森林植被變化對流域產(chǎn)水產(chǎn)沙的影響：以長江中游香溪河流域為例

張紅麗，景 峰

（1.山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024；2.北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083）

森林植被對陸地生態(tài)系統(tǒng)和水文循環(huán)有著重要的調(diào)節(jié)作用，可直接影響到降雨的再分配、土壤水分運動，改變產(chǎn)匯流條件，進而在一定程度上起到削洪減洪、控制土壤侵蝕、改善流域水質(zhì)的作用[1]。森林植被變化對徑流的效應(yīng)是指由于森林破壞或林地面積增加等引起森林覆蓋度變化對流域產(chǎn)水量、泥沙產(chǎn)量的影響。前人的大量研究表明，由于影響森林植被生態(tài)功能的環(huán)境異質(zhì)性的普遍存在，不同地區(qū)、不同尺度流域森林植被變化對徑流和洪水過程的影響幅度相差較大[2～4]。自1998年長江流域發(fā)生特大洪水以來，森林植被變化對洪水和徑流的影響引起多方關(guān)注。

關(guān)于森林對河川徑流量的影響，國內(nèi)外學(xué)者一直存在爭論。國內(nèi)較為一致的看法是：黃河流域森林覆蓋率的減少會不同程度地增加河川年徑流量，長江流域有林流域年徑流量較無林或少林流域大，產(chǎn)生分歧的主要原因是缺乏較長系列的森林水文過程觀測和研究。

本文采用流域自身對比法，選擇位于長江中游的香溪河流域為研究對象，并參考有關(guān)觀測小區(qū)的研究結(jié)果，研究森林植被變化對次暴雨徑流、洪水過程及泥沙產(chǎn)量等方面的影響，以揭示森林植被變化對水文、泥沙過程的影響。

1 研究流域概況

香溪河源于湖北省神農(nóng)架林區(qū)，由北向南貫穿興山縣全境，至秭歸縣香溪鎮(zhèn)注入長江，全長94 km，主要支流有南陽河、古夫河、高嵐河，均在興山縣域內(nèi)。其流域總面積為3 057 km2，在興山縣境內(nèi)有國家級水文觀測站，水文站控制流域面積1860km2。

該流域地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有四季分明、水熱同期、暖寒不均、生物氣候多樣的特點。受大氣候影響，年降水量1 192.8 mm，多年平均流量65.5 m3/s，每年的7—8月份為洪水期。年日照時數(shù)平均為1 682 d，無霜期在低海拔區(qū)域為265 d，高海拔區(qū)域為115 d。

該流域?qū)偕降氐孛差愋停０? 200m以上地區(qū)占總面積的60%左右，海拔800 m以下地區(qū)占總面積的15%。大部分地表由紫色砂頁巖、泥質(zhì)巖、灰?guī)r、白云巖等組成，由此形成河流深切、峽谷綿延、陡巖峭壁、嶺脊尖銳、巖溶地貌發(fā)育等景觀。

流域內(nèi)土壤主要類型為黃棕壤、棕壤和暗棕壤。其中海拔600～1 500 m為黃棕壤，海拔1 500～2 200 m為棕壤，海拔2 200 m以上為暗棕壤，海拔600 m以下主要分布為水稻土、石灰土和紫色土。

香溪河從源頭至出口流經(jīng)暗針葉林帶、針闊混交林帶、常綠落葉闊葉混交林帶和常綠闊葉林帶[5]，植被垂直分布明顯。暗針葉林帶位于海拔2 300～3 100 m之間，以巴山冷杉為主。針闊混交林帶位于海拔1600～2 300 m之間，建群種有銳齒槲櫟、米心水青岡、紅樺、山楊等，針葉樹種有華山松、鐵杉、巴山松等。常綠闊葉林帶（位于海拔900 m以下）和常綠落葉闊葉混交林帶（位于海拔900～1 600m之間）分布范圍廣泛，由于人為活動頻繁，自然植被遭受不同程度破壞，有些地方已成為農(nóng)田，主要建群種有青岡、栲樹、宜昌潤楠、小葉青岡、川桂、苞石櫟、虎皮楠等，落葉樹種有野核桃、茅栗、槲櫟、化香、多種鵝耳櫪等。

2 研究方法

采用流域自身對比法，分析不同年份流域植被覆蓋度變化與水文要素變化，進而研究植被變化對流域水循環(huán)的影響。

水文資料選用1983—2002年興山站實測數(shù)據(jù)。包括逐日降水量、降水摘錄，逐日平均流量、洪水水文要素摘錄，逐日平均含沙量、輸沙率等，可從同期水文資料匯編中查得。

