天山北坡山地森林林地产流产沙特征及其影响因素分析

2021-12-08孙雪娇李吉玫张毓涛李翔芦建江佘飞

生态环境学报 2021年9期

孙雪娇，李吉玫*，张毓涛，李翔，芦建江，佘飞

1. 新疆林业科学院森林生态研究所，新疆乌鲁木齐 830063；2. 新疆天山森林生态系统定位观测研究站，新疆乌鲁木齐 830063；3. 新疆天山西部国有林管理局，新疆伊宁 835000

由于人为干扰的增强，水资源匮乏和水土流失等已成为全球普遍存在的环境问题，是制约当今社会发展的主要因素之一（Tadesse et al.，2017；高光耀等，2013）。山地森林生态系统在涵养水源和保持水土方面发挥着重要作用（马鹏嫣等，2018），其生态水文过程包括林冠截流、树干液流、地表径流和土壤下渗等诸多过程，其中地表径流是水循环的重要环节（何志斌等，2016；韩春等，2019），同时也被认为是导致水土流失和土地退化的主要原因之一（Ran et al.，2012；史佳良等，2016；王荣嘉等，2019）。

针对不同流域地表径流国内外开展了大量研究，主要集中于地表径流时空变化模拟分析（Bhatta et al.，2019；Zhang et al.，2020）、产流产沙机制（Lucey et al.，2020；魏霞等，2015；严友进等，2017）以及径流的区域尺度效应（贺亮亮等，2017；窦小东等，2019）等方面。现有研究表明在不同流域的产流产沙特征受到枯落物、草本盖度、林冠结构和土壤环境因子等诸多因素的影响（Comino et al.，2016；胡建等，2013；吕锡芝；2015；张思毅，2016；谢林妤等，2017；李宗勋等，2020）。森林植被通过与土壤、大气和水在多界面、多层次、多尺度上进行物质与能量交换，改变和影响水资源分布，对地表径流的影响巨大，但是二者间的响应机制和相互作用关系非常复杂（成向荣，2017），并且具有较大的区域和时间尺度分异性，目前在植被引起的径流变化方面还有较多争议。

水资源短缺已成为制约新疆经济和社会发展的瓶颈问题，同时也是限制森林植被分布和生物多样性的关键因子（廖轶群，2012；姜亮亮等，2015）。作为新疆重要水源涵养林地的天山山地森林，存在树种结构单一、更新困难等问题，林分结构的不合理，造成水资源不能满足森林植被的正常生长所需，导致了水资源的常年短缺伴随着生态环境逐年退化的恶性循环。如何通过合理的生态保护修复实现更大的水源涵养和保持水土功能成为当前亟待解决的问题之一，而现阶段关于天山山地森林植被对坡面尺度上地表径流的影响还未可知。于2009—2015年，以天山北坡山地森林为研究对象，通过在不同植被类型和不同管理方式的人工林中构建径流观测场，对产流产沙规律进行长期定位连续观测，探讨产流产沙特征的环境影响因素，以期在碳达峰和碳中和背景下为构建更加合理的林分模式及权衡水碳关系提供依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

依托中国森林生态系统研究网络（CFERN，China Forest Ecology Research Net）天山森林生态系统定位研究站（87°07′—87°28′E，43°14′—43°26′N）开展工作。该站位于天山北坡，地处乌鲁木齐县板房沟林场，海拔1908 m。研究区属温带大陆性气候，年总辐射量达 5.85×105J·cm−2·a−1，年均气温为 2—3 ℃，年总降水量400—600 mm，雨季集中在6—10月，年蒸发量980—1150 mm，年均相对湿度65%，无霜期约89 d，≥10 ℃积温1170.5 ℃。该区植被类型是以天山云杉（Picea schrenkianaFisch. et Mey.）纯林为主的温带针叶林，林下灌木主要有黑果栒子（Cotoneaster melanocarpusLodd．）、黑果小檗（Berberis heteropodaSchrenk）、红果小檗（Berberis nummulariaBunge.）、密刺蔷薇（Rosa spinosissimaL.）、金丝桃叶绣线菊（Spiraea hypericifoliaL.）、新疆方枝柏（Juniperus pseudosabinaFischer & C. A.Meyer）、白皮锦鸡儿（Caragana leucophloeaPojark.）、刚毛忍冬（Lonicera hispidaPall. ex Roem.et Schuet.）等，林下草本植物主要有原叶老鹳草（Geranium rotundifoliumL．）、天山羽衣草（Alchemilla tianschanicaJuz.）、羊角芹（Aegopodium podagrariaL．）等，林下土壤均为山地灰褐色森林土（谢锦等，2016）。

