尾巨桉人工林小流域降水產(chǎn)流特征分析

任世奇 ，陳健波 ，朱原立, ，蘇福聰, ，韋振道 ，伍琪

1. 廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002；2. 廣西南寧桉樹森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站，廣西 南寧 530002；3. 廣西壯族自治區(qū)國有七坡林場(chǎng)，廣西 南寧 530225

河川徑流是人類活動(dòng)所需的主要水資源，而降水又是河川徑流的主要來源。通常認(rèn)為，植樹造林可以減少流域徑流量、增強(qiáng)流域儲(chǔ)水量，減少森林植被會(huì)增加徑流量、增加水土流失量（Stednick，1996；Groke，1999）。由于不同森林植被的林分結(jié)構(gòu)差異會(huì)引起降水再分配的時(shí)空異質(zhì)性，同時(shí)降水特征、土壤入滲能力變異等會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)流規(guī)律大相徑庭。因此，森林對(duì)降水的分配、系統(tǒng)的攔蓄能力、涵養(yǎng)水源的功能等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)成為研究的熱點(diǎn)。

桉樹是中國華南地區(qū)的主要用材樹種，具有生長速度快、適應(yīng)能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高等特點(diǎn)，驅(qū)使廣大林農(nóng)種植。目前，中國桉樹種植面積約5.46×106hm2，隨著桉樹面積的持續(xù)擴(kuò)大，桉樹林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)成為社會(huì)廣泛質(zhì)疑的問題，其中桉樹生長耗水和林區(qū)水土流失成為議論的重點(diǎn)（謝耀堅(jiān)，2015）。研究表明，桉樹林皆伐會(huì)顯著增加地表徑流（Pereira，1997；Vital et al.，1999；Bren et al.，2007），火燒煉山的徑流量大于人工清山（梁宏溫等，2014），森林火燒后顯著增加地表徑流，但火燒前對(duì)林地進(jìn)行耕作則顯著降低地表徑流（Malvar et al.，2016）。目前，中國桉樹造林前基本采用火燒煉山，導(dǎo)致局部地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重水土流失。黃承標(biāo)等（2009）研究認(rèn)為，種植尾巨桉后，土壤容重變大，水分下滲能力減弱，土壤有效儲(chǔ)水量降低，導(dǎo)致地表徑流增加，水源涵養(yǎng)功能減弱。儲(chǔ)雙雙等（2013）研究結(jié)果顯示，18年生尾葉桉（E.urophylla）年內(nèi)徑流量與采伐跡地?zé)o顯著差異，推測(cè)桉樹林的水源涵養(yǎng)功能較差。在廣西和云南的試驗(yàn)結(jié)論認(rèn)為轉(zhuǎn)變桉樹經(jīng)營模式可顯著減少水土流失量（王會(huì)利等，2012；李博等，2016）。相反地，也有大量研究表明，種植桉樹后徑流減少甚至消失。Bosch et al.（1982）認(rèn)為，種植桉樹會(huì)減少產(chǎn)流量。Vital et al（1999）發(fā)現(xiàn)，種植柳葉桉（E.saligna）后的原牧草地徑流減少，7年后徑流消失；荒草地和灌木2種土地利用類型的徑流量均大于巨尾桉（E.grandis×E.urophylla）林地（趙一鶴等，2012）。桉樹林地徑流小于采伐跡地灌草地，且桉樹植苗林地小于萌芽林地（黃承標(biāo)等，2014）。由此說明，桉樹林的不同經(jīng)營方式、林齡、土壤類型等都與徑流量有關(guān)。

廣西是中國桉樹種植面積、蓄積量、木材產(chǎn)量均第一的省份，且廣西桉樹主栽區(qū)的地形地貌多樣，本研究所在的南寧桉樹生態(tài)站屬于廣西桉樹主栽區(qū)的中部，是低山丘陵地貌的典型代表，分析南寧桉樹生態(tài)站小流域尾巨桉林的降水產(chǎn)流特征有助于了解低山丘陵區(qū)桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)的水文效應(yīng)，為修訂桉樹人工林經(jīng)營方案注重提高生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)等生態(tài)服務(wù)有重要參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)小流域概況

