黄土高原水蚀风蚀交错区沙地枯落物的水源涵养功能

2021-11-23王盛琦傅文慧寇建村白玛嘎翁乔千洛杨文权

水土保持通报 2021年5期

王盛琦，傅文慧，寇建村，白玛嘎翁，乔千洛，杨文权

(1.西北农林科技大学草业与草原学院，陕西杨凌 712100； 2.西北农林科技大学生命科学学院，陕西杨凌 712100)

黄土高原水蚀风蚀交错区是中国乃至世界上最易发生土壤侵蚀的地区之一。由于地形破碎，土壤水分、养分亏缺以及自然植被恢复缓慢，枯落物的生态水文效益就显得尤为重要[1]。枯落物层是水文效应的重要活动层，也是植被涵养水源功能的主要作用层[2]。枯落物的水文作用一方面体现在它的蓄持水分能力，另一方面体现在它对土壤理化性质的影响[3]。枯落物蓄持的水分可以通过下渗及蒸发作用，改变下层土壤及上层植被的水文状况，其持水能力是反映枯落物层水文效应的重要指标之一。枯落物蓄积量对其持水量有重要影响，Robertson等[4]发现，枯落物蓄积量和厚度越大，持水量越多。枯落物类型也很大程度上决定了枯落物的持水量，现有的研究表明，枯落物最大持水量和有效拦蓄量均表现为：乔木>灌木>草本[3]。不同林龄的枯落物持水能力也有差别，高迪等[5]发现，随着林龄的增长，林分枯落物的持水和拦蓄能力呈上升趋势，最大持水量表现为：成熟林>中龄林>近熟林>幼龄林。此外，混合枯落物与单一类型枯落物的水文能力也存在差异。枯落物的覆盖作用延缓了土壤水分的蒸发[6]，同时混入土壤中的枯落物通过分解作用，降低土壤容重、增加土壤孔隙度、促进土壤水分入渗，进而增加土壤水文效应[7]。

目前，关于森林生态系统中枯落物水源涵养能力的综合评价研究较多[8-9]，而关于沙地生态系统中乔木、灌木及草本植物枯落物的水文效应研究较少。基于此，本试验通过野外调查和室内试验，采用对比研究等方法对黄土高原地区3种典型植被小叶杨(Populussimonii)、柠条(Caraganakorshinskii)和白羊草(Bothriochloaischaemum)的枯落物覆盖样地的枯落物层及土壤层水文效应进行量化。选取多个反映水文功能的评价指标，利用熵权法，综合比较裸沙地及不同枯落物覆盖样地的水源涵养能力，以期更加直观的进行评价和比较，为该地区退耕还林后生态水文效益的评估提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于陕西省神木市六道沟小流域(38°46′—38°51′N，110°21′—110°23′E)，该流域地处黄土高原水蚀风蚀交错区，是典型的生态脆弱区；属于中温带半干旱气候，年平均气温8.4 ℃，年平均降水量437 mm，其中76.3%发生在6—9月；盛行西北风，年平均风速3.6 m/s。该地区是典型的内陆沙丘生态系统，流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘并存，土壤由黄土变为结构疏松的砂土，砂粒含量> 97%，粉粒含量< 2%，黏粒含量< 1%。因此，冬、春两季易发生风蚀，夏、秋两季易发生水蚀。主要植被类型包括：小叶杨(Populussimonii)，柠条(Caraganakorshinskii)，白羊草(Bothriochloaischaemum)，沙柳(Salixpsammophila)，长芒草(Stipabungeana)，紫花苜蓿(Medicagosativa)和本氏针茅(Stipabungeana)等。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

