全 文 ：第26卷第 7期
2006年 7月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vo1．26，No．7
Ju1．，2006
辽西低山丘陵区人工油松林和沙棘林的水文生态效应
魏 晶，吴 钢
(中国科学院生态环境研究中心 系统生态国家重点实验室 北京 100085)
摘要：利用设置在不同地类 内的径流小区，对辽西大凌河流域的沟壑丘陵区进行定位观察 ，探讨辽西半干旱区主要造林树种油
松和沙棘的水文生态效应。结果表明：2002年 6月 一2004年 6月平均降水量为 238．9mm时，油松和沙棘平均林冠截留量分别为
55．5ram和 76．05ram，其截留率分别为 23．08％和 32．28％，即约有 1／4～1／3降水被林冠截 留。油松林 中凋落物平均截留率为
14．17％，沙棘林为 20．8％。油松林和沙棘林年均径流深分别为 2．516mm和0．893mm；侵蚀量为 15．57t km 和 0．76t km～；林地
内径流深和侵蚀量约为荒地(对照)的 1／20和 1／50。林地土壤理化性质，除土壤容重之外，0—20cm土层的总孔隙度、非毛管孔
隙度、饱和含水量和非毛管持水量都高于20—40cm土层；油松林和沙棘林土壤有机质、全氮、全钾和速效钾含量均显著高于荒
地；pH、全磷和速效磷在地类和不 同土层深度中没有显著差异。沙棘林和油松林 的非毛管持水量分别是荒地 的 275．9％和
182．1％ 。
关键词：低山丘陵；人工油松林 ；沙棘林；水文生态效应
文章编号：1000．0933(2006)07．2087．06 中图分类号：Q948 文献标识码：A
Hydro-ecological efects of artifcial Pinus tabulaeformis carr．and Hippophae
rhamnoides stands in low mountainous upland of western Liaoning Province，China
WEI Jing，WU Gang (StateKeyLaborotary ofSystems Ecology，Research CenterforEco-Environmental&~nees，ChineseAcademyofSciences，Beijing，
China，100085，China)．Acta Ecologica Sinica，2OO6，26(7)：2087—2092．
Abstract：Pinus tabulaeformis cnrr．and Hippophae rhamnoi~s are widely planted in the low mountainous upland and loess
plateau，and are main species for afforestation in the semiarid region．In order to expound their roles in controlling serious soil and
water loss and the mechanism of role，a study on the hydro·ecological efects of the stands was caried out in the period from 2002
to 2004，using the method of runof plot set up in different stands and soil physical and chemical analyses．
The experimental stands are located in the low mountainous upland of western Liaoning Province，where the annual average
air temperature is 5．4—8．7℃ ．the annual precipitation is 450—580mm，of which in June averages 238．9mm，the annual
average humidity is 38％一82％．Vegetation cover is 28％ of entire land area．The age of P／nus tabulaeformis Carr．stand is 28
year old，and its density is 2825 tree／hm2
， and forest crown coverage is 0．75；while those Hippophae rhamnoides stand is 11 year
old，8950 tree／hm ，0．90，respectively．
