云南石林典型植被類型的降水垂直分配及水平匯聚規(guī)律觀測(cè)研究

丁文榮，李玉輝，曾學(xué)梅，何文靜

(云南師范大學(xué) 地理學(xué)部，云南 昆明 650500)

1 研究背景

退化巖溶區(qū)的水資源、水環(huán)境問題是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重制約因素，中國(guó)西南巖溶區(qū)尤為突出，是水文地質(zhì)研究中亟需突破的難點(diǎn)問題[1-2]。特殊的巖溶環(huán)境下，森林系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能主要表現(xiàn)為垂直含水結(jié)構(gòu)層存儲(chǔ)降水以及水平分布格局對(duì)水分的集聚作用，植被系統(tǒng)-土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育良好的巖溶生態(tài)結(jié)構(gòu)具有水源自我調(diào)節(jié)功能[3-4]。國(guó)內(nèi)外諸多研究個(gè)例均表明，植被系統(tǒng)對(duì)巖溶區(qū)水循環(huán)的影響表現(xiàn)在使降水不易產(chǎn)生坡面徑流，進(jìn)而增加入滲補(bǔ)給量，在有植被覆蓋的巖溶區(qū)，可以顯著減少地表總體產(chǎn)流量[5-11]，而且森林植被對(duì)巖溶區(qū)降水的調(diào)節(jié)功能與植被類型、演替階段和群落結(jié)構(gòu)有關(guān)，成熟的原生林(地帶性植被群落)強(qiáng)于次生林，石漠化地區(qū)植被群落的調(diào)節(jié)能力最弱[12-14]。

石林彝族自治縣是滇中地區(qū)石漠化最為嚴(yán)重的區(qū)域，縣內(nèi)巖溶土地覆蓋面積高達(dá)1 027.4 km2，占國(guó)土面積的59.8%，其中石漠化土地面積為483.57 km2，達(dá)巖溶土地面積的47.06%[15]。前期在石林景區(qū)開展的研究表明，植被恢復(fù)時(shí)其土壤水文結(jié)構(gòu)功能隨著封禁年限的增加而提升[16]。然而，從降水到徑流形成這一完整過程的規(guī)律依然不明晰，極大地制約了滇中巖溶區(qū)水源地建設(shè)與植被保育工程的推進(jìn)。鑒于此，本研究以云南石林巖溶區(qū)典型植被類型，即原生林、次生林、云南松林、坡耕地、石灰?guī)r裸地以及石灰?guī)r灌叢6種植被類型為對(duì)象，設(shè)置了相應(yīng)的觀測(cè)樣地，并開展了2018-2019年為期兩個(gè)雨季的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，分別對(duì)不同植被類型的降雨分配及匯聚規(guī)律進(jìn)行了探索，結(jié)果可以為滇中巖溶區(qū)水資源管理與生態(tài)環(huán)境恢復(fù)保育提供科學(xué)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)與研究方法

2.1 研究區(qū)概況及樣地設(shè)置

石林彝族自治縣位于昆明市東南部，屬滇中高原巖溶區(qū)，地層以碳酸巖類為主，地形起伏和緩，切割輕微，高程在1 700～1 950 m之間。境內(nèi)盆地、低山、洼地、石丘、石牙及峰叢等巖溶地貌類型齊全，地勢(shì)東高西低，由東北向西南傾斜。石林縣處于典型的北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣溫的年較差小，多年平均氣溫為16.4 ℃，年均降水量為949.5 mm，干季、濕季極為分明，季風(fēng)期降水量占全年降水量的85%，非季風(fēng)期降水量不足全年降水量的15%，超過10 ℃的年活動(dòng)積溫為4 715.13 ℃，平均風(fēng)速為2.1 m/s。

依據(jù)石林巖溶區(qū)現(xiàn)狀土地利用方式和典型植被序列，在石林世界自然遺產(chǎn)地核心區(qū)及緩沖區(qū)，分別選擇原生林、次生林、坡耕地、石灰?guī)r裸地、云南松林和石灰?guī)r灌叢6種當(dāng)?shù)卮硇灾脖活愋停⒘藢?duì)應(yīng)的觀測(cè)樣地和降水自動(dòng)觀測(cè)站，其分布見圖1。

圖1 觀測(cè)樣地及降水自動(dòng)觀測(cè)站分布

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)樣地分布在海拔1 743～1 772 m之間，樣地內(nèi)平均基巖裸露率為35%。土壤由石灰?guī)r發(fā)育而成，相應(yīng)的土層深度為20～50 cm，主要類型為紅色石灰土和山原紅壤，質(zhì)地為黏土和黏壤土，粉粒、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～50%，土壤pH值為中性至微堿性。

