年玉欣，鄧?yán)^峰，2，李國(guó)忠，曹忠杰，王 剛，金 煜

遼西地區(qū)的主要沙塵來(lái)源是科爾沁南緣風(fēng)沙區(qū)，形成的生態(tài)系統(tǒng)敏感而脆弱，針對(duì)沙地改造的工作勢(shì)在必行［4-7］。山杏是該地區(qū)的代表性植物之一［8］，關(guān)于山杏對(duì)土壤理化性質(zhì)影響的研究認(rèn)為，山杏林地的土壤有機(jī)質(zhì)高于紅松、檸條、糠椴、楊樹(shù)、油松、榆樹(shù)等林地［9］，且土壤容重也相對(duì)較低［10］。大扁杏(Armeniaca vulgaris×sibirica)作為以山杏為親本培育出的栽培種，不僅繼承了山杏的耐寒、耐旱、耐瘠薄土壤、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，而且其產(chǎn)出是山杏的4～5倍，經(jīng)濟(jì)收益更高，是風(fēng)沙地區(qū)發(fā)展水土保持林和經(jīng)濟(jì)林的主要樹(shù)種之一［11-14］。目前，對(duì)于該地區(qū)兼顧生態(tài)及經(jīng)濟(jì)效益的考量的造林樹(shù)種首選為大扁杏。近年來(lái)許多學(xué)者已對(duì)大扁杏的嫁接方法、整形修剪、新品種選育等進(jìn)行了大量研究［15］，而關(guān)于沙地栽植大扁杏林后的地表徑流和土壤流失情況的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。研究遼西地區(qū)沙地栽植大扁杏林對(duì)地表徑流和土壤流失的影響，對(duì)于該地區(qū)的水土保持、生態(tài)林與經(jīng)濟(jì)林營(yíng)造都具有重要意義。

鑒于此，本研究以遼寧省西部的錦州市義縣劉龍臺(tái)鎮(zhèn)謝屯村沙地栽植的大扁杏林為研究對(duì)象，對(duì)其2012、2013和2016年的地表徑流和土壤流失情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，以期為水土保持經(jīng)濟(jì)林的選擇與該地區(qū)水土流失的生態(tài)治理提供有力的技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

遼西地區(qū)(包括錦州、葫蘆島、阜新、朝陽(yáng))位于E 119°～122°，N 40°20'～42°20'之間，地形起伏，多為低山丘陵，海拔一般在400～1 200 mm之間。年平均氣溫為7～10℃，年平均降水量為300～600 mm，年蒸發(fā)量約在1 600～1 800 mm，為降水量的3～6倍，屬于半干旱季風(fēng)氣候區(qū)。一般來(lái)說(shuō)，年降水量尚可以滿足林木生長(zhǎng)的需要，但由于年降水量和月降水量的不均衡性，因此常出現(xiàn)周期性的干旱。筆者選擇錦州義縣作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其地理座標(biāo)介于E 120°52'～121°44'，N 41°17'～ 41°48'之間，年平均氣溫7.8℃，平均降水530 mm，土壤類型為風(fēng)沙土，具有遼西地區(qū)沙地的典型特征。監(jiān)測(cè)點(diǎn)有大面積坡地栽植的大扁杏林。試驗(yàn)選擇的大扁杏林栽植于2010年，為水平梯田工程造林，梯田面寬3 m，造林密度為4 m×2 m。經(jīng)過(guò)3年的生長(zhǎng)，截至2012年，大扁杏抽枝展葉正常，生長(zhǎng)狀況良好，其株高、冠幅、地徑和枝葉量已達(dá)到遼西地區(qū)沙地大扁杏的平均生長(zhǎng)水平。

2 研究方法

2.1 徑流小區(qū)建設(shè)

在監(jiān)測(cè)點(diǎn)建設(shè)3個(gè)徑流小區(qū)，其中2個(gè)建設(shè)在沙質(zhì)坡地上栽植的大扁杏林內(nèi)，第3個(gè)建設(shè)在對(duì)照坡地(無(wú)壟臺(tái)未造林地)，對(duì)照坡地土壤及周邊微環(huán)境與大扁杏林一致，以此作為依據(jù)設(shè)置為對(duì)照。每個(gè)徑流小區(qū)的坡面處理和建設(shè)按照SL 277—2002《水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定執(zhí)行。依據(jù)SL 342—2006《水土保持監(jiān)測(cè)設(shè)施通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，徑流小區(qū)長(zhǎng)20 m，寬5 m，面積100 m2，長(zhǎng)邊與坡向一致，小區(qū)地面坡度10°。小區(qū)邊界設(shè)有混凝土圍梗，圍梗連接緊密，埋深牢靠，地表出露20 cm。徑流小區(qū)的坡面下緣設(shè)置集流槽，集流槽垂直于徑流流向，長(zhǎng)度與徑流小區(qū)的寬度一致，寬度20 cm。集流槽下設(shè)集流桶，用直徑20 cm的PVC管與集流槽相接，通過(guò)此管將集流槽中徑流引入集流桶。集流桶直徑為1 m，桶沿上部設(shè)置5個(gè)分水孔。集流桶下設(shè)分流桶。分流桶直徑為0.6 m。當(dāng)集流桶水深到達(dá)分流孔位置時(shí)，分流孔開(kāi)始分流，其中1個(gè)分水孔流入分流桶，其余4個(gè)流到桶外。

