北京山区侧柏林地坡面初始产流时间影响因素

2019-09-04蒋秋玲信忠保余新晓樊登星

中国水土保持科学 2019年4期

蒋秋玲，信忠保,2†，余新晓,2，樊登星,2

(1.北京林业大学水土保持学院,100083,北京;2.北京林业大学北京市水土保持工程技术研究中心,100083,北京)

初始产流时间是指从降水至坡面开始产流所消耗的时间，亦称为“初损历时”[1]。不同研究者对坡面开始产流的定义有所不同，基于径流小区开展的降雨观测多认为小区底部有稳定径流输出即表示坡面开始产流[2-3]，也有学者认为当坡面形成贯通积水层流并持续沿坡迁移特定长度即开始产流[4]。明确坡面初始产流时间及其影响因素，可为认识流域产汇流和山洪灾害形成过程、合理配置水土保持措施提供指导[5]。围绕坡面产流的影响因素，国内外学者做了大量研究，认为影响坡面初始产流时间的因子主要包括植被覆盖、降雨强度、坡度及土壤前期含水率等[6-12]。对东北黑土区的研究表明，同一坡度下，坡面初始产流时间随降雨强度增大而明显缩短[10]。通过室内模拟降雨研究表明栓皮栎(Quercusvariabilis)林下枯落物的存在能延长坡面初始产流时间，且坡度越小，降雨强度越大，枯落物层延缓地表径流产生的作用越明显[11]。此外，研究者对坡面初始产流时间与上述影响因素之间提出的定量关系不尽相同[7-9]，且目前大多数研究在室内模拟降雨条件下开展，野外条件下综合考虑降雨强度、枯落物、坡长和前期土壤含水率对坡面初始产流时间影响的研究报道相对较少。

暴雨是引发山洪泥石流的主要原因[13]。北京地区降雨多集中在夏秋两季，往往以暴雨、大暴雨和特大暴雨等高强度的方式降落，使北京山区成为山洪和泥石流灾害多发区域[14]。如北京2012年的“7·21”特大暴雨事件，最大降雨量达到460 mm，在北京周边山区造成了积水、山洪和泥石流等自然灾害，给山区的基础设施和人民生命财产带来了巨大损失[15]。北京过去开展了大量的山区水源涵养林建设，并且大量研究表明，土石山区森林植被可以发挥涵养水源、削减洪峰流量及推迟洪水时间等重要功能[16-17]；然而，从坡面尺度来看，降雨强度、枯落物、坡长和前期土壤含水率等对林地初始产流时间的影响还缺乏基于野外人工模拟降雨的系统研究。笔者以北京山区侧柏(Platycladusorientalis)林地坡面为研究对象，采用人工模拟降雨方法，选择暴雨级别降雨强度进行野外降雨试验，研究侧柏林地坡面初始产流时间与降雨强度、枯落物、坡长和前期土壤含水率的关系，以期增进对暴雨作用下北京山区坡面产汇流过程的认识，并为北京山区生态工程减洪效益评估和流域行洪过程模拟提供理论依据。

1 研究区概况

北京北部与东部山区属燕山山脉，西部山区属太行山脉，山区面积占全市总面积的62%。区域内山地高差大，海拔在100～1 153 m之间，坡度多在16°～35°之间。土壤类型主要为淋溶褐土，土层瘠薄，砾石含量较高。多年平均降水量576.4 mm，多集中在7—9月，年均气温12.2 ℃，属于华北暖温带半湿润大陆性季风气候区。北京山区森林覆盖率在90%以上，主要以人工林为主，自然生长的乔木较少。其中，人工林主要有侧柏、油松(Pinustabulaeformis)、栓皮栎、落叶松(Larixgmelinii)和刺槐(Robiniapseudoacacia)等。本研究试验地位于北京西山鹫峰国家森林公园北京林业大学实验林场(E 116°06′，N 40°03′)，试验样地为人工侧柏林地，平均林龄53 a，林分密度为1 531株/hm2，郁闭度0.70。

