径流利用是干旱半干旱地区为满足林木正常生长对水分的需求, 弥补降雨之不足而普遍采用的一种育林技术措施。其历史虽由来已久且近年来又有新发展, 并提出了新的概念, 如“径流林业”等, 但作为径流利用对荒坡原有生产力的影响, 及其生产潜力等基础理论问题仍研究不多, 深入研究更少, 因此径流利用工程规划设计与实施的科学性受到了一定影响。在国家自然基金委的资助下, 本文在黄土高原林地(水分)生产力方面开展了一些基础研究。

1 研究地区自然概况及试验地简况

以黄土高原自然条件最为优越的半湿润区, 作为林地生产力研究的典型地段, 有利于黄土高原其它地区相应项目的优化估计。项目试验布设在位于黄土高原南缘的陕西淳化县, 北纬34°43′~35°03′, 东经108°18′~108°50′, 海拔630~1809 m。年平均气温9.8 ℃, 无霜期184 d; ≥0 ℃积温3899.2 ℃, ≥10 ℃的活动积温3281 ℃; 太阳年辐射总量504.34 kJ/cm², 属暖温带季风气候。年平均降水量600.6 mm, 多集中于7~9月, 占全年降水量的53%。年均地表径流深58 mm。地下水埋藏深达100 m以上。干燥度(K值) 1.1~1.38, 属半湿润地区, 森林草原植被带。土壤属黑垆土与褐土的过渡地带, 而以非地带性土壤黄绵土类为主。

研究以黄土高原主要造林乔木树种刺槐、油松为对象, 在土壤水分条件最为优越的阴坡立地上, 选人工中龄至近熟林, 以优势木为测定单株(见表 2)。试验地基本状况见表 1。

2 研究方法 2.1 基本思路

径流利用条件下的林地(水分)生产力, 就乔木而言, 则是在较充足供水条件下的生物产量。开展此项研究, 则首先需要对林木正常生长的需水量作出定量测定。进而再根据不同降雨条件下的自然供水能力, 确定应补给的水量, 即应汇集的径流量, 并依此确定集流面积; 最后根据较充足供水条件下的林木个体生长量, 以及集流条件下单位面积上所能容纳的最大林木株数, 确定林地生产力。

2.2 基本测定方法

林木年耗水量测定, 分别按不同立地类型与不同树种林地, 采用适于黄土高原林木蒸腾耗水与林地蒸发量分别测定的实用方法—“单株平衡法” (孙长忠等, 1995; 1996), 以优势木为研究对象, 设置定位观测点(见图 1), 各测定点安装400cm深测管, 利用中子水分测定仪, 自地面向下每20cm为1个层次, 从1~12月, 每周1次, 常年定位观测。以取得优势木年耗水量等测定参数的确切数据, 作为林地水量平衡与水分供给潜力的计算依据。

3 结果及分析 3.1 优势木单株耗水量测定

林木蒸腾耗水量与当年降雨量存在着密切的正相关关系。现以降雨量正常年份(1993年), 在水分条件较为优越的阴坡立地上所测资料(见表 2)为基础, 结合其它年份测定资料综合分析如下(阴坡下部类型缺油松可比林龄样地资料)。

阴坡下部立地类型土壤水分条件优越, 林木生长良好。刺槐测定单株(优势木)平均耗水355.6 mm, 相当于同期降雨444.4 mm的80.1%。其结果使土壤水分亏损17.6 mm, 实际利用了当年同期降雨的76.1%。阴坡上部刺槐测定单株平均耗水386.3 mm, 亏损31.8 mm, 利用当年降水79.8%。

阴坡上部20年生油松优势木单株平均耗水为400.3 mm, 出现了年耗水亏损。

3.2 径流生产力探讨 3.2.1 林地有效水分供给潜力研究

根据林地水分平衡及与林外裸地水分相互数量关系分析与推导(孙长忠等, 1996; 1995), 其结果为:T= (E-E_f) + (R_b-R_f) -I, 其中, T为林木蒸腾耗水量; E、E_f分别为林外裸露地面、林内蒸发量; R_b、R_f分别为林外、林内地表径流量; I为林冠截留量。

