滇中高原山地4种人工群落径流量和土壤流失量的研究

第20卷第1期2006年2月水土保持学报

Jou rnal of So il and W ater Con servati on V o l .20N o .1Feb .,2006

滇中高原山地4种人工群落径流量和土壤流失量的研究

①

孟广涛1,2,袁春明2,方向京2,和丽萍2,柴　勇2,李贵祥2

(1.北京林业大学,北京100083;2.云南省林业科学院,昆明650204)摘要:基于连续5年的定位观测,研究了滇中高原4种典型人工群落的径流与侵蚀特征。结果表明:区域降雨量的

季节分配不均,湿季(6～10月)降雨量占全年的86164%,降雨量主要由大于10mm 以上的降雨带来,且降雨强度

大部分小于5mm h 。与荒地相比,林地的水土保持效益显著。试验小流域的地表径流量与降水量密切相关,土壤

流失量主要决定于地表径流量,其次是降水量。

关键词:滇中高原;　人工群落;　径流量;　土壤流失量

中图分类号:S 715.3 文献标识码:A 文章编号:100922242(2006)0120033204

Study on Runoff and So il Erosion of

M an -M ade Plan t Comm un ity i n M oun ta i n of Cen tra l Y unnan Pla teau

M EN G Guang 2tao 1,2,YU AN Chun 2m ing 2,FAN G X iang 2jing 2,H E L i 2p ing 2,CHA I Yong 2,L I Gu i 2x iang

2(1.B eij ing F orestry U n iversity ,B eij ing 100083;2.Y unnan A cad e m y of F orestry ,K unm ing 650204)

Abstract :A cco rding to the 5years πob servati on ,the study on the p reci p itati on and runoff of m an 2m ade p lan t comm un ity in cen tral Yunnan P lateau w as conducted ,and som e resu lts are as fo llow s :the season distribu ti on of p reci p itati on in the area is uneven ,the rainfall of w et season accoun t fo r 86164%of the year to tals ,the p reci p itati on is m ain ly b rough t by rainfall w ith m o re than 10mm ,and m o st of the rainfall in ten sities are less than 5mm h .Com p ared to w asteland ,the fo land have a no tab le effect of so il and w ater con servati on .In trial w atershed ,the runoff has a h igh ly co rrelati on w ith p reci p itati on ,and so il ero si on is determ ined by runoff p ri m arily ,fo llow ing the p reci p itati on .

Key words :cen tral Yunnan P lateau ;　m an 2m ade p lan t comm un ity ;　runoff ;　so il ero si on

径流是陆地最重要的水文现象,是衡量森林保持水土、涵养水源效益的一个重要指标[1]。滇中高原地处金沙江、红河、珠江几大江河水系的分水岭地带,是水资源短缺的地区,森林的水文生态功能在区域环境、经济社会的可持续发展中具有重要的现实意义。本文利用1995～1999年连续5年的降雨径流资料,研究了滇中高原4种典型人工群落的径流与侵蚀特征,以期为区域人工群落的组建与经营提供科学的依据。

1　研究区的自然环境及径流小区状况

试验小流域位于云南省大姚县,地理位置101°15′E ,25°40′N ,属典型的山地季风气候。年平均气温1516℃,全年≥10℃的有效积温486015℃,1月平均气温819℃,7月平均气温2015℃。年平均降雨量78813mm ,干湿季明显,湿季在6～10月之间,其降雨量占全年的85%左右。小流域海拔在1800～2020m 之间,母岩为紫色沙页岩,土壤为紫色土。植被以兰桉、黑荆、云南松等人工群落为主。径流小区基本情况见表1。

表1　径流小区基本情况径流场类型

土壤土层厚度坡向坡度农地林地盖度(%)类型(c m )(°)种类盖度乔木灌木草本兰桉×黑荆

紫色土40东26601030兰桉

紫色土40东29502060混农林

紫色土40南15矮秆作物80

40云南松

紫色土50北29502095荒地紫色土40北2510202　研究内容与方法

211　气象与降雨的观测在试验小流域建立简易气象站,进行常规气象观测,此观测场与本文所讨论的5个径流场相距均在100m 以内。大气降雨量采用虹吸自记雨量

计记录,一次性降雨的降雨强度按各个时段的加权平均求得,以这个时段的降雨量作为权重。①收稿日期:2005207225

基金项目:国家“十五”科技攻关项目资助(2001BA 510B 0603和2000-K 01-04-05-02)

