河北省太行山區(qū)鈣果的水土保持性能分析

賈永國，王淑芬，郭 賢*

（1.河北省水資源研究與水利技術(shù)試驗(yàn)推廣中心，河北 石家莊 050061；2.河北地質(zhì)大學(xué)，河北 石家莊 050031）

植被建設(shè)是生態(tài)工程的重要組成部分，但植物資源相對(duì)貧乏，尤其是具有生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的植物資源相當(dāng)缺乏，限制了生態(tài)環(huán)境的發(fā)展[1]。而適度引進(jìn)優(yōu)良植物種質(zhì)資源，豐富植物品種的生態(tài)多樣性，對(duì)我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有非常重要的意義[2]。河北省太行山區(qū)是我國國家級(jí)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)[3]，共涉及18個(gè)縣（市），區(qū)域面積26 659.41 km2，其中重點(diǎn)治理面積9 245.65 km2，水土流失治理任務(wù)較重。但是，在該區(qū)域兼有水保功能和經(jīng)濟(jì)效益的植物資源非常短缺。鈣果，學(xué)名歐李（Prunus humilis Bge sok），為薔薇科（Rosaceae） 櫻桃屬（Prunus） 的一種多年生落葉小灌木，也是我國特有的果樹資源，其果實(shí)鈣含量極高，被稱為“補(bǔ)鈣之星”，而且根系龐大，基生枝和根蘗發(fā)達(dá)，抗逆性強(qiáng)，具有成活率高、生長快、覆蓋率高、抗干旱、耐瘠薄、耐寒等特點(diǎn)[4，5]，生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益俱佳。

鈣果原生于我國北方邊遠(yuǎn)山區(qū)等一些人口稀少的地區(qū)，20世紀(jì)80年代前并未引起人們的注意。80年代中期，許多果樹工作者認(rèn)識(shí)到鈣果的潛在價(jià)值，開始對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的資源調(diào)查。進(jìn)入90年代，一些科研論文相繼發(fā)表，但研究主要集中在資源調(diào)查、育苗、品種選育和果實(shí)加工等方面，如，建立了鈣果種質(zhì)資源圃，培育出栽培性狀優(yōu)良的鈣果優(yōu)系[6～10]，并在山西和內(nèi)蒙等地進(jìn)行了栽培技術(shù)和適應(yīng)性研究[11～18]。賈永國等[19]在河北省太行山區(qū)進(jìn)行了多年多點(diǎn)的鈣果引種試驗(yàn)，結(jié)果表明，鈣果具有良好的適應(yīng)性。但截至目前，關(guān)于鈣果在該區(qū)域水土保持性能指標(biāo)如土壤入滲減少徑流量、樹冠截留能力等的研究尚未見報(bào)道。通過模擬徑流場試驗(yàn)，對(duì)鈣果林地的水保性能指標(biāo)進(jìn)行研究，旨為鈣果在河北省太行山區(qū)的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

鈣果試材為山西農(nóng)業(yè)大學(xué)培育的農(nóng)大鈣果3號(hào)（主栽品種）和5號(hào)（授粉品種）。主栽品種與授粉品種按數(shù)量比4∶1進(jìn)行配置，株行距0.5 m×0.8 m，測試林地為3 a生林分。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 河北省太行山區(qū)水土流失以水力侵蝕為主，由地表徑流引起的土壤侵蝕是水力侵蝕的主要形式。針對(duì)太行山低山丘陵區(qū)的水土流失狀況，本研究中將鈣果種植在15°坡面的微型徑流小區(qū)上。試驗(yàn)在石家莊市東營模擬徑流場進(jìn)行。土壤環(huán)境條件設(shè)鈣果林地（已種植鈣果3 a）、自然植被和裸地3個(gè)處理。小區(qū)投影面積4 m×5 m，隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)。

1.2.2 測定項(xiàng)目與方法 水土保持性能指標(biāo)測定方法主要參照《水土保持試驗(yàn)規(guī)程》 （SL 419—2007）[20]，根據(jù)實(shí)際情況有所調(diào)整。利用人工模擬降雨，重點(diǎn)監(jiān)測人為擾動(dòng)坡面種植鈣果防止水土流失能力以及固土保水能力和冠層截流雨水的能力。