試驗(yàn)小流域位于廣西南寧桉樹森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站（南寧桉樹生態(tài)站）（107°59′—108°18′E，22°28′—22°46′N）。小流域面積 15.6 hm2，由2條微流域組成。小流域以低山丘陵地貌為主，坡度5—25°。該區(qū)域?qū)倌蟻啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，全年日照時(shí)數(shù)＞1800 h，太陽總輻射 105—110 kJ·cm-2，氣溫21—22 ℃，活動(dòng)積溫7500 ℃，降水量1200—1400 mm，年相對(duì)濕度79%。土壤以磚紅壤為主，有少量紫色土和棕色石灰土，平均含沙量23%，砂頁巖母質(zhì)，土層平均厚度約0.8 m。小流域的尾巨桉人工林是2011年的1代萌芽純林，林分密度1248 plant·hm-2，株行距 2 m×4 m，2011—2013年每年撫育追肥，追肥施用N/P/K有效總養(yǎng)分大于30%的桉樹專用追肥0.5 kg·plant-1，觀測(cè)期間小流域尾巨桉林的基本情況見表1。

表1 小流域尾巨桉林的基本情況Table 1 Information of E. urophylla×E. grandis plantation in small catchment

2 材料與方法

2.1 地表徑流觀測(cè)

在小流域出水口建設(shè)V型直角三角形測(cè)流堰1座（圖1），攔水墻從地面下不透水層采用鋼筋混泥土澆筑，并高處地面1.5 m，地面設(shè)計(jì)1個(gè)過濾池和1個(gè)測(cè)定池，過濾池和測(cè)定池由1個(gè)穩(wěn)水柵分隔開，出水口設(shè)計(jì)一個(gè)V型堰板，用于攔截蓄水。測(cè)定池旁建設(shè)1座約6 m2的附屬房，在附屬房內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)30 cm×30 cm的測(cè)井，測(cè)井與測(cè)定池連通組合成一個(gè)連通器，建設(shè)時(shí)須保持測(cè)井底部與測(cè)定池底部在同一水平線，通過觀測(cè)測(cè)井內(nèi)水位變化而觀測(cè)測(cè)定池的水文變化。開始觀測(cè)時(shí)，在測(cè)井底部安裝自動(dòng)水位計(jì)（ONSET，U20，USA）1個(gè)，設(shè)定自動(dòng)水位計(jì)采集數(shù)據(jù)間隔時(shí)間為每30 min記錄1次。本研究選用2013年5月—2015年4月歷時(shí)24個(gè)月的水位數(shù)據(jù)。流量計(jì)算時(shí)分2種情況進(jìn)行，（1）當(dāng)實(shí)際水位高出V型直角堰板出水口時(shí)，利用實(shí)際水位與V型直角堰板出水口的差值作為每次產(chǎn)流時(shí)從V型直角堰出水口溢出水的水頭高度H。應(yīng)用《水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程》SL155-95中的南京水利科學(xué)研究院校正后的擬合經(jīng)驗(yàn)公式（張明義等，2010），計(jì)算瞬時(shí)出水量。（2）當(dāng)實(shí)際水位低于V型直角堰板出水口時(shí)，沒有水溢出量水堰，則使用水位、測(cè)定池的長度和寬度計(jì)算測(cè)定池內(nèi)蓄水的體積。最后合計(jì)2種情況下的水體積，并轉(zhuǎn)換為mm單位，由于計(jì)算過程中，第（2）種情況的水量較小，本研究忽略不計(jì)，只將第（1）種情況的水量作為小流域的產(chǎn)流量，通過采集數(shù)據(jù)間隔時(shí)間統(tǒng)計(jì)不同時(shí)間尺度的地表徑流量：

圖1 小流域集水區(qū)測(cè)流堰Fig. 1 Flow weir of small catchment

式中，Q為瞬時(shí)流量（m3·s-1）；H為水頭高度（m）；該公式要求水頭高度0.03—0.25 m。

2.2 降水量與土壤水分觀測(cè)

南寧桉樹生態(tài)站建設(shè)的林外自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)（CSI，CR1000，USA，Campbell）（圖2）的數(shù)據(jù)采集器每隔 30 min自動(dòng)記錄降水?dāng)?shù)據(jù)和土層5、10、20、40 cm的土壤體積含水量。降水強(qiáng)度按24 h降水累積量（P）劃分為小雨（P＜10 mm）、中雨（10 mm≤P＜25 mm）、大雨（25 mm≤P＜50 mm）、暴雨（50 mm≤P＜100 mm）、大暴雨（100 mm≤P＜250 mm）和特大暴雨（250 mm≤P）6種等級(jí)。根據(jù)觀測(cè)時(shí)段，將2013年5月—2014年4月劃分為第一個(gè)降水觀測(cè)年度，標(biāo)記為13/14；2014年5月—2015年4月劃分為第2個(gè)降水觀測(cè)年度，標(biāo)記為14/15。

