馬尾松低效人工林不同改造模式下降雨及產(chǎn)流特征

張海濤，宮淵波，付萬權(quán)，陳耀嘉，徐云巖，崔亞瀟

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 長(zhǎng)江上游林業(yè)生態(tài)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611130；2.四川省瀘州市水務(wù)局水利管理站，四川瀘州646000）

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，起著調(diào)節(jié)大氣、涵養(yǎng)水源、為人類提供生產(chǎn)資料等作用。截至2009年，中國(guó)人工林栽植面積已達(dá)5 300萬hm2，約占全世界人工林面積的40%［1］，但受人為因素或誘導(dǎo)自然因素所致［2］，中國(guó)人工林普遍存在地力衰退、生物多樣性差、水土流失嚴(yán)重等問題，對(duì)林地生態(tài)安全造成了一定的隱患［3］，因此，恢復(fù)和重建退化人工林生態(tài)系統(tǒng)勢(shì)在必行。健康的森林生態(tài)系統(tǒng)功能，能夠提高林地土壤肥力以及水土保持能力［4］。植被的存在能有效減少地表徑流量，同時(shí)不同林地類型的減滯能力也不盡相同［5－6］。因此，降雨與徑流及植被、土壤等因子之間的關(guān)系是目前研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn)問題［7－8］。近年來國(guó)內(nèi)針對(duì)南方紅壤區(qū)［9］和黃土高原［10］等區(qū)域坡地不同經(jīng)營(yíng)、利用方式下水土流失研究較多，針對(duì)川南地區(qū)的研究則鮮見報(bào)道。馬尾松Pinus massoniana是廣泛分布于中國(guó)南方的先鋒樹種，它具有耐貧瘠、速生、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高等特點(diǎn)，然而受不合理經(jīng)營(yíng)方式及人為活動(dòng)的影響，長(zhǎng)江流域低山丘陵區(qū)馬尾松人工林普遍生長(zhǎng)較差，生物多樣性低，生態(tài)功能不強(qiáng)，已成為中國(guó)南方森林面積最大的退化類型之一。筆者針對(duì)長(zhǎng)江上游低山丘陵區(qū)存在的生態(tài)安全以及生態(tài)工程建設(shè)中遇到的科學(xué)技術(shù)等問題，在前期研究工作的基礎(chǔ)上，以川南低山丘陵區(qū)馬尾松低效人工林為示范區(qū)，引入珍貴鄉(xiāng)土樹種，改造馬尾松低效人工林，提升森林生態(tài)及經(jīng)濟(jì)功能，減少水土流失。本研究根據(jù)設(shè)立于四川省宜賓市高縣來復(fù)鎮(zhèn)的5個(gè)人工徑流小區(qū)，分析馬尾松低效人工林改造初期自然降雨與產(chǎn)流特征的關(guān)系及隨植被恢復(fù)的演變規(guī)律，以期為川南馬尾松低效人工林改造及經(jīng)營(yíng)管理提供參考。

1 試驗(yàn)研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省宜賓市高縣來復(fù)鎮(zhèn)毛顛坳（28°11′～28°47′N,104°21′～104°48′E ）。 該地區(qū)地處四川盆地與云貴高原的過渡地帶，宜賓市中南部，屬烏蒙山余脈。地貌以平壩、丘陵、低山為主。土壤多為山地黃壤，間斷分布有少量紫色土。全年平均日照時(shí)數(shù)為1 107.7 h，大于等于10℃以上年積溫為6 523.1℃，年平均氣溫為18.0℃，1月平均氣溫為8.0℃，7月平均氣溫為27.0℃。年平均降水量為1 037.9 mm，年平均無霜期為346.2 d。

