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冀北木兰围场沙荒坡地不同坡位黄柳沙障内枯落物的持水性能

王安宁 蔺鑫 穆枫 李玉灵 李晓红

王安宁, 蔺鑫, 穆枫, 李玉灵, 李晓红. 冀北木兰围场沙荒坡地不同坡位黄柳沙障内枯落物的持水性能[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(1): 98-107. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170233
引用本文: 王安宁, 蔺鑫, 穆枫, 李玉灵, 李晓红. 冀北木兰围场沙荒坡地不同坡位黄柳沙障内枯落物的持水性能[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(1): 98-107. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170233
Wang An-ning, Lin Xin, Mu Feng, Li Yu-ling, Li Xiao-hong. Water holding capacity of litter at different slope positions of sand slope in Salix gordejevii sand barrier of Mulan Paddock of northern Hebei Province, northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(1): 98-107. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170233
Citation: Wang An-ning, Lin Xin, Mu Feng, Li Yu-ling, Li Xiao-hong. Water holding capacity of litter at different slope positions of sand slope in Salix gordejevii sand barrier of Mulan Paddock of northern Hebei Province, northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(1): 98-107. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170233

冀北木兰围场沙荒坡地不同坡位黄柳沙障内枯落物的持水性能

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170233
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2016YFC0500806-07

河北省高层次人才资助项目 132014010004

详细信息
    作者简介:

    王安宁。主要研究方向:水土保持与植被恢复。Email:wanganning040027@163.com 地址:071000 河北省保定市河北农业大学林学院

    通讯作者:

    李玉灵,教授,博士生导师。主要研究方向:退化土地植被恢复理论与技术。Email:liyuling0425@126.com 地址:同上

  • 中图分类号: S714.7

Water holding capacity of litter at different slope positions of sand slope in Salix gordejevii sand barrier of Mulan Paddock of northern Hebei Province, northern China

  • 摘要: 目的研究不同坡位黄柳沙障内枯落物持水性能的差异,为沙漠化土地植被恢复技术研究提供技术依据。方法通过野外采样、室内测定的方法对冀北沙荒地3个坡位(坡顶、坡中、坡底)黄柳沙障内枯落物的蓄积量、持水、吸水和拦蓄能力相关指标进行测定分析。结果(1) 不同坡位枯落物蓄积量、自然含水率差异不明显(P>0.05),但不同坡位持水、拦蓄能力相关指标均表现为坡中>坡底>坡顶,且坡顶显著小于坡中和坡底(P < 0.05),枯落物持水性能综合指数也是坡顶最小。坡底吸水率显著高于坡中和坡顶(P < 0.01)。(2)不同坡位枯落物持水、吸水随时间变化趋势相同。枯落物持水率和吸水速率与浸水时间分别满足对数函数和指数函数关系。(3)通过主成分分析确定枯落物持水性能由持蓄水能力和吸水能力两大要素构成,权重分别为0.85和0.15,持蓄水相关指标代表性更强。结论枯落物持水、拦蓄能力是衡量枯落物水源涵养性能的首要因素,其中持水率、最大持水率、最大拦蓄率、有效拦蓄率和蓄积量足以代表枯落物的持蓄水能力。而这几项指标及其枯落物持水性能综合指数均以坡中为最大。坡中是坡面承上启下的关键部位,当地黄柳生物沙障发挥了良好的生态水文作用。
  • 图  1  各样地布设剖面图

    Figure  1.  Survey section showing position of different slopes

    图  2  不同时间段各坡位黄柳沙障内枯落物持水率变化

    Figure  2.  Changes of water holding capacity of litter in different slope positions with Salix gordejevii sand at different time

    图  3  各坡位黄柳沙障内枯落物持水能力

    不同字母表示坡位间差异显著(P < 0.05)。下同。

    Figure  3.  Litter maximum water holding capacity of Salix gordejevii sand barrier in different slope positions

    Different letters indicate significant differences among slope positions (P < 0.05). The same below.

    图  4  各坡位黄柳沙障地内枯落物吸水速率变化

    Figure  4.  Changes of water absorption speed with time in different slope positions with Salix gordejevii sand barrier

    图  5  各坡位黄柳沙障地内枯落物拦蓄能力

    Figure  5.  Water interception capacity of litter in different slope positions with Salix gordejevii sand barrier

    表  1  各坡位黄柳沙障样地概况

    Table  1.   A survey of sample land of Salix gordejevii sand barrier at different slope positions

    坡位
    Slope
    position
    坡度
    Gradient/
    (°)
    海拔
    Altitude/
    m
    灌丛盖度
    Shrub
    coverage/%
    灌丛高度
    Shrub
    height/m
    积沙量
    Accumulated
    volume/m3
    主要植物种类
    Major vegetation type
    坡顶
    Top slope
    111 0660.131.930.18盐蒿Artemisia halodendron
    鸡眼草Kummerowia striata
    盐地扶Rhus chinensis
    坡中
    Middle slope
    101 0480.432.000.09多花胡枝子Lespedeza floribunda
    金毛狗尾草Setaria glauca
    花苜蓿Medicago ruthenica
    坡底
    Bottom slope
    01 0300.541.720.09冷蒿(丛)Artemisia frigida
    多花胡枝子Lespedeza floribunda
    花苜蓿Medicago ruthenica
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    表  2  不同坡位黄柳沙障内枯落物蓄积量及自然含水率