于2020年6月对六道沟小流域主要植被类型及分布进行调查，选取该地区典型植被小叶杨(乔木)、柠条(灌木)和白羊草(草本)枯落物覆盖样地，并以裸沙地作为对照。其中小叶杨枯落物覆盖样地样方大小为20 m×20 m，柠条枯落物覆盖样地样方为10 m×10 m，白羊草枯落物覆盖样地样方为5 m×5 m，调查内容包括经纬度、海拔、坡度、坡向、株高、冠幅、枯落物盖度和伴生植物，样地调查均做5次重复。样地调查信息见表1。

表1 典型植被样地基本信息

2.2 枯落物蓄积量的测定

在3种枯落物覆盖样地样方内按 “S”形取样法选取10个50 cm×50 cm的小样方，分别调查枯落物厚度、混入深度及蓄积量。在每个小样方内，地表枯落物蓄积量采用全部收集法；土壤中枯落物蓄积量采用环刀法进行五点取样，环刀为内径15 cm，高5 cm的铁环，过筛去掉沙子及杂质后带回实验室。室内阴干并称重，测定其自然含水率，之后放入85 ℃烘箱烘干，再次称重，测定其蓄积量。

2.3 枯落物持水和拦蓄能力的测定

枯落物持水和拦蓄能力采用室内浸泡法测定，将收集的枯落物室内阴干，称取相同质量放入尼龙网袋后浸水，在0.25，0.5，1，2，4，6，8，10，12，24 h后取出，静置不滴水后称重，结束后放入85 ℃烘箱烘干后称重。浸水24 h后的持水量为最大持水量，此时枯落物湿重与干重的比值为最大吸湿比。相关指标的计算公式为：

(1)

(2)

Rmr=Rmh-R0

(3)

Rer=0.85×Rmh-R0

(4)

(5)

Cmh=Rmh×M

(6)

Ceh=Rer×M

(7)

式中：Wf为枯落物的鲜重(g);Wd为枯落物烘干后的重量(g);Wm为枯落物浸水24 h后的重量(g);M为枯落物蓄积量(g/m2);R0为枯落物的自然含水率(%);Rmh为枯落物最大持水率(%);Rmr为枯落物最大拦蓄率(%);Rer为枯落物有效拦蓄率(%);Rh为枯落物最大吸湿比;Cmh为枯落物最大持水量(g/m2);Ceh为枯落物有效拦蓄量(g/m2),0.85为有效拦蓄系数。

2.4 土壤水文性质的测定

土壤水文性质的调查采用环刀法，在各标准样地内分别选取代表性样点3个，用环刀在0—5 cm和5—10 cm土层取样，封装后带回实验室称重。用环刀浸泡法测定土壤容重、孔隙度、持水量等水文性质，之后放入烘箱，105 ℃烘干，测定土壤含水量。计算公式为：

(8)

(9)

式中：BD为土壤容重(g/cm3);M为土壤干重(g);V为环刀体积(cm3)。TP为土壤总孔隙度(%);ds为土壤密度(g/cm3),本试验取2.65 g/cm3[10]。

W=10 000Ph

(10)

式中：W为土壤持水量(t/hm2);P为土壤孔隙度(%);h为土层厚度(m)。

土壤入渗采用单环法。在各标准样地内分别选取平坦且有代表性的样点3个，将内径20 cm，高10 cm的PVC环小心打入地下5 cm，环上方距地表5 cm，环内标有刻度，并用挡板缓流，防止破坏土壤表层结构。开始时，迅速加水至3 cm刻度处，之后水位每降低1 cm就记一次时间，并迅速加水至3 cm刻度处。当连续3次加水时间相同时，停止试验，此时达到稳渗状态[10]。

2.5 水源涵养能力综合评价

为了能够将枯落物层和土壤层的水文效应更加直观地进行比较，利用熵权法对枯落物覆盖样地和裸沙地的水源涵养能力进行综合评价。其中枯落物层指标选择枯落物蓄积量、最大持水量和有效拦蓄量，土壤层指标选择土壤容重、非毛管孔隙度、总孔隙度、毛管持水量、有效持水量、饱和持水量、初渗速率和稳渗速率，共11个指标。

