應(yīng)減小。此外各試驗地塊沙棘種植年齡有所差異，1#—3#試驗地塊種植的幼年沙棘灌叢，種植年份較短，而4#—5#試驗地塊種植的沙棘為老年林，當降雨量高于4.5m，各試驗地塊均有較為明顯的產(chǎn)水和產(chǎn)沙量，沙棘灌叢的種植年份長短對其產(chǎn)水產(chǎn)沙量影響程度較低。此外本文為對沙棘灌叢下的水保效應(yīng)進行分析，在試驗中選定1塊荒地，對降雨條件下的侵蝕量進行測定，相比于種植沙棘，荒地的產(chǎn)水產(chǎn)沙量明顯高于沙棘種植試驗樣地，其產(chǎn)水量平均增加約為15%，產(chǎn)沙量平均增加約20%。

表3 1#試驗地沙棘灌叢下水沙試驗測定結(jié)果

表4 2#試驗地沙棘灌叢下水沙試驗測定結(jié)果

表5 3#試驗地沙棘灌叢下水沙試驗測定結(jié)果

表7 5#試驗地沙棘灌叢下水沙試驗測定結(jié)果

2.2 降雨—水沙關(guān)系擬合

為對區(qū)域沙棘防護固沙工程建設(shè)提供支持，本文結(jié)合觀測到各沙棘灌叢下的降雨和徑流量，統(tǒng)計分析不同試驗地塊的降雨—徑流和降雨—泥沙擬合方程，其中降雨因子選用各試驗觀測的降雨強度和降雨量進行相乘，對產(chǎn)水和產(chǎn)沙量進行相關(guān)性擬合得到各試驗地塊不同郁閉度條件下的降雨—水沙關(guān)系進行擬合，擬合方程見表8—9。

表8 不同沙棘灌叢試驗地塊下降雨—產(chǎn)流擬合特征

從不同沙棘灌叢試驗地塊下降雨—產(chǎn)流擬合特征可看出，各試驗地塊下降雨—徑流呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，隨著降雨因子的增加產(chǎn)流量初始階段逐步遞增后再迅速增加，這符合阜新地區(qū)超滲產(chǎn)流機制的特點，尤其是在阜新地區(qū)，其下滲率較低，當降雨量超過4.5mm后即出現(xiàn)較為明顯的產(chǎn)流變化。在降雨條件相同條件下，郁閉度越高其作物截留量越大，其產(chǎn)流損失越大，因此其產(chǎn)流量也就相對越低。從各試驗地塊降雨因子—產(chǎn)流關(guān)系擬合方程的相關(guān)系數(shù)可看出，其相關(guān)系數(shù)總體高于0.35，總體相關(guān)性較高。從不同沙棘灌叢試驗地塊下降雨—產(chǎn)沙擬合特征，隨著試驗地塊沙棘灌叢郁閉度變化可看出，隨著郁閉度的增加相同降雨條件下的產(chǎn)沙量逐步減小，降雨因子和泥沙之間也存在明顯的冪函數(shù)關(guān)系，隨著降雨因子的變化產(chǎn)沙量先逐步遞增再隨著水量的迅速增加而快速增加。

表9 不同沙棘灌叢試驗地塊下降雨—產(chǎn)沙擬合特征

2.3 沙棘灌叢有效郁閉度分析

通過以上分析，沙棘灌叢郁閉度對區(qū)域水保效應(yīng)影響較為明顯，郁閉度越高其減水減沙效應(yīng)越顯著，阜新地區(qū)具有較為稀疏的森林植被，疏林在現(xiàn)有林分中占據(jù)比重較大，植被一般而言能夠?qū)λ亮魇в行Э刂频母采w度最低值在60%～70%之間。通過本次試驗測定數(shù)據(jù)，相比于未種植沙棘灌叢的荒坡而言，郁閉度下的減沙率均高于25%，為對沙棘灌叢的有效郁閉度進行分析，結(jié)合各試驗地塊對其沙棘灌叢的郁閉度和產(chǎn)沙量進行探討得到其經(jīng)驗方程：

S=exp(8.9253-10.2654c)

(1)

式中，S—單位面積產(chǎn)沙量，t/hm；c—沙棘灌叢的郁閉度，%。從相關(guān)經(jīng)驗方程可看出，隨著沙棘灌叢郁閉度的遞增其產(chǎn)沙量呈現(xiàn)指數(shù)遞減變化，減沙效應(yīng)當郁閉度增加到一定程度后逐步趨于穩(wěn)定，如郁閉度從25.5%增加到35.5%后試驗區(qū)域的減沙效應(yīng)可提高15%左右。通過對其關(guān)系曲線分析對于阜新地區(qū)而言，其有效郁閉度為0.55時其減沙效應(yīng)即可達到良好效果，再隨著郁閉度的增加其減沙效益顯著性逐步降低，并逐步趨于穩(wěn)定變化。

3 結(jié)論及建議

(1)沙棘灌叢具有顯著的水保效果，且具有較好的生態(tài)、經(jīng)濟效益，可為遼西地區(qū)水保的優(yōu)勢植物，建議在遼西地區(qū)沙棘灌叢種植趨于坡面高度應(yīng)高于25°且應(yīng)選擇半陰坡面，能最大程度發(fā)揮沙棘灌叢防護固沙工程效益。

(2)沙棘灌叢的覆土厚度建議在8～10mm之間為宜，氣溫對于沙棘生長影響明顯，沙棘播種后也及時進行灌溉補水，沙棘灌叢的胸徑建議控制在3.5mm以上為宜，低于該胸徑沙棘灌叢苗木根系發(fā)育程度會較低，影響其成活率。

(3)沙棘種植土質(zhì)對其水保效應(yīng)影響也十分顯著，在后續(xù)的研究中還應(yīng)針對不同土質(zhì)下沙棘灌叢的水保效果進行分析，確定區(qū)域最優(yōu)的種植土質(zhì)。