2 材料与方法

2.1 径流小区布设

选取林下坡度相近的自然坡面，在坡面相对的坡上、坡下、坡中位置分别设长1、2和5 m的径流小区，其中坡中位置设5 m坡长小区难度大，故仅设1和2 m坡长的小区，共建径流小区8个(表1)。径流小区四周用PVC板圈围，埋入地表以下30 cm，出露15 cm，保持径流小区内部枯枝落叶覆盖原貌不变，覆盖度90%以上。径流小区于2014年8—9月修建完成，经1年沉淀后于2015年7—9月完成模拟降雨试验。

表1 径流小区基本信息

2.2 枯落物特性调查

分别在坡上、坡中及坡下各选取3个30 cm×30 cm小样方，收集林下枯枝落叶。为不破坏径流小区内部枯枝落叶覆盖原貌，所选样方均在小区四周濒临区域。将收集的枯落物带回实验室，在80 ℃下烘干并称量。采用室内浸泡法测定林下枯落物最大持水率——将烘干后的枯落物置于水中浸泡24 h[18]，取出后静置5 min左右，待枯落物不再滴水时称量。侧柏林地坡面枯落物相关特性如表2所示。枯落物最大持水率计算公式[19]如下：

式中：Rmax为最大持水率，%；M24为枯落物浸泡24 h后的质量，g；M为枯落物烘干后的质量，g。

2.3 前期土壤含水率测定

采用英国生产的4探针ML2x便携式土壤水分速测仪测定土壤的体积含水率。每次模拟降雨前用ML2x测定径流小区内坡上、坡中及坡下位置0～5cm与5～10 cm土层含水率，1、2、5 m坡长径流小区分别测量4、6、8个点位。

表2 侧柏林地坡面枯落物特性

2.4 野外模拟降雨

野外模拟降雨设备为北京师范大学与北京交通大学共同研制的槽式下喷人工模拟降雨机，采用美国Veejet 80150型降雨喷头，单台降雨机为3个喷头，单喷头降雨覆盖面积2 m×2.7 m=5.4 m2，降雨高度2.5 m。野外模拟降雨开始之前，在平地上对降雨机降雨均匀性进行率定，均匀系数>0.8，符合野外降雨试验要求。

近年来华北局部地区多次出现以短历时、高强度为主的大暴雨，如2011年6月23日和2012年7月21日的暴雨事件，北京地区最大降雨强度分别达128和100 mm/h[20]；因此本文试验根据人工模拟降雨机可选降雨强度档次设定3个降雨强度，即70、92和126 mm/h。为避免林下植被对坡面降雨产流的影响，模拟降雨前已将径流小区内少量灌木沿根部剪除。每个径流小区坡面设2个处理，分别为原状枯枝落叶层覆盖自然坡面与剥离枯落物后的裸露坡面。同一径流小区先在保留枯枝落叶层覆盖条件下降雨，之后将枯枝落叶完全剥离，再进行降雨。在坡面有枯落物覆盖和枯落物剥离后2种条件下均按126、92、70 mm/h的顺序进行降雨，共计降雨48场。降雨过程中记录初始产流时间，当各坡长小区底部有连续稳定的径流输出时即认为坡面开始产流。

3 结果与讨论

3.1 单因素分析

3.1.1 降雨强度坡面初始产流时间随降雨强度增大迅速减少(图1)，二者之间呈幂函数关系(y=853 828x-1.82，R2=0.66，n=45，P<0.01)。70 mm/h降雨强度下，1 m坡长小区在枯落物覆盖条件下降雨60 min不产流，随降雨强度和坡长增大，坡面开始产流；且降雨强度越大，不同坡面处理和不同坡长小区的初始产流时间越集中，表明降雨强度在一定程度上削弱枯落物和坡长对坡面初始产流时间的影响。

