天山北坡山地森林林地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及其影響因素分析

孫雪嬌，李吉玫*，張毓?jié)钕?，蘆建江，佘飛

1. 新疆林業(yè)科學(xué)院森林生態(tài)研究所，新疆 烏魯木齊 830063；2. 新疆天山森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站，新疆 烏魯木齊 830063；3. 新疆天山西部國(guó)有林管理局，新疆 伊寧 835000

由于人為干擾的增強(qiáng)，水資源匱乏和水土流失等已成為全球普遍存在的環(huán)境問(wèn)題，是制約當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的主要因素之一（Tadesse et al.，2017；高光耀等，2013）。山地森林生態(tài)系統(tǒng)在涵養(yǎng)水源和保持水土方面發(fā)揮著重要作用（馬鵬嫣等，2018），其生態(tài)水文過(guò)程包括林冠截流、樹(shù)干液流、地表徑流和土壤下滲等諸多過(guò)程，其中地表徑流是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)（何志斌等，2016；韓春等，2019），同時(shí)也被認(rèn)為是導(dǎo)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；王榮嘉等，2019）。

針對(duì)不同流域地表徑流國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量研究，主要集中于地表徑流時(shí)空變化模擬分析（Bhatta et al.，2019；Zhang et al.，2020）、產(chǎn)流產(chǎn)沙機(jī)制（Lucey et al.，2020；魏霞等，2015；嚴(yán)友進(jìn)等，2017）以及徑流的區(qū)域尺度效應(yīng)（賀亮亮等，2017；竇小東等，2019）等方面。現(xiàn)有研究表明在不同流域的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征受到枯落物、草本蓋度、林冠結(jié)構(gòu)和土壤環(huán)境因子等諸多因素的影響（Comino et al.，2016；胡建等，2013；呂錫芝；2015；張思毅，2016；謝林妤等，2017；李宗勛等，2020）。森林植被通過(guò)與土壤、大氣和水在多界面、多層次、多尺度上進(jìn)行物質(zhì)與能量交換，改變和影響水資源分布，對(duì)地表徑流的影響巨大，但是二者間的響應(yīng)機(jī)制和相互作用關(guān)系非常復(fù)雜（成向榮，2017），并且具有較大的區(qū)域和時(shí)間尺度分異性，目前在植被引起的徑流變化方面還有較多爭(zhēng)議。

水資源短缺已成為制約新疆經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，同時(shí)也是限制森林植被分布和生物多樣性的關(guān)鍵因子（廖軼群，2012；姜亮亮等，2015）。作為新疆重要水源涵養(yǎng)林地的天山山地森林，存在樹(shù)種結(jié)構(gòu)單一、更新困難等問(wèn)題，林分結(jié)構(gòu)的不合理，造成水資源不能滿足森林植被的正常生長(zhǎng)所需，導(dǎo)致了水資源的常年短缺伴隨著生態(tài)環(huán)境逐年退化的惡性循環(huán)。如何通過(guò)合理的生態(tài)保護(hù)修復(fù)實(shí)現(xiàn)更大的水源涵養(yǎng)和保持水土功能成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題之一，而現(xiàn)階段關(guān)于天山山地森林植被對(duì)坡面尺度上地表徑流的影響還未可知。于2009—2015年，以天山北坡山地森林為研究對(duì)象，通過(guò)在不同植被類(lèi)型和不同管理方式的人工林中構(gòu)建徑流觀測(cè)場(chǎng)，對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律進(jìn)行長(zhǎng)期定位連續(xù)觀測(cè)，探討產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的環(huán)境影響因素，以期在碳達(dá)峰和碳中和背景下為構(gòu)建更加合理的林分模式及權(quán)衡水碳關(guān)系提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

