黃土高原水蝕風蝕交錯區沙地枯落物的水源涵養功能

王盛琦， 傅文慧， 寇建村， 白瑪嘎翁， 喬千洛， 楊文權

(1.西北農林科技大學 草業與草原學院， 陜西 楊凌 712100； 2.西北農林科技大學 生命科學學院， 陜西 楊凌 712100)

黃土高原水蝕風蝕交錯區是中國乃至世界上最易發生土壤侵蝕的地區之一。由于地形破碎，土壤水分、養分虧缺以及自然植被恢復緩慢，枯落物的生態水文效益就顯得尤為重要[1]。枯落物層是水文效應的重要活動層，也是植被涵養水源功能的主要作用層[2]。枯落物的水文作用一方面體現在它的蓄持水分能力，另一方面體現在它對土壤理化性質的影響[3]。枯落物蓄持的水分可以通過下滲及蒸發作用，改變下層土壤及上層植被的水文狀況，其持水能力是反映枯落物層水文效應的重要指標之一。枯落物蓄積量對其持水量有重要影響，Robertson等[4]發現，枯落物蓄積量和厚度越大，持水量越多。枯落物類型也很大程度上決定了枯落物的持水量，現有的研究表明，枯落物最大持水量和有效攔蓄量均表現為：喬木>灌木>草本[3]。不同林齡的枯落物持水能力也有差別，高迪等[5]發現，隨著林齡的增長，林分枯落物的持水和攔蓄能力呈上升趨勢，最大持水量表現為：成熟林>中齡林>近熟林>幼齡林。此外，混合枯落物與單一類型枯落物的水文能力也存在差異。枯落物的覆蓋作用延緩了土壤水分的蒸發[6]，同時混入土壤中的枯落物通過分解作用，降低土壤容重、增加土壤孔隙度、促進土壤水分入滲，進而增加土壤水文效應[7]。

目前，關于森林生態系統中枯落物水源涵養能力的綜合評價研究較多[8-9]，而關于沙地生態系統中喬木、灌木及草本植物枯落物的水文效應研究較少。基于此，本試驗通過野外調查和室內試驗，采用對比研究等方法對黃土高原地區3種典型植被小葉楊(Populussimonii)、檸條(Caraganakorshinskii)和白羊草(Bothriochloaischaemum)的枯落物覆蓋樣地的枯落物層及土壤層水文效應進行量化。選取多個反映水文功能的評價指標，利用熵權法，綜合比較裸沙地及不同枯落物覆蓋樣地的水源涵養能力，以期更加直觀的進行評價和比較，為該地區退耕還林后生態水文效益的評估提供理論依據。

1 研究區概況

研究區位于陜西省神木市六道溝小流域(38°46′—38°51′N，110°21′—110°23′E)，該流域地處黃土高原水蝕風蝕交錯區，是典型的生態脆弱區；屬于中溫帶半干旱氣候，年平均氣溫8.4 ℃，年平均降水量437 mm，其中76.3%發生在6—9月；盛行西北風，年平均風速3.6 m/s。該地區是典型的內陸沙丘生態系統，流動沙丘、半固定沙丘和固定沙丘并存，土壤由黃土變為結構疏松的砂土，砂粒含量> 97%，粉粒含量< 2%，黏粒含量< 1%。因此，冬、春兩季易發生風蝕，夏、秋兩季易發生水蝕。主要植被類型包括：小葉楊(Populussimonii)，檸條(Caraganakorshinskii)，白羊草(Bothriochloaischaemum)，沙柳(Salixpsammophila)，長芒草(Stipabungeana)，紫花苜蓿(Medicagosativa)和本氏針茅(Stipabungeana)等。

2 研究方法

2.1 樣地設置與調查

于2020年6月對六道溝小流域主要植被類型及分布進行調查，選取該地區典型植被小葉楊(喬木)、檸條(灌木)和白羊草(草本)枯落物覆蓋樣地，并以裸沙地作為對照。其中小葉楊枯落物覆蓋樣地樣方大小為20 m×20 m，檸條枯落物覆蓋樣地樣方為10 m×10 m，白羊草枯落物覆蓋樣地樣方為5 m×5 m，調查內容包括經緯度、海拔、坡度、坡向、株高、冠幅、枯落物蓋度和伴生植物，樣地調查均做5次重復。樣地調查信息見表1。