    Table  2.   Litter volume and natural moisture content in different slope positions with Salix gordejevii sand barrier

    坡位
    Slope position
    蓄积量/(t·hm-2)
    Volume/(t·ha-1)
    自然含水率
    Natural moisture rate/%
    鲜质量
    Wet mass/g
    干质量
    Dry mass/g
    坡顶Top slope1.75±0.837.95±0.0022.13±1.8820.37±1.71
    坡中Middle slope3.15±1.187.97±0.0121.574±1.4719.86±1.37
    坡底Bottom slope2.97±0.737.84±0.0224.808±2.2422.86±2.06
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    表  3  各坡位黄柳沙障地内枯落物持水率、吸水速率与浸水时间的回归方程

    Table  3.   Regression equations of litter holding rate, water absorption with immersion time in different slope positions with Salix gordejevii sand barrier

    坡位
    Slope position
    持水率与浸水时间关系Relationship between
    water holding ratio and immersion time
    吸水速率与浸水时间关系Relationship between
    water absorption rate and immersion time
    方程Regression equation相关系数
    Correlation coefficient
    方程Regression equation相关系数
    Correlation coefficient
    坡顶Top slopeWr=20.49lnt+124.420.99V=20.42lnt-0.861.00
    坡中Middle slopeWr=114.33lnt+106.760.98V=27.12lnt-0.880.99
    坡底Bottom slopeWr=14.99lnt+128.210.98V=22.95lnt-0.830.99
    注:Wr为枯落物持水率,V为吸水速率,t为浸水时间。Notes: Wr means litter holding rate, V means water absorption, t means immersion time.
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    表  4  各坡位黄柳沙障内枯落物蓄积量与持水性能指标相关性分析

    Table  4.   Analysis on correlation between litter volume and water holding performance index of Salix gordejevii sand barrier at varied slope positions

    最大持水率
    Maximum
    water
    holding rate
    最大持水量
    Maximum
    water holding
    amount
    最大拦蓄量
    Maximum
    interception
    amount
    最大拦蓄率
    Maximum
    interception
    rate
    有效拦蓄量
    Effective
    interception
    amount
    有效拦蓄率
    Effective
    interception
    rate
    自然含水率
    Natural
    moisture
    content
    蓄积量
    Volume
    最大持水率
    Maximum water holding rate
    10.58*0.59*1.00**0.59*1.00**-0.260.40
    最大持水量
    Maximum water holding amount
    11.00**0.58*1.00**0.58*0.030.98**
    最大拦蓄量
    Maximum interception amount
    10.58*1.00**0.58*0.020.97**
    最大拦蓄率
    Maximum interception rate
    10.59*1.00**-0.270.40
    有效拦蓄量
    Effective interception amount
    10.58*0.020.97**
    有效拦蓄率
    Effective interception rate
    1-0.270.40
    自然含水率
    Natural moisture content
    10.05
    蓄积量
    Volume
    1
    注:*表示在0.05水平(双侧)上显著相关,**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。Notes:* indicates a significant correlation at P < 0.05 level (bilateral), ** indicates a significant correlation at P < 0.01 level (bilateral).
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    表  5  旋转成分矩阵

    Table  5.   Rotation composition matrix

    变量Variable主成分
    Principal component
    12
    自然含水率Natural moisture content(x1)-0.01-1.00
    最大持水率Maximum water holding rate(x2)0.980.19
    最大拦蓄率Maximum interception rate(x3)0.980.20
    有效拦蓄率Effective interception rate(x4)0.980.20
    蓄积量Volume(x5)0.970.25
    最大持水量Maximum water holding amount(x6)0.970.25
    最大拦蓄量Maximum interception amount(x7)0.980.26
    有效拦蓄量Effective interception amount(x8)0.970.26
    持水率Water holding rate(x9)1.00-0.02
    吸水速率Water absorption rate(x10)0.480.88
    注:提取方法为主成分,旋转法采用具有Kaiser标准化的正交旋转法。下同。Notes: extraction method, principal component; rotation method, orthogonal rotation method with Kaiser standardization. The same below.
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    表  6  旋转成分得分系数矩阵

    Table  6.   Rotation component score coefficient matrix

    变量Variable主成分Principal component
    12
    x10.15-0.60
    x20.13-0.03
    x30.13-0.03
    x40.13-0.03
    x50.120.01
    x60.120.01
    x70.120.01
    x80.120.01
    x90.17-0.17
    x10-0.050.46
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    表  7  枯落物持水性能综合得分

    Table  7.   Comprehensive score of litter water holding capacity

    坡位
    Slope position
    主成分Principal component综合得分
    Comprehensive
    score
    F1F2
    坡顶Top slope-1.08-0.40-0.98
    坡中Middle slope0.90-0.730.65
    坡底Bottom slope0.181.140.33
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-07-03
  • 修回日期:  2017-11-10
  • 刊出日期:  2018-01-01

冀北木兰围场沙荒坡地不同坡位黄柳沙障内枯落物的持水性能

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170233
    基金项目:

    国家重点研发计划项目 2016YFC0500806-07

    河北省高层次人才资助项目 132014010004

    作者简介:

    王安宁。主要研究方向:水土保持与植被恢复。Email:wanganning040027@163.com 地址:071000 河北省保定市河北农业大学林学院

    通讯作者: 李玉灵,教授,博士生导师。主要研究方向:退化土地植被恢复理论与技术。Email:liyuling0425@126.com 地址:同上
  • 中图分类号: S714.7