依托中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CFERN，China Forest Ecology Research Net）天山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站（87°07′—87°28′E，43°14′—43°26′N(xiāo)）開(kāi)展工作。該站位于天山北坡，地處烏魯木齊縣板房溝林場(chǎng)，海拔1908 m。研究區(qū)屬溫帶大陸性氣候，年總輻射量達(dá) 5.85×105J·cm?2·a?1，年均氣溫為 2—3 ℃，年總降水量400—600 mm，雨季集中在6—10月，年蒸發(fā)量980—1150 mm，年均相對(duì)濕度65%，無(wú)霜期約89 d，≥10 ℃積溫1170.5 ℃。該區(qū)植被類(lèi)型是以天山云杉（Picea schrenkianaFisch. et Mey.）純林為主的溫帶針葉林，林下灌木主要有黑果栒子（Cotoneaster melanocarpusLodd．）、黑果小檗（Berberis heteropodaSchrenk）、紅果小檗（Berberis nummulariaBunge.）、密刺薔薇（Rosa spinosissimaL.）、金絲桃葉繡線菊（Spiraea hypericifoliaL.）、新疆方枝柏（Juniperus pseudosabinaFischer & C. A.Meyer）、白皮錦雞兒 （Caragana leucophloeaPojark.）、剛毛忍冬（Lonicera hispidaPall. ex Roem.et Schuet.）等，林下草本植物主要有原葉老鸛草（Geranium rotundifoliumL．）、天山羽衣草（Alchemilla tianschanicaJuz.）、羊角芹（Aegopodium podagrariaL．）等，林下土壤均為山地灰褐色森林土（謝錦等，2016）。

1.2 樣地設(shè)置

2009年依據(jù)地形、林齡、郁閉度等，選取天然林典型地段共設(shè)置6個(gè)水平投影為20 m×20 m的固定樣地，其中幼齡林1個(gè)、中齡林3個(gè)（郁閉度0.4、0.6、0.8各1個(gè)）、近熟林1個(gè)、成熟林1個(gè)；2010年按照植被類(lèi)型增設(shè)4個(gè)20 m×20 m的固定樣地，其中灌木林1個(gè)，裸地1個(gè)、草地1個(gè)，0.2郁閉度的中齡林1個(gè)；2012年增設(shè)不同管理方式的人工林固定樣地4個(gè)（其中混交人工林1個(gè)、間伐人工林1個(gè)、修枝撫育人工林林1個(gè)、未撫育人工林1個(gè)）?？傆?jì)共設(shè)置14個(gè)固定樣地。

設(shè)置固定樣地時(shí)，首先以羅盤(pán)儀測(cè)定樣地坡度，以測(cè)高儀和卷尺測(cè)定喬灌木的樹(shù)高以及冠層活枝高（枝下高），沿對(duì)角線設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的草本樣方，調(diào)查草本蓋度和枯落物厚度，在每個(gè)樣地中利用環(huán)刀法測(cè)定表層土壤飽和含水量，如表1所示。隨后在每個(gè)固定樣地內(nèi)用混凝材料圍成水平投影為5 m×20 m的矩形徑流小區(qū)1個(gè)。

表1 徑流觀測(cè)場(chǎng)布設(shè)信息Table 1 Information of runoff field

1.3 徑流觀測(cè)及泥沙測(cè)定

徑流量觀測(cè)：自徑流觀測(cè)場(chǎng)建立后，于每年5—10月，在每次降雨后，將集水槽內(nèi)的地表徑流量全部收回，用量筒測(cè)定收集的徑流量大小。

泥沙含量測(cè)定：從2011年開(kāi)始，于每年的5—10月，對(duì)收回的所有徑流樣品，先在室內(nèi)進(jìn)行沉淀過(guò)濾，后將泥沙放入烘箱內(nèi)在 80 ℃恒溫下烘干、稱(chēng)質(zhì)量。

降雨量觀測(cè)：在徑流小區(qū)外空曠位置安裝翻斗式自計(jì)雨量計(jì)，用于獲取降雨量。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

在Excel 2013中計(jì)算徑流系數(shù)（徑流量與降水量的比值）和土壤侵蝕模數(shù)（單位面積和單位時(shí)段內(nèi)的土壤侵蝕量），以SPSS19.0中單因素方差分析（One-way Anova）和最小顯著差數(shù)（LSD）法進(jìn)行多重比較，分析不同植被類(lèi)型、郁閉度、林分類(lèi)型和撫育方式間產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的差異。在 SPSS 19.0中，應(yīng)用非線性回歸法，對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙量與降水量進(jìn)行擬合，通過(guò)判定系數(shù)（R2）、標(biāo)準(zhǔn)誤差（SEE）的大小及回歸檢驗(yàn)顯著水平（P<0.05）來(lái)選取最優(yōu)回歸模型，用Origin 9.0繪制產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量隨降水量的變化圖。用 Canoco5.0（Biometris，Plant Research International）中RDA分析和SPSS 19.0中的相關(guān)性分析探討環(huán)境因子與產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 各樣地的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量特征