作者简介:孟广涛,男,生于1969年,在职博士生,副研究员。主要从事森林生态和水土保持研究工作。E -m ail :m enggt 2001@sina .com

212　径流量和土壤流失量在4种人工林实验群落和无林地对照内选取典型地段,分别设置一个20m ×5m 的标准径流小区作地表径流和土壤流失量观测研究。小区边界用砖砌体,地上高和地下深分别为20c m ,表面用水泥抹灰,以防区内外地表径流相互交换。小区地表径流通过集水槽和导水管流入径流收集池中,径流收集池容量按100年一遇暴雨设计。采用定位观测的方法,每次降雨后测量径流量和泥沙量。径流量在量水池中用体积法求得;观测径流的同时,将量水池中的水搅拌均匀后取样,经过滤、烘干、称重,求算径流含沙量和侵蚀量。

图1　日降雨量的雨强频度分布3　研究结果与分析

311　区域降雨特征

大气降雨是陆地水分的主要来源,也是造成径流与

侵蚀的主要原因,对大气降水等气象资料的收集和分析

也是森林水文研究不可缺少的一项工作。大气降雨的特

征包括降雨量、降雨强度、降雨的时空分布等因素,它对

径流与侵蚀的形成具有重要的影响。对雨量点(1995～

1999年)降雨观测分析表明,试验小流域年平均降雨量

为87216mm 。区域降雨量的季节分配不均,在一年之中,

降雨量的86164%集中在雨季的6～10月份,旱季仅占

图2　日降雨量的雨量频度分布13136%。由于年内降雨量分配不均,夏季降雨的过分集

中易形成大雨或暴雨,导致产生大的地表径流并冲刷地

表,造成水土的流失。在全部降雨日中66167%的日降雨量低于10mm 。由

图1可知,日降雨量在10mm 以上的降雨量占总降雨量

的72176%。从图2可以看出,降雨强度低于5mm h 的降

雨量占总降雨量的81196%,降雨强度超过10mm h 的

仅占6129%。由此可见,本地降雨持续时间长,而平均降

雨强度则不大。

312　不同人工群落类型与径流量和土壤流失量的关系

通过径流小区坡面水土流失状况的观测可知,荒地

与4种人工群落的地表径流和土壤流失量差异显著,其地表径流量达230110mm ,是林地径流量的10倍左右,其土壤流失量更是林地的57～291倍,说明森林植被的水土保持效益显著。其它4个人工群落地表径流量的大小顺序为兰桉黑荆混交林>云南松>兰桉>混农林系统。混农林系统由于在雨季,农作物沿等高线种植,形成了一台一台的小型反坡阶地,此时农作物层盖度大,通常达018以上,加上人工耕作土壤质地疏松,透水性能强,故其水土保持效益较好,年径流量只有8121mm ;而兰桉×黑荆混交林的水土保持效益比较而言表现较差,这可能是由于兰桉的生物生态学特性的关系。土壤流失量的规律与地表径流量相比略有差异,4个人工群落土壤流失量的大小顺序为兰桉黑荆混交林>兰桉>云南松>混农林系统,这与林下灌木草本层盖度的差异有关。不同人工群落的地表径流和土壤流失量的观测结果见表2。

表2　不同人工群落的地表径流和土壤流失量

兰桉黑荆

兰桉混农林云南松荒地径流(mm )泥沙(kg )

