云南石林典型植被类型的降水垂直分配及水平汇聚规律观测研究

2021-04-23丁文荣李玉辉曾学梅何文静

水资源与水工程学报 2021年1期

丁文荣，李玉辉，曾学梅，何文静

(云南师范大学地理学部，云南昆明 650500)

1 研究背景

退化岩溶区的水资源、水环境问题是区域可持续发展的严重制约因素，中国西南岩溶区尤为突出，是水文地质研究中亟需突破的难点问题[1-2]。特殊的岩溶环境下，森林系统的水源涵养功能主要表现为垂直含水结构层存储降水以及水平分布格局对水分的集聚作用，植被系统-土壤结构发育良好的岩溶生态结构具有水源自我调节功能[3-4]。国内外诸多研究个例均表明，植被系统对岩溶区水循环的影响表现在使降水不易产生坡面径流，进而增加入渗补给量，在有植被覆盖的岩溶区，可以显著减少地表总体产流量[5-11]，而且森林植被对岩溶区降水的调节功能与植被类型、演替阶段和群落结构有关，成熟的原生林(地带性植被群落)强于次生林，石漠化地区植被群落的调节能力最弱[12-14]。

石林彝族自治县是滇中地区石漠化最为严重的区域，县内岩溶土地覆盖面积高达1 027.4 km2，占国土面积的59.8%，其中石漠化土地面积为483.57 km2，达岩溶土地面积的47.06%[15]。前期在石林景区开展的研究表明，植被恢复时其土壤水文结构功能随着封禁年限的增加而提升[16]。然而，从降水到径流形成这一完整过程的规律依然不明晰，极大地制约了滇中岩溶区水源地建设与植被保育工程的推进。鉴于此，本研究以云南石林岩溶区典型植被类型，即原生林、次生林、云南松林、坡耕地、石灰岩裸地以及石灰岩灌丛6种植被类型为对象，设置了相应的观测样地，并开展了2018-2019年为期两个雨季的实验观测，分别对不同植被类型的降雨分配及汇聚规律进行了探索，结果可以为滇中岩溶区水资源管理与生态环境恢复保育提供科学依据。

2 实验观测与研究方法

2.1 研究区概况及样地设置

石林彝族自治县位于昆明市东南部，属滇中高原岩溶区，地层以碳酸岩类为主，地形起伏和缓，切割轻微，高程在1 700～1 950 m之间。境内盆地、低山、洼地、石丘、石牙及峰丛等岩溶地貌类型齐全，地势东高西低，由东北向西南倾斜。石林县处于典型的北亚热带季风气候区，气温的年较差小，多年平均气温为16.4 ℃，年均降水量为949.5 mm，干季、湿季极为分明，季风期降水量占全年降水量的85%，非季风期降水量不足全年降水量的15%，超过10 ℃的年活动积温为4 715.13 ℃，平均风速为2.1 m/s。

依据石林岩溶区现状土地利用方式和典型植被序列，在石林世界自然遗产地核心区及缓冲区，分别选择原生林、次生林、坡耕地、石灰岩裸地、云南松林和石灰岩灌丛6种当地代表性植被类型，建立了对应的观测样地和降水自动观测站，其分布见图1。

图1 观测样地及降水自动观测站分布

实验观测样地分布在海拔1 743～1 772 m之间，样地内平均基岩裸露率为35%。土壤由石灰岩发育而成，相应的土层深度为20～50 cm，主要类型为红色石灰土和山原红壤，质地为黏土和黏壤土，粉粒、黏粒质量分数为25%～50%，土壤pH值为中性至微碱性。

2.2 观测与计算方法

(1)降雨：采用Vantage Pro 2型自记录气象站进行降雨量观测，该型号自动站的雨测量采用翻斗式工作原理，分辨率为0.2 mm。本研究分别在石林世界自然遗产地北部石林湖、东部四方塘各安置1套观测站，两站间直线距离为1.03 km(图1)。其中石林湖站的降水数据用于原生林、石灰岩灌丛样地的分析，四方塘站的降水数据用于云南松林、坡耕地、石灰岩裸地及次生林样地的分析。

(2)穿透雨：分别在原生林、次生林以及云南松林3个样地内，布设规格为长400 cm、宽20 cm、深20 cm的自制承雨槽，两段承雨槽依据坡度进行拼接，底部用钢筋支架进行固定。承雨槽的出水口处放置50 L的集水桶，作为收集穿透雨的装置。每次降雨结束后，立即用量筒测定各样地内集水桶中穿透雨的体积，并换算成雨深，换算公式为：