1.2.2.1 地表徑流。利用ZKSB-3全自動(dòng)測控便攜式模擬降雨機(jī)人工模擬大暴雨情況，降雨歷時(shí)60 min。觀測坡面徑流的形成過程，用徑流桶來承接徑流，計(jì)算徑流產(chǎn)生量和泥沙產(chǎn)量。

1.2.2.2 土壤入滲速率。利用改良同心環(huán)法測定。主要設(shè)備有無底同心鐵環(huán)2個(gè)、特制量杯1只、透水性無紡布若干片、1 000 mL量筒1個(gè)、木桶和木錘等。其中，同心鐵環(huán)的外環(huán)直徑為60 cm、內(nèi)環(huán)直徑為30 cm，環(huán)高15 cm、厚度約5 mm，環(huán)下沿呈刀口狀。選擇有代表性的測點(diǎn)，用木錘先后將內(nèi)環(huán)、外環(huán)按照同一圓心打入土中，入土深度一般為10 cm，環(huán)口水平。對(duì)內(nèi)環(huán)定量加水，外環(huán)不定量但應(yīng)同時(shí)加水，并注意內(nèi)外環(huán)水面大致相平。用秒表測定內(nèi)環(huán)水入滲時(shí)間，在觀測的同時(shí)備好下一次的水，待水分全部入滲后計(jì)時(shí)；然后，對(duì)內(nèi)、外環(huán)再同時(shí)加水，到最后內(nèi)環(huán)每次加入等量的水，入滲時(shí)間基本一致時(shí)（即達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)）為止。根據(jù)加水量、內(nèi)環(huán)面積和入滲時(shí)間，計(jì)算土壤的入滲速率。

1.2.2.3 土壤貯水蓄水能力指標(biāo)。分別選擇鈣果林地、自然植被區(qū)和裸地，采用對(duì)角線取樣法，測定0～1 m土層的土壤容重和孔隙度等。每個(gè)處理均重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

1.2.2.4 冠層截留降水量（H）。在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機(jī)選定1 m×1 m的樣方，刈割樣方內(nèi)的所有植株，稱其枝葉重量；然后，浸入水中20～30 min，取出，待枝葉不再滴水時(shí)重新稱重。如此，用不同的樣品重復(fù)3次。計(jì)算枝葉最大吸水率（P）和H：

式中，P—枝葉最大吸水率（%）；g1—吸水前的枝葉樣品重量（kg），g2—吸水后的枝葉樣品重量（kg）；H—冠層截留降水量（mm）；G—每個(gè)樣方枝葉的平均重量（kg）；W—樣方面積（m2）。

以連翹和絲棉木的冠層截留能力為對(duì)照。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈣果林地的減少地表徑流能力分析

在降雨歷時(shí)60min、降雨量80.8mm情況下，20m2的微型徑流小區(qū)內(nèi)，鈣果林地的地表徑流量為140.15kg，分別較自然植被區(qū)（299.25 kg）、裸地區(qū)（372.25 kg）減少了53.16%和63.35%；泥沙量為253.87 g，分別較自然植被區(qū)（406.38 g）、裸地區(qū)（1 299.15 g） 減少了37.53%和80.46%（圖1）。可以看出，種植鈣果3 a的鈣果林地較自然植被區(qū)和裸地可以明顯減少地表徑流，有效攔蓄泥沙。

圖1 種植鈣果對(duì)土壤地表徑流的影響Fig.1 Effect of C.humilises on soil surface runoff

2.2 鈣果林地的土壤滲透性能分析

土壤入滲是指降落到地面上的雨水從土壤表面滲入土壤的過程。其是降雨—徑流—循環(huán)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，土壤滲透性能是評(píng)價(jià)林分水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo)。

