辽西地区沙地栽植大扁杏林对地表径流和土壤流失的影响
年玉欣1
,
邓继峰1,2,
李国忠3,
曹忠杰4,
王刚1,
金煜1
1. 沈阳农业大学林学院, 110866, 沈阳;
2. 辽宁辽河平原森林生态系统定位研究站, 112500, 辽宁昌图;
3. 辽宁省林业厅外资项目办公室, 110001, 沈阳;
4. 辽宁省水利厅, 110003, 沈阳
收稿日期：2017-12-01; 修回日期：2018-01-16
项目名称：辽宁省博士科研启动基金项目"基于水分调控的辽西北樟子松混交林林分结构动态调整机制的研究"（20170520247）；世界银行贷款辽宁省林业综合发展项目"生态环境成果监测结果分析与评价——土壤侵蚀与地表径流监测"（7939-中国）
摘要：针对辽西地区沙地降雨后水土流失严重的现状，在该地区选取大扁杏林，对其保持水土的效果进行研究。在辽西典型沙地栽植的大扁杏林和未造林地设立径流小区，于2012、2013和2016年进行定位监测与分析。结果表明：1）在监测期间，大扁杏林小区和对照小区（未造林地）内植被盖度和植物种类大大增加，大扁杏林小区乔木郁闭度高于对照65%，灌木覆盖度高于对照5%，草本覆盖度低于对照20%，植被总盖度高于对照2%；2）2012年大扁杏林小区的径流量和土壤流失量，分别为109.95 m3/hm2和0.69 t/hm2，2013年和2016年再无径流和土壤流失发生。对照小区的径流量和土壤流失量分别由2012年的902.3 m3/hm2和52.21 t/hm2降至2013年的178.2 m3/hm2和4.1 t/hm2，至2016年无径流和土壤流失发生。综合来看，辽西地区沙地栽植大扁杏林可最终形成相对较高的植被盖度，是减少这一地区地表径流和土壤流失的有效手段，具有较好的生态效益和经济效益。
关键词：沙地 大扁杏 径流小区 水土流失 辽西
1. College of Forestry, Shenyang Agricultural University, 110866, Shenyang, China;
2. Liaohe Plain Forest Ecosystem Research Station, 112500, Changtu, Liaoning, China;
3. Foreign Affairs Office, Liaoning Forestry Department, 110001, Shenyang, China;
4. Liaoning Water Resources Department, 110003, Shenyang, China
水土保持学中主要的研究内容是地表径流和土壤侵蚀，两者之间有着紧密的联系[1]。目前，国内外对于地表径流和土壤侵蚀的研究主要基于标准径流小区方法，可将地表径流和土壤侵蚀结果进行定量化，得以广泛使用和推广[1-3]。
辽西地区的主要沙尘来源是科尔沁南缘风沙区，形成的生态系统敏感而脆弱，针对沙地改造的工作势在必行[4-7]。山杏是该地区的代表性植物之一[8]，关于山杏对土壤理化性质影响的研究认为，山杏林地的土壤有机质高于红松、柠条、糠椴、杨树、油松、榆树等林地[9]，且土壤容重也相对较低[10]。大扁杏(Armeniaca vulgaris×sibirica)作为以山杏为亲本培育出的栽培种，不仅继承了山杏的耐寒、耐旱、耐瘠薄土壤、适应性强等特点，而且其产出是山杏的4~5倍，经济收益更高，是风沙地区发展水土保持林和经济林的主要树种之一[11-14]。目前，对于该地区兼顾生态及经济效益的考量的造林树种首选为大扁杏。近年来许多学者已对大扁杏的嫁接方法、整形修剪、新品种选育等进行了大量研究[15]，而关于沙地栽植大扁杏林后的地表径流和土壤流失情况的研究尚未见报道。研究辽西地区沙地栽植大扁杏林对地表径流和土壤流失的影响，对于该地区的水土保持、生态林与经济林营造都具有重要意义。
鉴于此，本研究以辽宁省西部的锦州市义县刘龙台镇谢屯村沙地栽植的大扁杏林为研究对象，对其2012、2013和2016年的地表径流和土壤流失情况进行监测与分析，以期为水土保持经济林的选择与该地区水土流失的生态治理提供有力的技术支撑。
1 研究区概况
