北京山區小流域不同植被覆蓋對地表徑流影響研究

王士永，賈國棟，段紅祥，宋思銘，吳海龍，張 藝

（水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京林業大學水土保持學院，北京 100083）

流域是一個相對完整的自然單元，從水量平衡角度探討植被變化引起徑流水文響應對于區域或流域等宏觀尺度研究具有重要意義[1-5]。不同的樹種、不同的植被結構，在不同的地區、不同的季節對徑流都會產生不同的影響[6-9]；國內外學者就小流域植被變化引起徑流水文響應開展了許多有意義的研究工作，包括林冠截留分配降水，枯落物促進降水再分配，土壤水分運動、地表與地下的產流與匯流條件等[10-19]。由于坡面徑流的復雜性，短時間的野外觀察和測量遠遠不能滿足實驗的要求，由于對徑流小區進行定點定位觀察已成為一個非常經典的實驗手段[20]，本研究以北京市懷柔區湯河口鎮東臺溝小流域設置的不同立地條件的標準徑流小區為研究對象，在野外大氣降水條件下，研究降雨變化特征、坡面徑流響應過程，揭示不同植被覆蓋對坡面產流的影響，強化植被防治水力侵蝕的動力學機理，以期為北京山區的土壤水蝕治理提供一定的科學理論依據。

1 研究區概況

研究區位于北京市懷柔區北部山區的湯河口鎮東臺溝小流域。地理坐標：東經116°28′～116°42′，北緯40°30′～40°57′，是密云水庫上游白河的一級支流，流域面積85.21 km2。內有莊戶溝門、大柵子、銀河溝、許營、黃花甸子、二號溝門、小梁前七個行政村。該流域屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫9℃～9.5℃，最冷一月份氣溫-7.5℃～-8℃，負積溫-580℃～-600℃；最熱七月份平均氣溫24℃～25℃，年積溫3 900℃～4 050℃。全年無霜期160 d，年蒸發量1 200 mm，多年平均降水量511 mm。降雨年際及年內分配極不均勻，多集中在6～9四個月，占全年降水雨量的81.2%，且降雨多以暴雨形式出現，由此，造成了春、秋季易發生旱災、風災，夏季易發生洪災、澇災。流域內因受自然因素的影響，植物組分較單純，層次結構簡單，覆被率不高。在陽坡主要分布著槲樹、側柏、荊條、酸棗、山杏、小葉鼠李、絨毛繡線菊，覆蓋率一般在40%；在陰坡主要分布著蒙古櫟、椴樹、大葉白醋、山揚、螞蚱腿子、三椏繡線菊、大花溲疏、平榛，覆蓋率在55%，在陰坡的中部有少數人工油松林，郁閉度在0.3左右。流域來水量多年平均為850萬m3，平水年為731萬m3，枯水年為476萬m3，水利設施可控制利用地表水45.4萬m3，流域多年平均徑流模數為4.3萬m3/km2，低于該縣山后區枯水年的徑流模數。

2 研究方法

2.1 徑流小區的設置

在東臺溝小流域設置徑流小區20個，四周為圍墻，圍墻采用混凝土預制板；圍墻下端為集流槽；邊墻兩側設有2 m寬的保護帶；集流槽下端擋墻采用混凝土澆筑，墻體留有過水孔，在墻的上方深處做反濾層并用管將壤中流引入觀測房；房內放置徑流泥沙測定儀器；觀測房下方設有排水渠，沿徑流場的上方和兩側筑有截水溝，用以攔截徑流小區四周坡地上來的徑流。各徑流小區的基本情況見表1。

2.2 儀器設備的布置

徑流小區觀測室內安裝Em50五通道數據采集器，是土壤含水量監測系統的核心部件，將之與統傳感器連接，即可實時監測土壤含水量變化，適宜用于野外長期監測。數據讀取頻率為1個/分鐘，數據刷新頻率為6次/天；為保證數據質量，電池可連續使用1年。該設備為后期安裝，作為實驗的輔助性儀器，校正傳統方法測量的土壤含水量。

