黃土高原呂二溝流域不同植被下的坡面徑流特征

呂錫芝，康玲玲，左仲國，孫娟，倪用鑫

黃河水利科學研究院//水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，河南 鄭州 450003

黃土高原呂二溝流域不同植被下的坡面徑流特征

呂錫芝，康玲玲，左仲國，孫娟，倪用鑫

黃河水利科學研究院//水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，河南 鄭州 450003

摘要：為研究不同植被下的坡面徑流及其組分特征，選擇黃土高原丘陵溝壑區第三副區典型小流域不同植被為研究對象，采用野外定位觀測與室內試驗相結合的方法，分析坡面上不同植被下的徑流特征，以期為該區域的森林植被恢復與經營提供理論依據和技術支撐。結果表明：不同的林分由于其植被情況、土壤狀況、根系等其他條件的不同，其對地表徑流、壤中流等徑流組分的影響有所差異，在相同的降雨條件下，4個不同植被類型的徑流小區其產流量表現為灌木>混交>刺槐>油松，地表徑流量也表現出相同的規律，表現為灌木>刺槐>油松>混交，而壤中流量則不同于上述兩者，表現為混交>油松>灌木>刺槐。刺槐和灌木徑流小區的坡面徑流主要形式為地表徑流，分別占總徑流的95.61%和91.62%；混交徑流小區的坡面徑流主要形式為壤中流，占總徑流的90.86%；而油松徑流小區的坡面徑流各組分所占比例較平均，地表徑流和壤中流所占比例分別為61.99%和38.01%。降水是徑流產流的最主要的來源，尤其是對于季節性降水明顯的黃土高原地區，降雨量達到一定的閾值才會產生徑流過程；降雨強度對地表徑流和壤中流的影響有所差異；前期土壤含水量是影響坡面產流的一個非常重要的因素。關鍵詞：黃土高原；植被；坡面徑流；地表徑流；壤中流

引用格式：呂錫芝，康玲玲，左仲國，孫娟，倪用鑫. 黃土高原呂二溝流域不同植被下的坡面徑流特征[J]. 生態環境學報, 2015, 24(7): 1113-1117.

LV Xizhi, KANG Lingling, ZUO Zhongguo, SUN Juan, NI Yongxin. Characteristics of Slope Runoff under Different Vegetation Conditions in Lvergou Watershed of the Loess Plateau [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(7): 1113-1117.

近年來，水資源短缺的問題已成為制約黃土高原地區經濟和社會發展的瓶頸問題，同時也是限制干旱和半干旱地區生態系統中森林植被分布和生物多樣性的關鍵因子（琚彤軍等，2007；王占禮等，2005；于國強等，2010；張建軍等，2008；王清華等，2004）。作為最大的陸地生態系統，森林植被對水分循環的調節作用是巨大的，它影響著水量平衡的每個環節（Hamed et al.，2002；Liu et al.，2014；Pan et al.，2006）。在水資源匱乏的黃土高原地區，森林植被維持自身生長就需要不斷蒸騰耗水，而植被的種類、數量和結構的不合理會造成黃土高原地區的水資源不能滿足森林植被的正常生長所需，這就導致了水資源的長年短缺伴隨著生態環境逐年退化的惡性循環（駱宗詩等，2007；石培禮等，2001；吳希媛等，2006；于國強等，2009；左小安等，2009）。森林植被作為很重要的生態恢復因子，其蓄水保土、截留降水、減少地表徑流、攔截泥沙等方面的作用已被大量的研究結果所證實（周光益等，1993；太立坤等，2009；Wang et al.，2013；王玉杰等，2005；肖金強等，2006；張永利等，2010；朱曉梅等，2009）。