1.2 样地设置

2009年依据地形、林龄、郁闭度等，选取天然林典型地段共设置6个水平投影为20 m×20 m的固定样地，其中幼龄林1个、中龄林3个（郁闭度0.4、0.6、0.8各1个）、近熟林1个、成熟林1个；2010年按照植被类型增设4个20 m×20 m的固定样地，其中灌木林1个，裸地1个、草地1个，0.2郁闭度的中龄林1个；2012年增设不同管理方式的人工林固定样地4个（其中混交人工林1个、间伐人工林1个、修枝抚育人工林林1个、未抚育人工林1个）。总计共设置14个固定样地。

设置固定样地时，首先以罗盘仪测定样地坡度，以测高仪和卷尺测定乔灌木的树高以及冠层活枝高（枝下高），沿对角线设置3个1 m×1 m的草本样方，调查草本盖度和枯落物厚度，在每个样地中利用环刀法测定表层土壤饱和含水量，如表1所示。随后在每个固定样地内用混凝材料围成水平投影为5 m×20 m的矩形径流小区1个。

表1 径流观测场布设信息Table 1 Information of runoff field

1.3 径流观测及泥沙测定

径流量观测：自径流观测场建立后，于每年5—10月，在每次降雨后，将集水槽内的地表径流量全部收回，用量筒测定收集的径流量大小。

泥沙含量测定：从2011年开始，于每年的5—10月，对收回的所有径流样品，先在室内进行沉淀过滤，后将泥沙放入烘箱内在 80 ℃恒温下烘干、称质量。

降雨量观测：在径流小区外空旷位置安装翻斗式自计雨量计，用于获取降雨量。

1.4 数据分析方法

在Excel 2013中计算径流系数（径流量与降水量的比值）和土壤侵蚀模数（单位面积和单位时段内的土壤侵蚀量），以SPSS19.0中单因素方差分析（One-way Anova）和最小显著差数（LSD）法进行多重比较，分析不同植被类型、郁闭度、林分类型和抚育方式间产流产沙特征的差异。在 SPSS 19.0中，应用非线性回归法，对产流产沙量与降水量进行拟合，通过判定系数（R2）、标准误差（SEE）的大小及回归检验显著水平（P<0.05）来选取最优回归模型，用Origin 9.0绘制产流量和产沙量随降水量的变化图。用 Canoco5.0（Biometris，Plant Research International）中RDA分析和SPSS 19.0中的相关性分析探讨环境因子与产流产沙特征的关系。

2 结果与分析

2.1 各样地的产流量和产沙量特征

如表2所示，2009—2015年的5—10月降水量处于101.67—281.71 mm间，随着降雨量的变化各样地产流量在年际间有较大差异，为了表征产流的年际变化，将各个样地的年产流量进行平均表示各年份的产流量，发现产流量2012年 (5.60 m3·hm−2)<2014 年 (6.85 m3·hm−2)<2010 年 (11.82 m3·hm−2)<2013 年 (15.51 m3·hm−2)<2011 年 (19.21 m3·hm−2)<2009 年 (23.37 m3·hm−2)<2015 年 (24.91 m3·hm−2)。产流量在不同植被类型样地间也有较大差异，最大的是裸地（平均为 32.74 m3·hm−2），是最小值的3.35倍，其次是草地（平均为 17.15 m3·hm−2）。在天然林样地中，随着林龄和郁闭度的增加，产流量整体表现为逐渐减小的趋势，平均处于 9.78—17.70 m3·hm−2之间。人工林不同管理方式未对产流量产生较大影响，整体处于 10.26—11.18 m3·hm−2之间。