一般而言，降雨强度越大，坡面初始产流时间越短[10-12]，然而，关于初始产流时间与降雨强度的定量关系还存在争议。对华北保护性耕作研究区沙壤土的研究表明，初始产流时间与降雨强度符合幂函数关系[2]。孙达等[21]在野外人工模拟降雨条件下对荒草坡产流产沙进行研究，结果表明降雨强度与初始产流时间呈较好的负相关对数关系。刘希林等[4]通过对野外崩岗崩积体坡面产流过程的模拟，认为坡面初始产流时间与降雨强度存在负指数幂函数关系。不同研究者对初始产流时间与降雨强度之间提出的定量关系存在差异，原因可能与土壤类型及地表覆被状况不同有关；但基本认为坡面产流所需时间随降雨强度增大而缩短。这是因为在同一径流小区内，随着降雨强度增大，小区单位面积单位时间内承受的降雨量增加，从而导致坡面出现超渗产流或蓄满产流的时间提前。当降雨强度为70 mm/h时，1 m坡长小区在枯落物覆盖条件下未产流，其主要原因是1 m坡长小区总承雨量较少，林下枯落物又对径流起着拦截阻滞作用[22]，导致坡面径流大量被损耗而不产流。随着降雨强度和坡长增大，坡面开始产流，表明林地坡面产流是降雨强度、枯落物和坡长等因子共同作用的结果。

图1 坡面初始产流时间与降雨强度的关系Fig.1 Relationship between rainfall intensity and initial runoff time

3.1.2 枯落物枯落物层是森林生态系统的重要组成部分，不仅能避免雨滴直接击打土壤表面，还能吸收、截持降雨和增加入渗[18]，从而对坡面产汇流过程产生重要影响。侧柏林地枯落物的存在能够明显延长坡面初始产流时间。当降雨强度达到70 mm/h时，1 m坡长小区在枯落物覆盖条件下降雨60 min不产流(表3)，裸露坡面平均初始产流时间为(480±174) s，其他降雨强度和坡长条件下枯落物覆盖坡面的平均初始产流时间为352 s，裸露坡面则为213 s，枯落物覆盖坡面的平均初始产流时间较裸露坡面延迟139 s。枯落物能明显延缓坡面产流，一方面是因为林下枯落物具有良好的蓄水性，能截留大量初期降水，枯落物调查表明，林下坡面平均单位面积枯落物生物量为(3 992.5±519.8) g/m2，其最大持水量达(2 219.9±241.8) g/m2(表2)。另一方面是因为枯落物能消耗雨滴能量，相对于枯落物覆盖坡面，裸露坡面土壤在雨滴的直接击打下变得更加紧实，土壤入渗难度增加，同时更容易形成土壤结皮，从而有利于地表径流的形成[23]，表现为裸露坡面产流所需时间较短。

表3 枯落物覆盖和裸露条件下坡面初始产流时间

注：--表示径流小区降雨60 min不产流。Notes: -- refers to that the runoff plots did not runoff during 60 minutes rainfall process.

图2 不同坡长条件下的坡面初始产流时间Fig.2 Initial runoff time under different slope length

3.1.3 坡长坡长是影响坡面产流的重要地貌因素之一，其对坡面降雨入渗产流过程有重要影响[24]。随坡长增加，枯落物覆盖坡面和裸露坡面的初始产流时间均表现出减少趋势；坡长对初始产流时间的影响受降雨强度制约，降雨强度越大，坡长对初始产流时间影响越不明显(图2)。枯落物覆盖条件下，当降雨强度为70 mm/h时，1 m坡长小区初始产流时间>60 min，2和5 m坡长小区坡面初始产流时间分别为541和628 s，1 m坡长小区产流所需时间明显大于2和5 m坡长；当降雨强度为92 mm/h时，1 m坡长小区初始产流时间为453 s，分别比2和5 m坡长小区多59和143 s；当降雨强度为126 mm/h时，1 m坡长小区初始产流时间为201 s，分别比2和5 m坡长小区多50和55 s；裸露坡面条件下，坡面初始产流时间随坡长和降雨强度的变化亦表现出相同的规律。孔亚平等[25]在2.5～10 m坡长范围内研究发现，坡面初始产流时间随坡长增加大致呈缩短趋势。陈俊杰等[26]通过室内模拟降雨试验研究了坡长对坡面初始产流时间的影响，结果表明降雨强度和坡度相同时10 m坡长的产流时间要短于5 m坡面。笔者研究结果与前人研究结果较一致，分析其原因，虽然在同一降雨强度下各小区单位面积单位时间内的承雨量相同，但坡长较长小区汇集的径流量更多，更容易在小区底部形成连续稳定的径流，坡面产流所需时间较短。

