兩種森林集水區(qū)徑流量及其徑流過程初步分析

郭晉川，梁宏溫，潘 偉，李榮輝，李曉瓊，藍(lán) 剛，馬 倩

（1.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，南寧530000；2.廣西大學(xué)，南寧530004）

森林與水的關(guān)系一直是生態(tài)學(xué)和水文學(xué)研究的熱點，森林植被對徑流的影響是生態(tài)水文研究的重要內(nèi)容，也是區(qū)域水資源評價的核心［1－5］。徑流變化受森林植被、流域面積和降水等多種因素影響，其中降水的影響最大。由于降水過程的不同，森林植被對徑流 的影 響 也 存 在 較 大 差 異［6－8］。 近 期 研 究 表 明［9－11］，森林植被在雨季消減洪峰和旱季增加產(chǎn)流的作用可能有所夸大，森林植被與徑流形成的關(guān)系，尚有待于進(jìn)一步驗證。

桉樹和馬尾松是中國南方地區(qū)的主要用材樹種，其森林面積較大。然而，這兩種森林小流域（自然集水區(qū)）的徑流特征，目前鮮見報道。本文運用小流域徑流監(jiān)測方法，并自動采集數(shù)據(jù)，對位于廣西橫縣的桉樹林和馬尾松林自然集水區(qū)的徑流量及其徑流過程進(jìn)行定位監(jiān)測，旨為科學(xué)評估這兩種森林的水源涵養(yǎng)功能提供參考依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區(qū)自然條件

研究區(qū)位于廣西橫縣新福鎮(zhèn)，東經(jīng)108°51′—108°55′，北緯22°30′—22°36′，海拔80～160m。屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫21.5℃，最熱月（8月）均溫27.3℃，極端最高溫39.2℃，最冷月（1月）均溫12.1℃，極端最低溫－1.2℃，年均降雨量1 320.0mm，年均日照1 758.9h，年均蒸發(fā)量1 655.1mm，年均無霜期338d。地帶性土壤為花崗巖風(fēng)化形成的磚紅壤，土層厚80～100cm；地帶性的森林植被為南亞熱帶常綠闊葉林，但已蕩然無存，并轉(zhuǎn)變?yōu)殍駱洌‥ucalypt）林和馬尾松（Pinusmassoniana）林。

1.2 研究林分及其集水區(qū)概況

研究林分為桉樹林和馬尾松林。兩種林分的集水區(qū)都位于廣西橫縣新福鎮(zhèn)那河村公凈水庫集雨區(qū)的西北方向，均屬于同一山丘（最高處海拔156.6m）向東南方向延伸的兩坡夾一溝“Λ形”集水區(qū)，坡度20°～30°，溝底線落差較平緩（2%～3%），兩個集水區(qū)之間隔開一條山溝及其兩側(cè)山坡，出口處水平距離約160m。

于2013年6月對兩個集水區(qū)進(jìn)行本底調(diào)查。根據(jù)海拔、坡位和坡度的差異，每個集水區(qū)各設(shè)計5個面積均為400m2（20m×20m）的調(diào)查樣地。將每個樣地沿等高線劃分為上下兩部分，再按左右二等分成4個面積均為100m2（10m×10m）的樣方，目測林冠層的郁閉度，實測樣方內(nèi)每株林木的高度和胸徑。以每個樣方（10m×10m）的左上角為頂點向下和向右各設(shè)計1個面積為25m2（5m×5m）的小樣方，記錄小樣方內(nèi)的灌木和草本植物的種類、高度和蓋度。在各樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)計5個面積為1m2（1m×1m）的小樣方，測定枯枝落葉層厚度和貯量（收獲法）。各樣地的立地概況和群落學(xué)特征見表1。

表1 各樣地的立地概況和林分特征

馬尾松林集水區(qū)面積6.605hm2，現(xiàn)實林分為自然下種更新森林，樹齡15～30a，林木密度1 250株/hm2（馬尾松595株，其他闊葉樹655株）；喬木層高9.8～14.5m，郁閉度0.7，胸徑11.4～19.4cm；灌木層高0.5～2.5m，平 均 總 蓋 度 37.8%，以 桃 金 娘（Rhodomyrtustomentosa）、棱枝冬青（Ilexangulata）、紅葉藤（Roureaminor）、總狀山礬（Symplocosbotryantha）、華南毛柃（Euryaciliata）為優(yōu)勢種類；草本層高0.5～1.5m，平均總蓋度27.2%，以鐵芒萁（Dicranopterislinearis）、蔓生莠竹（Microstegiumvagans）、五節(jié)芒（Miscanthusfloridulus）為優(yōu)勢種類?？葜β淙~層厚5～15cm，貯量平均為8.47t/hm2。

