河北省太行山区钙果的水土保持性能分析

贾永国，王淑芬，郭 贤*

（1.河北省水资源研究与水利技术试验推广中心，河北 石家庄 050061；2.河北地质大学，河北 石家庄 050031）

植被建设是生态工程的重要组成部分，但植物资源相对贫乏，尤其是具有生态、经济和社会效益的植物资源相当缺乏，限制了生态环境的发展[1]。而适度引进优良植物种质资源，丰富植物品种的生态多样性，对我国生态环境建设具有非常重要的意义[2]。河北省太行山区是我国国家级水土流失重点治理区[3]，共涉及18个县（市），区域面积26 659.41 km2，其中重点治理面积9 245.65 km2，水土流失治理任务较重。但是，在该区域兼有水保功能和经济效益的植物资源非常短缺。钙果，学名欧李（Prunus humilis Bge sok），为蔷薇科（Rosaceae） 樱桃属（Prunus） 的一种多年生落叶小灌木，也是我国特有的果树资源，其果实钙含量极高，被称为“补钙之星”，而且根系庞大，基生枝和根蘖发达，抗逆性强，具有成活率高、生长快、覆盖率高、抗干旱、耐瘠薄、耐寒等特点[4，5]，生态效益和经济效益俱佳。

钙果原生于我国北方边远山区等一些人口稀少的地区，20世纪80年代前并未引起人们的注意。80年代中期，许多果树工作者认识到钙果的潜在价值，开始对其进行系统的资源调查。进入90年代，一些科研论文相继发表，但研究主要集中在资源调查、育苗、品种选育和果实加工等方面，如，建立了钙果种质资源圃，培育出栽培性状优良的钙果优系[6～10]，并在山西和内蒙等地进行了栽培技术和适应性研究[11～18]。贾永国等[19]在河北省太行山区进行了多年多点的钙果引种试验，结果表明，钙果具有良好的适应性。但截至目前，关于钙果在该区域水土保持性能指标如土壤入渗减少径流量、树冠截留能力等的研究尚未见报道。通过模拟径流场试验，对钙果林地的水保性能指标进行研究，旨为钙果在河北省太行山区的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

钙果试材为山西农业大学培育的农大钙果3号（主栽品种）和5号（授粉品种）。主栽品种与授粉品种按数量比4∶1进行配置，株行距0.5 m×0.8 m，测试林地为3 a生林分。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 河北省太行山区水土流失以水力侵蚀为主，由地表径流引起的土壤侵蚀是水力侵蚀的主要形式。针对太行山低山丘陵区的水土流失状况，本研究中将钙果种植在15°坡面的微型径流小区上。试验在石家庄市东营模拟径流场进行。土壤环境条件设钙果林地（已种植钙果3 a）、自然植被和裸地3个处理。小区投影面积4 m×5 m，随机区组排列，3次重复。

1.2.2 测定项目与方法 水土保持性能指标测定方法主要参照《水土保持试验规程》 （SL 419—2007）[20]，根据实际情况有所调整。利用人工模拟降雨，重点监测人为扰动坡面种植钙果防止水土流失能力以及固土保水能力和冠层截流雨水的能力。

1.2.2.1 地表径流。利用ZKSB-3全自动测控便携式模拟降雨机人工模拟大暴雨情况，降雨历时60 min。观测坡面径流的形成过程，用径流桶来承接径流，计算径流产生量和泥沙产量。

1.2.2.2 土壤入渗速率。利用改良同心环法测定。主要设备有无底同心铁环2个、特制量杯1只、透水性无纺布若干片、1 000 mL量筒1个、木桶和木锤等。其中，同心铁环的外环直径为60 cm、内环直径为30 cm，环高15 cm、厚度约5 mm，环下沿呈刀口状。选择有代表性的测点，用木锤先后将内环、外环按照同一圆心打入土中，入土深度一般为10 cm，环口水平。对内环定量加水，外环不定量但应同时加水，并注意内外环水面大致相平。用秒表测定内环水入渗时间，在观测的同时备好下一次的水，待水分全部入渗后计时；然后，对内、外环再同时加水，到最后内环每次加入等量的水，入渗时间基本一致时（即达到稳渗状态）为止。根据加水量、内环面积和入渗时间，计算土壤的入渗速率。

1.2.2.3 土壤贮水蓄水能力指标。分别选择钙果林地、自然植被区和裸地，采用对角线取样法，测定0～1 m土层的土壤容重和孔隙度等。每个处理均重复3次，结果取平均值。

1.2.2.4 冠层截留降水量（H）。在标准地内随机选定1 m×1 m的样方，刈割样方内的所有植株，称其枝叶重量；然后，浸入水中20～30 min，取出，待枝叶不再滴水时重新称重。如此，用不同的样品重复3次。计算枝叶最大吸水率（P）和H：

式中，P—枝叶最大吸水率（%）；g1—吸水前的枝叶样品重量（kg），g2—吸水后的枝叶样品重量（kg）；H—冠层截留降水量（mm）；G—每个样方枝叶的平均重量（kg）；W—样方面积（m2）。

