两种森林集水区径流量及其径流过程初步分析

郭晋川，梁宏温，潘 伟，李荣辉，李晓琼，蓝 刚，马 倩

（1.广西壮族自治区水利科学研究院，南宁530000；2.广西大学，南宁530004）

森林与水的关系一直是生态学和水文学研究的热点，森林植被对径流的影响是生态水文研究的重要内容，也是区域水资源评价的核心［1－5］。径流变化受森林植被、流域面积和降水等多种因素影响，其中降水的影响最大。由于降水过程的不同，森林植被对径流 的影 响 也 存 在 较 大 差 异［6－8］。 近 期 研 究 表 明［9－11］，森林植被在雨季消减洪峰和旱季增加产流的作用可能有所夸大，森林植被与径流形成的关系，尚有待于进一步验证。

桉树和马尾松是中国南方地区的主要用材树种，其森林面积较大。然而，这两种森林小流域（自然集水区）的径流特征，目前鲜见报道。本文运用小流域径流监测方法，并自动采集数据，对位于广西横县的桉树林和马尾松林自然集水区的径流量及其径流过程进行定位监测，旨为科学评估这两种森林的水源涵养功能提供参考依据。

1 试验材料与方法

1.1 研究区自然条件

研究区位于广西横县新福镇，东经108°51′—108°55′，北纬22°30′—22°36′，海拔80～160m。属于南亚热带季风气候区，年均气温21.5℃，最热月（8月）均温27.3℃，极端最高温39.2℃，最冷月（1月）均温12.1℃，极端最低温－1.2℃，年均降雨量1 320.0mm，年均日照1 758.9h，年均蒸发量1 655.1mm，年均无霜期338d。地带性土壤为花岗岩风化形成的砖红壤，土层厚80～100cm；地带性的森林植被为南亚热带常绿阔叶林，但已荡然无存，并转变为桉树（Eucalypt）林和马尾松（Pinusmassoniana）林。

1.2 研究林分及其集水区概况

研究林分为桉树林和马尾松林。两种林分的集水区都位于广西横县新福镇那河村公净水库集雨区的西北方向，均属于同一山丘（最高处海拔156.6m）向东南方向延伸的两坡夹一沟“Λ形”集水区，坡度20°～30°，沟底线落差较平缓（2%～3%），两个集水区之间隔开一条山沟及其两侧山坡，出口处水平距离约160m。

于2013年6月对两个集水区进行本底调查。根据海拔、坡位和坡度的差异，每个集水区各设计5个面积均为400m2（20m×20m）的调查样地。将每个样地沿等高线划分为上下两部分，再按左右二等分成4个面积均为100m2（10m×10m）的样方，目测林冠层的郁闭度，实测样方内每株林木的高度和胸径。以每个样方（10m×10m）的左上角为顶点向下和向右各设计1个面积为25m2（5m×5m）的小样方，记录小样方内的灌木和草本植物的种类、高度和盖度。在各样地内随机设计5个面积为1m2（1m×1m）的小样方，测定枯枝落叶层厚度和贮量（收获法）。各样地的立地概况和群落学特征见表1。

表1 各样地的立地概况和林分特征

马尾松林集水区面积6.605hm2，现实林分为自然下种更新森林，树龄15～30a，林木密度1 250株/hm2（马尾松595株，其他阔叶树655株）；乔木层高9.8～14.5m，郁闭度0.7，胸径11.4～19.4cm；灌木层高0.5～2.5m，平 均 总 盖 度 37.8%，以 桃 金 娘（Rhodomyrtustomentosa）、棱枝冬青（Ilexangulata）、红叶藤（Roureaminor）、总状山矾（Symplocosbotryantha）、华南毛柃（Euryaciliata）为优势种类；草本层高0.5～1.5m，平均总盖度27.2%，以铁芒萁（Dicranopterislinearis）、蔓生莠竹（Microstegiumvagans）、五节芒（Miscanthusfloridulus）为优势种类。枯枝落叶层厚5～15cm，贮量平均为8.47t/hm2。

桉树林集水区面积3.682hm2，现实林分为桉树萌芽林，是由2005年采伐马尾松天然林后种植桉树，于2010年12月采伐，经伐桩萌芽（保留1株/桩）培育而成的3a生桉树纯林，乔木层高11.6～13.5m，郁闭度0.5，林木密度1 535株/hm2，胸径9.8～12.4cm；灌木层高0.5～2m，平均总盖度13.1%，以大青（Clerodendrumcyrtophyllum）、越 南 悬 钩 子 （Rubus cochinchinensis）、山苍子（Litseacubeba）、黄牛木（Cratoxylumcochinchinense）、盐肤木（Rhuschinensis）、玉叶金花（Mussaendakwangsiensis）为优势种类；草本层高1.5～2m，平均总盖度89.4%，以五节芒为主要优势种类。枯枝落叶层厚1～3cm，贮量平均为1.02t/hm2。