辽西地区(包括锦州、葫芦岛、阜新、朝阳)位于E 119°~122°，N 40°20′~42°20′之间，地形起伏，多为低山丘陵，海拔一般在400~1 200 mm之间。年平均气温为7~10 ℃，年平均降水量为300~600 mm，年蒸发量约在1 600~1 800 mm，为降水量的3~6倍，属于半干旱季风气候区。一般来说，年降水量尚可以满足林木生长的需要，但由于年降水量和月降水量的不均衡性，因此常出现周期性的干旱。笔者选择锦州义县作为监测点，其地理座标介于E 120°52′~121°44′，N 41°17′~41°48′之间，年平均气温7.8 ℃，平均降水530 mm，土壤类型为风沙土，具有辽西地区沙地的典型特征。监测点有大面积坡地栽植的大扁杏林。试验选择的大扁杏林栽植于2010年，为水平梯田工程造林，梯田面宽3 m，造林密度为4 m×2 m。经过3年的生长，截至2012年，大扁杏抽枝展叶正常，生长状况良好，其株高、冠幅、地径和枝叶量已达到辽西地区沙地大扁杏的平均生长水平。
2 研究方法
2.1 径流小区建设
在监测点建设3个径流小区，其中2个建设在沙质坡地上栽植的大扁杏林内，第3个建设在对照坡地(无垄台未造林地)，对照坡地土壤及周边微环境与大扁杏林一致，以此作为依据设置为对照。每个径流小区的坡面处理和建设按照SL 277—2002《水土保持监测技术规程》的规定执行。依据SL 342—2006《水土保持监测设施通用技术条件》标准，径流小区长20 m，宽5 m，面积100 m2，长边与坡向一致，小区地面坡度10°。小区边界设有混凝土围梗，围梗连接紧密，埋深牢靠，地表出露20 cm。径流小区的坡面下缘设置集流槽，集流槽垂直于径流流向，长度与径流小区的宽度一致，宽度20 cm。集流槽下设集流桶，用直径20 cm的PVC管与集流槽相接，通过此管将集流槽中径流引入集流桶。集流桶直径为1 m，桶沿上部设置5个分水孔。集流桶下设分流桶。分流桶直径为0.6 m。当集流桶水深到达分流孔位置时，分流孔开始分流，其中1个分水孔流入分流桶，其余4个流到桶外。
2.2 植被盖度和植物多样性监测
采用样方法[16]进行调查。在大样方内(即径流小区内)上、中、下各设1个中样方，其面积为5 m×5 m，中样方的选取采用主观取样法，即在对该地区的植物群落有充分了解的基础上，选取植物分布比较均匀，且有代表性的地块，各中样方沿坡向排列，间距不固定，以“植物分布比较均匀，且有代表性”为准。在中样方内各设1个小样方，面积为1 m×1 m，小样方的选择标准与中样方相同。在大样方内观测乔木，在中样方内观测灌木，在小样方内观测草本植物的动态变化。分别记录3个径流小区内的植物种类，调查乔木的郁闭度和灌木、草本植物的覆盖度。调查时间为2012、2013和2016年，每年8月的中、下旬。
需要说明的是，因为2012年、2013年辽西地区沙地栽植大扁杏林对地表径流和土壤流失改善良好，且取得了较好的效果，因此为了评估最终的改良效应，在之后的2年不进行人工干预，并选择2016年再次对其地表径流和土壤流失情况进行分析。
2.3 水土流失量的监测
监测指标包括地表径流、土壤流失量、土壤侵蚀模数。采用径流小区法，每次雨后测量集流桶水量，计算地表径流量。取样分析泥沙量，计算土壤流失量和土壤侵蚀模数。
径流量测量方法：分别用钢尺量得集流桶桶内水深和分流桶桶内水深(精确至mm)。1次测量选择3个以上的测量点，以避免误差，取测量点的平均值作为1次测量水深实际值。
土壤流失量采用蒸干法测量。
小区全年径流量计算：大扁杏林小区全年径流量为大扁杏林小区径流量平均值之和；对照小区全年径流量为对照小区每次降雨径流量之和。
土壤流失量计算式如下：
|
$
{W_{\rm{小区}}} = {W_{200}}{V_{\rm{小区}}}/200{\rm{。}}
$
|
(1) |
式中：W小区为小区总流失量，kg；W200为200 mL水样中干土质量；V小区为小区径流量。
土壤侵蚀模数计算：将小区土壤流失量的单位换算成kg/m2，再放大至t/hm2，年小区土壤流失量(换算后)之和即为年度小区土壤侵蚀模数(t·hm-2·a)。
2.4 数据分析处理
数据经Excel(Microsoft Corporation. SE, USA)处理后，利用SciDAVis软件(DHI Group, Inc. NY, USA)对植被盖度和植物多样性进行分析及作图。
3 结果与分析
3.1 植被盖度和植物多样性变化
至2016年，径流小区内的植被盖度和植物多样性变化如下。
乔木郁闭度：大扁杏林小区增加60%，对照小区增加5%。大扁杏林小区的乔木郁闭度高于对照65%。说明随着时间增加，大扁杏林郁闭度增加速度加快。
灌木覆盖度：大扁杏林小区增加45%，对照小区增加50%。大扁杏林小区的灌木覆盖度高于对照5%。前者增加的灌木种类为荆条(Vitex negundo var. heterophylla)和胡枝子(Lespedeza bicolor)，后者增加的灌木种类为荆条。