各徑流小區均安置ECRN-50型自記雨量計，采用耐性塑膠制成，防水防輻射，且可自行翻斗清空容器。雨量計測定的是體積水，精度高、體積大，適用于自動記錄林內降雨。

表1 徑流小區的基本情況

在徑流小區外安裝科研級自動氣象站，用于自動監測大氣溫度、濕度、降雨量、實時風速、凈輻射等氣象因子，內存可存儲180 d，約64 000組氣象數據，根據預設配置，測量頻率為每10分鐘1組。

2.3 地表徑流、壤中流觀測

在徑流小區內，降雨后產生的地表徑流在集流槽聚集，水流通過集流槽下端導管進入觀測房，每個觀測房配置一套徑流自動記錄儀，自動記錄不同小區的地表與壤中流的變化過程；壤中流由預埋在50 cm深土層處的集水管道聚集，導入徑流小區下方集流箱，接入觀測房內的徑流自動記錄儀進行記錄。有無降水情況均數據每月15日采集一次，并實時檢查數據是否存在異常情況，遇降水情況，增加采集一次。

3 結果與分析

3.1 土壤水分狀況

對湯河口20個徑流小區在2001～2008年間6～9月的各月上旬、中旬、下旬，采用鋁盒法分別對0～10 cm、10～20 cm這兩層的土壤進行采樣，進行土壤含水率的測定，采樣時間均為無雨天氣。

由圖1可知，在2001～2008年間，這20個徑流小區的平均土壤含水率年際變化不大。經計算，其變異系數僅為2.28，平均土壤含水率最大為2008年的16.36%，其次為2004年，達16.21%；最小為2007年的9.76%，平均值為12.86%。這與同時期降雨量相關性較大，2008年6～9月間的降雨量為347.1 mm，在2004年為381.9 mm，而在2007年僅為249.6 mm。

圖1 2001～2008年平均土壤含水率變化

由圖2可知，在2001～2008年6～9月，這20個徑流小區的月平均土壤含水率變化不大，經計算，其變異系數僅為1.53，平均土壤含水率最大為8月的14.05%，其次為7月，達14.02%，最小為9月的11.18%，平均值為12.72%。7、8月的平均土壤含水率大可能跟這兩個月份降雨量大有關系。

圖2 2001～2008年6～9月平均土壤含水率變化

由圖3可知，在2001～2008年6～9月，20個徑流小區中各小區間的平均土壤含水率變化不大，其變異系數僅為0.93，平均土壤含水率的平均值為12.92%。18號徑流小區的平均土壤含水率最大，為15.04%，19號徑流小區的平均土壤含水率最小，為11.15%。不同徑流小區的平均土壤含水率雖然差異不大，但仍有波動，其原因可能是不同的徑流小區采取了不同的植被措施，導致土壤水分狀況發生了改變。

圖3 2001～2008年6～9月各小區平均土壤含水率變化

選取植被覆蓋度相對較好、有水土保持措施的5、7、9、14、18號小區，同時選取植被覆蓋度相對較差，無水土保持措施的小區6、10、12、16、19號小區，對比有植被和無植被覆蓋條件下土壤水分狀況的差異。

由表2可知有植被和無植被覆蓋條件下土壤水分狀況存在差異，植被覆蓋條件下的徑流小區平均土壤含水量值要比無植被覆蓋條件下的平均值大1.09%，可見植被對于土壤水分狀況有影響，可解釋為在植被覆蓋條件下，植被的水源涵養功能發揮作用，增加土壤水分含量。

表2 有無植被覆蓋條件下土壤水分狀況的差異

3.2 植被影響因子

3.2.1 枯落物截持降雨作用（1）枯落物最大持水量。為了研究枯落物在降雨后對接近地面的水分的截留和緩沖作用，對徑流小區典型植被刺槐和火炬樹采用浸水方法對其進行試驗，見表3。

