張海濤，宮淵波，付萬權，陳耀嘉，徐云巖，崔亞瀟

（1.四川農業(yè)大學 長江上游林業(yè)生態(tài)工程四川省重點實驗室，四川 成都 611130；2.四川省瀘州市水務局水利管理站，四川瀘州646000）

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，起著調節(jié)大氣、涵養(yǎng)水源、為人類提供生產資料等作用。截至2009年，中國人工林栽植面積已達5 300萬hm2，約占全世界人工林面積的40%［1］，但受人為因素或誘導自然因素所致［2］，中國人工林普遍存在地力衰退、生物多樣性差、水土流失嚴重等問題，對林地生態(tài)安全造成了一定的隱患［3］，因此，恢復和重建退化人工林生態(tài)系統(tǒng)勢在必行。健康的森林生態(tài)系統(tǒng)功能，能夠提高林地土壤肥力以及水土保持能力［4］。植被的存在能有效減少地表徑流量，同時不同林地類型的減滯能力也不盡相同［5－6］。因此，降雨與徑流及植被、土壤等因子之間的關系是目前研究的熱點及難點問題［7－8］。近年來國內針對南方紅壤區(qū)［9］和黃土高原［10］等區(qū)域坡地不同經營、利用方式下水土流失研究較多，針對川南地區(qū)的研究則鮮見報道。馬尾松Pinus massoniana是廣泛分布于中國南方的先鋒樹種，它具有耐貧瘠、速生、適應性強、經濟價值高等特點，然而受不合理經營方式及人為活動的影響，長江流域低山丘陵區(qū)馬尾松人工林普遍生長較差，生物多樣性低，生態(tài)功能不強，已成為中國南方森林面積最大的退化類型之一。筆者針對長江上游低山丘陵區(qū)存在的生態(tài)安全以及生態(tài)工程建設中遇到的科學技術等問題，在前期研究工作的基礎上，以川南低山丘陵區(qū)馬尾松低效人工林為示范區(qū)，引入珍貴鄉(xiāng)土樹種，改造馬尾松低效人工林，提升森林生態(tài)及經濟功能，減少水土流失。本研究根據(jù)設立于四川省宜賓市高縣來復鎮(zhèn)的5個人工徑流小區(qū)，分析馬尾松低效人工林改造初期自然降雨與產流特征的關系及隨植被恢復的演變規(guī)律，以期為川南馬尾松低效人工林改造及經營管理提供參考。

1 試驗研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省宜賓市高縣來復鎮(zhèn)毛顛坳（28°11′～28°47′N,104°21′～104°48′E ）。 該地區(qū)地處四川盆地與云貴高原的過渡地帶，宜賓市中南部，屬烏蒙山余脈。地貌以平壩、丘陵、低山為主。土壤多為山地黃壤，間斷分布有少量紫色土。全年平均日照時數(shù)為1 107.7 h，大于等于10℃以上年積溫為6 523.1℃，年平均氣溫為18.0℃，1月平均氣溫為8.0℃，7月平均氣溫為27.0℃。年平均降水量為1 037.9 mm，年平均無霜期為346.2 d。

1.2 研究方法

2012年初在試驗區(qū)選擇坡度約22°，東西走向并栽植有馬尾松純林的坡地，建立5個相鄰規(guī)格為20 m×5 m的標準徑流小區(qū)，各徑流小區(qū)出口處均設有一個徑流收集室。5個徑流小區(qū)采用不同的改造更新方式，分別用Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ標識。Ⅰ號徑流小區(qū)為馬尾松低效人工林下植被自然生長恢復，Ⅱ號徑流小區(qū)為馬尾松低效人工林下空隙更新樟樹Cinnamomum camphora，Ⅲ和Ⅳ號徑流小區(qū)為馬尾松低效人工林皆伐后當年更新樟樹，Ⅴ號徑流小區(qū)為馬尾松低效人工林皆伐后第2年更新樟樹（由于有時會出現(xiàn)因為工期或者苗木原因不能當年更新造林的情況，因此，將Ⅴ號徑流小區(qū)設計為皆伐后第2年更新樟樹）。小區(qū)內樟樹為當年生幼苗，株高約30 cm，按1.5 m×1.5 m間距種植。2012年3月對Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ號徑流小區(qū)進行皆伐，隨即在Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ號內更新樟樹；Ⅴ號徑流小區(qū)則自然恢復后于2013年3月更新樟樹。試驗開始前5個徑流小區(qū)內地表灌草及凋落物均清理完畢。試驗分為3個時段，分別為2012年7－12月、2013年1－12月、2014年1－12月。在每次自然降雨后收集降水、計算24 h降雨量，并量取徑流桶內徑流水深，換算成徑流量。雨量級別根據(jù)氣象學上對于降雨量的定義判定，即24 h降雨量小于10 mm為小雨，10.1～24.9 mm為中雨，25.0～49.9 mm為大雨，50.0～99.9 mm為暴雨。