表2 各年份的产流总量Table 2 Total runoff yield in each year m3·hm−2

如表3所示，各样地的平均年土壤侵蚀模数在年际间有较大差异，各年度大小排序为：2012年(0.028 t·hm−2·a−1)<2014 年 (0.035 t·hm−2·a−1)<2013年(0.074 t·hm−2·a−1)<2011 年 (0.084 t·hm−2·a−1)<2015 年(0.109 t·hm−2·a−1)。土壤侵蚀模数在不同植被类型间也有较大差异，最大的是裸地，平均为 0.229 t·hm−2·a−1，最小的是郁闭度为 0.8 的中龄林，仅为0.029 t·hm−2·a−1。天然乔木林土壤侵蚀模数平均处于0.029—0.078 t·hm−2·a−1之间，随着林龄和郁闭度的增大，土壤侵蚀模数总体呈现为逐渐下降的趋势。人工林中，不同管理方式间土壤侵蚀模数变化不大，平均处于 0.042—0.049 t·hm−2·a−1之间。

表3 各年份土壤侵蚀模数Table 3 Total erosion modulus in each year t·hm−2·a−1

利用非线性回归方法探讨单次产流量和产沙量随降雨量的变化规律，为方便分析比较，采用均满足显著水平（P<0.05）且拟合度较高的多项式函数作为拟合方程，结果如图1所示。产流量和产沙量随着降雨强度均满足二次函数分布，r2处于0.464—0.698 之间，P值处于 0—2.952×10−7之间，均达到极显著水平。

图1 径流量和产沙量随降水量的变化Fig. 1 Variation of runoff and sediment yield with precipitation

2.2 不同环境梯度对产流产沙特征的影响

2.2.1 不同植被类型径流系数和土壤侵蚀模数的差异性

图2所示，天山不同植被类型样地径流系数处于0.51%—1.64%之间，大小排序为人工林<天然林<灌木林<草地<裸地。土壤侵蚀模数处于 0.045—0.229 t·hm−2·a−1之间，大小排序为人工林<天然林<草地<灌木林<裸地。经方差分析和多重比较可知，不同植被类型的径流系数中，裸地显著高于其他植被类型样地（P<0.001），草地显著高于天然林和人工林（P=0.009，0.011）；不同植被类型的侵蚀模数中，裸地显著高于其他植被类型样地（P<0.001），但灌木林地、裸地、天然林地和人工林地间无显著差异（P=0.088—0.836）。

图2 不同植被类型的径流系数和土壤侵蚀模数Fig. 2 Runoff coefficient and soil erosion modulus of different vegetation types

2.2.2 天然林林分类型径流系数和侵蚀模数的差异性

如图3所示，天然林样地中，径流系数和土壤侵蚀模数随林龄的变化规律均表现为：幼龄林>中龄林>近熟林>成熟林。经方差分析和多重比较可知，天然林中，幼龄林的径流系数显著大于近熟林和成熟林（P=0.010—0017），中龄林的径流系数显著大于成熟林（P=0.027），其余处理间无显著差异（P=0.054—0.807）。土壤侵蚀模数随着林龄的增大逐渐降低，但无显著差异（P=0.089—0.984）。

图3 天然林不同林龄样地的径流系数和侵蚀模数Fig. 3 Runoff coefficient and soil erosion modulus in natural forest with different stand ages

2.2.3 不同郁闭度径流系数和侵蚀模数的差异性

图4所示，天然中龄林样地中，径流系数随郁闭度的变化表现为0.4>0.2>0.6>0.8，土壤侵蚀模数随郁闭度的变化表现为0.2>0.4>0.6>0.8。经方差分析和多重比较可知，郁闭度为0.2和0.4的天然中龄林的径流系数和土壤侵蚀模数显著大于郁闭度为0.6和0.8的天然中龄林（P=0.008—0.021），其余处理间无显著差异（P=0.799—0.957）。

图4 天然林不同郁闭度样地的径流系数和侵蚀模数Fig. 4 Runoff coefficient and soil erosion modulus in natural forest with forest canopy density

2.2.4 人工林不同管理方式径流系数和侵蚀模数的差异性

图5所示，在人工林中，不同管理方式样地径流系数处于 0.48%—0.56%和 0.047—0.057 t·hm−2·a−1之间，大小排序均为未抚育人工林地>间伐人工林地>修枝抚育人工林地>混交人工林地。但不同抚育方式人工林地间的径流系数和土壤侵蚀模数无显著差异（P=0.657—0.992）。

图5 人工林不同管理方式样地的径流系数和侵蚀模数Fig. 5 Runoff coefficient and soil erosion modulus with different management mode