2.2 植被蓋度和植物多樣性監(jiān)測(cè)

采用樣方法［16］進(jìn)行調(diào)查。在大樣方內(nèi)(即徑流小區(qū)內(nèi))上、中、下各設(shè)1個(gè)中樣方，其面積為5 m×5 m，中樣方的選取采用主觀取樣法，即在對(duì)該地區(qū)的植物群落有充分了解的基礎(chǔ)上，選取植物分布比較均勻，且有代表性的地塊，各中樣方沿坡向排列，間距不固定，以“植物分布比較均勻，且有代表性”為準(zhǔn)。在中樣方內(nèi)各設(shè)1個(gè)小樣方，面積為1 m×1 m，小樣方的選擇標(biāo)準(zhǔn)與中樣方相同。在大樣方內(nèi)觀測(cè)喬木，在中樣方內(nèi)觀測(cè)灌木，在小樣方內(nèi)觀測(cè)草本植物的動(dòng)態(tài)變化。分別記錄3個(gè)徑流小區(qū)內(nèi)的植物種類，調(diào)查喬木的郁閉度和灌木、草本植物的覆蓋度。調(diào)查時(shí)間為2012、2013和2016年，每年8月的中、下旬。

需要說(shuō)明的是，因?yàn)?012年、2013年遼西地區(qū)沙地栽植大扁杏林對(duì)地表徑流和土壤流失改善良好，且取得了較好的效果，因此為了評(píng)估最終的改良效應(yīng)，在之后的2年不進(jìn)行人工干預(yù)，并選擇2016年再次對(duì)其地表徑流和土壤流失情況進(jìn)行分析。

2.3 水土流失量的監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括地表徑流、土壤流失量、土壤侵蝕模數(shù)。采用徑流小區(qū)法，每次雨后測(cè)量集流桶水量，計(jì)算地表徑流量。取樣分析泥沙量，計(jì)算土壤流失量和土壤侵蝕模數(shù)。

作為水稻的生產(chǎn)大國(guó)，我國(guó)水稻的種植面積占很大比例。本文采用近紅外光譜分析技術(shù)對(duì)水稻的種類進(jìn)行識(shí)別，對(duì)水稻所含成分及其是否純正進(jìn)行檢測(cè)。

徑流量測(cè)量方法:分別用鋼尺量得集流桶桶內(nèi)水深和分流桶桶內(nèi)水深(精確至mm)。1次測(cè)量選擇3個(gè)以上的測(cè)量點(diǎn)，以避免誤差，取測(cè)量點(diǎn)的平均值作為1次測(cè)量水深實(shí)際值。

土壤流失量采用蒸干法測(cè)量。

小區(qū)全年徑流量計(jì)算:大扁杏林小區(qū)全年徑流量為大扁杏林小區(qū)徑流量平均值之和;對(duì)照小區(qū)全年徑流量為對(duì)照小區(qū)每次降雨徑流量之和。

土壤流失量計(jì)算式如下:

式中:W小區(qū)為小區(qū)總流失量，kg;W200為200 mL水樣中干土質(zhì)量;V小區(qū)為小區(qū)徑流量。

土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算:將小區(qū)土壤流失量的單位換算成kg/m2，再放大至t/hm2，年小區(qū)土壤流失量(換算后)之和即為年度小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)(t·hm－2·a)。

2.4 數(shù)據(jù)分析處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel(Microsoft Corporation．SE，USA)處理后，利用SciDAVis軟件(DHI Group，Inc．NY，USA)對(duì)植被蓋度和植物多樣性進(jìn)行分析及作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被蓋度和植物多樣性變化

至2016年，徑流小區(qū)內(nèi)的植被蓋度和植物多樣性變化如下。

喬木郁閉度:大扁杏林小區(qū)增加60%，對(duì)照小區(qū)增加5%。大扁杏林小區(qū)的喬木郁閉度高于對(duì)照65%。說(shuō)明隨著時(shí)間增加，大扁杏林郁閉度增加速度加快。

灌木覆蓋度:大扁杏林小區(qū)增加45%，對(duì)照小區(qū)增加50%。大扁杏林小區(qū)的灌木覆蓋度高于對(duì)照5%。前者增加的灌木種類為荊條(Vitex negundo var．heterophylla)和胡枝子(Lespedeza bicolor)，后者增加的灌木種類為荊條。

