摘要：通过以坝上高原典型区域尚义县的沙棘林地为研究对象，从林地枯落物蓄积量和持水能力，土壤物理性状、土壤蓄水量和土壤入渗性能等方面，对沙棘林枯落物与土壤的水文效应进行了研究。结果表明：沙棘林地枯落物的蓄积量为1.50×103 kg/hm2，枯落物有效拦蓄量达到3.86×103 kg/hm2，有效拦蓄深为0.39 mm。与裸沙地相比，沙棘林下与林间0～40 cm土层内的平均容重降低13.87%和4.05%，而总孔隙度较裸沙地增大13.95%和2.37%；沙棘林可增加土壤的有效持水量和饱和持水量，其林下与林间0～40 cm土层内的有效持水量为裸沙地同层次的有效持水量的3.73倍和2.28倍。沙棘林间和林下的土壤初渗速率和稳渗速率分别是裸沙地的1.79倍、1.34倍和1.67倍、1.29倍。说明沙棘林能够较好地改善该地区的土壤结构，具有良好的水文生态功能。
关键词：沙棘；枯落物；土壤物理性状；水文效应；坝上地区
中图分类号：S152文献标识码：A文章编号：1672-1683（2008）06-0064-04
Hydrological Effects of Forest Litter Layer and Soil Layer of Sea-buckthorn Plantation in Bashang Area
JIA Zhi-jun1，WANG Fu2，ZHEN Bao-yan1，LIU Yu-tao2，DONG Zhi2
(1. Hebei Extension and Experiment Center for Water Technology, Shijiazhuang 050061, China;
2.College of Forestry, Shandong Agricultural University, Tai"an 271018, China
)
Abstract: The litter layer and soil layer hydrological effects of sea-buckthorn plantation from material accumulation and water-holding capacity of litter layer, soil physical characteristics, soil water storage and soil infiltration were made. The results showed that: the dry material accumulation of litter layer was 1.50×103 kg/hm2, the modified interception amount was 3.86×103 kg /hm2，the effective interception depth 0.39mm. In comparison with bare sandy land, soil average bulk density under and between sea-buckthorn plantation decreased respectively 13.87% and 4.05% in the 0～40 cm soil layer, and soil total porosity increased 13.95%和2.37% respectively. Sea-buckthorn plantation could increased soil effective water-holding capacity and saturated water content; soil effective water-holding capacity under and between sea-buckthorn plantation was 3.73 times and 2.28 times to that of bare sandy land in the 0～40 cm soil layer. The initial infiltration rate and final infiltration rate under and between sea-buckthorn plantation were 1.79 times, 1.34 times, 1.67 times and 1.29 times more than that of bare sandy land. Sea-buckthorn plantation could improve soil structure and form good soil hydrology characteristics in Bashang plateau region of Hebei Province.
