尾巨桉人工林小流域降水产流特征分析

任世奇 ，陈健波 ，朱原立, ，苏福聪, ，韦振道 ，伍琪

1. 广西壮族自治区林业科学研究院，广西 南宁 530002；2. 广西南宁桉树森林生态系统定位观测研究站，广西 南宁 530002；3. 广西壮族自治区国有七坡林场，广西 南宁 530225

河川径流是人类活动所需的主要水资源，而降水又是河川径流的主要来源。通常认为，植树造林可以减少流域径流量、增强流域储水量，减少森林植被会增加径流量、增加水土流失量（Stednick，1996；Groke，1999）。由于不同森林植被的林分结构差异会引起降水再分配的时空异质性，同时降水特征、土壤入渗能力变异等会导致产流规律大相径庭。因此，森林对降水的分配、系统的拦蓄能力、涵养水源的功能等生态系统服务成为研究的热点。

桉树是中国华南地区的主要用材树种，具有生长速度快、适应能力强、经济价值高等特点，驱使广大林农种植。目前，中国桉树种植面积约5.46×106hm2，随着桉树面积的持续扩大，桉树林生态系统服务成为社会广泛质疑的问题，其中桉树生长耗水和林区水土流失成为议论的重点（谢耀坚，2015）。研究表明，桉树林皆伐会显著增加地表径流（Pereira，1997；Vital et al.，1999；Bren et al.，2007），火烧炼山的径流量大于人工清山（梁宏温等，2014），森林火烧后显著增加地表径流，但火烧前对林地进行耕作则显著降低地表径流（Malvar et al.，2016）。目前，中国桉树造林前基本采用火烧炼山，导致局部地区发生严重水土流失。黄承标等（2009）研究认为，种植尾巨桉后，土壤容重变大，水分下渗能力减弱，土壤有效储水量降低，导致地表径流增加，水源涵养功能减弱。储双双等（2013）研究结果显示，18年生尾叶桉（E.urophylla）年内径流量与采伐迹地无显著差异，推测桉树林的水源涵养功能较差。在广西和云南的试验结论认为转变桉树经营模式可显著减少水土流失量（王会利等，2012；李博等，2016）。相反地，也有大量研究表明，种植桉树后径流减少甚至消失。Bosch et al.（1982）认为，种植桉树会减少产流量。Vital et al（1999）发现，种植柳叶桉（E.saligna）后的原牧草地径流减少，7年后径流消失；荒草地和灌木2种土地利用类型的径流量均大于巨尾桉（E.grandis×E.urophylla）林地（赵一鹤等，2012）。桉树林地径流小于采伐迹地灌草地，且桉树植苗林地小于萌芽林地（黄承标等，2014）。由此说明，桉树林的不同经营方式、林龄、土壤类型等都与径流量有关。

广西是中国桉树种植面积、蓄积量、木材产量均第一的省份，且广西桉树主栽区的地形地貌多样，本研究所在的南宁桉树生态站属于广西桉树主栽区的中部，是低山丘陵地貌的典型代表，分析南宁桉树生态站小流域尾巨桉林的降水产流特征有助于了解低山丘陵区桉树人工林生态系统的水文效应，为修订桉树人工林经营方案注重提高生态系统的水源涵养等生态服务有重要参考价值。

1 试验小流域概况

试验小流域位于广西南宁桉树森林生态系统定位观测研究站（南宁桉树生态站）（107°59′—108°18′E，22°28′—22°46′N）。小流域面积 15.6 hm2，由2条微流域组成。小流域以低山丘陵地貌为主，坡度5—25°。该区域属南亚热带季风气候，全年日照时数＞1800 h，太阳总辐射 105—110 kJ·cm-2，气温21—22 ℃，活动积温7500 ℃，降水量1200—1400 mm，年相对湿度79%。土壤以砖红壤为主，有少量紫色土和棕色石灰土，平均含沙量23%，砂页岩母质，土层平均厚度约0.8 m。小流域的尾巨桉人工林是2011年的1代萌芽纯林，林分密度1248 plant·hm-2，株行距 2 m×4 m，2011—2013年每年抚育追肥，追肥施用N/P/K有效总养分大于30%的桉树专用追肥0.5 kg·plant-1，观测期间小流域尾巨桉林的基本情况见表1。

