漓江上游典型森林植被對降水徑流的調節作用

段文軍, 李海防,王金葉,*, 趙連生,李光平, 王紹能

1 桂林理工大學旅游學院, 桂林 541004 2 貓兒山國家級自然保護區管理局, 興安 541316

漓江上游典型森林植被對降水徑流的調節作用

段文軍1, 李海防1,王金葉1,*, 趙連生2,李光平2, 王紹能2

1 桂林理工大學旅游學院, 桂林 541004 2 貓兒山國家級自然保護區管理局, 興安 541316

利用野外同步長期定位觀測林外降雨、地表徑流和河川徑流的方法，對漓江上游典型森林植被的生態水文過程進行觀測研究。結果表明：1)流域降水年內分配極不均勻，50a年降雨量總體變化趨勢不明顯。林冠截留受林外降雨特征的影響，也與植被類型密切相關。2)地表徑流平均滯后時間為70 min。在連續降雨的情況下，降雨滯后效應不再明顯，甚至出現地表徑流與降雨同步的現象，小降雨可能產生大的地表徑流，從而加大流域在雨季發生洪災的風險。3)濕季徑流系數略大于旱季，干季降水量減少，且森林植被消耗大量水分，減少了枯水期徑流的產生，增大發生旱災的風險。森林植被延長河川徑流持續時間，使一次持續18 d的降水過程形成的徑流，在降水停止后能延續24 d。降雨后退水持續時間與前期降水及后期降水疊加有關。目的為揭示漓江上游森林植被對降水徑流的調節作用，客觀評估漓江上游水資源潛力、加強流域水資源管理和森林經營提供科學依據。

漓江；森林植被；降水徑流；水文調節

森林與水的關系一直是生態水文學研究的熱點，森林植被對河川徑流的影響是生態水文研究的重要內容，也是區域水資源評價的核心[1- 4]。不同類型的森林植被具有不同的冠層結構和土壤環境，改變了降水在林冠層、凋落物層和土壤層的分配，進而影響地表徑流和河川徑流的形成[5- 6]。但長期以來，由于不同的地理環境、水土條件和森林結構對大氣降水的分配，地表徑流和地下徑流的形成以及蒸發散等過程產生不同的影響，導致學術界對森林植被與地表徑流、河川徑流的關系仍然存在爭議。近期研究表明，森林植被在雨季消減洪峰和旱季增加產流的作用可能有所夸大，森林植被與徑流形成的關系，尚有待于進一步驗證[7- 10]。

漓江是以山水為特色的國際旅游勝地，是典型的雨源補給型河流，流域森林植被對河川徑流起著重要的生態水文調節作用。目前，國內學者圍繞流域典型森林植被垂直層次結構和地表徑流、河川徑流之間的關系開展初步研究[11- 15]。為進一步明確亞熱帶地區雨旱兩季森林植被與徑流形成的關系，本研究以漓江上游貓兒山國家級自然保護區典型森林植被為研究對象，利用野外同步長期定位觀測林外降雨、地表徑流和河川徑流的方法，對漓江上游典型森林植被的生態水文過程進行觀測研究。分析林外降水特征及典型森林植被對地表徑流、河川徑流的調節作用，對揭示漓江上游森林植被對河川徑流的影響，客觀評估漓江上游水資源潛力、加強流域水資源管理和森林經營提供科學依據。

1 實驗區概況

試驗小流域位于貓兒山國家級自然保護區九牛塘(110°29′ E，25°52′ N)，流域總面積17.23 hm2，海拔1100 m，森林植被茂盛，覆蓋率為96.5%，主要喬木樹種為木荷(Schimasuperba)。年平均氣溫16.4—18.1 ℃，年日照時數1243.5—1467.1 h，年平均相對濕度為79%—82%。屬中亞熱帶濕潤季風氣候區，雨熱同期，年徑流量豐富，但年內分布極不均勻。主要土壤類型為山地黃紅壤，土層薄、質地粗、粉沙粒含量高；成土母質主要是泥炭巖、礫巖、紫紅色沙頁巖等。