1.2 研究方法

2012年初在試驗(yàn)區(qū)選擇坡度約22°，東西走向并栽植有馬尾松純林的坡地，建立5個(gè)相鄰規(guī)格為20 m×5 m的標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，各徑流小區(qū)出口處均設(shè)有一個(gè)徑流收集室。5個(gè)徑流小區(qū)采用不同的改造更新方式，分別用Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ標(biāo)識(shí)。Ⅰ號(hào)徑流小區(qū)為馬尾松低效人工林下植被自然生長(zhǎng)恢復(fù)，Ⅱ號(hào)徑流小區(qū)為馬尾松低效人工林下空隙更新樟樹Cinnamomum camphora，Ⅲ和Ⅳ號(hào)徑流小區(qū)為馬尾松低效人工林皆伐后當(dāng)年更新樟樹，Ⅴ號(hào)徑流小區(qū)為馬尾松低效人工林皆伐后第2年更新樟樹（由于有時(shí)會(huì)出現(xiàn)因?yàn)楣て诨蛘呙缒驹虿荒墚?dāng)年更新造林的情況，因此，將Ⅴ號(hào)徑流小區(qū)設(shè)計(jì)為皆伐后第2年更新樟樹）。小區(qū)內(nèi)樟樹為當(dāng)年生幼苗，株高約30 cm，按1.5 m×1.5 m間距種植。2012年3月對(duì)Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ號(hào)徑流小區(qū)進(jìn)行皆伐，隨即在Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ號(hào)內(nèi)更新樟樹；Ⅴ號(hào)徑流小區(qū)則自然恢復(fù)后于2013年3月更新樟樹。試驗(yàn)開始前5個(gè)徑流小區(qū)內(nèi)地表灌草及凋落物均清理完畢。試驗(yàn)分為3個(gè)時(shí)段，分別為2012年7－12月、2013年1－12月、2014年1－12月。在每次自然降雨后收集降水、計(jì)算24 h降雨量，并量取徑流桶內(nèi)徑流水深，換算成徑流量。雨量級(jí)別根據(jù)氣象學(xué)上對(duì)于降雨量的定義判定，即24 h降雨量小于10 mm為小雨，10.1～24.9 mm為中雨，25.0～49.9 mm為大雨，50.0～99.9 mm為暴雨。

1.3 數(shù)據(jù)處理

徑流系數(shù)是地表徑流量與降雨量的比值，表示有比例的降水變成了徑流，它能夠一定程度反映該區(qū)域植被和土壤的水源涵養(yǎng)能力以及水土流失狀況?？衫霉絩=Rn/P×10－3An計(jì)算徑流系數(shù)。其中：r為徑流系數(shù)， Rn為徑流量（m3）， P 為降雨量（mm）， An為徑流小區(qū)面積（m2）［11］。

利用Excel 2007和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 川南馬尾松低效人工林改造初期降雨特征

試驗(yàn)期年平均降雨總量約1 000 mm（表1），與當(dāng)?shù)囟嗄昶骄涤炅繑?shù)據(jù)基本吻合。試驗(yàn)區(qū)降雨明顯呈現(xiàn)夏季多、冬季少的特點(diǎn)。2013年和2014年全年多集中于每年6－9月，分別占全年降雨總量的73.23%和69.50%；1月、2月、11月、12月降雨極少，分別占全年降雨總量的3.72%和6.19%。

表1 馬尾松低效人工林改造初期降雨量及分布特征Table 1 Characteristics of rainfall capacity and distribution under the early of transformation on low efficiency Pinus massoniana forests

2012－2014年24h最小降雨量分別為1.8，1.5和1.2 mm（表2），最大降雨量分別為83.6，88.7和93.8 mm。2012年7－12月期間共出現(xiàn)5次暴雨天氣，24 h最大降雨量為83.6 mm，累計(jì)降雨341.6 mm；大雨僅出現(xiàn)2次。2013年累計(jì)降雨73次，其中小雨47次，中雨16次，大雨6次，暴雨4次。2014年累計(jì)降雨78次，其中小雨47次，與2013年相同，降雨量減少28.8 mm；暴雨次數(shù)比2013年少2次，降雨量減少133.4 mm?？v觀整個(gè)試驗(yàn)期，降雨次數(shù)以小雨和中雨居多，占85.56%，但雨量?jī)H占49.05%；大雨和暴雨次數(shù)占14.44%，降雨量占比卻達(dá)到50.95%。表明在1年中大到暴雨的次數(shù)比例雖然很低，但降雨量大且集中，是導(dǎo)致夏季地表產(chǎn)流較多的主要原因。

