北京山區(qū)側(cè)柏林地坡面初始產(chǎn)流時(shí)間影響因素

蔣秋玲， 信忠保,2?， 余新曉,2， 樊登星,2

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,100083,北京;2.北京林業(yè)大學(xué)北京市水土保持工程技術(shù)研究中心,100083,北京)

初始產(chǎn)流時(shí)間是指從降水至坡面開始產(chǎn)流所消耗的時(shí)間，亦稱為“初損歷時(shí)”[1]。不同研究者對(duì)坡面開始產(chǎn)流的定義有所不同，基于徑流小區(qū)開展的降雨觀測(cè)多認(rèn)為小區(qū)底部有穩(wěn)定徑流輸出即表示坡面開始產(chǎn)流[2-3]，也有學(xué)者認(rèn)為當(dāng)坡面形成貫通積水層流并持續(xù)沿坡遷移特定長(zhǎng)度即開始產(chǎn)流[4]。明確坡面初始產(chǎn)流時(shí)間及其影響因素，可為認(rèn)識(shí)流域產(chǎn)匯流和山洪災(zāi)害形成過程、合理配置水土保持措施提供指導(dǎo)[5]。圍繞坡面產(chǎn)流的影響因素，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，認(rèn)為影響坡面初始產(chǎn)流時(shí)間的因子主要包括植被覆蓋、降雨強(qiáng)度、坡度及土壤前期含水率等[6-12]。對(duì)東北黑土區(qū)的研究表明，同一坡度下，坡面初始產(chǎn)流時(shí)間隨降雨強(qiáng)度增大而明顯縮短[10]。通過室內(nèi)模擬降雨研究表明栓皮櫟(Quercusvariabilis)林下枯落物的存在能延長(zhǎng)坡面初始產(chǎn)流時(shí)間，且坡度越小，降雨強(qiáng)度越大，枯落物層延緩地表徑流產(chǎn)生的作用越明顯[11]。此外，研究者對(duì)坡面初始產(chǎn)流時(shí)間與上述影響因素之間提出的定量關(guān)系不盡相同[7-9]，且目前大多數(shù)研究在室內(nèi)模擬降雨條件下開展，野外條件下綜合考慮降雨強(qiáng)度、枯落物、坡長(zhǎng)和前期土壤含水率對(duì)坡面初始產(chǎn)流時(shí)間影響的研究報(bào)道相對(duì)較少。

暴雨是引發(fā)山洪泥石流的主要原因[13]。北京地區(qū)降雨多集中在夏秋兩季，往往以暴雨、大暴雨和特大暴雨等高強(qiáng)度的方式降落，使北京山區(qū)成為山洪和泥石流災(zāi)害多發(fā)區(qū)域[14]。如北京2012年的“7·21”特大暴雨事件，最大降雨量達(dá)到460 mm，在北京周邊山區(qū)造成了積水、山洪和泥石流等自然災(zāi)害，給山區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了巨大損失[15]。北京過去開展了大量的山區(qū)水源涵養(yǎng)林建設(shè)，并且大量研究表明，土石山區(qū)森林植被可以發(fā)揮涵養(yǎng)水源、削減洪峰流量及推遲洪水時(shí)間等重要功能[16-17]；然而，從坡面尺度來(lái)看，降雨強(qiáng)度、枯落物、坡長(zhǎng)和前期土壤含水率等對(duì)林地初始產(chǎn)流時(shí)間的影響還缺乏基于野外人工模擬降雨的系統(tǒng)研究。筆者以北京山區(qū)側(cè)柏(Platycladusorientalis)林地坡面為研究對(duì)象，采用人工模擬降雨方法，選擇暴雨級(jí)別降雨強(qiáng)度進(jìn)行野外降雨試驗(yàn)，研究側(cè)柏林地坡面初始產(chǎn)流時(shí)間與降雨強(qiáng)度、枯落物、坡長(zhǎng)和前期土壤含水率的關(guān)系，以期增進(jìn)對(duì)暴雨作用下北京山區(qū)坡面產(chǎn)匯流過程的認(rèn)識(shí)，并為北京山區(qū)生態(tài)工程減洪效益評(píng)估和流域行洪過程模擬提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

