马尾松低效人工林不同改造模式下降雨及产流特征

张海涛，宫渊波，付万权，陈耀嘉，徐云岩，崔亚潇

（1.四川农业大学 长江上游林业生态工程四川省重点实验室，四川 成都 611130；2.四川省泸州市水务局水利管理站，四川泸州646000）

森林是陆地生态系统的主体，起着调节大气、涵养水源、为人类提供生产资料等作用。截至2009年，中国人工林栽植面积已达5 300万hm2，约占全世界人工林面积的40%［1］，但受人为因素或诱导自然因素所致［2］，中国人工林普遍存在地力衰退、生物多样性差、水土流失严重等问题，对林地生态安全造成了一定的隐患［3］，因此，恢复和重建退化人工林生态系统势在必行。健康的森林生态系统功能，能够提高林地土壤肥力以及水土保持能力［4］。植被的存在能有效减少地表径流量，同时不同林地类型的减滞能力也不尽相同［5－6］。因此，降雨与径流及植被、土壤等因子之间的关系是目前研究的热点及难点问题［7－8］。近年来国内针对南方红壤区［9］和黄土高原［10］等区域坡地不同经营、利用方式下水土流失研究较多，针对川南地区的研究则鲜见报道。马尾松Pinus massoniana是广泛分布于中国南方的先锋树种，它具有耐贫瘠、速生、适应性强、经济价值高等特点，然而受不合理经营方式及人为活动的影响，长江流域低山丘陵区马尾松人工林普遍生长较差，生物多样性低，生态功能不强，已成为中国南方森林面积最大的退化类型之一。笔者针对长江上游低山丘陵区存在的生态安全以及生态工程建设中遇到的科学技术等问题，在前期研究工作的基础上，以川南低山丘陵区马尾松低效人工林为示范区，引入珍贵乡土树种，改造马尾松低效人工林，提升森林生态及经济功能，减少水土流失。本研究根据设立于四川省宜宾市高县来复镇的5个人工径流小区，分析马尾松低效人工林改造初期自然降雨与产流特征的关系及随植被恢复的演变规律，以期为川南马尾松低效人工林改造及经营管理提供参考。

1 试验研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川省宜宾市高县来复镇毛颠坳（28°11′～28°47′N,104°21′～104°48′E ）。 该地区地处四川盆地与云贵高原的过渡地带，宜宾市中南部，属乌蒙山余脉。地貌以平坝、丘陵、低山为主。土壤多为山地黄壤，间断分布有少量紫色土。全年平均日照时数为1 107.7 h，大于等于10℃以上年积温为6 523.1℃，年平均气温为18.0℃，1月平均气温为8.0℃，7月平均气温为27.0℃。年平均降水量为1 037.9 mm，年平均无霜期为346.2 d。

1.2 研究方法

2012年初在试验区选择坡度约22°，东西走向并栽植有马尾松纯林的坡地，建立5个相邻规格为20 m×5 m的标准径流小区，各径流小区出口处均设有一个径流收集室。5个径流小区采用不同的改造更新方式，分别用Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ标识。Ⅰ号径流小区为马尾松低效人工林下植被自然生长恢复，Ⅱ号径流小区为马尾松低效人工林下空隙更新樟树Cinnamomum camphora，Ⅲ和Ⅳ号径流小区为马尾松低效人工林皆伐后当年更新樟树，Ⅴ号径流小区为马尾松低效人工林皆伐后第2年更新樟树（由于有时会出现因为工期或者苗木原因不能当年更新造林的情况，因此，将Ⅴ号径流小区设计为皆伐后第2年更新樟树）。小区内樟树为当年生幼苗，株高约30 cm，按1.5 m×1.5 m间距种植。2012年3月对Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ号径流小区进行皆伐，随即在Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ号内更新樟树；Ⅴ号径流小区则自然恢复后于2013年3月更新樟树。试验开始前5个径流小区内地表灌草及凋落物均清理完毕。试验分为3个时段，分别为2012年7－12月、2013年1－12月、2014年1－12月。在每次自然降雨后收集降水、计算24 h降雨量，并量取径流桶内径流水深，换算成径流量。雨量级别根据气象学上对于降雨量的定义判定，即24 h降雨量小于10 mm为小雨，10.1～24.9 mm为中雨，25.0～49.9 mm为大雨，50.0～99.9 mm为暴雨。

1.3 数据处理

径流系数是地表径流量与降雨量的比值，表示有比例的降水变成了径流，它能够一定程度反映该区域植被和土壤的水源涵养能力以及水土流失状况。可利用公式r=Rn/P×10－3An计算径流系数。其中：r为径流系数， Rn为径流量（m3）， P 为降雨量（mm）， An为径流小区面积（m2）［11］。

