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降雨是导致北方土石山区水土流失的主要动力，其时间和空间尺度上的变化对坡面径流和土壤侵蚀影响较大[1-2]。除降雨以外，整地方式、土壤特性、植被覆盖、坡度坡长等[3-6]也是影响坡面水土流失的重要因素。目前，国内外不少学者开展了坡面尺度上不同措施的水土流失特征研究[7-9]，例如，利用土壤侵蚀模型评价水土保持措施对土壤侵蚀的影响研究[10-12]等。王忠科等[13]对河北张家口地区的水土保持措施效益进行了研究，发现水平梯田的拦沙蓄水效果最高，植物措施结合适当整地可以取得良好的水土保持效果，沟头防护措施可以减少沟道径流，有效抑制沟道土壤侵蚀。和继军等[14]评价了张家口地区水土保持措施空间配置的适宜性，认为水平沟、鱼鳞坑整地形式的荒坡地水土保持效益最好，人工种草和自然封禁次之。许海超等[15]就燕山土石山区下垫面条件对坡面侵蚀产沙的影响进行研究，认为鱼鳞坑、梯田、水平阶等整地工程在改变坡面下垫面条件的情况下，能够有效蓄水拦沙，防治坡面侵蚀。路炳军等[16]认为北京西部山区减流减沙效益最大的是人工苜蓿Medicago sativa草地，其次为天然草地和树盘/人工林，再次为石坎梯田/蔬菜，平播农作物的效益最小，但也明显优于裸地。由于各地区的地理环境和土地利用状况不同，自然降雨的特点也存在差异，因此不同地区的水土流失规律不尽相同。太行山地区属典型北方土石山区，是华北重要供水水源地。该区人口众多，生态环境脆弱，水土流失严重[17]。迄今为止，该区不同措施水土保持效应研究的报道较少，亟待开展这方面的研究工作。本研究以山西省平顺县白马小流域坡面径流小区的观测数据为基础，运用统计学方法，分析北方土石山区太行山地区的降雨、产流产沙特征，比较不同植物措施对坡面产流产沙的影响。研究结果可为该区生态环境建设、水土流失综合治理和坡面水土保持措施效应评价提供理论依据。
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研究区位于山西省平顺县青羊镇白马小流域，面积为4.47 km2，属于海河流域浊漳河水系，为典型北方土石山区。地理位置为36°07′19″~36°08′52″N，113°20′30″~113°22′11″E，海拔1 303.3~1 522.5 m，暖温带大陆性气候，土壤侵蚀类型以水蚀为主。多年平均气温为9.1 ℃，≥10 ℃的积温3 177.5 ℃，无霜期125.0 d，多年平均降水量为628.9 mm，主要集中在6-9月，且年际、年内变化较大，分配不均匀。多年平均蒸发量为1 631.6 mm，气候干旱。土壤类型为石灰性褐土，是该区最普遍的土壤类型，土层厚度为0~50 cm，抗蚀性差，水土流失严重。流域内植被主要是森林、灌丛、草地、荒山、玉米地等，主要植物有白羊草Bothriochloa ischaemum，紫蒿Artemisia verlotorum，黄栌Cotinus coggygria，黄刺梅Rosa xanthina，山桃Amygdalus davidiana，油松Pinus tabuliformis，山杨Populus davidiana，侧柏Platycladus orientalis，辽东栎Quercus wutaishansea，山杏Prunus armeniaca，虎榛子Ostryopsis davidiana，胡枝子Lespedeza bicolor，沙棘Hippophae rhamnoide和铁杆蒿Heteropappus altaicus等。
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根据平顺县白马小流域水土流失综合观测站的地形条件和当地植被类型，在试验区内共设置10个坡面径流试验小区。小区统一规格为长20 m宽5 m面积100 m2，其中包括1个标准小区，4个植物措施和5个植物+工程措施小区，于2006年开始观测。本研究选取标准小区和4个植物措施小区进行研究，所涉及的植物均为该区常见物种，可代表该区的水土保持植物措施情况。坡面小区在植被生长期内隔15 d进行1次乔灌草覆盖度调查，通过修枝、除草等措施控制植被覆盖度。径流小区外围砌有10 cm厚的水泥板，以防止外界径流流入，小区两侧各留有0.3 m宽的隔离带，上方设置排水沟，下方出口与分水箱连接。分水箱与集水箱连接，以收集降雨产生的径流和泥沙。各径流小区基本情况见表 1。
表 1 径流小区基本情况
Table 1. Basic situation of the runoff plots
小区 坡度/(°) 坡向/(°) 土地利用 整地方式 土壤类型 土层厚度/cm 覆盖度/% 植株密度/(株·m-2) 1 18°20′ 210 裸地(标准小区） 无 石灰性褐土 50 0 0 2 18°20′ 210 自然坡(白羊草、紫蒿、黄栌) 自然荒草坡 石灰性褐土 50 50 22.00 3 18°20′ 210 人工种草(白羊草) 条播 石灰性褐土 50 40 20.00 4 18°20′ 210 灌木(黄刺梅) 鱼鳞坑 石灰性褐土 50 45 2.50 5 18°20′ 210 乔木(山桃) 鱼鳞坑 石灰性褐土 50 42 0.16 -