北京北部與東部山區(qū)屬燕山山脈，西部山區(qū)屬太行山脈，山區(qū)面積占全市總面積的62%。區(qū)域內(nèi)山地高差大，海拔在100～1 153 m之間，坡度多在16°～35°之間。土壤類型主要為淋溶褐土，土層瘠薄，礫石含量較高。多年平均降水量576.4 mm，多集中在7—9月，年均氣溫12.2 ℃，屬于華北暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。北京山區(qū)森林覆蓋率在90%以上，主要以人工林為主，自然生長(zhǎng)的喬木較少。其中，人工林主要有側(cè)柏、油松(Pinustabulaeformis)、栓皮櫟、落葉松(Larixgmelinii)和刺槐(Robiniapseudoacacia)等。本研究試驗(yàn)地位于北京西山鷲峰國(guó)家森林公園北京林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)(E 116°06′，N 40°03′)，試驗(yàn)樣地為人工側(cè)柏林地，平均林齡53 a，林分密度為1 531株/hm2，郁閉度0.70。

2 材料與方法

2.1 徑流小區(qū)布設(shè)

選取林下坡度相近的自然坡面，在坡面相對(duì)的坡上、坡下、坡中位置分別設(shè)長(zhǎng)1、2和5 m的徑流小區(qū)，其中坡中位置設(shè)5 m坡長(zhǎng)小區(qū)難度大，故僅設(shè)1和2 m坡長(zhǎng)的小區(qū)，共建徑流小區(qū)8個(gè)(表1)。徑流小區(qū)四周用PVC板圈圍，埋入地表以下30 cm，出露15 cm，保持徑流小區(qū)內(nèi)部枯枝落葉覆蓋原貌不變，覆蓋度90%以上。徑流小區(qū)于2014年8—9月修建完成，經(jīng)1年沉淀后于2015年7—9月完成模擬降雨試驗(yàn)。

表1 徑流小區(qū)基本信息

2.2 枯落物特性調(diào)查

分別在坡上、坡中及坡下各選取3個(gè)30 cm×30 cm小樣方，收集林下枯枝落葉。為不破壞徑流小區(qū)內(nèi)部枯枝落葉覆蓋原貌，所選樣方均在小區(qū)四周瀕臨區(qū)域。將收集的枯落物帶回實(shí)驗(yàn)室，在80 ℃下烘干并稱量。采用室內(nèi)浸泡法測(cè)定林下枯落物最大持水率——將烘干后的枯落物置于水中浸泡24 h[18]，取出后靜置5 min左右，待枯落物不再滴水時(shí)稱量。側(cè)柏林地坡面枯落物相關(guān)特性如表2所示?？萋湮镒畲蟪炙视?jì)算公式[19]如下：

式中：Rmax為最大持水率，%；M24為枯落物浸泡24 h后的質(zhì)量，g；M為枯落物烘干后的質(zhì)量，g。

2.3 前期土壤含水率測(cè)定

采用英國(guó)生產(chǎn)的4探針ML2x便攜式土壤水分速測(cè)儀測(cè)定土壤的體積含水率。每次模擬降雨前用ML2x測(cè)定徑流小區(qū)內(nèi)坡上、坡中及坡下位置0～5cm與5～10 cm土層含水率，1、2、5 m坡長(zhǎng)徑流小區(qū)分別測(cè)量4、6、8個(gè)點(diǎn)位。

表2 側(cè)柏林地坡面枯落物特性

2.4 野外模擬降雨

野外模擬降雨設(shè)備為北京師范大學(xué)與北京交通大學(xué)共同研制的槽式下噴人工模擬降雨機(jī)，采用美國(guó)Veejet 80150型降雨噴頭，單臺(tái)降雨機(jī)為3個(gè)噴頭，單噴頭降雨覆蓋面積2 m×2.7 m=5.4 m2，降雨高度2.5 m。野外模擬降雨開始之前，在平地上對(duì)降雨機(jī)降雨均勻性進(jìn)行率定，均勻系數(shù)>0.8，符合野外降雨試驗(yàn)要求。