于2013年6月采用环刀法测定和计算集水区土壤的容重、持水量和孔隙度等物理性质，采用双环刀法测定和计算集水区的土壤渗透率［12］，环刀规格20cm2×5cm。两个集水区土壤的水分物理性质见表2。

表2 两种森林集水区土壤的水分物理性质

1.3 径流量观测

在研究林分集水区出水口一端各修建1座三角量水堰，量水堰出水口角度为90°，量水堰拦水墙深入基岩30cm，并使用防水材料；其引水槽尺寸满足B＞5h，h/p＜0.5，h＝0.06～0.65m，B为引水槽内部宽度（m）、h为水头高度（m）、p为堰口底部至引水槽底部的高度（m）。于2013年7月31日各安装一台WFX－40型水位计（徐州市伟思水务科技有限公司生产），用来观测集水区的径流量及其径流过程。使用YD－1003型遥测终端机（徐州市伟思水务科技有限公司生产）自动采集数据，每隔5min记录1次（水头高度有变化时，每隔1min记录1次），采集期为2013年8月1日0：00—2014年7月31日23：60。采用经验公式：Q＝1.343h2.47计算集水区的瞬时流量（m3/s）［13］，式中h为水头高度（m）。根据径流时间和集水区面积计算出集水区的径流深（mm）。

1.4 大气降雨观测

在集水区附近空旷处架设JD－05型翻斗式自记雨量计（徐州市伟思水务科技有限公司生产），雨量计分辨率为0.1mm，用来观测每场降雨的降水量及其降水过程。使用YD－1003型遥测终端机自动采集数据，每隔5min记录1次（降水量有变化时，每隔1 min记录1次），按每天、每月和每年统计降水量。

2 结果与分析

2.1 研究区的大气降雨特征

根据2013年8月1日—2014年7月31日观测，期间有87d产生降雨，总降水量1 320.0mm。参照《地面气象观测规范》［14］，对各等级降水量进行统计。结果显示，大暴雨（100～249.9mm）天气2次，降水量361.5mm，占总降水量的27.4%；暴雨（50～99.9mm）天气4次，降水量247.5mm，占总降水量的18.8%；大雨（25～49.9mm）天气3次，降水量108.5mm，占总降水量的8.2%；中雨（10～24.9mm）天气19次，降水量287.5mm，占总降水量的21.8%；小雨（＜10.0mm）天气59次，降水量315.0mm，占总降水量的23.9%。

由表3可以看出，研究区各月的降水量分配很不均衡，以7月和8月的降水量较多，分别达349.4mm和325.5mm，占总降水量的26.47%和24.66%；其次是11月份和9月份，分别为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 两种森林集水区径流量比较

表3显示：两种森林集水区单位面积产生的径流量存在明显的差异，以马尾松林的较高，其径流深合计达319.4mm，径流系数（径流总量占降水量比率）平均为24.2%，是桉树林（107.7mm 和8.2%）的2.97，2.95倍。由表3可以看出，集水区各月的径流系数差异很大，两种森林的表现也不一致，又以2013年8月的表现最为突出，马尾松林集水区的径流系数高达69.3%，桉树林的只有2.2%，两者相差十分悬殊。究其原因主要在于：（1）2013年7月26日—29日连续4d降雨，总降水量171.5mm，其中26日的降水量达145.1mm［15］，这次强降雨产生的径流波及到8月份的监测结果，但两种森林所受到的影响截然不同，据8月1日0：05水位计记录的水头高度，马尾松林的为0.12m，桉树林的仅0.01m，两者相差0.11m；（2）2013年8月总共发生19d降雨，月降水量为325.5mm，以中小等级降雨天气为主，期间只下过1次大雨（降水量为34.5mm/d）。这种低强度的连续降雨，加上已有径流的叠加效应，非常有利于马尾松集水区径流的产生（8月份总共31d都有径流发生），其总径流深高达225.7mm；但对于桉树林是不利的（只有13d发生径流），其总径流深仅7.1 mm；（3）马尾松林的林下植被较为稀疏、枯枝落叶层较厚及其土壤孔隙结构较好（表1和表2），穿透林冠的降水很容易随土壤入渗，再经土壤不透水层渗出至汇流沟一起产生径流；而桉树林的草本植被覆盖度很大（表1），特别是五节芒，生长茂盛、密集分布、根系发达，能有效地阻挡低强度降雨的径流产生。