1.3 數(shù)據(jù)處理

徑流系數(shù)是地表徑流量與降雨量的比值，表示有比例的降水變成了徑流，它能夠一定程度反映該區(qū)域植被和土壤的水源涵養(yǎng)能力以及水土流失狀況?？衫霉絩=Rn/P×10－3An計算徑流系數(shù)。其中：r為徑流系數(shù)， Rn為徑流量（m3）， P 為降雨量（mm）， An為徑流小區(qū)面積（m2）［11］。

利用Excel 2007和SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計學分析。

2 結果與分析

2.1 川南馬尾松低效人工林改造初期降雨特征

試驗期年平均降雨總量約1 000 mm（表1），與當?shù)囟嗄昶骄涤炅繑?shù)據(jù)基本吻合。試驗區(qū)降雨明顯呈現(xiàn)夏季多、冬季少的特點。2013年和2014年全年多集中于每年6－9月，分別占全年降雨總量的73.23%和69.50%；1月、2月、11月、12月降雨極少，分別占全年降雨總量的3.72%和6.19%。

表1 馬尾松低效人工林改造初期降雨量及分布特征Table 1 Characteristics of rainfall capacity and distribution under the early of transformation on low efficiency Pinus massoniana forests

2012－2014年24h最小降雨量分別為1.8，1.5和1.2 mm（表2），最大降雨量分別為83.6，88.7和93.8 mm。2012年7－12月期間共出現(xiàn)5次暴雨天氣，24 h最大降雨量為83.6 mm，累計降雨341.6 mm；大雨僅出現(xiàn)2次。2013年累計降雨73次，其中小雨47次，中雨16次，大雨6次，暴雨4次。2014年累計降雨78次，其中小雨47次，與2013年相同，降雨量減少28.8 mm；暴雨次數(shù)比2013年少2次，降雨量減少133.4 mm?？v觀整個試驗期，降雨次數(shù)以小雨和中雨居多，占85.56%，但雨量僅占49.05%；大雨和暴雨次數(shù)占14.44%，降雨量占比卻達到50.95%。表明在1年中大到暴雨的次數(shù)比例雖然很低，但降雨量大且集中，是導致夏季地表產流較多的主要原因。

表2 馬尾松低效人工林改造初期雨量特征Table 2 Characteristics of rainfall under the early of transformation on low efficiency Pinus massoniana forests

2.2 川南馬尾松低效人工林改造初期降雨與產流關系分析

從表3可以看出：并非每次降雨都能引起地表徑流。一般情況下，在達到最小產流降雨量后，才能產生地表徑流。2012年下半年降雨36次，產流20次，產流次數(shù)占降雨次數(shù)比例為55.60%；2013年下半年與2014年下半年降雨次數(shù)相同，均為42次，產流次數(shù)占降雨次數(shù)比例分別為33.33%和45.24%，可見下半年產流降雨比例在不同年份間有較大變化。從全年看， 2013年和2014年分別降雨73次和78次，產流25次和29次，產流次數(shù)占降雨次數(shù)比例為34.25%和37.18%，比較接近。對比表2和表3可以看出，2013年和2014年小雨都是47次，僅有1次產流，可見24 h降雨量小于10 mm時一般不會產生地表徑流。而24 h降雨量達到中雨時，產流幾率達到了85.00%以上，下半年甚至可能高于90.00%；在大雨及暴雨狀態(tài)下，每次均有產流。

同時可以看出，觀測時期內，24 h最小產流降雨量為6.9～14.0 mm。造成這種差異的原因可能為該次小雨前有降雨發(fā)生，地表凋落物及土壤持水能力趨近于飽和，小雨過后就能形成蓄滿產流；若前期降雨較少，凋落物和表層土壤含水率低，在中雨條件下雨水填洼、入滲等較多，降雨過后土壤仍未達到飽和，因此，無地表徑流產生。當24 h降雨量達到大雨或暴雨條件時，5個徑流小區(qū)皆有地表徑流產生。

