祁连山浅山区沙棘人工林调节水分作用研究

王红义

（甘肃省张掖市寺大隆林场，甘肃 张掖 734000）

沙棘生长迅速，枝叶茂密，根系发达；沙棘林内地被物量大，林下植被茂密：因此，沙棘具有良好的保持水土和拦洪促淤功能。为研究沙棘人工林在干旱瘠薄石质山地的生长适应性及其调节水分作用的研究进展，本文探讨了祁连山浅山区人工沙棘林的生态水文效应。随着祁连山人工林面积的日益增加，我们在浅山区营造沙棘地试验林，从林冠截留、枯枝落叶层持水性能和林地土壤水分物理性质等方面进行了沙棘林调节水分作用的初步研究。选用沙棘进行更新改造，封滩育林，改善生态环境，既产生了生态防护效益，又提高了当地农民的经济收入，产生良好的社会效益［1］，且充分利用到最适宜于沙棘林生长的立地条件，使其在西部大开发战略的实施中，成为荒山造林、小流域治理的先锋树种。我国三北地区特别是黄土高原地区利用沙棘进行荒山造林、作为小流域治理的主要树种已呈现出一种蓬勃发展的势头［2］。沙棘也有较强的保水改土作用，是干旱地区混交造林的优良伴生树种［3］。为了及时总结沙棘人工造林后的森林水文生态功能，探索林分与环境的关系，以期为我国沙棘人工林的营林提供理论依据，现对祁连山浅山区人工10年生沙棘林进行分析研究。

1 试验区自然概况

试验区设在祁连山浅山区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，属高寒山地森林草原气候，多年平均降水量430mm，年均温度0.5℃。年蒸发量1 051.7mm，年均相对湿度60%；土壤为砾石沙质土壤；植被为单一沙棘纯人工林，郁闭度0.7～0.8。

2 试验方法

2.1 标准样地的设置

在试验区大野口流域的沙棘林、青海云杉林中，选择典型林分设置固定样地，规格为20m×20m。

2.2 降雨量、穿透雨量的测定

在标准样地内，采用网格法布设测定穿透雨量的雨量桶10个，同时在样地附近空旷地布设对照雨量桶1个，进行林空降雨量及穿透雨量的测定。

2.3 枯枝落叶层最大持水率及持水量测定

在林内选择3～5个面积为1m×1m的样方，采样后取部分样品烘干求其干质量，估算林地蓄积量；另一部分在室内用清水浸泡24h，求最大持水率和持水量。

2.4 土壤水分物理性质测定

根据土壤剖面发生层次，用200cm3环刀取土样，测定其容重、最大持水量、最小持水量、毛管持水量等。

3 结果与分析

3.1 沙棘林林冠层调节水分作用与功能

林冠对降水的再分配是森林生态系统重要的水文生态功能之一［4］。根据观测数据（表1），人工沙棘林郁闭度在0.7～0.8时，林冠截留率为39.3%，而在同一立地条件下天然次生云杉林林冠截留率为26.28%。分析认为：主要是由于沙棘林枝叶茂密，冠层虽较云杉林薄，但其密度较大；云杉林的枝条向下斜伸呈梳子状分布，有一定的开张度，而沙棘的枝条向上斜伸，呈刷子状分布。因此，在降水过程中，沙棘林能够截留较多的降水。沙棘林冠对降水的截留一方面减少地面的实际受雨量，从而减轻侵蚀；另一方面阻截雨滴的溅蚀和雨滴对坡面薄层水流的扰动。

表1 沙棘林与云杉林林冠截留量和截留率的比较

3.2 枯枝落叶层调节水分的作用与功能

枯枝落叶层是森林结构中重要的组成部分，是森林地表的一个重要覆盖面和保护层，还能为林木的持续生长提供大部分养分，其结构疏松、透气性能好、蓄水能力强、蓄水量大，可抑制土壤蒸发，改善土壤理化性质，增加降水的入渗，增强土壤抗冲能力等。通过调查测定，结果表明，10年生沙棘林的枯枝落叶层平均厚度为1～3cm；枯枝落叶蓄积量湿质量为22.0t·hm－2，绝干质量6.44t·hm－2左右；其水容重为绝干质量的2.12～4.25倍。沙棘林枯枝落叶层的最大持水率为404.85%，明显大于青海云杉林的282.54%，但枯枝落叶层最大持水量沙棘林为9.3mm，青海云杉林为9.7mm，两者相差不大；沙棘林枯枝落叶层的蓄水量可达13.65～27.37t·hm－2（表2）。人工沙棘林和青海云杉林枯枝落叶层持水率的差异，是由于枯枝落叶层的组成成分、分解程度、厚度等因子的不同所致，一般情况下，针叶林未分解枯枝落叶层持水量比阔叶林小，这是因为针叶林大多生长在水分条件较差的坡地，且针叶林的枯枝落叶不易分解的缘故。

