北京山区小流域不同植被覆盖对地表径流影响研究

王士永，贾国栋，段红祥，宋思铭，吴海龙，张 艺

（水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京林业大学水土保持学院，北京 100083）

流域是一个相对完整的自然单元，从水量平衡角度探讨植被变化引起径流水文响应对于区域或流域等宏观尺度研究具有重要意义[1-5]。不同的树种、不同的植被结构，在不同的地区、不同的季节对径流都会产生不同的影响[6-9]；国内外学者就小流域植被变化引起径流水文响应开展了许多有意义的研究工作，包括林冠截留分配降水，枯落物促进降水再分配，土壤水分运动、地表与地下的产流与汇流条件等[10-19]。由于坡面径流的复杂性，短时间的野外观察和测量远远不能满足实验的要求，由于对径流小区进行定点定位观察已成为一个非常经典的实验手段[20]，本研究以北京市怀柔区汤河口镇东台沟小流域设置的不同立地条件的标准径流小区为研究对象，在野外大气降水条件下，研究降雨变化特征、坡面径流响应过程，揭示不同植被覆盖对坡面产流的影响，强化植被防治水力侵蚀的动力学机理，以期为北京山区的土壤水蚀治理提供一定的科学理论依据。

1 研究区概况

研究区位于北京市怀柔区北部山区的汤河口镇东台沟小流域。地理坐标：东经116°28′～116°42′，北纬40°30′～40°57′，是密云水库上游白河的一级支流，流域面积85.21 km2。内有庄户沟门、大栅子、银河沟、许营、黄花甸子、二号沟门、小梁前七个行政村。该流域属温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温9℃～9.5℃，最冷一月份气温-7.5℃～-8℃，负积温-580℃～-600℃；最热七月份平均气温24℃～25℃，年积温3 900℃～4 050℃。全年无霜期160 d，年蒸发量1 200 mm，多年平均降水量511 mm。降雨年际及年内分配极不均匀，多集中在6～9四个月，占全年降水雨量的81.2%，且降雨多以暴雨形式出现，由此，造成了春、秋季易发生旱灾、风灾，夏季易发生洪灾、涝灾。流域内因受自然因素的影响，植物组分较单纯，层次结构简单，覆被率不高。在阳坡主要分布着槲树、侧柏、荆条、酸枣、山杏、小叶鼠李、绒毛绣线菊，覆盖率一般在40%；在阴坡主要分布着蒙古栎、椴树、大叶白醋、山扬、蚂蚱腿子、三桠绣线菊、大花溲疏、平榛，覆盖率在55%，在阴坡的中部有少数人工油松林，郁闭度在0.3左右。流域来水量多年平均为850万m3，平水年为731万m3，枯水年为476万m3，水利设施可控制利用地表水45.4万m3，流域多年平均径流模数为4.3万m3/km2，低于该县山后区枯水年的径流模数。

2 研究方法

2.1 径流小区的设置

在东台沟小流域设置径流小区20个，四周为围墙，围墙采用混凝土预制板；围墙下端为集流槽；边墙两侧设有2 m宽的保护带；集流槽下端挡墙采用混凝土浇筑，墙体留有过水孔，在墙的上方深处做反滤层并用管将壤中流引入观测房；房内放置径流泥沙测定仪器；观测房下方设有排水渠，沿径流场的上方和两侧筑有截水沟，用以拦截径流小区四周坡地上来的径流。各径流小区的基本情况见表1。

2.2 仪器设备的布置

径流小区观测室内安装Em50五通道数据采集器，是土壤含水量监测系统的核心部件，将之与统传感器连接，即可实时监测土壤含水量变化，适宜用于野外长期监测。数据读取频率为1个/分钟，数据刷新频率为6次/天；为保证数据质量，电池可连续使用1年。该设备为后期安装，作为实验的辅助性仪器，校正传统方法测量的土壤含水量。

各径流小区均安置ECRN-50型自记雨量计，采用耐性塑胶制成，防水防辐射，且可自行翻斗清空容器。雨量计测定的是体积水，精度高、体积大，适用于自动记录林内降雨。

表1 径流小区的基本情况

在径流小区外安装科研级自动气象站，用于自动监测大气温度、湿度、降雨量、实时风速、净辐射等气象因子，内存可存储180 d，约64 000组气象数据，根据预设配置，测量频率为每10分钟1组。

2.3 地表径流、壤中流观测

在径流小区内，降雨后产生的地表径流在集流槽聚集，水流通过集流槽下端导管进入观测房，每个观测房配置一套径流自动记录仪，自动记录不同小区的地表与壤中流的变化过程；壤中流由预埋在50 cm深土层处的集水管道聚集，导入径流小区下方集流箱，接入观测房内的径流自动记录仪进行记录。有无降水情况均数据每月15日采集一次，并实时检查数据是否存在异常情况，遇降水情况，增加采集一次。

3 结果与分析

3.1 土壤水分状况

对汤河口20个径流小区在2001～2008年间6～9月的各月上旬、中旬、下旬，采用铝盒法分别对0～10 cm、10～20 cm这两层的土壤进行采样，进行土壤含水率的测定，采样时间均为无雨天气。