表3 不同林分枯落物最大持水量和最大持水率

刺槐的最大持水量較大，相當于2.59 mm水深，為25.93 t/hm2；火炬樹的最大持水量較小，僅為8.54 t/hm2，但其最大持水率相對較高；刺槐、火炬樹枯落物最大持水率分別為556.64%和333.03%，刺槐＞火炬樹，與最大持水量一致，這是由于不同林種枯落物的組成及排列方式不同，分解程度也不盡相同。調查結果顯示刺槐的枯落物層厚度大于火炬樹，在很大程度上影響了枯落物層的持水能力。

（2）枯落物的減流作用。不同枯落物下產流結果表明，枯落物層對產流有一定的影響，見表4。裸露小區與有枯落物覆蓋小區產流量有明顯的差異，在坡度為28°時，三種立地條件的小區產流量差別不大，但可明顯看出有枯落物層覆蓋的徑流小區，產流量較少，刺槐＜火炬＜裸地。

表4 不同枯落物產流量 （g/h）

枯落物層在吸收降水、延緩徑流的同時，能把細小的土壤顆粒過濾出來，防止土壤中大孔隙的堵塞，從而保持林地土壤較高的滲透性能。刺槐人為高大喬木樹種，林分郁閉度高，凋落物產量及枯枝落葉層現存量大，持水率高，并且因其分解較快而有利于形成土壤非毛管孔隙，使土層具有良好的蓄水性能。因此，其具有較強的水文調節功能，是水文功能較好的植被類型。

3.2.4 林冠截留分析 植被的林冠是降雨進入植被系統的第一站，林冠對降雨的截留直接影響到森林生態系統的水分平衡，對降雨的再分配也起到了重要的作用，因此研究林冠截流對森林生態功能具有重要的意義。多年來國內外眾多學者對于林冠截留做了大量的科學研究，獲取了大量的實測數據。研究證明一般情況下，森林降雨截留占降雨總量10%～20%，林冠截留量與降雨呈現緊密的負相關關系[17]。

按截留機制，林冠截留量可分解為吸附截留量和樹體表面蒸發導致的附加截留。吸附截留進一步可分為冠層蓄水量和樹干流量。林冠截持量除取決于樹種、林分結構、郁閉度和葉面積指數外，還與降水量、降水強度、降水時間等因素有關。一般來說，林分結構越復雜、郁閉度越大、葉面積指數越大，林冠截流量就越大。降水量少、降水時間持續長，林冠截持降水量也就相對大，截留率高。測定火炬樹、刺槐徑流小區的截留降雨情況，結果見表5。從表中可知，兩種植被的林冠截留作用都很明顯，截流率分別為29.30%、22.04%，其主要原因在于刺槐葉面積指數大，比較密集，而作為火炬樹葉子雖然較大，毛細張力小，而且葉子總數但與刺槐相比，總量處于劣勢，所以截留量少，這個結果與許多其他區域林冠截留降雨的研究結論十分吻合[5,20]。

3.3 不同措施處理小區對坡面產流的影響

不同的植被類型對坡面產流的影響存在差異，為了進一步了解因植被差異造成的徑流效應的不同，用定量的方法從地表徑流著手，對不同立地條件間的具體差異進行比較分析。選取植被覆蓋度相對較好、有水土保持措施的7、9、14、18號小區，同時選取植被覆蓋度相對較差，無水土保持措施的小區6、10、12、16號小區，對比有植被和無植被覆蓋條件下坡面產流的差異。

表5 不同林分類型樹冠截留降雨分析

選擇2004～2008年典型降雨條件下，4場中雨、4場暴雨共8場降雨，對不同措施處理小區對坡面產流的作用差異性進行研究。

3.3.1 典型中雨條件下坡面產流對照 選擇2007年7月6日、2007年8月1日、2007年8月13日、2008年5月26日共4場降雨，降雨量分別為25、22.6、15.3、11 mm，都具備常年大多數降雨的基本特征，測得這4場降雨的平均地表徑流分析見表6.由表6可知，經ANOVA方差分析，有植被和無植被覆蓋條件下坡面產流存在差異顯著，有植被覆蓋的徑流小區的徑流量、徑流深、徑流系數、單位面積徑流量的平均值分別為0.055 m3、1.07 mm、0.055、1 070.9 m3/km2，而無植被覆蓋的徑流小區的徑流量、徑流深、徑流系數、單位面積徑流量的平均值分別為0.318 m3、4.29 mm、0.220、4 291.3 m3/km2，后者分別是前者的5.8、4.0、4.0、4.0倍，可見在中雨條件下，有植被和無植被覆蓋條件下徑流小區的坡面產流的差異顯著，植被對于坡面減流作用效果明顯。