Key words: sea-buckthornplantation; litter; soil physical property; hydrological effects; Bashang region
河北坝上地区是中国北方生态脆弱地带中最为脆弱或敏感的地段［1］，也是我国土地退化的重度类型区。近年来由于气候因子的变化及人为因素影响的加剧，使坝上地区本来脆弱的草原植被的生产能力和载畜能力下降，土地退化的速度逐渐加速，农田风蚀扩大，沙化土地线向南推移，直接影响京津地区的生态安全［2］。为防治脆弱生态环境进一步恶化，结合退耕还林还草工程，坝上地区营建了大面积的沙棘生态经济林，在防风固沙、保持水土方面发挥了重要的功能。沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.)是胡颓子科落叶灌木或小乔木，具有耐旱、耐寒、耐瘠薄、耐盐碱的特点［3］。沙棘根系发达、固土力强，具有根瘤，可固氮，具有很强的水土保持及改良生态环境和土壤的功能；其果、叶经济潜力巨大，具有良好的发展前景。但在坝上地区关于沙棘的研究主要集中于资源数量调查、育苗栽培技术等方面，而关于沙棘林的枯落层与土壤层的水文生态效应，研究较少。本文以坝上高原退耕还林区的沙棘林为研究对象，进行了沙棘林枯落物层和土壤层的水文效应的定量研究，以期全面了解沙棘林的枯落物层和土壤层的水文生态效应，为该地区的退耕还林与水源涵养提供理论基础。
1 研究区概况
研究区位于河北省西北部张家口市北部的尚义县坝上高原，地处内蒙古高原东南缘，地理坐标为北纬41°08′00.1″，东经114°10′48.9″。研究区滩地与岗丘交错分布，呈波状高原景观，海拔1 571 m。气候属中温带半干旱大陆性季风气候，全年降水量少，年降水量在350～400 mm之间，降水期集中，年蒸发量1 700～2 000 mm，平均日照时数2 815.3 h，年均温3.5 ℃，≥10 ℃有效积温2 202.0 ℃，昼夜温差11 ℃～14 ℃，无霜期98 d。
研究区土壤为沙土，沙棘林林龄为4 a，生长良好，株行距为2 m×5 m，沙棘平均株高1.32 m，平均灌幅1.43 m×1.58 m，林地覆盖度40%；行间有萌蘖的沙棘苗，平均数量为2株，株高为25～60 cm，灌幅30 cm×40 cm。
2 研究内容与方法
2.1 枯落物蓄积量的调查方法
根据沙棘林的生长状况，在沙棘林内设立3块标准地，采用每块标准地机械布设1 m×1 m样方3个，用卷尺测量并记载枯落物层的厚度，由于未分解层和半分解层极不明显，只按半分解层计算，用尼龙袋收集后迅速称其鲜重，带回室内在85 ℃温度下烘干称重，以推算其单位面积蓄积量。
2.2 枯落物持水性能与有效拦蓄量的测定
采用室内浸泡法测定枯落物持水量及其吸水速率，将枯落物浸入水中后，分别测定其在15 min、30 min、1 h、2 h、4 h、8 h、12 h和24 h的重量变化，研究其吸水速率和吸水过程。每次取出称重后所得的枯落物湿重与其风干重差值，即为枯落物浸水不同时间的持水量，该值与浸水时间的比值即为枯落物的吸水速率［4］。
有效拦蓄量可用来估算枯落物对降雨的实际拦蓄量，采用公式W= (0.85Rm-Ro)M计算。
式中：W─有效拦蓄量(t/hm2)；Rm─最大持水率(%) ；Ro─平均自然含水率(%)；M─枯落物蓄积量(t/hm2) ［5］ 。
2.3 土壤物理性状及持水性能的测定
在上述枯落物调查的各标准地内，选取有代表性的样点挖取土壤剖面，分别按0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～40 cm取样。用烘干法测定土壤含水量，用环刀法测定土壤容重，环刀浸水法测定土壤孔隙度等物理性质［5］。
土壤持水性能的测定：
土壤有效持水量（mm）=1000×土壤非毛管孔隙度（%）×土层深度（m）
土壤饱和持水量（mm）=1000×土壤总孔隙度（%）×土层深度（m）
2.4 土壤入渗测定
采用单环法测定土壤入渗性能。
3 结果与分析
3.1 枯落物的水文效应
3.1.1 枯落物蓄积量 枯落物蓄积量受多种因子的影响，如林龄、林分组成、林型、生长季节、气候、人为活动、分解速度、本身的厚度和性质等［6-8］。每年秋季，沙棘的落叶与枯萎的草本植物在沙棘林地表聚积，并逐年积累形成海绵状的枯落物层，发挥着水土保持的功能。调查结果表明，由于沙棘林林龄偏小，枯落物厚度较小，平均为0.4 cm，在植穴附近的枯落物聚积厚度最大可达1.0 cm。从蓄积量上看，3块样地的蓄积量分别为1.40×103 kg/hm2，1.62×103 kg/hm2和1.47×103 kg/hm2，林地的平均蓄积量为1.50×103 kg/hm2，见表1。