(1)

即林分蒸腾量(T)等于林地内、外地面蒸发量之差(△E)与地表径流差值(△R)之和, 再减去林分水分无效消耗量(I)。式(1)虽表示了林分的蒸腾量, 但更确切地说, 它所表示的实际含义是林地所能供给林木生长所需要的水量(蒸腾量受制于土壤可供水量), 即林地的水分供给潜力。由(1)可以清楚地看到, △E是由于林冠遮蔽及枯落物覆盖而造成的林分内外地面蒸发量的差值。即由于林冠及枯落物作用而避免的无效水分消耗。△R也是由于枯落物等引起的降雨径流减少量(滞留和改良土壤增加入渗等)。因此, 林地水分供给潜力, 是一种由林分自身创造而获得的能力, 即“自创性”能力, 而并非原裸地所固有。且这种能力与林分状况密切相关, 并随林木的生长及林分的变化而处于动态变化之中。

为了明确地表示林地水分供给潜力, 即林地的有效水分供给潜力(Available Water Potentialities缩写为AWP), 并与林分蒸腾量加以区别, 令AWP=T, 则:

(2)

式(2)称为“林地水分潜势方程”, 简称“水分潜势方程”。

根据水分潜势方程, 便可计算求得不同林地水分供给潜力。经实地测定与计算, 半湿润区阳向沟坡上、下坡位, 刺槐林地水分潜势为220.6 mm和291.6 mm, 相应的最大生物量生产力分别为4.567 t/hm²·a和7.407 t/hm²·a; 阴坡刺槐、油松林地水分潜势分别为340.7 mm和386.9 mm, 相应的最大生产力(Ms)分别为15.923 t/hm²·a和6.964 t/hm²·a。

由水分潜势方程可见, 水分潜势由△E和△R两个重要部分组成。其中, △R=R_b-R_f, 为林外裸地与林内地表径流之差。因此, 一切使△R增大的措施, 都能够提高林地水分潜势。分析△R组成, 林外径流仅为参比项, 仅说明并强调林木对原裸地水分环境的改造, 和提高林地水分生产力的作用。其变化对林地水分潜势并无实际意义。而只有林内径流才是对林地水分潜势起作用和可以人为改变的。也就是说, 只要人为改变R_f, 使其尽可能地减少, 便可使水分潜势提高。

R_f的减少有两个途径, 一条是通过造林整地等措施, 改造原坡面小地形, 拦截径流, 减少输出; 另一途径, 则是通过林地枯落物对土壤的改良, 增强透性, 以提高降雨入渗速率来实现。这对于降雨充沛且有着较大径流输出的地区来说, 是增大△R的主要措施。但在降雨量不大, 林地自然径流输出较小的干旱半干旱地区, 此途径则显得作用有限。这就要求设法使林内径流量R_f变为负值, 也就是说, 要设法尽可能杜绝径流输出和尽可能增加径流输入, 至少要使输入量大于输出量。若将一个坡面看作一个整体, 全部成为林地, 则要使其径流输入量增加, 是难以做到的。因此, 只有将一个坡面划分为多个部分, 才有可能在各部分之间, 进行水分的调节。即在整体坡面上分带植树, 带间留出一部分作为产流(径流)区, 以增加植树带内的径流输入量。

由于坡面整体性的破坏, 人为造成水分的非均匀性分布(配), 林带内水分潜势将发生很大变化。其变化量的大小, 决定于径流输入量及林带面积。而径流输入量的大小, 一方面受降雨量影响, 同时还决定于坡面径流系数及集水面积的大小。