摘要: 目的研究不同坡位黄柳沙障内枯落物持水性能的差异,为沙漠化土地植被恢复技术研究提供技术依据。方法通过野外采样、室内测定的方法对冀北沙荒地3个坡位(坡顶、坡中、坡底)黄柳沙障内枯落物的蓄积量、持水、吸水和拦蓄能力相关指标进行测定分析。结果(1) 不同坡位枯落物蓄积量、自然含水率差异不明显(P>0.05),但不同坡位持水、拦蓄能力相关指标均表现为坡中>坡底>坡顶,且坡顶显著小于坡中和坡底(P < 0.05),枯落物持水性能综合指数也是坡顶最小。坡底吸水率显著高于坡中和坡顶(P < 0.01)。(2)不同坡位枯落物持水、吸水随时间变化趋势相同。枯落物持水率和吸水速率与浸水时间分别满足对数函数和指数函数关系。(3)通过主成分分析确定枯落物持水性能由持蓄水能力和吸水能力两大要素构成,权重分别为0.85和0.15,持蓄水相关指标代表性更强。结论枯落物持水、拦蓄能力是衡量枯落物水源涵养性能的首要因素,其中持水率、最大持水率、最大拦蓄率、有效拦蓄率和蓄积量足以代表枯落物的持蓄水能力。而这几项指标及其枯落物持水性能综合指数均以坡中为最大。坡中是坡面承上启下的关键部位,当地黄柳生物沙障发挥了良好的生态水文作用。

English Abstract

王安宁, 蔺鑫, 穆枫, 李玉灵, 李晓红. 冀北木兰围场沙荒坡地不同坡位黄柳沙障内枯落物的持水性能[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(1): 98-107. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170233
引用本文: 王安宁, 蔺鑫, 穆枫, 李玉灵, 李晓红. 冀北木兰围场沙荒坡地不同坡位黄柳沙障内枯落物的持水性能[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(1): 98-107. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170233
Wang An-ning, Lin Xin, Mu Feng, Li Yu-ling, Li Xiao-hong. Water holding capacity of litter at different slope positions of sand slope in Salix gordejevii sand barrier of Mulan Paddock of northern Hebei Province, northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(1): 98-107. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170233
Citation: Wang An-ning, Lin Xin, Mu Feng, Li Yu-ling, Li Xiao-hong. Water holding capacity of litter at different slope positions of sand slope in Salix gordejevii sand barrier of Mulan Paddock of northern Hebei Province, northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(1): 98-107. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170233
  • 冀北木兰围场是小滦河流经区域,与内蒙古高原浑善达克沙地南缘相接,是内蒙古高原和冀北山地的过渡带,地势西北高、东南低,形成威胁北京、天津的风沙通道;而且沙性基岩的地质条件又为当地山地风化提供了来源,加之气候条件为典型的大陆性季风型干旱气候。在自然外力作用下,山体风化物逐渐堆积在木兰围场地势低洼地带,形成了南山嘴沙荒坡地[1]。而人为不合理的放牧,加速了山地沙漠化的进程。由于南山嘴沙荒坡地有一定坡度,更易造成水土流失和风沙危害。可见南山嘴沙荒坡地的防风固沙、水土保持技术研究更有挑战性,对京津生态屏障建设意义更大。因此,南山嘴沙荒坡地成为土地荒漠、沙漠化治理典型性研究区。

    对沙荒坡地的生态保护治理早已引起广泛关注,如曾宪竞等[2]研究了栽植沙打旺对沙荒坡地土壤水分和养分状况的影响,杨桐桐等[3]通过盆栽实验发现城市污泥产品可增加沙荒坡地土壤肥力。姬兴洲等[4]就沙荒坡地退耕还林配套技术进行讨论。但目前对栽植生物沙障后冀北沙荒坡地的生态水文效益研究较少。

    生物沙障是沙漠化地区防风固沙的主要技术措施之一。通过营建生物沙障直接增加地表植被,储蓄枯落物。枯落物如海绵般疏松多孔覆盖在地表,可以吸收地表降水和径流,枯落物持水性能越好,其蓄积量越多,防风固沙、保持水土、改善土壤肥力等生态功能就越强。但枯落物持水性能不仅与植物生长状态、枯落物的蓄积量,枯落物组成、枯落物分解程度有关、还与坡度、坡位等地形因子有关[5]。但人们往往对坡位重视不够。坡位作为地形因子的重要组成部分,通过对水热条件的再分配影响植物的生长状况,进而影响枯落物的产量[5]。沙荒坡地由于不同坡位风蚀沙化进程不一,土壤水分和养分状况不同,导致不同坡位植物生长的微域环境完全不同,其中的枯落物组成和蓄积量也不同。而作为干旱半干旱地区沙漠化土地植被恢复的主要限制因子是土壤水分,研究不同坡位生物沙障枯落物的持水性能,从理论上可以明确该地区沙荒坡地枯落物在不同坡位的水文作用,更对沙荒地坡面生物沙障的合理配置、优化其生态功能有现实意义。

    为此,本文以冀北木兰围场县南山嘴乡沙荒坡地为试验样地,在沙荒坡地上栽植黄柳(Salix gordejevii)沙障,研究不同坡位沙障内枯落物水文效应,为当地沙漠化土地植被恢复技术研究提供技术依据。