人工沙棘林枯枝落叶层对降水的截留主要表现在：一是其具有一定的贮水持水能力，可以有效延长径流历时和增加土壤入渗；二是枯枝落叶层的存在增大了地表有效糙率，可以减小地表径流和防止土壤侵蚀。在干旱陡坡地段保护林下凋落物层对保持水土具有重要的意义。

表2 沙棘林与云杉林林地枯枝落叶层的持水量

3.3 土壤层对水文过程的调节作用

3.3.1 林地土壤物理性质 由表3可知，沙棘林林地土壤的容重0～20cm土层为1.259g·cm－3，其对照为1.46g·cm－3。由此说明，沙棘林地土壤容重已明显降低。而土壤持水量的3项指标均明显增加，林地土壤毛管持水量最高。可见，沙棘造林后林地土壤物理性质得到了改善。

表3 沙棘林地土壤物理性质测定

土壤物理性质决定着土壤的渗透率、渗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、毛管持水量均大于对照，可能是由于沙棘林的根系和土壤之间形成粗大的孔隙，地面的枯枝落叶层不能减轻雨滴的冲击，长期保持土壤的孔隙不被堵塞，而对照地的枯枝落叶少，雨滴的冲击往往堵塞着土壤的孔隙，加之超载滥牧，土壤理化性质不良，土壤的渗透和涵养水源的功能相应降低。

3.3.2 土壤层的入渗特性 沙棘林具有增加土壤入渗的作用。一是沙棘生长迅速，林冠郁闭快，枯枝落叶积累快，避免了地表结皮的形成及土壤表层硬化。而且由于枯枝落叶的分解，增加了土壤中有机质含量，改善了土壤理化性质。二是根系的穿透和腐烂作用，增加了土壤孔隙度，改善了土壤结构。这2种作用使沙棘林地土壤容重减小，孔隙度增加，从而增强了土壤的入渗性能。林地土壤的入渗特性可以通过初渗阶段和稳渗阶段的入渗率来衡量［5，6］，与物理性状和结构有关。经测定，人工沙棘林地土壤的初渗率0～20cm平均为16.17mm·min－1，是对照区1.85mm·min－1的8.7倍；稳渗率0～20cm平均为2.40mm·min－1，是对照区0.95mm·min－1的2.53倍；初渗和稳渗速率在0～20cm范围内随土壤深度增加呈增加趋势，0～10 cm初渗率和稳渗率分别为1.33mm·min－1、0.90 mm·min－1，10～20cm初渗率和稳渗率分别为31.00mm·min－1、3.90mm·min－1（表4）。

表4 沙棘林渗透率对照表

4 结论

沙棘树冠截留率一般为40%～49%，沙棘林地抗冲性和抗蚀性随着树龄的增加而提高，枯枝落叶层持水量相当于自重的3倍。山西省右玉县苍头河流域营造74km约1.3万hm2沙棘护岸林，使地表径流减少80%，表土水蚀减少75%，风蚀减少85%。1hm2沙棘林可把上方6hm2地表径流变为地下水储存起来［7］。沙棘通过其茂密的林冠层、林下草被层、枯枝落叶层和发达的根系层形成良好的水分生态环境和森林生态结构，对林下小气候、土壤水分、养分及生物多样性有良好影响，其生态、经济效益明显。沙棘是植被建造的先锋树种和伴生树种，沙棘林形成的灌木、草本群落，其水土保持、防风固沙效益明显。祁连山地区沙棘主要分布在干涸石砾河滩，其具有良好的保持水土和拦洪促淤功能。祁连山沙棘人工林郁闭度在0.7～0.8时，林冠截留率为39.3%；沙棘林可增加林地枯枝落叶量，提高林地蓄水量，沙棘林蓄水量达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，改善土壤物理性质；沙棘林地的初渗率0～20cm土层为对照的8.7倍，稳渗率0～20cm土层为对照的2.53倍。

［1］梁立军，马进，张广军.永寿县沙棘人工林生长规律初谈［J］.国际沙棘研究与开发，2004（2）：16－19

［2］胡建忠.黄土丘陵沟壑区Ⅱ副区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］.辽宁林业科技，1995（4）：62－65

［4］刘世荣.中国森林生态系统水文生态功能规律［M］.北京：中国林业出版社，1996：125－128

［5］周小峰.帽儿山、凉水森林水分循环的研究［M］／／林业部科技司.中国森林生态系统定位研究，哈尔滨：东北林业大学出版社，213－222

［6］陈云明，刘国彬，焦锋，等.黄土丘陵半干旱区人工沙棘林水文特性及效益［J］.山地学报，2004，22（4）：400－405

［7］王双.浅谈干旱地区种植沙棘对于治理生态环境起到的作用［J］.水利科技与经济，2010，16（5）：521－522