如表2所示，2009—2015年的5—10月降水量處于101.67—281.71 mm間，隨著降雨量的變化各樣地產(chǎn)流量在年際間有較大差異，為了表征產(chǎn)流的年際變化，將各個(gè)樣地的年產(chǎn)流量進(jìn)行平均表示各年份的產(chǎn)流量，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)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)。產(chǎn)流量在不同植被類(lèi)型樣地間也有較大差異，最大的是裸地（平均為 32.74 m3·hm?2），是最小值的3.35倍，其次是草地（平均為 17.15 m3·hm?2）。在天然林樣地中，隨著林齡和郁閉度的增加，產(chǎn)流量整體表現(xiàn)為逐漸減小的趨勢(shì)，平均處于 9.78—17.70 m3·hm?2之間。人工林不同管理方式未對(duì)產(chǎn)流量產(chǎn)生較大影響，整體處于 10.26—11.18 m3·hm?2之間。

表2 各年份的產(chǎn)流總量Table 2 Total runoff yield in each year m3·hm?2

如表3所示，各樣地的平均年土壤侵蝕模數(shù)在年際間有較大差異，各年度大小排序?yàn)椋?012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)。土壤侵蝕模數(shù)在不同植被類(lèi)型間也有較大差異，最大的是裸地，平均為 0.229 t·hm?2·a?1，最小的是郁閉度為 0.8 的中齡林，僅為0.029 t·hm?2·a?1。天然喬木林土壤侵蝕模數(shù)平均處于0.029—0.078 t·hm?2·a?1之間，隨著林齡和郁閉度的增大，土壤侵蝕模數(shù)總體呈現(xiàn)為逐漸下降的趨勢(shì)。人工林中，不同管理方式間土壤侵蝕模數(shù)變化不大，平均處于 0.042—0.049 t·hm?2·a?1之間。

表3 各年份土壤侵蝕模數(shù)Table 3 Total erosion modulus in each year t·hm?2·a?1

利用非線性回歸方法探討單次產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量隨降雨量的變化規(guī)律，為方便分析比較，采用均滿足顯著水平（P<0.05）且擬合度較高的多項(xiàng)式函數(shù)作為擬合方程，結(jié)果如圖1所示。產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量隨著降雨強(qiáng)度均滿足二次函數(shù)分布，r2處于0.464—0.698 之間，P值處于 0—2.952×10?7之間，均達(dá)到極顯著水平。

圖1 徑流量和產(chǎn)沙量隨降水量的變化Fig. 1 Variation of runoff and sediment yield with precipitation

2.2 不同環(huán)境梯度對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的影響

2.2.1 不同植被類(lèi)型徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)的差異性

圖2所示，天山不同植被類(lèi)型樣地徑流系數(shù)處于0.51%—1.64%之間，大小排序?yàn)槿斯ち?天然林<灌木林<草地<裸地。土壤侵蝕模數(shù)處于 0.045—0.229 t·hm?2·a?1之間，大小排序?yàn)槿斯ち?天然林<草地<灌木林<裸地。經(jīng)方差分析和多重比較可知，不同植被類(lèi)型的徑流系數(shù)中，裸地顯著高于其他植被類(lèi)型樣地（P<0.001），草地顯著高于天然林和人工林（P=0.009，0.011）；不同植被類(lèi)型的侵蝕模數(shù)中，裸地顯著高于其他植被類(lèi)型樣地（P<0.001），但灌木林地、裸地、天然林地和人工林地間無(wú)顯著差異（P=0.088—0.836）。

圖2 不同植被類(lèi)型的徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)Fig. 2 Runoff coefficient and soil erosion modulus of different vegetation types