The results showed that the intercepting rates of canopy in P／nus tabulaeformis cnrr．and Hippophae n， no stand wen
23．08％ and 32．28％．The liter intercepting rate averaged 14．17％ in P／nus tabulaeformis cⅡrr．and 20．8％ in Hippophae
n， ， cf stands．respectively．The runof depths wen 2．516mm and 0．893mm in P／nus tabulaeformis cnrr．and Hippophae
伽 lno 如s stands while erosion amounts 15．57 t km _ and 0．76 t km_。，respectively．Under the comprehensive action of the
基金项目：国家自然科学基金资助项 目(40473054)；国家科技部农业科技成果转化资金资助项目(05EFN216600446)
收稿日期：2006．01．09：修订日期 ：2006．04．07
作者简介：魏晶(1973～)，女，山西人，博士，主要从事环境管理和恢复生态学研究．E-mail：weijingrcees@126．corn
*通讯作者 Coresponding author．E-mail：wug@rcees．ac．cn
Foundation ltem：~e project was supported by National Natural Science Foundation of China(No．40473054)；Agriculture Technological Production Translation of
Science and Tchnology of Ministry(05EFN216600446) 一
Received da ~：2006-0l-09；Accepted da te：2006-04-07
Biography：WEI Jing，Ph．D．，mainly engaged in environment management and restoration ecology．E。mail：weijingrcees@126．corn
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生 态 学 报 26卷
artificial stands，the runof depth and erosion amount from woodland were，respectively，1／20 and 1／50 of that from wasteland，
which indicated the great hydro-ecological functions of Pinus tabulaeformis carr．and Hippophae rhamnoides forests．
Liter and died roots may be decomposed into organic mater and nutrient substances with the help of microbe；thus will be
distinctly improved the physical and chemical properties of its soil after death．In comparison with wasteland，the bulk density of
soil decreased in woodland，while the content of organic matter，total N，total K and available K significantly increased．The
physical properties of soil in woodland，such as total porosity，non—capillary porosity，saturated moisture content，non·capilary
water—holding capacity etc．，were distinctly higher in surface soil(0—20 cm)than those of soil at the depth of 20—40 cm．There
was no signifcant diference in pH、total P and available P among diferent land types or diferent soil depth．Th e non-capilary