近年來(lái)華北局部地區(qū)多次出現(xiàn)以短歷時(shí)、高強(qiáng)度為主的大暴雨，如2011年6月23日和2012年7月21日的暴雨事件，北京地區(qū)最大降雨強(qiáng)度分別達(dá)128和100 mm/h[20]；因此本文試驗(yàn)根據(jù)人工模擬降雨機(jī)可選降雨強(qiáng)度檔次設(shè)定3個(gè)降雨強(qiáng)度，即70、92和126 mm/h。為避免林下植被對(duì)坡面降雨產(chǎn)流的影響，模擬降雨前已將徑流小區(qū)內(nèi)少量灌木沿根部剪除。每個(gè)徑流小區(qū)坡面設(shè)2個(gè)處理，分別為原狀枯枝落葉層覆蓋自然坡面與剝離枯落物后的裸露坡面。同一徑流小區(qū)先在保留枯枝落葉層覆蓋條件下降雨，之后將枯枝落葉完全剝離，再進(jìn)行降雨。在坡面有枯落物覆蓋和枯落物剝離后2種條件下均按126、92、70 mm/h的順序進(jìn)行降雨，共計(jì)降雨48場(chǎng)。降雨過程中記錄初始產(chǎn)流時(shí)間，當(dāng)各坡長(zhǎng)小區(qū)底部有連續(xù)穩(wěn)定的徑流輸出時(shí)即認(rèn)為坡面開始產(chǎn)流。

3 結(jié)果與討論

3.1 單因素分析

3.1.1 降雨強(qiáng)度 坡面初始產(chǎn)流時(shí)間隨降雨強(qiáng)度增大迅速減少(圖1)，二者之間呈冪函數(shù)關(guān)系(y=853 828x-1.82，R2=0.66，n=45，P<0.01)。70 mm/h降雨強(qiáng)度下，1 m坡長(zhǎng)小區(qū)在枯落物覆蓋條件下降雨60 min不產(chǎn)流，隨降雨強(qiáng)度和坡長(zhǎng)增大，坡面開始產(chǎn)流；且降雨強(qiáng)度越大，不同坡面處理和不同坡長(zhǎng)小區(qū)的初始產(chǎn)流時(shí)間越集中，表明降雨強(qiáng)度在一定程度上削弱枯落物和坡長(zhǎng)對(duì)坡面初始產(chǎn)流時(shí)間的影響。

一般而言，降雨強(qiáng)度越大，坡面初始產(chǎn)流時(shí)間越短[10-12]，然而，關(guān)于初始產(chǎn)流時(shí)間與降雨強(qiáng)度的定量關(guān)系還存在爭(zhēng)議。對(duì)華北保護(hù)性耕作研究區(qū)沙壤土的研究表明，初始產(chǎn)流時(shí)間與降雨強(qiáng)度符合冪函數(shù)關(guān)系[2]。孫達(dá)等[21]在野外人工模擬降雨條件下對(duì)荒草坡產(chǎn)流產(chǎn)沙進(jìn)行研究，結(jié)果表明降雨強(qiáng)度與初始產(chǎn)流時(shí)間呈較好的負(fù)相關(guān)對(duì)數(shù)關(guān)系。劉希林等[4]通過對(duì)野外崩崗崩積體坡面產(chǎn)流過程的模擬，認(rèn)為坡面初始產(chǎn)流時(shí)間與降雨強(qiáng)度存在負(fù)指數(shù)冪函數(shù)關(guān)系。不同研究者對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間與降雨強(qiáng)度之間提出的定量關(guān)系存在差異，原因可能與土壤類型及地表覆被狀況不同有關(guān)；但基本認(rèn)為坡面產(chǎn)流所需時(shí)間隨降雨強(qiáng)度增大而縮短。這是因?yàn)樵谕粡搅餍^(qū)內(nèi)，隨著降雨強(qiáng)度增大，小區(qū)單位面積單位時(shí)間內(nèi)承受的降雨量增加，從而導(dǎo)致坡面出現(xiàn)超滲產(chǎn)流或蓄滿產(chǎn)流的時(shí)間提前。當(dāng)降雨強(qiáng)度為70 mm/h時(shí)，1 m坡長(zhǎng)小區(qū)在枯落物覆蓋條件下未產(chǎn)流，其主要原因是1 m坡長(zhǎng)小區(qū)總承雨量較少，林下枯落物又對(duì)徑流起著攔截阻滯作用[22]，導(dǎo)致坡面徑流大量被損耗而不產(chǎn)流。隨著降雨強(qiáng)度和坡長(zhǎng)增大，坡面開始產(chǎn)流，表明林地坡面產(chǎn)流是降雨強(qiáng)度、枯落物和坡長(zhǎng)等因子共同作用的結(jié)果。