利用Excel 2007和SPSS 19.0软件进行数据处理及统计学分析。

2 结果与分析

2.1 川南马尾松低效人工林改造初期降雨特征

试验期年平均降雨总量约1 000 mm（表1），与当地多年平均降雨量数据基本吻合。试验区降雨明显呈现夏季多、冬季少的特点。2013年和2014年全年多集中于每年6－9月，分别占全年降雨总量的73.23%和69.50%；1月、2月、11月、12月降雨极少，分别占全年降雨总量的3.72%和6.19%。

表1 马尾松低效人工林改造初期降雨量及分布特征Table 1 Characteristics of rainfall capacity and distribution under the early of transformation on low efficiency Pinus massoniana forests

2012－2014年24h最小降雨量分别为1.8，1.5和1.2 mm（表2），最大降雨量分别为83.6，88.7和93.8 mm。2012年7－12月期间共出现5次暴雨天气，24 h最大降雨量为83.6 mm，累计降雨341.6 mm；大雨仅出现2次。2013年累计降雨73次，其中小雨47次，中雨16次，大雨6次，暴雨4次。2014年累计降雨78次，其中小雨47次，与2013年相同，降雨量减少28.8 mm；暴雨次数比2013年少2次，降雨量减少133.4 mm。纵观整个试验期，降雨次数以小雨和中雨居多，占85.56%，但雨量仅占49.05%；大雨和暴雨次数占14.44%，降雨量占比却达到50.95%。表明在1年中大到暴雨的次数比例虽然很低，但降雨量大且集中，是导致夏季地表产流较多的主要原因。

表2 马尾松低效人工林改造初期雨量特征Table 2 Characteristics of rainfall under the early of transformation on low efficiency Pinus massoniana forests

2.2 川南马尾松低效人工林改造初期降雨与产流关系分析

从表3可以看出：并非每次降雨都能引起地表径流。一般情况下，在达到最小产流降雨量后，才能产生地表径流。2012年下半年降雨36次，产流20次，产流次数占降雨次数比例为55.60%；2013年下半年与2014年下半年降雨次数相同，均为42次，产流次数占降雨次数比例分别为33.33%和45.24%，可见下半年产流降雨比例在不同年份间有较大变化。从全年看， 2013年和2014年分别降雨73次和78次，产流25次和29次，产流次数占降雨次数比例为34.25%和37.18%，比较接近。对比表2和表3可以看出，2013年和2014年小雨都是47次，仅有1次产流，可见24 h降雨量小于10 mm时一般不会产生地表径流。而24 h降雨量达到中雨时，产流几率达到了85.00%以上，下半年甚至可能高于90.00%；在大雨及暴雨状态下，每次均有产流。

同时可以看出，观测时期内，24 h最小产流降雨量为6.9～14.0 mm。造成这种差异的原因可能为该次小雨前有降雨发生，地表凋落物及土壤持水能力趋近于饱和，小雨过后就能形成蓄满产流；若前期降雨较少，凋落物和表层土壤含水率低，在中雨条件下雨水填洼、入渗等较多，降雨过后土壤仍未达到饱和，因此，无地表径流产生。当24 h降雨量达到大雨或暴雨条件时，5个径流小区皆有地表径流产生。

表3 马尾松低效人工林改造初期降雨及产流次数Table 3 Times of rainfall and runoff under the early of transformation on low efficiency Pinus massoniana forests

2.3 川南马尾松低效人工林不同模式改造初期产流特征

由表4看出：Ⅰ～Ⅴ号小区最大径流量均出现在下半年，2013年最大径流量比2012年分别增加18.21%，35.62%，15.42%，13.66%和33.13%。鉴于2013年和2012年下半年降雨量仅相差9 mm，说明改造初期地表径流量差异主要由植被恢复状况及地被物覆盖变化等因素导致。其原因在于进行不同模式低效人工林改造后，植被生长、更替和人为干扰直接影响林冠层和地表层，影响了雨水拦截、入渗能力，更多的降雨转变为地表径流。说明在低效人工林改造开始阶段，林地水土保持功能体现并不明显，水土流失现象反而有可能加剧，因此，该时期应是水土流失重点监测、保护期。该结果与廖承彬等［12］研究结论相似。5个径流小区2014年最大量与2013年同期相比分别降低32.25%，26.49%，22.26%，25.08%和25.22%；其中Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ号小区最大径流量低于2012年同期水平，呈波状变化。造成这一现象的原因主要有：一是2014年7－12月降雨量比2013年同期减少近100 mm，更少降雨导致更少径流；二是改造后随着人为扰动减少，乔-灌-草体系逐渐恢复，凋落物增加，凋落物和土壤持水能力进一步增强。各径流小区间最小产流量差异不大，当降雨量为大雨到暴雨时，前期短时间内降水经过林冠截留、凋落物截留、地表填洼等阶段后，易形成超渗产流，这时降雨强度成为影响产流量大小的主导因子。

