云南松林计划烧除对坡面产流产沙的影响

翟雅男，陈奇伯，2†，黎建强，2，杨建光，钱 靖

(1.西南林业大学生态与环境学院，650224，昆明；2.西南林业大学石漠化研究院，650224，昆明；3.新平县林业和草原局，653499，云南新平；4.新平县气象局，653499，云南新平)

计划烧除利用低强度火烧的有利方面，在规定林区内烧除过多可燃物，是改善森林生长条件的一项重要林业措施[1]。低强度火烧，可减少有害可燃物载量，促进凋落物的分解转化，增加土壤养分，改善植物生长营养空间，防治病虫害，促进林木更新和成长、保护森林资源，对生态系统平衡有促进作用[2]；同时，计划烧除通过影响土壤下渗[3]、枯落物储量[4]及土壤物理性质[5]等，对坡面径流泥沙的调节能力产生影响。

目前，国内对林火对生态环境的影响研究以林火发生后火烧迹地的径流泥沙变化以及河川径流和含沙量的变化为多，关于计划烧除对坡面径流泥沙调节能力的影响较少。Santos等[6]发现，火灾越严重，地表径流和侵蚀的敏感性就越大。Benavides-Solorio等[7]研究表明，轻度和中度火烧迹地山坡的产沙率通常比重度火烧迹地低得多。周艳春[8]运用AWRA-L和新安江模型模拟火灾后流域的水文过程，表明在火灾前后气候条件稳定的条件下，森林火灾是导致短期内径流增加的主要原因。刘发林等[9]比较森林火灾和计划烧除对地表径流和土壤侵蚀的影响，表明高强度林火的径流量和产沙量高于低强度或未烧区域。

滇中区域是云南省森林防火的重点地区，云南松(Pinusyunnanensis)分布面积广[10]，具有广泛生态适应性与强大的自然更新能力，是当地的人工造林的典型树种；因此，以云南松计划烧除林分为研究对象，通过定位观测有无计划烧除径流小区的径流量、泥沙含量变化，探究计划烧除对云南松林坡面径流泥沙调节能力的影响，可为计划烧除生态环境效应的科学评价以及烧除后的生态恢复提供重要理论支撑。

1 研究区概况

研究区位于云南省玉溪市新平县照壁山，地理坐标为E 102°0′7″～102°0′8″,N 24°2′38″～24°2′41″。属中亚热带半湿润高原季风气候区，海拔1 990～2 050 m，年平均气温15 ℃，多年平均降雨量936.65 mm，其中5—10月雨季降雨量占全年的80%～90%，土壤类型主要为红壤。研究对象的林分类型为云南松人工林，起源于20世纪80年代飞播造林后的疏伐管理，灌木层主要由斑鸠菊(Vernoniaesculenta)、臭灵丹(Houttuyniacordata)、南烛(Vacciniumbracteatum)等组成；草本层主要有香薷(Elsholtziaciliata)、早熟禾(Poaannua)、四脉金茅(Eulaliaquadrinervis)、蚊子草(Filipendulapalmata)、紫花地丁(Violaphilippica)等。

2 研究方法

2.1 降雨观测

在距离径流小区水平距离260 m左右的坡面上部空旷地，布设降雨观测点，采用RG 3-自计雨量计进行降雨历时和降雨量观测，根据降水过程统计计算降雨量及时段降雨强度。

2.2 计划烧除试验

近20多年来，该区域每年1月下旬至2月上旬进行计划烧除，从未间断，由于受新冠肺炎疫情影响，2020年未实施计划烧除作业。最近一次计划烧除是2019年2月13—15日实施，平均火焰熏黑高度1.48 m，属低强度火烧。在实施计划烧除中，将道路作为防火隔离带，道路上方保留的未烧除云南松林作为对照林分，道路下方连续多年持续低强度计划烧除区域为研究对象。计划烧除时，利用天然隔离屏障道路作为防火隔离设施，用点火器点下坡火，待燃烧相对稳定时，顺着火焰蔓延的方向，多次用手持红外测温仪测火焰温度、SFR-Ⅲ数字式辐射热计测量最大火焰热辐射和钢卷尺测量火焰高度，以保证烧除强度[11]。