径流(mm )泥沙(kg )径流(mm )泥沙(kg )径流(mm )泥沙(kg )径流(mm )泥沙(kg )5月11513215

0180615011921511068166134954136月51117214

413454131183715415449194314720249117月610412314

5103106181195231971413314551398149158月818844911

7165451721989218711570177113610318199月317520218

21611461301901318116113113618270111210月11333215

1114381101391210014141216172580018合计

261629121721157797178121182152211817919230110524831831211　人工群落类型的坡面径流、侵蚀与降水等因子的相关性分析　选择坡面人工径流小区的径流量、泥沙量分别作为母序列。径流量的子序列为总降雨量、平均雨强、5m in 最大雨强、20m in 最大雨强、30m in 最大雨强、雨前土壤含水量;泥沙量的子序列为总降雨量、平均雨强、5m in 最大雨强、20m in 最大雨强、30m in 最大雨4

3水土保持学报第20卷

强、雨前土壤含水量和径流量。用相关性分析方法计算每个母序列与各子序列的相关系数,计算结果见表3。

表3　径流小区径流量、泥沙量与降水等因子的相关系数相关系数总降水量平均雨强5m in 最大雨强20m in 最大雨强30m in 最大雨强雨前土壤含水量径流量径流量016433301147011020114801549330142133

泥沙量0144833012230111401141014263301345330172133从相关性分析结果可以看出:

产流量与一场降雨的总降水量、30m in 最大雨强和土壤的前期含水量关系最为密切。当降雨量大、暴雨强度大时,降雨不能被土壤全部吸收和贮存,绝大部分的降水形成了径流。产沙量与降雨产生的地表径流量关系最为密切,其次是总降水量、30m in 最大雨强。可见高强度、大雨量、短历时的暴雨形成大量地表径流,造成水土的大量流失。而降雨强度较小、降雨量较小、历时较长的降雨大部分被土壤所吸收,很少或无径流产生,因此就很少或无土壤流失。

31212　径流量与降雨量的关系　影响地表径流的因素复杂多样,主要有大气降水、土壤、植被和地形条件等[3]。降水是影响径流与泥沙的重要因素之一,它直接影响地表径流量的大小。选择降雨量P 、最大30m in 雨强I 两个因子,建立的5个径流小区的回归模型如下[4]:

兰桉黑荆Q =-01261+010493P +31209I r =016641n =53F =2015156

兰桉Q =-01638+010653P +21569I r =017190n =53F =2712944

混农林Q =-01229+010146P +11545I r =016986n =53F =2413043

云南松Q =-11149+010392P +61603I r =017991

n =53F =4510403荒地Q =01152+013985P +81479I r =017474n =53F =3212643

图3　兰桉黑荆混交林地表径流与降雨强度关系 从偏相关系数可知,5个径流小区的径流量与降水量的

相关系数最大,最大30m in 雨强次之。以每场降雨的降雨强

度与地表径流量进行回归,二者之间相关点的分布异常散

乱,没有明显的相关关系,这说明试验小流域地表径流与降

雨强度的关系不大,主要由降雨量的大小来决定,坡面产流

主要以蓄满产流为主。以兰桉黑荆混交林的径流小区为例,

降雨强度与地表径流量的关系如图3。

31213　土壤流失量与降雨量、径流量的关系

选择降雨量P 、径流量Q 、最大30m in 雨强I 3个因子,

建立的5个径流小区的回归模型如下:

兰桉黑荆S =2911428-371101P ++8681059Q +-87011971I r =017619n =53F =2310587兰桉S =2571451-271302P +8411489Q -9981086I r =017626n =53F =2311559混农林S =-71565-11205P +3761846Q -31221I r =017379n =53F =1919203云南松S =71188+11335P +661339Q -481114I r =017010n =53F =1611024荒地S =-21531341-2281095P +30871723Q +3801938I r =016799n =53F =1413293 从偏相关系数可知,5个径流小区的土壤流失量均与径流量的相关性最大,相关系数大小依次为径流量、降水量和最大30m in 雨强。

表4　不同人工群落径流系数的年际变化%　年份兰桉黑荆兰桉混农林云南松荒地

1995年6103511011442170311781996年410721811100410227146

1997年3165

215411323115251411998年2148

117711233109261051999年11241121019211651810731214　不同人工群落径流系数的变化　造成地表径流系数

差异的因素主要有植被类型、土壤物理性质、地形条件及雨前土壤含水量,这4种人工群落所在的土壤其原来的物理性质差异很小,可以忽略,而是由于植物迁入带来地表径流的显著差异。1995～1999年期间,不同人工群落年地表径流系数的变化见表4,林地的地表径流系数持续下降,说明此系统保持水土、

