全 文 ：黄土区森林植被对坡面径流和侵蚀产沙的影响 3
张晓明　余新晓 3 3 　武思宏　魏天兴　张学培
(北京林业大学水土保持学院 水土保持与荒漠化教育部重点实验室 ,北京 100083)
【摘要】　根据山西省吉县蔡家川流域 1985～2003 年 9 个径流小区的降雨产流产沙的定位观测资料 ,分析
了植被对流域坡面尺度降雨产流产沙的影响. 结果表明 ,坡面自然更新的次生林比人工刺槐林具有更好的
涵养水源和保持水土功能 ,场降雨产流量和产沙量分别减少约 65 %～82 %和 23 %～92 % ;多元回归分析
表明 ,场降雨产流量和产沙量与降雨量和雨强均呈良好的相关关系 ,但随着林分郁闭度增大 ,相关关系减
小. 不同地类的降雨产流产沙差异显著 ,虎榛子灌木林和天然次生林最少 ,而人工刺槐、油松林约是虎榛子
灌木林的 5 倍 ,果农复合经营模式的产流产沙量分别是虎榛子灌木林的 17114 倍和 3196 倍 ;果农复合经
营模式在高质量、大工程整地后产流产沙明显减少. 对坡面产流产沙的影响因子灰色关联分析 ,林分郁闭
度和草本、枯落物生物量对坡面产流产沙影响显著 ,关联度值均大于 016.
关键词 　植被 　产流产沙 　灰色关联分析 　黄土区
文章编号 　1001 - 9332 (2005) 09 - 1613 - 05 　中图分类号 　S71417 　文献标识码 　A
Effects of forest vegetation on runoff and sediment production on sloping lands of Loess area. ZHAN G Xiaom2
ing , YU Xinxiao ,WU Sihong ,WEI Tianxing ,ZHAN G Xuepei ( Key L aboratory of Soil and W ater Conservation
and Combating Desertif ication of Education Minist ry ; College of Soil and W ater Conservation , Beijing
Forest ry U niversity , Beijing 100083 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2005 ,16 (9) :1613～1617.
Based on the 1985～2003 fixed2position data in 9 runoff plots of Caijiachuan watershed in the Jixian county of
Shanxi Province in loess area ,this paper discussed the relationships between vegetation and runoff and sediment
production on sloping lands of loess area. The results showed that natural2secondary forest had better function in
soil and water conservation than artifical Robinia pseudoacacia forest ,with runoff and sediment produced 65 %～
82 % and 23 %～92 % ,respectively. Multiple regression analysis indicated that runoff and sediment production
had a significant correlation with rainfall and its intensity ,but this relationship was decreased gradually with in2
creasing canopy density. Different land2use type had different runoff and sediment production , e. g. , Ost ryopsis
davidiana and natural2secondary forests had the least runoff and sediment production ,artificial Robinia pseudoa2
cacia and Pinus tabulaef ormis forests had 5 folds of it as much as Ost ryopsis davidiana forest ,mixed apple trees
and crops had 17. 14 and 3. 96 folds of it than Ost ryopsis davidiana forest ,respectively ,while high2standard soil
preparation could decrease the production obviously. Gray correlation analysis suggested that the stand canopy
density and the biomass of herb and litter were the most important factors affecting the runoff and sediment pro2
duction on sloping land ,whose gray correlation degrees all exceeded 0. 6. Mixed forest with multi2layer stand
structure and shrub forest should be developed in vegetation re2construction of loess area ,which could help to in2
crease the coverage and litter thickness to dramatically decrease the runoff and sediment production on sloping
land.
Key words 　Vegetation , Runoff and sediment production , Gray correlation analysis , Loess area.3 国家重点基础研究发展规划资助项目 (2002CB111502) .3 3 通讯联系人.
2005 - 04 - 06 收稿 ,2005 - 05 - 10 接受.
1 　引 　　言
黄土区的植被重建是减少水土流失改善区域生
态环境的有效措施 ,因而植被对径流和输沙的影响
成为黄土区生态环境问题研究的核心[5 ,15 ,16 ,20 ,28 ] .
