不同生态修复措施下桃林口水库水源涵养区枯落物的蓄水保水效益

2012-05-07贾志军甄宝艳尚瑞朝

水土保持研究 2012年3期

贾志军，王富，甄宝艳，尚瑞朝，董智

（1.河北省水利技术试验推广中心，石家庄050061；2.河北环京水利水保工程咨询有限公司，石家庄05001；3.山东农业大学林学院／山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室，山东泰安271018）

水土流失问题已成为影响我国国家生态安全的头号环境问题［1－2］，为推进水土保持生态环境建设，在总结多年来水土保持实践经验的基础上，水利部推动实施了水土保持生态修复工程。目前，针对水土保持生态修复工程的研究主要集中于生态修复措施类型的划分［3－5］、群落演替及土壤理化性质等修复效益的监测方面［6－9］，而作为林地重要覆盖面和保护层的枯落物层却鲜有报道。枯落物层具有防止雨滴击溅土壤、维持土壤结构、拦蓄渗透降水、分散滞缓减少地表径流、覆盖地表减少表层土壤的水分蒸发及增强土壤抗蚀性等作用［10－11］。为此，笔者对水库水源涵养区不同修复措施下的枯落物的蓄水保水效益进行研究，以期为生态修复效益的全面研究与分析提供参考，也为库区及同类地区生态修复和水源涵养等的研究提供理论基础和参考。

1 研究区概况

桃林口水库位于河北省秦皇岛市青龙满族自治县，地理位置118°37′—119°37′E，39°51′—41°07′N，水库控制流域面积5 060km2。研究区属于燕山山地丘陵区，基岩以花岗片麻岩为主体，局部有少量的石英砂岩，地带性土壤为棕壤和褐土，土层厚度＜50 cm。研究区属暖温带半湿润大陆性季风气候区，多年平均气温10.1℃，平均降雨量700mm，70%左右的降雨集中于7—8月，年蒸发量1 089mm。研究区为河北省桃林口水库上游水土流失重点治理区，土壤侵蚀形式以水力侵蚀为主，侵蚀强度以中度—轻度侵蚀为主。

研究区属温带旱生阔叶林亚带，植被覆盖度在80%以上。代表植物有油松（Pinus tabulaeformis Carr.）、侧柏（Platycladus orientalis （L.）Franco）、蒙椴（Tilia mongolica Maxim.）、蒙古栎（Quercus mongolica Fisch.ex Ledeb.）、白榆（Ulmus pumila L.）、杨树（Populus cathayane Rehd.），经济林树种主要为板栗（Castanea mollissima Bl.）、苹果（Malus pumila Mill.）、白梨（Pyrus bretschnei Deri.）、桃（Amygdalus persica（L.）Batsch）、山楂（Crataegus pinnpatifida Bunde）、山杏（Prunus armeniaca L.）、花椒（Zanthoxylum bungeanum Maxim）等。随着海拔的变化，植物种分布差异明显；其中，海拔400～600m的阴坡分布着天然（次生）油松林，阳坡多为蒙古栎、蒙椴、山杏和荆条（Vitex negundo L.var.heterophylla（Franch.）Rehd.）；250～400m 处分布着经济林及散生果树，沟谷内多为杨树，土质较差的山坡上多为刺槐（Robinia pseudoacacia L.）薪炭林；海拔150～250m处主要种植农作物及少量果树。

2 研究内容与方法

依据桃林口水库水源涵养区生态修复试点工程生态修复作业设计，将修复措施划分为6种类型，不同修复措施类型、群落组成、调查地点及样地数目见表1。在不同措施类型项目区内，研究枯落物的蓄积量、持水量、吸水速率和有效拦蓄量等蓄水保水效益，并利用“空间代替时间”［12］的方法研究不同修复措施下与无修复措施下的蓄水保水效益的变化。

表1 不同生态修复措施类型及植物群落类型概况

2.1 枯落物蓄积量的测定

在不同生态修复措施典型地段设立标准样地，样地大小50m×50m，每种修复类型至少调查3个标准地，在标准地内设定1m×1m的样方3个。在不破坏枯落物原有结构的情况下，将枯落物收集在纱网内，称其鲜重，在85℃温度下烘干，再称其干重，以计算其单位面积蓄积量。

