黄土高原水源涵养林截蓄降雨研究进展

郑飞龙 谭军利 王西娜

摘 要：黃土高原地区水源涵养林建设对生态环境及水文循环过程产生了深刻的影响，有关学者对此开展了大量研究工作并取得了丰富的成果，但缺少系统的总结和归纳。为了给黄土高原地区水源涵养林建设提供技术参考，从林冠层的截留能力、枯枝落叶层的截持能力和林地土壤的持水能力3个方面，对黄土高原地区水源涵养林截留和拦蓄降雨研究的有关文献及成果进行了系统整理。林冠层对降雨的截留是降雨在数量和空间上的第一次分配，本质是植被叶面吸附降水，截留量和截留率受降雨量、降雨强度、降雨历时等气象因子和树种组成、林龄、郁闭度等林分特征的影响，林冠层截留量占降水量的5%～10%，截留的水量从叶面蒸发，无法被植物利用;林地枯落物层对降雨的截留是对到达地面的降雨进行第二次分配，其主要影响因素是枯落物累积量和微生物对枯落物的分解情况，保护好枯枝落叶层对于水土保持、涵养水源和水分循环等生态功能具有重要意义;林地土壤层能够贮存70%～80%的降水量，可有效涵养水源，是对降水的第三次分配，影响林地土壤持水性能的主要因素是土壤孔隙度和黏粒含量，不同林分类型的土壤孔隙度、土壤持水能力差异明显，混交林能有效截留降水并提高林地土壤的入渗率和入渗量。目前，对黄土高原水源涵养林拦蓄降雨的定性研究较多，定量研究还不够深入，尤其是土壤水分的量化指标还不够全面，这是需要深化研究的重要内容之一;此外，如何保持水源涵养林土壤水分的动态平衡也是需要研究的重要内容。

关键词：水源涵养林;林冠层;枯枝落叶层;土壤水分;降雨;截留;黄土高原

中图分类号：S727.21;P332.1;TV213   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.018

Abstract：The construction of water conservation forest in the Loess Plateau has a profound impact on the ecological environment and hydrological cycle process. Although some relevant scholars have carried out a lot of researches and achieved rich results， there are lack of systematic summaries and inductions. In order to provide technical reference to the construction of water conservation forest in the Loess Plateau area， this paper systematically summarized the relevant literatures and achievements on the interception and rainfall interception of water conservation forest on the Loess Plateau from three aspects： canopy interception capacity， litter interception capacity and soil water holding capacity. The interception of rainfall by forest canopy is the first distribution of rainfall in quantity and space. The essence of interception is that rainfall is absorbed by vegetation leaves. The interception and interception rate are influenced by meteorological factors such as rainfall， rainfall intensity， rainfall duration， tree species composition， forest age and canopy density. Canopy interception accounts for 5% to 10% of precipitation. The interception water evaporates from the leaf surface and cannot be used by plants. The interception of rainfall by forest litter layer is the second distribution of rainfall after reaching the ground. The main influencing factors are litter accumulation and microbial decomposition of litter. Protecting litter layer is of great significance to the ecological functions of soil and water conservation， water conservation and water cycle. The forest soil layer can store 70%-80% of precipitation， and effectively conserve water resources， which is the third distribution of precipitation. The main factors affecting the water holding capacity of forest soil are soil porosity and clay content. The soil porosity and water holding capacity of different forest types are of significantly difference. Mixed forests can effectively intercept precipitation and then improve soil infiltration rate and infiltration. At present， there are many qualitative studies for rainfall interception of water conservation forest in the Loess Plateau， but quantitative studies are not deep enough， especially the quantitative indicators of soil moisture are not comprehensive enough， which is one of the important contents to be further studied. In addition， how to maintain the dynamic balance of soil moisture in water conservation forest is also an important content to be studied.

Key words： water conservation forest; canopy; litter layer; soil moisture; rainfall; interception; Loess Plateau

黄土高原地区土层深厚、地下水位埋藏较深，降水量小但蒸发强烈，土壤水分是植被唯一能够直接利用的水资源和生长发育的主要限制性因子[1]。受气候变化及人为干扰的影响，地表植被严重退化、覆盖率较低，水土流失严重。近年来，在国家大力推行退耕还林（草）政策的背景下，黄土高原地区开展了大规模的生态和植被恢复工程建设，水源涵养林就是其中重要的建设内容[2-3]。适宜的水源涵养林营造模式既能减少暴雨对坡面的直接冲刷、延缓产流过程，又能增加降雨入渗、促进植被的恢复，因此利用好植物生长和土壤水分之间的关系，对黄土高原地区生态恢复、控制水土流失具有重要作用。