表1 典型植被樣地基本信息

2.2 枯落物蓄積量的測定

在3種枯落物覆蓋樣地樣方內按 “S”形取樣法選取10個50 cm×50 cm的小樣方，分別調查枯落物厚度、混入深度及蓄積量。在每個小樣方內，地表枯落物蓄積量采用全部收集法；土壤中枯落物蓄積量采用環刀法進行五點取樣，環刀為內徑15 cm，高5 cm的鐵環，過篩去掉沙子及雜質后帶回實驗室。室內陰干并稱重，測定其自然含水率，之后放入85 ℃烘箱烘干，再次稱重，測定其蓄積量。

2.3 枯落物持水和攔蓄能力的測定

枯落物持水和攔蓄能力采用室內浸泡法測定，將收集的枯落物室內陰干，稱取相同質量放入尼龍網袋后浸水，在0.25，0.5，1，2，4，6，8，10，12，24 h后取出，靜置不滴水后稱重，結束后放入85 ℃烘箱烘干后稱重。浸水24 h后的持水量為最大持水量，此時枯落物濕重與干重的比值為最大吸濕比。相關指標的計算公式為：

(1)

(2)

Rmr=Rmh-R0

(3)

Rer=0.85×Rmh-R0

(4)

(5)

Cmh=Rmh×M

(6)

Ceh=Rer×M

(7)

式中：Wf為枯落物的鮮重(g);Wd為枯落物烘干后的重量(g);Wm為枯落物浸水24 h后的重量(g);M為枯落物蓄積量(g/m2);R0為枯落物的自然含水率(%);Rmh為枯落物最大持水率(%);Rmr為枯落物最大攔蓄率(%);Rer為枯落物有效攔蓄率(%);Rh為枯落物最大吸濕比;Cmh為枯落物最大持水量(g/m2);Ceh為枯落物有效攔蓄量(g/m2),0.85為有效攔蓄系數。

2.4 土壤水文性質的測定

土壤水文性質的調查采用環刀法，在各標準樣地內分別選取代表性樣點3個，用環刀在0—5 cm和5—10 cm土層取樣，封裝后帶回實驗室稱重。用環刀浸泡法測定土壤容重、孔隙度、持水量等水文性質，之后放入烘箱，105 ℃烘干，測定土壤含水量。計算公式為：

(8)

(9)

式中：BD為土壤容重(g/cm3);M為土壤干重(g);V為環刀體積(cm3)。TP為土壤總孔隙度(%);ds為土壤密度(g/cm3),本試驗取2.65 g/cm3[10]。

W=10 000Ph

(10)

式中：W為土壤持水量(t/hm2);P為土壤孔隙度(%);h為土層厚度(m)。

土壤入滲采用單環法。在各標準樣地內分別選取平坦且有代表性的樣點3個，將內徑20 cm，高10 cm的PVC環小心打入地下5 cm，環上方距地表5 cm，環內標有刻度，并用擋板緩流，防止破壞土壤表層結構。開始時，迅速加水至3 cm刻度處，之后水位每降低1 cm就記一次時間，并迅速加水至3 cm刻度處。當連續3次加水時間相同時，停止試驗，此時達到穩滲狀態[10]。

2.5 水源涵養能力綜合評價

為了能夠將枯落物層和土壤層的水文效應更加直觀地進行比較，利用熵權法對枯落物覆蓋樣地和裸沙地的水源涵養能力進行綜合評價。其中枯落物層指標選擇枯落物蓄積量、最大持水量和有效攔蓄量，土壤層指標選擇土壤容重、非毛管孔隙度、總孔隙度、毛管持水量、有效持水量、飽和持水量、初滲速率和穩滲速率，共11個指標。

對評價指標數據值運用極值法標準化處理[11]。根據公式求各指標的熵值(Hi)，進而計算各評價指標權重(wi)：

(11)