森林植被中 ,天然林生态系统对水文循环的影响和
调节能力较大 ;人工林由于所处的生长发育阶段不
同 ,对水文循环和水文过程的调节有一定的差异. 关
于 流 域 在 不 同 尺 度 上 的 径 流 和 侵 蚀 产
沙[2 ,6 ,8 ,10 ,12 ,13 ,17 ,18 ] ,黄土高原森林植被的蓄水保
土、截留降水、减少地表径流、拦截泥沙等方面的作
用已有大量报道[1 ,3 ,6 ,7 ,14 ,21～24 ] . 本文对蔡家川流域
1985～2003 年的定位观测资料进行了分析 ,以进一
步探讨森林植被与流域坡面尺度的径流和侵蚀产沙
之间的关系 ,以及天然次生林和人工林、不同土地利
用类型对产流产沙的影响 ,为黄土区天然林保护工
程和防护林体系建设工程提供理论依据.
2 　研究地区与研究方法
211 　试验区概况
研究区为位于黄土高原西南部的山西省吉县蔡家川嵌
应 用 生 态 学 报 　2005 年 9 月 　第 16 卷 　第 9 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY , Sep. 2005 ,16 (9)∶1613～1617
套流域 (35°53′～ 36°21′N ,110°27′～ 111°07′E) ,年均降水量
57915 mm ,集中于 7～9 月. 属于暖温带、半湿润地区 ,为落
叶阔叶林与森林草原地带. 土壤为褐土 ,沙壤. 流域中上游植
被类型主要为白桦 ( Betala platyphylla) 、山杨 ( Populus da2
vidiana) 、丁香 ( Syringa oblata) 、虎榛子 ( Ost ryopsi sdavidi2
ana) 等组成的天然次生林 ,中游为刺槐 ( Robinia pseudoacaci2
a) 、油松 ( Pinus tabulaef ormis) 、侧柏 ( Platycladus orientalis)
等组成的人工林及天然草本植被 , 以及山杨、沙棘 ( Hip2 pophae rham noides ) 、绣线菊 ( S pi rean thunbergii ) 、黄刺玫( Rosa xanthina) 等组成的天然次生灌草植被.212 　研究方法21211 降雨量测定 　在该流域的空旷地布设 8 台翻斗式自计雨量计 ,常年观测记录降雨量和降雨过程.21212 产沙、产流量的量取 　坡面尺度的侵蚀产沙和产流量采用径流小区法 ,设置 9 个坡面径流小区作为对照 (表 1) ,收集 1998～2003 年天然降雨的地表径流和泥沙.
表 1 　径流小区基本情况 3
Table 1 Condition of runoff plots
小区
编号
No
面积
Area
(m2)
整地方式
Method
of soil
preparation
坡 度
Slope
(°)
坡 向
Aspect
林龄
Age
(yr)
平均树高
Mean
height
(m)
平均胸径
Mean chest
diameter
(cm)
郁闭度
Canopy
density
草本盖度
Herb
density
( %)
密 度
Density
(tree·hm - 2)
土壤容重
Bulk
density
(g·cm - 3)
土壤孔隙
Porosity
( %)
Ⅰ1 20 ×5 A 25 S 14 5117 4131 0174 85 2204 1102 4815
Ⅰ2 20 ×5 31 E 14 7191 7169 0161 33 1400 1117 5114
Ⅰ3 20 ×5 28 E 14 711 6199 0160 56 2000 1105 4813
Ⅰ4 20 ×5 23 NE20° 14 6168 7155 0160 73 1200 1117 4816
Ⅱ 20 ×10 - 20 W 12 315 - - - 600 - -
Ⅲ 20 ×10 B 25 - 12 311 - - - 516 - -
Ⅳ 20 ×5 A 23 WN38° - 211 - 0195 60 3700 - -
Ⅴ 20 ×5 25° N 12 2151 3178 017 20 1800 1118 5317
Ⅵ 20 ×5 - 23° NE32° - - - 1 100 - 1108 4917
Ⅰ1 刺槐林 Robinia pseudoacacia forest ; Ⅱ1 果农复合经营模式 (苹果、谷子) Mixed planting of apple trees and crops(apple and millet) ; Ⅲ1 苹果园 Apple orchard ; Ⅳ1 虎