2 研究方法

2.1 降水觀測

1960—2010年的降水歷史數據來源于桂林市氣象局，對50a降雨的年內和年際變化進行統計特征分析。試驗觀測降水采用2007年于貓兒山架設的LI- 1401小型自動氣象站進行觀測(根據海拔不同共架設4個自動氣象站)，對降雨量(mm)、空氣溫度(℃)、空氣相對濕度(%)和風速(km/h)等氣象因子進行長期連續觀測。2009年，在九牛塘山脊林外空地上另架設JL- 21自記雨量計，觀測降雨過程；雨量計分辨率為0.2 mm，記錄時間間隔為1 min[13]。

2.2 林內穿透雨觀測

為有效觀測貓兒山典型森林植被林冠層對降水的截持作用，本研究選取包括高山矮林、鐵杉林、水青岡林、木荷林和毛竹林等5種典型森林植被(表 1)。在試驗區典型林分內設置觀測樣線，沿線按照0.5 m 的間隔均勻布設 10個長100 cm、寬16 cm、高25 cm 的盛雨槽，承接林內穿透雨，所有穿透雨經管道匯集后，由改進的翻斗式自計水流量儀(FR201F)測定林內降水量。把林內場降水量與距離接近的自動氣象站測得大氣降水相比較，計算森林系統對降水的截留量(Fi) 和截留率(Fir)[13]：

Fi=Fp-Ft

式中，Fi為林冠截留量(mm)，Fp為林外降水量(mm)，Ft為林內降水量(mm)，包括穿透水和滴水量，Fir為林冠截留率(%)。

表1 5種林型本底值特征Table 1 Characteristics of five typical forest

2.3 地表徑流觀測

在九牛塘木荷林設立地表徑流觀測固定樣地，建立地表徑流觀測場(規格10 m×20 m)，為防止地表徑流場內外滲漏，徑流場四周用水泥板做隔水墻，水泥板深入地下40 cm，地面露出15 cm，在出水口一端修建三角形量水堰，用自記式水流量計(Level- 2000，USA)測定地表徑流。

2.4 河川徑流觀測

為觀測流域河川徑流，選取九牛塘典型小流域為研究對象，小流域總面積17.23 hm2，內含木荷林和毛竹林等多個林型。在試驗小流域出水口建立三角量水堰，量水堰出水口角度為90°，量水堰攔水墻深入基巖50 cm，并使用防水材料；在量水堰靜水池入水口安裝攔污柵，防止河道中大量的枯枝落葉進入靜水池，影響觀測精度。同樣，用自記式水流量計(Level- 2000，USA)連續觀測小流域徑流量和徑流過程。

3 結果分析

3.1 降水特征分析

圖1 漓江流域降水年內分配Fig.1 Distribution of monthly precipitation in Lijiang River basin

對1960—2010年降水歷史資料和近幾年的試驗觀測數據進行統計分析。結果表明，漓江上游降水年內分配極不均勻，其中，雨季降水(3—8月)占全年降水的82.39%，僅5—7月降水就占全年降水的47.13%(圖 1)。雨季降水集中降水強度大，如2011年5月7日至8日，最大降雨強度達20.0 mm/h，單次超過50 mm的降雨出現8次，降雨1134.60 mm；超過100 mm的降雨2次，降雨量286.8 mm；超過200 mm的降雨2次，降雨量522.6 mm。而旱季(9—翌年2月)降水僅占全年降水的17.61%，其中，11月份降水僅占全年總降水量的0.62%，降水次數少且降水強度小。降水年內分配極不均勻造成雨季洪澇災害常有發生，旱季缺水矛盾突出，不利于流域水資源利用。

