鳳陽山枯落物水文特性研究

郭曉平，張金池*，司登宇，莊家堯，王 群，劉國龍，李美琴，劉玲娟

（1. 南京林業大學森林資源與環境學院，江蘇 南京 210037；2. 浙江鳳陽山—百山祖國家級自然保護區鳳陽山管理處，浙江 龍泉 323700）

枯落物，又稱凋落物。森林枯落物是指覆蓋在林地土壤表面的由苔蘚及森林植物落下的莖、葉、枝條、芽鱗、花、果實、樹皮等凋落物及動植物體分解而成的死地被物[1]。森林枯落物層在截持降水、防止土壤濺蝕、阻延地表徑流、抑制土壤水分蒸發、增強土壤抗沖性能等方面都具有非常重要的意義[2]。有研究表明，在沒有枯落物覆蓋的地區，產生的水土流失量是對照裸地的70余倍[3]?？萋湮飳铀a生的減沙效益十分顯著[4]，其涵養水源的能力也很巨大，其蓄水能力可達到森林總蓄水量的47%[5]。

但由于枯落物層厚度、分層特性、分解程度、組成結構、含水量的時空變異特性，使得對于枯落物的研究難度較大[6]，目前大量的研究主要集中在枯落物的分解過程，以及枯落物分解的影響因素上[7～11]，對于枯落物層的水文特性研究也主要集中在枯落物層的蓄積量及持水能力、枯落物層對降水的截留以及枯落物層抑制土壤水分蒸發效應方面[12]，而對枯落物水文效應中的徑流、滲流特性研究很少。

本文通過人工模擬降雨的方法，對浙江鳳陽山枯落物層的水文特性，尤其是徑流、滲流特性進行了研究。

1 研究區概況

鳳陽山自然保護區位于浙江省麗水市，地處 27° 46′ ～ 27° 58′ N，119° 06′ ～ 119° 15′ E，面積 15171.4 hm2，氣候為亞熱帶濕潤季風氣候，降水充沛，年平均降水量2325 mm，相對濕度大，氣候特征垂直差異顯著。保護區內有針葉林、針闊葉混交林、常綠闊葉混交林、常綠闊葉林、山地矮曲林、竹林、灌叢、草叢等多個植被型組[13]，生物多樣性資源豐富。

2 研究方法

2.1 實驗地點

實驗地點為鳳陽山自然保護區管理處所提供的實驗場地，海拔1350 m。

2.2 實驗設備

模擬降雨設備一套、特制網格一片，特制集水導管一根。模擬降雨設備的主要部件為加壓裝置和噴水裝置。加壓裝置可以調節模擬降雨的水量，噴水裝置便于拆卸和調節噴頭高度、角度，以及噴頭間距離。該裝置對于雨強調節的范圍為20 ～ 150 mm/h。實驗用的特制網格由18根鋼質橫線和 10根鋼質縱線焊接而成，焊接時縱線在橫線下方。其中縱線長度112 cm，橫線長度64 cm，線徑2.5 mm，網格形狀為6 cm×6 cm的正方形。再使用0.8 mm線徑的高強度尼龍線，將每一個6 cm×6 cm的網格均分成4個3 cm×3 cm子網格（圖1）。

圖1 網格主視圖及俯視圖Figure 1 Grid

集水導管截面為漸變截面，上表面靠緊網格最下部的橫線。集水導管設計成漸變截面，由PVC管傾斜切割而成，使得集水導管的上表面緊靠住網格時，產生一個微傾的角度，這樣，可以使流入集水管的徑流可以較容易的被收集到端部的容器中。在實驗前還需要對集水管管內壁進行防水處理，并進行了預濕潤。將集水管安裝固定到網格上時，在網格的上部進行了處理，將網格上部的枯落物進行遮蓋處理，遮蓋的部位沿網格向上超出5cm，這樣一方面確保降雨不能直接降入集水管內，另一方面，由于實驗調節坡度最大為40°，靠近集水導管的枯落物厚度一般不超過5 cm，這樣能確保在各個坡度下所收集的只有徑流。

2.3 實驗方法

原狀枯落物的采集：枯落物采集地最終選擇在27° 54′ 2.8″ N，119° 10′ 30.6″ E，海拔1400 m處的一處林地。該林地距離實驗場地500 m左右，受人為擾動很少，為針葉、闊葉混交的天然次生林，主要樹種為杉木＋灌木＋松，林齡40 ～ 50 a，坡向西偏南5°，坡度30°。經測定，該處枯落物未分解層的平均厚度為3.48 cm，半分解層的平均厚度為2.65 cm，腐殖質層的平均厚度為5.20 cm，且枯落物分布連續情況良好。