在森林生態與水文過程之間，具有復雜的響應關系和相互作用，關鍵影響過程和功能大小也有時空尺度變化和區域差異，而目前科學認識仍不統一并嚴重滯后，即使在森林影響徑流和洪水這些傳統方面也還不一致；在森林影響產流方面更是爭論很大，森林植被如何對黃土高原地區的水資源形成過程進行調控，其對徑流量的影響有多大，由于植被重建導致的徑流減少量占該地區徑流減少量的比例有多大，這些問題都嚴重制約著林業生態工程管理的科學決策。關于森林植被影響水文過程尤其是徑流的形成過程的研究，在坡面尺度上，不同植被下的坡面徑流及其組分特征的研究較少。鑒于以上問題，本研究選擇黃土高原丘陵溝壑區第三副區典型小流域不同植被為研究對象，采用野外定位觀測與室內測試分析相結合的方法，研究不同植被下的坡面徑流特征，以期為該區域的森林植被恢復與經營提供理論依據和技術支撐。

1　材料與方法

1.1試驗地概況

試驗地位于甘肅省天水市南郊的呂二溝流域，地貌上屬于我國黃土高原丘陵溝壑區第三副區，地理坐標為E105°42′20′′～105°44′20′′，N34°30′40′′～34°34′20′′之間，流域總面積為12.01 km2。氣候屬于溫帶半干旱大陸性氣候，雨熱同期。多年平均氣溫為1.04 ℃，最高溫度出現在7─8月份，平均為22.1 ℃，最低溫度出現在1月份，多年平均為0.52 ℃。多年平均降水量為533.65 mm，6─9月4個月間降水總量占全年降水量的85%以上。土壤為黃土質灰褐土，土層厚度50 cm以上。植被類型為溫帶落葉林帶，主要喬木樹種有油松（Pinus tabulaeform）、刺槐（Quercus variabilis）等，主要的灌木樹種有沙棘（Hippophae rhamnoide Linn）、酸棗（Ziziphus jujuba var.spinosa）等，主要的草本植物有白羊草（Bothriochloa ischaemum）、中華羊茅（Festuca sinensis Keng）、狗牙根（Cynodon dactylon）、鐵桿蒿（Artemisia sacrorum Ledeb）等。

1.2試驗設計

選擇流域內的典型林分類型（灌木林、刺槐林、油松林、針闊混交林）設置固定樣地，在固定樣地內各設置一個天然降雨徑流場，位置設置在坡面平整的坡地上。徑流場寬5 m，與等高線平行，水平投影長20 m，水平投影面積100 m2。徑流場上部及兩側設置圍埂，圍埂外側設置保護帶，寬2 m，處理和徑流場相同，下部設置集水槽，在徑流場集水槽出水口，安裝地表徑流測量系統的平緩導流槽進行引流，確保對接嚴密無縫隙，承接徑流小區地表徑流。導流槽下土壤內再設置壤中流導水管，導流槽及壤中流導水管均接入不同的分流箱，地表徑流及壤中流由水箱中HOBO水位計自動監測。徑流場概況見表1。

表1　徑流場基本信息表Table 1 Runoff plots’ basic information

在實驗樣地內外各設置一個小型氣象站，實時監測空氣溫度（℃）、降雨量（mm）、降雨強度（mm·min-1）、凈輻射（W·m-2）、空氣相對濕度（%），風速（m·s-1）和風向等氣象因子，數據采集頻率為每分鐘1次。

2　試驗結果及討論

不同的林分由于其植被情況、土壤狀況、根系等等其他條件的不同，其對地表徑流、壤中流等徑流組分的影響也有差異，本研究為了解不同林分對不同徑流組分的影響，對不同林分的地表徑流和壤中流進行定量分析和比較。

2.1坡面總徑流特征

2012年和2013年兩個生長季（6月─9月）期間，試驗地共降雨41次，其中有9場降雨使坡面產生徑流，4種植被類型徑流小區產流情況如表2所示。在相同的降雨條件下，4個不同植被類型的徑流小區其產流量也有所差異，其中灌木徑流小區的產流總量最大，為10.48 mm；其次為混交林徑流小區，其產流總量為7.65 mm；再次為油松徑流小區，其產流總量為5.51 mm；而刺槐徑流小區產流總量最小，其產流總量為3.25 mm。單場降雨條件下各徑流小區產流量也表現出相同的規律，也表現為灌木>混交>刺槐>油松。