根據流域1960—2010年降水量變化曲線和5a滑動平均曲線(圖 2)，可以看出，流域降水量年際動態整體呈階段性高低交錯狀態。50a平均降水量為1930.4 mm，最大降水量為2691.8 mm，最小降水量為1467.3 mm，降水年際差異明顯。20世紀60年代初到80年代流域年降水量在頻繁波動中由低向高變化；80年代初到90年代中期，流域年降水量先出現相對較大的下降態勢，而后又出現一個相對較大的上升態勢；90年代中期開始到21世紀初(2010年)又出現下降。但50a降雨量總體變化趨勢不明顯，沒有顯著增加或者減少的趨勢。

圖2 漓江流域1960—2010年降水動態變化Fig.2 Distribution of annually precipitation from 1960 to 2010 in Lijiang River basin

3.2 林冠層對降水的截持

圖3 不同降雨等級林冠層對降雨的截留 Fig.3 Canopy interception of forests for different rainfall intensity

林冠對降雨的生態水文作用在于減弱降水對地表的沖擊，延遲產流時間，減少水土流失。在本研究中，將林外降水分為0—10 mm、10—25 mm、25—50 mm、50—100 mm、100—200 mm等5個等級，計算不同降雨等級下林冠層對降水的截持(圖 3)。可以看出，在不同降雨等級條件下，林冠截留率隨降雨量增加而減少。在降雨強度很少時，林冠甚至可以完全截留降雨，這與前期降雨量及場降雨持續的時間有關。鐵杉林在0—10 mm 降雨等級時，林冠截留率最高，為48%；隨著降雨等級的增加，截留率降低，在降雨等級為100—200 mm時達20%；林冠平均截留率為41.2%。這是由于鐵杉林是針葉林，郁閉度大，雨滴易被針葉之間的空隙攔截，難以到達樹干和地面。毛竹林在降雨量為0—10 mm時，林冠平均截留率僅為21%，隨著降雨等級的增加，截留率穩定在10%—15%之間，平均截留率為17.6%。高山矮林、水青岡林和闊葉林林冠平均截留率分別為34.7%、37.6%和24.6%，不同植被類型截留率相差較大，且隨著降雨等級變化趨勢一致，說明林冠截留不僅受林外降雨特征的影響，也與植被類型密切相關。

3.3 地表徑流的滯后效應

由于林冠層、枯枝落葉層的截留以及森林土壤的調蓄作用，在降水量較小和前期降雨較少的情況下，徑流特征不明顯，因此，較大的降雨才能反映地表徑流特征及森林生態系統對地表徑流的影響。觀測結果表明，木荷林地表徑流有明顯的滯后效應。本研究以2011年6月4—8月的一次典型降雨為例，分析其地表徑流過程，降雨時間、累積降雨和地表徑流等特征值(圖 4)。此次降雨總量為1814.4 mm，平均降雨強度為4.5 mm/h，地表徑流為30.4 mm，地表徑流系數0.0167。當雨量和雨強均較小時，地表徑流過程線的漲水過程較為平緩；而當雨量和雨強均較大時，漲水過程比較陡急。6月4日降雨約60min后地表開始出現徑流，而后又連續出現兩次強降雨，第1次強降雨出現在22:30，洪峰漲水出現在22:50；第2次強降雨出現在23:50，洪峰漲水出現在6月5日00:10。而后在連續降雨的情況下，降雨滯后效應不再明顯。

觀測結果表明，木荷林的地表徑流很小，地表徑流系數僅為0.0167(年地表徑流量占年降水總量的1.67%)，這主要是由于木荷林A層土壤富含有機質，質地疏松，空隙大，入滲能力強，進入林內的降水更易于入滲轉化為地下徑流，說明木荷林具有較好的涵養水源的功能。降水停止后，地下徑流緩緩滲出，地表仍有徑流產生，且地表徑流持續時間長于降水時間，地表徑流平均滯后時間約為70 min(圖 4)。森林植被對徑流系數的影響是隨著累積雨量的不斷增大，其影響程度也相對減小，這是由于隨著雨量增加，森林系統林冠截留、枯落物層和土壤層水分處于飽和狀態，地表徑流的方式主要是蓄滿產流，造成在植被恢復過程中林冠截留、土壤物理性質的變化對地表徑流的影響變小。在降雨后期甚至會出現地表徑流與降雨同步的現象，導致小降雨可能產生大徑流的現象，增大漓江流域雨季發生洪災的風險。