以连翘和丝棉木的冠层截留能力为对照。

2 结果与分析

2.1 钙果林地的减少地表径流能力分析

在降雨历时60min、降雨量80.8mm情况下，20m2的微型径流小区内，钙果林地的地表径流量为140.15kg，分别较自然植被区（299.25 kg）、裸地区（372.25 kg）减少了53.16%和63.35%；泥沙量为253.87 g，分别较自然植被区（406.38 g）、裸地区（1 299.15 g） 减少了37.53%和80.46%（图1）。可以看出，种植钙果3 a的钙果林地较自然植被区和裸地可以明显减少地表径流，有效拦蓄泥沙。

图1 种植钙果对土壤地表径流的影响Fig.1 Effect of C.humilises on soil surface runoff

2.2 钙果林地的土壤渗透性能分析

土壤入渗是指降落到地面上的雨水从土壤表面渗入土壤的过程。其是降雨—径流—循环中的关键环节，土壤渗透性能是评价林分水源涵养功能的重要指标。

从土壤入渗速率曲线图（图2）可以看出，无论是钙果林地还是裸地，土壤入渗速率一开始均较快，之后，随着时间的延长和渗水量的增大而逐渐减小，最后达到稳渗状态。其中，种植钙果3 a林地的土壤初渗速率为6.48mm/min，是裸地（1.77mm/min）的3.66倍；土壤稳渗速率为0.53 mm/min，是裸地（0.32 mm/min）的1.66倍。表明与裸地相比，种植钙果3 a能够形成良好的土壤团粒结构，改良土壤物理性状，提高土壤的水稳定指数，增加土壤入渗和贮水的能力。

图2 种植钙果3 a林地土壤的入渗过程曲线Fig.2 The curve of infiltration process in C.humilises land planted for three years

2.3 钙果林地的土壤贮水蓄水能力分析

土壤容重、孔隙度和机械组成等可以反映土壤的贮水蓄水能力。其中，土壤容重是反映土壤物理性状的一项重要指标，其大小取决于土壤质地、结构、孔隙度和腐殖质含量等，土壤容重越小表明该土壤结构越好。一般情况下，可将土壤非毛管孔隙饱和时的含水量作为土壤有效贮水量，土壤总孔隙饱和时的含水量作为土壤最大贮水量。因此，增加土壤非毛管孔隙度，可以提高土壤的入渗性能，从而提高土壤的蓄水能力。

钙果林地的土壤容重为1.36 g/cm3，分别较裸地、自然植被区降低了8.72%和6.21%；土壤总孔隙度为46.98%，分别较裸地、自然植被区提高了3.65个百分点和2.74个百分点；土壤非毛管孔隙度为15.75%，分别较裸地、自然植被区提高了5.02个百分点和4.38个百分点（表1）。可以看出，种植钙果3 a的钙果林地土壤物理结构明显优于自然植被区和裸地，土壤的贮水蓄水能力明显提高。

表1 种植钙果对1 m内土壤物理性能的影响Tab1e 1 Effect of C.humilises on 1 m depth soil physical properties

2.4 钙果冠层对雨水的截留能力分析

连翘和丝棉木具有良好的冠层截留能力。钙果枝叶的最大吸水率范围为30%～33%，冠层对降水的截留能力与连翘基本相当，但高于丝棉木（图3）。表明钙果的枝叶具有良好的吸水性能，其冠层对雨水的截留能力强。

图3 钙果枝叶的最大吸水率Fig.3 Maximum water absorption of C.humilises canopy

3 结论与讨论

水土保持性能主要体现在植物对径流和泥沙的机械阻挡[21]，以及土壤物理结构的改善、冠层截留能力的增强、水土流失的有效控制等方面。通过钙果林地、自然植被和裸地等不同小区的径流试验，本研究主要得出以下结论：

（1）钙果林地能够有效拦蓄地表径流和泥沙，水土保持效果显著。钙果种植小区的地表径流量和泥沙量均明显低于自然植被区和裸地，其中，径流量分别减少了53.16%和63.35%，泥沙量分别减少37.53%和80.46%。

（2）钙果林地的土壤物理结构明显优于自然植被区和裸地。钙果种植区的土壤容重为1.36 g/cm3，较裸地（1.49 g/cm3）和自然植被区（1.45 g/cm3）明显降低，土壤总孔隙度和非毛管孔隙度均高于裸地和自然植被区，土壤入渗性能明显提高，从而提高土壤的蓄水能力。

（3）钙果林地能有效提高土壤的渗透速率。据测定，钙果林地的土壤初渗速率为6.48 mm/min，稳渗速率为0.53 mm/min，分别为裸地的3.66倍和1.66倍。

（4）钙果冠层对雨水的截留能力强。钙果枝叶具有良好的吸水性能，最大吸水率范围为30%～33%，冠层截留降水的能力与连翘基本相当，但明显高于丝棉木。