表3 两种森林集水区径流深及其分配

2.3 强降雨对两种森林集水区径流过程的影响

2013年11月11日0：35—14：05连续降雨历时13.5h（图1），降水量达147.5mm，属于大暴雨天气。前1天（11月10日）虽然下过1次小雨（降水量8.9 mm），但两种森林集水区都没有产生径流。图1显示，马尾松林集水区量水堰口开始出现水流的时间为3：35（累积降水量达到5.5mm），径流滞后于降雨的时间为3h；7：10，11：05出现两次较大的降雨，其强度分别为47.0mm/h和72.0mm/h，量水堰水位分别升至0.17 m和0.31m，11：47累积降水量达到144.5mm时，水位达到最大值0.50m，洪峰出现，瞬时流量0.242 4 m3/s；其径流的时间为3：35—次日15：05，径流历时35.5h。桉树林集水区量水堰口开始出现水流的时间为6：25（累积降水量达到11.0mm），径流滞后于降雨的时间为5.8h；7：10，11：05量水堰水位分别升至0.13 m和0.35m，11：17累积降水量达到139.0mm时，水位达到最大值0.41m，洪峰出现，瞬时流量0.148 5 m3/s；其径流的时间为6：25—18：15，径流历时13.8h。该次强降雨过程，两种森林集水区开始产生径流的时间、径流最大值滞后于降雨峰值的时间和径流历时都明显不同，桉树林的分别为5.8，0.2，13.8h，马尾松林的依次为3.0，0.7，35.5h，两者相差2.8，0.5，21.7h。根据图1计算获得这一次大暴雨产生的径流深，是以桉树林（35.6mm）的较高，马尾松林（28.5 mm）的较低，两者相差近25%。这与桉树林地表层土壤容重较大、非毛管孔隙度较小、土壤板结、渗透系数较小有关（表2），导致其在强降雨过程中更易发生地表径流。由此揭示，对于大暴雨的影响，桉树林的保水作用明显弱于马尾松林。

图1 两种森林集水区瞬时径流量随降水量的变化曲线

2.4 连续降雨对两种森林集水区径流过程的影响

图2是2013年9月1日—13日的降雨过程及两种森林集水区径流量的逐日分布曲线。图2显示，期间有连续7d产生降雨，总降水量125.0mm，其中1次暴雨、1次大雨、2次中雨和3次小雨。由图2看出，桉树林集水区只有在降大雨和暴雨时才产生径流，且径流延续的时间很短（9月1日大雨产生的径流在当日就完成，9月4日暴雨产生的径流，在9月6日降中雨的补充下维持了3d），期间只有4d产生径流，总径流深仅3.8mm。马尾松林集水区产生的径流深一直高于桉树林，两次较强降雨（1次大雨和1次暴雨）产生的径流，在3次小雨和2次中雨的补充下一直延续到9月13日，期间的13d都产生径流，总径流深达10.1mm，比桉树林的多6.3 mm。由此可见，在非大暴雨的连续降雨条件下，马尾松林的水源涵养作用明显强过桉树林。这与马尾松林的林下植被较为稀疏、枯枝落叶层较厚及其土壤孔隙结构较好有关（表1和表2），其穿透林冠的降水很容易随土壤入渗，再经土壤不透水层渗出至汇流沟一起产生径流，导致其径流历时较长和径流量较大［11］。

图2 两种森林集水区径流深随降水量的逐日分布曲线

4 结论与讨论

森林植被的水文功能不仅表现在降雨产流上，而且还表现在降雨径流过程上，特别是对暴雨洪水的影响，森林植被的调蓄作用更为明显［16］。本研究选择地形相似且距离相近的两种森林集水区开展小河沟径流观测试验。结果显示，桉树林集水区的年径流深和径流系数分别为107.7mm和8.2%，马尾松林的依次为319.4mm和24.2%，两者相差十分悬殊。

小流域径流的滞后与延长，除受到植被覆盖特性的影响外，很大程度上还受降水特性、前期土壤水分含量、地形和土壤等多种因素的影响，尤其是当降水过程不同时，会出现不同的滞后效应［11，17］。本研究对一次强降雨过程（降水量147.5mm）的径流过程分析表明，在前期没有径流情况下，两种森林集水区的径流历时、径流最大值滞后于降雨峰值的时间和径流深都存在明显差异，桉树林的分别为13.8h，0.2h和35.6mm，马尾松林的依次为35.5h，0.7h和28.5mm。对一次连续7d的降雨过程（降水量125.0mm）的径流过程分析表明，两种森林集水区的径流持续天数和径流深存在明显差异，桉树林集水区只产生4d径流，径流深仅3.8mm；马尾松林集水区则连续产生13d径流，径流深达10.1mm。

本文初步研究了桉树林和马尾松林自然集水区的径流量，并分析在强降雨和连续降雨影响下，这两种森林集水区的径流动态变化过程，但尚未对两种森林生态系统不同效应层次持留森林降水量及其再分配进行深入研究。今后，将从不同效应层次持留森林降水量及其再分配，并对比分析不同前期含水量、不同雨量条件下土壤水分收支变化的角度来探讨这两种森林集水区的径流特征及其径流过程，从而进一步揭示这两种森林的水源涵养机制，为森林可持续经营和管理提供科学依据。

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