2.2 觀測(cè)與計(jì)算方法

(1)降雨：采用Vantage Pro 2型自記錄氣象站進(jìn)行降雨量觀測(cè)，該型號(hào)自動(dòng)站的雨測(cè)量采用翻斗式工作原理，分辨率為0.2 mm。本研究分別在石林世界自然遺產(chǎn)地北部石林湖、東部四方塘各安置1套觀測(cè)站，兩站間直線距離為1.03 km(圖1)。其中石林湖站的降水?dāng)?shù)據(jù)用于原生林、石灰?guī)r灌叢樣地的分析，四方塘站的降水?dāng)?shù)據(jù)用于云南松林、坡耕地、石灰?guī)r裸地及次生林樣地的分析。

(2)穿透雨：分別在原生林、次生林以及云南松林3個(gè)樣地內(nèi)，布設(shè)規(guī)格為長(zhǎng)400 cm、寬20 cm、深20 cm的自制承雨槽，兩段承雨槽依據(jù)坡度進(jìn)行拼接，底部用鋼筋支架進(jìn)行固定。承雨槽的出水口處放置50 L的集水桶，作為收集穿透雨的裝置。每次降雨結(jié)束后，立即用量筒測(cè)定各樣地內(nèi)集水桶中穿透雨的體積，并換算成雨深，換算公式為：

TF=(T×1000)/A

(1)

式中：TF為林內(nèi)穿透降雨量，mm；T為集水桶內(nèi)的雨水體積，mL;A為承雨槽受雨面積，mm2。

(3)樹干徑流：依據(jù)樹種和胸徑大小，分別在原生林、栓皮櫟次生林以及云南松林樣地內(nèi)各選擇5棵典型樹來測(cè)定樹干徑流。具體為在距離地面1.5 m的高度處，將剖開的PVC軟管呈螺旋狀纏繞在樹干上，固定后用防水膠將樹干與塑料軟管間的縫隙密封，同時(shí)在軟管基部連接一個(gè)容積為15 L的集水桶以收集樹干徑流。每次降雨結(jié)束后，立即用量筒測(cè)定各集水桶內(nèi)樹干徑流的體積，并換算成樣地樹干徑流深，計(jì)算公式為：

(2)

式中：SF為樣地樹干徑流深，mm；n為樹干徑級(jí)數(shù);Ci為徑級(jí)i的樹干徑流量，mL，Mi為徑級(jí)i的樹木株數(shù);Sp為樣地面積，m2。

(4)坡面產(chǎn)流：分別在6個(gè)觀測(cè)樣地內(nèi)建立了對(duì)應(yīng)的徑流小區(qū)，各觀測(cè)樣地徑流小區(qū)特征值見表1。徑流小區(qū)外圍用15～30 cm高的隔水層圍住，防止小區(qū)內(nèi)水的流失及小區(qū)外水的流入。然后在徑流小區(qū)的下游出水口處設(shè)置尺寸為1.0 m×1.0 m×1.0 m(長(zhǎng)×寬×高)的集流池，每次降雨事件后觀測(cè)集流池內(nèi)的產(chǎn)流情況，有產(chǎn)流時(shí)將其取出測(cè)量，無產(chǎn)流時(shí)也做記錄，測(cè)量時(shí)記錄時(shí)間及天氣狀況，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)效性。

表1 各觀測(cè)樣地徑流小區(qū)特征值

3 結(jié)果與分析

3.1 降水特征

石林處于亞洲季風(fēng)區(qū)，降水的年內(nèi)變化具有季風(fēng)區(qū)的顯著特征[17]。2018年石林湖站和四方塘站降水量分別為834、907.6 mm，2019年則分別為929.2、1 004.4 mm，其中2018年屬于平水年而2019年屬于豐水年。2018-2019年研究區(qū)的降水量年內(nèi)分布及雨型特征見圖2。

圖2 2018-2019年研究區(qū)的降水量年內(nèi)分布及雨型特征

由圖2(a)可以看出，研究區(qū)降雨主要發(fā)生在季風(fēng)期即濕季，特別是5-8月的降水量占全年的68%。2018-2019年石林湖站、四方塘站的降水日數(shù)分別為238、296 d。由圖2(b)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見，降雨類型中的小雨和中雨占主導(dǎo)地位，石林湖站小雨、中雨、大雨和暴雨降雨量的比例分別為73.11%、19.75%、6.30%和0.84%，四方塘站則分別為79.05%、14.53%、5.74%和0.68%。