在選定枯落物采集點的坡位下方先取30 cm深，50 cm寬的剖面，然后迎著坡度向上，用特制的機械鉆土工具穿入腐殖質層下部5 cm左右的土壤層，該工具直徑為8 cm，長度為80 cm。該林地如果鉆的過程突破枯落物層，則認為取樣失敗，并在其他地方重新選擇。之后，由兩位工人一起將枯落物連同腐殖質移到事先固定的特制擔架網格上，然后將采集到的實驗用枯落物運輸到駐地，運輸過程中必須確保擔架的穩定，以維持所采集枯落物的原狀態。

為了研究鳳陽山枯落物的水文特性，尤其是徑流、滲流的特性，根據鳳陽山的坡度特點，以及林內降雨特點，分別采用均勻降雨和集中降雨的方法。采取均勻降雨的方法時，將噴頭位置調節并固定在距離地面3 m處，調節加壓裝置，將實驗雨強調整為60、120 mm/h，用坡度儀調節各組實驗坡度分別為15、20、25、30、35、40°。

每組模擬降雨時間持續15 min，記錄整個實驗裝置滲流、徑流開始產生的時間；模擬降雨結束后收集到的徑流量；模擬降雨裝置關閉后滲流、徑流延續的時間。

采用集中降雨的方法時，調節降雨裝置，使降雨集中在一點（該點位于網格上的坐標a 4、a 5之間）。沿著網格a ～ j的方向，等距離擺放10個收集器，收集器的編號依次為I ～ X。每次降雨時間為10 min，記錄各收集器開始收集到滲流的時間，記錄降雨結束時的各收集器水位。

模擬降雨結束后，若徑流、滲流收集過程中相鄰兩滴水間隔時間超過3 min則視為徑流、滲流結束。

模擬降雨實驗水源取自鳳陽山自然保護區的自來水供水系統，實驗剩余的水全部滲入土壤。

3 結果與分析

3.1 均勻降雨實驗結果（表1）

表1 模擬均勻降雨實驗記錄Table 1 Simulated even rainfall

3.1.1Q與θ的關系Q與θ的關系見圖2。經比較，60 mm/h與120 mm/h雨強條件下采用ecosθ與滲流量的擬合關系，擬合方程分別為：

圖2及擬合方程說明：在一定的雨強條件下，Q與θ有密切關系，θ越大，Q越大，Q與θ呈線性關系。由上述兩個擬合方程可知，方程的系數和常數項也近似呈2倍關系，說明在該實驗條件下，Q與降雨強度有密切關系，降雨強度越大，Q越大，而且Q與降雨強度變化成正比例關系。

3.1.2t21與θ的關系 模擬降雨結束后滲流延續時間t21與坡度θ的關系見圖3。由圖3可以看出，60 mm/h雨強與120 mm/h雨強條件下t21與θ值的變化一致，經比較，采用對數方程擬合較好。60 mm/h、120 mm/h雨強條件下滲流的持續時間擬合方程分別為：

圖3及擬合方程說明，在一定的雨強條件下，t21與θ有密切關系，θ越大，t21越大，t21與θ呈線性關系，在不同雨強條件下，滲流持續時間及其變化大致一致。

圖2 ecos θ與Q的關系Figure 2 Relation between ecos θand Q

圖3 sin θ與t21的關系Figure 3 Relation between sin θ and t21

3.1.3t22與θ的關系 模擬降雨結束后徑流延續時間t22與坡度θ的關系見圖4。經比較，60 mm/h、120 mm/h雨強條件下t22與θ進行線性擬合較為理想，擬合方程分別為：

圖4及擬合方程說明：在一定的雨強條件下，t22時間與θ有著密切關系，θ越大，t22越大；在不同雨強條件下，t22與θ呈線性關系。

3.1.4t41與θ的關系t41與θ關系如圖5。

60 mm/h、120 mm/h雨強條件下t41與θ的弧度值關系如表2。

圖5及表2說明：在該實驗條件下，t41范圍為1.41 ～ 2.33，而且t41與θ有密切關系，坡度越大，t41越大，并且t41與坡度呈對數變化關系。

圖4 ecos θ 與 t22 的關系Figure 4 Relation between ecos θ and t22

圖5 t41與θ的關系Figure 5 Relation between t41 andθ

3.1.5t42與θ的關系t42與θ的關系見圖6及表2。

圖6及表3說明，在該實驗條件下，t42范圍為1.41 ～ 2.33，與t42變化范圍比較一致；t42與θ有密切關系，坡度越大，t42越大，而且t42與坡度變化呈指數關系。