2.2 枯落物持水量和吸水速率的测定

采用室内浸泡法测定枯落物持水量及其吸水速率，将纱网及其内的枯落物浸泡至水中，分别测定浸水15min，30min，1h，2h，4h，6h，8h和24h后的枯落物重量变化，以研究其吸水速率及吸水过程［13－14］。

2.3 枯落物有效拦蓄量的测定

枯落物有效拦蓄量（W）可用来估算枯落物对降雨的实际拦蓄量［15］，即：

式中：Rm——最大持水率（%）；R0——平均自然含水率（%）；M——枯落物蓄积量（t／hm2）。

3 结果与分析

3.1 枯落物蓄积量

由图1和表2可知，不同生态修复措施类型植物群落枯落物的蓄积量差别显著，天然（次生）林封育型的枯落物蓄积量最大，平均为26.88t／hm2，荒坡封育型的最小，平均为9.57t／hm2，其他依次为疏林补植型（25.83t／hm2）、人工林封育型（25.11t／hm2）、荒坡造林型（24.10t／hm2）、陡坡梯田退耕型（12.22 t／hm2）。生态修复措施实施后枯落物蓄积量差异显著，且荒坡封育型、陡坡梯田封育型、疏林补植型、荒坡造林型植物群落的枯落物蓄积量修复后均高于未修复。其中，疏林补植型的枯落物蓄积量增加量最小，修复后比未修复仅增加3.20%，荒坡造林型的增幅最大，高达163.17%。不同生态修复措施实施后枯落物蓄积量的增加可归因于林地生物量的增加和人为干扰的减弱，二者的叠加作用使得林地枯落物蓄积量增加明显。

图1 不同生态修复措施下枯落物的蓄积量

表2 不同修复措施下枯落物蓄积量和拦蓄能力及其多重比较（α＝0.05）

3.2 枯落物吸水动态变化

由表2可知，在开始浸泡的0.5h内，枯落物迅速吸水，持水量也迅速增加，随浸泡时间的延长，持水量呈现不断增加的趋势，但增加速度逐步变缓，至24 h时基本达到最大值，表明枯落物持水量达到饱和。

图2 不同修复措施的枯落物吸持水量动态变化

枯落物的吸水速率呈现出三个明显的阶段（图3）。第一阶段为浸水前期（4h内），枯落物吸水速率变化最快，随浸泡时间的增加而速率呈迅速下降趋势；第二阶段出现在4～8h，吸水速率逐渐变缓；第三阶段出现在8～24h，此阶段吸水速率变化幅度较小，枯落物基本达到饱和持水量。虽然不同修复措施下枯落物刚浸入水中时吸水速率相差较大，但随浸泡时间的延长，枯落物吸水速率趋势一致。这表明随着浸泡时间的增加，枯落物的持水逐渐趋于饱和。

图3 不同修复措施的枯落物的吸水速率曲线

对不同修复措施下枯落物吸水速率V与浸泡时间t进行回归分析（表3），二者间的关系遵循乘幂函数，即V＝ktn（V为枯落物吸水速率；t为浸泡时间；h，k，n为参数），相关系数均在0.99以上。

表3 不同修复措施的枯落物持水过程与吸水过程拟合方程及相关系数

3.3 枯落物有效拦蓄量

由表2可知，不同生态修复措施下枯落物层的有效拦蓄量不同，且存在显著性差异。不同修复措施下，天然（次生）林封育型枯落物有效拦蓄量最大，为85.09t／hm2，有效拦蓄深8.51mm；荒坡封育型的有效拦蓄深最小，为2.85mm；其他措施有效拦蓄深依次为荒坡造林型（5.22mm）、疏林补植型（5.13 mm）、人工林封育型（4.51mm）、陡坡梯田封育型（3.92mm）。不同生态措施的实施造成有效拦蓄量差异极显著，与未修复相比，荒坡封育型、陡坡梯田封育型、疏林补植型、荒坡造林型的枯落物有效拦蓄深修复后均高于未修复，其中，荒坡造林型造林后比造林前增加了98.63%，疏林补植型比未补植增加了25.56%，荒坡封育型比未封育增加了20.41%。