    • 研究区位于河北省围场县的南山嘴乡(41°34′~42°36′N、116°42′~118°20′E),该乡处于围场县域西南部山区。年均降雨量450~500 mm,通常7—9月降雨量最多,12月至次年3月降水稀少。年均气温-1.4~4.7 ℃。风大风频,多年盛行西北风,最高瞬时风速达34 m/s。主要土壤类型为沙壤。地表植被种类稀少,多为耐干旱贫瘠的一年生草本植物和半灌木,代表性植物有盐蒿(Artemisia halodendron)、多花胡枝子(Lespedeza floribunda)、冷蒿(Artemisia frigida)等。

    • 基于上述研究区基本自然状况并根据DEM图判断可知河北省围场县南山嘴乡主要地形为河谷阶地和通过风化-剥蚀-沉积作用形成的由东南向西北倾斜的冲积扇荒坡地,主要土地利用方式为农耕地和林牧地,农耕地主要集中在河谷阶地,冲积扇荒坡地多用于种植业和畜牧业,长期放牧及种植短期经济作物使得沙荒坡地地带性人工植被严重退化、人为干扰严重、生态环境敏感脆弱,极易发生土壤侵蚀和养分流失。因此,选择能够代表该区域平均坡度和坡长、坡面整齐、坡向为迎风坡的由东南向西北坡向的典型冲积扇状沙荒坡地为研究样地(坡度11°、坡长183 m)。

      2003年秋季,在该研究样地上沿等高线采用开沟方式栽植带宽2~3 m的黄柳生物沙障带:将不少于12根的3年生无劈裂黄柳枝条(截条60~70 cm)每隔1 m插入土深约55~65 cm,使得枝条露出地面5 cm左右,确保黄柳成活率。2012年对黄柳沙障的生长状况及沙障内植被的恢复情况进行调查,调查结果显示与裸露沙荒地比,已栽植黄柳沙障的沙荒坡地植被生长状况良好,黄柳沙障内物种多样性和覆盖度增加,地表形成治沙成功的标志——沙结皮[6]。黄柳沙障平均高1.91 m,冠幅2.06 m,灌丛分枝数105,枝条长度0.57 m,黄柳总生物量45.63 kg/m2,叶片生物量5.47 kg/m2,枝条生物量33.68 kg/m2。地表形成沙结皮,并覆盖枯落物,沙面裸露少,植被覆盖度为0.36。

      依据山谷底部与山脊顶部间是否有转折点划分坡位,若无转折点说明坡面近似于平坡,坡位的划分直接按照高程差将坡面3等分,反之则依据坡面实际曲线长划分。2012年8月,经分析后判定栽有黄柳沙障的沙荒坡地坡面平整、无转折点,因此借助GPS按高程将山谷至山基范围内的沙荒坡地3等分,其中坡顶(182~130 m)为3等分后的最上部位;坡中(130~68 m)为中间部位、坡底(68~0 m)为最下部位(图 1)。通过该方法划分坡地坡位的方法可将实际地貌与理论方法相结合,实现了理论与实际地貌相统一的坡位划分。对不同坡位黄柳沙障样地的海拔(GPS)、坡度(电子罗盘)、主要植物种类、黄柳沙障内灌丛生长状况和积沙量(钢卷尺)等相关指标进行调查(表 1),其中调查所用电子罗盘测量精度为≤±1°,最大测量误差低于3°;手持GPS定位精度3 m,测量误差10 m内;钢卷尺Δ=0.3+0.2L,式中:Δ为允许误差,mm;L为实测长度(四舍五入整数米),m,Ⅱ级精度。

      图  1  各样地布设剖面图

      Figure 1.  Survey section showing position of different slopes

      表 1  各坡位黄柳沙障样地概况

      Table 1.  A survey of sample land of Salix gordejevii sand barrier at different slope positions

      坡位
      Slope
      position
      坡度
      Gradient/
      (°)
      海拔
      Altitude/
      m
      灌丛盖度
      Shrub
      coverage/%
      灌丛高度
      Shrub
      height/m
      积沙量
      Accumulated
      volume/m3
      主要植物种类
      Major vegetation type
      坡顶
      Top slope
      111 0660.131.930.18盐蒿Artemisia halodendron
      鸡眼草Kummerowia striata
      盐地扶Rhus chinensis
      坡中
      Middle slope
      101 0480.432.000.09多花胡枝子Lespedeza floribunda
      金毛狗尾草Setaria glauca
      花苜蓿Medicago ruthenica
      坡底
      Bottom slope
      01 0300.541.720.09冷蒿(丛)Artemisia frigida
      多花胡枝子Lespedeza floribunda
      花苜蓿Medicago ruthenica
    • 依据森林资源规划设计调查的草本及小灌木采样原则有关规定,沿坡面中轴线在坡顶、坡中和坡底中间部位设置20 m×20 m的大样方,采用五点取样法在各大样方内设置1 m×1 m小样方各5个,其中4个小样方位于大样方4角,但距样地4角边缘5~10 m,另一个样方位于样方中心(图 1),通过五点取样法得到的样方分布较均匀,具有代表性且可操作性强。仔细去除小样方内的植物活体后用钢卷尺测量枯落物层的厚度,将各小样方内枯落物用布袋收集起来(因为各分解层分层不明显,这里不再分开收集,统一按半分解层计),迅速用电子天平称量其鲜质量G1。然后放置在80 ℃的烘箱内烘干并用电子天平(精确到0.01 g)称其干质量G2,根据烘干前后枯落物的质量计算单位面积内的蓄积量和平均自然含水率[7]

