凤阳山枯落物水文特性研究

郭晓平，张金池*，司登宇，庄家尧，王 群，刘国龙，李美琴，刘玲娟

（1. 南京林业大学森林资源与环境学院，江苏 南京 210037；2. 浙江凤阳山—百山祖国家级自然保护区凤阳山管理处，浙江 龙泉 323700）

枯落物，又称凋落物。森林枯落物是指覆盖在林地土壤表面的由苔藓及森林植物落下的茎、叶、枝条、芽鳞、花、果实、树皮等凋落物及动植物体分解而成的死地被物[1]。森林枯落物层在截持降水、防止土壤溅蚀、阻延地表径流、抑制土壤水分蒸发、增强土壤抗冲性能等方面都具有非常重要的意义[2]。有研究表明，在没有枯落物覆盖的地区，产生的水土流失量是对照裸地的70余倍[3]。枯落物层所产生的减沙效益十分显著[4]，其涵养水源的能力也很巨大，其蓄水能力可达到森林总蓄水量的47%[5]。

但由于枯落物层厚度、分层特性、分解程度、组成结构、含水量的时空变异特性，使得对于枯落物的研究难度较大[6]，目前大量的研究主要集中在枯落物的分解过程，以及枯落物分解的影响因素上[7～11]，对于枯落物层的水文特性研究也主要集中在枯落物层的蓄积量及持水能力、枯落物层对降水的截留以及枯落物层抑制土壤水分蒸发效应方面[12]，而对枯落物水文效应中的径流、渗流特性研究很少。

本文通过人工模拟降雨的方法，对浙江凤阳山枯落物层的水文特性，尤其是径流、渗流特性进行了研究。

1 研究区概况

凤阳山自然保护区位于浙江省丽水市，地处 27° 46′ ～ 27° 58′ N，119° 06′ ～ 119° 15′ E，面积 15171.4 hm2，气候为亚热带湿润季风气候，降水充沛，年平均降水量2325 mm，相对湿度大，气候特征垂直差异显著。保护区内有针叶林、针阔叶混交林、常绿阔叶混交林、常绿阔叶林、山地矮曲林、竹林、灌丛、草丛等多个植被型组[13]，生物多样性资源丰富。

2 研究方法

2.1 实验地点

实验地点为凤阳山自然保护区管理处所提供的实验场地，海拔1350 m。

2.2 实验设备

模拟降雨设备一套、特制网格一片，特制集水导管一根。模拟降雨设备的主要部件为加压装置和喷水装置。加压装置可以调节模拟降雨的水量，喷水装置便于拆卸和调节喷头高度、角度，以及喷头间距离。该装置对于雨强调节的范围为20 ～ 150 mm/h。实验用的特制网格由18根钢质横线和 10根钢质纵线焊接而成，焊接时纵线在横线下方。其中纵线长度112 cm，横线长度64 cm，线径2.5 mm，网格形状为6 cm×6 cm的正方形。再使用0.8 mm线径的高强度尼龙线，将每一个6 cm×6 cm的网格均分成4个3 cm×3 cm子网格（图1）。

图1 网格主视图及俯视图Figure 1 Grid

集水导管截面为渐变截面，上表面靠紧网格最下部的横线。集水导管设计成渐变截面，由PVC管倾斜切割而成，使得集水导管的上表面紧靠住网格时，产生一个微倾的角度，这样，可以使流入集水管的径流可以较容易的被收集到端部的容器中。在实验前还需要对集水管管内壁进行防水处理，并进行了预湿润。将集水管安装固定到网格上时，在网格的上部进行了处理，将网格上部的枯落物进行遮盖处理，遮盖的部位沿网格向上超出5cm，这样一方面确保降雨不能直接降入集水管内，另一方面，由于实验调节坡度最大为40°，靠近集水导管的枯落物厚度一般不超过5 cm，这样能确保在各个坡度下所收集的只有径流。

2.3 实验方法

原状枯落物的采集：枯落物采集地最终选择在27° 54′ 2.8″ N，119° 10′ 30.6″ E，海拔1400 m处的一处林地。该林地距离实验场地500 m左右，受人为扰动很少，为针叶、阔叶混交的天然次生林，主要树种为杉木＋灌木＋松，林龄40 ～ 50 a，坡向西偏南5°，坡度30°。经测定，该处枯落物未分解层的平均厚度为3.48 cm，半分解层的平均厚度为2.65 cm，腐殖质层的平均厚度为5.20 cm，且枯落物分布连续情况良好。