径流小区降雨数据观测：采用虹吸式自记雨量计(记录纸分度范围为0.1~10.0 mm; 记录误差为±0.05 mm)观测降雨，每天8: 00更换记录纸，根据降雨过程线分析降雨量、降雨历时和降雨强度；利用观测的降雨数据，应用降雨侵蚀力计算软件计算出降雨侵蚀力，计算公式：$E = \sum\limits_{k = 1}^n {\left( {{e_k}{P_k}} \right)} ;{e_k} = 0.119 + 0.873{\rm{log}}{i_k};R = E{I_{30}}$。其中：E为降雨总动能，MJ·hm-2；ek为k时段单位降雨动能，MJ· hm-2·mm-1；Pk为k时段降雨量，mm；ik为k时段降雨强度，mm·h-1；R为降雨侵蚀力，MJ·mm· hm-2·h-1；I30为最大30 min降雨强度，mm·h-1。
径流量观测：每次自然降雨后，立即采用水位计(精度为≥±0.5%)测定分水箱中水深，计算地表径流总量、径流深及径流系数；若降雨量较大，致降雨从分水箱的出口流入集水箱，则立即测定集水箱中的水深，计算公式：H=103V/S；V=S1H1+rS2H2。其中：H为坡面径流深(mm)；V为坡面总产流体积(m3)；S为径流小区面积(m2)；S1为分水箱底面积(m2)；S2为集水箱底面积(m2)；H1为分水箱水深(m)；H2为集水箱水深(m)；r为一级分流系数。
产沙量观测：充分搅匀分水箱中的泥水，分层取2 000 mL泥水混合样带回实验室，将样品过滤后烘干，用千分之一电子天平称其质量，以计算各坡面产沙模数，计算公式：M=104MS/S；MS=10-6[m(1-c)+103(S1H1C1+rS2H2C2)]。其中：M为坡面产沙模数(t·km-2)；MS为坡面总产沙量(t)；m为水箱土总重量(g)；c为分水箱土含水率；C1为分水箱含沙率(g·L-1)；C2为集水箱含沙率(g·L-1)。
土壤含水量观测：采用时域反射仪(TDR)法测定土壤含水量，隔15 d测定1次，测定深度为5，10，20，30 cm；
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收集整理2015年(4-10月)平顺县白马小流域的降雨数据，各坡面径流小区的产流产沙数据。本研究把能够导致坡面径流小区发生水土流失的降雨均视为侵蚀性降雨。在汛期的45场降雨中有12场侵蚀性降雨，将12场侵蚀性降雨按照降雨等级划分标准GB/T 28592-2012《降水量等级》进行划分(表 2)。
表 2 2015年4-10月白马小流域12场侵蚀性降雨特征
Table 2. Characteristics of 12 erosive rainfall in Baima small watershed on April to October of 2015
日期(月-日) 降雨历时/min 降雨量/mm 降雨类型 平均雨强/(mm·h-1) I30/(mm·h-1) 降雨侵蚀力/(MJ • mm • hm-2·h-1) 04-02 371 21.2 大雨 3.43 12.23 41.22 05-01 901 34.1 大雨 2.27 18.16 99.53 05-06 496 16.5 大雨 2.00 24.14 96.16 05-28 818 26.8 大雨 1.97 4.78 15.54 06-23 600 61.7 暴雨 6.18 10.96 53.95 07-15 766 14.1 中雨 1.10 4.53 7.96 07-17 266 27.1 大雨 6.09 41.85 298.54 07-21 77 15.1 大雨 11.77 23.66 90.72 08-03 873 15.9 中雨 1.09 13.12 48.54 08-05 50 10.7 中雨 12.84 19.95 52.75 08-29 23 5.9 中雨 15.10 31.76 17.56 08-31 427 36.28 暴雨 5.09 11.44 276.22 运用Excel 2016和SPSS 20.0统计软件进行数据的整理以及统计分析，应用Pearson相关系数进行显著性检验。
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研究区降雨主要发生在4-10月，期间共有45场降雨，降雨量总量为440.30 mm，其中侵蚀性降雨有12场(表 2)，侵蚀性降雨总量为285.67 mm，占4-10月份降雨总量的64.88%。由表 2可知：侵蚀性降雨主要集中于5-8月，该期间降雨量为362.8 mm占监测期总降雨量的82.39%；月最大降雨量为101.4 mm，出现在8月；单次最大降雨量为61.7 mm，出现在6月23日，最小降雨量为5.8 mm，出现在8月29日；次降雨的最大平均雨强为15.1 mm·h-1，最小为1.1 mm·h-1；最大30 min雨强最大值为41.8 mm·h-1，最小为3.9 mm·h-1；最大降雨侵蚀力298.5 MJ·mm·hm-2·h-1，最小为7.9 MJ·mm·hm-2·h-1。