3.1.2 枯落物持水过程 枯落物层的持水能力是反映枯落物层水文作用的一个重要指标，主要通过吸水速率、持水率、持水量等指标来反映［9］。枯落物持水量与浸泡时间具有一定的相关关系，由图1可知，在最初浸泡的半个小时内，枯落物持水量迅速增加，而后随着浸泡时间的延长呈现不断增加的趋势，但增加速度逐步放缓，24 h基本达到最大值，枯落物吸水量达到饱和。这一趋势与枯落物拦蓄地表径流规律相似，即降雨初期，枯落物拦蓄地表径流功能较强，此后随枯落物湿润程度的增加，吸持能力降低［10］。
对24 h的平均持水量Q（g/kg）和浸泡时间t（h）进行回归分析，在该时间段内平均持水量与浸泡时间之间存在对数函数关系，其拟合方程为Q=188.03ln(t)+3342.89，相关系数R=0.873＞r(8，0.000 5)＝0.872，因而，二者之间的拟合关系表现出较好的相关性。另从持水过程线看出，沙棘枯落物层持水量浸泡达到8 h的时候基本饱和。
图1 沙棘枯落物持水过程线 Fig.1 The water-holding course of seabuckthorn litters
3.1.3 枯落物吸水速率 图2为沙棘枯落物吸水速率曲线，由图2可知，枯落物的吸水速率表现出一定的规律性。枯落物在前15 min内吸水速率最大，之后急剧下降，4 h左右时下降速度明显减缓。这是由于随着浸泡时间增长，枯落物逐渐趋于饱和，枯落物持水量接近其最大持水量，因而持水量增长速度也随之减缓所致［11］。对枯落物平均吸水速率V与浸泡时间t进行拟合，发现二者符合幂函数关系，拟合方程为V=
图2 沙棘枯落物吸水速率与浸泡时间关系Fig.2 The relation of water absorption rate and time of seabuckthorn litters
3 321.50t-0.94（R2 = 0.998 7），其相关系数R＝0.999 3＞r(8，0.000 5)＝0.872，相关性显著。
3.1.4 枯落物对降雨的有效拦蓄量 枯落物的最大持水率和饱和持水量一般只能反映枯落物的持水能力大小，不能反映枯落物对实际降水的拦蓄能力；而有效拦蓄量是反映枯落物对一次降雨拦蓄的指标，枯落物的实际持水率为最大持水率的85%左右［8］，所以，一般用有效拦蓄量来计算枯落物对降水的实际拦蓄量。
由表1可知，沙棘林枯落物的最大持水率为311.98%，饱和持水量达4.66 t/hm2，而有效拦蓄率为257.43%左右，有效拦蓄量为3.86 t/hm2，有效拦蓄深为0.39 mm左右。
表1 沙棘林枯落物有效拦蓄能力
Tab.1 The modified interception capacity of seabuckthorn litters
样地蓄积量/（103kg·hm-2）自然含水率（%）最大持水率（%）饱和持水量/（103kg·hm-2）有效拦蓄率（%）有效拦蓄量/（103kg·hm-2）有效拦蓄深/mm
11.407.95321.764.50265.553.720.37
21.627.49303.154.91250.194.050.41
31.477.81311.044.57256.573.770.38
平均1.507.75311.984.66257.433.860.39
3.2 土壤物理性状和持水性能
土壤的物理性状指土层厚度、土壤容重及土壤孔隙度（包括总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度）等指标，土壤的物理性状直接影响到土壤的持水性能、保水能力等［12］。
由表2可知，沙棘林间和林下不同土层的土壤容重较空地相对应土层的容重有所减少，而且沙棘林下的土壤容重也明显小于林间相对应土层的容重。以0～5 cm土层为例，裸沙地的土壤容重为1.70 g/cm3，而沙棘林间和林下的土壤容重分别为1.64 g/cm3和1.45 g/cm3，分别较裸沙地小3.53%和14.71%；而且沙棘林下的土壤容重也较林间降低11.58%。比较总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的大小，基本上表现为沙棘林下>沙棘林间>裸沙地的规律。就0～40 cm土层的平均土壤容重与孔隙度而言，沙棘林下与林间的土壤容重分别较裸沙地降低13.87%和4.05%，总孔隙度增加13.95%和2.37%。这是由于沙棘枯落物的分解、根系的固氮作用及穿插增加了土壤有机质，改善了土壤结构，土壤物理性状得到改善，使得沙棘林林间和林下的土壤物理性状好于裸沙地；同时，沙棘林下的枯落物和根系要多于林间，物理性状也好于林间。从容重、孔隙度的垂直分布看，大致表现为随土层深度的增加，土壤容重增大、孔隙度减小的趋势，这一分布特征与上层土壤接受枯落物多、成土作用明显有关。