在选定枯落物采集点的坡位下方先取30 cm深，50 cm宽的剖面，然后迎着坡度向上，用特制的机械钻土工具穿入腐殖质层下部5 cm左右的土壤层，该工具直径为8 cm，长度为80 cm。该林地如果钻的过程突破枯落物层，则认为取样失败，并在其他地方重新选择。之后，由两位工人一起将枯落物连同腐殖质移到事先固定的特制担架网格上，然后将采集到的实验用枯落物运输到驻地，运输过程中必须确保担架的稳定，以维持所采集枯落物的原状态。

为了研究凤阳山枯落物的水文特性，尤其是径流、渗流的特性，根据凤阳山的坡度特点，以及林内降雨特点，分别采用均匀降雨和集中降雨的方法。采取均匀降雨的方法时，将喷头位置调节并固定在距离地面3 m处，调节加压装置，将实验雨强调整为60、120 mm/h，用坡度仪调节各组实验坡度分别为15、20、25、30、35、40°。

每组模拟降雨时间持续15 min，记录整个实验装置渗流、径流开始产生的时间；模拟降雨结束后收集到的径流量；模拟降雨装置关闭后渗流、径流延续的时间。

采用集中降雨的方法时，调节降雨装置，使降雨集中在一点（该点位于网格上的坐标a 4、a 5之间）。沿着网格a ～ j的方向，等距离摆放10个收集器，收集器的编号依次为I ～ X。每次降雨时间为10 min，记录各收集器开始收集到渗流的时间，记录降雨结束时的各收集器水位。

模拟降雨结束后，若径流、渗流收集过程中相邻两滴水间隔时间超过3 min则视为径流、渗流结束。

模拟降雨实验水源取自凤阳山自然保护区的自来水供水系统，实验剩余的水全部渗入土壤。

3 结果与分析

3.1 均匀降雨实验结果（表1）

表1 模拟均匀降雨实验记录Table 1 Simulated even rainfall

3.1.1Q与θ的关系Q与θ的关系见图2。经比较，60 mm/h与120 mm/h雨强条件下采用ecosθ与渗流量的拟合关系，拟合方程分别为：

图2及拟合方程说明：在一定的雨强条件下，Q与θ有密切关系，θ越大，Q越大，Q与θ呈线性关系。由上述两个拟合方程可知，方程的系数和常数项也近似呈2倍关系，说明在该实验条件下，Q与降雨强度有密切关系，降雨强度越大，Q越大，而且Q与降雨强度变化成正比例关系。

3.1.2t21与θ的关系 模拟降雨结束后渗流延续时间t21与坡度θ的关系见图3。由图3可以看出，60 mm/h雨强与120 mm/h雨强条件下t21与θ值的变化一致，经比较，采用对数方程拟合较好。60 mm/h、120 mm/h雨强条件下渗流的持续时间拟合方程分别为：

图3及拟合方程说明，在一定的雨强条件下，t21与θ有密切关系，θ越大，t21越大，t21与θ呈线性关系，在不同雨强条件下，渗流持续时间及其变化大致一致。

图2 ecos θ与Q的关系Figure 2 Relation between ecos θand Q

图3 sin θ与t21的关系Figure 3 Relation between sin θ and t21

3.1.3t22与θ的关系 模拟降雨结束后径流延续时间t22与坡度θ的关系见图4。经比较，60 mm/h、120 mm/h雨强条件下t22与θ进行线性拟合较为理想，拟合方程分别为：

图4及拟合方程说明：在一定的雨强条件下，t22时间与θ有着密切关系，θ越大，t22越大；在不同雨强条件下，t22与θ呈线性关系。

3.1.4t41与θ的关系t41与θ关系如图5。

60 mm/h、120 mm/h雨强条件下t41与θ的弧度值关系如表2。

图5及表2说明：在该实验条件下，t41范围为1.41 ～ 2.33，而且t41与θ有密切关系，坡度越大，t41越大，并且t41与坡度呈对数变化关系。

图4 ecos θ 与 t22 的关系Figure 4 Relation between ecos θ and t22

图5 t41与θ的关系Figure 5 Relation between t41 andθ

3.1.5t42与θ的关系t42与θ的关系见图6及表2。

图6及表3说明，在该实验条件下，t42范围为1.41 ～ 2.33，与t42变化范围比较一致；t42与θ有密切关系，坡度越大，t42越大，而且t42与坡度变化呈指数关系。