圖4 典型森林群落地表徑流滯后效應Fig.4 The time lag effect of surface runoff in typical forest

3.4 試驗流域河川徑流的水文響應

圖5 試驗流域年內降水與河川徑流分配Fig.5 Distribution of monthly precipitation and river runoff

根據觀測，試驗流域面積雖然較小，但由于流域內森林植被保持良好，常年有徑流發生。徑流主要集中在夏季，占全年徑流總量的63.2%；冬季徑流最少，僅占全年徑流總量的9.2%，春季和秋季徑流分別占全年徑流總量的14.3%和13.3%。冬春季節徑流發生比較平穩，變化起伏較小；夏季徑流受雨季影響變化起伏較大。試驗流域年內徑流量與降水量變化趨勢基本一致(圖 5)。2011年，雨季徑流占全年徑流的80.4%，月徑流與月降水呈線形相關關系，相關系數為0.9269。試驗流域2011年全年徑流深度為1928.1 mm，徑流系數為0.6800，10月徑流系數最小，7月徑流系數最大。比較分析雨季與旱季徑流系數的大小，表明雨季徑流系數略大于旱季。旱季降水量減少，且森林植被消耗的水分高于雨季，森林把部分降水存儲在系統內，減少了枯水期徑流的產生，加大干季旱災的風險。

但該結果并不否定森林植被強大的涵養水源功能，森林土壤強大的滲透能力和儲水能力，能把降水涵蓄起來，在雨后緩慢供給河川，穩定河川徑流。森林植被對降水形成徑流最明顯的作用是滯后徑流形成、徑流高峰時間和延長徑流持續時間。根據試驗研究建立的模型計算徑流遞減率：

r=0.2604×e-0.124×t

R2=0.9552

式中,r為徑流遞減率(徑流減少量/初始徑流量)，t為遞減時間(d)[12]。例如，2011年6月1日至7月13日的降水是流域連續降雨較為典型的一次(圖 6)，在45d的時間里連續降雨3次，平均降雨強度3.5 mm/h，最大1h降雨量17 mm，屬典型的大暴雨。在這一降水過程中，開始兩天出現降水5.2 mm，但小流域日徑流量仍延續前期的下降態勢；到第3天(6月4日)出現了35 mm降水，小流域日徑流量才開始增加。最大降水出現在6月15日，降水量199.8 mm；最大徑流出現在6月16日，滯后降水1d。降水停止后徑流一直延續到第2次降水開始或延續到第2次、甚至是第3次降水徑流中，第2次降水開始時小流域徑流仍然大于第1次降水開始時，說明在第2次降水形成的徑流中有部分是前次降水的結果。徑流過程在降水停止后持續24d(降水停止后到徑流減小到降水開始時的徑流水平)，持續到6月28日以后的徑流與第2次降水徑流重疊，實測徑流明顯高于前一次降水模擬徑流(圖 6)，降雨后退水持續時間與前期降水及后期降水疊加有關。

圖6 試驗流域年內降水與河川徑流分配Fig.6 Distribution of daily precipitation and river runoff

4 結論

漓江是典型的雨源補給型河流，探究森林植被對河川徑流的調節作用，是客觀評估漓江上游水資源潛力、加強流域水資源管理和森林經營的基礎。根據1960—2010年50a降水歷史資料和試驗地水文觀測，得出以下結論：1)降水年內分配極不均勻，50a年降雨量總體變化趨勢不明顯。林冠截留受林外降雨特征的影響，也與植被類型密切相關。2)地表徑流平均滯后時間為70 min，在連續降雨的情況下，降雨滯后效應不再明顯。甚至會出現地表徑流與降雨同步的現象，小降雨也可能產生大的地表徑流，加大漓江流域在雨季發生洪災的風險。3)雨季徑流系數略大于旱季，旱季降水量減少，且森林植被消耗大量水分，減少了枯水期徑流的產生，加大旱季發生旱災的風險。森林植被延長河川徑流持續時間，使一次持續18d的降水過程形成的徑流，在降水停止后能延續24d，降雨后退水持續時間與前期降水及后期降水疊加有關。