榛子林 Ost ryopsis davidiana forest ; Ⅴ1 油松林 Pinus tablaef ormis forest ; Ⅵ1 天然次生林 (山杨、油松、虎榛子、绣线菊和黄刺玫) Natural secondary forest ( Populus da2
vidiana , Pinus tablaef ormis , Ost ryopsis davidiana , S pi rean thunbergii , Rosa xanthina) 1A :水平阶 (带宽 115 m) Level bench ,whose width is 115 m ; ;B :水平带 (带宽 5
m ,似窄条水平梯田) Level band ,whose width is 5 m ,similar to level bench terrace ; 3 果农果树带 (2002 年前带宽 2 m ,农作物耕作带坡度为 25°、坡长平均为 5 m ;
2003 年高质量整地后 ,果带宽 315 m ,农作物耕作带坡长为 3 m) Before 2002 ,width of level band of orchard and crop is 2 m and the slope gradient of crop terrace is 25°
and the mean slope length is 5 m1After high quality of soil preparation in 2003 ,width of level band is 315 m and the mean slope length is 3 m.
3 　结果与分析
311 　天然植被和人工植被减水减沙作用分析
1985～2003 年的 25 场场降雨 (图 1) 对 4 个刺
槐林和 1 个天然林次生林径流小区的降雨产流产沙
观测结果见图 2. 由图 2 可以看出 ,场降雨径流小区
的径流量和产沙量与降雨量有较好的相关关系 ,同时
径流量与产沙量也有较好的相关关系. 场降雨天然次
生林的径流量、泥沙量比人工刺槐林地大 ,以 1999 年
8 月 8 日出现的最大一次暴雨为例 ,10 min 雨强 I10 =
1102 mm·min - 1 ,30 min雨强 I30 = 0192 mm·min - 1 ,
次平均雨强 I次 = 01195 mm·min - 1 ,天然次生林的
产流量、产沙量比刺槐4分别低65 %和23 %. 而到
图 1 　1985～2003 年的 25 场场降雨量
Fig. 1 Precipitation for 25 individual events from 1985 to 20031
2 0 0 2年8月5日 ,在场降雨量5 0 mm 、雨强为3 14
图 2 　坡面各径流小区场降雨产流和产沙量对照
Fig. 2 Comparison of runoff yield and sediment yield among 4 runoff
plots1
Ⅰ1 刺槐林 Robinia pseudoacacia forest ; Ⅱ1 果农复合经营模式
Mixed planting of apple trees and crops ; Ⅲ1 苹果园 Apple orchard ; Ⅳ1
虎榛子林 Ost ryopsis davidiana forest ; Ⅴ1 油松林 Pinus tablaef ormis
forest ; Ⅵ1 天然次生林 Natural secondary forest1 下同 The same be2
low1
4161 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
mm·min - 1时 ,天然次生林的产流量、产沙量比刺槐
林分别低 70～82 %和 72～92 %. 天然林的涵养水
源、防止土壤侵蚀功能强于人工刺槐林 ,主要是天然
林郁闭度、草本盖度显著大于人工林 (表 1) .
4 块刺槐林地的场降雨径流量和产沙量有显著
差异. 刺槐 1 林分密度、郁闭度较其它 3 块的大 ,产
流产沙量明显较其它的少. 但并非林分密度愈大 ,林
分效应愈好[11 ,29 ] . 为了维持林地水量平衡、防治水
土流失 ,刺槐林密度不宜超过 3 750 株·hm - 2 [26 ] .
