辽西地区沙棘灌丛下降雨条件的水土流失影响试验探讨

邱 俊

(沈阳市水务事务服务与行政执法中心，辽宁 沈阳 110015)

我国由于自然气候区域存在差异较为明显的，水土流失范围和强度都较高[1]。辽西地处我国东北干旱半干旱区，属于典型的大陆季风气候，由于特殊的自然条件较，辽西水土流失较为严重，根据辽宁省第三次遥感普查数据显示，辽西土壤侵蚀面积占全省侵蚀总面积的49.3%[2]。沙棘植物的生态适应性极强，属于胡颓子科类植物，沙棘的作物根系较浅且十分发达，根系长度可高于10m[3]。沙棘植物具有较强的抗干旱，耐严寒和耐贫瘠能力，在栽植之后可以快速郁闭成林，覆盖地表，经济和生态效益十分显著，已经成为东北地区水土保持的先锋树种[4]。近些年来，对于沙棘植物的防护固沙效应研究取得一定成果[5- 15]，但是对于沙棘灌丛下降雨条件的水土流失定量影响的研究成果还较少，尤其沙棘灌丛郁闭度高低对水保效应的影响还未进行相关研究，为提高棘防护固沙工程建设规划和设计的科学性，通过试验方式，以辽西阜新地区沙棘坡地作为试验地块，对不同降雨条件下的沙棘灌丛的水保效应进行测定，并对沙棘灌丛不同郁闭度下水保效应进行分析，研究成果可为区域沙棘防护固沙工程建设提供支持。

1 材料与方法

1.1 区域概况

阜新地区位于辽宁的西部，区域属于典型的大陆季风气候，降雨稀少，降水量多年均值为560mm，气候条件较为特殊，风沙较大，水土流失严重，区域水土流失面积占全省水土流失面积的比重超过40%，水土流失面积位列辽宁省第五。沙棘植物具有较强的抗干旱，耐严寒和耐贫瘠能力，在栽植之后可以快速郁闭成林，覆盖地表，已经成为阜新地区水土保持的优势树种，阜新地区从80年代开始逐步种植沙棘，截止到2020年，全市沙棘种植面积超过6万km2，全市土质和沙质面积分别为2695.5km2和1220km2，除部分石质面积外全市土质均适合种植沙棘。本文选取阜蒙县林科所试验基地作为试验区域，并按照沙棘郁闭度选取5块试验样地，各试验样地土壤主要为潮褐土，黄土状及现代冲积物是其成土母质，试验场地主要特征见表1。

1.2 试验方法

采用宽度为40cm的钢板在各试验样地坡面上向地下插入深度为25cm，其作用在于避免雨滴由于击溅使得测定数据准确度有所影响。将三角槽底部宽度为1m安装在各试验径流小区的底部，采用广口瓶通过三角槽进行地表径流的汇集。1台便携式自动气象站安装在试验场地外，降雨观测精度为1mm。观测期主要分布在2020年5月20日到8月20日，期间观测的明显降雨特征的场次数为28场，观测的总降雨量为252mm，按照气象标准划分其观测的中、小雨量级分别为20场，观测的暴雨场次为8场，并在8场暴雨场次过程中进行降雨侵蚀的观测，最大场次和最小场次降雨量级分别为45.2mm和9.2mm，各场次降雨主要特征见表2。采用容积为2000mL的广口瓶对降雨结束后的径流和泥沙进行全部收集，对其中的500mL进行搅拌均匀后测定含沙量，将收集的水样进行烘干、过滤后进行称重，对其泥沙质量进行测定。

表1 试验场地主要特征

表2 各场次降雨主要特征

2 试验结果与讨论

2.1 水沙特征试验结果

对5块试验选地在不同降雨特征下的产水量和产沙量进行测定，各试验地块测定结果分别见表3—7。

从各试验地块沙棘产水产沙特征总体可看出，沙棘灌丛郁闭度对产水产沙影响较为明显，从表1中可看出，从1#试验地块到5#试验地块，其沙棘灌丛的郁闭度从25%递增到80%，在相同降雨条件下随着沙棘郁闭度的增加其产水产沙量都相应减小。此外各试验地块沙棘种植年龄有所差异，1#—3#试验地块种植的幼年沙棘灌丛，种植年份较短，而4#—5#试验地块种植的沙棘为老年林，当降雨量高于4.5m，各试验地块均有较为明显的产水和产沙量，沙棘灌丛的种植年份长短对其产水产沙量影响程度较低。此外本文为对沙棘灌丛下的水保效应进行分析，在试验中选定1块荒地，对降雨条件下的侵蚀量进行测定，相比于种植沙棘，荒地的产水产沙量明显高于沙棘种植试验样地，其产水量平均增加约为15%，产沙量平均增加约20%。

