全 文 ：第 35 卷第 3 期
2015年 2月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.3
Feb.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金项目(30860058, 41261006);国家科技支撑计划课题(2012BAC16B04);广西科技攻关计划课题(桂科攻 1298006鄄
3)
收稿日期:2013鄄11鄄26; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄04鄄03
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: wangjy66@ sohu.com
DOI: 10.5846 / stxb201311262814
段文军, 李海防,王金叶, 赵连生,李光平, 王绍能.漓江上游典型森林植被对降水径流的调节作用.生态学报,2015,35(3):663鄄669.
Duan W J, Li H F, Wang J Y, Zhao L S, Li G P, Wang S N.The regulation effect of typical forest on rainfall鄄runoff in upper reaches of Lijiang River.Acta
Ecologica Sinica,2015,35(3):663鄄669.
漓江上游典型森林植被对降水径流的调节作用
段文军1, 李海防1,王金叶1,*, 赵连生2,李光平2, 王绍能2
1 桂林理工大学旅游学院, 桂林摇 541004
2 猫儿山国家级自然保护区管理局, 兴安摇 541316
摘要:利用野外同步长期定位观测林外降雨、地表径流和河川径流的方法,对漓江上游典型森林植被的生态水文过程进行观测
研究。 结果表明:1)流域降水年内分配极不均匀,50a年降雨量总体变化趋势不明显。 林冠截留受林外降雨特征的影响,也与
植被类型密切相关。 2)地表径流平均滞后时间为 70 min。 在连续降雨的情况下,降雨滞后效应不再明显,甚至出现地表径流与
降雨同步的现象,小降雨可能产生大的地表径流,从而加大流域在雨季发生洪灾的风险。 3)湿季径流系数略大于旱季,干季降
水量减少,且森林植被消耗大量水分,减少了枯水期径流的产生,增大发生旱灾的风险。 森林植被延长河川径流持续时间,使一
次持续 18 d的降水过程形成的径流,在降水停止后能延续 24 d。 降雨后退水持续时间与前期降水及后期降水叠加有关。 目的
为揭示漓江上游森林植被对降水径流的调节作用,客观评估漓江上游水资源潜力、加强流域水资源管理和森林经营提供科学
依据。
关键词:漓江;森林植被;降水径流;水文调节
The regulation effect of typical forest on rainfall鄄runoff in upper reaches of
Lijiang River
DUAN Wenjun1, LI Haifang1, WANG Jinye1,*, ZHAO Liansheng2, LI Guangping2, WANG Shaoneng2
1 School of Tourism, Guilin University of technology, Guilin Guangxi 541004, China
2 Mao忆er Mountain National Nature Reserve Administration, Xing忆an Guangxi 541316, China
Abstract: The relationship between forest and water resources has been a main scientific issue in the study of ecological
hydrology, which is also an important theoretic foundation for hydrological prediction and regulation. Different forest
vegetations create different canopy structure and micro鄄environment, which affect the distribution of rainfall among canopy,
litter and different soil layers through water interception, water retention and transpiration and exert a great impact on
surface runoff and river discharge. Recent studies have showed that the function of forest vegetation in reducing flood peaks
during the rainy season and increasing the river flow in the dry season might be exaggerated. The relationship between forest
vegetation and river flow still needs further confirmation. Lijiang River was a core mountain鄄water scenic spot in Guilin.
Precipitation in Lijiang river basin was abundant, but its distribution within the year was irregular and rainfall mainly
happened in rainy season ( from March to August) . Forest vegetation in the basin plays an important ecological and
hydrological regulating function. In this research, data was collected in typical forest vegetation in upper reaches of Lijiang
River in Mao忆er Mountain National Nature Reserve, Guangxi Province. Hydrological processes, such as rainfall, surface
runoff and river flow were monitored and analyzed in typical forests of Mao忆er Mountain. The results showed that, 1) The
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distribution of annual and inter鄄annual precipitation was irregular revealed by statistical analysis of annual precipitation. The
rainfall intensity and the rainfall frequency in the rainy season were heavy and the rainfall in the dry season ( from
September to February of the following year) accounts for only 17.61% of the annual total precipitation.No significant trend
was found for inter鄄annual precipitation in the last 50 years. The canopy interception was greatly related with rainfall
characteristics and forest vegetation. 2) Forest ecosystems had complex canopy structure and exerted a great impact on
rainfall redistribution and the average lag time of surface runoff was 70 min. With continuous rainfall, the lagging effect
might not be obvious and the surface runoff and the rainfall appeared at the same time, which largely increased the
probability of generating heavy runoff after light rain and also the risk of flood in rainy season. 3)The runoff coefficient in
dry season was lower than that in rainy season because of less rainfall and more evapo鄄transpiration, which increased the
risk of serious drought. Forest vegetation put off the peak of river flow behind, extended the runoff duration for 24 days with
18 days of continuous rainfall. For a long time, due to the different geographical environment, soil conditions and forest
structure has different influence on the redistribution of precipitation, the formation process of surface runoff, underground
runoff as well as evaporation, which lead to the relationships of forest vegetation, surface runoff, and river flow are still
controversial in the academia. This study would provide scientific basis for better understanding of the relationships between
forest vegetation and its hydrological effects, helping to facilitate water resources and achieving wise forest management in
upper reaches of Lijiang River.