2.3 产流产沙特征的影响因素

以冗余分析（RDA）方法探讨各样地产流产沙特征与环境因子间的关系，通过向前选择，筛除环境因子坡度、林分密度和草本盖度，RDA排序的第一、二轴的特征值分别为0.9342和0.0009，解释了产流产沙特征变化的93.51%，对所有排序轴的显著性进行检验，F值为17.3，P值为0.008。根据前两个排序轴做出二维排序图，如图6所示。第一轴随着土壤饱和含水量、枯落物厚度等环境因子的增大，侵蚀模数和径流系数均逐渐减小。第二轴与平均树高和冠层活枝高度和土壤饱和含水量表现为正相关，而与郁闭度表现为负相关。径流系数和土壤侵蚀模数与土壤饱和含水量、枯落物厚度、冠层活枝高，平均株高和郁闭度等环境因子均呈负相关关系。对各环境因子对排序的贡献率进行检验，土壤饱和含水量和郁闭度对排序的解释量较大，分别为76.8%和15.6%（P<0.01）。从各样地在二维排序图上的位置来看，裸地、草地和灌木林地、幼龄林、郁闭度分别为0.2和0.4的中龄林地具有较低的郁闭度、枯落物厚度和土壤饱和含水量。分布于第二、三象限。而人工林地、郁闭度为0.6和0.8的中龄林地、近熟林地和成熟林地分布于第一、二象限。

图6 产流产沙特征与环境因子的二维排序图Fig. 6 Two-dimensional sequence diagram of RDA analysis between runoff coefficient, soil erosion modulus and and environmental factors

产流产沙特征与环境因子的相关性分析结果见表4。径流系数与平均株高、枯落物厚度、冠层活枝高和土壤饱和含水量呈极显著负相关（r= −0.704—−0.842），与郁闭度呈显著负相关关系（r= −0.634）。土壤侵蚀模数与平均株高、土壤饱和含水量呈极显著负相关关系（r= −0.663— −0.724），与冠层活枝高和枯落物厚度呈显著负相关关系（r= −0.592，−0.618）。

表4 产流产沙特征与环境因子间的相关性分析Table 4 Correlation analysis between runoff coefficient , soil erosion modulus and and environmental factors

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 天山北坡山地森林产流产沙量随降雨强度的变化

不同植被根系的盘绕固结作用及植物冠层对水流的截留作用，会不同程度地增加水流运动的阻力，减弱水流对地表的冲刷能力因而具有减流减沙效应。在本研究中，草地的产流产沙量相较于裸地分别减少了47.62%和62.94%，与伊犁河谷林狗牙根样地（21%—58%和16%—76%）类似（仲亚婷，2017）。灌木林地的产流产沙量相较于裸地分别减少了49.38%和59.54%，与黄河一级支流罕台川的合同沟小流域相差不大（44.24%和65.87%）（陈鹏等，2020）。乔木林的产流产沙量相较于裸地分别减少了45.94%—74.3%和66.04%—87.37%，可能是由于天山北坡乔木林结构较为单一，林下基本无灌木生长，因此其减少率略小于南方红壤侵蚀区乔灌草混交林（86.73%和91.89%）（胡沁梅等，2020）。在天山北坡山地森林无论是草地、灌木林地还是乔木林地，植被覆盖对地表径流产生负效应，并且均具有良好的减沙效果。

2009—2015年的5—10月降雨量有较大差异，随着降雨量的变化，各样地年产流产沙量在年际间也变化较大，天山山区降雨量小，降雨历时长，与李宗勋等（2020）的研究一致，产流量和产沙量随单次降雨量均表现为逐渐增大的趋势，并且由降雨量构建的产流产沙回归模型均通过了显著性检验，说明单次降雨量可较准确预测产流产沙情况。降雨形成的有效径流是发生土壤侵蚀的前提，雨滴溅蚀使土壤颗粒脱离原始较稳定的土壤结构，分散的土壤颗粒随径流而迁移引起土壤侵蚀（刘柏玲等，2016），因此产沙量和径流量随降雨量的变化规律基本一致，均满足多项式分布。

3.1.2 林地产流产沙量的影响因素分析

本研究中，天山北坡山地森林裸地的径流系数和土壤侵蚀模数均显著大于其余植被类型，表明植被覆盖可有效减少径流量和土壤侵蚀作用。对产流产沙特征影响的植被环境因素按照降水分配过程可分为林冠层、枯落物层和土壤层。