减少地表径流的有益功效在持续加强[5]。这反映了随着人工群落的正向演替,下垫面越来越丰富,土壤物理性质得到改善,大大发挥了森林减少地表径流的生态效益,而且这个效益越来越明显。与此相应,荒地的年地表径流系数也明显减少,是因为荒地在没有受到人为干扰的情况下,依靠植被的自然演替能力,其灌草层盖度在逐年增加,有效地改善了下垫面条件。

313　发生产流的降雨量临界值

发生产流的降雨临界值是一个非常复杂的问题,本文的产流是指整个径流场的产流,它能够在径流场的收53第1期孟广涛等:滇中高原山地4种人工群落径流量和土壤流失量的研究

63水土保持学报第20卷

集池中被测量到。准确找到产流的降雨量临界值并不容易,它除受降雨量、降雨强度影响外,还有很大的制约因子是系统中的土壤水分存贮量[6],这是因为所研究的4种人工林地的产流以蓄满产流占优势,在整个包气带水分达到饱和以前不产流,饱和以后除稳渗透以外全部产流。根据多年观测,土壤水分含量在雨季较大,平均大于20%,而本地域平均降雨强度不大,故在不考虑降雨强度以及土壤雨前含水量的情况下,探讨林地的产流降雨临界值还是相当有价值的。从观测数据看出,兰桉黑荆混交林、云南松、兰桉、混农林系统、荒地产生地表径流的最小降雨量分别是615mm,815mm,815mm,1110mm,419mm。

4　结　论

(1)区域降雨量的季节分配不均,湿季(6～10月)降雨量占全年的86164%,降雨量主要由大于10mm以上的降雨带来,且降雨强度大部分小于5mm h。(2)与荒地相比森林植被的水土保持效益显著。4个人工群落地表径流量的大小顺序为兰桉黑荆混交林>云南松>兰桉>混农林系统。(3)降水是影响径流与泥沙的重要因素,它直接影响地表径流量的大小。试验小流域地表径流与降雨强度的关系不大,主要由降雨量的大小来决定,坡面产流主要以蓄满产流为主。(4)5个径流小区的土壤流失量均与径流量的相关性最大,相关系数大小依次为径流量、降水量和最大30m in雨强。(5)兰桉黑荆混交林、云南松、兰桉、混农林系统、荒地产生地表径流的最小降雨量分别是615mm,815mm,815mm,1110mm,419mm。

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与P不同,渗漏淋失是紫色土坡耕地N的主要流失方式,所占比例为88%～95%不等。各小区土壤N流失的强度顺序为:N PK>R SDN>R SDN PK>R SDN P>R SD。秸杆还田极大地减少了N素地表径流损失和渗漏淋失,与对照相比,秸秆还田处理的N流失量减少了63%～72%,保持养分的作用十分显著。

3　结　语

紫色土主要分布在长江流域沿岸的丘陵区,季节性暴雨条件下紫色土坡地土壤侵蚀发生频繁,N、P养分流失严重,减少土壤N、P损失对于促进该区农业可持续发展、控制农业非点源污染以及保护长江上游流域的水生生态环境具有重要意义。

在川中丘陵紫色土区域,秸秆还田能显著减少坡面产流产沙,显著降低了可能汇入水体的N、P负荷。另一方面,也要考虑到不同施肥条件下的产量:N PK、R SD、R SDN、R SDN P及R SDN PK的毛产量分别为10368 kg hm2,3188kg hm2,9361kg hm2,9403kg hm2及10028kg hm2。综合来看,R SD不能有效促进植物生长,产量过低,不具有推广价值。而相比N PK,虽然R SDN、R SDN P及R SDN PK损失了一部分产量,但生态效益显著,所以,在川中丘陵地区,应当把秸秆还田配施化肥特别是N肥这样一种资源集约型施肥方式,作为一种基本的农田水土保持措施之一来大力推广。

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