表3 馬尾松低效人工林改造初期降雨及產流次數(shù)Table 3 Times of rainfall and runoff under the early of transformation on low efficiency Pinus massoniana forests

2.3 川南馬尾松低效人工林不同模式改造初期產流特征

由表4看出：Ⅰ～Ⅴ號小區(qū)最大徑流量均出現(xiàn)在下半年，2013年最大徑流量比2012年分別增加18.21%，35.62%，15.42%，13.66%和33.13%。鑒于2013年和2012年下半年降雨量僅相差9 mm，說明改造初期地表徑流量差異主要由植被恢復狀況及地被物覆蓋變化等因素導致。其原因在于進行不同模式低效人工林改造后，植被生長、更替和人為干擾直接影響林冠層和地表層，影響了雨水攔截、入滲能力，更多的降雨轉變?yōu)榈乇韽搅?。說明在低效人工林改造開始階段，林地水土保持功能體現(xiàn)并不明顯，水土流失現(xiàn)象反而有可能加劇，因此，該時期應是水土流失重點監(jiān)測、保護期。該結果與廖承彬等［12］研究結論相似。5個徑流小區(qū)2014年最大量與2013年同期相比分別降低32.25%，26.49%，22.26%，25.08%和25.22%；其中Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ號小區(qū)最大徑流量低于2012年同期水平，呈波狀變化。造成這一現(xiàn)象的原因主要有：一是2014年7－12月降雨量比2013年同期減少近100 mm，更少降雨導致更少徑流；二是改造后隨著人為擾動減少，喬-灌-草體系逐漸恢復，凋落物增加，凋落物和土壤持水能力進一步增強。各徑流小區(qū)間最小產流量差異不大，當降雨量為大雨到暴雨時，前期短時間內降水經過林冠截留、凋落物截留、地表填洼等階段后，易形成超滲產流，這時降雨強度成為影響產流量大小的主導因子。

表4 馬尾松低效人工林不同模式改造初期產流量特征Table 4 Characteristics of runoff under different transformation patterns of low efficiency Pinus massoniana forests

表5顯示了2.5 a內5個徑流小區(qū)累計產流量狀況。由于Ⅲ號和Ⅳ號徑流小區(qū)改造模式相同，其累計產流量十分接近，分別為36.339 m3和36.369 m3；而Ⅰ號由于郁閉度較高，林冠截留作用好于其他徑流小區(qū)，且受人為擾動最小，因此，累計產流量最低，為31.315 m3，試驗期內變化幅度最小。而平均單次產流量大小排序為Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅱ＞Ⅰ，排序規(guī)律與徑流小區(qū)所受擾動強度一致。

2.4 川南馬尾松低效人工林不同模式改造初期徑流系數(shù)分析

對2012－2014年下半年各徑流小區(qū)徑流系數(shù)進行比較。由表6可看出：除Ⅱ號徑流小區(qū)呈現(xiàn)先增大后減小的變化以外，其他徑流小區(qū)徑流系數(shù)均呈逐年減小趨勢。與2012年下半年相比，各徑流小區(qū)2014年下半年徑流系數(shù)分別減少29.36%，26.30%，47.37%，41.54%和43.97%。2012年，5個徑流小區(qū)徑流系數(shù)大小排序為Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅱ＞Ⅰ， 2014年則變化為Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅴ。2014年與2013年相比，5個徑流小區(qū)徑流系數(shù)都有明顯下降，均在25%以上，特別是Ⅲ和Ⅴ小區(qū)，徑流系數(shù)下降更為明顯，達36%，超出Ⅰ號小區(qū)10%。隨著時間推移，效果會更加明顯。從徑流系數(shù)來看，Ⅰ號徑流小區(qū)雖然在改造初期郁閉度最高，林冠截留能力最強，但由于林下缺乏凋落物，導致對于林內降雨的攔滯能力較弱；其他徑流小區(qū)由于擁有更好的光照、水熱條件，植被生長較快，生物多樣性更為豐富，因此，隨著改造進行Ⅰ號小區(qū)的徑流系數(shù)可能會逐漸高于其他徑流小區(qū)。而Ⅴ號徑流小區(qū)由于在2012年未更新樟樹，有1 a自然更新時間，土體擾動少于Ⅲ和Ⅳ號徑流小區(qū)，因此，其徑流系數(shù)在3個皆伐小區(qū)最小。