3.1.4 前期土壤含水率由表4可见，不同坡面处理下坡面初始产流时间与表层前期土壤含水率呈负相关关系，表明坡面产流所需时间随前期土壤含水率增大而减少。在裸露条件下坡面初始产流时间与0～5和0～10 cm土层前期土壤含水率相关关系显著(P<0.05)，相关系数分别为-0.456和-0.408，而枯落物覆盖条件下二者相关关系不显著，表明前期土壤含水率对坡面初始产流时间的影响受枯落物限制。坡面初始产流时间与不同深度土层前期土壤含水率的相关系数由大到小的顺序为0～5、0～10、5～10 cm，表明0～5 cm土层的前期土壤含水率对坡面初始产流时间影响较大。陈洪松等[27]研究前期土壤含水率对黄土坡面降雨入渗的影响，结果表明前期土壤含水率越高，产流越快，平均入渗率越小。本试验所得结果与前人研究结果一致，林地表层前期土壤含水率与坡面初始产流时间呈负相关关系，尤其在裸露条件下0～5 cm土层前期土壤含水率对初始产流时间影响更显著。

表4 不同坡面处理下初始产流时间与表层前期土壤含水率相关分析

3.2 多因素分析

对于所有坡面处理、枯落物覆盖和裸露条件下，坡面初始产流时间分别被降雨强度、枯落物、坡长和前期土壤含水率等影响，分别解释79.4%、83.7%和80.1%(表5)。由所有坡面处理条件下的多元回归方程标准化系数可知(表6)，坡面初始产流时间的主导因素是降雨强度，其次是枯落物，二者对初始产流时间的相对贡献率分别为59.8%和23.8%，而前期土壤含水率和坡长对初始产流时间的相对贡献率较低，分别为10.5%和5.9%。从不同处理坡面来看，枯落物覆盖条件下，影响坡面初始产流时间的主要因素为降雨强度，相对贡献率达84.3%，裸露条件下坡面初始产流时间主要影响因素为降雨强度和前期土壤含水率，相对贡献率分别为66.9%和31.7%。

表5 坡面初始产流时间的多元回归方程

注：I为降雨强度，mm/h；W为0～5 cm前期土壤含水率，%；L为坡长，m；V为枯落物覆盖度，%；t为初始产流时间，s; 下同。Notes:Iis rainfall intensity, mm/h.Wis antecedent soil water content of 0-5 cm soil layer,%.Lis slope length, m.Vis litter coverage,%.tis initial runoff time, s. The same below.

表6 坡面初始产流时间多元回归方程的标准化系数

前人相关研究多集中于初始产流时间与植被覆盖度、降雨强度、坡度和前期土壤含水率等因素的多元方程拟合，而枯落物、坡长等因素考虑不多。在苏南黄壤地区，司登宇等[7]采用人工模拟降雨研究了纯草、纯灌和灌草3种经营模式下初始产流时间及其影响因素，并分别建立初始产流时间与植被盖度、坡度、降雨强度和前期土壤含水率的统计关系。在黄土高原区，袁建平等[9]分别建立林地、农地和裸地坡面初始产流时间与影响因子的多元统计关系。本研究是在华北土石山区，建立侧柏林地坡面初始产流时间与降雨强度、枯落物、坡长和前期土壤含水率的多元统计关系。