(假定fij=0時，fijlnfij=0)

(12)

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(13)

(14)

(15)

2.6 數據處理

采用SPSS 26及Microsoft Excel 2019對數據進行分析。利用單因素方差分析(one-way ANOVA)中的最小顯著差異(LSD)法檢驗枯落物性質和土壤性質的差異顯著性，數據表示為平均值±標準錯誤(Mean±SE)。利用Origin 2018對浸水時間和持水量、浸水時間和吸水速率、入滲時間和土壤滲透速率進行非線性回歸分析。

3 結果與分析

3.1 枯落物層水文效應

枯落物的主要水文指標包括最大持水率、最大持水量、最大攔蓄率、有效攔蓄率、有效攔蓄量和最大吸濕比，匯總如下(表2)。地表和土壤中枯落物的最大持水率、最大攔蓄率、有效攔蓄率和最大吸濕比均表現為白羊草枯落物顯著大于小葉楊和檸條枯落物(p<0.05)。其中，白羊草地表和土壤中總的枯落物最大持水率分別是小葉楊和檸條枯落物的1.12倍和1.23倍，最大攔蓄率分別是小葉楊和檸條枯落物的1.19倍和1.32倍，有效攔蓄率分別是小葉楊和檸條枯落物的1.13倍和1.30倍，最大吸濕比分別是小葉楊和檸條枯落物的1.08倍和1.16倍。地表枯落物最大持水量表現為：小葉楊(1 773.16 g/m2)>檸條(754.41 g/m2)>白羊草(348.46 g/m2)。土壤中枯落物最大持水量表現為：小葉楊(1 728.46 g/m2)>檸條(1 174.79 g/m2)>白羊草(346.85 g/m2)。檸條枯落物有效攔蓄量表現為土壤中顯著高于地表(p<0.05)，但小葉楊和白羊草枯落物地表和土壤中有效攔蓄量無顯著差異(p>0.05)。枯落物厚度和蓄積量見表2。其中，地表枯落物厚度表現為：小葉楊(2.9 cm)>白羊草(2.4 cm)>檸條(1.5 cm)，土壤中枯落物厚度表現為：小葉楊(2.3 cm)>檸條(2.2 cm)>白羊草(1.9 cm)。地表枯落物蓄積量表現為：小葉楊(709.66 g/m2)>檸條(320.82 g/m2)>白羊草(112 g/m2)，土壤中枯落物蓄積量表現為：小葉楊(601.35 g/m2)>檸條(468.07 g/m2)>白羊草(110.51 g/m2)。

表2 枯落物厚度、蓄積量和水文指標

枯落物的持水量隨著浸泡時間的延長而增大，但增加幅度逐漸減小，并趨于穩定(圖1)。其中，土壤中檸條枯落物在浸泡后0.5 h就達到了最大持水量的92.4%；其次是土壤中小葉楊枯落物，在浸泡后1 h達到了最大持水量的90.1%；最慢的是土壤中白羊草枯落物，在浸泡后10 h才達到最大持水量的92.8%。小葉楊和檸條枯落物持水量表現為土壤中快于地表，而白羊草枯落物持水量則表現為地表快于土壤中。3種枯落物吸水速率隨時間的變化趨勢一致。在0—0.25 h時，吸水速率最大，為6.11～9.44 g/(g·h)，在0.25—0.5 h時，吸水速率顯著降低，為0.28～1.33 g/(g·h)。2 h后，吸水速率基本維持在0.1 g/(g·h)下。持水量、吸水速率與浸水時間函數擬合關系見表3，枯落物浸水時間與持水量呈較好的對數函數關系(R2>0.90)，與吸水速率呈較好的冪函數關系(R2=1)。