表6 中雨條件下平均地表徑流分析

3.3.2 典型暴雨條件下坡面產流對照 選擇2004年6月22日、2006年6月28日、2007年7月7日、2007年8月4日共4場降雨，降雨量分別為29.5、39.8、28.5、29.7 mm，都具備常年大多數降雨的基本特征，測得這4場降雨的平均地表徑流分析見表7。

表7 暴雨條件下平均地表徑流分析

由表7可知，有植被和無植被覆蓋條件下坡面產流的差異顯著，有植被覆蓋的徑流小區的徑流量、徑流深、徑流系數、單位面積徑流量的平均值分別為0.12 m3、2.40 mm、0.08、2416.5 m3/km2，而無植被覆蓋的徑流小區的徑流量、徑流深、徑流系數、單位面積徑流量的平均值分別為0.59 m3、8.39 mm、0.29、8 378.5 m3/km2，后者分別是前者的4.9、3.5、3.6、3.5倍，可見在暴雨條件下，有植被和無植被覆蓋條件下徑流小區的坡面產流的差異顯著，植被對于坡面減流作用效果明顯。

4 結論與討論

4.1 結論

（1）有植被覆蓋條件下的徑流小區的平均土壤含水量的平均值要比無植被覆蓋條件下的平均值大1.09%。

（2）枯落物層厚度在很大程度上影響了枯落物層的持水能力，刺槐最大持水率＞火炬樹最大持水率。

（3）三種立地條件下徑流小區的產流量排序為刺槐＜火炬＜裸地，總而言之，有枯落物層覆蓋的徑流小區，產流量較少。

（4）刺槐、火炬樹的林冠截流率分別為29.30%、22.04%，截留作用都很明顯。

（5）中雨條件下，有植被覆蓋的徑流小區的徑流量、徑流深、徑流系數、單位面積徑流量的平均值分別是無植被覆蓋的徑流小區的5.8、4.0、4.0、4.0倍；暴雨條件下，有植被覆蓋的徑流小區的徑流量、徑流深、徑流系數、單位面積徑流量的平均值分別是無植被覆蓋的徑流小區的4.9、3.5、3.6、3.5倍，可見有植被和無植被覆蓋條件下徑流小區的坡面產流的差異顯著，植被對于坡面減流作用效果明顯。

4.2 討論

本研究表明有植被覆蓋條件下的徑流小區的平均土壤含水量的平均值要比無植被覆蓋條件下的平均值大。可見，在植被覆蓋條件下土壤水分含量相對較高，說明植被對水源涵養發揮了作用。植物枯落物層分解較快，有利于形成土壤非毛管孔隙，使土層具有良好的蓄水性能，保持林地土壤較高的滲透性能，從而加強土壤的水文調節功能。不論是枯落物對降雨的有效攔蓄，還是它對徑流的阻滯作用，最終都表現在它對林地的減流方面，從而有力地說明了在水土保持過程中，枯落物發揮了巨大的作用。林內地表枯枝落葉覆蓋形成保護層，維持了土壤結構的穩定，并增加土壤有機質，參與土壤團粒結構的形成，有效地增加土壤孔隙度，大量地表徑流變成地下徑流，減少了土壤侵蝕的可能性。所以，應高度重視林分結構和樹種組成的調整，通過補闊或人工營造針闊混交林提高林分的穩定性，調整枯枝落葉的組成，有利于提高森林生態系統的涵養水源和保持水土功能。

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