桉樹林集水區(qū)面積3.682hm2，現(xiàn)實林分為桉樹萌芽林，是由2005年采伐馬尾松天然林后種植桉樹，于2010年12月采伐，經(jīng)伐樁萌芽（保留1株/樁）培育而成的3a生桉樹純林，喬木層高11.6～13.5m，郁閉度0.5，林木密度1 535株/hm2，胸徑9.8～12.4cm；灌木層高0.5～2m，平均總蓋度13.1%，以大青（Clerodendrumcyrtophyllum）、越 南 懸 鉤 子 （Rubus cochinchinensis）、山蒼子（Litseacubeba）、黃牛木（Cratoxylumcochinchinense）、鹽膚木（Rhuschinensis）、玉葉金花（Mussaendakwangsiensis）為優(yōu)勢種類；草本層高1.5～2m，平均總蓋度89.4%，以五節(jié)芒為主要優(yōu)勢種類?？葜β淙~層厚1～3cm，貯量平均為1.02t/hm2。

于2013年6月采用環(huán)刀法測定和計算集水區(qū)土壤的容重、持水量和孔隙度等物理性質(zhì)，采用雙環(huán)刀法測定和計算集水區(qū)的土壤滲透率［12］，環(huán)刀規(guī)格20cm2×5cm。兩個集水區(qū)土壤的水分物理性質(zhì)見表2。

表2 兩種森林集水區(qū)土壤的水分物理性質(zhì)

1.3 徑流量觀測

在研究林分集水區(qū)出水口一端各修建1座三角量水堰，量水堰出水口角度為90°，量水堰攔水墻深入基巖30cm，并使用防水材料；其引水槽尺寸滿足B＞5h，h/p＜0.5，h＝0.06～0.65m，B為引水槽內(nèi)部寬度（m）、h為水頭高度（m）、p為堰口底部至引水槽底部的高度（m）。于2013年7月31日各安裝一臺WFX－40型水位計（徐州市偉思水務(wù)科技有限公司生產(chǎn)），用來觀測集水區(qū)的徑流量及其徑流過程。使用YD－1003型遙測終端機(jī)（徐州市偉思水務(wù)科技有限公司生產(chǎn)）自動采集數(shù)據(jù)，每隔5min記錄1次（水頭高度有變化時，每隔1min記錄1次），采集期為2013年8月1日0：00—2014年7月31日23：60。采用經(jīng)驗公式：Q＝1.343h2.47計算集水區(qū)的瞬時流量（m3/s）［13］，式中h為水頭高度（m）。根據(jù)徑流時間和集水區(qū)面積計算出集水區(qū)的徑流深（mm）。

1.4 大氣降雨觀測

在集水區(qū)附近空曠處架設(shè)JD－05型翻斗式自記雨量計（徐州市偉思水務(wù)科技有限公司生產(chǎn)），雨量計分辨率為0.1mm，用來觀測每場降雨的降水量及其降水過程。使用YD－1003型遙測終端機(jī)自動采集數(shù)據(jù)，每隔5min記錄1次（降水量有變化時，每隔1 min記錄1次），按每天、每月和每年統(tǒng)計降水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)的大氣降雨特征

根據(jù)2013年8月1日—2014年7月31日觀測，期間有87d產(chǎn)生降雨，總降水量1 320.0mm。參照《地面氣象觀測規(guī)范》［14］，對各等級降水量進(jìn)行統(tǒng)計。結(jié)果顯示，大暴雨（100～249.9mm）天氣2次，降水量361.5mm，占總降水量的27.4%；暴雨（50～99.9mm）天氣4次，降水量247.5mm，占總降水量的18.8%；大雨（25～49.9mm）天氣3次，降水量108.5mm，占總降水量的8.2%；中雨（10～24.9mm）天氣19次，降水量287.5mm，占總降水量的21.8%；小雨（＜10.0mm）天氣59次，降水量315.0mm，占總降水量的23.9%。