表2 馬尾松低效人工林改造初期雨量特征Table 2 Characteristics of rainfall under the early of transformation on low efficiency Pinus massoniana forests

2.2 川南馬尾松低效人工林改造初期降雨與產(chǎn)流關(guān)系分析

從表3可以看出：并非每次降雨都能引起地表徑流。一般情況下，在達(dá)到最小產(chǎn)流降雨量后，才能產(chǎn)生地表徑流。2012年下半年降雨36次，產(chǎn)流20次，產(chǎn)流次數(shù)占降雨次數(shù)比例為55.60%；2013年下半年與2014年下半年降雨次數(shù)相同，均為42次，產(chǎn)流次數(shù)占降雨次數(shù)比例分別為33.33%和45.24%，可見下半年產(chǎn)流降雨比例在不同年份間有較大變化。從全年看， 2013年和2014年分別降雨73次和78次，產(chǎn)流25次和29次，產(chǎn)流次數(shù)占降雨次數(shù)比例為34.25%和37.18%，比較接近。對(duì)比表2和表3可以看出，2013年和2014年小雨都是47次，僅有1次產(chǎn)流，可見24 h降雨量小于10 mm時(shí)一般不會(huì)產(chǎn)生地表徑流。而24 h降雨量達(dá)到中雨時(shí)，產(chǎn)流幾率達(dá)到了85.00%以上，下半年甚至可能高于90.00%；在大雨及暴雨?duì)顟B(tài)下，每次均有產(chǎn)流。

同時(shí)可以看出，觀測(cè)時(shí)期內(nèi)，24 h最小產(chǎn)流降雨量為6.9～14.0 mm。造成這種差異的原因可能為該次小雨前有降雨發(fā)生，地表凋落物及土壤持水能力趨近于飽和，小雨過后就能形成蓄滿產(chǎn)流；若前期降雨較少，凋落物和表層土壤含水率低，在中雨條件下雨水填洼、入滲等較多，降雨過后土壤仍未達(dá)到飽和，因此，無地表徑流產(chǎn)生。當(dāng)24 h降雨量達(dá)到大雨或暴雨條件時(shí)，5個(gè)徑流小區(qū)皆有地表徑流產(chǎn)生。

表3 馬尾松低效人工林改造初期降雨及產(chǎn)流次數(shù)Table 3 Times of rainfall and runoff under the early of transformation on low efficiency Pinus massoniana forests