圖1 坡面初始產(chǎn)流時(shí)間與降雨強(qiáng)度的關(guān)系Fig.1 Relationship between rainfall intensity and initial runoff time

3.1.2 枯落物 枯落物層是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，不僅能避免雨滴直接擊打土壤表面，還能吸收、截持降雨和增加入滲[18]，從而對(duì)坡面產(chǎn)匯流過程產(chǎn)生重要影響。側(cè)柏林地枯落物的存在能夠明顯延長(zhǎng)坡面初始產(chǎn)流時(shí)間。當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到70 mm/h時(shí)，1 m坡長(zhǎng)小區(qū)在枯落物覆蓋條件下降雨60 min不產(chǎn)流(表3)，裸露坡面平均初始產(chǎn)流時(shí)間為(480±174) s，其他降雨強(qiáng)度和坡長(zhǎng)條件下枯落物覆蓋坡面的平均初始產(chǎn)流時(shí)間為352 s，裸露坡面則為213 s，枯落物覆蓋坡面的平均初始產(chǎn)流時(shí)間較裸露坡面延遲139 s?？萋湮锬苊黠@延緩坡面產(chǎn)流，一方面是因?yàn)榱窒驴萋湮锞哂辛己玫男钏?，能截留大量初期降水，枯落物調(diào)查表明，林下坡面平均單位面積枯落物生物量為(3 992.5±519.8) g/m2，其最大持水量達(dá)(2 219.9±241.8) g/m2(表2)。另一方面是因?yàn)榭萋湮锬芟挠甑文芰?，相?duì)于枯落物覆蓋坡面，裸露坡面土壤在雨滴的直接擊打下變得更加緊實(shí)，土壤入滲難度增加，同時(shí)更容易形成土壤結(jié)皮，從而有利于地表徑流的形成[23]，表現(xiàn)為裸露坡面產(chǎn)流所需時(shí)間較短。

表3 枯落物覆蓋和裸露條件下坡面初始產(chǎn)流時(shí)間

注：--表示徑流小區(qū)降雨60 min不產(chǎn)流。Notes: -- refers to that the runoff plots did not runoff during 60 minutes rainfall process.

圖2 不同坡長(zhǎng)條件下的坡面初始產(chǎn)流時(shí)間Fig.2 Initial runoff time under different slope length