表3 1#试验地沙棘灌丛下水沙试验测定结果

表4 2#试验地沙棘灌丛下水沙试验测定结果

表5 3#试验地沙棘灌丛下水沙试验测定结果

表7 5#试验地沙棘灌丛下水沙试验测定结果

2.2 降雨—水沙关系拟合

为对区域沙棘防护固沙工程建设提供支持，本文结合观测到各沙棘灌丛下的降雨和径流量，统计分析不同试验地块的降雨—径流和降雨—泥沙拟合方程，其中降雨因子选用各试验观测的降雨强度和降雨量进行相乘，对产水和产沙量进行相关性拟合得到各试验地块不同郁闭度条件下的降雨—水沙关系进行拟合，拟合方程见表8—9。

表8 不同沙棘灌丛试验地块下降雨—产流拟合特征

从不同沙棘灌丛试验地块下降雨—产流拟合特征可看出，各试验地块下降雨—径流呈现幂函数关系，随着降雨因子的增加产流量初始阶段逐步递增后再迅速增加，这符合阜新地区超渗产流机制的特点，尤其是在阜新地区，其下渗率较低，当降雨量超过4.5mm后即出现较为明显的产流变化。在降雨条件相同条件下，郁闭度越高其作物截留量越大，其产流损失越大，因此其产流量也就相对越低。从各试验地块降雨因子—产流关系拟合方程的相关系数可看出，其相关系数总体高于0.35，总体相关性较高。从不同沙棘灌丛试验地块下降雨—产沙拟合特征，随着试验地块沙棘灌丛郁闭度变化可看出，随着郁闭度的增加相同降雨条件下的产沙量逐步减小，降雨因子和泥沙之间也存在明显的幂函数关系，随着降雨因子的变化产沙量先逐步递增再随着水量的迅速增加而快速增加。

表9 不同沙棘灌丛试验地块下降雨—产沙拟合特征

2.3 沙棘灌丛有效郁闭度分析

通过以上分析，沙棘灌丛郁闭度对区域水保效应影响较为明显，郁闭度越高其减水减沙效应越显著，阜新地区具有较为稀疏的森林植被，疏林在现有林分中占据比重较大，植被一般而言能够对水土流失有效控制的覆盖度最低值在60%～70%之间。通过本次试验测定数据，相比于未种植沙棘灌丛的荒坡而言，郁闭度下的减沙率均高于25%，为对沙棘灌丛的有效郁闭度进行分析，结合各试验地块对其沙棘灌丛的郁闭度和产沙量进行探讨得到其经验方程：

S=exp(8.9253-10.2654c)

(1)

式中，S—单位面积产沙量，t/hm；c—沙棘灌丛的郁闭度，%。从相关经验方程可看出，随着沙棘灌丛郁闭度的递增其产沙量呈现指数递减变化，减沙效应当郁闭度增加到一定程度后逐步趋于稳定，如郁闭度从25.5%增加到35.5%后试验区域的减沙效应可提高15%左右。通过对其关系曲线分析对于阜新地区而言，其有效郁闭度为0.55时其减沙效应即可达到良好效果，再随着郁闭度的增加其减沙效益显著性逐步降低，并逐步趋于稳定变化。

3 结论及建议

(1)沙棘灌丛具有显著的水保效果，且具有较好的生态、经济效益，可为辽西地区水保的优势植物，建议在辽西地区沙棘灌丛种植趋于坡面高度应高于25°且应选择半阴坡面，能最大程度发挥沙棘灌丛防护固沙工程效益。

(2)沙棘灌丛的覆土厚度建议在8～10mm之间为宜，气温对于沙棘生长影响明显，沙棘播种后也及时进行灌溉补水，沙棘灌丛的胸径建议控制在3.5mm以上为宜，低于该胸径沙棘灌丛苗木根系发育程度会较低，影响其成活率。

(3)沙棘种植土质对其水保效应影响也十分显著，在后续的研究中还应针对不同土质下沙棘灌丛的水保效果进行分析，确定区域最优的种植土质。