2.3 川南馬尾松低效人工林不同模式改造初期產(chǎn)流特征

由表4看出：Ⅰ～Ⅴ號(hào)小區(qū)最大徑流量均出現(xiàn)在下半年，2013年最大徑流量比2012年分別增加18.21%，35.62%，15.42%，13.66%和33.13%。鑒于2013年和2012年下半年降雨量?jī)H相差9 mm，說明改造初期地表徑流量差異主要由植被恢復(fù)狀況及地被物覆蓋變化等因素導(dǎo)致。其原因在于進(jìn)行不同模式低效人工林改造后，植被生長(zhǎng)、更替和人為干擾直接影響林冠層和地表層，影響了雨水?dāng)r截、入滲能力，更多的降雨轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇韽搅鳌Ｕf明在低效人工林改造開始階段，林地水土保持功能體現(xiàn)并不明顯，水土流失現(xiàn)象反而有可能加劇，因此，該時(shí)期應(yīng)是水土流失重點(diǎn)監(jiān)測(cè)、保護(hù)期。該結(jié)果與廖承彬等［12］研究結(jié)論相似。5個(gè)徑流小區(qū)2014年最大量與2013年同期相比分別降低32.25%，26.49%，22.26%，25.08%和25.22%；其中Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ號(hào)小區(qū)最大徑流量低于2012年同期水平，呈波狀變化。造成這一現(xiàn)象的原因主要有：一是2014年7－12月降雨量比2013年同期減少近100 mm，更少降雨導(dǎo)致更少?gòu)搅?；二是改造后隨著人為擾動(dòng)減少，喬-灌-草體系逐漸恢復(fù)，凋落物增加，凋落物和土壤持水能力進(jìn)一步增強(qiáng)。各徑流小區(qū)間最小產(chǎn)流量差異不大，當(dāng)降雨量為大雨到暴雨時(shí)，前期短時(shí)間內(nèi)降水經(jīng)過林冠截留、凋落物截留、地表填洼等階段后，易形成超滲產(chǎn)流，這時(shí)降雨強(qiáng)度成為影響產(chǎn)流量大小的主導(dǎo)因子。

表4 馬尾松低效人工林不同模式改造初期產(chǎn)流量特征Table 4 Characteristics of runoff under different transformation patterns of low efficiency Pinus massoniana forests

表5顯示了2.5 a內(nèi)5個(gè)徑流小區(qū)累計(jì)產(chǎn)流量狀況。由于Ⅲ號(hào)和Ⅳ號(hào)徑流小區(qū)改造模式相同，其累計(jì)產(chǎn)流量十分接近，分別為36.339 m3和36.369 m3；而Ⅰ號(hào)由于郁閉度較高，林冠截留作用好于其他徑流小區(qū)，且受人為擾動(dòng)最小，因此，累計(jì)產(chǎn)流量最低，為31.315 m3，試驗(yàn)期內(nèi)變化幅度最小。而平均單次產(chǎn)流量大小排序?yàn)棰螅劲簦劲酰劲颍劲?，排序?guī)律與徑流小區(qū)所受擾動(dòng)強(qiáng)度一致。

2.4 川南馬尾松低效人工林不同模式改造初期徑流系數(shù)分析

對(duì)2012－2014年下半年各徑流小區(qū)徑流系數(shù)進(jìn)行比較。由表6可看出：除Ⅱ號(hào)徑流小區(qū)呈現(xiàn)先增大后減小的變化以外，其他徑流小區(qū)徑流系數(shù)均呈逐年減小趨勢(shì)。與2012年下半年相比，各徑流小區(qū)2014年下半年徑流系數(shù)分別減少29.36%，26.30%，47.37%，41.54%和43.97%。2012年，5個(gè)徑流小區(qū)徑流系數(shù)大小排序?yàn)棰螅劲簦劲酰劲颍劲瘢?2014年則變化為Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅴ。2014年與2013年相比，5個(gè)徑流小區(qū)徑流系數(shù)都有明顯下降，均在25%以上，特別是Ⅲ和Ⅴ小區(qū)，徑流系數(shù)下降更為明顯，達(dá)36%，超出Ⅰ號(hào)小區(qū)10%。隨著時(shí)間推移，效果會(huì)更加明顯。從徑流系數(shù)來看，Ⅰ號(hào)徑流小區(qū)雖然在改造初期郁閉度最高，林冠截留能力最強(qiáng)，但由于林下缺乏凋落物，導(dǎo)致對(duì)于林內(nèi)降雨的攔滯能力較弱；其他徑流小區(qū)由于擁有更好的光照、水熱條件，植被生長(zhǎng)較快，生物多樣性更為豐富，因此，隨著改造進(jìn)行Ⅰ號(hào)小區(qū)的徑流系數(shù)可能會(huì)逐漸高于其他徑流小區(qū)。而Ⅴ號(hào)徑流小區(qū)由于在2012年未更新樟樹，有1 a自然更新時(shí)間，土體擾動(dòng)少于Ⅲ和Ⅳ號(hào)徑流小區(qū)，因此，其徑流系數(shù)在3個(gè)皆伐小區(qū)最小。