water-holding capacities in Pinus tabulaeformis carr．and Hippophae rhamnoides stands were 182．1％ and 275．9％ times in
wasteland，respectively．
Key words：low upland；artifcial Pinus tabulaeformis carr．；Hippophae rhamnoides；hydro-ecological effects
辽西大凌河流域低山丘陵区是辽宁省生态环境最脆弱的地区，由于气候恶劣，加之人为破坏，致使植被退
化，水土流失严重，水库淤积，自然灾害频繁，严重制约辽西地区的经济和社会发展。大凌河流域不仅具有调
洪蓄水，保护城市、农田、村庄及其人民群众生命财产安全的重要作用，也是阜新、锦州、朝阳以及辽河三角洲
地区重要的水源地。因此，其生态环境的改善，对于促进辽西国民经济持续、快速发展起着举足轻重的作用。
油松和沙棘是大凌河流域防治水土流失进行生态恢复的主要树种之一。尽管油松和沙棘在调节洪水、涵
养水源、保持水土及保护生态环境等方面有明显的改善作用，但对低山丘陵区人工油松林和沙棘林的水文生
态效应进行长期定位研究，不仅能够对该区水土保持功能进行定量分析，而且能够为辽西半干旱区生态规划
和生态恢复提供理论依据。因此，本文以该区的主要造林树种油松和沙棘为主要研究对象，揭示其对降雨(雨
季)生态效应的分布规律和内在作用机制。
1 研究区概况
大凌河流域低山丘陵区位于东经 118。50 ～121。20 ，北纬40。24 ～42。20 ，地处内蒙古黄土高原与松辽平原
结合处，属于土石低山丘陵区。流域总面积为 12867．91km ，其中水土流失面积为 6603．18km ，占流域总面积
的51．3％。该区属北温带半湿润半干旱大陆性季风气候，年均降水为 450～580mm，其中6 8月降水占全年
80％以上，年均气温 5．4～8．7clC，年均 日照时数 2600～2900h，大于 10℃积温 2800～3500℃，年均蒸发量
2100mm，年均相对湿度 38％～82％，无霜期 120～156d。流域内地表年均流量为 8．82亿 m ，洪峰流量为 14800
m ／s，输沙量为903万 t。区内植被处华北植物区系向内蒙古植物区系的过渡带，属森林草原植被，除有小面
积的以蒙古柞、椴树、桦树等树种为主的天然针阔混交林，其余大部分为解放后营造的各种人工林，以油松、沙
棘、刺槐等居多；草本植物以胡枝子、隐子草、针芒、碱草、羊胡草等为主，森林覆盖率为 28％。土壤类型主要
是棕壤土、褐土、草甸土和风沙土，土壤肥力较低，土层较薄。
2 研究方法
2．1 径流小 区设置
在油松林(林龄28，密度 2825ind．／hm ，平均胸茎 6．9cm，平均树高 4．7m，郁闭度0．75；阳坡，坡度约 15。)、
沙棘林(林龄 11，密度 8950ind．／hm ，平均胸茎 4．3cm，平均树高 1．9m，郁闭度 0．90；阳坡，坡度约 15。)和荒地
(撂荒约 10a，阳坡，坡度约 15。)3种不同地类中设置径流小区，面积为 100 m (20 m x 5 m)，四周筑有高 35cm
(地上20cm，地下 15cm)的围堰，在小区下方中间部位设置接流槽，接流槽下方设圆形接流池，区外设排水沟。
用雨量筒观测降雨量；降雨结束、地表径流终止后测量接流池内水深推算径流总量；根据测定的含沙率计算土
壤侵蚀量；同时用常规方法测定径流和侵蚀土壤中的氮、磷、钾含量⋯。
2．2 土壤样品采集和土壤理化性质测试
于2002、2003、2004年在 3种不同地类的每块标准地内分别选设 3个土壤剖面，按 0～20cm和 20～40cm
分两层采集土样。用质量法测定土壤含水量，用环刀法测定土壤容重、毛管孔隙度、饱和含水量 ，土壤有机质、
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7期 魏晶 等：辽西低山丘陵区人工油松林和沙棘林的水文生态效应
全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾、pH值等采用常规农化方法测定 ]。根据土壤孔隙度和土层厚度
计算土壤贮水量。
2．3 林冠、树干截留量观测
于 2002、2003、2004每年 6月在 3种不同地类的各标准地内进行降雨量、林内穿透雨、树干径流量的观测，
测定方法见《森林生态系统定位研究技术规范》和相关文献 。具体做法：在林外开阔地段布置 3个雨量筒
收集大气降雨，并参照当地气象观测站资料；在各标准地内均布置 1O个穿透雨收集器测定林内穿透雨；选取
油松林 3个径级的标准木各 3株，在离地面 1．2 m处用聚氯乙烯胶管蛇形环绕树干，接引到树干茎流收集器