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将侵蚀性降雨按GB/T 28592-2012的降雨等级划分标准分成3个等级，分别是中雨、大雨、暴雨。在不同降雨等级下各坡面径流小区的产流量情况见图 1。在中雨、大雨、暴雨条件下，各坡面径流小区的产流情况是裸地＞自然荒坡＞人工草地＞灌木林地＞乔木林地，可见乔木林地在各降雨等级下的减流效应最大，在大雨量降雨发生时能够有效减少坡面径流的产生。在中雨条件下，4种典型植物措施坡面径流小区的产流量相差不大，差异不显著(P＞0.05)；在大雨条件下各坡面径流小区的产流量均有显著增加，相比于中雨条件增加幅度分别是：裸地114.88%，自然荒坡190.01%，人工种草232.62%，灌木313.45%，乔木451.77%。与中雨和大雨条件相比，在暴雨条件下，各坡面径流小区的产流量增加显著，相比于中雨条件增加幅度分别是：裸地295.44%，自然荒坡339.07%，人工种草400.86%，灌木565.97%，乔木765.25%。相比于大雨条件增加幅度分别是：裸地84.74%，自然荒坡51.39%，人工种草50.58%，灌木61.08%，乔木56.81%。与裸地相比4种典型植物措施坡面径流小区的产流量显著减少；在大雨和暴雨条件下各坡面产流量占总产流量的85.91%~93.58%。可见，该区4种植物措施能有效发挥保水作用，尤其是在大雨和暴雨发生时，产流量最少。
图 1 各降雨等级下典型植物措施坡面产流量
Figure 1. Runoff yield of typical plant measures under different rainfall levels
将侵蚀性降雨以最大30 min降雨强度的大小进行雨强分类，分为低雨强(I30≤10 mm·h-1)，中雨强(10 mm·h-1＜I30≤30 mm·h-1)和高雨强(I30＞30 mm·h-1)。各坡面径流小区在各雨强等级下的产流量情况见图 2。在低雨强、中雨强、高雨强下，各坡面径流小区的产流情况是裸地＞自然荒坡＞人工草地＞灌木林地＞乔木林地，产流量变化不大且相对比较均匀，但与裸地相比在不同降雨强度下4种植物措施的产流量显著偏少。在低雨强条件下，各坡面径流小区的产流量差异不显著，可能是因为雨强较小使得大部分降雨入渗土壤或被植被截留；在中雨强和高雨强下，各坡面径流小区的产流量占总产流量的71.94%~73.60%，与裸地小区比较，灌木林地和乔木林地在中雨强和高雨强下的减流效应最为显著。
图 2 各雨强等级下典型植物措施坡面产流量
Figure 2. Runoff yield of typical plant measures under different rainfall intensity
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在地形、土壤、坡度、降雨等条件相同的情况下，植物覆盖对坡面产沙量的影响最为突出。在侵蚀性降雨分为3个等级的条件下，各坡面径流小区的产沙量如图 3所示。
图 3 各降雨等级下典型植物措施坡面产沙量
Figure 3. ediment yield of typical plant measures under different rainfall levels
由图 3可知：在各降雨等级条件下，坡面径流小区的产沙量是裸地＞自然荒坡＞人工草地＞灌木林地＞乔木林地，乔木林地的减沙效应最优。在中雨条件下，各坡面径流小区的产沙量差异不大，基本都在北方土石山区允许的土壤流失范围内(小于200 t·km-2)；相比于中雨条件下，大雨条件下各坡面径流小区产流量有所增加，增幅分别是裸地207.16%，自然荒坡251.68%，人工草地143.30%，灌木林地4.87%，乔木林地115.78%，灌木林地增幅最小，可见降雨量变化对灌木林地产沙量影响最小。在暴雨条件下，降雨量最大，雨滴击溅地表，破坏土壤结构，使得入渗能力降低，坡面径流增加，土壤流失严重。因此各坡面径流小区在暴雨条件下的产沙量最大，占坡面总产沙量的48.10%~64.95%。总体来看，在大雨和暴雨条件下灌木林地和乔木林地小区的产沙量最少(小于200 t·km-2)，防治土壤侵蚀的效果最优，4种典型植物措施小区的减沙效应明显。因此，在太行山地区应加强人工草地、灌木林地、乔木林地等植物措施的合理布设，防治各类降雨造成的水土流失。
将侵蚀性降雨以最大30 min降雨强度大小进行雨强分类，分为低雨强、中雨强、高雨强3种类型。各雨强等级下各坡面径流小区产沙量如图 4所示。在低雨强条件下，雨滴动能较小，对地面的击溅作用较弱，仅有面蚀产生，因此产沙量较小，各坡面径流小区产沙量差异不显著(P＞0.05)；在中雨强和高雨强条件下，雨滴的动能较大，对地面的击溅作用增强，破坏土壤结构，入渗减弱，径流量增加，侵蚀能力增强，因此各坡面径流小区产沙量明显增加。相比于低雨强条件，在中雨强下各坡面产沙量增加，增幅分别为裸地262.73%，自然荒坡315.97%，人工草地116.29%，灌木林地95.33%，乔木林地84.52%。而在高雨强下各坡面产沙量增幅则分别是裸地473.62%，自然荒坡690.59%，人工草地310.61%，灌木林地170.00%，乔木林地135.71%。其中，裸地、自然荒坡、人工草地产沙量增幅最大，而灌木、乔木林地产沙量增幅较小，均在北方土石山区允许土壤流失量范围内(小于200 t·km-2)。总之，与裸地小区相比，在各雨强等级下4种典型植物措施小区产沙量明显较少，其中乔木林地、灌木林地的产沙量最低，人工草地和自然荒坡次之。
图 4 各雨强等级下典型植物措施坡面产沙量
Figure 4. Sediment yield of typical plant measures under different rainfall intensity levels