表1 小流域尾巨桉林的基本情况Table 1 Information of E. urophylla×E. grandis plantation in small catchment

2 材料与方法

2.1 地表径流观测

在小流域出水口建设V型直角三角形测流堰1座（图1），拦水墙从地面下不透水层采用钢筋混泥土浇筑，并高处地面1.5 m，地面设计1个过滤池和1个测定池，过滤池和测定池由1个稳水栅分隔开，出水口设计一个V型堰板，用于拦截蓄水。测定池旁建设1座约6 m2的附属房，在附属房内设计一个30 cm×30 cm的测井，测井与测定池连通组合成一个连通器，建设时须保持测井底部与测定池底部在同一水平线，通过观测测井内水位变化而观测测定池的水文变化。开始观测时，在测井底部安装自动水位计（ONSET，U20，USA）1个，设定自动水位计采集数据间隔时间为每30 min记录1次。本研究选用2013年5月—2015年4月历时24个月的水位数据。流量计算时分2种情况进行，（1）当实际水位高出V型直角堰板出水口时，利用实际水位与V型直角堰板出水口的差值作为每次产流时从V型直角堰出水口溢出水的水头高度H。应用《水工（常规）模型试验规程》SL155-95中的南京水利科学研究院校正后的拟合经验公式（张明义等，2010），计算瞬时出水量。（2）当实际水位低于V型直角堰板出水口时，没有水溢出量水堰，则使用水位、测定池的长度和宽度计算测定池内蓄水的体积。最后合计2种情况下的水体积，并转换为mm单位，由于计算过程中，第（2）种情况的水量较小，本研究忽略不计，只将第（1）种情况的水量作为小流域的产流量，通过采集数据间隔时间统计不同时间尺度的地表径流量：

图1 小流域集水区测流堰Fig. 1 Flow weir of small catchment

式中，Q为瞬时流量（m³·s-1）；H为水头高度（m）；该公式要求水头高度0.03—0.25 m。

2.2 降水量与土壤水分观测

南宁桉树生态站建设的林外自动气象观测系统（CSI，CR1000，USA，Campbell）（图2）的数据采集器每隔 30 min自动记录降水数据和土层5、10、20、40 cm的土壤体积含水量。降水强度按24 h降水累积量（P）划分为小雨（P＜10 mm）、中雨（10 mm≤P＜25 mm）、大雨（25 mm≤P＜50 mm）、暴雨（50 mm≤P＜100 mm）、大暴雨（100 mm≤P＜250 mm）和特大暴雨（250 mm≤P）6种等级。根据观测时段，将2013年5月—2014年4月划分为第一个降水观测年度，标记为13/14；2014年5月—2015年4月划分为第2个降水观测年度，标记为14/15。

图2 自动气象观测系统Fig. 2 Automatic weather station

2.3 数据分析

本研究通过测流堰观测的水位变化数据，采用水工模型利用Excel 2010按小时、天、月时间尺度分别计算径流形成时的产流量。降水和土壤体积含水量也利用Excel 2010按小时、天、月时间尺度分别计算出有关数据。最后分析径流与降水、土壤体积含水量的关系。

3 结果与分析

3.1 降水变化特征

由小流域降水情况（表2）可知，13/14年度总降水为1385 mm；14/15年度总降水量为1334 mm。两个年度均以小雨为主，占降水强度等级场数74%，其中13/14年度暴雨频发，超过50 mm的降水量有6场，而14/15年度的暴雨仅有1场。年内降水分布不均，旱季（12月至翌年2月）的13/14年度降水量为106 mm，占全年降水的8%；14/15年度旱季的降水量只有 125 mm，占全年降水量的12%。13/14年度月降水量最大的6—8月总降水量911 mm，占全年降水量的66%；14/15年度月降水量最大的7月、8月和9月总降水量805 mm，占全年降水量的60%。13/14和14/15年度的同期降水量差异较大，其中13/14年度月最大降水量7月325 mm，14/15年度月最大降水量9月338 mm；13/14年度月最小降水量1月仅有4 mm，而14/15年度月最小降水量2月为29 mm。