有关学者对黄土高原地区水源涵养林截留降水的机理和林地土壤水分开展了大量研究并取得丰富成果，但缺少系统的总结和归纳。笔者从林冠层的截留能力、枯枝落叶层的截持能力和林地土壤的持水能力3个方面，对黄土高原地区水源涵养林截留降雨及土壤水分的有关研究成果进行系统整理，旨在为黄土高原地区水源涵养林建设提供技术参考。

1 林冠层的截留能力

降雨在到达地面之前，首先受到林冠层截留，分为林冠截留、树干茎流和林内降水三部分，这是降雨在数量和空间上的第一次分配[4]。相关研究表明，林冠层截留量占降水量的5%～10%，截留的降水从叶面蒸发，无法被植物利用[5]。林冠层截留量和截留率的大小主要受气象因子和植物本身特性的影响，本质是植被叶面吸附降水。

1.1 气象因子的影响

有关研究表明，降雨量是影响林冠截留的最主要因素，其与林冠截留量和林冠截留率的关系完全不同，降雨量与截留量间一般为对数函数关系，而降雨量与截留率之间为负幂函数关系[6]。在降雨初期，降雨量小于1.0 mm时雨水可以全部被林冠层吸收，超过该临界值后随降雨量和降雨历时的增加截留量不断增大，但截留率会减小，当林冠截留达到完全饱和后，雨水将全部穿过林冠层到达地面[7]。党宏忠等[8]研究青海云杉林冠截留特征时，曾把林冠截留率分成快变期、渐变期和稳定期3个阶段。通常情况下，降雨强度与截留量成反比：雨强较小时，林冠层对雨滴有显著的积聚和汇流作用，雨水能够充分湿润枝叶表面，截留能力较强[9];而雨强较大时，雨强越大林冠层达到饱和的时间越短，截留能力越差。

1.2 林分特征的影响

不同的植被组成导致林冠截留能力呈现出波动性大、稳定性小等特点[10]。周泽福等[11]在山西五台山对油松纯林、落叶松纯林、落叶松幼林、桦木-落叶松混交林、桦木-青杨混交林、桦木纯林等6种水源涵养林林冠截留情况的研究表明，油松纯林截留率最高、桦木纯林截留率最低，针叶林截留量较大、针阔叶混交林截留量次之、阔叶林截留量最小，原因是针叶面积指数大、毛细张力大，对水分的吸附作用强，而阔叶则相反，吸附作用较弱。张建军等[12]在山西吉县黄土区的研究表明，油松-刺槐混交林有较高的林冠截留率。不同植被类型的截留率存在很大差异。方书敏[13]研究结果表明，陇中黄土高原地区柠条、沙棘和油松林的林冠截留率分别可达28.0%、18.3%和22.4%。

马雪华[14]认为：林冠层的截留率和截留量随着郁闭度的提高而增大，林冠截留率与郁闭度呈现正相关关系。谭俊磊等[15]在甘肃大野口关滩森林实验站（属丘陵沟壑区）测得青海云杉林的郁闭度在65%～100%区间内逐渐提高时，林内穿透雨量呈逐渐减小的趋势，表明在一定郁闭度范围内林冠截留量随郁闭度的提高而增加。

随着林龄的变大，叶片数量会相应增加、冠层厚度变大，进而会使植被郁闭度提高，增加降雨在冠层中的历时。刘章文等[16]对祁连山灌丛树干茎流特征的研究结果表明，树干茎流能够补给植物根际区的土壤水分，还能够将附着在树干上的养分带到植物根际区，树干茎流量的大小与降雨量呈对数函数正相关关系，虽然树干茎流占比很小，但对树木生长非常重要。

综上所述，林冠层截留受气象因子和植物特性的影响。降雨量在很大程度上影响着林冠层截留的强弱，随降雨量的增加，林冠截留量不断增大，但降雨量超过某一临界值后林冠截留率会基本稳定或降低，降雨强度、降雨历时、风等因素也不同程度地影响着林冠截留量;树种组成不同会导致林冠截留能力存在差异，在营造水源涵养林树种选择时对此应充分考虑;经林冠截留后，削弱了大气降水对土壤水分的补给作用，在延缓地表径流形成的同时，改变了林地的水分循环;植被的树干茎流能够明显地补给植物根际区的土壤水分。