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2015年(4-10月)标准小区和4个植物措施坡面径流小区0~30 cm土层平均含水率动态变化如图 5所示。由于土壤含水率是隔15 d监测1次，因此降雨量也计算15 d内的总降水量。由图 5知，在4-10月的降雨过程中，各措施坡面径流小区的土壤含水率变化趋势基本一致，其变化趋势与半个月内降雨量分布有很好的一致性。降雨主要集中在7月和8月，且这2个月降雨次数较多，降雨量大，相对均匀，因此导致这期间各坡面径流小区土壤含水率最高，为17.1%~26.0%。此外，汛期的侵蚀性降雨也主要出现在这2个月，再加之较高的土壤含水率，极易导致各坡面径流小区发生水土流失。4月2日初次观测的土壤含水率较高，为16.6%~21.9%。分析发现在4月2日有一场产流性降雨，降雨量为21.2 mm，可见降雨对表层土壤含水率影响较大。4月中期降雨量几乎为0，导致土壤含水率明显下降，同时这一时期植被处于萌发生长状态需水量大，也是导致土壤含水率下降的原因。随着5月降水量逐渐增多，以及植物措施保水作用的发挥使得土壤含水率呈增加趋势，为14.9%~23.1%；9月和10月土壤含水率下降明显，主要是因为这一时期降水量明显减少，植物开始枯萎保水作用减弱。该时期各坡面径流小区土壤含水量差异明显。总之，7月和8月降雨次数多，降雨量大且均匀，因此土壤含水率最高，为17.1%~26.0%，即为“丰水期”；4-6月，降雨逐渐增多，植物萌发保水作用增强，土壤含水率升高，这一时期为“波动期”；9月和10月，降雨明显减少，植被枯萎，土壤含水率下降明显，因此这一时期为“枯水期”。各坡面径流小区土壤含水率变化趋势基本一致，其变化趋势与降雨分布有很好的一致性，土壤含水率变化受降雨影响明显。
图 5 不同坡面(A~E)土壤含水率动态变化
Figure 5. Dynamic changes of soil moisture content in different slope (A -E)
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在大雨和暴雨条件下，各坡面径流小区产流产沙量增幅较大，是造成该区水土流失的主要降雨类型。马鹏[18]也认为与大雨相比，暴雨更容易造成土壤侵蚀，土壤侵蚀的主要贡献者是大雨。本研究认为4种典型植物措施中灌木林地和乔木林地在各种降雨类型下产流产沙量最少，能够有效防治该地区的水土流失，在低雨强条件下，降雨造成的坡面径流和土壤侵蚀并不严重，但在中雨强和高雨强条件下，各坡面径流小区的产流量占总产流量的71.94%~73.60%，产沙量占总产沙量的80.78%~90.35%。可见中雨强和高雨强造成的产流产沙量是该区水土流失的主要来源，这与王志伟等[8]研究结果一致。降雨不仅导致坡面水土流失，同时也对坡面土壤含水率有一定影响。研究发现：4-6月降雨较少且不均匀，同时植被处于萌发生长阶段需水量较大，导致各坡面表层土壤含水率波动较大，含水率较低，为10.0%~22.3%。此时期为“波动期”；7-8月降雨相对较多且降雨均匀，植被的保水作用也在这一时期得到充分发挥，表层土壤含水率较高且稳定，土壤含水率基本维持在17.1%~26.0%，此时期为“丰水期”；9-10月降雨急剧减少，植被枯萎，土壤含水率基本处于最低，维持在10.8%~16.0%，此时期为“枯水期”。同时，发现各坡面径流小区的土壤含水率的变化趋势与降雨分布有很好的一致性，土壤含水率变化受降雨影响明显。
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本研究以山西省太行山土石山区白马小流域为研究区域，通过对标准小区和4个植物措施坡面径流小区的降雨和产流产沙进行观测，分析了不同降雨类型条件下各坡面径流小区产流产沙和表层土壤含水率变化规律。结论如下：①大雨和暴雨是造成各坡面水土流失的主要降雨类型；在中雨强和高雨强条件下，各坡面径流小区的产流量占总产流量的71.94%~73.60%，产沙量占总产沙量的80.78%~90.35%。② 在不同降雨类型条件下，各坡面产流产沙量为裸地＞自然荒坡＞人工草地＞灌木林地＞乔木林地，灌木林地和乔木林地在各种降雨类型下产流产沙量最少，能够有效防治该区的水土流失。③4-6月为各坡面表层土壤含水率“波动期”；7-8月表层土壤含水率最高且稳定，土壤含水率在17.1%~26.0%，此时期为“丰水期”；9-10月为“枯水期”。各坡面径流小区土壤含水率变化趋势基本一致，其变化趋势与降雨分布有很好的一致性，土壤含水率变化受降雨影响明显。
综上所述，在太行山土石山区开展水土保持工作时，在裸地要采取必要的植物措施，尤其是乔木林和灌木林的布设将更加有利于水土流失防治。在雨季应注意防范大雨量、大雨强降雨事件引发的水土流失。每年5-8月是水土保持工作的关键时期，要加强水土流失防范工作。
Soil and water conservation effects of plant measures in rocky areas of the Taihang Mountains