由表3可以看出，研究區(qū)各月的降水量分配很不均衡，以7月和8月的降水量較多，分別達(dá)349.4mm和325.5mm，占總降水量的26.47%和24.66%；其次是11月份和9月份，分別為240.7mm和121.7 mm，占18.23%和9.73%；1月，5月，10月的降水量非常少，均在15.0mm以下。

2.2 兩種森林集水區(qū)徑流量比較

表3顯示：兩種森林集水區(qū)單位面積產(chǎn)生的徑流量存在明顯的差異，以馬尾松林的較高，其徑流深合計達(dá)319.4mm，徑流系數(shù)（徑流總量占降水量比率）平均為24.2%，是桉樹林（107.7mm 和8.2%）的2.97，2.95倍。由表3可以看出，集水區(qū)各月的徑流系數(shù)差異很大，兩種森林的表現(xiàn)也不一致，又以2013年8月的表現(xiàn)最為突出，馬尾松林集水區(qū)的徑流系數(shù)高達(dá)69.3%，桉樹林的只有2.2%，兩者相差十分懸殊。究其原因主要在于：（1）2013年7月26日—29日連續(xù)4d降雨，總降水量171.5mm，其中26日的降水量達(dá)145.1mm［15］，這次強(qiáng)降雨產(chǎn)生的徑流波及到8月份的監(jiān)測結(jié)果，但兩種森林所受到的影響截然不同，據(jù)8月1日0：05水位計記錄的水頭高度，馬尾松林的為0.12m，桉樹林的僅0.01m，兩者相差0.11m；（2）2013年8月總共發(fā)生19d降雨，月降水量為325.5mm，以中小等級降雨天氣為主，期間只下過1次大雨（降水量為34.5mm/d）。這種低強(qiáng)度的連續(xù)降雨，加上已有徑流的疊加效應(yīng)，非常有利于馬尾松集水區(qū)徑流的產(chǎn)生（8月份總共31d都有徑流發(fā)生），其總徑流深高達(dá)225.7mm；但對于桉樹林是不利的（只有13d發(fā)生徑流），其總徑流深僅7.1 mm；（3）馬尾松林的林下植被較為稀疏、枯枝落葉層較厚及其土壤孔隙結(jié)構(gòu)較好（表1和表2），穿透林冠的降水很容易隨土壤入滲，再經(jīng)土壤不透水層滲出至匯流溝一起產(chǎn)生徑流；而桉樹林的草本植被覆蓋度很大（表1），特別是五節(jié)芒，生長茂盛、密集分布、根系發(fā)達(dá)，能有效地阻擋低強(qiáng)度降雨的徑流產(chǎn)生。

表3 兩種森林集水區(qū)徑流深及其分配

2.3 強(qiáng)降雨對兩種森林集水區(qū)徑流過程的影響

2013年11月11日0：35—14：05連續(xù)降雨歷時13.5h（圖1），降水量達(dá)147.5mm，屬于大暴雨天氣。前1天（11月10日）雖然下過1次小雨（降水量8.9 mm），但兩種森林集水區(qū)都沒有產(chǎn)生徑流。圖1顯示，馬尾松林集水區(qū)量水堰口開始出現(xiàn)水流的時間為3：35（累積降水量達(dá)到5.5mm），徑流滯后于降雨的時間為3h；7：10，11：05出現(xiàn)兩次較大的降雨，其強(qiáng)度分別為47.0mm/h和72.0mm/h，量水堰水位分別升至0.17 m和0.31m，11：47累積降水量達(dá)到144.5mm時，水位達(dá)到最大值0.50m，洪峰出現(xiàn)，瞬時流量0.242 4 m3/s；其徑流的時間為3：35—次日15：05，徑流歷時35.5h。桉樹林集水區(qū)量水堰口開始出現(xiàn)水流的時間為6：25（累積降水量達(dá)到11.0mm），徑流滯后于降雨的時間為5.8h；7：10，11：05量水堰水位分別升至0.13 m和0.35m，11：17累積降水量達(dá)到139.0mm時，水位達(dá)到最大值0.41m，洪峰出現(xiàn)，瞬時流量0.148 5 m3/s；其徑流的時間為6：25—18：15，徑流歷時13.8h。該次強(qiáng)降雨過程，兩種森林集水區(qū)開始產(chǎn)生徑流的時間、徑流最大值滯后于降雨峰值的時間和徑流歷時都明顯不同，桉樹林的分別為5.8，0.2，13.8h，馬尾松林的依次為3.0，0.7，35.5h，兩者相差2.8，0.5，21.7h。根據(jù)圖1計算獲得這一次大暴雨產(chǎn)生的徑流深，是以桉樹林（35.6mm）的較高，馬尾松林（28.5 mm）的較低，兩者相差近25%。這與桉樹林地表層土壤容重較大、非毛管孔隙度較小、土壤板結(jié)、滲透系數(shù)較小有關(guān)（表2），導(dǎo)致其在強(qiáng)降雨過程中更易發(fā)生地表徑流。由此揭示，對于大暴雨的影響，桉樹林的保水作用明顯弱于馬尾松林。