黄土高原半湿润区的阴向沟(山)坡, 是该区非灌溉条件下水分环境最为优越的立地。在此立地下, 刺槐、油松均可成林并成材。因此, 该区其它立地及其余干旱半干旱地区, 在忽略其它影响因素的条件下, 若要达到林木个体发育良好, 林分稳定生长且能成材, 亦应达到阴坡林地的水分潜势水平。这是最基本的要求, 故称为“期望最低水分潜势标准(AWPs) ”。经实际测定与计算, 阴坡刺槐、油松AWPs分别为340.9 mm和386.9 mm。

3.2.2 径流生产力计算分析实例

以降雨量、径流系数、林地水分潜势及集流面积比率, 建立方程:

(3)

式(3)称为“集流—潜势”关系方程。其中, A、B分别为集流面积(或两带间水平距)和造林面积(或造林带宽), A/B称为集流比(Cap), P为降雨量, Rc为径流系数(Runoff coefficient), AWPa为现实林地水分潜势。现以半湿润区阳坡下部立地刺槐林为例, 就其集流前后生产力的变化分析如下。

试验区降雨量P=600 mm, Rc按0.1计, AWPs=340.7 mm, 实测AWPa=291.6 mm, 则A/B=0.8183, 即有林地面积(植树带面积)仅占全坡面(造林地区域)面积的55%。虽然有林地面积相对减少了45%, 但林木生长在水分相对较好的局部区域(带)内, 其生长状况将大为改善, 从而可实现林冠对林地的有效覆盖。经作者实地测定, 在林冠有效覆盖林地的情况下, 阴、阳坡向林地蒸发量十分接近。另外, 就黄土土壤发育现状而言, 阴、阳坡向土壤肥力尚无本质差异, 林木的生长状况主要是由林地可供给林木生长所需水分的数量所决定的。因此, 阳坡带状有林地区域内, 其原有的期望最大生产力(7.407 t/hm²·a), 亦将至少提高到阴坡林地期望最大生产力水平, 将达到15.923 t/hm²·a, 这样阳坡下部类型总体生产力水平将达到8.758 t/hm²·a (即15.923×0.55), 从而使生产力可提高18.23%。由此可见, 在水分难以满足林木正常生长需要的立地上, 若能汇集分散降雨, 也会产生较高的生产力。其原因是林木在得到水分充分供给的情况下, 光合作用速率将大为提高。其增加的幅度同水分的加入量并非简单的迭加, 而呈一幂函数关系。由于有限水分的集中利用, 使在带状造林面积约为原全面造林面积一半的林地上, 不仅生产出了更多的生物量, 且更重要的是, 林地生产力的提高, 林分稳定性及生长势将得到改善, 从而使林木成材年限缩短, 森林的生态与经济效益也必将得到提高。

由以上分析可见, 在干旱、半干旱地区大力利用径流造林, 是科学培育森林, 加速植被恢复的一条多快好省的重要途径。而作为径流造林发展基础理论之一的径流生产力, 是关系到林业生产规模与布局决策的重大问题, 其潜力研究的理论与实用价值, 是显而易见的。

3.2.3 黄土高原荒坡径流生产潜力探讨

如上文所述, 半湿润地区可以利用已有各立地与各树种水分潜势测定结果, 实现对现有林地生产力及径流生产力的评价。但在干旱半干旱地区, 由于试验材料不足, 还一时无法测得现地水分潜势数据。虽不能用现有半湿润地区水分潜势值直接代替, 但经合理转换, 假设在生长季节其光、热等大气候条件对林木生长无显著限制作用, 且各地差异不大的情况下, 对宏观地认识不同地区集流造林生产力, 亦有着一定的参考价值。