草本覆盖度：大扁杏林小区增加60%，对照小区增加80%。大扁杏林小区的草本覆盖度低于对照20%。说明在没有乔灌木的干扰下，草本植物生长很快。
植被总盖度：大扁杏林小区增加80%，对照小区增加98%。大扁杏林小区的植被总盖度比对照仅仅高2%，说明时间越长植被盖度越接近。
至2016年，大扁杏林和对照小区的植物种类，均呈增加态势，特别是草本植物增加速度非常快，乔灌木增加较少。从大扁杏林与对照小区比较来看，大扁杏林小区的植物种类增加量多于对照小区。至2016年，大扁杏林小区内植物种类已达18种，对照小区达13种，大扁杏林小区内除原有乔木大扁杏，还增加了白榆(Ulmus pumila)、荆条和胡枝子，对照小区内增加了白榆和荆条，但数量不多。草本植物主要增加了艾蒿(Artemisia argyi)等蒿类，除此之外还有中华卷柏(Selaginella sinensis)、鸡眼草(Kummerowia striata)、羊胡子草(Carex callitrichos)、黄背草(Themeda triandra)、阴行草(Siphonostegia chinensis)、地梢瓜(Cynanchum thesioides)、鸦葱(Scorzonera ruprechtiana)、委陵菜(Potentilla chinensis)等。
总体上，植物多样性平均呈增加趋势，随着时间延长，在没有人为干扰的情况下，呈现明显的增加趋势(图 1)。
3.2 地表径流量和土壤流失量的变化
2012年，监测点时段内降雨场次19次，总降雨时数112.2 h，总降雨量390.9 mm。其中产生径流的有效降雨8次，有效降雨量307 mm。全时段最大降雨量54.5 mm，最小降雨量1.2 mm。平均降雨量20.4 mm，平均有效降雨量38.4 mm。降雨历时最长11.7 h，最大降雨强度5.6 mm/h，最小降雨强度1.3 mm/h，平均降雨强度3.4 mm/h。
2013年，监测点时段内降雨场次13次，总降雨时数93.67 h，总降雨量339.6 mm。其中产生径流的有效降雨4次，有效降雨量207 mm。全时段最大降雨量56.3 mm，最小降雨量1.0 mm。平均降雨量24.3 mm，平均有效降雨量52 mm。降雨历时最长9.5 h，最大降雨强度12.3 mm/h，最小降雨强度0.67 mm/h，平均降雨强度3.62 mm/h。
2016年，监测点时段内降雨场次17次，总降雨时数168.2 h，总降雨量314.5 mm。全年无产生径流的有效降雨。全时段最大降雨量94.5 mm，最小降雨量3.0 mm。平均降雨量18.5 mm。降雨历时最长79 h，最大降雨强度13 mm/h，最小降雨强度0.6 mm/h，平均降雨强度1.9 mm/h(图 2)。
2012年，监测点对照小区发生径流8次，对应地表径流取水样8次；大扁杏林小区发生径流6次，对应地表径流取水样6次。对照小区全时段土壤流失量合计522.1 kg，折合52.2 t/hm2；最大土壤流失量140 kg，全时段平均土壤流失量65.3 kg。大扁杏林小区全时段土壤流失量仅为6.9 kg，折合0.69 t/hm2；最大土壤流失量2.3 kg，全时段平均土壤流失量1.15 kg。
2013年，监测点年度内共发生径流4次。对照小区全时段土壤流失量合计40.98 kg，折合4.1 t/hm2；最大土壤流失量14.51 kg。大扁杏林小区全年无径流，也即无土壤流失量。
2016年，监测点均未发生径流，因为水是土壤流失主要动力之一。径流可以携带泥沙下泄，造成土壤流失。监测点所在地的水土流失分区为辽宁省水蚀区，风蚀可忽略不计；所以小区没有产生径流，就没有土壤流失，即土壤流失量为0(表 1)。
表 1(Table 1)
表 1 2012、2013和2016年大扁杏林与对照小区降雨特征、径流量、土壤流失量和土壤侵蚀模数(均值)
Table 1 Precipitation characteristics, runoff volume, soil loss amount and soil erosion modulus in Armeniaca vulgaris×sibirica plantation and CK plots in the year of 2012, 2013 and 2016(Average)
项目
Item |
数据采集地点
Location where the data were collected |
年份 Year |
| 2012 |
2013 |
2016 |