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摘要: 基于山西省平顺县白马小流域标准坡面径流小区的观测试验，以裸地作为对照，运用统计学分析方法，对不同降水量和降雨强度下典型植物措施坡面的产流产沙量进行对比，同时分析各坡面的土壤含水率变化情况，研究太行山土石山区典型植物措施坡面的产流产沙规律和降雨对坡面土壤含水率的影响。结果表明：①大雨和暴雨是造成各坡面水土流失的主要降雨类型；在中雨强和高雨强条件下，各坡面径流小区的产流量占总产流量的71.94%~73.60%，产沙量占总产沙量的80.78%~90.35%。②在各降雨类型条件下，各坡面的产流产沙量为：裸地>自然荒坡>人工草地>灌木林地>乔木林地，灌木林地和乔木林地的产流产沙最少，能够有效防治该地区的水土流失。③各坡面径流小区的土壤含水量变化趋势基本一致，其变化趋势与降雨分布有很好的一致性，土壤含水率变化受降雨影响明显。Abstract: This study was undertaken to determine the regulation of runoff and sediment yield on slopes with typical plant cover measures and the influence of rainfall on soil moisture for slope-land in rocky areas of the Taihang Mountains. Based on standard runoff plot observations in the Baima Small Watershed in Pingshun County, Shanxi Province, runoff and sediment yield on slopes with typical plant cover measures for different rainfall patterns and rainfall intensities were compared. Analysis of changes in soil moisture content for each slope with bare land as a control was conducted with statistical analysis methods. Results showed that 1) heavy rain and rainstorms were the main rainfall patterns causing soil and water losses. With moderate rainfall intensity and high rainfall intensity, runoff and sediment yield of runoff plots on slopes accounted for up to 71.94%-73.60% of the total runoff and 80.78%-90.35% of the total sediment. 2) With various patterns of rainfall, runoff and sediment yield on slopes with different cover patterns were bare land > natural slope > artificial grasses > shrubs > forest. 3) The slope runoff plots for changes in soil moisture were identical with and rainfall distribution being consistent. Thus, shrub and forests could effectively control soil and water loss in this area with soil moisture changes being strongly influenced by rainfall.
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树节是树木生长中的正常生理现象，往往存在于树干内部，在用材中统称为节子[1]。节子一般可分为健全节和疏松节，健全节是由活树枝形成，它与树干木质部连接较为紧密，因此基本不影响木材抗压强度和质量，在外观上，其颜色与周围正常的木材相似[2]；疏松节是指枝条死亡后被木质部包合起来的部分，这些部分严重破坏了木材内纤维的连续性，导致应力的大量集中，极大地降低木材的强度与抗弯性，影响木材的质量及其加工性能。因此，节子不仅严重影响了木材质量[3-5]和林木产品的利用率[6-7]，还会影响树木的材质[8-9]。对节子内部属性和发育规律的研究将有助于了解节子生长过程中的变化规律。有研究表明：节子的大小随着节子着生高度的增加呈先增加后减小的趋势[10-11]，并与枝条着生角度成反比[12]。WANG等[13]对不同种植密度下西南桦Betula alnoides的节子特征进行研究发现：高密度种植能有效减小节子基径。HEIN等[14]利用人工修枝与自然整枝条件下的白蜡树Fraxinus excelsior和欧洲槭Acer pseudoplatanus的枝条数据进行分析，发现枝条基径和树干径向生长速率对枝条预测模型的建立起重要作用。陈东升等[15]以落叶松Larix gmelinii人工林为研究对象，建立了落叶松人工林节子模型。贾炜玮等[16]采用混合模型对红松Pinus koraiensis人工林树干内部活节、未包藏死节和包藏死节的体积进行了较好地拟合。然而，中国目前对于节子形成规律及特征的研究主要集中在北方针叶树种，对于南方阔叶树种的研究还较少。