土壤持水性能涉及土壤毛管持水量和土壤饱和持水量，反映了土壤蓄水能力的大小。根据公式计算了沙棘林地及裸沙地的土壤有效持水量和土壤饱和持水量。由表2可知，沙棘林间与林下的土壤饱和持水量和有效持水量皆高于空地的土壤饱和持水量和有效持水量。裸沙地0～40 cm土层的饱和持水量与有效持水量分别为138.22 mm和4.32 mm，而沙棘林间40 cm土层内的饱和持水量与有效持水量分别为138.75 mm和9.85 mm，沙棘林下的为150.54 mm和16.12 mm。与裸沙地相比，林间与林下的饱和持水量有所增加，但增加幅度不大；而林间与林下的有效持水量明显增大，分别是裸沙地的2.28倍和3.73倍。由此可见，与裸沙地相比，沙棘林能够有效地增加土壤的有效持水量和饱和持水量，具有较好的蓄水能力。
表2 沙棘林地和裸沙地土壤物理性状及持水性能
Tab.1 The soil physical property and water-holding capacity of plantation and bare sandy land
样地土层深度/cm土壤容重/（g·cm-3）总孔隙度（%）毛管孔隙度（%）非毛管孔隙度（%）土壤含水量（%）土壤饱和持水量/mm土壤有效持水量/mm
3.3 土壤入渗性能
土壤入渗性能是评价林分水源涵养功能的重要指标，土壤入渗性能好，地表径流就少，产生的土壤侵蚀量也相应的减少［13］。通过测定沙棘林地及空地的土壤入渗速率与入渗过程，对其入渗曲线进行拟和，确定相应的入渗回归方程，并绘制入渗过程曲线。由表3和图3可知，沙棘林下的初渗速率为15.80 mm/min，林间的为11.82 mm/min，而裸沙地为8.79 mm/min，林下和林间的初渗速率分别是空地的1.79倍和1.34倍；在稳渗速率上，沙棘林下为7.15 mm/min，林间为5.53 mm/min，裸沙地的为4.28 mm/min，林下和林间的稳渗速度分别为空地的1.67倍和1.29倍。从整个入渗过程看，沙棘林地由初始入渗到稳定入渗始终好于裸沙地的入渗性能。这说明，沙棘通过改善土壤物理性状使得土壤入渗性能得到提高，尤其在林下沙棘的根基周围。
表3 沙棘林地和裸沙地土壤渗透速率与入渗回归方程
Tab.3 The soil infiltration rate and regression equation in different sites
土地类型初渗速率/（mm·min-1）稳渗速率/（mm·min-1）渗透方程R
沙棘林下15.807.15f=14.941t-0.354 5R2=0.929 4
沙棘林间11.825.53f=12.154t-0.336 3R2=0.923 8
裸沙地8.794.28f=8.412t-0.286 4R2=0.828 2
注：f—土壤入渗速率，mm/min；t—入渗时间，min。
图3 沙棘林地和裸沙地土壤入渗过程曲线
Fig.3 The curve of soil infiltration process in forest land and bare sandy land
由表3可知，入渗速率与入渗时间存在较好的幂函数关系，即：f=at-b，式中：f为入渗速率(mm/min)，a和b为常数，t为入渗时间(min)，且沙棘林下与林间拟合的幂函数曲线相关系数均在0.90以上，相关性检验表明，沙棘林下、沙棘林间和裸沙地的相关系数均大于r(10，0.0005)＝0.823，相关性显著。
4 结语
①沙棘林地枯落物的蓄积量为1.50 t/hm2，枯落物饱和持水率为311.98%，枯落物有效拦蓄量达到3.86 t/hm2，有效拦蓄深为0.39 mm，表现出了很强的吸水能力。
②枯落物持水量Q与浸泡时间t存在对数关系Q=Aln(t)+B，在8 h时枯落物基本达到饱和；枯落物吸水速率V与浸泡时间t间符合幂函数关系V=ktn，在4 h时吸水速率逐渐减缓。
③沙棘对土壤容重、孔隙度等物理性状有较好的改良作用，与裸沙地相比，沙棘林间与林下0～40 cm土层的平均容重较裸沙地降低4.05%和13.87%，而总孔隙度较裸沙地增大2.37%和13.95%。沙棘林下与林间0～40 cm土层内的饱和持水量分别为150.54 mm和138.75 mm，较裸沙地有所增大；有效持水量分别为16.12 mm和9.85 mm，分别为裸沙地同层次有效持水量的3.73倍和2.28倍。说明沙棘林可增加土壤的有效持水量和饱和持水量，具有较好的蓄水能力。
④沙棘林地从初始入渗到稳定入渗的整个土壤入渗过程始终表现好于裸沙地。林间和林下的土壤初渗速率和稳渗速率分别是裸沙地的1.79倍、1.34倍和1.67倍、1.29倍，说明沙棘林具有较好地增加土壤入渗量、减少地表径流量的效果。
总之，在坝上地区的退耕还林还草工程中，合理发展沙棘林能有效地改良土壤物理性质，提高土壤持水、保水和透水能力，有效地减少地表径流量，具有良好的保持水土、涵养水源等水文生态作用。
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