由图1可知，在2001～2008年间，这20个径流小区的平均土壤含水率年际变化不大。经计算，其变异系数仅为2.28，平均土壤含水率最大为2008年的16.36%，其次为2004年，达16.21%；最小为2007年的9.76%，平均值为12.86%。这与同时期降雨量相关性较大，2008年6～9月间的降雨量为347.1 mm，在2004年为381.9 mm，而在2007年仅为249.6 mm。

图1 2001～2008年平均土壤含水率变化

由图2可知，在2001～2008年6～9月，这20个径流小区的月平均土壤含水率变化不大，经计算，其变异系数仅为1.53，平均土壤含水率最大为8月的14.05%，其次为7月，达14.02%，最小为9月的11.18%，平均值为12.72%。7、8月的平均土壤含水率大可能跟这两个月份降雨量大有关系。

图2 2001～2008年6～9月平均土壤含水率变化

由图3可知，在2001～2008年6～9月，20个径流小区中各小区间的平均土壤含水率变化不大，其变异系数仅为0.93，平均土壤含水率的平均值为12.92%。18号径流小区的平均土壤含水率最大，为15.04%，19号径流小区的平均土壤含水率最小，为11.15%。不同径流小区的平均土壤含水率虽然差异不大，但仍有波动，其原因可能是不同的径流小区采取了不同的植被措施，导致土壤水分状况发生了改变。

图3 2001～2008年6～9月各小区平均土壤含水率变化

选取植被覆盖度相对较好、有水土保持措施的5、7、9、14、18号小区，同时选取植被覆盖度相对较差，无水土保持措施的小区6、10、12、16、19号小区，对比有植被和无植被覆盖条件下土壤水分状况的差异。

由表2可知有植被和无植被覆盖条件下土壤水分状况存在差异，植被覆盖条件下的径流小区平均土壤含水量值要比无植被覆盖条件下的平均值大1.09%，可见植被对于土壤水分状况有影响，可解释为在植被覆盖条件下，植被的水源涵养功能发挥作用，增加土壤水分含量。

表2 有无植被覆盖条件下土壤水分状况的差异

3.2 植被影响因子

3.2.1 枯落物截持降雨作用（1）枯落物最大持水量。为了研究枯落物在降雨后对接近地面的水分的截留和缓冲作用，对径流小区典型植被刺槐和火炬树采用浸水方法对其进行试验，见表3。

表3 不同林分枯落物最大持水量和最大持水率

刺槐的最大持水量较大，相当于2.59 mm水深，为25.93 t/hm2；火炬树的最大持水量较小，仅为8.54 t/hm2，但其最大持水率相对较高；刺槐、火炬树枯落物最大持水率分别为556.64%和333.03%，刺槐＞火炬树，与最大持水量一致，这是由于不同林种枯落物的组成及排列方式不同，分解程度也不尽相同。调查结果显示刺槐的枯落物层厚度大于火炬树，在很大程度上影响了枯落物层的持水能力。

（2）枯落物的减流作用。不同枯落物下产流结果表明，枯落物层对产流有一定的影响，见表4。裸露小区与有枯落物覆盖小区产流量有明显的差异，在坡度为28°时，三种立地条件的小区产流量差别不大，但可明显看出有枯落物层覆盖的径流小区，产流量较少，刺槐＜火炬＜裸地。

表4 不同枯落物产流量 （g/h）

枯落物层在吸收降水、延缓径流的同时，能把细小的土壤颗粒过滤出来，防止土壤中大孔隙的堵塞，从而保持林地土壤较高的渗透性能。刺槐人为高大乔木树种，林分郁闭度高，凋落物产量及枯枝落叶层现存量大，持水率高，并且因其分解较快而有利于形成土壤非毛管孔隙，使土层具有良好的蓄水性能。因此，其具有较强的水文调节功能，是水文功能较好的植被类型。

3.2.4 林冠截留分析 植被的林冠是降雨进入植被系统的第一站，林冠对降雨的截留直接影响到森林生态系统的水分平衡，对降雨的再分配也起到了重要的作用，因此研究林冠截流对森林生态功能具有重要的意义。多年来国内外众多学者对于林冠截留做了大量的科学研究，获取了大量的实测数据。研究证明一般情况下，森林降雨截留占降雨总量10%～20%，林冠截留量与降雨呈现紧密的负相关关系[17]。

按截留机制，林冠截留量可分解为吸附截留量和树体表面蒸发导致的附加截留。吸附截留进一步可分为冠层蓄水量和树干流量。林冠截持量除取决于树种、林分结构、郁闭度和叶面积指数外，还与降水量、降水强度、降水时间等因素有关。一般来说，林分结构越复杂、郁闭度越大、叶面积指数越大，林冠截流量就越大。降水量少、降水时间持续长，林冠截持降水量也就相对大，截留率高。测定火炬树、刺槐径流小区的截留降雨情况，结果见表5。从表中可知，两种植被的林冠截留作用都很明显，截流率分别为29.30%、22.04%，其主要原因在于刺槐叶面积指数大，比较密集，而作为火炬树叶子虽然较大，毛细张力小，而且叶子总数但与刺槐相比，总量处于劣势，所以截留量少，这个结果与许多其他区域林冠截留降雨的研究结论十分吻合[5,20]。