圖2 自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)Fig. 2 Automatic weather station

2.3 數(shù)據(jù)分析

本研究通過測(cè)流堰觀測(cè)的水位變化數(shù)據(jù)，采用水工模型利用Excel 2010按小時(shí)、天、月時(shí)間尺度分別計(jì)算徑流形成時(shí)的產(chǎn)流量。降水和土壤體積含水量也利用Excel 2010按小時(shí)、天、月時(shí)間尺度分別計(jì)算出有關(guān)數(shù)據(jù)。最后分析徑流與降水、土壤體積含水量的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水變化特征

由小流域降水情況（表2）可知，13/14年度總降水為1385 mm；14/15年度總降水量為1334 mm。兩個(gè)年度均以小雨為主，占降水強(qiáng)度等級(jí)場(chǎng)數(shù)74%，其中13/14年度暴雨頻發(fā)，超過50 mm的降水量有6場(chǎng)，而14/15年度的暴雨僅有1場(chǎng)。年內(nèi)降水分布不均，旱季（12月至翌年2月）的13/14年度降水量為106 mm，占全年降水的8%；14/15年度旱季的降水量只有 125 mm，占全年降水量的12%。13/14年度月降水量最大的6—8月總降水量911 mm，占全年降水量的66%；14/15年度月降水量最大的7月、8月和9月總降水量805 mm，占全年降水量的60%。13/14和14/15年度的同期降水量差異較大，其中13/14年度月最大降水量7月325 mm，14/15年度月最大降水量9月338 mm；13/14年度月最小降水量1月僅有4 mm，而14/15年度月最小降水量2月為29 mm。

表2 小流域降水情況Table 2 Characteristics of precipitation in small catchment

3.2 地表徑流變化特征

由表3小流域地表徑流特征可知，13/14和14/15年度有徑流形成的時(shí)間與降水集中月同步，而與降水次數(shù)無規(guī)律變化。2個(gè)年度降水共243場(chǎng)，但僅有10場(chǎng)產(chǎn)生了徑流，所占比例4%。13/14年度的7、8、11月形成徑流，徑流深81 mm，徑流系數(shù)6%；14/15年度只有7月和11月有產(chǎn)流現(xiàn)象，全年徑流深9 mm，徑流系數(shù)0.7%。

表3 小流域地表徑流特征Table 3 Characteristics of runoff in small catchment

3.3 徑流與降水的關(guān)系

通過表2小流域降水情況和表3小流域地表徑流特征可知，13/14年度的7月降水量達(dá)到325 mm，其中僅有1次暴雨和2次徑流。因此，選擇13/14年度7月的降水分析桉樹林產(chǎn)流特征。由圖3可知，土壤體積含水量與降水基本處于同步變化，隨著降水增加而增加，降水停止而減?。坏乇韽搅鞯男纬娠@著滯后于降水，7月2—3日連續(xù)28 h的降水量91.6 mm，地表徑流形成滯后降水8.5 h；7月20—21日期間的間歇性大雨未形成地表徑流，此階段的土壤體積含水量顯著增加；7月26—27日期間連續(xù)28.5 h的27 mm降水也未形地表徑流，但土壤體積含水量比此次降水前的高。7月28—30日連續(xù)51.5 h間歇性的降水達(dá)72 mm，地表徑流比7月28日降水滯后8.5 h。由圖4可知，當(dāng)土層5 cm體積含水量≥0.160 m3·m-3可基本判斷形成徑流，當(dāng)土層5 cm體積含水量＜0.145 m3·m-3時(shí)徑流逐漸消退，初始徑流的形成與前期土壤體積含水量密切相關(guān)。

圖3 降水量、徑流量、土壤含水量的變化過程Fig. 3 Change process of precipitation, runoff and soil volume water content

圖4 徑流與土層5 cm含水量的變化過程Fig. 4 Change process of runoff and soil volume water content at 5 cm under ground