表2 小流域降水情况Table 2 Characteristics of precipitation in small catchment

3.2 地表径流变化特征

由表3小流域地表径流特征可知，13/14和14/15年度有径流形成的时间与降水集中月同步，而与降水次数无规律变化。2个年度降水共243场，但仅有10场产生了径流，所占比例4%。13/14年度的7、8、11月形成径流，径流深81 mm，径流系数6%；14/15年度只有7月和11月有产流现象，全年径流深9 mm，径流系数0.7%。

表3 小流域地表径流特征Table 3 Characteristics of runoff in small catchment

3.3 径流与降水的关系

通过表2小流域降水情况和表3小流域地表径流特征可知，13/14年度的7月降水量达到325 mm，其中仅有1次暴雨和2次径流。因此，选择13/14年度7月的降水分析桉树林产流特征。由图3可知，土壤体积含水量与降水基本处于同步变化，随着降水增加而增加，降水停止而减小；地表径流的形成显著滞后于降水，7月2—3日连续28 h的降水量91.6 mm，地表径流形成滞后降水8.5 h；7月20—21日期间的间歇性大雨未形成地表径流，此阶段的土壤体积含水量显著增加；7月26—27日期间连续28.5 h的27 mm降水也未形地表径流，但土壤体积含水量比此次降水前的高。7月28—30日连续51.5 h间歇性的降水达72 mm，地表径流比7月28日降水滞后8.5 h。由图4可知，当土层5 cm体积含水量≥0.160 m3·m-3可基本判断形成径流，当土层5 cm体积含水量＜0.145 m3·m-3时径流逐渐消退，初始径流的形成与前期土壤体积含水量密切相关。

图3 降水量、径流量、土壤含水量的变化过程Fig. 3 Change process of precipitation, runoff and soil volume water content

图4 径流与土层5 cm含水量的变化过程Fig. 4 Change process of runoff and soil volume water content at 5 cm under ground

3.4 地表径流持续时间分析

图4径流初始到峰值的过程，通过径流递增率（e，径流增加量/初始径流量）和降水历时（t1，单位 min）的回归分析发现，二者呈线性关系，R2=0.9688（图5），表明一旦径流形成，径流量将随降水呈线性递增。当降水停止，径流到达峰值并维持峰值流量持续一段时间，持续时间的长短与径流初始前的降水量有关。在径流从峰值开始消退的过程，通过设径流递减率（r，径流减少量/最大径流量）与径流消退历时（t2，单位min）的回归分析发现，二者呈对数函数关系，R2=0.927（图6），说明径流消退历时主要与最大径流量有关，而最大径流量受初始径流量和降水历时共同影响。

图5 径流递增率与降水历时的相关关系图Fig. 5 Relationship between e and rainfall

图6 径流递减率与径流消退历时的相关关系Fig. 6 Relationship between r and rainfall duration

4 讨论

在森林生态系统中，地表径流是系统水分输出的主要项之一。因此，研究森林生态系统降水产流过程可了解系统的水源涵养功能和固土保肥能力，尤其对人工林可持续经营方案制定具有重要意义。本研究小流域地处我国华南，属于亚热带季风季候区，具有雨季时间长、暴雨频发次数多，是我国年均降水量最多的地区（钟权加等，2016）。小流域年均降水量1300 mm以上，降水以小雨为主，两个年度小雨共计191场，占降水强度等级总场数的74%，受厄尔尼诺事件影响（袁媛等，2016），造成降水强度异常，其中13/14年度降水超过50 mm的暴雨共发生6场，而14/15年度暴雨仅有1场。降水年内分布不均，1—12月年内月降水量呈单峰曲线，符合高辉等（2013）近20年华南降水特征分析结果。雨季集中在夏季，13/14年度的6月，7月和8月总降水量911 mm，占全年降水的66%，14/15年度的7月，8月和9月总降水量805 mm，占全年降水的60%。冬季12月至翌年2月降水较少，属于干旱季节。不同年度同期月份降水差异较大，主要体现在最大降水月份和最小降水月份。