3.2 集中降雨實驗

3.2.1 徑流和滲流在網格中的分布規律 各坡度枯落物徑流和滲流的分布狀況如圖 7，各坡度產生徑流并下滲所分布的網格數見圖8。

表2 t41及t42擬合方程Table 2 Fitting equation of t41 and t42

圖6 t42與θ的關系Figure 6 Relation between t42 andθ

圖7 徑流和滲流的網格分布狀況Figure 7 Distribution of runoff and infilration at grid

圖8 滲流網格數與cosθ的關系Figure 8 Relation of infiltration grids with cosθ

圖9 25 ～ 40°各收集器產生滲流時間Figure 9 Start of infiltration at grids from slope of 25-40°

滲流網格數與坡度關系擬合曲線方程為：

由擬合曲線方程可以看出，產生滲流的網格數與坡度余弦值呈線性關系，且擬合程度較高。

3.2.2 不同坡度下各收集器產生滲流的時間規律 不同坡度下各收集器產生滲流的時間以及擬合曲線如圖 9，實驗中，編號VII ～ X的收集器未產生滲流，坡度為15°和20°的收集器產生滲流時間有缺失值，故未在圖中繪出。

由圖9可看出，各坡度產生滲流的時間隨著距離的增加，呈現線性變化；當坡度大于30°時，隨著坡度的增加，各收集器產生滲流的時間縮短；當小于25°時，距離越遠，產生滲流的時間變長，且變化越明顯；隨著坡度的降低，產生滲流的距離縮短。

坡度與各收集器產生滲流時間擬合方程見表3。f（x）表示不同坡度條件下收集器編號與產流時間的關系，由于收集器編號與收集器距離之間的對應關系，將該方程換算為收集器距離與產流時間的關系，即f（l），由R2的值可知，該擬合較好。

表3 坡度與產生滲流時間的擬合模型Table 3 Fitting model for slope and start of infiltration

3.2.3 不同坡度條件下各收集器產生滲流流量的規律 不同坡度下各收集器產生滲流流量見表4。經比較，I ～ II收集器滲流之和所占總滲流的百分比與坡度值的直線關系較明顯（圖10）。

表4 各收集器收集的滲流量Table 4 Infiltration at different grids mL

擬合方程為：y= －0.501x＋1.128R2= 0.943。

由圖10及表4可以得出：在一定雨強條件下，滲流主要集中在I和II收集器上；且隨著坡度增加，所占比例直線減少；產生滲流的距離隨著坡度的增大而逐漸增加，最終會穩定在一個最大值；存在一個極限坡度，當小于該坡度時，枯落物層將不產生徑流。

圖10 I ～ II收集器滲流之和所占總滲流的比例與坡度值的關系Figure 10 Percentage of infiltration of I-II and slope

4 結論

枯落物層在一定的雨強和降雨時間條件下，所產生的徑流量與坡度有著密切關系，坡度越大，產生的徑流量越大，徑流量與坡度呈線性關系；徑流量與降雨強度有密切關系，降雨強度越大，產生的徑流量越大，而且徑流量與降雨強度變化成正比。

降雨結束后滲流的延續時間與坡度有著密切關系，坡度越大，滲流延續時間越長，且滲流延續時間與坡度呈線性關系；降雨結束后徑流延續時間與坡度有著密切關系，坡度越大，徑流延續時間越長，在不同雨強條件下，徑流結束時間與坡度呈線性關系。

一般情況下，滲流較徑流先產生、后結束（除60 mm/h雨強下40°坡度的滲流結束時間小于徑流結束時間）。

t41與θ有密切關系，θ越大，t41越大，并且t41與θ呈對數變化關系；t42與θ也有密切關系，θ越大，t42越大；t42與θ呈指數變化關系。

滲流的面積與cosθ呈現線性關系，隨著坡度的增大，產生滲流面積增大。滲流的出現時間隨著距離的增加，呈現線性變化，當坡度大于30°時，隨著坡度的增加，各距離出現滲流的時間縮短；當小于25°時，距離越遠，產生滲流的時間變長；產生滲流的距離縮短說明隨著坡度達到一定值之后，徑流增強，滲流減弱。

滲流主要集中在降雨點附近，并且該區域的滲流量所占由該降雨點所引起的總滲流量比例隨著坡度的變化而有規律的變化；隨著坡度增加，該比例直線減少；滲流產生的距離隨著坡度的增加而增加，并且會穩定在一個最大值。

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