中(测定树干茎流量)。树冠截留量按公式：P =P—P 一P 计算，式中，P 为树冠截留量；P为大气降雨量；
P 为乔木树干茎流量；P 为穿透雨量。
2．4 凋落物贮量和持水量的测定
于2002、2003、2004年在3种不同地类的每块标准地内沿对角线设 20 cm×20 cm的小样方5个，测量枯落
物层的厚度并收集样方中所有枯落物 ；室内烘干称重，测得枯落物的自然含水率与干重，以此推算单位面积的
枯落物贮量；枯落物最大持水量测定用浸水法 。
3 结果分析
3．1 人工油松林和沙棘林的树冠截留量和树干径流量
大气降水因部分降水被林冠枝叶截持并蒸发到大气中，使林地内实际降水量减少。林冠层的截留作用不
仅减少了林下径流量，而且推迟了产流时间 。林冠截留功能受树种组成、树冠大小、形状、枝叶密度、吸着水
的能力、林分郁闭度、降雨量、降雨强度等多种因素影响 ，导致林冠对降雨截留能力有较大的差异。连续
3a定位观察结果(表 1)表明，不同年份林冠截留量差异较大。2004年 6月降雨量比2002和 2003年同期分别
增加了 31．7mm和 52．6mm，但截留量却分别减少了 11．2mm (油松)、14．08mm(沙棘)和 13．5mm (油松)、
12．72mm(沙棘)。根据当地气象资料分析可知，2004年6月的降水多以历时短的暴雨形式出现，即雨强大，时
间短，降雨的穿透性强。可见，除大气降水量外，影响林冠截留量的主要因子是降雨强度和连续降雨时间。
2002～2004 年间，6月平均降水为238．9mm时，油松林和沙棘林树冠截留量分别为 55．5mm和 76．05mm，平均
截留率为23．08％和 32．28％，即约有 1／4～1／3的降水被林冠截留，使林地内径流减少，这与文献 ¨的研究结
果基本一致。从 2002～2004年大凌河低山丘陵区人工油松林 6月平均树干径流量为 7．96mm，占降水 3．37％
(表 1)，这与文献 ” 在陕北黄土高原的研究结果即树干径流量为 12．8mm偏低，而占年均降水 3．3％基本
一 致。人工油松林树干径流量偏低的原因是在本研究中仅野外测试了夏季 6月份的树干径流量。
表 1 大凌河流域低山丘陵区人工油松林和沙棘林树冠截留量《mm)
Table 1 Canopy intercepting m ount of artificial Pinus tabulaeformis carr and Hippophae rhamnoides in Dalinghe River watershed《mn1)
3．2 人工油松林和沙棘林凋落物截留量
不同森林生态系统内，凋落物的质和量各不相同，其吸水特性也不尽相同 ¨ ’ j。表 2为低山丘陵区人
工油松林和沙棘林凋落物量及其截留量。6月降雨量为 238．9mm，油松林中凋落物截留量是 33．83ram，平均截
留率为 14．17％；而沙棘林中凋落物截留量是48．5mm，平均截留率为 20．8％。分析表 2可知，沙棘林中凋落物
量及其截留量都远大于人工油松林，这主要是由于沙棘林枝叶繁茂，落叶量多，且郁闭度高，透光性差，林内温
度较低，不利于凋落物分解，所以林内凋落物量较大u 。
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表2 人工油松林和沙棘林凋落物截留量
Table 2 Liter intercepting m ount of artifcial P／nus tabulaeforals carl"．and H~pophae rimmnoldes in Dalinghe River watershed
3．3 人工油松林、沙棘林和荒地的土壤理化性状
从表3可看出，除土壤容重之外，0～20cm土层总孔隙度、非毛管孔隙度、饱和含水量和非毛管持水量都
高于 20～40cm土层，且油松林和沙棘林中这些物理性状明显高于荒地。这是森林表层土壤长期积累凋落物
并腐烂从而形成较厚腐殖质层的结果。沙棘林和油松林的非毛管持水量比荒地分别是荒地的 275．9％和
182．1％，因此在低山丘陵区人工种植沙棘和油松能够显著改善土壤结构，有利于保持水土，防止区域水土流
失。有关研究表明，生态系统土壤的渗透性能取决于其非毛管孔隙，在饱和持水量中，非毛管孔隙中滞留的重
力水在调蓄水方面具有更为重要的作用 ’” 。因此，近年来不少研究提出，将土壤非毛管孔隙度大小作为
判断生态系统土壤蓄水能力大小的主要指标，并用它和土层厚度来计算土壤蓄水量 。
表3 人工油松林、沙棘林和荒地 0—40em土壤物理性质
Table 3 Physical properties of soil(0—40cm)In artificial P／nus tabulaeforais car．-Hippophae rhamnoides forest and wasteland