3.3 不同措施处理小区对坡面产流的影响

不同的植被类型对坡面产流的影响存在差异，为了进一步了解因植被差异造成的径流效应的不同，用定量的方法从地表径流着手，对不同立地条件间的具体差异进行比较分析。选取植被覆盖度相对较好、有水土保持措施的7、9、14、18号小区，同时选取植被覆盖度相对较差，无水土保持措施的小区6、10、12、16号小区，对比有植被和无植被覆盖条件下坡面产流的差异。

表5 不同林分类型树冠截留降雨分析

选择2004～2008年典型降雨条件下，4场中雨、4场暴雨共8场降雨，对不同措施处理小区对坡面产流的作用差异性进行研究。

3.3.1 典型中雨条件下坡面产流对照 选择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场降雨，降雨量分别为25、22.6、15.3、11 mm，都具备常年大多数降雨的基本特征，测得这4场降雨的平均地表径流分析见表6.由表6可知，经ANOVA方差分析，有植被和无植被覆盖条件下坡面产流存在差异显著，有植被覆盖的径流小区的径流量、径流深、径流系数、单位面积径流量的平均值分别为0.055 m3、1.07 mm、0.055、1 070.9 m3/km2，而无植被覆盖的径流小区的径流量、径流深、径流系数、单位面积径流量的平均值分别为0.318 m3、4.29 mm、0.220、4 291.3 m3/km2，后者分别是前者的5.8、4.0、4.0、4.0倍，可见在中雨条件下，有植被和无植被覆盖条件下径流小区的坡面产流的差异显著，植被对于坡面减流作用效果明显。

表6 中雨条件下平均地表径流分析

3.3.2 典型暴雨条件下坡面产流对照 选择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场降雨，降雨量分别为29.5、39.8、28.5、29.7 mm，都具备常年大多数降雨的基本特征，测得这4场降雨的平均地表径流分析见表7。

表7 暴雨条件下平均地表径流分析

由表7可知，有植被和无植被覆盖条件下坡面产流的差异显著，有植被覆盖的径流小区的径流量、径流深、径流系数、单位面积径流量的平均值分别为0.12 m3、2.40 mm、0.08、2416.5 m3/km2，而无植被覆盖的径流小区的径流量、径流深、径流系数、单位面积径流量的平均值分别为0.59 m3、8.39 mm、0.29、8 378.5 m3/km2，后者分别是前者的4.9、3.5、3.6、3.5倍，可见在暴雨条件下，有植被和无植被覆盖条件下径流小区的坡面产流的差异显著，植被对于坡面减流作用效果明显。

4 结论与讨论

4.1 结论

（1）有植被覆盖条件下的径流小区的平均土壤含水量的平均值要比无植被覆盖条件下的平均值大1.09%。

（2）枯落物层厚度在很大程度上影响了枯落物层的持水能力，刺槐最大持水率＞火炬树最大持水率。

（3）三种立地条件下径流小区的产流量排序为刺槐＜火炬＜裸地，总而言之，有枯落物层覆盖的径流小区，产流量较少。

（4）刺槐、火炬树的林冠截流率分别为29.30%、22.04%，截留作用都很明显。

（5）中雨条件下，有植被覆盖的径流小区的径流量、径流深、径流系数、单位面积径流量的平均值分别是无植被覆盖的径流小区的5.8、4.0、4.0、4.0倍；暴雨条件下，有植被覆盖的径流小区的径流量、径流深、径流系数、单位面积径流量的平均值分别是无植被覆盖的径流小区的4.9、3.5、3.6、3.5倍，可见有植被和无植被覆盖条件下径流小区的坡面产流的差异显著，植被对于坡面减流作用效果明显。

4.2 讨论

本研究表明有植被覆盖条件下的径流小区的平均土壤含水量的平均值要比无植被覆盖条件下的平均值大。可见，在植被覆盖条件下土壤水分含量相对较高，说明植被对水源涵养发挥了作用。植物枯落物层分解较快，有利于形成土壤非毛管孔隙，使土层具有良好的蓄水性能，保持林地土壤较高的渗透性能，从而加强土壤的水文调节功能。不论是枯落物对降雨的有效拦蓄，还是它对径流的阻滞作用，最终都表现在它对林地的减流方面，从而有力地说明了在水土保持过程中，枯落物发挥了巨大的作用。林内地表枯枝落叶覆盖形成保护层，维持了土壤结构的稳定，并增加土壤有机质，参与土壤团粒结构的形成，有效地增加土壤孔隙度，大量地表径流变成地下径流，减少了土壤侵蚀的可能性。所以，应高度重视林分结构和树种组成的调整，通过补阔或人工营造针阔混交林提高林分的稳定性，调整枯枝落叶的组成，有利于提高森林生态系统的涵养水源和保持水土功能。

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