3.1.3 坡長(zhǎng) 坡長(zhǎng)是影響坡面產(chǎn)流的重要地貌因素之一，其對(duì)坡面降雨入滲產(chǎn)流過程有重要影響[24]。隨坡長(zhǎng)增加，枯落物覆蓋坡面和裸露坡面的初始產(chǎn)流時(shí)間均表現(xiàn)出減少趨勢(shì)；坡長(zhǎng)對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響受降雨強(qiáng)度制約，降雨強(qiáng)度越大，坡長(zhǎng)對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間影響越不明顯(圖2)?？萋湮锔采w條件下，當(dāng)降雨強(qiáng)度為70 mm/h時(shí)，1 m坡長(zhǎng)小區(qū)初始產(chǎn)流時(shí)間>60 min，2和5 m坡長(zhǎng)小區(qū)坡面初始產(chǎn)流時(shí)間分別為541和628 s，1 m坡長(zhǎng)小區(qū)產(chǎn)流所需時(shí)間明顯大于2和5 m坡長(zhǎng)；當(dāng)降雨強(qiáng)度為92 mm/h時(shí)，1 m坡長(zhǎng)小區(qū)初始產(chǎn)流時(shí)間為453 s，分別比2和5 m坡長(zhǎng)小區(qū)多59和143 s；當(dāng)降雨強(qiáng)度為126 mm/h時(shí)，1 m坡長(zhǎng)小區(qū)初始產(chǎn)流時(shí)間為201 s，分別比2和5 m坡長(zhǎng)小區(qū)多50和55 s；裸露坡面條件下，坡面初始產(chǎn)流時(shí)間隨坡長(zhǎng)和降雨強(qiáng)度的變化亦表現(xiàn)出相同的規(guī)律?？讈喥降萚25]在2.5～10 m坡長(zhǎng)范圍內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，坡面初始產(chǎn)流時(shí)間隨坡長(zhǎng)增加大致呈縮短趨勢(shì)。陳俊杰等[26]通過室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)研究了坡長(zhǎng)對(duì)坡面初始產(chǎn)流時(shí)間的影響，結(jié)果表明降雨強(qiáng)度和坡度相同時(shí)10 m坡長(zhǎng)的產(chǎn)流時(shí)間要短于5 m坡面。筆者研究結(jié)果與前人研究結(jié)果較一致，分析其原因，雖然在同一降雨強(qiáng)度下各小區(qū)單位面積單位時(shí)間內(nèi)的承雨量相同，但坡長(zhǎng)較長(zhǎng)小區(qū)匯集的徑流量更多，更容易在小區(qū)底部形成連續(xù)穩(wěn)定的徑流，坡面產(chǎn)流所需時(shí)間較短。

3.1.4 前期土壤含水率 由表4可見，不同坡面處理下坡面初始產(chǎn)流時(shí)間與表層前期土壤含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明坡面產(chǎn)流所需時(shí)間隨前期土壤含水率增大而減少。在裸露條件下坡面初始產(chǎn)流時(shí)間與0～5和0～10 cm土層前期土壤含水率相關(guān)關(guān)系顯著(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.456和-0.408，而枯落物覆蓋條件下二者相關(guān)關(guān)系不顯著，表明前期土壤含水率對(duì)坡面初始產(chǎn)流時(shí)間的影響受枯落物限制。坡面初始產(chǎn)流時(shí)間與不同深度土層前期土壤含水率的相關(guān)系數(shù)由大到小的順序?yàn)?～5、0～10、5～10 cm，表明0～5 cm土層的前期土壤含水率對(duì)坡面初始產(chǎn)流時(shí)間影響較大。陳洪松等[27]研究前期土壤含水率對(duì)黃土坡面降雨入滲的影響，結(jié)果表明前期土壤含水率越高，產(chǎn)流越快，平均入滲率越小。本試驗(yàn)所得結(jié)果與前人研究結(jié)果一致，林地表層前期土壤含水率與坡面初始產(chǎn)流時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，尤其在裸露條件下0～5 cm土層前期土壤含水率對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間影響更顯著。