2.5 川南馬尾松低效人工林不同模式改造初期降雨量與徑流量相關性分析

利用SPSS 19.0軟件進行降雨量與各徑流小區(qū)徑流量相關性分析。由表7可以看出：降雨量與徑流量之間相關系數(shù)均大于0.905，徑流量大小隨降雨量變化而變化。與劉芝芹等［13］對30場降雨觀測中得出的研究結論相吻合，說明降雨量是影響地表徑流大小的重要因子。

表5 馬尾松低效人工林不同模式改造初期累計產流量特征Table 5 Characteristics of cumulative runoff under different transformation patterns of low efficiency Pinus massoniana forests

表6 馬尾松低效人工林不同模式改造初期徑流系數(shù)Table 6 Runoff coefficient under different transformation patterns of low efficiency Pinus massoniana forests

3 結論

試驗區(qū)年均降水量約為1 000 mm，集中于6－9月，季節(jié)性分布不均。2013年與2014年6－9月降雨量分別占全年降雨總量的73.23%和69.50%； 1，2，11，12月降雨量則僅占3.72%和6.19%。

試驗期內24 h最小降雨量為1.2 mm，最小產流降雨量為6.9 mm，最大降雨量為93.8 mm。全年產流次數(shù)約占降雨次數(shù)的30%～40%，雨量以中到暴雨為主，偶有小雨下產流和中雨下無產流狀況發(fā)生。各徑流小區(qū)最大徑流量均呈現(xiàn)先增大后減小的情況，說明在低效人工林改造初期有水土流失加劇現(xiàn)象，是水土流失監(jiān)測、治理的關鍵期。

表7 馬尾松低效人工林改造初期降雨量與各徑流小區(qū)徑流量相關性分析Table 7 Correlation coefficients of rainfall and runoff under different transformation patterns of low efficiency Pinus massoniana forests

徑流系數(shù)反映了降雨轉變?yōu)榈乇韽搅鞯谋壤?。改造后?年下半年Ⅰ號和Ⅱ號徑流小區(qū)由于較好的植被覆蓋以及相對較少的人為干擾，徑流系數(shù)低于Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ號徑流小區(qū)；但2013年和2014年Ⅰ號和Ⅱ號徑流小區(qū)徑流系數(shù)降低均超過30%，而Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ號徑流小區(qū)降低50%左右，基本與Ⅰ號和Ⅱ號徑流小區(qū)持平或更低。表明各徑流場水土保持功能均在恢復中。2012年與2013年Ⅰ號徑流小區(qū)徑流系數(shù)均為最小，2014年則逐漸接近甚至高于皆伐小區(qū)；Ⅲ，Ⅳ與Ⅴ號徑流小區(qū)在試驗期內產流變化過程相似。目前來看，皆伐徑流小區(qū)水源涵養(yǎng)功能恢復速度快于Ⅰ號和Ⅱ號徑流小區(qū)，減滯徑流效果更佳。

對降雨量和各徑流小區(qū)徑流量進行相關性分析發(fā)現(xiàn)，其相關系數(shù)均大于0.905。因此，減少林內降雨以及增強林地水源涵養(yǎng)能力是減少坡面徑流的關鍵。由于試驗尚處于改造初期，時間較短，相信隨著改造的深入以及林地生態(tài)系統(tǒng)的恢復，樟樹等闊葉林的水源涵養(yǎng)能力會顯著優(yōu)于馬尾松低效純林。

［1］侯淑艷.北京市低山區(qū)低效人工林結構特征與評價研究［D］.北京:北京林業(yè)大學,2010.HOU Shuyan.Study on the Assessment and Structure Feature of Low Function Planttation in the Low Mountain of Beijing ［D］.Beijing:Beijing Forestry University,2010.

［2］韓蕾.新形勢下低效林改造設計意義及基本要求［J］.黑龍江科技信息,2009（10）:119.HAN Lei.Design significance and basic requirements of low function forest reconstruction under new situation ［J］.Heilongjiang Sci Technol Inf,2009（10）:119.