| 总降雨 Total rainfall/mm |
监测点 Monitoring site |
390.9 |
339.6 |
314.5 |
| 降雨强度 Rainfall intensity/(mm·h-1) |
监测点 Monitoring site |
3.4 |
3.62 |
1.9 |
| 有效降雨 Effective rainfall/mm |
监测点 Monitoring site |
307 |
208 |
0 |
| 径流量 Runoff volume/(m3·hm-2) |
大扁杏林 Armeniaca vulgaris×sibirica plantation |
109.95 |
0 |
0 |
| 对照 CK |
902.3 |
178.2 |
0 |
| 土壤流失量 Soil loss amount/(t·hm-2) |
大扁杏林 Armeniaca vulgaris×sibirica plantation |
0.69 |
0 |
0 |
| 对照 CK |
52.21 |
4.10 |
0 |
| 土壤侵蚀模数 Soil erosion modulus(t·hm-2·a-1) |
大扁杏林 Armeniaca vulgaris×sibirica plantation |
68.9 |
0 |
0 |
| 对照 CK |
5 221.2 |
409.60 |
0 |
|
表 1 2012、2013和2016年大扁杏林与对照小区降雨特征、径流量、土壤流失量和土壤侵蚀模数(均值)
Table 1 Precipitation characteristics, runoff volume, soil loss amount and soil erosion modulus in Armeniaca vulgaris×sibirica plantation and CK plots in the year of 2012, 2013 and 2016(Average)
|
4 讨论与结论
在监测时段内，大扁杏林小区的植被盖度和植物种类大大增加，乔木郁闭度高于对照小区65%，灌木覆盖度高于对照小区5%，草本覆盖度低于对照小区20%，至2016年，植被总盖度达到了100%，高于对照小区2%。这些植物的进入，一方面使植被盖度和植物多样性大大增加，形成了良好的植物多样性生态环境，另一方面，这种良好的植物生态环境，对控制水土流失起到了巨大作用[17-21]。
沙地栽植大扁杏林在防治地表径流和土壤流失方面也取得了良好的效果。从水土流失的趋势来看，随着时间的延长，水土流失逐渐减少，大扁杏林小区的径流量和土壤流失的减少速度明显快于对照小区：2012年分别为109.95 m3/hm2和0.69 t/hm2，2013年便已无径流量和土壤流失发生；而对照小区的径流量和土壤流失量在2012年分别为902.3 m3/hm2和52.21 t/hm2，2013年分别为178.2 m3/hm2和4.1 t/hm2，至2016年无地表流量和土壤流失发生。土壤侵蚀和地表径流主要受降雨量、降雨强度、植被盖度和水土保持工程等因子影响[22-23]，2016年监测点小区之所以没有产生径流和土壤流失量，主要是因为：2014—2016年的连续干旱，田间持水能力大大提高，降水入渗能力增加，使径流减少；降雨过程历时都很长，降雨强度小，也很难形成径流；植被盖度已经达到100%的全覆盖状态，使雨滴动能大大降低，短时间内很难形成径流；小区地表已经形成了2~5 cm厚的枯枝落叶层，大大增加了土壤含水能力，可有效阻止径流的产生；高标准的水土保持工程一直是减轻径流对地表的冲刷，减少径流携沙力的主要因素。本文研究结果与郑智旗等对基于自动监测径流场的秸秆覆盖坡耕地产流产沙过程研究结果相同，说明了提高地表覆盖度对于地表径流的控制和植物多样性的恢复有显著提升作用[23]。
综合来看，本研究结论说明辽西地区沙地栽植大扁杏林能显著提高植被盖度，增加植物多样性，并最终控制当地的地表径流和土壤流失；但由于监测点径流小区面积只有100 m2，不能完全反映大面积造林情况，只能反映一定的趋势，特别是这种造林项目，大扁杏林与对照做比较时，更应加强对大面积自然坡面的研究，增加自然坡面小区，或以小流域为单元，建设小流域卡口站来研究。此外，从2016年的径流监测来看，研究结果中大扁杏林小区2016年无地表径流和土壤流失，即便是对照小区也无任何地表径流和土壤流失，难以说明大扁杏林的水土保持作用。进一步的研究仍需开展，这也是今后需要加强并深入研究的方向。
2018, Vol. 16 