Key Words: Lijiang River; forest vegetation; rainfall鄄runoff; hydrological regulation
摇 摇 森林与水的关系一直是生态水文学研究的热点,森林植被对河川径流的影响是生态水文研究的重要
内容,也是区域水资源评价的核心[1鄄4]。 不同类型的森林植被具有不同的冠层结构和土壤环境,改变了降水
在林冠层、凋落物层和土壤层的分配,进而影响地表径流和河川径流的形成[5鄄6]。 但长期以来,由于不同的地
理环境、水土条件和森林结构对大气降水的分配,地表径流和地下径流的形成以及蒸发散等过程产生不同的
影响,导致学术界对森林植被与地表径流、河川径流的关系仍然存在争议。 近期研究表明,森林植被在雨季消
减洪峰和旱季增加产流的作用可能有所夸大,森林植被与径流形成的关系,尚有待于进一步验证[7鄄10]。
漓江是以山水为特色的国际旅游胜地,是典型的雨源补给型河流,流域森林植被对河川径流起着重要的
生态水文调节作用。 目前,国内学者围绕流域典型森林植被垂直层次结构和地表径流、河川径流之间的关系
开展初步研究[11鄄15]。 为进一步明确亚热带地区雨旱两季森林植被与径流形成的关系,本研究以漓江上游猫
儿山国家级自然保护区典型森林植被为研究对象,利用野外同步长期定位观测林外降雨、地表径流和河川径
流的方法,对漓江上游典型森林植被的生态水文过程进行观测研究。 分析林外降水特征及典型森林植被对地
表径流、河川径流的调节作用,对揭示漓江上游森林植被对河川径流的影响,客观评估漓江上游水资源潜力、
加强流域水资源管理和森林经营提供科学依据。
1摇 实验区概况
试验小流域位于猫儿山国家级自然保护区九牛塘(110毅29忆 E,25毅52忆 N),流域总面积 17.23 hm2,海拔
1100 m,森林植被茂盛,覆盖率为 96.5%,主要乔木树种为木荷(Schima superba)。 年平均气温 16.4—18.1 益,
年日照时数 1243.5—1467.1 h,年平均相对湿度为 79%—82%。 属中亚热带湿润季风气候区,雨热同期,年径
流量丰富,但年内分布极不均匀。 主要土壤类型为山地黄红壤,土层薄、质地粗、粉沙粒含量高;成土母质主要
是泥炭岩、砾岩、紫红色沙页岩等。
2摇 研究方法
2.1摇 降水观测
摇 摇 1960—2010年的降水历史数据来源于桂林市气象局,对 50a 降雨的年内和年际变化进行统计特征分析。
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试验观测降水采用 2007年于猫儿山架设的 LI鄄1401小型自动气象站进行观测(根据海拔不同共架设 4 个自
动气象站),对降雨量(mm)、空气温度(益)、空气相对湿度(%)和风速(km / h)等气象因子进行长期连续观
测。 2009年,在九牛塘山脊林外空地上另架设 JL鄄21自记雨量计,观测降雨过程;雨量计分辨率为 0.2 mm,记
录时间间隔为 1 min[13]。
2.2摇 林内穿透雨观测
为有效观测猫儿山典型森林植被林冠层对降水的截持作用,本研究选取包括高山矮林、铁杉林、水青冈
林、木荷林和毛竹林等 5种典型森林植被(表 1)。 在试验区典型林分内设置观测样线,沿线按照 0.5 m 的间
隔均匀布设 10个长 100 cm、宽 16 cm、高 25 cm 的盛雨槽,承接林内穿透雨,所有穿透雨经管道汇集后,由改
进的翻斗式自计水流量仪(FR201F)测定林内降水量。 把林内场降水量与距离接近的自动气象站测得大气降
水相比较,计算森林系统对降水的截留量(F i) 和截留率(F ir) [13]:
F i = Fp - F t
F ir =
F i
Fp
伊 100%
式中,F i为林冠截留量(mm),Fp为林外降水量(mm),F t为林内降水量(mm),包括穿透水和滴水量,F ir为林冠
截留率(%)。
表 1摇 5种林型本底值特征
Table 1摇 Characteristics of five typical forest
林分
Forest type
起源
Source
海拔
Altitude /