3.4 地表徑流持續(xù)時(shí)間分析

圖4徑流初始到峰值的過程，通過徑流遞增率（e，徑流增加量/初始徑流量）和降水歷時(shí)（t1，單位 min）的回歸分析發(fā)現(xiàn)，二者呈線性關(guān)系，R2=0.9688（圖5），表明一旦徑流形成，徑流量將隨降水呈線性遞增。當(dāng)降水停止，徑流到達(dá)峰值并維持峰值流量持續(xù)一段時(shí)間，持續(xù)時(shí)間的長短與徑流初始前的降水量有關(guān)。在徑流從峰值開始消退的過程，通過設(shè)徑流遞減率（r，徑流減少量/最大徑流量）與徑流消退歷時(shí)（t2，單位min）的回歸分析發(fā)現(xiàn)，二者呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，R2=0.927（圖6），說明徑流消退歷時(shí)主要與最大徑流量有關(guān)，而最大徑流量受初始徑流量和降水歷時(shí)共同影響。

圖5 徑流遞增率與降水歷時(shí)的相關(guān)關(guān)系圖Fig. 5 Relationship between e and rainfall

圖6 徑流遞減率與徑流消退歷時(shí)的相關(guān)關(guān)系Fig. 6 Relationship between r and rainfall duration

4 討論

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，地表徑流是系統(tǒng)水分輸出的主要項(xiàng)之一。因此，研究森林生態(tài)系統(tǒng)降水產(chǎn)流過程可了解系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能和固土保肥能力，尤其對(duì)人工林可持續(xù)經(jīng)營方案制定具有重要意義。本研究小流域地處我國華南，屬于亞熱帶季風(fēng)季候區(qū)，具有雨季時(shí)間長、暴雨頻發(fā)次數(shù)多，是我國年均降水量最多的地區(qū)（鐘權(quán)加等，2016）。小流域年均降水量1300 mm以上，降水以小雨為主，兩個(gè)年度小雨共計(jì)191場(chǎng)，占降水強(qiáng)度等級(jí)總場(chǎng)數(shù)的74%，受厄爾尼諾事件影響（袁媛等，2016），造成降水強(qiáng)度異常，其中13/14年度降水超過50 mm的暴雨共發(fā)生6場(chǎng)，而14/15年度暴雨僅有1場(chǎng)。降水年內(nèi)分布不均，1—12月年內(nèi)月降水量呈單峰曲線，符合高輝等（2013）近20年華南降水特征分析結(jié)果。雨季集中在夏季，13/14年度的6月，7月和8月總降水量911 mm，占全年降水的66%，14/15年度的7月，8月和9月總降水量805 mm，占全年降水的60%。冬季12月至翌年2月降水較少，屬于干旱季節(jié)。不同年度同期月份降水差異較大，主要體現(xiàn)在最大降水月份和最小降水月份。

林外降水輸入森林后首先被林冠攔截分配形成林冠截留、樹干徑流和穿透雨，其次被灌木層、草本層以及枯落物層攔截而減少和調(diào)節(jié)地表徑流（余新曉等，2004）。本研究期間，共計(jì) 243場(chǎng)降水，其中10場(chǎng)形成了徑流，占4%，徑流在降水集中月才會(huì)出現(xiàn)。13/14年度的徑流深81 mm，徑流系數(shù)6%，14/15年的徑流深僅有9 mm，徑流系數(shù)只有0.7%，可認(rèn)為基本沒有徑流，忽略降水期間短時(shí)間內(nèi)的蒸散耗水，可認(rèn)為降水全部滲入土壤，由此說明研究期間的小流域尾巨桉人工林產(chǎn)流量并不高，也反映出小流域尾巨桉人工林具備較好的水源涵養(yǎng)和土壤保育能力，這與楊靜學(xué)等（2015）的研究結(jié)果長期土壤擾動(dòng)造成桉樹伐區(qū)水土流失嚴(yán)重不一致，其原因在于本研究小流域的觀測(cè)期間2013年5月—2015年4月，尾巨桉人工林的年齡由3.5 a生長至5.5 a，根據(jù)尾巨桉人工林經(jīng)營方案，林分在前3年進(jìn)行每年1次的除雜和追肥，這個(gè)過程既有人為對(duì)土壤的擾動(dòng)，也使林下植被遭到破壞，而當(dāng)林齡超過3 a時(shí)，不再進(jìn)行除雜和追肥，直到生長至數(shù)量成熟時(shí)皆伐，本研究是在尾巨桉年齡3.5 a時(shí)開始觀測(cè)，此時(shí)林分剛完成最后1次的除雜和追肥工作，隨后生長至5.5 a未被人為干擾；而楊靜學(xué)等（2015）針對(duì)的是桉樹伐區(qū)的水土流失，林木采伐是對(duì)土壤擾動(dòng)強(qiáng)度最大，林下植被破壞最嚴(yán)重的過程。由此說明，尾巨桉林的產(chǎn)流能力與林分生長階段及其經(jīng)營措施密切相關(guān)。