      计算公式为:

      $$ {R_0} = \frac{{{G_1} - {G_2}}}{{{G_1}}} $$ (1)

      式中:R0为自然含水率(%)。

    • 对枯落物持水能力指标的检测采取室内浸水法[8]。取适量已经烘干至恒质量的枯落物称质量,记为烘干质量m1。将样品放进自制网格袋并完全浸入水中,分别在15 min、30 min、1 h、1.5 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h、24 h时称量枯落物质量(每次控水5~10 min后再称质量),记为湿质量m2。湿质量m2和干质量m1的差为各时间段枯落物浸入水中的持水量;枯落物的持水率为持水量与对应干质量m1之比,吸水速率为持水量与浸泡时间之比[8]。最大持水量通常用枯落物经过24 h吸水后的持水量估算[8]。持水深度是枯落物最大程度吸收水分的水深,通过最大持水量换算可得[8]。枯落物最大拦蓄量体现的是理想条件下枯落物的拦蓄性能,是指除去自身含水量之外枯落物的最大持水量[9]。有效拦蓄量则是枯落物在自然环境中实际拦蓄径流的能力,约为85%的最大持水量与自然含水量的差值[9]。计算公式:

      $$ {W_{\rm{r}}} = \frac{{{m_2} - {m_1}}}{{{m_1}}} $$ (2)
      $$ V = \frac{{{m_2} - {m_1}}}{t} $$ (3)
      $$ {W_{{\rm{hmax}}}} = {m_{24}} - {m_1} $$ (4)
      $$ R_{\mathrm{hmax}}=\frac{m_{24}-m_{1}}{m_{1}} $$ (5)
      $$ {W_{{\rm{sv}}}} = \left( {0.85{R_{{\rm{hmax}}}} - {R_0}} \right) \times {m_1} $$ (6)
      $$ {W_{{\rm{smax}}}} = \left( {{R_{{\rm{hmax}}}} - {R_0}} \right) \times {m_1} $$ (7)
      $$ H = \frac{{{m_{24}} - {m_1}}}{{10}} $$ (8)

      式中:m24为24 h后枯落物的湿质量(m),Wr为持水率(g/g),V为吸水速率(g/(g·h)),Whmax为最大持水量(t/hm2),Wsv为有效拦蓄量(t/hm2),Rhmax为最大持水率(%),Wsmax为最大拦蓄量(t/hm2),H为持水深度(mm),t为浸水时间(h)。

    • 用Excel 2016进行数据整理。SPSS 21.0对数据进行显著性检验、Pearson相关性分析、曲线估计回归拟合及主成分分析等。用Sigma Plot 12.5绘图。

    • 枯落物的蓄积量影响枯落物对雨水的截留能力和植物的生产能力,蓄积量越大,枯落物拦蓄径流的能力越强,促进植物生长的效果越好[10]。枯落物的分解速率、林种组成、林木成长状况等都会影响蓄积量[10]。如表 2所示,坡位对枯落物蓄积量无显著影响(P>0.05)。各坡位枯落物蓄积量依次为坡中>坡底>坡顶。黄柳沙障栽植7~10年后坡中灌草丛处于生长旺盛期,地上总生物量最大[11]。所以坡中枯落物蓄积量最多。坡顶坡度大,植被盖度小,黄柳沙障内积沙量显著多于其他坡位,枯落物不易积累,所以坡顶枯落物蓄积量最小。坡底草本生物量最大,植被覆盖度最高,相对于其他坡位而言,地势平坦,沙面更稳定,植被分布更均匀[6],所以坡底枯落物蓄积量、干质量和鲜质量变异系数最小,坡底枯落物分布最均匀。

      表 2  不同坡位黄柳沙障内枯落物蓄积量及自然含水率

      Table 2.  Litter volume and natural moisture content in different slope positions with Salix gordejevii sand barrier

      坡位
      Slope position
      蓄积量/(t·hm-2)
      Volume/(t·ha-1)
      自然含水率
      Natural moisture rate/%
      鲜质量
      Wet mass/g
      干质量
      Dry mass/g
      坡顶Top slope1.75±0.837.95±0.0022.13±1.8820.37±1.71
      坡中Middle slope3.15±1.187.97±0.0121.574±1.4719.86±1.37
      坡底Bottom slope2.97±0.737.84±0.0224.808±2.2422.86±2.06
    • 自然含水率是指天然状态下枯落物的持水性能,受气候条件(降水量、气温等)、地理位置(如坡度、坡位等)、枯落物蓄积量等因素影响[12-13]。由表 1知,坡中枯落物自然含水率最大,坡底最小,各坡位黄柳沙障内枯落物的自然含水率差异不显著(P>0.05)。坡底气温高、草本植物生物量大消耗水分多、土壤干旱或许是造成其枯落物自然含水率较小的原因,坡中较多的枯落物蓄积量和适中的环境条件可能是其含水率较大的主要原因。

    • 各坡位黄柳沙障内枯落物持水率(%)随时间变化如图 2所示。回归曲线拟合表明,各坡位枯落物持水率(%)随时间的变化均满足对数关系式:

      $$ {W_{\rm{r}}} = a{\rm{ln}}t + b $$ (9)