表2　試驗徑流小區坡面總產流量Table 2 Runoff plots slope runoff　mm

植被減少坡面徑流主要是通過林冠截留、增加土壤入滲和增加坡面蒸散發而產生作用。喬木林分與灌木林相比，喬木林冠層對降雨的截留量更大（范世香等，2007），一般可達到降雨量的20%～30%；同時其蒸騰作用要遠遠大于灌木的蒸騰量，因此其坡面蒸散發量更大；喬木樹種的根系可達土壤下50～100 cm，而灌木的根系多分布在土壤表層0～20 cm，喬木樹種對于增加土壤孔隙度等的土壤改良作用更大，使得喬木林分的坡面土壤入滲量要遠大于灌木林分。另外，由于生長季雨水充沛，喬木林下也有相當密集的灌木存在。因此，喬木林分坡面產流量要遠遠小于灌木坡面產流。

就不同的喬木林分來說，其不同的林冠結構導致不同的林冠截留量可能是其坡面產流量差異的主要原因。針葉樹種由于其密集的針葉，具有更大的林冠截留量，有些甚至林冠截留量可達30%以上，因此在本研究中，混交林分坡面的產流量更大；油松由于葉片呈細長針狀，而且多為簇狀生長，因此具有更大的林冠截留量；而刺槐葉片較短，而且片狀生長，因此林冠截留量相比油松林分更小。因此在本研究區，產流量混交坡面>刺槐坡面>油松坡面。

2.2不同植被坡面徑流組分特征

為分析不同植被對坡面地表徑流及壤中流的影響，9次產流過程的4個徑流小區的坡面地表徑流量和壤中流量如表3所示。

從表3可以看出，在相同的降雨條件下，4個不同植被類型的徑流小區其地表徑流量也有所差異。2012年和2013年兩個生長季，在4個徑流小區中，灌木徑流小區的地表徑流量最大，為9.60 mm；其次為刺槐徑流小區，其產流總量為5.27 mm；再次為油松徑流小區，地表徑流量為2.02 mm；而混交徑流小區地表徑流量最小，為0.70 mm。單場降雨條件下各徑流小區產流量也表現出相同的規律，也表現為灌木>刺槐>油松>混交。

4個不同植被類型的徑流小區其壤中流產流量也有所差異。其中混交徑流小區的坡面壤中流產流量最大，為6.95 mm；其次為油松徑流小區，壤中流產流量為1.24 mm；再次為灌木徑流小區，為0.88 mm；刺槐坡面徑流小區的壤中流產流量最小，僅為0.24 mm。

為進一步研究不同植被對徑流組分的影響，特分析4個徑流小區的地表徑流和壤中流所占百分比如圖1所示。

圖1　各試驗徑流小區徑流組分百分比Fig. 1 The percentage of runoff component in runoff plots

從圖1中可以看出，刺槐和灌木徑流小區的坡面徑流主要形式為地表徑流，分別占總徑流的95.61%和91.62%；混交徑流小區的坡面徑流主要形式為壤中流，占總徑流的90.86%；而油松徑流小區的坡面徑流各組分所占比例較平均，地表徑流和壤中流所占比例分別為61.99%和38.01%。

表3　試驗徑流小區坡面地表徑流量和壤中流量Table 3 Runoff plots slope surface runoff and interflow　mm

壤中流是土壤包氣帶中的一種飽和水流，與土壤結構密切相關。植被類型為針闊混交的坡面，其不同樹種的枯落物和根系分布相對于單一樹種來說，具有更好的土壤改良效果，更有利于坡面土壤入滲，因此，其徑流以壤中流為最主要的形式。灌木樹種的根系較淺，對土壤孔隙度的影響很有限；刺槐雖為喬木樹種，但研究表明，其根系多分布在土壤40～60 cm，另一方面，刺槐林的林下枯落物很少，其對土壤入滲的促進作用有限，因此灌木坡面和側柏坡面的徑流形式主要為地表徑流。油松林的枯落物較厚，而且其枯落物為松針，十分蓬松，有利于蓄水，另一方面，其根系分布可達土壤下60～90 cm，因此，其徑流形式較豐富，地表徑流和壤中流所占比例較為平均。