從土壤入滲速率曲線圖（圖2）可以看出，無論是鈣果林地還是裸地，土壤入滲速率一開始均較快，之后，隨著時(shí)間的延長和滲水量的增大而逐漸減小，最后達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)。其中，種植鈣果3 a林地的土壤初滲速率為6.48mm/min，是裸地（1.77mm/min）的3.66倍；土壤穩(wěn)滲速率為0.53 mm/min，是裸地（0.32 mm/min）的1.66倍。表明與裸地相比，種植鈣果3 a能夠形成良好的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，改良土壤物理性狀，提高土壤的水穩(wěn)定指數(shù)，增加土壤入滲和貯水的能力。

圖2 種植鈣果3 a林地土壤的入滲過程曲線Fig.2 The curve of infiltration process in C.humilises land planted for three years

2.3 鈣果林地的土壤貯水蓄水能力分析

土壤容重、孔隙度和機(jī)械組成等可以反映土壤的貯水蓄水能力。其中，土壤容重是反映土壤物理性狀的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其大小取決于土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度和腐殖質(zhì)含量等，土壤容重越小表明該土壤結(jié)構(gòu)越好。一般情況下，可將土壤非毛管孔隙飽和時(shí)的含水量作為土壤有效貯水量，土壤總孔隙飽和時(shí)的含水量作為土壤最大貯水量。因此，增加土壤非毛管孔隙度，可以提高土壤的入滲性能，從而提高土壤的蓄水能力。

鈣果林地的土壤容重為1.36 g/cm3，分別較裸地、自然植被區(qū)降低了8.72%和6.21%；土壤總孔隙度為46.98%，分別較裸地、自然植被區(qū)提高了3.65個(gè)百分點(diǎn)和2.74個(gè)百分點(diǎn)；土壤非毛管孔隙度為15.75%，分別較裸地、自然植被區(qū)提高了5.02個(gè)百分點(diǎn)和4.38個(gè)百分點(diǎn)（表1）。可以看出，種植鈣果3 a的鈣果林地土壤物理結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于自然植被區(qū)和裸地，土壤的貯水蓄水能力明顯提高。

表1 種植鈣果對(duì)1 m內(nèi)土壤物理性能的影響Tab1e 1 Effect of C.humilises on 1 m depth soil physical properties

2.4 鈣果冠層對(duì)雨水的截留能力分析

連翹和絲棉木具有良好的冠層截留能力。鈣果枝葉的最大吸水率范圍為30%～33%，冠層對(duì)降水的截留能力與連翹基本相當(dāng)，但高于絲棉木（圖3）。表明鈣果的枝葉具有良好的吸水性能，其冠層對(duì)雨水的截留能力強(qiáng)。

圖3 鈣果枝葉的最大吸水率Fig.3 Maximum water absorption of C.humilises canopy

3 結(jié)論與討論

水土保持性能主要體現(xiàn)在植物對(duì)徑流和泥沙的機(jī)械阻擋[21]，以及土壤物理結(jié)構(gòu)的改善、冠層截留能力的增強(qiáng)、水土流失的有效控制等方面。通過鈣果林地、自然植被和裸地等不同小區(qū)的徑流試驗(yàn)，本研究主要得出以下結(jié)論：

（1）鈣果林地能夠有效攔蓄地表徑流和泥沙，水土保持效果顯著。鈣果種植小區(qū)的地表徑流量和泥沙量均明顯低于自然植被區(qū)和裸地，其中，徑流量分別減少了53.16%和63.35%，泥沙量分別減少37.53%和80.46%。

（2）鈣果林地的土壤物理結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于自然植被區(qū)和裸地。鈣果種植區(qū)的土壤容重為1.36 g/cm3，較裸地（1.49 g/cm3）和自然植被區(qū)（1.45 g/cm3）明顯降低，土壤總孔隙度和非毛管孔隙度均高于裸地和自然植被區(qū)，土壤入滲性能明顯提高，從而提高土壤的蓄水能力。

（3）鈣果林地能有效提高土壤的滲透速率。據(jù)測定，鈣果林地的土壤初滲速率為6.48 mm/min，穩(wěn)滲速率為0.53 mm/min，分別為裸地的3.66倍和1.66倍。

（4）鈣果冠層對(duì)雨水的截留能力強(qiáng)。鈣果枝葉具有良好的吸水性能，最大吸水率范圍為30%～33%，冠層截留降水的能力與連翹基本相當(dāng)，但明顯高于絲棉木。