草本覆蓋度:大扁杏林小區(qū)增加60%，對(duì)照小區(qū)增加80%。大扁杏林小區(qū)的草本覆蓋度低于對(duì)照20%。說(shuō)明在沒(méi)有喬灌木的干擾下，草本植物生長(zhǎng)很快。

植被總蓋度:大扁杏林小區(qū)增加80%，對(duì)照小區(qū)增加98%。大扁杏林小區(qū)的植被總蓋度比對(duì)照僅僅高2%，說(shuō)明時(shí)間越長(zhǎng)植被蓋度越接近。

至2016年，大扁杏林和對(duì)照小區(qū)的植物種類，均呈增加態(tài)勢(shì)，特別是草本植物增加速度非常快，喬灌木增加較少。從大扁杏林與對(duì)照小區(qū)比較來(lái)看，大扁杏林小區(qū)的植物種類增加量多于對(duì)照小區(qū)。至2016年，大扁杏林小區(qū)內(nèi)植物種類已達(dá)18種，對(duì)照小區(qū)達(dá)13種，大扁杏林小區(qū)內(nèi)除原有喬木大扁杏，還增加了白榆(Ulmus pumila)、荊條和胡枝子，對(duì)照小區(qū)內(nèi)增加了白榆和荊條，但數(shù)量不多。草本植物主要增加了艾蒿(Artemisia argyi)等蒿類，除此之外還有中華卷柏(Selaginella sinensis)、雞眼草(Kummerowia striata)、羊胡子草(Carex callitrichos)、黃背草(Themeda triandra)、陰行草(Siphonostegia chinensis)、地梢瓜(Cynanchum thesioides)、鴉蔥(Scorzonera ruprechtiana)、委陵菜(Potentilla chinensis)等。

總體上，植物多樣性平均呈增加趨勢(shì)，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，在沒(méi)有人為干擾的情況下，呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)(圖1)。

圖1 2012、2013和2016年大扁杏林與對(duì)照小區(qū)植被蓋度和植物多樣性變化Fig．1 Vegetation coverage and plant diversity changes in Armeniaca vulgaris× sibirica plantation and CK plots in the year of 2012，2013 and 2016

3.2 地表徑流量和土壤流失量的變化

2012年，監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)段內(nèi)降雨場(chǎng)次19次，總降雨時(shí)數(shù)112.2 h，總降雨量390.9 mm。其中產(chǎn)生徑流的有效降雨8次，有效降雨量307 mm。全時(shí)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。降雨歷時(shí)最長(zhǎng)11.7 h，最大降雨強(qiáng)度5.6 mm/h，最小降雨強(qiáng)度1.3 mm/h，平均降雨強(qiáng)度3.4 mm/h。

2013年，監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)段內(nèi)降雨場(chǎng)次13次，總降雨時(shí)數(shù)93.67 h，總降雨量339.6 mm。其中產(chǎn)生徑流的有效降雨4次，有效降雨量207 mm。全時(shí)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。降雨歷時(shí)最長(zhǎng)9.5 h，最大降雨強(qiáng)度12.3 mm/h，最小降雨強(qiáng)度0.67 mm/h，平均降雨強(qiáng)度3.62 mm/h。

2016年，監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)段內(nèi)降雨場(chǎng)次17次，總降雨時(shí)數(shù)168.2 h，總降雨量314.5 mm。全年無(wú)產(chǎn)生徑流的有效降雨。全時(shí)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。降雨歷時(shí)最長(zhǎng)79 h，最大降雨強(qiáng)度13 mm/h，最小降雨強(qiáng)度0.6 mm/h，平均降雨強(qiáng)度1.9 mm/h(圖2)。

圖2 2012、2013和2016年監(jiān)測(cè)點(diǎn)降雨量和降雨強(qiáng)度Fig．2 Rainfall and rainfall intensity in monitoring site in the year of 2012，2013 and 2016

2012年，監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)照小區(qū)發(fā)生徑流8次，對(duì)應(yīng)地表徑流取水樣8次;大扁杏林小區(qū)發(fā)生徑流6次，對(duì)應(yīng)地表徑流取水樣6次。對(duì)照小區(qū)全時(shí)段土壤流失量合計(jì)522.1 kg，折合52.2 t/hm2;最大土壤流失量140 kg，全時(shí)段平均土壤流失量65.3 kg。大扁杏林小區(qū)全時(shí)段土壤流失量?jī)H為6.9 kg，折合0.69 t/hm2;最大土壤流失量2.3 kg，全時(shí)段平均土壤流失量1.15 kg。