2 枯枝落叶层的截留能力

降雨经林冠层截留后到达地面前，会受枯落物层的截留而进一步减少，这是对到达地面的降雨量进行第二次分配。吴杨熙等[17]研究表明，枯落物层的截留量占降雨量的比例为8%～10%，直接影响到林下土壤的通气状况和对土壤水分的供应、营养元素循环和林地的水文特征等。刘向东等[18]对六盘山黄土丘陵区油松林的研究结果表明，枯枝落叶层的蒸发量和截留量相当，二者共同维持着枯枝落叶层的水量动态平衡。影响枯枝落叶层截留量的因素有林型、林龄、人为活动、枯落物的累积量和微生物分解情况等，其中主要影响因素是枯落物的累积量和微生物对枯落物的分解情况。

2.1 枯落物累积量对截留能力的影响

一般情况下，随着枯枝落叶增多、枯落物层厚度变大，拦蓄的雨量也会变大。刘凯等[19]对青海高寒山区云杉-白桦混交林、云杉-落叶松混交林、云杉林、落叶松林、白桦纯林等5种林分的水源涵养功能研究表明：云杉-白桦混交林的枯落物储量为41.52t/hm2，是白桦纯林枯落物储量11.25t/hm2的3.7倍，最大持水率为353.50%，是白桦纯林最大持水率304.57%的1.16倍;云杉-落叶松混交林最大持水率为301.47%，是落叶松纯林最大持水率246.60%的1.22倍，最大持水量118.42 t/hm2是白桦纯林最大持水量34.26t/hm2的4.28倍，原因是混交林的郁闭度比单一纯林的高，枯落物储量更大。蒋积荣等[20]对比分析甘肃祁连山和云南元阳梯田水源涵养林发现：祁连山水源涵养林枯落物厚度为3.17 cm，是元阳梯田水源涵养林枯落物厚度2.33 cm的1.4倍;水源涵养林枯落物最大持水量和平均持水率，祁连山分别为79.01t/hm2和294.05%，是云南元阳4.76t/hm2和173.46%的16.61倍和1.7倍。丁绍兰等[21]研究了青海黄土丘陵区云杉等13種植被类型的枯落物层持水能力，结果表明不同类型植被的枯落物平均蓄积量、土壤总孔隙度、非毛管孔隙度与持水能力有相似的关系。张晓艳等[22]研究表明：枯落物层阻断了土壤毛管孔隙的相互连通，降低了土壤蒸发量;枯落物的分解能够改善土壤结构，增强土壤入渗能力，从而增强土壤层转化降水的能力。有关研究[23-24]表明：枯落物的有效拦蓄量约占最大持水量的80%，当降雨到达坡面枯落物层时，一部分被拦蓄，另一部分很快下渗，不会形成长时间浸水，因此有效拦蓄量实际上并不等于最大持水量。

2.2 枯落物分解对土壤渗透性的影响

枯枝落叶分解后，能释放养分到土壤中，进而改善土壤结构、提高土壤渗透性[25]。一方面，枯落物分解后会形成大量腐殖质，有利于土壤孔隙和团粒结构的形成，团粒结构越多、土壤孔隙度较高，持水能力就越强;另一方面，枯落物为土壤中的各种生物提供了食物，生物活动增大了土壤的总孔隙度，进而改善土壤渗透性。混交林的枯落物量、养分含量远高于单一纯林，且分解的腐殖质形成了大量孔隙。纳磊等[26]研究表明，土壤非毛管孔隙度对土壤入渗性能影响较大，其与土壤容重之间成负相关关系。综上所述，枯落物厚度和微生物的分解情况是影响枯枝落叶层截留量的主要因素，而混交林的枯落物量远大于单一纯林的。

枯枝落叶层能够截留大量雨水的原因：枯枝落叶层有较强的持水性和透水性，避免了降雨对地面的直接侵蚀，减少了径流泥沙量，加速了水分下渗和土壤的吸收[27];枯枝落叶层增大了地面粗糙度，减小了地表径流速度，改善了土壤结构，提高了土壤持水能力[28];对降雨对土壤产生的直接破坏起到了缓冲作用，并增大了入渗量[29]。因此，保护好枯枝落叶层对于水土保持、涵养水源和水分循环等生态功能具有重要意义[30]。

3 林地土壤持水能力

林地土壤层能够贮存70%～80%的降雨量，有效涵养水源，是对降水的第三次分配[31]。影响林地土壤持水性能的因素有土壤质地、孔隙度、黏粒含量、盐分含量、非毛管孔隙度、有机质含量等，其中主要影响因素是土壤孔隙度和黏粒含量。