［3］馮大蘭,陳道靜,李彬,等.三峽庫區(qū)萬州區(qū)馬尾松低效林改造對土壤養(yǎng)分的影響［J］.貴州農業(yè)科學,2012,40（4）:121 － 125.FENG Dalan,CHEN Daojing,LI Bin,et al.Effect of different management pattern on soil nutrients of low efficient Pinus massoniana forest in Wanzhou District of the Three Gorges Reservoir Area ［J］.Guizhou Agric Sci,2012,40（4）:121－125.

［4］KOBAYASHI S.Landscape rehabilitation of degraded tropical forest ecosystems:case of the CIFOR/Japan project in Indonesia and Peru ［J］.For Ecol Manage,2004,201（1）:13 － 22.

［5］周國逸，閆俊華，申衛(wèi)軍，等.馬占相思人工林和果園地表徑流規(guī)律的對比研究［J］.植物生態(tài)學報，2000,24（4）： 451 － 458.ZHOU Guoyi,YAN Junhua,SHEN Weijun,et al.Surface flow in an Acacia mangium plantation and an orchard in Heshan,Guangdong Province,China ［J］.Acta Phytoecol Sin,2000,24（4）： 451 － 458.

［6］張喜，薛建輝，許效天，等.黔中喀斯特山地不同森林類型的地表徑流及影響因素［J］.熱帶亞熱帶植物學報，2007,15（6）： 527 － 537.ZHANG Xi,XUE Jianhui,XU Xiaotian,et al.Forest surface runoff and its influence factors in Karst mountainous area in center of Guizhou Province,China ［J］.J Trop Subtrop Bot,2007,15（6）： 527 － 537.

［7］宮淵波，陳林武，張健，等.嘉陵江上游低山暴雨區(qū)植被恢復對小流域產流產沙的影響［J］.水土保持學報，2011,25（1）： 11 － 15.GONG Yuanbo,CHEN Linwu,ZHANG Jian,et al.Effect of vegetation restoration on runoff and sedimentation in small river basins in the upper reaches of Jialing River ［J］.J Soil Water Conserv,2011,25（1）： 11 － 15.

［8］劉芝芹，王克勤.人工植被坡面產流問題研究進展［J］.西南林學院學報，2004,24（2）：65－69.LIU Zhiqin,WANG Keqin.Research advances on slope runoff generation by artificial vegetation ［J］.J Southwest For Coll,2004,24（2）： 65 － 69.

［9］呂殿青，劉小梅，王輝，等.紅壤坡面降雨侵蝕與水文過程研究［J］.湖南師范大學自然科學學報，2013,36（5）： 81 － 85.Lü Dianqing,LIU Xiaomei,WANG Hui,et al.Research on rainfall erosion and hydrological processes of red soil land-slope ［J］.J Nat Sci Hunan Norm Univ,2013,36（5）： 81 － 85.

［10］王占禮，黃新會，張振國，等.黃土裸坡降雨產流過程試驗研究［J］.水土保持通報，2005,25（4）：1－4.WANG Zhanli,HUANG Xinhui,ZHANG Zhenguo,et al.Experimental study of runoff processes on bare loess hillslope ［J］.Bull Soil Water Conserv,2005,25（4）:1 － 4.

［11］李元壽，王根緒，沈永平，等.長江源區(qū)不同植被覆蓋下產流產沙效應初步研究［J］.冰川凍土，2005,27（6）： 869 － 875.LI Yuanshou,WANG Genxu,SHEN Yongping,et al.Impacts of land coveage on runoff production and sediment yield in the headwaters of the Yangtze River,China ［J］.J Glaciol Geocryol,2005,27（6）： 869 － 875.

［12］廖承彬，魏天儒.紅壤坡地不同樹種林下水土流失特征研究［J］.水土保持通報,2013,33（2）：198－202.LIAO Chengbin,WEI Tianru.Characteristics of soil and water loss on red soil slop land under forest with different tree species ［J］.Bull Soil Water Conserv,2013,33（2）： 198 － 202.

［13］劉芝芹，王克勤，李艷梅，等.金沙江干熱河谷坡面降雨產流特征的分析［J］.石河子大學學報（自然科學版），2010， 28（2）： 227 － 231.LIU Zhiqin,WANG Keqin,LI Yanmei,et al.Analysis of characteristics of precipitation and runoff production on slop land in dry-hot valley of Jinshajiang River ［J］.J Shihezi Univ Nat Sci， 2010， 28（2）： 227 － 231.