2.5 川南馬尾松低效人工林不同模式改造初期降雨量與徑流量相關(guān)性分析

利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行降雨量與各徑流小區(qū)徑流量相關(guān)性分析。由表7可以看出：降雨量與徑流量之間相關(guān)系數(shù)均大于0.905，徑流量大小隨降雨量變化而變化。與劉芝芹等［13］對(duì)30場(chǎng)降雨觀測(cè)中得出的研究結(jié)論相吻合，說明降雨量是影響地表徑流大小的重要因子。

表5 馬尾松低效人工林不同模式改造初期累計(jì)產(chǎn)流量特征Table 5 Characteristics of cumulative runoff under different transformation patterns of low efficiency Pinus massoniana forests

表6 馬尾松低效人工林不同模式改造初期徑流系數(shù)Table 6 Runoff coefficient under different transformation patterns of low efficiency Pinus massoniana forests

3 結(jié)論

試驗(yàn)區(qū)年均降水量約為1 000 mm，集中于6－9月，季節(jié)性分布不均。2013年與2014年6－9月降雨量分別占全年降雨總量的73.23%和69.50%； 1，2，11，12月降雨量則僅占3.72%和6.19%。

試驗(yàn)期內(nèi)24 h最小降雨量為1.2 mm，最小產(chǎn)流降雨量為6.9 mm，最大降雨量為93.8 mm。全年產(chǎn)流次數(shù)約占降雨次數(shù)的30%～40%，雨量以中到暴雨為主，偶有小雨下產(chǎn)流和中雨下無產(chǎn)流狀況發(fā)生。各徑流小區(qū)最大徑流量均呈現(xiàn)先增大后減小的情況，說明在低效人工林改造初期有水土流失加劇現(xiàn)象，是水土流失監(jiān)測(cè)、治理的關(guān)鍵期。

表7 馬尾松低效人工林改造初期降雨量與各徑流小區(qū)徑流量相關(guān)性分析Table 7 Correlation coefficients of rainfall and runoff under different transformation patterns of low efficiency Pinus massoniana forests

徑流系數(shù)反映了降雨轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇韽搅鞯谋壤?。改造后?年下半年Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)徑流小區(qū)由于較好的植被覆蓋以及相對(duì)較少的人為干擾，徑流系數(shù)低于Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ號(hào)徑流小區(qū)；但2013年和2014年Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)徑流小區(qū)徑流系數(shù)降低均超過30%，而Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ號(hào)徑流小區(qū)降低50%左右，基本與Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)徑流小區(qū)持平或更低。表明各徑流場(chǎng)水土保持功能均在恢復(fù)中。2012年與2013年Ⅰ號(hào)徑流小區(qū)徑流系數(shù)均為最小，2014年則逐漸接近甚至高于皆伐小區(qū)；Ⅲ，Ⅳ與Ⅴ號(hào)徑流小區(qū)在試驗(yàn)期內(nèi)產(chǎn)流變化過程相似。目前來看，皆伐徑流小區(qū)水源涵養(yǎng)功能恢復(fù)速度快于Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)徑流小區(qū)，減滯徑流效果更佳。

對(duì)降雨量和各徑流小區(qū)徑流量進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，其相關(guān)系數(shù)均大于0.905。因此，減少林內(nèi)降雨以及增強(qiáng)林地水源涵養(yǎng)能力是減少坡面徑流的關(guān)鍵。由于試驗(yàn)尚處于改造初期，時(shí)間較短，相信隨著改造的深入以及林地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，樟樹等闊葉林的水源涵養(yǎng)能力會(huì)顯著優(yōu)于馬尾松低效純林。

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