3.2 垂直分配

植被(森林)對(duì)降水的垂直分配過程主要指森林水分輸入過程，森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，致使雨水需經(jīng)過林冠層截留、樹干徑流、地表枯落物吸水等多種形式的分配后才能到達(dá)地表，進(jìn)而成為森林土壤的水分來源?？紤]到植被條件，本研究于2018-2019年兩個(gè)雨季分別對(duì)原生密枝林、栓皮櫟次生林、云南松林的降水垂直分配即穿透雨、樹干徑流開展了觀測(cè)，并對(duì)資料完整性最好的52 d的降水分配數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(不連續(xù))。該52 d中石林湖自動(dòng)雨量站降雨量為304.4 mm(雨日為37 d)，無雨、小雨、中雨、大雨、暴雨降雨量的天數(shù)分別為15、23、7、6、1 d，四方塘站測(cè)得降雨量為319.6 mm(雨日為41 d)，無雨、小雨、中雨、大雨、暴雨降雨量的天數(shù)分別為11、26、8、5、2 d，涵蓋了研究區(qū)所有的降水過程類型。雨日中各植被類型的降水分配特征如表2所示。

從表2中可以看出，在石林湖區(qū)樣地的37個(gè)雨日中，原生植被類型密枝林產(chǎn)生穿透雨、樹干徑流的日數(shù)分別為27、23 d，林冠穿透雨量達(dá)225.25 mm，樹干徑流量為0.58 mm。四方塘區(qū)樣地的41個(gè)雨日中，栓皮櫟次生林產(chǎn)生穿透雨、樹干徑流的日數(shù)為27、24 d，穿透雨量和樹干徑流量分別為239.85和1.37 mm，而云南松林穿透雨、樹干徑流的日數(shù)為27和15 d，穿透雨量和樹干徑流量則分別有233.47和0.12 mm。就不同植被類型產(chǎn)生穿透雨和樹干徑流的降雨量閾值來看，原生林、次生林、云南松林的穿透雨閾值均較低，分別為1.0、1.4和1.4 mm，而發(fā)生樹干徑流的林外降雨量閾值則較高，云南松林甚至需要6.4 mm的降水才會(huì)產(chǎn)生明顯可測(cè)的樹干徑流。

表2 研究區(qū)樣地3種植被類型的降雨垂直分配特征

上述3種植被類型的穿透雨量與林外降雨量的關(guān)系見圖3；樹干徑流量與林外降雨量的關(guān)系見圖4。

圖3 研究區(qū)樣地3種植被類型的穿透雨量與林外降雨量關(guān)系

圖4 研究區(qū)樣地3種植被類型的樹干徑流量與林外降雨量關(guān)系

由圖3可看出，3種植被類型的林冠穿透雨量與林外降雨量之間均表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，確定系數(shù)R2均超過了0.90，其中栓皮櫟次生林R2=0.986 3，為最大，而云南松林R2=0.943 4，為最小。由圖4可見，樹干徑流量與林外降水量之間同樣存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，確定系數(shù)R2均大于0.76，其中云南松林區(qū)相關(guān)性最強(qiáng)，而原生林區(qū)最弱。

林外降水與到達(dá)林下的降水(穿透雨、樹干徑流)之差為植被的截留，是土壤侵蝕與水土保持研究的重要指標(biāo)，通過計(jì)算得知：原生林、次生林、云南松林的截留率分別為25.81%、24.52%和26.91%，其中云南松林截留最多而栓皮櫟次生林則最少。圖5為石林湖區(qū)樣地3種植被類型的植被截留量與林外降雨量關(guān)系，由圖5也可以看出植被截留量與降水量變化相關(guān)，隨著林外降水量的不斷增加，植被截留量亦呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，符合森林生態(tài)水文過程的普遍規(guī)律[18]。

圖5 研究區(qū)樣地3種植被類型的植被截留量與林外降雨量關(guān)系

總體來看，研究區(qū)樣地森林植被中次生林的降雨穿透率最高，云南松林次之，原生林最??；樹干徑流率次生林最高，原生林次之，云南松林最低，不同樹種的樹干徑流量有所差異；截留率與穿透率變化規(guī)律相反。降雨的垂直分配規(guī)律為：林外的降雨量>穿透雨量>林冠截留量>樹干徑流量。

3.3 水平匯聚

水平匯聚是植被水平分布格局(植物群落、面積、位置)對(duì)聚集降水、增加產(chǎn)流等環(huán)節(jié)的影響，即植被對(duì)地表徑流的影響。通過截留后到達(dá)地表的降雨將發(fā)生水平產(chǎn)流作用，是直接水資源形成的重要環(huán)節(jié)。本次6個(gè)樣地不同植被類型的產(chǎn)流狀況與垂直降水同步觀測(cè)，結(jié)果見圖6和表3。