2.3 径流小区布设

根据照壁山的自然条件，选择土壤、坡度、坡向、林相等情况基本一致的云南松林，于2019年计划烧除实施后的当年6月布设计划烧除和未烧除对比林地的径流小区各1组。径流小区布置1年后，人为建设扰动影响基本消除，2020年雨季开始观测。计划烧除小区和未烧除小区中间隔一条防火通道，相距150 m，高差40 m，土层厚度均>1 m。每组径流小区由并排布置的2个径流小区组成，观测数据互相验证取平均值，每个径流小区水平投影面积为2.5 m×10 m，径流小区出口处设1 m×1 m×1 m的径流及泥沙收集池，每场降雨后，观测和收集池内径流量和泥沙量。2020年4月对径流小区基本情况进行调查，调查结果见表1。

表1 径流小区基本概况Tab.1 Basic situation of runoff plots

2.4 径流泥沙观测

径流小区每次产流后，测量计算径流量，将收集池中水充分搅匀后，提取3个重复径流泥沙样品，用过滤烘干法测定泥沙含量。

2.5 数据处理

采用Excel 2010软件对降雨数据进行预处理及分析；采用SPSS 26对径流量、泥沙量、降雨量、降雨强度进行Pearson相关分析；采用1 stopt软件对降雨量、降雨强度、径流、泥沙进行数值方程拟合。

3 结果与分析

3.1 降雨特征分析

降雨是造成坡面产流产沙的直接动力。据新平县气象局1961—2019年的降雨统计资料显示，区域多年降雨量处于不断的波动过程中，多年平均降雨量为936.65 mm，其中1979年降雨量最少为614 mm，雨量最多的年份是1966年，达1 362 mm。2020年年降雨量为903.2 mm，比多年平均降雨量少33.45 mm，属平水年份。多年平均逐月降雨量统计与2020年降雨量对比分析结果如图1所示。新平县年降雨主要集中在5—10月，其降雨量为773.51 mm，占多年平均年降雨总量的82.58%。2020年雨季31场降雨的降雨量为665.2 mm，占全年降雨总量的73.64%，比多年平均降雨量少108.31 mm。2020年8月降雨量达到最大值，为228 mm，占雨季总降雨量的34.28%；7月次之，占雨季总降雨量的31%；6月份降雨最少仅为雨季总降雨量的4.75%。

图1 新平县多年平均逐月降雨量与2020年降雨量对比图Fig.1 Comparison of multi-year average monthly rainfall in Xinping county with that in 2020

3.2 不同雨量级径流泥沙量分析

2020年5—10月不同雨量级的径流泥沙观测统计结果见表2。可知，雨季27场产流降雨的降雨量655.2 mm，占总降雨量的98.5%。计划烧除小区和未烧除小区雨季产流量均表现为暴雨>中雨>大雨>小雨，暴雨的产流量是大雨产流量的2.50～2.90倍、中雨的1.31～1.70倍和小雨的18.33～34.63倍。计划烧除小区中，产沙量表现为暴雨>大雨>中雨>小雨，暴雨条件下的产沙量是大雨的2.90倍、中雨的3.51倍、小雨的133.61倍；而未烧除小区中，产沙量表现为暴雨>中雨>大雨>小雨，暴雨的产沙量为中雨的4.75倍、大雨的13.24倍、小雨的35.44倍。可知，计划烧除小区中和未烧除小区中，暴雨是激发土壤侵蚀的主要原因，高降雨强度的雨滴打击动能和径流冲刷导致高产沙。计划烧除小区径流深是未烧除小区的3.01倍，径流系数是未烧除小区的3.33倍，土壤侵蚀模数相差20.92倍。

表2 径流小区降雨产流产沙特征值观测统计结果Tab.2 Observation and statistical results of rainfalls,runoffs and sediment yields in runoff plots

3.3 植被和土壤对径流泥沙的影响

由表1可知，与未烧除小区相比，计划烧除小区的灌木层覆盖度减少90%，草本层覆盖度减少15%，枯落物总蓄积量减少60.59%，0～10 cm土层土壤密度增加42.85%，土壤总孔隙度减小19.76%，与未烧除小区相比，计划烧除小区径流量增加201.19%，泥沙增加1 992.09%。表明，云南松林实施计划烧除后，林分植被覆盖度减少，枯落物蓄积量降低，土壤物理特性发生改变，进而促进径流能力增强，产沙量增大，不利于水土保持。