2.2.2 天然林林分類(lèi)型徑流系數(shù)和侵蝕模數(shù)的差異性

如圖3所示，天然林樣地中，徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)隨林齡的變化規(guī)律均表現(xiàn)為：幼齡林>中齡林>近熟林>成熟林。經(jīng)方差分析和多重比較可知，天然林中，幼齡林的徑流系數(shù)顯著大于近熟林和成熟林（P=0.010—0017），中齡林的徑流系數(shù)顯著大于成熟林（P=0.027），其余處理間無(wú)顯著差異（P=0.054—0.807）。土壤侵蝕模數(shù)隨著林齡的增大逐漸降低，但無(wú)顯著差異（P=0.089—0.984）。

圖3 天然林不同林齡樣地的徑流系數(shù)和侵蝕模數(shù)Fig. 3 Runoff coefficient and soil erosion modulus in natural forest with different stand ages

2.2.3 不同郁閉度徑流系數(shù)和侵蝕模數(shù)的差異性

圖4所示，天然中齡林樣地中，徑流系數(shù)隨郁閉度的變化表現(xiàn)為0.4>0.2>0.6>0.8，土壤侵蝕模數(shù)隨郁閉度的變化表現(xiàn)為0.2>0.4>0.6>0.8。經(jīng)方差分析和多重比較可知，郁閉度為0.2和0.4的天然中齡林的徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)顯著大于郁閉度為0.6和0.8的天然中齡林（P=0.008—0.021），其余處理間無(wú)顯著差異（P=0.799—0.957）。

圖4 天然林不同郁閉度樣地的徑流系數(shù)和侵蝕模數(shù)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徑流系數(shù)和侵蝕模數(shù)的差異性

圖5所示，在人工林中，不同管理方式樣地徑流系數(shù)處于 0.48%—0.56%和 0.047—0.057 t·hm?2·a?1之間，大小排序均為未撫育人工林地>間伐人工林地>修枝撫育人工林地>混交人工林地。但不同撫育方式人工林地間的徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)無(wú)顯著差異（P=0.657—0.992）。

圖5 人工林不同管理方式樣地的徑流系數(shù)和侵蝕模數(shù)Fig. 5 Runoff coefficient and soil erosion modulus with different management mode

2.3 產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的影響因素

以冗余分析（RDA）方法探討各樣地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征與環(huán)境因子間的關(guān)系，通過(guò)向前選擇，篩除環(huán)境因子坡度、林分密度和草本蓋度，RDA排序的第一、二軸的特征值分別為0.9342和0.0009，解釋了產(chǎn)流產(chǎn)沙特征變化的93.51%，對(duì)所有排序軸的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，F(xiàn)值為17.3，P值為0.008。根據(jù)前兩個(gè)排序軸做出二維排序圖，如圖6所示。第一軸隨著土壤飽和含水量、枯落物厚度等環(huán)境因子的增大，侵蝕模數(shù)和徑流系數(shù)均逐漸減小。第二軸與平均樹(shù)高和冠層活枝高度和土壤飽和含水量表現(xiàn)為正相關(guān)，而與郁閉度表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)與土壤飽和含水量、枯落物厚度、冠層活枝高，平均株高和郁閉度等環(huán)境因子均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)各環(huán)境因子對(duì)排序的貢獻(xiàn)率進(jìn)行檢驗(yàn)，土壤飽和含水量和郁閉度對(duì)排序的解釋量較大，分別為76.8%和15.6%（P<0.01）。從各樣地在二維排序圖上的位置來(lái)看，裸地、草地和灌木林地、幼齡林、郁閉度分別為0.2和0.4的中齡林地具有較低的郁閉度、枯落物厚度和土壤飽和含水量。分布于第二、三象限。而人工林地、郁閉度為0.6和0.8的中齡林地、近熟林地和成熟林地分布于第一、二象限。

圖6 產(chǎn)流產(chǎn)沙特征與環(huán)境因子的二維排序圖Fig. 6 Two-dimensional sequence diagram of RDA analysis between runoff coefficient, soil erosion modulus and and environmental factors

產(chǎn)流產(chǎn)沙特征與環(huán)境因子的相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表4。徑流系數(shù)與平均株高、枯落物厚度、冠層活枝高和土壤飽和含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)（r= ?0.704—?0.842），與郁閉度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r= ?0.634）。土壤侵蝕模數(shù)與平均株高、土壤飽和含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r= ?0.663— ?0.724），與冠層活枝高和枯落物厚度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r= ?0.592，?0.618）。