TF=(T×1000)/A

(1)

式中：TF为林内穿透降雨量，mm；T为集水桶内的雨水体积，mL;A为承雨槽受雨面积，mm2。

(3)树干径流：依据树种和胸径大小，分别在原生林、栓皮栎次生林以及云南松林样地内各选择5棵典型树来测定树干径流。具体为在距离地面1.5 m的高度处，将剖开的PVC软管呈螺旋状缠绕在树干上，固定后用防水胶将树干与塑料软管间的缝隙密封，同时在软管基部连接一个容积为15 L的集水桶以收集树干径流。每次降雨结束后，立即用量筒测定各集水桶内树干径流的体积，并换算成样地树干径流深，计算公式为：

(2)

式中：SF为样地树干径流深，mm；n为树干径级数;Ci为径级i的树干径流量，mL，Mi为径级i的树木株数;Sp为样地面积，m2。

(4)坡面产流：分别在6个观测样地内建立了对应的径流小区，各观测样地径流小区特征值见表1。径流小区外围用15～30 cm高的隔水层围住，防止小区内水的流失及小区外水的流入。然后在径流小区的下游出水口处设置尺寸为1.0 m×1.0 m×1.0 m(长×宽×高)的集流池，每次降雨事件后观测集流池内的产流情况，有产流时将其取出测量，无产流时也做记录，测量时记录时间及天气状况，以保证测量数据的时效性。

表1 各观测样地径流小区特征值

3 结果与分析

3.1 降水特征

石林处于亚洲季风区，降水的年内变化具有季风区的显著特征[17]。2018年石林湖站和四方塘站降水量分别为834、907.6 mm，2019年则分别为929.2、1 004.4 mm，其中2018年属于平水年而2019年属于丰水年。2018-2019年研究区的降水量年内分布及雨型特征见图2。

图2 2018-2019年研究区的降水量年内分布及雨型特征

由图2(a)可以看出，研究区降雨主要发生在季风期即湿季，特别是5-8月的降水量占全年的68%。2018-2019年石林湖站、四方塘站的降水日数分别为238、296 d。由图2(b)的统计结果可见，降雨类型中的小雨和中雨占主导地位，石林湖站小雨、中雨、大雨和暴雨降雨量的比例分别为73.11%、19.75%、6.30%和0.84%，四方塘站则分别为79.05%、14.53%、5.74%和0.68%。

3.2 垂直分配

植被(森林)对降水的垂直分配过程主要指森林水分输入过程，森林生态系统结构复杂，致使雨水需经过林冠层截留、树干径流、地表枯落物吸水等多种形式的分配后才能到达地表，进而成为森林土壤的水分来源。考虑到植被条件，本研究于2018-2019年两个雨季分别对原生密枝林、栓皮栎次生林、云南松林的降水垂直分配即穿透雨、树干径流开展了观测，并对资料完整性最好的52 d的降水分配数据进行了统计(不连续)。该52 d中石林湖自动雨量站降雨量为304.4 mm(雨日为37 d)，无雨、小雨、中雨、大雨、暴雨降雨量的天数分别为15、23、7、6、1 d，四方塘站测得降雨量为319.6 mm(雨日为41 d)，无雨、小雨、中雨、大雨、暴雨降雨量的天数分别为11、26、8、5、2 d，涵盖了研究区所有的降水过程类型。雨日中各植被类型的降水分配特征如表2所示。

从表2中可以看出，在石林湖区样地的37个雨日中，原生植被类型密枝林产生穿透雨、树干径流的日数分别为27、23 d，林冠穿透雨量达225.25 mm，树干径流量为0.58 mm。四方塘区样地的41个雨日中，栓皮栎次生林产生穿透雨、树干径流的日数为27、24 d，穿透雨量和树干径流量分别为239.85和1.37 mm，而云南松林穿透雨、树干径流的日数为27和15 d，穿透雨量和树干径流量则分别有233.47和0.12 mm。就不同植被类型产生穿透雨和树干径流的降雨量阈值来看，原生林、次生林、云南松林的穿透雨阈值均较低，分别为1.0、1.4和1.4 mm，而发生树干径流的林外降雨量阈值则较高，云南松林甚至需要6.4 mm的降水才会产生明显可测的树干径流。