3.4 径流、泥沙与降雨之间单因素相关分析

3.4.1 径流与降雨因子之间的单因素相关分析 降雨量和降雨强度是地表径流的决定因素。据2020年5—10月降雨和径流观测结果，选取降雨量、最大15 min降雨强度(I15)、最大30 min降雨强度(I30)、最大60 min降雨强度(I60)与2个径流小区径流量进行相关分析(表3)。

表3 径流量与降雨因子的相关性分析Tab.3 Correlation analysis between runoff yield and rainfall factors

由表3可知，降雨量对计划烧除小区与未烧除小区径流量的影响最大，相关系数分别达到0.914和0.936。计划烧除小区中，径流量与时段降雨强度I15、I30、I60均呈极显著相关(P<0.01)；在未烧除小区中，径流量与I60呈极显著相关(P<0.01)，与I15、I30呈显著相关(P<0.05)。因此，径流量主要取决于降雨总量和长历时降雨强度，林内保留的枯落物和草被层起到明显的削峰增枯作用。

3.4.2 泥沙与降雨、径流之间的单因素相关分析 根据2020年5—10月2个径流小区降雨与径流、泥沙观测结果，选取降雨量、径流量、I15、I30、I60与产沙量进行相关分析(表4)。

表4 产沙量与降雨、产流因子的相关性分析Tab.4 Correlation analysis between sediment yield and rainfall and runoff factors

由表4可知，降雨量对计划烧除小区与未烧除小区产沙量的影响最大，相关系数分别达到0.971和0.891。在计划烧除小区中，产沙量与I15、I30、I60、径流量均呈极显著相关(P<0.01)，相关系数分别为0.892、0.537、0.543、0.733。在未烧除小区中，产沙量与I60显著相关(P<0.05)，与径流量呈极显著相关(P<0.01)，产沙量与I15、I30、I60、径流量之间的相关系数分别为0.222、0.211、0.469、0.816。

从未烧除小区产沙量与时段降雨强度的相关性对比来看，产沙量与I60显著相关，与I15、I30不相关，表明未烧除小区保留的地被层枯落物和草本植物显著地起到保护林地土壤免遭侵蚀的作用，产沙量受短历时高降雨强度的影响较小；在实施计划烧除后，产沙量与各时段降雨强度均表现为显著相关，与I15的相关系数最高，与I30、I60的相关系数基本持平，表明短历时强降雨对计划烧除后的林地土壤侵蚀起到重要作用。但计划烧除后，由于枯落物的不断输入和草被的重生，泥沙总量依然不大，明显小于该地区土壤容许流失量值500 t/(km2·a)。

3.5 径流、泥沙与降雨之间的多因素相关性分析

3.5.1 径流与降雨因子之间的多因素关系 降雨量和降雨强度是引起坡面产流最密切的2个参数，通过建立径流量与降雨量、I15、I30、I60多因素关系模型并进行比选，发现在计划烧除小区，径流量与降雨量及I30之间的幂函数复相关关系最为紧密；而在未烧除小区，径流量与降雨量、I60之间的线性函数复相关关系最密切；复相关系数R2均达到显著相关(表5)。

表5 径流量与降雨关系数值模型Tab.5 Relationship model between runoff yield and rainfall

3.5.2 产沙与降雨、径流之间的多因素关系 通过建立产沙量与降雨量、径流量、I15、I30、I60之间的多因素关系模型并进行比选，发现计划烧除小区和未烧除小区均表现为产沙量(Y)与I15及降雨量、径流量的复相关幂函数关系最为紧密，复相关系数R2分别为0.984 4和0.991 5，均达到显著相关，说明云南松林的产沙量均受降雨的雨滴动能、径流冲刷和短历时高降雨强度共同控制，计划烧除本身改变不林地土壤流失及影响因子之间的复合关系(表6)。

表6 产沙量与径流量、降雨量、降雨强度之间的关系模型Tab.6 Relationship model between sediment yield and runoff,rainfall and rainfall intensity