米老排Mytilaria laosensis为金缕梅科Hamamelidaceae壳菜果属Mytilaria的常绿阔叶乔木，主要分布于中国云南、广西、广东等省份及东南亚越南、老挝等国，是上述地区的优良速生树种[17]，具备材质优良、结构细腻、生长迅速等特点，多用于制造高等家具。但由于其树冠部分枝条较多，自然整枝能力较弱，导致树干上的枯枝无法及时脱落，极大地降低了该树种的质量。若这部分枯枝得不到及时清理，将会逐渐被树干的形成层包裹，形成死节，降低木材可利用率和木材等级[18]。目前，关于米老排的研究主要集中在生物量模型[19]、种苗培育[20]、碳储量[21]、枝条发育规律[22]和凋落物[23]等方面，关于米老排节子分布和发育规律方面研究较为缺乏。据此，本研究通过研究米老排节子时空分布规律，建立节子变色长度预测模型，为米老排无节大径材的培育提供科学依据。
1. 材料与方法
1.1 试验地概况
中国林业科学研究院热带林业实验中心(22°11′N，106°75′E)地处广西最南部，与越南谅山市接壤，试验区下设哨平、青山、伏波和白云4个分场。米老排人工林位于青山分场，海拔约440 m。该地区属于亚热带季风气候，雨量充沛，夏无酷热，冬无严寒，年平均气温为 22.5 ℃，年平均降水量约1 210 mm，雨季集中在4—10月，约占全年降水量的3/4，全年无霜期约345 d，年平均日照约1 620 h。土壤主要为砖红壤，呈酸性(pH 4.5)，土壤有机质质量分数为24.65 g·kg−1，全氮质量分数为1.02 g·kg−1，全磷质量分数为 0.47 g·kg−1，有效氮质量分数为117.20 mg·kg−1，有效磷质量分数为1.20 mg·kg−1，有效钾质量分数为84.20 mg·kg−1。
1.2 研究方法
1.2.1 样地调查
米老排人工林建于2008年，采用来源于同一优良母树的种子培育的实生苗进行造林，初始种植密度为1 667 株·hm−2(株行距2 m×3 m)，该样地在培育过程中没有进行间伐和施肥等处理。2019年2月，在该样地中设置了5块20 m×30 m的标准地，对每块样地内的米老排进行编号，并测定每棵树的胸径、树高、枝下高、冠幅等因子。各样地调查数据如表1所示。
表 1 米老排人工林各样地概况Table 1 Information of different sampled plots of the M. laosensis plantation样地号 面积/
hm²平均树
高/m平均胸
径/cm平均枝
下高/m平均冠
幅/m坡向 坡度/
(°)M601 0.06 17.8 18.1 5.3 6.8 阳 25 M602 0.06 17.5 17.2 4.9 7.5 半阳 28 M603 0.06 19.4 17.8 4.5 7.9 阳 23 M604 0.06 17.7 18.1 4.5 6.2 半阳 31 M605 0.06 18.4 17.9 4.8 6.4 半阳 22 1.2.2 数据收集
依据每木检尺数据，在每个标准地中分别选出1株优势木、1株亚优势木和2株标准木进行节子解析试验，共计20株。用喷漆标记树干的北方向位置，并用胸径尺测定其胸径后，用油锯将样树伐倒，再次测定其树高、枝下高和冠幅等因子(表2)。以2 m为区分段，用油锯进行切割，分别统计整株节子的数量及其所在高度。随后，将各区分段有节子的部分锯切成 20~30 cm 的圆盘，随后使用油锯沿节子中心部分进行纵切，得到节子剖面(图1)，抛光至清晰，最终得到1101个完整的节子。
表 2 取样树信息Table 2 Summary sampled tree statistics项目 树高/m 胸径/cm 枝下高/m 冠幅/m 数值范围 17.1~22.8 17.7~25.3 4.5~8.8 6.5~10.4 平均值 19.5 21.4 6.9 8.6 标准差 3.9 4.2 1.2 2.3 1.2.3 节子变色长度预测模型的构建
将所测定的节子指标作为自变量(x1~x4)，节子变色长度为因变量(y)。进行逐步回归分析，筛选出影响节子变色长度的关键因素。并构建多元线性归回模型：y=a0+a1x1+a2x2+a3x3+a4x4，其中a0、a1、a2、a3、a4为参数。
1.3 数据处理与分析
采用SPSS 25.0对数据进行统计分析，使用最小显著性差异法(LSD)进行多重比较，显著性水平为α=0.05，用Excel制表，利用Origin软件制图。
2. 结果与分析
2.1 米老排节子的时间分布特征
图2显示：米老排大多数枝条在第1~2年开始生长；大量枝条在第3~4年死亡，较少会在第5~8年死亡；第5~8年是节子愈合的高峰期，约占所有节子的87.2%，少部分节子会在第9年痊愈。在枝条死亡脱落后，枝条周围的形成层逐渐将树干内部的枯枝残留包围形成节子，76.7%的节子需要3~6 a的时间才能完全包裹，而能在1~2 a被完全包裹的节子数量较少，仅为10.4%，12.9%的节子需要7 a以上的时间才能完成包裹。
2.2 米老排节子的垂直分布特征
如图3所示：在垂直水平上，米老排节子数量随树干高度增加呈先上升后下降的趋势。以2.0 m为区分段，在树干高度为2.0~4.0 m内节子数量百分比最高，约占整株节子总数的17.8%。在2.0~4.0 m之后，随着高度的增加，节子数量开始逐渐减少。从节子数量累计百分比看，61.9%节子集中在0~8.0 m。
2.3 米老排节子的变色特征
2.3.1 节子直径对变色长度的影响