在林冠层面，雪岭云杉林冠交错形成了有效的截留面，并且云杉表皮干裂，较为粗糙，对树干干流产生很大的吸收滞流作用，从而降低了地表径流的形成。另一方面林冠可降低雨滴速度，削弱击溅作用力（吕刚等，2019），因此冠层高度、郁闭度、和植株高度等林冠指标都与径流系数和土壤侵蚀模数呈负相关关系。天然云杉林和人工云杉林都具有较大的冠层、郁闭度和植株高度，从而径流系数和土壤侵蚀模数都较小，具有较好的水土保持作用。随着树木的生长，树高增大的同时乔木冠幅也逐渐加大，雪岭云杉林地单位面积产生的截留也越强，因此随着生长阶段的变化，天然林的径流系数整体表现为幼龄林>中龄林>近熟林>成熟林。但随着生长阶段冠幅的增加，林下植被盖度逐渐减小，枯落物厚度逐渐增加，导致土壤侵蚀没有表现出显著差异。

已有的研究表明天山北坡山地森林林冠截留率与郁闭度表现出显著正相关关系，而穿透雨比率与郁闭度表现出显著负相关关系（郝帅等，2009），因此郁闭度0.6和0.8天然云杉林具有较小的径流系数和土壤侵蚀模数。而郁闭度0.2和0.4的天然云杉林裸露斑块较大，且林下无灌木对次降雨进行缓冲，降雨对地表直接冲刷，导致水土流失程度相对较大。不同人工林管理方式间径流系数和土壤侵蚀模数不具有显著差异，原因可能是未抚育、修枝抚育、间伐抚育和混交人工林四者相比，人工干扰强度逐渐增大，林分密度减小，但其郁闭度仍较为接近，使得对枯落物的淋溶、地表的冲刷强度相近。

在枯落物层面，随着林分郁闭度的不断增大凋落物蓄积量也不断增大，天山北坡山地森林的枯落物的持水量表现为：0.8>0.6>0.4>0.2（张洪亮等，2011），森林的枯落物覆盖使得地表变得粗糙，侵蚀能力受到阻力。何玉广等（2017）的研究表明枯落物覆盖会分别减少产流和产沙量的67%和90.6%，这与本研究中枯落物厚度与产流产沙特征表现为负相关的结果基本一致。

在土壤层面，天山北坡山地森林的土壤类型主要为灰褐色森林土，阿茹·苏里坦等（2019）做的土壤入渗实验表明，天然乔木林的平均入渗速率大于灌木林大于草地，林艺等（2015）认为降雨后土壤层吸水达到最大含水量汇聚产生径流随后逐渐趋于稳定直至消退，因此本研究中土壤的饱和含水量与径流系数和土壤侵蚀模数也表现为负相关关系。

相反地，张兴奇等（2015）在贵州喀斯特山区的研究显示，坡度由5°增加至25°时，坡面产流产沙量先显著增加后大幅下降随后又小幅增加，而本研究中坡度基本设置为 15—25°之间，与径流系数和侵蚀模数未表现出显著相关性，可能是由于在设置样地时，未将坡度作为主要梯度因子，各样地间坡度差异不大导致。此外Carrol et al.（2000）认为草本覆盖可减弱雨滴对土壤的溅蚀，保护土壤团聚体因溅蚀而分散，降低因地表径流产生的水土流失，但在本研究中草本覆盖度与地表径流系数和土壤侵蚀模数未呈现显著相关性，可能是由于本研究中灌木林和乔木林样地郁闭度较高，林下草本覆盖不足，因此在灌木和乔木林地草本覆盖度并不是产流产沙的主要影响因子。

天山北坡山地森林，除5—10月的夏季降雨外，11月至次年2月的冬季降雪周期长、年积雪量大，3—4月春季融雪产生的径流量不仅对周围河流有重要补给作用，也会对区域水环境的水文特征造成影响。周宏飞等（2009）和张云云等（2019）的研究结果表明，天山北坡山地森林林地林冠对降雪的截流量达到56.8%，春季融雪期雪岭云杉林地产流率、产流速率和侵蚀量远小于裸地，从而具有更好的水土保持作用。不论是在降雨量较大的夏季，还是在融雪径流较大的春季，林地均具有明显的减流减沙效果，而不同植被类型、林龄、郁闭度下的融雪期径流特征还不明确，有待进一步探讨。