由于黃土高原地區降水季節性明顯，在研究區影響坡面產流的形成及其徑流量大小及其組分組成的最主要的因素是林下枯落物的厚度。枯落物層有更的大孔隙結構，相比于土壤層，更有利于降雨前期的降雨的儲存，而減少了裸土層的“超滲產流”的產生。就4種林分類型來看，混交林林下枯落物層最厚，油松林次之，而刺槐林與灌木林的林下枯落物則較少，因此4種林分中，混交林的徑流形式多以壤中流為主，而刺槐林與灌木林則多以地表徑流的形式。

同一降雨條件下不同林型的坡面，其地表徑流產流過程也有所差異。本文選擇一次降雨產流過程，對比分析各徑流小區坡面地表徑流產流過程如圖2所示。

從圖2中可以看出，4種林型的地表徑流產流過程曲線的變化趨勢大體上表現一致，呈現出了一定的層次感，這說明不同的林型對地表徑流的產流過程有了一定的影響，但似乎只是對地表徑流發生、結束時間和徑流量有明顯影響，而對整個地表徑流過程曲線并沒有太大的影響，林型之間的差異只是對這個過程改變的大小而已。觀察地表徑流曲線與降雨過程曲線可以看出，地表徑流的產流過程與降雨過程有明顯的相似性，地表徑流的峰值與降雨量的峰值出現的時刻十分相近，這說明地表徑流的產流過程主要受降雨這個起源動力的影響，而不同的林型則主要影響其發生、結束時間和產流量，而對整個產流過程曲線的影響不大。

圖2　各徑流小區坡面地表徑流產流過程Fig. 2 Slope surface runoff process in runoff plots

2.3坡面產流分析

降水是徑流產流的最主要的來源，尤其是對于季節性降水明顯的黃土高原地區，其生長季6─9月份降雨占全年降雨的80%以上。研究區2012─2013年6─9月的兩個生長季期間共降水60次，而只產流9次。在所有的降雨場次上看，大部分（47次）降雨的降雨量均小于20 mm，而產流的9次降雨其雨量均大于20 mm，因此降雨量對坡面的產流有直接的影響作用，降雨量達到一定的閾值才會產生徑流過程。與地表徑流相似，降雨量對壤中流量也有很重要的影響。2012─2013年的兩個生長季內的9次壤中流產流過程也多發生在降雨量大于20 mm的次降雨，而低雨量的降雨，降水多被林地土壤所涵蓄，并不能產生壤中流。

坡面產流形式主要分為蓄滿產流和超滲產流兩種，由此可知，降雨對坡面產流的影響中，除了降雨量的影響以外，降雨強度也是一個不容忽視的問題。就2012年7月15日與2013年6月24日的降雨過程對比，兩場降雨的降雨量分別為30.20與24.20 mm，降雨量相差不大，但后一場降雨產生的坡面徑流，而前一場降雨則沒有徑流產生，這主要是由于兩場降雨的雨強不同，前者的降雨雨強為3.86 mm·min-1，而后者僅為0.95 mm·min-1。雨強對壤中流的影響與對地表徑流的影響有所差異，降雨強度越大，越不利于雨水的入滲，而多以超滲產流的形式形成地表徑流。而雨強越小，越有利于雨水向土壤的入滲，而隨著土壤入滲量的增大，土壤慢慢達到飽和，形成壤中流。

除降雨因素以外，許多研究均指出，前期土壤含水量是影響坡面產流的一個非常重要的因素（張向炎，2010），尤其是對研究區生長季期間，降雨頻繁，蒸散發強烈。前期降水量越大，土壤越容易達到飽和，也就越容易產生地表徑流。2013年9月1日的降雨，降雨量達到97.60 mm，降雨強度也較高，為3.72 mm·min-1，降雨量跟雨強均較大，但并未產生徑流。這主要是由于前期土壤含水量十分低，從8月13日至8月31日的20 d的時間內沒有任何降雨，而8月份氣溫高、輻射強，林地蒸散發強烈，土壤含水量十分低，因此，盡管這場降雨雨量和雨強均較大，依然沒有產生徑流。前期土壤含水量不僅對地表徑流有影響，同樣對壤中流的影響也不容忽視。前期土壤含水量約小，大量降雨在入滲土壤層后多以土壤水的形式被含蓄在土壤中，土壤不容易達到飽和，無法產生壤中流。而前期土壤含水量越大，土壤剩余的入滲容量越小，林下土壤也越容易達到飽和，隨著降雨的進行，入滲的土壤水分無法再以土壤水的形式儲存在土壤層中，形成壤中流。