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The regulation effect of typical forest on rainfall-runoff in upper reaches of Lijiang River

DUAN Wenjun1, LI Haifang1, WANG Jinye1,*, ZHAO Liansheng2, LI Guangping2, WANG Shaoneng2

1SchoolofTourism,GuilinUniversityoftechnology,GuilinGuangxi541004,China2Mao′erMountainNationalNatureReserveAdministration,Xing′anGuangxi541316,China

The relationship between forest and water resources has been a main scientific issue in the study of ecological hydrology, which is also an important theoretic foundation for hydrological prediction and regulation. Different forest vegetations create different canopy structure and micro-environment, which affect the distribution of rainfall among canopy, litter and different soil layers through water interception, water retention and transpiration and exert a great impact on surface runoff and river discharge. Recent studies have showed that the function of forest vegetation in reducing flood peaks during the rainy season and increasing the river flow in the dry season might be exaggerated. The relationship between forest vegetation and river flow still needs further confirmation. Lijiang River was a core mountain-water scenic spot in Guilin. Precipitation in Lijiang river basin was abundant, but its distribution within the year was irregular and rainfall mainly happened in rainy season (from March to August). Forest vegetation in the basin plays an important ecological and hydrological regulating function. In this research, data was collected in typical forest vegetation in upper reaches of Lijiang River in Mao′er Mountain National Nature Reserve, Guangxi Province. Hydrological processes, such as rainfall, surface runoff and river flow were monitored and analyzed in typical forests of Mao′er Mountain. The results showed that, 1)The distribution of annual and inter-annual precipitation was irregular revealed by statistical analysis of annual precipitation. The rainfall intensity and the rainfall frequency in the rainy season were heavy and the rainfall in the dry season (from September to February of the following year) accounts for only 17.61% of the annual total precipitation.No significant trend was found for inter-annual precipitation in the last 50 years. The canopy interception was greatly related with rainfall characteristics and forest vegetation. 2)Forest ecosystems had complex canopy structure and exerted a great impact on rainfall redistribution and the average lag time of surface runoff was 70 min. With continuous rainfall, the lagging effect might not be obvious and the surface runoff and the rainfall appeared at the same time, which largely increased the probability of generating heavy runoff after light rain and also the risk of flood in rainy season. 3)The runoff coefficient in dry season was lower than that in rainy season because of less rainfall and more evapo-transpiration, which increased the risk of serious drought. Forest vegetation put off the peak of river flow behind, extended the runoff duration for 24 days with 18 days of continuous rainfall. For a long time, due to the different geographical environment, soil conditions and forest structure has different influence on the redistribution of precipitation, the formation process of surface runoff, underground runoff as well as evaporation, which lead to the relationships of forest vegetation, surface runoff, and river flow are still controversial in the academia. This study would provide scientific basis for better understanding of the relationships between forest vegetation and its hydrological effects, helping to facilitate water resources and achieving wise forest management in upper reaches of Lijiang River.

Lijiang River; forest vegetation; rainfall-runoff; hydrological regulation

國家自然科學基金項目(30860058, 41261006)；國家科技支撐計劃課題(2012BAC16B04)；廣西科技攻關計劃課題(桂科攻1298006- 3)

2013- 11- 26;

日期:2014- 04- 03

10.5846/stxb201311262814

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangjy66@sohu.com

段文軍, 李海防,王金葉, 趙連生,李光平, 王紹能.漓江上游典型森林植被對降水徑流的調節作用.生態學報,2015,35(3):663- 669.

Duan W J, Li H F, Wang J Y, Zhao L S, Li G P, Wang S N.The regulation effect of typical forest on rainfall-runoff in upper reaches of Lijiang River.Acta Ecologica Sinica,2015,35(3):663- 669.