徑流過程是個(gè)復(fù)雜的水文現(xiàn)象（王鳴遠(yuǎn)等，2008），不僅與降水強(qiáng)度顯著相關(guān)（龔詩涵等，2016），更與下墊面情況尤其是林下植被多樣性有密切聯(lián)系（丁婧袆等，2015）。徑流初始時(shí)間滯后于降水初始在很多研究中得到證實(shí)（段文軍等，2015），本研究小流域也遵循這個(gè)規(guī)律，進(jìn)一步說明尾巨桉林對(duì)降水洪流有一定的緩沖調(diào)節(jié)作用。通過對(duì)小流域典型月份降水產(chǎn)流過程分析，在徑流初始到抵達(dá)峰值的過程中，徑流遞增率與降水歷時(shí)呈線性函數(shù)關(guān)系，而在徑流從峰值到完全消退的過程中，徑流遞減率與消退歷時(shí)呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系（王金葉等，2013）。從徑流初始到完全消退共經(jīng)歷3個(gè)階段，徑流遞增期、峰值穩(wěn)定期和徑流遞減期，徑流過程受降水變化影響出現(xiàn)疊加效應(yīng)，如降水歷時(shí)一段時(shí)間后停止，徑流初始并逐漸遞增，此時(shí)又出現(xiàn)降水，則徑流隨降水同步增加，而此時(shí)的徑流既包括了當(dāng)前的降水產(chǎn)流，也包括了前期的降水產(chǎn)流。整個(gè)徑流形成規(guī)律反映了尾巨桉林地的蓄滲水分、調(diào)節(jié)水量、滯后產(chǎn)流等系列過程。已有研究表明，降水進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)到徑流輸出系統(tǒng)的滯后時(shí)間和徑流大小，是衡量系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力的重要指標(biāo)，徑流初始時(shí)間滯后降水較短，可能對(duì)系統(tǒng)本身或更大尺度的系統(tǒng)帶來嚴(yán)重水土流失，甚至造成洪澇災(zāi)害的隱患（申衛(wèi)軍等，1999）。在尾巨桉人工林培育過程中，為增強(qiáng)林地的攔截蓄水能力，減少徑流量，應(yīng)在經(jīng)營措施中更多的降低人為對(duì)土壤的擾動(dòng)和減少對(duì)林下植被的破壞，從而延長徑流初始的滯后時(shí)間，增加入滲，這也避免了林地的裸露，減少土壤水分蒸發(fā)，增加土壤含水率，此外，降水的輸入過程也是生態(tài)系統(tǒng)水養(yǎng)補(bǔ)給的過程，有效地降低系統(tǒng)徑流輸出，也能提高尾巨桉林分生產(chǎn)力（Bennett et al.，2015；王明玉等，2016）。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐過程中，造林前應(yīng)實(shí)施科學(xué)整理，根據(jù)不同種植區(qū)域和地形地貌，采取帶狀整地、挖穴或塊狀整地方式，造林后，對(duì)林分進(jìn)行科學(xué)的撫育管理，尤其是林下植被管理，措施得當(dāng)不但能節(jié)約成本，也能增強(qiáng)林地的保水保肥能力，提高林分質(zhì)量（任世奇等，2013）。

5 結(jié)論

本研究小流域降水產(chǎn)流揭示了尾巨桉人工林的地表徑流形成初始時(shí)間明顯滯后于降水初始，滯后時(shí)間與前期土壤含水率密切相關(guān)；徑流遞增率與降水歷時(shí)呈線性函數(shù)關(guān)系，徑流遞減率與徑流消退時(shí)間呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系；降水產(chǎn)流過程經(jīng)歷徑流遞增期、穩(wěn)定期和遞減期3個(gè)階段。為探索本研究小流域的降水產(chǎn)流規(guī)律是否在桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)普遍存在，應(yīng)增加試驗(yàn)點(diǎn)和延長觀測(cè)周期，從單點(diǎn)尺度觀測(cè)擴(kuò)展到中觀尺度研究，從而揭示桉樹人工林降水產(chǎn)流普遍規(guī)律，進(jìn)而從水土保持角度提出增強(qiáng)林地水源涵養(yǎng)能力的有效措施，提高林分生產(chǎn)力，促進(jìn)桉樹人工林的可持續(xù)發(fā)展。