对评价指标数据值运用极值法标准化处理[11]。根据公式求各指标的熵值(Hi)，进而计算各评价指标权重(wi)：

(11)

(假定fij=0时，fijlnfij=0)

(12)

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(13)

(14)

(15)

2.6 数据处理

采用SPSS 26及Microsoft Excel 2019对数据进行分析。利用单因素方差分析(one-way ANOVA)中的最小显著差异(LSD)法检验枯落物性质和土壤性质的差异显著性，数据表示为平均值±标准错误(Mean±SE)。利用Origin 2018对浸水时间和持水量、浸水时间和吸水速率、入渗时间和土壤渗透速率进行非线性回归分析。

3 结果与分析

3.1 枯落物层水文效应

枯落物的主要水文指标包括最大持水率、最大持水量、最大拦蓄率、有效拦蓄率、有效拦蓄量和最大吸湿比，汇总如下(表2)。地表和土壤中枯落物的最大持水率、最大拦蓄率、有效拦蓄率和最大吸湿比均表现为白羊草枯落物显著大于小叶杨和柠条枯落物(p<0.05)。其中，白羊草地表和土壤中总的枯落物最大持水率分别是小叶杨和柠条枯落物的1.12倍和1.23倍，最大拦蓄率分别是小叶杨和柠条枯落物的1.19倍和1.32倍，有效拦蓄率分别是小叶杨和柠条枯落物的1.13倍和1.30倍，最大吸湿比分别是小叶杨和柠条枯落物的1.08倍和1.16倍。地表枯落物最大持水量表现为：小叶杨(1 773.16 g/m2)>柠条(754.41 g/m2)>白羊草(348.46 g/m2)。土壤中枯落物最大持水量表现为：小叶杨(1 728.46 g/m2)>柠条(1 174.79 g/m2)>白羊草(346.85 g/m2)。柠条枯落物有效拦蓄量表现为土壤中显著高于地表(p<0.05)，但小叶杨和白羊草枯落物地表和土壤中有效拦蓄量无显著差异(p>0.05)。枯落物厚度和蓄积量见表2。其中，地表枯落物厚度表现为：小叶杨(2.9 cm)>白羊草(2.4 cm)>柠条(1.5 cm)，土壤中枯落物厚度表现为：小叶杨(2.3 cm)>柠条(2.2 cm)>白羊草(1.9 cm)。地表枯落物蓄积量表现为：小叶杨(709.66 g/m2)>柠条(320.82 g/m2)>白羊草(112 g/m2)，土壤中枯落物蓄积量表现为：小叶杨(601.35 g/m2)>柠条(468.07 g/m2)>白羊草(110.51 g/m2)。

表2 枯落物厚度、蓄积量和水文指标

枯落物的持水量随着浸泡时间的延长而增大，但增加幅度逐渐减小，并趋于稳定(图1)。其中，土壤中柠条枯落物在浸泡后0.5 h就达到了最大持水量的92.4%；其次是土壤中小叶杨枯落物，在浸泡后1 h达到了最大持水量的90.1%；最慢的是土壤中白羊草枯落物，在浸泡后10 h才达到最大持水量的92.8%。小叶杨和柠条枯落物持水量表现为土壤中快于地表，而白羊草枯落物持水量则表现为地表快于土壤中。3种枯落物吸水速率随时间的变化趋势一致。在0—0.25 h时，吸水速率最大，为6.11～9.44 g/(g·h)，在0.25—0.5 h时，吸水速率显著降低，为0.28～1.33 g/(g·h)。2 h后，吸水速率基本维持在0.1 g/(g·h)下。持水量、吸水速率与浸水时间函数拟合关系见表3，枯落物浸水时间与持水量呈较好的对数函数关系(R2>0.90)，与吸水速率呈较好的幂函数关系(R2=1)。