由表3可知：节子的平均变色长度达102.5 mm。由图4可知：节子的变色长度与节子直径呈正比。除直径40.0~50.0 mm与直径50.0~60.0 mm间的节子变色长度无显著差异外，其他不同节子直径间变色长度均存在显著差异(P＜0.05)。节子直径为0~10.0 mm时节子平均变色长度最小，仅为58.4 mm，而当节子直径为50.0~60.0 mm时，节子平均变色长度最大，为136.0 mm。
表 3 节子信息表Table 3 Sample branch description for M. laosensis项目 分枝角度/(°) 枝条死亡
年龄/a节子愈合所
需时间/a节子着生
高度/m节子直径/mm 变色长度/mm 枝条出现
年龄/a节子愈合
年龄/a死节长度/mm 范围 12.9~88.5 2~8 1~10 0.1~18.4 4.7~59.1 17.2~189.6 1~7 3~11 1.4~148.5 平均值 54.1 2.6 4.6 6.8 23.7 102.5 1.1 7.3 51.1 标准差 10.0 0.8 1.6 4.6 8.1 21.1 0.4 1.5 26.1 2.3.2 分枝角度对变色长度的影响
由图5可见：米老排节子变色长度随着分枝角度的增加，呈先增大而后减小的趋势，其中节子分枝角区间在80.0°~100.0°的节子变色长度显著小于其他分支角区间(P＜0.05)。当节子的分枝角度在80.0°~100.0°内时，节子平均变色长度最小，仅为60.0 mm；当分枝角度在20.0°~40.0°内时，节子平均变色长度最大，达110.2 mm。
2.3.3 节子愈合时间对变色长度的影响
由图6可见：米老排节子变色长度与愈合时间呈正相关，且当节子愈合时间不超过6 a时，变色长度随愈合时间的增加而缓慢增大，而当愈合时间超过6 a，变色长度随愈合时间的增加增速变快。
2.3.4 变色长度预测模型的构建
将枝条出现年龄、枝条死亡年龄、节子愈合时间、分枝角度、死节长度、节子着生高度以及节子直径等7个指标作为自变量，与节子变色长度进行逐步回归分析，得到描述节子变色长度(yDL)的最优模型：yDL=24.388+1.729xKD+0.350xDBL−6.635xYB+5.451xOT。其中：xKD为节子直径，xDBL为死节长度，xYB为枝条出现年龄，xOT为节子愈合时间。模型中各参数均具有统计学意义，模型的R2为0.649(表4)。模型的残差分布均匀，表明方程模拟效果较好(图7)。
表 4 节子变色长度模型参数估计值和拟合统计量Table 4 Estimated parameter values and fitted statistics values of discoloration length model参数 估计值 标准差 t P 残差平方和 R² a0 24.388 2.830 8.619 0.057 371 405.423 0.649 a1 1.729 0.064 26.968 0.000 a2 0.350 0.023 14.927 0.000 a3 −6.635 1.485 −4.467 0.000 a4 5.451 0.395 13.805 0.000 说明：a0是常数，a1、a2、a3和a4分别是模型中节子直径、 死节长度、枝条出现年龄和节子愈合时间的参数 3. 讨论
3.1 米老排节子的时空分布特征
本研究发现：米老排枝条在第2~4年达到死亡的高峰期，树木上枯枝残留在后期被树干完全包裹形成节子。而水曲柳Fraxinus mandshurica节子形成高峰期在第6~15年[24]，格木Erythrophleum fordii在第11~20年是控制节子的关键时期[25]。这些差异主要来源于以下几个原因：一是树种差异，不同树种之间树干径向生长速率不同[13]；二是生长立地条件不同，在高密度种植情况下，不同个体之间竞争有限的周围环境资源，会导致个体分配到枝条生长的能量受到影响[26]。本研究将枝条死亡年龄作为米老排修枝的判断依据，在米老排人工林生长第2~4年可对其进行首次修枝。
树干上的枝条死亡后，死枝残桩有时会残留在树干内，阻止树干外部的愈合，延长了枝条愈合所需时间，增大树干内部与外界水分和真菌等接触的时间，从而增加了木材内部受到侵染而发生腐坏的概率[27]。本研究发现：米老排人工林多数节子愈合需要3~6 a，甚至更长的时间。有研究表明：节子愈合时间与节子的直径呈正比[28]，与树干径向生长速率呈反比[12]，因此，可适当对林木进行间伐或者施肥等措施，以促进树干的径向生长速率，缩短节子愈合所需时间。在米老排垂直分布上，其半数以上节子主要集中在树高8.0 m以下部分，这一结果与楸树Catalpa bungei[29]、水曲柳[24]的研究结果相似，据此可以将8.0 m作为米老排修枝的参考高度。
3.2 米老排节子的变色特征