表3 枯落物持水特征與浸水時間的擬合關系

圖1 黃土高原水蝕風蝕交錯區沙地枯落物持水特征

3.2 土壤層水文效應

不同植被類型枯落物覆蓋樣地和裸沙地的土壤物理性質有一定差別(見表4)。在地表0—10 cm土壤層中，裸沙地的土壤容重最高，為1.64 g/m3，分別是小葉楊、檸條和白羊草的1.05，1.09，1.04倍。枯落物覆蓋下，土壤容重隨土層深度增加逐漸增大，而裸沙地5—10 cm層土壤容重卻小于0—5 cm層，但不構成顯著差異(p>0.05)。在0—10 cm土壤層中，土壤毛管孔隙度表現為檸條(35.7%)>小葉楊(33.5%)>白羊草(33.5%)>裸沙地(27.9%)，這與總孔隙度的大小順序一致〔檸條(40.1%)>小葉楊(36.8%)>白羊草(36.7%)>裸沙地(31.2%)〕。在地表0—5 cm土壤層中，土壤非毛管孔隙度表現為：檸條(4.9%)>白羊草(3.7%)>小葉楊(3.6%)>裸沙地(3.3%)。但在5—10 cm土壤層中，土壤非毛管孔隙度表現為：檸條(4.0%)>裸沙地(3.3%)>小葉楊(3.1%)>白羊草(2.7%)。在地表0—10 cm土壤層中，土壤飽和持水量表現為：檸條(401.43 t/hm2)>小葉楊(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現為：檸條(356.8 t/hm2)>小葉楊(335.03 t/hm2)>白羊草(334.72 t/hm2)>裸沙地(279.07 t/hm2)。在地表0—5 cm土壤層中，土壤有效持水量表現為：檸條(24.43 t/hm2)>白羊草(18.4 t/hm2)>小葉楊(17.73 t/hm2)>裸沙地(16.48 t/hm2)。

表4 黃土高原水蝕風蝕交錯區沙地土壤物理性質和持水能力指標

不同植被類型枯落物覆蓋樣地和裸沙地的土壤滲透速率與入滲時間存在冪函數關系(表5)。其中，檸條枯落物覆蓋樣地的穩滲速率和平均入滲速率均顯著高于其他3類樣地(p<0.05)。檸條枯落物覆蓋樣地的初滲速率最大，為23.15 mm/min，其次為小葉楊(20.29 mm/min)和白羊草(15.26 mm/min)枯落物覆蓋樣地，裸沙地最小，為11.31 mm/min。穩滲速率表現為：檸條枯落物覆蓋樣地(15.38 mm/min)>白羊草枯落物覆蓋樣地(9.39 mm/min)>裸沙地(9.01 mm/min)>小葉楊枯落物覆蓋樣地(8.54 mm/min)。平均入滲速率和初滲速率的規律相同，表現為：檸條枯落物覆蓋樣(17.25 mm/min)>小葉楊枯落物覆蓋樣地(10.59 mm/min)>白羊草枯落物覆蓋樣地(10.2 mm/min)>裸沙地(9.26 mm/min)。總體上，枯落物覆蓋樣地的初滲速率、穩滲速率和平均入滲速率分別是裸沙地的1.73，1.23，1.37倍。

表5 黃土高原水蝕風蝕交錯區沙地土壤滲透速率及滲透模型

3.3 水源涵養能力的評價

由表6可知，利用熵權法計算得出的權重大小為：穩滲速率(0.153)>有效持水量(0.148)=非毛管孔隙度(0.148)>枯落物蓄積量(0.086)>枯落物有效攔蓄量(0.084)=枯落物最大持水量(0.084)>初滲速率(0.068)>容重(0.061)>總孔隙度(0.057)=飽和持水量(0.057)>毛管持水量(0.055)。枯落物覆蓋樣地的綜合評價值是裸沙地的13.99倍。其中，檸條枯落物覆蓋樣地的水源涵養能力最強，綜合評價值為0.889，其次為小葉楊(0.484)和白羊草(0.228)枯落物覆蓋樣地，裸沙地的水源涵養能力最差，綜合評價值為0.038。