表4 產(chǎn)流產(chǎn)沙特征與環(huán)境因子間的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis between runoff coefficient , soil erosion modulus and and environmental factors

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 天山北坡山地森林產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨降雨強(qiáng)度的變化

不同植被根系的盤(pán)繞固結(jié)作用及植物冠層對(duì)水流的截留作用，會(huì)不同程度地增加水流運(yùn)動(dòng)的阻力，減弱水流對(duì)地表的沖刷能力因而具有減流減沙效應(yīng)。在本研究中，草地的產(chǎn)流產(chǎn)沙量相較于裸地分別減少了47.62%和62.94%，與伊犁河谷林狗牙根樣地（21%—58%和16%—76%）類(lèi)似（仲亞婷，2017）。灌木林地的產(chǎn)流產(chǎn)沙量相較于裸地分別減少了49.38%和59.54%，與黃河一級(jí)支流罕臺(tái)川的合同溝小流域相差不大（44.24%和65.87%）（陳鵬等，2020）。喬木林的產(chǎn)流產(chǎn)沙量相較于裸地分別減少了45.94%—74.3%和66.04%—87.37%，可能是由于天山北坡喬木林結(jié)構(gòu)較為單一，林下基本無(wú)灌木生長(zhǎng)，因此其減少率略小于南方紅壤侵蝕區(qū)喬灌草混交林（86.73%和91.89%）（胡沁梅等，2020）。在天山北坡山地森林無(wú)論是草地、灌木林地還是喬木林地，植被覆蓋對(duì)地表徑流產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，并且均具有良好的減沙效果。

2009—2015年的5—10月降雨量有較大差異，隨著降雨量的變化，各樣地年產(chǎn)流產(chǎn)沙量在年際間也變化較大，天山山區(qū)降雨量小，降雨歷時(shí)長(zhǎng)，與李宗勛等（2020）的研究一致，產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量隨單次降雨量均表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢(shì)，并且由降雨量構(gòu)建的產(chǎn)流產(chǎn)沙回歸模型均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明單次降雨量可較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)產(chǎn)流產(chǎn)沙情況。降雨形成的有效徑流是發(fā)生土壤侵蝕的前提，雨滴濺蝕使土壤顆粒脫離原始較穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)，分散的土壤顆粒隨徑流而遷移引起土壤侵蝕（劉柏玲等，2016），因此產(chǎn)沙量和徑流量隨降雨量的變化規(guī)律基本一致，均滿足多項(xiàng)式分布。

3.1.2 林地產(chǎn)流產(chǎn)沙量的影響因素分析

本研究中，天山北坡山地森林裸地的徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)均顯著大于其余植被類(lèi)型，表明植被覆蓋可有效減少?gòu)搅髁亢屯寥狼治g作用。對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙特征影響的植被環(huán)境因素按照降水分配過(guò)程可分為林冠層、枯落物層和土壤層。

在林冠層面，雪嶺云杉林冠交錯(cuò)形成了有效的截留面，并且云杉表皮干裂，較為粗糙，對(duì)樹(shù)干干流產(chǎn)生很大的吸收滯流作用，從而降低了地表徑流的形成。另一方面林冠可降低雨滴速度，削弱擊濺作用力（呂剛等，2019），因此冠層高度、郁閉度、和植株高度等林冠指標(biāo)都與徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。天然云杉林和人工云杉林都具有較大的冠層、郁閉度和植株高度，從而徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)都較小，具有較好的水土保持作用。隨著樹(shù)木的生長(zhǎng)，樹(shù)高增大的同時(shí)喬木冠幅也逐漸加大，雪嶺云杉林地單位面積產(chǎn)生的截留也越強(qiáng)，因此隨著生長(zhǎng)階段的變化，天然林的徑流系數(shù)整體表現(xiàn)為幼齡林>中齡林>近熟林>成熟林。但隨著生長(zhǎng)階段冠幅的增加，林下植被蓋度逐漸減小，枯落物厚度逐漸增加，導(dǎo)致土壤侵蝕沒(méi)有表現(xiàn)出顯著差異。