林外降水输入森林后首先被林冠拦截分配形成林冠截留、树干径流和穿透雨，其次被灌木层、草本层以及枯落物层拦截而减少和调节地表径流（余新晓等，2004）。本研究期间，共计 243场降水，其中10场形成了径流，占4%，径流在降水集中月才会出现。13/14年度的径流深81 mm，径流系数6%，14/15年的径流深仅有9 mm，径流系数只有0.7%，可认为基本没有径流，忽略降水期间短时间内的蒸散耗水，可认为降水全部渗入土壤，由此说明研究期间的小流域尾巨桉人工林产流量并不高，也反映出小流域尾巨桉人工林具备较好的水源涵养和土壤保育能力，这与杨静学等（2015）的研究结果长期土壤扰动造成桉树伐区水土流失严重不一致，其原因在于本研究小流域的观测期间2013年5月—2015年4月，尾巨桉人工林的年龄由3.5 a生长至5.5 a，根据尾巨桉人工林经营方案，林分在前3年进行每年1次的除杂和追肥，这个过程既有人为对土壤的扰动，也使林下植被遭到破坏，而当林龄超过3 a时，不再进行除杂和追肥，直到生长至数量成熟时皆伐，本研究是在尾巨桉年龄3.5 a时开始观测，此时林分刚完成最后1次的除杂和追肥工作，随后生长至5.5 a未被人为干扰；而杨静学等（2015）针对的是桉树伐区的水土流失，林木采伐是对土壤扰动强度最大，林下植被破坏最严重的过程。由此说明，尾巨桉林的产流能力与林分生长阶段及其经营措施密切相关。

径流过程是个复杂的水文现象（王鸣远等，2008），不仅与降水强度显著相关（龚诗涵等，2016），更与下垫面情况尤其是林下植被多样性有密切联系（丁婧袆等，2015）。径流初始时间滞后于降水初始在很多研究中得到证实（段文军等，2015），本研究小流域也遵循这个规律，进一步说明尾巨桉林对降水洪流有一定的缓冲调节作用。通过对小流域典型月份降水产流过程分析，在径流初始到抵达峰值的过程中，径流递增率与降水历时呈线性函数关系，而在径流从峰值到完全消退的过程中，径流递减率与消退历时呈对数函数关系（王金叶等，2013）。从径流初始到完全消退共经历3个阶段，径流递增期、峰值稳定期和径流递减期，径流过程受降水变化影响出现叠加效应，如降水历时一段时间后停止，径流初始并逐渐递增，此时又出现降水，则径流随降水同步增加，而此时的径流既包括了当前的降水产流，也包括了前期的降水产流。整个径流形成规律反映了尾巨桉林地的蓄渗水分、调节水量、滞后产流等系列过程。已有研究表明，降水进入生态系统到径流输出系统的滞后时间和径流大小，是衡量系统水源涵养能力的重要指标，径流初始时间滞后降水较短，可能对系统本身或更大尺度的系统带来严重水土流失，甚至造成洪涝灾害的隐患（申卫军等，1999）。在尾巨桉人工林培育过程中，为增强林地的拦截蓄水能力，减少径流量，应在经营措施中更多的降低人为对土壤的扰动和减少对林下植被的破坏，从而延长径流初始的滞后时间，增加入渗，这也避免了林地的裸露，减少土壤水分蒸发，增加土壤含水率，此外，降水的输入过程也是生态系统水养补给的过程，有效地降低系统径流输出，也能提高尾巨桉林分生产力（Bennett et al.，2015；王明玉等，2016）。因此，在生产实践过程中，造林前应实施科学整理，根据不同种植区域和地形地貌，采取带状整地、挖穴或块状整地方式，造林后，对林分进行科学的抚育管理，尤其是林下植被管理，措施得当不但能节约成本，也能增强林地的保水保肥能力，提高林分质量（任世奇等，2013）。

5 结论

本研究小流域降水产流揭示了尾巨桉人工林的地表径流形成初始时间明显滞后于降水初始，滞后时间与前期土壤含水率密切相关；径流递增率与降水历时呈线性函数关系，径流递减率与径流消退时间呈对数函数关系；降水产流过程经历径流递增期、稳定期和递减期3个阶段。为探索本研究小流域的降水产流规律是否在桉树人工林生态系统普遍存在，应增加试验点和延长观测周期，从单点尺度观测扩展到中观尺度研究，从而揭示桉树人工林降水产流普遍规律，进而从水土保持角度提出增强林地水源涵养能力的有效措施，提高林分生产力，促进桉树人工林的可持续发展。