在“集流—潜势”关系方程A/B= (AWPs-AWPa)/(P·Rc)中, AWPs是在600 mm降雨地区, 在较优越的立地条件下, 不同树种林分所形成的“期望最低水分潜势标准”。在大的气候条件基本相近, 而又都以水分为主要限制因子的情况下, 其它地区若林内土壤得到相同的水量, 林木的生长亦应有相似的效果。因此, 将半湿润地区大气降水600 mm, 减去某树种截留量的剩余部分(净降水量), 称为该树种“期望最低林内降水标准(Net precipitation standard, 即Nps) ”。根据他人研究(邓世宗等, 1989;裴铁璠等, 1993; 杨新民, 1980; 崔启武等, 1980; 刘向东等, 1993; 杨海军等, 1993; 阎顺国, 1989; 赵鸿雁等, 1993), 林冠(刺槐、油松)截留率均在20%左右(按20 %计), 则刺槐、油松的NPs均为480 mm。如此以来, 对达不到NPs的地区, 则应汇集坡面径流水量加以补充。

根据降雨(P)、径流(Rc)、Nps及林冠截留量(I), 可建立集流面积比率实际计算方程:

(4)

大量研究结果表明(贺康宁等, 1997; 李玉山, 1983; 王玉宽等, 1991;周国逸等, 1990), 在黄土高原地区, 特别是干旱、半干旱区, 径流特点为超渗径流, 1年中只有集中于雨季的少数几次暴雨才产生径流, 1次降雨10 mm以下, 一般不产生径流。因此, 就年降雨而言, 径流系数一般不超过0.1。实际上, 年产流降雨一般只占年降雨的60 %左右(贺康宁等, 1997; 中科院综考队, 1990)。以60%计, 则式(4)可写成:

(5)

令Cap=A/B, Rpi=1/ (Cap+1), 某树种在其Nps时的林分“期望最大蓄积量”为Ms, 则根据Rpi及Ms, 即可计算当地降雨条件下, 利用自然坡面汇集径流时该树种林分期望蓄积量(Ms·Rpi)。故称Rpi (Runoff productivity index)为某树种“降雨径流期望生产力指数”, 现按(5)式, 将黄土高原地区不同气候区油松、刺槐林分生产潜力计算如下(见表 3)。

若将20年生左右的油松平均冠幅按11 m²/株计, 按上表所列密度, 则在降雨500 mm地区, 林冠可覆盖林地面积的62.7%, 400 mm地区仅为31.4%。20年生左右的刺槐冠幅若按9 m²/株计, 降雨500 mm地区, 林冠可覆盖林地41.1%, 400 mm区为20.5%。由此可以推知, 若以郁闭度0.4以上为林冠有效覆盖标准, 则油松、刺槐在降雨量500 mm以上地区, 和自然坡面产流汇集, 便可形成较为稳定和具有一定产量的森林。若以郁闭度0.2以上为森林标准, 则在降雨量400 mm地区, 利用自然坡面产流汇集, 可形成稀疏林地。在降雨400 mm以下地区, 除立地条件优越的局部小环境外, 难以大面积普遍成林。若要使其成林、成材, 仅依靠自然坡面汇集径流是难以实现的。因而, 需采取人工措施, 改变集流坡面地表状况, 加大径流系数。若径流系数加大到0.3, 则油松、刺槐可望在降雨400 mm地区成林并成材。但是, 这时的生产力已不完全是自然集流生产力, 而输入了人工能量, 因而要考虑施工费用, 材料成本等, 并结合生态效益, 进行经济效益权衡与综合评价。

4 结论

径流利用是黄土高原发展高效林业的基本途径。经研究建立了“集流—潜势”关系方程, 实现了径流生产力的理论计算。基于单株需水量研究而提出的“期望最低水分潜势标准”, 是径流生产力评价的重要依据之一。坡面径流系数, 是决定径流生产力的主导因素。黄土高原地区, 利用自然坡面径流, 进行刺槐、油松人工造林, 可望成林成材的降雨量下限均为500 mm。400 mm降雨量, 仅可形成郁闭度0.2~0.3的稀疏林地。