圖1 兩種森林集水區(qū)瞬時徑流量隨降水量的變化曲線

2.4 連續(xù)降雨對兩種森林集水區(qū)徑流過程的影響

圖2是2013年9月1日—13日的降雨過程及兩種森林集水區(qū)徑流量的逐日分布曲線。圖2顯示，期間有連續(xù)7d產(chǎn)生降雨，總降水量125.0mm，其中1次暴雨、1次大雨、2次中雨和3次小雨。由圖2看出，桉樹林集水區(qū)只有在降大雨和暴雨時才產(chǎn)生徑流，且徑流延續(xù)的時間很短（9月1日大雨產(chǎn)生的徑流在當(dāng)日就完成，9月4日暴雨產(chǎn)生的徑流，在9月6日降中雨的補(bǔ)充下維持了3d），期間只有4d產(chǎn)生徑流，總徑流深僅3.8mm。馬尾松林集水區(qū)產(chǎn)生的徑流深一直高于桉樹林，兩次較強(qiáng)降雨（1次大雨和1次暴雨）產(chǎn)生的徑流，在3次小雨和2次中雨的補(bǔ)充下一直延續(xù)到9月13日，期間的13d都產(chǎn)生徑流，總徑流深達(dá)10.1mm，比桉樹林的多6.3 mm。由此可見，在非大暴雨的連續(xù)降雨條件下，馬尾松林的水源涵養(yǎng)作用明顯強(qiáng)過桉樹林。這與馬尾松林的林下植被較為稀疏、枯枝落葉層較厚及其土壤孔隙結(jié)構(gòu)較好有關(guān)（表1和表2），其穿透林冠的降水很容易隨土壤入滲，再經(jīng)土壤不透水層滲出至匯流溝一起產(chǎn)生徑流，導(dǎo)致其徑流歷時較長和徑流量較大［11］。

圖2 兩種森林集水區(qū)徑流深隨降水量的逐日分布曲線

4 結(jié)論與討論

森林植被的水文功能不僅表現(xiàn)在降雨產(chǎn)流上，而且還表現(xiàn)在降雨徑流過程上，特別是對暴雨洪水的影響，森林植被的調(diào)蓄作用更為明顯［16］。本研究選擇地形相似且距離相近的兩種森林集水區(qū)開展小河溝徑流觀測試驗。結(jié)果顯示，桉樹林集水區(qū)的年徑流深和徑流系數(shù)分別為107.7mm和8.2%，馬尾松林的依次為319.4mm和24.2%，兩者相差十分懸殊。

小流域徑流的滯后與延長，除受到植被覆蓋特性的影響外，很大程度上還受降水特性、前期土壤水分含量、地形和土壤等多種因素的影響，尤其是當(dāng)降水過程不同時，會出現(xiàn)不同的滯后效應(yīng)［11，17］。本研究對一次強(qiáng)降雨過程（降水量147.5mm）的徑流過程分析表明，在前期沒有徑流情況下，兩種森林集水區(qū)的徑流歷時、徑流最大值滯后于降雨峰值的時間和徑流深都存在明顯差異，桉樹林的分別為13.8h，0.2h和35.6mm，馬尾松林的依次為35.5h，0.7h和28.5mm。對一次連續(xù)7d的降雨過程（降水量125.0mm）的徑流過程分析表明，兩種森林集水區(qū)的徑流持續(xù)天數(shù)和徑流深存在明顯差異，桉樹林集水區(qū)只產(chǎn)生4d徑流，徑流深僅3.8mm；馬尾松林集水區(qū)則連續(xù)產(chǎn)生13d徑流，徑流深達(dá)10.1mm。