      图  2  不同时间段各坡位黄柳沙障内枯落物持水率变化

      Figure 2.  Changes of water holding capacity of litter in different slope positions with Salix gordejevii sand at different time

      式中:a为方差系数,b为方差常数项。

      图 2表明,各坡位的枯落物持水率随浸水时间变化趋势相似。即:0~4 h枯落物的持水率增长速度最快(吸持阶段);4~24 h随着时间延长持水率增长速度减缓(增持阶段);24 h后持水率不再变化,趋于最大持水率,此时枯落物吸水能力趋近饱和(保持阶段)。这与他人研究结果相同[14]。如表 3所示,各个坡位枯落物持水率与浸水时间均有极显著对数相关关系(P < 0.01)。虽然各坡位持水率随时间变化趋势相近,但各坡位枯落物持水率不尽相同。由图 2还可看出,各坡位枯落物持水率为坡中>坡底>坡顶,这与枯落物蓄积量变化趋势相同。不同时间坡顶枯落物持水率始终小于坡中和坡底;0~2 h内坡底大于坡中。已有研究表明前2 h是枯落物吸收水分的最佳时期[15],所以坡底枯落物吸水最快;2 h后坡中超过坡底,这说明坡中枯落物的持水潜力更大。坡顶枯落物持水率极显著低于坡中和坡底(P < 0.01),但坡中和坡底差异不显著(P>0.05)。枯落物蓄积量越大、分解速率越快,孔隙就越大越多,持水量就越大,反之亦然[11, 16-17]。由于坡顶枯落物蓄积量和生物量均最小,所以枯落物持水能力最差。

      表 3  各坡位黄柳沙障地内枯落物持水率、吸水速率与浸水时间的回归方程

      Table 3.  Regression equations of litter holding rate, water absorption with immersion time in different slope positions with Salix gordejevii sand barrier

      坡位
      Slope position
      持水率与浸水时间关系Relationship between
      water holding ratio and immersion time
      吸水速率与浸水时间关系Relationship between
      water absorption rate and immersion time
      方程Regression equation相关系数
      Correlation coefficient
      方程Regression equation相关系数
      Correlation coefficient
      坡顶Top slopeWr=20.49lnt+124.420.99V=20.42lnt-0.861.00
      坡中Middle slopeWr=114.33lnt+106.760.98V=27.12lnt-0.880.99
      坡底Bottom slopeWr=14.99lnt+128.210.98V=22.95lnt-0.830.99
      注:Wr为枯落物持水率,V为吸水速率,t为浸水时间。Notes: Wr means litter holding rate, V means water absorption, t means immersion time.
    • 图 3是各坡位最大持水量和最大持水率的比较结果。枯落物最大持水量是枯落物蓄积量与最大持水率的乘积[16]。各坡位最大持水量和持水率均表现为坡中>坡底>坡顶,且坡顶持水量和持水率均显著少于坡中和坡底(P < 0.05),坡中和坡底差异不显著(P>0.05),这与枯落物蓄积量和持水率变化趋势一致。坡顶、坡中、坡底平均最大持水量为2.72、5.69、5.33 t/hm2,分别相当于0.27、0.57、0.53 mm降水。最大持水率分别为1.84、1.78、1.52 g/g,分别能吸收自重1.84、1.78、1.52倍的降水。

      图  3  各坡位黄柳沙障内枯落物持水能力

      Figure 3.  Litter maximum water holding capacity of Salix gordejevii sand barrier in different slope positions

    • 吸水速率是指枯落物在单位时间内吸收水分的速率,它表示单位时间内的持水量。与枯落物蓄积量、枯落物自然含水率和分解速率等有关[17]图 4是各坡位黄柳沙障枯落物吸水速率随浸水时间变化趋势。

      图  4  各坡位黄柳沙障地内枯落物吸水速率变化

      Figure 4.  Changes of water absorption speed with time in different slope positions with Salix gordejevii sand barrier

      经回归拟合可知,各坡位枯落物的吸水速度与浸泡时间满足极显著的幂函数关系式(P < 0.01)(见表 2):

      $$ V=k t^{n} $$ (10)

      式中:k为方程系数,n为指数。

      图 4可以看出,各坡位黄柳沙障内凋落物均随着浸泡时间的延长,枯落物的吸水速率降低,0~1 h内为快速吸水阶段,在0.5 h时达到最大值,之后吸水速率迅速下降。该阶段枯落物全部用来吸水,不发生水分下渗;在1~6 h内为缓慢吸水阶段。枯落物继续吸水,吸水速率不断降低,但降低幅度减缓,该阶段水分会向地面输移;6 h以后为停滞吸水阶段。该阶段枯落物逐渐停止吸水,24 h后吸水速率趋于0,达到最大持水率,枯落物含水量接近饱和,此时降水量与枯落物的水分输出量达到动态平衡状态[18]。整个吸水过程及各吸水阶段枯落物吸水速率均表现为坡底>坡中>坡顶,坡顶枯落物吸水速率显著小于坡中和坡底(P < 0.01),但坡中与坡底差异不显著(P>0.05)。

    • 枯落物拦蓄能力包括最大拦蓄能力和有效拦蓄能力,最大拦蓄能力指枯落物在理想状态下的最大拦蓄径流的能力,指标为最大拦蓄量和最大拦蓄率,但最大拦蓄能力通常不能体现在现实情况下枯落物拦截降雨径流的能力,枯落物实际拦蓄径流的能力通常用有效拦蓄量(率)估计[19]。枯落物最大拦蓄量(率)和有效拦蓄量(率)均为坡中>坡底>坡顶(图 5)。坡顶显著小于坡中和坡底(P < 0.05),坡中和坡底差异不显著(P>0.05)。