4 讨论

坡面径流泥沙主要受到动力条件降雨和下垫面条件枯落物等因素的影响，林下枯落物覆盖能避免降雨雨滴直接击打地面，可截留前期降水，增加降雨入渗[12]，从而对林地坡面径流泥沙的调节具有重要影响。本研究发现，计划烧除后林地坡面的产流量和产沙量显著增加，这一结论与马志贵等[13]结论一致。实施计划烧除后，林下的枯枝落叶、活地被物[14]被大量烧除，使土壤渗透性变差，进而加快地表径流形成，同时，地表植被覆盖度减小，表层土壤受到的破坏就越大，产流产沙也就越大，此结论与杨波等[15]和杨春霞等[16]研究结果相符。在实施计划烧除后，火烧改变土壤的特性，土壤密度增大，总孔隙度降低，产流产沙增大。这与王辉等[17]研究结果一致，随着土壤密度增大,初始产流时间提早,径流系数增大,土壤流失量增多。

径流泥沙的大小均随着降雨强度和降雨量的变化而变化[18]。笔者发现，降雨量是增加径流量的主要因素，这与张晶晶等[19]研究结果相符，说明降雨是水土流失的原动力，与坡面径流有密切关系。林锦阔等[20]认为I30与径流量相关性最好，笔者在径流量与降雨强度单因素分析中发现，径流量与I60相关性最好，同时笔者对I15、I30、I60与产流的关系均进行分析对比，而林锦阔等[20]是对平均降雨强度、I10、I30和产流进行相关分析，但结论都是与最长历时的时段降雨强度关系最密切。

产沙量与时段降雨强度单因素相关性分析表明，计划烧除小区中，产沙量与I15相关性最好，未烧除小区中，产沙量与I60相关性最好。江淼华等[21]以不同土地利用类型为研究对象，分别对比I10、I30、I60、Iave降雨强度下的土壤流失量，结果显示，裸露地产沙量与I10的相关性最高，柑橘园产沙量与I30的相关性最好，锥栗林产沙量与I30和I60的相关性最好。说明植被覆盖度高的地类，产沙量与长历时降雨强度关系密切，植被覆盖低甚至无准备覆盖的地类，产沙量与短历时降雨强度关系密切，与本研究的结论基本一致。表1显示，云南松林计划烧除后，灌草植被覆盖度短期内快速下降，枯落物储量只有未烧除小区的39.4%，产沙量与短历时降雨强度的关系密切。

径流量与降雨量和降雨强度之间的复合相关关系在不同地区表现出不同的相关性，笔者在建立数值模型并进行比选后发现，在未烧除小区，径流量与降雨量、降雨强度之间的线性函数关系最密切，但是在实行计划烧除后，幂函数关系最为密切，说明实施计划烧除后，计划烧除小区的产沙量随着降雨强度和降雨量、产流量增长的速度更快。陈奇伯等[22]在研究不同地类坡面产流产沙时发现幂函数效果最好，由于径流量不仅受地域条件的影响，而且在不同的土地利用方式也不一样，因此有所差异。

实施计划烧除后，计划烧除小区的径流量是未烧除小区的3.01倍，泥沙量是未烧除小区的20.92倍，可见实施计划烧除主要显著增加土壤侵蚀量，在2020年雨季土壤侵蚀量为44.98 t/km2，但侵蚀模数远小于当地土壤容许流失量值500 t/(km2·a)。可见，地表覆盖度决定产流产沙的大小；因此，从水土保持角度出发，为使计划烧除相应的减少产流产沙，可以减弱火烧强度，保留部分地被物层，这样既可以促进林木更新保护森林资源，又达到减弱或防治水土流失的效果。

5 结论

1)2020年新平县总降雨量达到903.2 mm，比多年平均降雨量少33.45 mm，属于平水年份，其中2020年5—10月雨季降雨量达到665.2 mm，比同期多年平均降雨量少108.31 mm。

2)计划烧除后，植被减少，土壤密度增大，总孔隙度减低，导致计划烧除小区的径流量是未烧除小区的3.01倍，泥沙量是未烧除小区的20.92倍。

3)径流、泥沙与降雨相关性单因素分析结果表明，降雨量对径流量和泥沙量的影响均表现为最显著。

4)通过建立径流量与降雨量、时段降雨强度之间的数值关系模型，发现未烧除小区中径流量与降雨量、降雨强度之间的线性函数关系最密切，而计划烧除小区却是幂函数关系最为密切。

5)通过建立产沙量与降雨量、时段降雨强度、径流量之间的数值关系模型，发现不同类型小区均表现为幂函数模型相关性最好，未烧除小区的复相关系数大于计划烧除小区。