表4 马尾松低效人工林不同模式改造初期产流量特征Table 4 Characteristics of runoff under different transformation patterns of low efficiency Pinus massoniana forests

表5显示了2.5 a内5个径流小区累计产流量状况。由于Ⅲ号和Ⅳ号径流小区改造模式相同，其累计产流量十分接近，分别为36.339 m3和36.369 m3；而Ⅰ号由于郁闭度较高，林冠截留作用好于其他径流小区，且受人为扰动最小，因此，累计产流量最低，为31.315 m3，试验期内变化幅度最小。而平均单次产流量大小排序为Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅱ＞Ⅰ，排序规律与径流小区所受扰动强度一致。

2.4 川南马尾松低效人工林不同模式改造初期径流系数分析

对2012－2014年下半年各径流小区径流系数进行比较。由表6可看出：除Ⅱ号径流小区呈现先增大后减小的变化以外，其他径流小区径流系数均呈逐年减小趋势。与2012年下半年相比，各径流小区2014年下半年径流系数分别减少29.36%，26.30%，47.37%，41.54%和43.97%。2012年，5个径流小区径流系数大小排序为Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅱ＞Ⅰ， 2014年则变化为Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅴ。2014年与2013年相比，5个径流小区径流系数都有明显下降，均在25%以上，特别是Ⅲ和Ⅴ小区，径流系数下降更为明显，达36%，超出Ⅰ号小区10%。随着时间推移，效果会更加明显。从径流系数来看，Ⅰ号径流小区虽然在改造初期郁闭度最高，林冠截留能力最强，但由于林下缺乏凋落物，导致对于林内降雨的拦滞能力较弱；其他径流小区由于拥有更好的光照、水热条件，植被生长较快，生物多样性更为丰富，因此，随着改造进行Ⅰ号小区的径流系数可能会逐渐高于其他径流小区。而Ⅴ号径流小区由于在2012年未更新樟树，有1 a自然更新时间，土体扰动少于Ⅲ和Ⅳ号径流小区，因此，其径流系数在3个皆伐小区最小。

2.5 川南马尾松低效人工林不同模式改造初期降雨量与径流量相关性分析

利用SPSS 19.0软件进行降雨量与各径流小区径流量相关性分析。由表7可以看出：降雨量与径流量之间相关系数均大于0.905，径流量大小随降雨量变化而变化。与刘芝芹等［13］对30场降雨观测中得出的研究结论相吻合，说明降雨量是影响地表径流大小的重要因子。

表5 马尾松低效人工林不同模式改造初期累计产流量特征Table 5 Characteristics of cumulative runoff under different transformation patterns of low efficiency Pinus massoniana forests

表6 马尾松低效人工林不同模式改造初期径流系数Table 6 Runoff coefficient under different transformation patterns of low efficiency Pinus massoniana forests

3 结论

试验区年均降水量约为1 000 mm，集中于6－9月，季节性分布不均。2013年与2014年6－9月降雨量分别占全年降雨总量的73.23%和69.50%； 1，2，11，12月降雨量则仅占3.72%和6.19%。

试验期内24 h最小降雨量为1.2 mm，最小产流降雨量为6.9 mm，最大降雨量为93.8 mm。全年产流次数约占降雨次数的30%～40%，雨量以中到暴雨为主，偶有小雨下产流和中雨下无产流状况发生。各径流小区最大径流量均呈现先增大后减小的情况，说明在低效人工林改造初期有水土流失加剧现象，是水土流失监测、治理的关键期。

表7 马尾松低效人工林改造初期降雨量与各径流小区径流量相关性分析Table 7 Correlation coefficients of rainfall and runoff under different transformation patterns of low efficiency Pinus massoniana forests

径流系数反映了降雨转变为地表径流的比例。改造后第1年下半年Ⅰ号和Ⅱ号径流小区由于较好的植被覆盖以及相对较少的人为干扰，径流系数低于Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ号径流小区；但2013年和2014年Ⅰ号和Ⅱ号径流小区径流系数降低均超过30%，而Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ号径流小区降低50%左右，基本与Ⅰ号和Ⅱ号径流小区持平或更低。表明各径流场水土保持功能均在恢复中。2012年与2013年Ⅰ号径流小区径流系数均为最小，2014年则逐渐接近甚至高于皆伐小区；Ⅲ，Ⅳ与Ⅴ号径流小区在试验期内产流变化过程相似。目前来看，皆伐径流小区水源涵养功能恢复速度快于Ⅰ号和Ⅱ号径流小区，减滞径流效果更佳。

对降雨量和各径流小区径流量进行相关性分析发现，其相关系数均大于0.905。因此，减少林内降雨以及增强林地水源涵养能力是减少坡面径流的关键。由于试验尚处于改造初期，时间较短，相信随着改造的深入以及林地生态系统的恢复，樟树等阔叶林的水源涵养能力会显著优于马尾松低效纯林。

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