      图  5  各坡位黄柳沙障地内枯落物拦蓄能力

      Figure 5.  Water interception capacity of litter in different slope positions with Salix gordejevii sand barrier

    • 为了进一步明确影响不同坡位枯落物持水性能的差异性,对枯落物储蓄量及描述枯落物持水蓄水能力的各项指标进行Pearson相关性分析(表 4)。

      表 4  各坡位黄柳沙障内枯落物蓄积量与持水性能指标相关性分析

      Table 4.  Analysis on correlation between litter volume and water holding performance index of Salix gordejevii sand barrier at varied slope positions

      最大持水率
      Maximum
      water
      holding rate
      最大持水量
      Maximum
      water holding
      amount
      最大拦蓄量
      Maximum
      interception
      amount
      最大拦蓄率
      Maximum
      interception
      rate
      有效拦蓄量
      Effective
      interception
      amount
      有效拦蓄率
      Effective
      interception
      rate
      自然含水率
      Natural
      moisture
      content
      蓄积量
      Volume
      最大持水率
      Maximum water holding rate
      10.58*0.59*1.00**0.59*1.00**-0.260.40
      最大持水量
      Maximum water holding amount
      11.00**0.58*1.00**0.58*0.030.98**
      最大拦蓄量
      Maximum interception amount
      10.58*1.00**0.58*0.020.97**
      最大拦蓄率
      Maximum interception rate
      10.59*1.00**-0.270.40
      有效拦蓄量
      Effective interception amount
      10.58*0.020.97**
      有效拦蓄率
      Effective interception rate
      1-0.270.40
      自然含水率
      Natural moisture content
      10.05
      蓄积量
      Volume
      1
      注:*表示在0.05水平(双侧)上显著相关,**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。Notes:* indicates a significant correlation at P < 0.05 level (bilateral), ** indicates a significant correlation at P < 0.01 level (bilateral).

      表 4可知,枯落物蓄积量与持水量和拦蓄量均有极显著正相关关系(P < 0.01),这说明枯落物储存量对枯落物持水作用有很大影响。除自然含水率以外,其他有关枯落物持水性能的指标相互之间均有显著正相关关系(P < 0.05),各指标相互影响和作用,但枯落物的蓄积量是关键指标。

    • 本文对枯落物持水性能的研究指标有10个,这些指标之间关系复杂、相互交织,其作用并非等同。因此,本文进行主成分分析,首先将10个单一指标通过线性分析,重新组合成互相独立的2个可反映枯落物持水综合能力的综合性指标(主成分),这2个综合性指标均可代表 85%以上单一指标的情况,且这2个综合性持水性能指标中包含的单一指标互不重复,这可有效减少研究枯落物水文效应时指标数量,使研究科学、简单化;根据两大综合性指标所占权重可确定影响枯落物持水能力的主要因子,使研究清晰化。根据这两大综合指标所占权重计算枯落物持水性能综合主成分得分,可对枯落物持水性能进行有效评价,与传统依据单一指标评价枯落物持水能力的方法相比,该方法可将各单一指标有效结合,对枯落物持水性能进行综合性评价。

      表 5表明主成分1和主成分2累计贡献率为100%,符合主成分分析要求,因此,可用这2个主成分来衡量枯落物持水性能的强弱。第1个主成分占总变异的84.68%,对枯落物持水能力的影响最大。除自然含水率和吸水速率外,其他指标均与第1个主成分有极显著正相关关系(P < 0.01),说明第1主成分表示了枯落物持蓄水性能,且持水、蓄水能力的相关指标值越大,第一主成分越大,枯落物持蓄水能力越强。第2个主成分占总变异的15.32%,对枯落物持水能力的影响力较小,自然含水率和吸水速率与之有极显著相关关系,表明第2主成分基本反映了枯落物的吸水性能,自然含水率越小、吸水速率越大,枯落物吸水能力也越强。根据单一指标对两大主成分贡献率可知持水率、最大持水率、最大拦蓄率、有效拦蓄率和蓄积量5项指标就足以反映枯落物的持水性能。

      表 5  旋转成分矩阵

      Table 5.  Rotation composition matrix

      变量Variable主成分
      Principal component
      12
      自然含水率Natural moisture content(x1)-0.01-1.00
      最大持水率Maximum water holding rate(x2)0.980.19
      最大拦蓄率Maximum interception rate(x3)0.980.20
      有效拦蓄率Effective interception rate(x4)0.980.20
      蓄积量Volume(x5)0.970.25
      最大持水量Maximum water holding amount(x6)0.970.25
      最大拦蓄量Maximum interception amount(x7)0.980.26
      有效拦蓄量Effective interception amount(x8)0.970.26
      持水率Water holding rate(x9)1.00-0.02
      吸水速率Water absorption rate(x10)0.480.88
      注:提取方法为主成分,旋转法采用具有Kaiser标准化的正交旋转法。下同。Notes: extraction method, principal component; rotation method, orthogonal rotation method with Kaiser standardization. The same below.
    • 根据主成分分析结果,进一步进行得分系数矩阵转换,得到得分系数矩阵表。由表 6得到主成分函数关系式:

      $$ \begin{array}{c}{F_{1}=0.15 x_{1}+0.13 x_{2}+0.13 x_{3}+0.13 x_{4}+0.12 x_{5}+} \\ {0.12 x_{6}+0.12 x_{7}+0.12 x_{8}+0.17 x_{9}-0.05 x_{10}}\end{array} $$ (11)
      $$ \begin{array}{c}{F_{2}=-0.60 x_{1}-0.03 x_{2}-0.03 x_{3}-0.03 x_{4}+0.06 x_{5}-} \\ {0.06 x_{6}+0.01 x_{7}+0.01 x_{8}-0.17 x_{9}+0.46 x_{10}}\end{array} $$ (12)