表3 枯落物持水特征与浸水时间的拟合关系

图1 黄土高原水蚀风蚀交错区沙地枯落物持水特征

3.2 土壤层水文效应

不同植被类型枯落物覆盖样地和裸沙地的土壤物理性质有一定差别(见表4)。在地表0—10 cm土壤层中，裸沙地的土壤容重最高，为1.64 g/m3，分别是小叶杨、柠条和白羊草的1.05，1.09，1.04倍。枯落物覆盖下，土壤容重随土层深度增加逐渐增大，而裸沙地5—10 cm层土壤容重却小于0—5 cm层，但不构成显著差异(p>0.05)。在0—10 cm土壤层中，土壤毛管孔隙度表现为柠条(35.7%)>小叶杨(33.5%)>白羊草(33.5%)>裸沙地(27.9%)，这与总孔隙度的大小顺序一致〔柠条(40.1%)>小叶杨(36.8%)>白羊草(36.7%)>裸沙地(31.2%)〕。在地表0—5 cm土壤层中，土壤非毛管孔隙度表现为：柠条(4.9%)>白羊草(3.7%)>小叶杨(3.6%)>裸沙地(3.3%)。但在5—10 cm土壤层中，土壤非毛管孔隙度表现为：柠条(4.0%)>裸沙地(3.3%)>小叶杨(3.1%)>白羊草(2.7%)。在地表0—10 cm土壤层中，土壤饱和持水量表现为：柠条(401.43 t/hm2)>小叶杨(368.27 t/hm2)>白羊草(366.55 t/hm2)>裸沙地(312.1 t/hm2)；土壤毛管持水量也表现为：柠条(356.8 t/hm2)>小叶杨(335.03 t/hm2)>白羊草(334.72 t/hm2)>裸沙地(279.07 t/hm2)。在地表0—5 cm土壤层中，土壤有效持水量表现为：柠条(24.43 t/hm2)>白羊草(18.4 t/hm2)>小叶杨(17.73 t/hm2)>裸沙地(16.48 t/hm2)。

表4 黄土高原水蚀风蚀交错区沙地土壤物理性质和持水能力指标

不同植被类型枯落物覆盖样地和裸沙地的土壤渗透速率与入渗时间存在幂函数关系(表5)。其中，柠条枯落物覆盖样地的稳渗速率和平均入渗速率均显著高于其他3类样地(p<0.05)。柠条枯落物覆盖样地的初渗速率最大，为23.15 mm/min，其次为小叶杨(20.29 mm/min)和白羊草(15.26 mm/min)枯落物覆盖样地，裸沙地最小，为11.31 mm/min。稳渗速率表现为：柠条枯落物覆盖样地(15.38 mm/min)>白羊草枯落物覆盖样地(9.39 mm/min)>裸沙地(9.01 mm/min)>小叶杨枯落物覆盖样地(8.54 mm/min)。平均入渗速率和初渗速率的规律相同，表现为：柠条枯落物覆盖样(17.25 mm/min)>小叶杨枯落物覆盖样地(10.59 mm/min)>白羊草枯落物覆盖样地(10.2 mm/min)>裸沙地(9.26 mm/min)。总体上，枯落物覆盖样地的初渗速率、稳渗速率和平均入渗速率分别是裸沙地的1.73，1.23，1.37倍。

表5 黄土高原水蚀风蚀交错区沙地土壤渗透速率及渗透模型

3.3 水源涵养能力的评价

由表6可知，利用熵权法计算得出的权重大小为：稳渗速率(0.153)>有效持水量(0.148)=非毛管孔隙度(0.148)>枯落物蓄积量(0.086)>枯落物有效拦蓄量(0.084)=枯落物最大持水量(0.084)>初渗速率(0.068)>容重(0.061)>总孔隙度(0.057)=饱和持水量(0.057)>毛管持水量(0.055)。枯落物覆盖样地的综合评价值是裸沙地的13.99倍。其中，柠条枯落物覆盖样地的水源涵养能力最强，综合评价值为0.889，其次为小叶杨(0.484)和白羊草(0.228)枯落物覆盖样地，裸沙地的水源涵养能力最差，综合评价值为0.038。