本文初步研究了桉樹林和馬尾松林自然集水區(qū)的徑流量，并分析在強(qiáng)降雨和連續(xù)降雨影響下，這兩種森林集水區(qū)的徑流動態(tài)變化過程，但尚未對兩種森林生態(tài)系統(tǒng)不同效應(yīng)層次持留森林降水量及其再分配進(jìn)行深入研究。今后，將從不同效應(yīng)層次持留森林降水量及其再分配，并對比分析不同前期含水量、不同雨量條件下土壤水分收支變化的角度來探討這兩種森林集水區(qū)的徑流特征及其徑流過程，從而進(jìn)一步揭示這兩種森林的水源涵養(yǎng)機(jī)制，為森林可持續(xù)經(jīng)營和管理提供科學(xué)依據(jù)。

［1］ Calder I R.Forests and water－ensuring forest benefits outweigh water costs［J］.Forest Ecology and Management，2007，251（1/2）：110－120.

［2］ Wang Y H，Yu P T，F(xiàn)eger K，et al.Annual runoff and evapotranspiration of forestlands and non－forestlands in selected basins of the Loess Plateau of China［J］.Ecohydrology，2011，4（2）：277－287.

［3］ Josta G，Schumec H，Hagerc H，et al.A hillslope scale comparison of tree species influence on soil moisture dynamics and runoff processes during intense rainfall［J］.Journal of Hydrology，2012，420：112－124.

［4］ 王金葉，李海防，段文軍，等.漓江上游典型森林群落內(nèi)外降雨特征研究［J］.水土保持研究，2012，19（1）：56－59.

［5］ 段文軍，李海防，王金葉，等.漓江上游典型森林植被對降水徑流的調(diào)節(jié)作用［J］.生態(tài)學(xué)報，2015，35（3）：663－669.

［6］ 李耀明，王玉杰，儲小院，等.降雨因子對縉云山地區(qū)典型森林植被類型地表徑流的影響［J］.水土保持研究，2009，16（4）：244－249.

［7］ 范世香，程銀才，高雁，等.考慮森林植被影響的小流域降雨徑流模型［J］.生態(tài)學(xué)報，2008，28（5）：2372－2379.

［8］ Hümann M，Schüler G，Müller C，et al.Identification of runoff processes－the impact of different forest types and soil properties on runoff formation and floods［J］.Journal of Hydrology，2011，409（3/4）：637－649.

［9］ Neary D G，Ice G G，Jackson C R.Linkages between forest soils and water quality and quantity［J］.Forest Ecology and Management，2009，258（10）：2269－2281.

［10］ 周光益，陳步峰，曾慶波，等.海南島熱帶山地雨林短期水量平衡及主要養(yǎng)分的地球化學(xué)循環(huán)研究［J］.生態(tài)學(xué)報，1996，16（1）：28－32.

［11］ 王金葉，李海防，段文軍，等.漓江上游森林小流域徑流過程及其影響因素［J］.林業(yè)科學(xué)，2013，49（6）：149－153.

［12］ 國家林業(yè)局.中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：森林土壤分析方法［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

［13］ 歐陽竹，孫波，劉健.陸地生態(tài)系統(tǒng)水環(huán)境觀測規(guī)范［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2007.

［14］ 中央氣象局.地面氣象觀測規(guī)范［M］.北京：氣象出版社，1979.

［15］ 梁宏溫，鐘瀚濤，溫遠(yuǎn)光，等.不同造林撫育措施對桉樹人工林坡面徑流特征的影響［J］.南方農(nóng)業(yè)學(xué)報，2014，45（11）：2020－2025.

［16］ 魏曉華，李文華，周國逸，等.森林與徑流的一致性與復(fù)雜性［J］.自然資源學(xué)報，2005，20（5）：127－136.

［17］ 王小明，周本智，鐘紹柱，等.不同降雨條件下天然次生林水文過程動態(tài)分析［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，36（6）：57－60.