3　結論

（1）不同的林分由于其植被情況、土壤狀況、根系等等其他條件的不同，其對地表徑流、壤中流的徑流組分的影響也有差異，植被減少坡面徑流主要是通過林冠截留、增加土壤入滲和增加坡面蒸散發而產生作用。在相同的降雨條件下，4個不同植被類型的徑流小區其產流量表現為灌木>混交>刺槐>油松，地表徑流量也表現出相同的規律，表現為灌木>刺槐>油松>混交，而壤中流量則不同于上述兩者，表現為混交>油松>灌木>刺槐。

刺槐和灌木徑流小區的坡面徑流主要形式為地表徑流，分別占總徑流的95.61%和91.62%；混交徑流小區的坡面徑流主要形式為壤中流，占總徑流的90.86%；而油松徑流小區的坡面徑流各組分所占比例較平均，地表徑流和壤中流所占比例分別為61.99%和38.01%。

（2）降水導致地表徑流與壤中流的產生過程中均存在一個閾值，當降水量達到閾值坡面徑流才會產生。降雨強度對地表徑流和壤中流的影響有所差異，降雨強度越大，而多以超滲產流的形式形成地表徑流；而雨強越小，越容易形成壤中流。前期土壤含水量是決定徑流產生與否的重要的影響因子，前期土壤含水量越大越容易產生坡面產流。

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Characteristics of Slope Runoff under Different Vegetation Conditions in Lvergou Watershed of the Loess Plateau

LV Xizhi, KANG Lingling, ZUO Zhongguo, SUN Juan, NI Yongxin
Yellow River Institute of Hydraulic Research//Key Laboratory of the Loess Plateau Soil Erosion and Water Loss Process and Control of Ministry of Water Resources, Zhengzhou 450003, China

Abstract:To study characteristics of slope runoff and its components under different vegetation，different vegetation of typical small watershed in Loess Hilly Region Third Deputy District was selected in this paper. Using the methods of field observation and laboratory test to analyze the slope runoff characteristics under different vegetation, the paper will provide theory and technology support for forest vegetation restore and management in this region. The results showed that the impacts of different stand on surface runoff, subsurface flow and other runoff components varied because of its different vegetation, soil conditions and roots, etc. Under the same rainfall conditions, the runoff of four plots with different vegetation types showed shrub> mixed> locust> pine. The same law was also exhibited in surface runoff with the performance of shrubs> locust> pine> mixed. While subsurface flow was different from the both above with the performance of mixed > pine> shrub> locust. The main form of slope runoff of locust and shrub runoff plots was surface runoff, which accounted for 95.61% and 91.62% of the total runoff respectively. The main form of slope runoff of mixed runoff plots was subsurface flow, which accounted for 90.86%. The surface runoff and subsurface flow of slope runoff of pine runoff plots accounted for 61.99% and 38.01% respectively. Precipitation, especially for the Loess Plateau which seasonally rains obviously, is the main source of runoff. When the rainfall reaches a certain threshold, runoff process will be produced. The effects of rainfall intensity on surface runoff and subsurface flow were different. Antecedent soil moisture was a very important factor which affected slope producing flow.

Key words:Loess Plateau; vegetation; slope runoff; surface runoff; subsurface flow

收稿日期：2015-04-13

作者簡介：呂錫芝（1986年生），男，工程師，博士，主要從事森林水文、水土保持方面研究。E-mail: nihulvxizhi@163.com

基金項目：中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目（HKF-2014-03；HFY-JBYW-2016-04）；水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室開放課題基金項目（2015004）

中圖分類號：S715

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2015）07-1113-05

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.07.005