表2 研究区样地3种植被类型的降雨垂直分配特征

上述3种植被类型的穿透雨量与林外降雨量的关系见图3；树干径流量与林外降雨量的关系见图4。

图3 研究区样地3种植被类型的穿透雨量与林外降雨量关系

图4 研究区样地3种植被类型的树干径流量与林外降雨量关系

由图3可看出，3种植被类型的林冠穿透雨量与林外降雨量之间均表现出显著的正相关关系，确定系数R2均超过了0.90，其中栓皮栎次生林R2=0.986 3，为最大，而云南松林R2=0.943 4，为最小。由图4可见，树干径流量与林外降水量之间同样存在明显的正相关关系，确定系数R2均大于0.76，其中云南松林区相关性最强，而原生林区最弱。

林外降水与到达林下的降水(穿透雨、树干径流)之差为植被的截留，是土壤侵蚀与水土保持研究的重要指标，通过计算得知：原生林、次生林、云南松林的截留率分别为25.81%、24.52%和26.91%，其中云南松林截留最多而栓皮栎次生林则最少。图5为石林湖区样地3种植被类型的植被截留量与林外降雨量关系，由图5也可以看出植被截留量与降水量变化相关，随着林外降水量的不断增加，植被截留量亦呈现出增加的趋势，符合森林生态水文过程的普遍规律[18]。

图5 研究区样地3种植被类型的植被截留量与林外降雨量关系

总体来看，研究区样地森林植被中次生林的降雨穿透率最高，云南松林次之，原生林最小；树干径流率次生林最高，原生林次之，云南松林最低，不同树种的树干径流量有所差异；截留率与穿透率变化规律相反。降雨的垂直分配规律为：林外的降雨量>穿透雨量>林冠截留量>树干径流量。

3.3 水平汇聚

水平汇聚是植被水平分布格局(植物群落、面积、位置)对聚集降水、增加产流等环节的影响，即植被对地表径流的影响。通过截留后到达地表的降雨将发生水平产流作用，是直接水资源形成的重要环节。本次6个样地不同植被类型的产流状况与垂直降水同步观测，结果见图6和表3。

图6 研究区样地6种不同植被类型的降雨量与地表径流量关系

表3 研究区样地6种不同植被类型的降雨水平汇聚特征

由图6可以看出，各观测样地的降雨量与地表径流量之间均表现为正相关关系，其中次生林的确定系数R2达0.714 8，而云南松林仅为0.296 0。然而，6组观测样地的降雨量与产流量之间的相关关系，均未达到0.05的置信水平。

表3中的特征值表明，各种植被类型的降水水平汇聚特征存在明显差别。在石林湖区样地的37 d雨日中，降雨量为304.4 mm，原生林、石灰岩灌丛各产流26和13次，产流量分别为0.06、1.10 mm，而在四方塘区样地的41 d雨日中，降雨量为319.6 mm，次生林、坡耕地、石灰岩裸地、云南松林产流次数分别为34、10、33和6次，产流量则分别为0.21、0.01、1.08和0.21 mm；各植被类型的地面径流系数也存在显著的差异，其中石灰岩灌丛区的径流系数最大，为0.36%，而坡耕地仅有0.01%，但整体来看地面径流系数都非常小。

就各植被类型的总产流量来看，无林区表现为石灰岩灌丛最多，裸地次之，耕地最少，有林区表现为云南松林>次生林>原生林；从产流的降雨量阈值来看，6种植被类型差别较大，其中原生林区2.0 mm的降水量即可产流，而云南松林则需要6.4 mm才会产流，两者相差3.2倍；随着林外降雨量的增加，各样地的地表产流量也表现出增大的态势。可以看出，各观测植被类型的地面产流规律差别明显，整体表现为森林植被对地表径流的调节作用明显，无林区产流量大于有林区。

4 讨论

对于植被的降水垂直分配，国外亚热带常绿阔叶林区的冠层截留率在11%～36%范围之内变化，亚寒带针叶林的截留率则在9%～48%之间[19]。我国气候类型多样，不同类型森林植被林冠层的截留率存在明显的差别[18]。本研究结果中原生植被密枝林、次生林、云南松林的截留率分别为25.81%、24.52%和26.91%，符合预期。

源于地质条件的独特性，岩溶区坡面产流系数往往非常小[20]，在贵州普定、关岭等小流域对坡耕地、灌草地、复合植被等6种植被类型的观测结果也表明，地表产流非常少，径流系数在0.01%～12.85%之间[4,9,11]。广西北部峰丛地区在不同类型的水文年份，各植被区地面径流系数均小于5%，林内的降雨主要入渗补给土壤水或地下水[5,7,10]。本次在云南滇中的观测亦表明，典型植被类型的径流系数在0.01%～0.36%之间，与贵州、广西的同类成果一致，表明观测结果是可靠的。