已有的研究表明天山北坡山地森林林冠截留率與郁閉度表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，而穿透雨比率與郁閉度表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（郝帥等，2009），因此郁閉度0.6和0.8天然云杉林具有較小的徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)。而郁閉度0.2和0.4的天然云杉林裸露斑塊較大，且林下無(wú)灌木對(duì)次降雨進(jìn)行緩沖，降雨對(duì)地表直接沖刷，導(dǎo)致水土流失程度相對(duì)較大。不同人工林管理方式間徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)不具有顯著差異，原因可能是未撫育、修枝撫育、間伐撫育和混交人工林四者相比，人工干擾強(qiáng)度逐漸增大，林分密度減小，但其郁閉度仍較為接近，使得對(duì)枯落物的淋溶、地表的沖刷強(qiáng)度相近。

在枯落物層面，隨著林分郁閉度的不斷增大凋落物蓄積量也不斷增大，天山北坡山地森林的枯落物的持水量表現(xiàn)為：0.8>0.6>0.4>0.2（張洪亮等，2011），森林的枯落物覆蓋使得地表變得粗糙，侵蝕能力受到阻力。何玉廣等（2017）的研究表明枯落物覆蓋會(huì)分別減少產(chǎn)流和產(chǎn)沙量的67%和90.6%，這與本研究中枯落物厚度與產(chǎn)流產(chǎn)沙特征表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)的結(jié)果基本一致。

在土壤層面，天山北坡山地森林的土壤類(lèi)型主要為灰褐色森林土，阿茹·蘇里坦等（2019）做的土壤入滲實(shí)驗(yàn)表明，天然喬木林的平均入滲速率大于灌木林大于草地，林藝等（2015）認(rèn)為降雨后土壤層吸水達(dá)到最大含水量匯聚產(chǎn)生徑流隨后逐漸趨于穩(wěn)定直至消退，因此本研究中土壤的飽和含水量與徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)也表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

相反地，張興奇等（2015）在貴州喀斯特山區(qū)的研究顯示，坡度由5°增加至25°時(shí)，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量先顯著增加后大幅下降隨后又小幅增加，而本研究中坡度基本設(shè)置為 15—25°之間，與徑流系數(shù)和侵蝕模數(shù)未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性，可能是由于在設(shè)置樣地時(shí)，未將坡度作為主要梯度因子，各樣地間坡度差異不大導(dǎo)致。此外Carrol et al.（2000）認(rèn)為草本覆蓋可減弱雨滴對(duì)土壤的濺蝕，保護(hù)土壤團(tuán)聚體因?yàn)R蝕而分散，降低因地表徑流產(chǎn)生的水土流失，但在本研究中草本覆蓋度與地表徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)未呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，可能是由于本研究中灌木林和喬木林樣地郁閉度較高，林下草本覆蓋不足，因此在灌木和喬木林地草本覆蓋度并不是產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要影響因子。

天山北坡山地森林，除5—10月的夏季降雨外，11月至次年2月的冬季降雪周期長(zhǎng)、年積雪量大，3—4月春季融雪產(chǎn)生的徑流量不僅對(duì)周?chē)恿饔兄匾a(bǔ)給作用，也會(huì)對(duì)區(qū)域水環(huán)境的水文特征造成影響。周宏飛等（2009）和張?jiān)圃频龋?019）的研究結(jié)果表明，天山北坡山地森林林地林冠對(duì)降雪的截流量達(dá)到56.8%，春季融雪期雪嶺云杉林地產(chǎn)流率、產(chǎn)流速率和侵蝕量遠(yuǎn)小于裸地，從而具有更好的水土保持作用。不論是在降雨量較大的夏季，還是在融雪徑流較大的春季，林地均具有明顯的減流減沙效果，而不同植被類(lèi)型、林齡、郁閉度下的融雪期徑流特征還不明確，有待進(jìn)一步探討。

3.2 結(jié)論

在天山北坡山地森林，植被覆蓋會(huì)顯著減小坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量，隨著生長(zhǎng)階段和郁閉度的增加，天然喬木林徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)不斷增大。按照降水分配過(guò)程，天山北坡山地森林的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征主要受到植株高度、冠層活枝高，枯落物厚度、土壤飽和含水量等因素的影響。