圖6 研究區(qū)樣地6種不同植被類型的降雨量與地表徑流量關(guān)系

表3 研究區(qū)樣地6種不同植被類型的降雨水平匯聚特征

由圖6可以看出，各觀測(cè)樣地的降雨量與地表徑流量之間均表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，其中次生林的確定系數(shù)R2達(dá)0.714 8，而云南松林僅為0.296 0。然而，6組觀測(cè)樣地的降雨量與產(chǎn)流量之間的相關(guān)關(guān)系，均未達(dá)到0.05的置信水平。

表3中的特征值表明，各種植被類型的降水水平匯聚特征存在明顯差別。在石林湖區(qū)樣地的37 d雨日中，降雨量為304.4 mm，原生林、石灰?guī)r灌叢各產(chǎn)流26和13次，產(chǎn)流量分別為0.06、1.10 mm，而在四方塘區(qū)樣地的41 d雨日中，降雨量為319.6 mm，次生林、坡耕地、石灰?guī)r裸地、云南松林產(chǎn)流次數(shù)分別為34、10、33和6次，產(chǎn)流量則分別為0.21、0.01、1.08和0.21 mm；各植被類型的地面徑流系數(shù)也存在顯著的差異，其中石灰?guī)r灌叢區(qū)的徑流系數(shù)最大，為0.36%，而坡耕地僅有0.01%，但整體來看地面徑流系數(shù)都非常小。

就各植被類型的總產(chǎn)流量來看，無林區(qū)表現(xiàn)為石灰?guī)r灌叢最多，裸地次之，耕地最少，有林區(qū)表現(xiàn)為云南松林>次生林>原生林；從產(chǎn)流的降雨量閾值來看，6種植被類型差別較大，其中原生林區(qū)2.0 mm的降水量即可產(chǎn)流，而云南松林則需要6.4 mm才會(huì)產(chǎn)流，兩者相差3.2倍；隨著林外降雨量的增加，各樣地的地表產(chǎn)流量也表現(xiàn)出增大的態(tài)勢(shì)?？梢钥闯觯饔^測(cè)植被類型的地面產(chǎn)流規(guī)律差別明顯，整體表現(xiàn)為森林植被對(duì)地表徑流的調(diào)節(jié)作用明顯，無林區(qū)產(chǎn)流量大于有林區(qū)。

4 討 論

對(duì)于植被的降水垂直分配，國(guó)外亞熱帶常綠闊葉林區(qū)的冠層截留率在11%～36%范圍之內(nèi)變化，亞寒帶針葉林的截留率則在9%～48%之間[19]。我國(guó)氣候類型多樣，不同類型森林植被林冠層的截留率存在明顯的差別[18]。本研究結(jié)果中原生植被密枝林、次生林、云南松林的截留率分別為25.81%、24.52%和26.91%，符合預(yù)期。

源于地質(zhì)條件的獨(dú)特性，巖溶區(qū)坡面產(chǎn)流系數(shù)往往非常小[20]，在貴州普定、關(guān)嶺等小流域?qū)ζ赂亍⒐嗖莸亍?fù)合植被等6種植被類型的觀測(cè)結(jié)果也表明，地表產(chǎn)流非常少，徑流系數(shù)在0.01%～12.85%之間[4,9,11]。廣西北部峰叢地區(qū)在不同類型的水文年份，各植被區(qū)地面徑流系數(shù)均小于5%，林內(nèi)的降雨主要入滲補(bǔ)給土壤水或地下水[5,7,10]。本次在云南滇中的觀測(cè)亦表明，典型植被類型的徑流系數(shù)在0.01%～0.36%之間，與貴州、廣西的同類成果一致，表明觀測(cè)結(jié)果是可靠的。

5 結(jié) 論

為揭示滇中地區(qū)主要植被類型的降水分配過程及匯聚規(guī)律，本研究于2018-2019年在云南石林開展了為期兩個(gè)雨季的觀測(cè)，得出以下結(jié)論：

(1)云南石林地區(qū)受到亞洲季風(fēng)的控制，降水的年內(nèi)變化具有季風(fēng)區(qū)的顯著特征，即高度集中在季風(fēng)期特別是5-8月，研究區(qū)降雨類型以小雨和中雨為主，兩者在全年降水場(chǎng)次中的比例分別為70%和15%。

(2)各植被類型的穿透雨量、樹干徑流量以及截留量均伴隨林外降雨量的增加而增大，降水分配的總體特征為林外降雨量>穿透雨量>林冠截留量>樹干徑流量。

(3)各植被類型的徑流系數(shù)差別明顯，變化范圍為0.01%～0.36%，巖溶石漠化裸地區(qū)徑流系數(shù)最大而坡耕地最小，但整體來看都非常?。桓髦脖活愋彤a(chǎn)流的降雨量閾值差別明顯，范圍為2.0～6.4 mm，伴隨林外降雨量的增多，各觀測(cè)樣地的地表產(chǎn)流量也呈現(xiàn)出增大的態(tài)勢(shì)。