3.1 土壤孔隙度的影响

史玉虎[32]研究表明，不同林分类型的土壤持水能力有较大差异，土壤孔隙度越大、结构越松散，土壤渗透性就越强。耿生莲等[33]对西宁市南北山云杉的研究表明，树种配置丰富的混交林土壤持水能力明显强于树种单一的纯林，如青海云杉-河北杨混交林地的土壤持水能力远高于树种单一或树种不丰富林地的，混交林模式的植被改变了林下土壤物理性质，进而改善了其持水能力。刘宇等[34]对松-栎混交林、荒草地和农用地的研究表明，松-栎混交林的土壤密度最小，且土壤的蓄水性能和渗透性能均最好，这与潘紫文等[35]对黑龙江林地和荒草地土壤入渗能力的研究结论相同。张钦[36]研究表明，混交林的土壤非毛管孔隙度和有效蓄水能力较强。

林地对调节土壤的酸碱性和理化性质也有重要作用[37]。不同林分的土壤蓄水性能差异较大，侯贵荣等[38]对黄土残塬沟壑区油松林、刺槐林、油松-刺槐混交林3种林型的水源涵养情况研究表明：油松-刺槐混交林的有效持水量达81.73 t/hm2，是油松纯林有效持水量32.99 t/hm2的2.47倍;最大持水率为387.12%，是油松纯林最大持水率305.76%的1.266倍，油松-刺槐混交林涵养水源的能力明显强于单一纯林的。混交林的枯落物含量、最大持水量、最大持水率远高于单一纯林的，土壤孔隙度比单一纯林的大 [39]。

3.2 黏粒含量的影响

很多研究[40-41]表明：随着黏粒含量的提高，土壤颗粒比表面积增大，因而可以携带更多的电荷、吸引更多的水分子，大幅提升土壤持水能力;林地枯落物经过微生物分解后可以形成腐殖质或非腐殖质，提高黏粒含量，有利于更多的矿质土壤颗粒形成大量团粒结构，增强土壤的入渗性能。因此，土壤持水性能和土壤黏粒含量有很强的相关性，多树种混交有利于提高土壤的持水能力。

综上所述，土壤孔隙度和黏粒含量是影响土壤持水能力的主要因素，不同林分类型的土壤孔隙度、土壤持水能力差异明显，混交林能有效截留降雨并提高林地土壤的入渗率和入渗量[42]。就黄土高原地区来说[43-44]：一方面土壤的理化性质决定了土壤贮水保墒能力，另一方面不同类型的林地水分涵蓄渗透时间和径流损失也不同，不同立地条件下林地性质有明显的差异，黄土梁、峁顶部大部分人工林树形矮小，其林地土壤持水能力较差。在林草布局时，要根据地形、坡度、坡面等地理特征，采取水平阶、水平沟等造林措施，以提高造林成活率，达到最佳涵养水源的效果[45]。

4 研究展望

（1）目前，对黄土高原水源涵养林在林冠截留量、枯枝落叶截留量和土壤持水能力方面定性研究较多，定量研究还不够深入，尤其是土壤水分的量化指标还不够全面，因此可运用土壤水动力学模型，从能量、水量平衡、土水势角度，根据植被各生长时期的发育特点，结合林分、气象因子等进行深入研究，确定土壤物理性质和植被生长的动力学指标，量化并建立土壤水分与植被恢复的互馈关系，以确定某一具体地区水源涵养林土壤水分的主控因子，为水源涵养林的营造提供科学依据。

（2）杨文治[46]认为，在黄土高原地区的河谷和黄土丘陵地带适当发展防护林以提高植被覆盖率，将有效降低风速和水分蒸发量。但有研究指出，人工林在某种程度上是消耗土壤水分的“抽水机”，不合理的植被覆盖和盲目造林，会改变植被与土壤间水分的动态变化规律，不利于区域地下水补给和水分循环，形成土壤干层等[47]。甘肃省定西市安定区针对土壤干层现象，采用隔坡水平阶径流调控工程措施，一定程度上改善了水分不足导致的土壤干层现象[48]。但如何保持水源涵养林土壤水分的动态平衡，仍需开展进一步研究。

（3）目前，对于黄土高原土壤水分的研究尺度主要有两种，一是黄土高原地区水资源与水循环间的影响和土壤水分的区域分异特征等大尺度，二是影响局部区域土壤水的小尺度。土壤水的影响因子和变化规律随着研究尺度的不同而不同，对于土壤水分与水源涵养林间关系的研究，应把两种尺度结合起来，以开展更深入的研究。

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