对场降雨产流量 ( Q , l·m - 2 ) 、产沙量 ( S , g·
m
- 2)与场降雨总量 ( P ,mm) 、60 min 雨强 ( I60 ,mm
·min - 1)进行多元回归分析 (表 2) ,结果表明 ,场降
雨产流量和产沙量与降雨量和雨强均呈良好的相关
关系. 随着林分郁闭度从刺槐 4 到刺槐 1 到天然次
生林的增大 ,场降雨径流量和产沙量与降雨量和雨
强的相关关系明显减少 ,说明郁闭度的增加将导致
水文过程复杂性的增加[25 ] .
表 2 　径流小区产流产沙特性回归分析
Table 2 Regression analysis of runoff and sediment yield of runoff plots
( n = 25)
区号
No
产流量回归方程
Regression equation of runoff yield
产沙量回归方程
Regression equation of sediment yield
Ⅰ1 Q = - 01564 + 0101806 P + 0106806 I60
R2 = 01964 S = - 01730 + 0102028 P + 0108482 I60R2 = 0196
Ⅰ4 Q = - 01594 + 010274 P + 0107295 I60
R2 = 01958 S = - 11702 + 0104628 P + 01191 I60R2 = 01939
Ⅵ Q = - 01464 + 010164 P + 0104736 I60
R2 = 01968 S = - 01618 + 0101656 P + 0107181 I60R2 = 01933
312 　不同土地利用类型径流小区的产流量与产沙
量
利用 2002～2003 年 7～9 月份不同土地利用类
型的径流小区降雨产流产沙量的平均值进行对比分
析 (图 3) . 结果表明 ,虎榛子灌木林和天然次生林的
场降雨径流量和泥沙产量都较其他林分少 ,若以虎
榛子灌木林的产流、产沙各为 1 ,则天然次生林分别
为 1134 和 0157、刺槐 1 分别为 4154 和 2105、油松
林 5198 和 4149、果农复合经营模式 17114 和 3196.
场降雨产流产沙量与林分盖度和枯落物厚度有
关. 如自然更新的次生林的林分郁闭度为 100 % ,林
下枯枝落叶丰富 ,可截留降水、削弱到达地面的雨滴
动能 ,所以产流量和产沙量较小. 而果农复合经营模
式 ,果树带虽整地为水平阶 ,但由于作物带为坡地 ,
由于侵蚀土体向下运移 ,已形成连续坡面 ;且果树栽
植密度小 ,林下无落叶、杂草 ,所以在侵蚀性降雨特
别是遇暴雨下 ,入渗量少 ,极易形成径流. 而与果农
复合经营模式相似的果园有较好的拦蓄径流泥沙作
用. 这是因为果园的果树带整地为水平带 ,带宽 5
m ,似水平梯田 ,带间坡地虽有产流 ,但在果树带入
渗 ,不易形成径流.
图 3 　坡面径流小区不同土地利用类型产流产沙对照
Fig. 3 Comparison of runoff yield and sediment yield among 7 runoff
plots with different land use types1
　　比较果农复合经营模式在两年的平均场降雨产
流产沙量发现 ,2003 年较 2002 年明显减少 ,其原因
在于果农复合经营模式整地质量不同 (表 1) . 因此
果农配置时 ,应以果树带为主 ,高质量大工程整地 ,
以起到保持水土、增加收入的双重功能.
在黄土沟壑区 ,为更好地控制水土流失 ,应在侵
蚀严重的陡坡地发展乔灌草的复层林或虎榛子灌木
林 ,而不宜在坡度较大的部位发展果农复合 ,除非果
树带的整地为较宽的水平带.
313 　影响坡面林分产流产沙的主导因子判析
研究表明 ,影响各径流小区产流产沙量的因子
除降水因子外 ,地形因子和林分结构因子也起着一
定作用 ,且各影响因子之间相互关联. 现剔除降水因
子的影响 ,选取不同林分的产流量和产沙量分别作
为母因素集 ,以坡度、坡向、林分密度、林分郁闭度、
灌草层盖度、草本生物量和枯落物生物量 7 个因子
为子因素集 ,以不同土地利用类型的径流小区在
2002～2003 年降雨产流产沙的实测数据进行灰色
关联度分析 ,结果见表 3.