根系的分泌、死亡、腐烂和凋落物分解使土壤，尤其是对表层土壤的容重、有机质、土壤养分、微生物种群
等产生重要影响。由表4的显著性检验可看出，pH、全磷和速效磷在不同地类和土层没有显著差异；有机质、
全氮、全钾和速效钾含量在油松林和沙棘林土壤中显著高于荒地，但在同一地类土壤，0～40cm土层中却没有
显著差异；速效氮在油松林和沙棘林中含量显著大于荒地，但在油松林中，0～20cm表层土中速效氮含量与20
～ 40cm土壤中含量差异显著。
3．4 人工油松林、沙棘林和荒地的径流量和侵蚀量
表5为 2002～2004年 6～8月人工油松林、沙棘林和荒地的径流深和侵蚀量。油松林和沙棘林 3a平均径
流深分别是2．516mm和0．893mm；而侵蚀量分别是 15．57 t km 和 0．76 t km～；径流深和侵蚀量约为荒地的
1／20和 1／50，表明沙棘和油松能显著减少地表径流和土壤侵蚀量，但沙棘的减流减沙率比油松好 ，这主要是由
沙棘林和油松林中的树冠性状、枯落物层和土壤理化性状等差异综合作用的结果口 。
4 结论与讨论
4．1 2002～2004年6月平均降水为238．9mm时，油松林和沙棘林树冠截留量3a平均为55．5mm和76．05mm，
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7期 魏晶 等：辽西低山丘陵区人工油松林和沙棘林的水文生态效应
平均截留率为23．08％和 32．28％，即约有 1／4～1／3的降水被林冠截留，而人工油松林 3a平均树干茎流量为
7．96ram，占降水量的 3．37％。不同植被类型中，树冠对降雨均有较大截留作用，平均截 留率为 16．45％ ～
37．19％ 。
襄 4 人工油松林、沙棘林和荒地 0—40cm土壤化学性质
Table 4 Chemical properties of soil(0—40em)in artifcial P／nus tabulaeformls care．。Hippophae rhamnoides and wasteland
注：表中同一栏带不同字母的数字，表示在5％水平上差异显著；人工林种植后几乎没有人为的抚育措施，仅为自然生长状态。The diferent
letters in the same column shows that there is significant difference at the level of 5％ ：Th e planted forest grows in a natural state．
襄5 人工油松林、沙棘林和荒地的径流深和侵蚀量
Table 5 Runofdepth and erosion amountfromP／nustabulaeformis carr．。H~,pophae rhamnoides andwasteland
4．2 油松林中凋落物截留量是 33．83mm，平均截留率为 14．17％；而沙棘林中凋落物截留量是 48．5mm，平均
截留率为20．8％。凋落物最大持水率在 269．8％～315．2％之间，约为自身干重的 2．7～3．2倍。除土壤容重
之外，各地类 0～20cm土层总孔隙度、非毛管孑L隙度、饱和含水量和非毛管持水量都高于 20～40cm土层，且油
松林和沙棘林中这些物理性状明显高于荒地。这是森林表层土壤长期积累凋落物并腐烂从而形成较厚腐殖
质层的结果。沙棘林和油松林的非毛管持水量分别是荒地的275．9％和 182．1％。其 中土壤有机质 、全氮、全
钾和速效钾含量也显著高于荒地。
4．3 2002～2004年 6～8月油松林和沙棘林 3a平均
径流深分别是 2．516mm和0．893mm；而侵蚀量分别是
15．57 t km 和0．76 t km～；径流深和侵蚀量约为荒地
的 1／20和 1／50。影响林内地表径流量和侵蚀量的因
子很多，主要受降雨量、降雨强度、降雨持续时间、植
被状况及类型、林地凋落物量、土壤结构、土壤渗透性
能及地形、坡度等条件的综合影响¨¨ 。为了进一
步了解大凌河低山丘陵区不同地类中地表径流量与
襄6 地襄径流量(y)与林地凋落物量、土壤物理性质( )的回归方
程
Table 6 Regression equation between runof an d fitter， physical
prope rtiesinforestland
凋落物量、土壤物理性状间的关系，本研究对同一地类各样方(15×3)数据进行回归分析，结果表明大凌河低
山丘陵区林内地表径流量与林内凋落物量、土壤非毛管孑L隙度呈显著负相关；与土壤容重呈显著正相关(表
6)。这为以后在大凌河流域连续定位观察土壤环境因子提出了新的研究内容和研究方向，同时为该区综合治
理和生态恢复提供了详实数据和定量分析方法。
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