表4 不同坡面處理下初始產(chǎn)流時(shí)間與表層前期土壤含水率相關(guān)分析

3.2 多因素分析

對(duì)于所有坡面處理、枯落物覆蓋和裸露條件下，坡面初始產(chǎn)流時(shí)間分別被降雨強(qiáng)度、枯落物、坡長(zhǎng)和前期土壤含水率等影響，分別解釋79.4%、83.7%和80.1%(表5)。由所有坡面處理?xiàng)l件下的多元回歸方程標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)可知(表6)，坡面初始產(chǎn)流時(shí)間的主導(dǎo)因素是降雨強(qiáng)度，其次是枯落物，二者對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的相對(duì)貢獻(xiàn)率分別為59.8%和23.8%，而前期土壤含水率和坡長(zhǎng)對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的相對(duì)貢獻(xiàn)率較低，分別為10.5%和5.9%。從不同處理坡面來(lái)看，枯落物覆蓋條件下，影響坡面初始產(chǎn)流時(shí)間的主要因素為降雨強(qiáng)度，相對(duì)貢獻(xiàn)率達(dá)84.3%，裸露條件下坡面初始產(chǎn)流時(shí)間主要影響因素為降雨強(qiáng)度和前期土壤含水率，相對(duì)貢獻(xiàn)率分別為66.9%和31.7%。

表5 坡面初始產(chǎn)流時(shí)間的多元回歸方程

注：I為降雨強(qiáng)度，mm/h；W為0～5 cm前期土壤含水率，%；L為坡長(zhǎng)，m；V為枯落物覆蓋度，%；t為初始產(chǎn)流時(shí)間，s; 下同。Notes:Iis rainfall intensity, mm/h.Wis antecedent soil water content of 0-5 cm soil layer,%.Lis slope length, m.Vis litter coverage,%.tis initial runoff time, s. The same below.

表6 坡面初始產(chǎn)流時(shí)間多元回歸方程的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)

前人相關(guān)研究多集中于初始產(chǎn)流時(shí)間與植被覆蓋度、降雨強(qiáng)度、坡度和前期土壤含水率等因素的多元方程擬合，而枯落物、坡長(zhǎng)等因素考慮不多。在蘇南黃壤地區(qū)，司登宇等[7]采用人工模擬降雨研究了純草、純灌和灌草3種經(jīng)營(yíng)模式下初始產(chǎn)流時(shí)間及其影響因素，并分別建立初始產(chǎn)流時(shí)間與植被蓋度、坡度、降雨強(qiáng)度和前期土壤含水率的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。在黃土高原區(qū)，袁建平等[9]分別建立林地、農(nóng)地和裸地坡面初始產(chǎn)流時(shí)間與影響因子的多元統(tǒng)計(jì)關(guān)系。本研究是在華北土石山區(qū)，建立側(cè)柏林地坡面初始產(chǎn)流時(shí)間與降雨強(qiáng)度、枯落物、坡長(zhǎng)和前期土壤含水率的多元統(tǒng)計(jì)關(guān)系。

4 結(jié)論

1)降雨強(qiáng)度是坡面初始產(chǎn)流時(shí)間的主導(dǎo)因素。隨降雨強(qiáng)度增大，坡面初始產(chǎn)流所需時(shí)間迅速減少，二者之間呈冪函數(shù)關(guān)系(y=853 828x-1.82，R2=0.66，n=45，P<0.01)。

2)林下枯落物能明顯延緩坡面初始產(chǎn)流時(shí)間。當(dāng)降雨強(qiáng)度為70 mm/h時(shí)，1 m坡長(zhǎng)小區(qū)在枯落物覆蓋條件下降雨60 min不產(chǎn)流，在裸露條件下平均初始產(chǎn)流時(shí)間為(480±174) s，其他降雨強(qiáng)度和坡長(zhǎng)條件下枯落物覆蓋坡面的平均初始產(chǎn)流時(shí)間較裸露坡面延遲139 s。

3)隨坡長(zhǎng)增大，枯落物覆蓋坡面和裸露坡面初始產(chǎn)流時(shí)間均呈減少趨勢(shì)；坡長(zhǎng)對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響受降雨強(qiáng)度制約，降雨強(qiáng)度越大，坡長(zhǎng)對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間影響越不明顯。

4)坡面初始產(chǎn)流時(shí)間的多元分析表明，降雨強(qiáng)度起主導(dǎo)作用，其次是枯落物，二者對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的相對(duì)貢獻(xiàn)率分別為59.8%和23.8%，而坡長(zhǎng)和前期土壤含水率對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的相對(duì)貢獻(xiàn)率較低，分別為10.5%和5.9%。