3.2 集中降雨实验

3.2.1 径流和渗流在网格中的分布规律 各坡度枯落物径流和渗流的分布状况如图 7，各坡度产生径流并下渗所分布的网格数见图8。

表2 t41及t42拟合方程Table 2 Fitting equation of t41 and t42

图6 t42与θ的关系Figure 6 Relation between t42 andθ

图7 径流和渗流的网格分布状况Figure 7 Distribution of runoff and infilration at grid

图8 渗流网格数与cosθ的关系Figure 8 Relation of infiltration grids with cosθ

图9 25 ～ 40°各收集器产生渗流时间Figure 9 Start of infiltration at grids from slope of 25-40°

渗流网格数与坡度关系拟合曲线方程为：

由拟合曲线方程可以看出，产生渗流的网格数与坡度余弦值呈线性关系，且拟合程度较高。

3.2.2 不同坡度下各收集器产生渗流的时间规律 不同坡度下各收集器产生渗流的时间以及拟合曲线如图 9，实验中，编号VII ～ X的收集器未产生渗流，坡度为15°和20°的收集器产生渗流时间有缺失值，故未在图中绘出。

由图9可看出，各坡度产生渗流的时间随着距离的增加，呈现线性变化；当坡度大于30°时，随着坡度的增加，各收集器产生渗流的时间缩短；当小于25°时，距离越远，产生渗流的时间变长，且变化越明显；随着坡度的降低，产生渗流的距离缩短。

坡度与各收集器产生渗流时间拟合方程见表3。f（x）表示不同坡度条件下收集器编号与产流时间的关系，由于收集器编号与收集器距离之间的对应关系，将该方程换算为收集器距离与产流时间的关系，即f（l），由R2的值可知，该拟合较好。

表3 坡度与产生渗流时间的拟合模型Table 3 Fitting model for slope and start of infiltration

3.2.3 不同坡度条件下各收集器产生渗流流量的规律 不同坡度下各收集器产生渗流流量见表4。经比较，I ～ II收集器渗流之和所占总渗流的百分比与坡度值的直线关系较明显（图10）。

表4 各收集器收集的渗流量Table 4 Infiltration at different grids mL

拟合方程为：y= －0.501x＋1.128R2= 0.943。

由图10及表4可以得出：在一定雨强条件下，渗流主要集中在I和II收集器上；且随着坡度增加，所占比例直线减少；产生渗流的距离随着坡度的增大而逐渐增加，最终会稳定在一个最大值；存在一个极限坡度，当小于该坡度时，枯落物层将不产生径流。

图10 I ～ II收集器渗流之和所占总渗流的比例与坡度值的关系Figure 10 Percentage of infiltration of I-II and slope

4 结论

枯落物层在一定的雨强和降雨时间条件下，所产生的径流量与坡度有着密切关系，坡度越大，产生的径流量越大，径流量与坡度呈线性关系；径流量与降雨强度有密切关系，降雨强度越大，产生的径流量越大，而且径流量与降雨强度变化成正比。

降雨结束后渗流的延续时间与坡度有着密切关系，坡度越大，渗流延续时间越长，且渗流延续时间与坡度呈线性关系；降雨结束后径流延续时间与坡度有着密切关系，坡度越大，径流延续时间越长，在不同雨强条件下，径流结束时间与坡度呈线性关系。

一般情况下，渗流较径流先产生、后结束（除60 mm/h雨强下40°坡度的渗流结束时间小于径流结束时间）。

t41与θ有密切关系，θ越大，t41越大，并且t41与θ呈对数变化关系；t42与θ也有密切关系，θ越大，t42越大；t42与θ呈指数变化关系。

渗流的面积与cosθ呈现线性关系，随着坡度的增大，产生渗流面积增大。渗流的出现时间随着距离的增加，呈现线性变化，当坡度大于30°时，随着坡度的增加，各距离出现渗流的时间缩短；当小于25°时，距离越远，产生渗流的时间变长；产生渗流的距离缩短说明随着坡度达到一定值之后，径流增强，渗流减弱。

渗流主要集中在降雨点附近，并且该区域的渗流量所占由该降雨点所引起的总渗流量比例随着坡度的变化而有规律的变化；随着坡度增加，该比例直线减少；渗流产生的距离随着坡度的增加而增加，并且会稳定在一个最大值。

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