表6 黃土高原水蝕風蝕交錯區沙地枯落物水源涵養能力綜合評價

4 討論與結論

4.1 討 論

4.1.1 枯落物蓄積量與厚度的差異 生態系統中枯落物的積累在一定程度上是枯落物輸入和分解之間的平衡關系[12-13]。喬木枯落物蓄積量最大，其次是灌木和草本，這與植被類型、氣候和群落結構密切相關[14]。有研究表明，在植被生長的不同階段，其枯落物凋落動態可分為高值期、平緩期和間歇期3個階段，且年凋落量在66.7～473.5 g/m2之間，整體表現為：喬木>灌木>草本[7]。此外，植被斑塊也被認為可以顯著提高枯落物的蓄積量。Yan等[15]利用4種植被斑塊類型和6種枯落物類型，研究了植被斑塊對枯落物遷移和積累的影響。結果表明，與裸露的地面斑塊相比，植被覆蓋斑塊的枯落物積累顯著增加，其中灌木斑塊類型的枯落物積累量最高。由于土壤層理化性質變化較緩慢，枯落物層蓄積量的變化直接影響枯落物的水源涵養能力大小。因此，小葉楊和檸條枯落物覆蓋樣地的水源涵養能力最強，均大于白羊草枯落物覆蓋樣地和裸沙地。在相同的氣候條件和植被類型下，群落的物種組成和多樣性可能通過影響地上生產力來決定枯落物蓄積量[16]。Sato等[2]指出，枯落物蓄積量的增加可以增加枯落物層的厚度。但由表2可以發現，白羊草枯落物蓄積量最低，但其厚度卻大于檸條枯落物。這是因為檸條枯落物形狀較小，堆積在一起后形成了致密的覆蓋層，導致其厚度較小。而白羊草的枯落物一部分凋落至地表，形成較薄的覆蓋層，另外一部分則傾斜倒立，交叉在一起，形成了稀疏的枯落物層，增加了其厚度，因而表現為白羊草枯落物厚度大于檸條枯落物厚度。

4.1.2 枯落物水文性質的差異 枯落物在初始浸泡的0.25 h內吸水速率最高，這是由于枯落物浸水前處于干燥狀態，死細胞間或枝葉表面水勢差較大，吸水速率較高[3]。隨著吸水量的增加，水勢梯度減小，吸水速率隨之減慢，并逐漸達到飽和狀態。綜合考慮地表和土壤中枯落物達到最大持水量的90%所用的時間后發現，檸條枯落物在浸水2 h后就達到了最大持水量的91.6%，小葉楊枯落物在浸水4 h后達到最大持水量的92.0%，而白羊草枯落物在浸水10 h后才達到最大持水量的94.8%。我們也可以從中推測，如果僅考慮枯落物持水過程，那么在降雨過程中，白羊草能最大程度的延緩降雨造成的徑流侵蝕發生時間，但最終徑流侵蝕的強度及發生時間還要綜合考慮坡度、枯落物數量、降雨強度、降雨持續時間等因素。

枯落物持水量主要和枯落物的蓄積量有關，持水率也對其有較大影響。雖然小葉楊枯落物的最大持水率低于白羊草，但由于其蓄積量遠高于白羊草，最終表現為小葉楊枯落物最大持水量顯著高于白羊草枯落物最大持水量(p<0.05)。有效攔蓄量可以反映枯落物對降雨的真實攔蓄，它的大小與枯落物蓄積量、枯落物性質、自然含水率以及降雨特性等因素有關[17]。在3種枯落物中，雖然白羊草枯落物的有效攔蓄率和最大攔蓄率均高于小葉楊和檸條枯落物，但蓄積量對有效攔蓄量的大小有至關重要的影響，導致白羊草枯落物的有效攔蓄量明顯小于小葉楊和檸條枯落物(p<0.05)。枯落物的最大吸濕比反映了枯落物的持水力，而持水力是真實反映枯落物吸持水分能力的重要指標之一[18]。雖然白羊草枯落物最大持水量明顯低于小葉楊和檸條枯落物(p<0.05)，但其最大吸濕比在3種枯落物中最大，說明白羊草枯落物可以蓄積比自身更多的水分。枯落物的最大持水量和最大吸濕比是浸泡24 h后得到的，其值會比實際值偏高[19]。