2013年，監(jiān)測(cè)點(diǎn)年度內(nèi)共發(fā)生徑流4次。對(duì)照小區(qū)全時(shí)段土壤流失量合計(jì)40.98 kg，折合4.1 t/hm2;最大土壤流失量14.51 kg。大扁杏林小區(qū)全年無(wú)徑流，也即無(wú)土壤流失量。

2016年，監(jiān)測(cè)點(diǎn)均未發(fā)生徑流，因?yàn)樗峭寥懒魇е饕獎(jiǎng)恿χ?。徑流可以攜帶泥沙下泄，造成土壤流失。監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在地的水土流失分區(qū)為遼寧省水蝕區(qū)，風(fēng)蝕可忽略不計(jì);所以小區(qū)沒(méi)有產(chǎn)生徑流，就沒(méi)有土壤流失，即土壤流失量為0(表1)。

表1 2012、2013和2016年大扁杏林與對(duì)照小區(qū)降雨特征、徑流量、土壤流失量和土壤侵蝕模數(shù)(均值)Tab．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 討論與結(jié)論

在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，大扁杏林小區(qū)的植被蓋度和植物種類大大增加，喬木郁閉度高于對(duì)照小區(qū)65%，灌木覆蓋度高于對(duì)照小區(qū)5%，草本覆蓋度低于對(duì)照小區(qū)20%，至2016年，植被總蓋度達(dá)到了100%，高于對(duì)照小區(qū)2%。這些植物的進(jìn)入，一方面使植被蓋度和植物多樣性大大增加，形成了良好的植物多樣性生態(tài)環(huán)境，另一方面，這種良好的植物生態(tài)環(huán)境，對(duì)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徑流和土壤流失方面也取得了良好的效果。從水土流失的趨勢(shì)來(lái)看，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，水土流失逐漸減少，大扁杏林小區(qū)的徑流量和土壤流失的減少速度明顯快于對(duì)照小區(qū):2012年分別為109.95 m3/hm2和0.69 t/hm2，2013年便已無(wú)徑流量和土壤流失發(fā)生;而對(duì)照小區(qū)的徑流量和土壤流失量在2012年分別為902.3 m3/hm2和 52.21 t/hm2，2013 年分別為 178.2 m3/hm2和4.1 t/hm2，至2016年無(wú)地表流量和土壤流失發(fā)生。土壤侵蝕和地表徑流主要受降雨量、降雨強(qiáng)度、植被蓋度和水土保持工程等因子影響［22-23］，2016年監(jiān)測(cè)點(diǎn)小區(qū)之所以沒(méi)有產(chǎn)生徑流和土壤流失量，主要是因?yàn)?2014—2016年的連續(xù)干旱，田間持水能力大大提高，降水入滲能力增加，使徑流減少;降雨過(guò)程歷時(shí)都很長(zhǎng)，降雨強(qiáng)度小，也很難形成徑流;植被蓋度已經(jīng)達(dá)到100%的全覆蓋狀態(tài)，使雨滴動(dòng)能大大降低，短時(shí)間內(nèi)很難形成徑流;小區(qū)地表已經(jīng)形成了2～5 cm厚的枯枝落葉層，大大增加了土壤含水能力，可有效阻止徑流的產(chǎn)生;高標(biāo)準(zhǔn)的水土保持工程一直是減輕徑流對(duì)地表的沖刷，減少?gòu)搅鲾y沙力的主要因素。本文研究結(jié)果與鄭智旗等對(duì)基于自動(dòng)監(jiān)測(cè)徑流場(chǎng)的秸稈覆蓋坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程研究結(jié)果相同，說(shuō)明了提高地表覆蓋度對(duì)于地表徑流的控制和植物多樣性的恢復(fù)有顯著提升作用［23］。

綜合來(lái)看，本研究結(jié)論說(shuō)明遼西地區(qū)沙地栽植大扁杏林能顯著提高植被蓋度，增加植物多樣性，并最終控制當(dāng)?shù)氐牡乇韽搅骱屯寥懒魇?但由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)徑流小區(qū)面積只有100 m2，不能完全反映大面積造林情況，只能反映一定的趨勢(shì)，特別是這種造林項(xiàng)目，大扁杏林與對(duì)照做比較時(shí)，更應(yīng)加強(qiáng)對(duì)大面積自然坡面的研究，增加自然坡面小區(qū)，或以小流域?yàn)閱卧?，建設(shè)小流域卡口站來(lái)研究。此外，從2016年的徑流監(jiān)測(cè)來(lái)看，研究結(jié)果中大扁杏林小區(qū)2016年無(wú)地表徑流和土壤流失，即便是對(duì)照小區(qū)也無(wú)任何地表徑流和土壤流失，難以說(shuō)明大扁杏林的水土保持作用。進(jìn)一步的研究仍需開(kāi)展，這也是今后需要加強(qiáng)并深入研究的方向。

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