表6 黄土高原水蚀风蚀交错区沙地枯落物水源涵养能力综合评价

4 讨论与结论

4.1 讨论

4.1.1 枯落物蓄积量与厚度的差异生态系统中枯落物的积累在一定程度上是枯落物输入和分解之间的平衡关系[12-13]。乔木枯落物蓄积量最大，其次是灌木和草本，这与植被类型、气候和群落结构密切相关[14]。有研究表明，在植被生长的不同阶段，其枯落物凋落动态可分为高值期、平缓期和间歇期3个阶段，且年凋落量在66.7～473.5 g/m2之间，整体表现为：乔木>灌木>草本[7]。此外，植被斑块也被认为可以显著提高枯落物的蓄积量。Yan等[15]利用4种植被斑块类型和6种枯落物类型，研究了植被斑块对枯落物迁移和积累的影响。结果表明，与裸露的地面斑块相比，植被覆盖斑块的枯落物积累显著增加，其中灌木斑块类型的枯落物积累量最高。由于土壤层理化性质变化较缓慢，枯落物层蓄积量的变化直接影响枯落物的水源涵养能力大小。因此，小叶杨和柠条枯落物覆盖样地的水源涵养能力最强，均大于白羊草枯落物覆盖样地和裸沙地。在相同的气候条件和植被类型下，群落的物种组成和多样性可能通过影响地上生产力来决定枯落物蓄积量[16]。Sato等[2]指出，枯落物蓄积量的增加可以增加枯落物层的厚度。但由表2可以发现，白羊草枯落物蓄积量最低，但其厚度却大于柠条枯落物。这是因为柠条枯落物形状较小，堆积在一起后形成了致密的覆盖层，导致其厚度较小。而白羊草的枯落物一部分凋落至地表，形成较薄的覆盖层，另外一部分则倾斜倒立，交叉在一起，形成了稀疏的枯落物层，增加了其厚度，因而表现为白羊草枯落物厚度大于柠条枯落物厚度。

4.1.2 枯落物水文性质的差异枯落物在初始浸泡的0.25 h内吸水速率最高，这是由于枯落物浸水前处于干燥状态，死细胞间或枝叶表面水势差较大，吸水速率较高[3]。随着吸水量的增加，水势梯度减小，吸水速率随之减慢，并逐渐达到饱和状态。综合考虑地表和土壤中枯落物达到最大持水量的90%所用的时间后发现，柠条枯落物在浸水2 h后就达到了最大持水量的91.6%，小叶杨枯落物在浸水4 h后达到最大持水量的92.0%，而白羊草枯落物在浸水10 h后才达到最大持水量的94.8%。我们也可以从中推测，如果仅考虑枯落物持水过程，那么在降雨过程中，白羊草能最大程度的延缓降雨造成的径流侵蚀发生时间，但最终径流侵蚀的强度及发生时间还要综合考虑坡度、枯落物数量、降雨强度、降雨持续时间等因素。

枯落物持水量主要和枯落物的蓄积量有关，持水率也对其有较大影响。虽然小叶杨枯落物的最大持水率低于白羊草，但由于其蓄积量远高于白羊草，最终表现为小叶杨枯落物最大持水量显著高于白羊草枯落物最大持水量(p<0.05)。有效拦蓄量可以反映枯落物对降雨的真实拦蓄，它的大小与枯落物蓄积量、枯落物性质、自然含水率以及降雨特性等因素有关[17]。在3种枯落物中，虽然白羊草枯落物的有效拦蓄率和最大拦蓄率均高于小叶杨和柠条枯落物，但蓄积量对有效拦蓄量的大小有至关重要的影响，导致白羊草枯落物的有效拦蓄量明显小于小叶杨和柠条枯落物(p<0.05)。枯落物的最大吸湿比反映了枯落物的持水力，而持水力是真实反映枯落物吸持水分能力的重要指标之一[18]。虽然白羊草枯落物最大持水量明显低于小叶杨和柠条枯落物(p<0.05)，但其最大吸湿比在3种枯落物中最大，说明白羊草枯落物可以蓄积比自身更多的水分。枯落物的最大持水量和最大吸湿比是浸泡24 h后得到的，其值会比实际值偏高[19]。