4.1.3 枯落物對土壤水文性質的影響 土壤水文物理性質與土壤孔隙度和容重密切相關，二者直接影響著土壤蓄水和透氣能力。土壤容重是衡量其物理結構、松緊度與通透性的指標之一。土壤容重大，表明土壤緊實板結而缺少團粒結構，反之，則表明土壤疏松多孔，結構性良好。與裸沙地相比，小葉楊、檸條和白羊草枯落物覆蓋均降低了地表0—10 cm土壤層的容重，說明枯落物覆蓋有利于下層土壤結構的改善。土壤容重隨土層深度增加逐漸增大，主要是因為隨土層深度的增加，土壤中有機質含量逐漸減少，土壤團聚性降低，從而增加了土壤的緊實度。而且不同樣地下土壤中枯落物組成、分解狀況和地下根系的生長發育存在差異，土壤容重與孔隙度受土壤發育狀況的影響，從而造成土壤物理性質的差異[20]。土壤孔隙度是土壤中養分、水分、空氣和微生物等的遷移通道、貯存庫和活動場所，也是表示土壤蓄水能力的重要參數[21]。在地表0—5 cm土壤層，隨著枯落物覆蓋后容重的降低，毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度均表現出升高的趨勢。毛管持水量是靠土壤中的毛管孔隙所產生的毛管引力保持的水分，屬于自由水，能在毛管中自由移動。毛管孔隙中的水分可以長時間保持在土壤中，毛管孔隙度越大，用于植被自身生長發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發。非毛管孔隙能較快吸收降水并及時下滲，非毛管孔隙度越大，土壤通透性越好，越有利于降水下滲，減少地表徑流[22]。土壤有效持水量大小取決于非毛管孔隙度大小，表征土壤滯留水分、削減洪峰、調節徑流、涵養水源的能力[23]。土壤飽和持水量則是指土壤顆粒間所有孔隙全都充滿水時的最大含水量，為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調節水分的潛在能力。在地表0—10 cm土壤層，3種枯落物覆蓋樣地下土壤飽和持水量均顯著大于裸沙地(p<0.05)，說明枯落物覆蓋可以改善土壤層水文功能，增加蓄水能力。土壤層作為水源涵養第三活動層，通過冠層和枯落物層后進行第三次分配，入滲的水分用于根系吸收和地面蒸發，多余的水分滲透到土壤下層成為地下水[24]。土壤滲透性的高低，直接影響到地表徑流的產生，滲透性越高，地表徑流越少，土壤侵蝕量也就越少[25]。

土壤穩滲速率是影響水源涵養能力最顯著的指標，這與艾彪等[26]的結論一致。檸條枯落物由于穩滲速率、有效持水量、非毛管孔隙度等權重較高的指標得分較高，故綜合評價值最高。裸沙樣地由于缺乏枯落物層覆蓋，故枯落物蓄積量、枯落物最大持水量及有效攔蓄量指標權重得分為0，且其容重最大、孔隙度較小、初滲速率最小，故綜合評價值最低。枯落物覆蓋樣地的水源涵養綜合評價值為裸沙地的13.99倍，說明枯落物覆蓋能顯著增強沙地的水源涵養能力。本文僅對枯落物層及土壤層的水源涵養能力進行評價，但冠層的功能也是不容忽視的[9]。

4.2 結 論

本文研究了水蝕風蝕交錯區3種枯落物覆蓋樣地及裸沙地的水源涵養功能。

(1) 枯落物的持水率表征其吸水能力，但持水量和攔蓄量的大小很大程度上取決于枯落物的蓄積量。

(2) 枯落物覆蓋降低了土壤容重，提高了總孔隙度、飽和持水量、毛管持水量和平均入滲速率(p<0.05)。

(3) 枯落物覆蓋有效改善了水文效應，水源涵養能力綜合評價值表現為：檸條枯落物覆蓋樣地>小葉楊枯落物覆蓋樣地>白羊草枯落物覆蓋樣地>裸沙地。因此，在優化水源涵養功能的條件下，建議適宜種植灌木，可搭配種植喬木和草本植物。