森林資料選用1984年、1992年兩次清查資料。

森林變化用森林覆蓋率及活立木蓄積量兩個指標(biāo)表示，20世紀八九十年代的森林面積和蓄積量從森林資源二類清查資料中獲得，具體見表1。

表1 流域森林變化表

3 森林植被變化對產(chǎn)匯流的影響

3.1 森林植被變化對單場暴雨徑流系數(shù)的影響

由于人為破壞，使得香溪河森林覆蓋率由20世紀80年代的63.23%下降到90年代的61.43%，通過比較不同年份相似降水過程下流域降雨產(chǎn)流特點（見表2），可以看出，隨著流域森林覆蓋度的降低，單場暴雨徑流系數(shù)呈增加趨勢（見圖1）。

圖1 不同年份流域徑流系數(shù)趨勢

選取20年典型暴雨進行對比分析可知，20世紀90年代暴雨徑流系數(shù)顯著高于80年代暴雨徑流系數(shù)，90年代最小徑流系數(shù)為0.20，與80年代最大徑流系數(shù)持平。在森林覆蓋率高的80年代，平均徑流系數(shù)為0.16，90年代森林覆蓋率下降后，平均徑流系數(shù)增大到0.28。說明隨著森林覆蓋率的降低，流域徑流系數(shù)呈增加趨勢。

表2 香溪河流域興山站暴雨特征

3.2 森林植被變化對單場暴雨洪水總量及其過程的影響

20世紀末，隨著砍伐森林活動的不斷加劇，森林覆蓋率逐年降低。選擇香溪河流域1992年和2002年相似的兩場降雨，運用流域自身對比法，分析流域森林植被變化對暴雨洪水總量及其過程的影響（見表3），其暴雨洪水過程見圖2。

圖2 香溪河流域植被變化洪水過程對比

表3 興山站2次洪水過程實測數(shù)據(jù)

實測920510洪水的降雨歷時為7 h，降雨量為46.3 mm，則降雨強度為0.11 mm/min。020711洪水的降雨歷時為17 h，降雨量為52.5 mm，則降雨強度為0.05 mm/min。

020711洪水總量1.38×108m3，較920510洪水總量 8.91×107m3增大 4.89×107m3。020711 洪峰流量1 870 m3/s，較 920510洪峰流量 609 m3/s增大1 261 m3/s。920510洪水的降雨強度要顯著大于020711洪水的降雨強度，但洪水總量和洪峰流量卻小于后者，說明森林可有效起到滯洪和削減洪峰的作用。

森林覆蓋率高的年份在相同降水條件下，洪水歷時比森林覆蓋率低的年份長，洪水歷時之差主要取決于降水特征，即降雨強度和降水歷時，植被減小使洪水過程的歷時縮短。020711洪水歷時為53 h，比920510洪水歷時（92.3 h）縮短了39.3 h。

經(jīng)分析可知，隨著森林覆蓋率的減小，流域攔蓄降雨徑流的能力逐漸減弱，導(dǎo)致降水轉(zhuǎn)化為徑流的數(shù)量（即徑流系數(shù)）增大，其結(jié)果是暴雨洪水峰值增大，而產(chǎn)流歷時縮短。這表明森林植被能有效攔蓄降雨，增大流域的蓄水能力。因此，在長江三峽低山丘陵區(qū)通過退耕還林還草與自然恢復(fù)等措施，增加植被覆蓋度，對提高森林涵養(yǎng)水源功能，減少水土流失是非常必要的。

4 結(jié)語

通過小流域自身對比分析可以看出，森林植被變化對流域產(chǎn)水產(chǎn)沙過程的影響效應(yīng)十分顯著。

隨著森林覆蓋率的減小，流域攔蓄降雨徑流的能力顯著減弱；降水轉(zhuǎn)化為徑流的數(shù)量（即徑流系數(shù)）增大，由20世紀80年代的0.16增大到90年代的0.28。洪水總量增大，暴雨洪水峰值增大，產(chǎn)流歷時縮短。

森林植被能有效攔蓄降雨，增大流域的蓄水能力，保護土壤減少降水對其沖刷，降低河流泥沙含量。在長江流域低山丘陵區(qū)應(yīng)采取封山育林，大力營造水土保持水源涵養(yǎng)林，建立良好的林種結(jié)構(gòu)和森林年齡結(jié)構(gòu)，提高森林覆蓋率。

［1］張志強，王禮先，等.森林植被影響徑流形成機制研究進展[J].自然資源學(xué)報，2001，16（1）：79-84.

［2］王禮先，張志強.森林植被變化的水文生態(tài)效應(yīng)研究進展[J].世界林業(yè)研究，1998，（6）：14-23.

［3］石培禮，李文華.森林植被變化對水文過程和徑流的影響效應(yīng)[J].自然資源學(xué)報，2001，16（5）：481-487.

［4］鐘祥浩，程根偉.森林植被變化對洪水的影響分析[J].山地學(xué)報，2001，19（5）：413-417.

［5］He JS（賀金生），Chen W L（陳偉烈）.A review of gradient changes in species diversity of land plant communities.Acta Ecological Sinica（in Chinese）（生態(tài)學(xué)報），1997，17（1）：91-99.