在本研究中：节子变色长度随节子直径的增大而增大，当节子直径不超过50.0 mm时，节子变色长度会随着节子直径的增加而显著增大。关追追等[30]研究发现：当水曲柳节子直径超过15.0 mm时，节子变色长度会随着节子直径的增加而明显增大。而DǍNESCU等[31]认为：欧亚槭Acer pseudoplatanus节子直径超过50.0~60.0 mm时，木材变色率才会明显提高。说明米老排人工林节子在真菌等微生物侵染的情况下更容易发生变色。节子变色长度随分枝角度的增加而减小，且在本研究中当分枝角度大于60.0°时，节子变色长度随分枝角度的增加而显著降低。这与对西南桦[32]的研究结果一致，而与水曲柳[24]的研究结果相反。在本研究中，米老排节子愈合时间超过6 a时，变色长度明显增大。本研究运用逐步回归分析，筛选出节子直径(xKD)、死节长度 (xDBL)、枝条出现年龄(xYB)和节子愈合时间(xOT) 4个关键因子，得到描述节子变色长度(yDL)的最优模型：yDL=24.388+1.729xKD+0.350xDBL−6.635xYB+5.451xOT，相关性达到了极显著水平(P＜0.01)。计算结果与实际测量结果之间差异极小，因此可以利用该模型预测米老排枝条形成节子后对木材的影响状况。下一步研究可以对不同年龄、密度和立地条件的林分进行取样分析。
4. 结论
米老排人工林在自然整枝条件下，大多数枝条的死亡时间在第2~4年，节子愈合年龄主要集中在第5~8年。节子直径、节子愈合时间、死节长度和枝条出现年龄是决定节子变色长度的关键因子。当节子直径在不超过50.0 mm和愈合时间不超过10 a时，节子变色长度均随直径和年龄的增加显著增加。因此，为了减少节子变色长度，提高米老排木材的质量和出材率，可以在米老排生长的第2~4年，对树干8.0 m以下的米老排人工林进行首次修枝。
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图 1 各降雨等级下典型植物措施坡面产流量
不同小写字母表示相同降雨量下不同土地利用方式产流量间存在显著差异(P＜0.05)
Figure 1 Runoff yield of typical plant measures under different rainfall levels
图 2 各雨强等级下典型植物措施坡面产流量
不同小写字母表示相同雨强下不同土地利用方式产流量间存在显著差异(P＜0.05)
Figure 2 Runoff yield of typical plant measures under different rainfall intensity
图 3 各降雨等级下典型植物措施坡面产沙量
不同小写字母表示相同降雨量下不同土地利用方式产沙量间存在显著差异(P＜0.05)
Figure 3 ediment yield of typical plant measures under different rainfall levels
图 4 各雨强等级下典型植物措施坡面产沙量
不同小写字母表示相同雨强下不同土地利用方式产流量间存在显著差异(P＜0.05)
Figure 4 Sediment yield of typical plant measures under different rainfall intensity levels
图 5 不同坡面(A~E)土壤含水率动态变化
Figure 5 Dynamic changes of soil moisture content in different slope (A -E)
表 1 径流小区基本情况
Table 1. Basic situation of the runoff plots
小区 坡度/(°) 坡向/(°) 土地利用 整地方式 土壤类型 土层厚度/cm 覆盖度/% 植株密度/(株·m-2) 1 18°20′ 210 裸地(标准小区） 无 石灰性褐土 50 0 0 2 18°20′ 210 自然坡(白羊草、紫蒿、黄栌) 自然荒草坡 石灰性褐土 50 50 22.00 3 18°20′ 210 人工种草(白羊草) 条播 石灰性褐土 50 40 20.00 4 18°20′ 210 灌木(黄刺梅) 鱼鳞坑 石灰性褐土 50 45 2.50 5 18°20′ 210 乔木(山桃) 鱼鳞坑 石灰性褐土 50 42 0.16 
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表 2 2015年4-10月白马小流域12场侵蚀性降雨特征
Table 2. Characteristics of 12 erosive rainfall in Baima small watershed on April to October of 2015
日期(月-日) 降雨历时/min 降雨量/mm 降雨类型 平均雨强/(mm·h-1) I30/(mm·h-1) 降雨侵蚀力/(MJ • mm • hm-2·h-1) 04-02 371 21.2 大雨 3.43 12.23 41.22 05-01 901 34.1 大雨 2.27 18.16 99.53 05-06 496 16.5 大雨 2.00 24.14 96.16 05-28 818 26.8 大雨 1.97 4.78 15.54 06-23 600 61.7 暴雨 6.18 10.96 53.95 07-15 766 14.1 中雨 1.10 4.53 7.96 07-17 266 27.1 大雨 6.09 41.85 298.54 07-21 77 15.1 大雨 11.77 23.66 90.72 08-03 873 15.9 中雨 1.09 13.12 48.54 08-05 50 10.7 中雨 12.84 19.95 52.75 08-29 23 5.9 中雨 15.10 31.76 17.56 08-31 427 36.28 暴雨 5.09 11.44 276.22
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