由表 3 可见 ,灰色关联度值越大 ,比较数列对参
考数列影响越大. 对于产流量 ,影响因子参数的灰色
关联度大小依次为枯落物生物量 (林分郁闭度) > 草
本盖度 > 林分密度 > 坡向 > 草本生物量 > 坡度. 对
于产沙量 ,草本生物量 > 枯落物生物量 > 草本盖度
> 林分密度 > 林分郁闭度 > 坡度 > 坡向.
51619 期 　　　　　　　　　　　　张晓明等 :黄土区森林植被对坡面径流和侵蚀产沙的影响 　　　　　　　　　　　
表 3 　影响坡面产流产沙的各因子灰色关联度值
Table 3 Value of each factor of gray correlation degree impacted sloping surface producing runoff yield and sediment yield
项目
Item
坡 度
Slope gradient
(°)
坡 向
Aspect
密 度
Density
(tree·hm - 2)
郁闭度
Canopy
density
草本盖度
Herb density
( %)
草本生物量
Herb biomass
(g·m - 2)
枯落物生物量
Litter biomass
(g·m - 2)
产流量 Runoff yield (l·m - 2) 01555 01571 01609 01639 01629 01565 01639
产沙量 Sediment yield (g·m - 2) 01416 01401 01452 01531 01548 01786 01693
　　由此可见 ,各影响因子对坡面产流和产沙的影
响程度并不一致 ,对产流影响最大的是枯落物生物
量和林分郁闭度 ,对产沙影响最大的是草本生物量 ;
坡向因子通过影响林地土壤水分而影响各林分结构
因子 ,所以对坡面产流有重要相关性 ;而坡度的影响
作用与前人结论相似[19 ,25 ,30 ] . 林分密度、灌草层盖
度、草本和枯落物生物量等影响因子 ,无论对坡面产
流还是产沙 ,其灰色关联度都大于 015 ,说明其对坡
面林分的水保功能影响都很大. 多层次的混交林因
有较高的灌草层盖度、草本和枯落物生物量 ,因此有
较强的水保功能 ,这与许多研究结论相一致[4 ,27 ] .
4 　结 　　论
411 　坡面径流小区尺度上 ,场降雨的径流量和产沙
量具有较好的相关关系. 坡面天然更新的次生林较
人工刺槐林有更好的涵养水源、保持水土功能 ,场降
雨的产流量和产沙量前者比后者分别减少约 65～
82 %和 23～92 %. 多元回归分析表明 ,场降雨产流
量和产沙量与降雨量和雨强均呈良好的相关关系 ,
但随着林分郁闭度增大 ,这种相关关系减小.
412 　不同土地利用类型的小区场降雨产流产沙差
异显著 ,若以虎榛子灌木林的产流量、产沙量各为
1 ,则天然次生林分别为 1134 和 0157、刺槐林 4154
和 2105、油松林 5198 和 4149、果农复合经营模式
17114 和 3196. 对于果农复合经营模式 ,在经过高质
量大工程整地后 ,产流产沙量明显减少. 因此对于陡
坡地 ,宜实行封禁 ,发展天然更新的乔灌草复层林或
虎榛子灌木林. 同时 ,为发展区域经济和更好地开展
退耕还林还草工程 ,经营果园和高质量大工程整地
的果农复合模式不失明智之举.
413 　对影响坡面产流产沙的地形因子和林分结构
因子灰色关联分析 ,林分郁闭度和草本、枯落物生物
量影响最显著 ,其关联度值均大于 016 ;坡向、坡度
因子对场降雨径流影响显著 ,灰色关联度值大于
015. 因此 ,黄土区坡地应经营多层次的混交林 ,提高
植被覆盖度和林下地被物生物量 ,可大大降低水土
流失量.
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作者简介 　张晓明 ,男 ,1979 年出生 ,博士. 主要从事土壤侵
蚀原理和林业生态工程研究 ,发表论文 5 篇. E2mail :zxm55
@163. com
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71619 期 　　　　　　　　　　　　张晓明等 :黄土区森林植被对坡面径流和侵蚀产沙的影响