4.1.3 枯落物对土壤水文性质的影响土壤水文物理性质与土壤孔隙度和容重密切相关，二者直接影响着土壤蓄水和透气能力。土壤容重是衡量其物理结构、松紧度与通透性的指标之一。土壤容重大，表明土壤紧实板结而缺少团粒结构，反之，则表明土壤疏松多孔，结构性良好。与裸沙地相比，小叶杨、柠条和白羊草枯落物覆盖均降低了地表0—10 cm土壤层的容重，说明枯落物覆盖有利于下层土壤结构的改善。土壤容重随土层深度增加逐渐增大，主要是因为随土层深度的增加，土壤中有机质含量逐渐减少，土壤团聚性降低，从而增加了土壤的紧实度。而且不同样地下土壤中枯落物组成、分解状况和地下根系的生长发育存在差异，土壤容重与孔隙度受土壤发育状况的影响，从而造成土壤物理性质的差异[20]。土壤孔隙度是土壤中养分、水分、空气和微生物等的迁移通道、贮存库和活动场所，也是表示土壤蓄水能力的重要参数[21]。在地表0—5 cm土壤层，随着枯落物覆盖后容重的降低，毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度均表现出升高的趋势。毛管持水量是靠土壤中的毛管孔隙所产生的毛管引力保持的水分，属于自由水，能在毛管中自由移动。毛管孔隙中的水分可以长时间保持在土壤中，毛管孔隙度越大，用于植被自身生长发育所需的有效水分的比例就越大，就越有利于植物根系吸收和土壤蒸发。非毛管孔隙能较快吸收降水并及时下渗，非毛管孔隙度越大，土壤通透性越好，越有利于降水下渗，减少地表径流[22]。土壤有效持水量大小取决于非毛管孔隙度大小，表征土壤滞留水分、削减洪峰、调节径流、涵养水源的能力[23]。土壤饱和持水量则是指土壤颗粒间所有孔隙全都充满水时的最大含水量，为土壤毛管持水量和有效持水量之和，其大小反映了土壤蓄水和调节水分的潜在能力。在地表0—10 cm土壤层，3种枯落物覆盖样地下土壤饱和持水量均显著大于裸沙地(p<0.05)，说明枯落物覆盖可以改善土壤层水文功能，增加蓄水能力。土壤层作为水源涵养第三活动层，通过冠层和枯落物层后进行第三次分配，入渗的水分用于根系吸收和地面蒸发，多余的水分渗透到土壤下层成为地下水[24]。土壤渗透性的高低，直接影响到地表径流的产生，渗透性越高，地表径流越少，土壤侵蚀量也就越少[25]。

土壤稳渗速率是影响水源涵养能力最显著的指标，这与艾彪等[26]的结论一致。柠条枯落物由于稳渗速率、有效持水量、非毛管孔隙度等权重较高的指标得分较高，故综合评价值最高。裸沙样地由于缺乏枯落物层覆盖，故枯落物蓄积量、枯落物最大持水量及有效拦蓄量指标权重得分为0，且其容重最大、孔隙度较小、初渗速率最小，故综合评价值最低。枯落物覆盖样地的水源涵养综合评价值为裸沙地的13.99倍，说明枯落物覆盖能显著增强沙地的水源涵养能力。本文仅对枯落物层及土壤层的水源涵养能力进行评价，但冠层的功能也是不容忽视的[9]。