      表 6  旋转成分得分系数矩阵

      Table 6.  Rotation component score coefficient matrix

      变量Variable主成分Principal component
      12
      x10.15-0.60
      x20.13-0.03
      x30.13-0.03
      x40.13-0.03
      x50.120.01
      x60.120.01
      x70.120.01
      x80.120.01
      x90.17-0.17
      x10-0.050.46

      将各相关指标标准化后代入这两个主成分函数关系式可以计算各坡位枯落物持水性能的主成分值。具体计算公式如下:

      $$ F = \sum\limits_{i = 1}^2 {{F_i}} {w_i} $$ (13)
      $$ {F_i} = \sum\limits_{j = 1}^8 {{a_{ij}}} {x_i} $$ (14)
      $$ w_{i}=\lambda_{i} / \sum\limits_{i=1}^{2} \lambda_{i} $$ (15)

      式中:F为枯落物持水性能综合性指数,Fi为各主成分得分,wi为第i个与全部主成分特征值的比例,xi为第i个主成分得分,λi为第i个主成分特征值。

      各主成分特征值与全部主成分特征值之比为权重可以得到枯落物持水特性综合性指数。经主成分分析可知,第1个主成分(枯落物持蓄水性能相关指标)的特征根为6.48,第2个主成分(吸水能力指标)的特征根为1.52,这两个主成分的累积贡献率为100%,所以枯落物持水蓄水能力和吸水性能的特征根权重分别为0.85和0.15,枯落物持蓄水能力代表性比吸水能力更强。最后得到各坡位枯落物持水特性综合性指数F,见表 7

      表 7  枯落物持水性能综合得分

      Table 7.  Comprehensive score of litter water holding capacity

      坡位
      Slope position
      主成分Principal component综合得分
      Comprehensive
      score
      F1F2
      坡顶Top slope-1.08-0.40-0.98
      坡中Middle slope0.90-0.730.65
      坡底Bottom slope0.181.140.33

      表 7知,坡中枯落物持水性能综合得分最高(0.65);坡底次之(0.33);坡顶枯落物持水性能综合指数最小(-0.98)。

    • 枯落物蓄积量是衡量枯落物水源涵养能力的一项重要指标。各坡位枯落物平均蓄积量为2.62 t/hm2,与贾志军等[20]对冀北退耕沙荒地枯落物的研究结果(1.40~1.62 t/hm2)比较,枯落物蓄积量较大。说明黄柳沙障具有较强的枯落物储蓄功能。凌继华等[5]对油松林枯落物水源涵养功能分析研究后认为随着坡位的降低,枯落物持蓄水和吸水能力均提高,这与本文研究结果不符,不同坡位枯落物蓄积量、自然含水率差异不明显(P < 0.05),不同坡位枯落物持水、吸水随时间变化趋势相同,但持水率、拦蓄率和吸水率不同。不同坡位持水率、拦蓄量相关指标均表现为坡中>坡底>坡顶,且坡顶显著小于坡中和坡底,枯落物持水性能综合指数也是坡顶最小。除蓄积量、含水率外,枯落物其他指标都是在室内理想状态下获得的,其唯一的不同只能是枯落物的组成不同、分解状况不同。坡顶最易受风蚀危害,植物长势最差,枯落物产量最低,枯落物组成应该最简单,分解最慢。外营力作用使得坡顶枯落物向下坡转移,致使坡顶枯落物持水拦蓄能力最差;坡底吸水率显著高于坡中和坡顶。坡底水热条件好,加之枯落物的分解速率与微生物和酶活性等因素有关[14],坡底微生物总量和酶活性均优于其他坡位[21],所以坡底枯落物分解速率快,吸水能力强。可见枯落物的组成和分解程度也是影响其持水性指标的重要因子之一,今后还需深入分析枯落物组成、分解甚至是微生物活动,才能更全面明确不同坡位枯落物的水文效应。

      枯落物持水性能主成分分析结果表明,枯落物持水性能由持蓄水能力和吸水能力两大要素构成,权重分别为0.85和0.15,持蓄水相关指标代表性更强。其中持水率、最大持水率、最大拦蓄率、有效拦蓄率和蓄积量足以代表枯落物的持蓄水能力,而这几项指标及其枯落物持水性能综合指数均以坡中为最大,所以综合而言,坡中枯落物持水性能最好。坡面的中部显然是承上启下的关键部位,当地黄柳生物沙障发挥了良好的生态水文作用。下部毕竟水热条件好,坡度小,治理难度相对较低,只要切断人为干扰,灌草植被迅速恢复,坡面上部坡度陡,水热条件差,今后在生物沙障配置上需要灌草同行甚至是草本先行的配置方式效果更好。

参考文献 (21)

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