m
坡向
Aspect
坡度
Grade /
(毅)
郁闭度
Canopy
coverage / %
密度
Density /
(株 / hm2)
平均胸径
Mean diameter
at breast
height / cm
平均树高
Average
height / m
土壤类型
Soil type
高山矮林
Cyclobalanopsis stewardiana 原始 1950 NE 24 97 800 28 4.5 泥炭土
铁杉林
Tsuga Chinensis 原始 1900 NE 5 95 450 36 17 泥炭土
水青冈林
Fagus sylvatica 原始 1200 W 37 95 320 64 16 山地黄壤
木荷林
Schima superba 人工 8年生 700 SW 27 85 1200 12 14.5 山地黄红壤
毛竹林
Phyllostachys pubescens 人工 2年生 400 SW 35 90 2250 8 16 山地红壤
2.3摇 地表径流观测
在九牛塘木荷林设立地表径流观测固定样地,建立地表径流观测场(规格 10 m伊20 m),为防止地表径流
场内外渗漏,径流场四周用水泥板做隔水墙,水泥板深入地下 40 cm,地面露出 15 cm,在出水口一端修建三角
形量水堰,用自记式水流量计(Level鄄 2000,USA)测定地表径流。
2.4摇 河川径流观测
为观测流域河川径流,选取九牛塘典型小流域为研究对象,小流域总面积 17.23 hm2,内含木荷林和毛竹
林等多个林型。 在试验小流域出水口建立三角量水堰,量水堰出水口角度为 90毅,量水堰拦水墙深入基岩 50
cm,并使用防水材料;在量水堰静水池入水口安装拦污栅,防止河道中大量的枯枝落叶进入静水池,影响观测
精度。 同样,用自记式水流量计(Level鄄 2000,USA)连续观测小流域径流量和径流过程。
3摇 结果分析
3.1摇 降水特征分析
对 1960—2010年降水历史资料和近几年的试验观测数据进行统计分析。 结果表明,漓江上游降水年内
566摇 3期 摇 摇 摇 段文军摇 等:漓江上游典型森林植被对降水径流的调节作用 摇
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图 1摇 漓江流域降水年内分配
Fig.1摇 Distribution of monthly precipitation in Lijiang River basin
分配极不均匀,其中,雨季降水(3—8月)占全年降水的
82.39%,仅 5—7 月降水就占全年降水的 47. 13% (图
1)。 雨季降水集中降水强度大,如 2011 年 5 月 7 日至
8日,最大降雨强度达 20.0 mm / h,单次超过 50 mm 的
降雨出现 8次,降雨 1134.60 mm;超过 100 mm的降雨 2
次,降雨量 286.8 mm;超过 200 mm的降雨 2次,降雨量
522.6 mm。 而旱季(9—翌年 2 月)降水仅占全年降水
的 17. 61%,其中,11 月份降水仅占全年总降水量的
0郾 62%,降水次数少且降水强度小。 降水年内分配极不
均匀造成雨季洪涝灾害常有发生,旱季缺水矛盾突出,不利于流域水资源利用。
根据流域 1960—2010年降水量变化曲线和 5a滑动平均曲线(图 2),可以看出,流域降水量年际动态整
体呈阶段性高低交错状态。 50a平均降水量为 1930.4 mm,最大降水量为 2691.8 mm,最小降水量为 1467.3
mm,降水年际差异明显。 20世纪 60年代初到 80年代流域年降水量在频繁波动中由低向高变化;80 年代初
到 90年代中期,流域年降水量先出现相对较大的下降态势,而后又出现一个相对较大的上升态势;90 年代中
期开始到 21世纪初(2010 年)又出现下降。 但 50a 降雨量总体变化趋势不明显,没有显著增加或者减少的
趋势。
图 2摇 漓江流域 1960—2010年降水动态变化
Fig.2摇 Distribution of annually precipitation from 1960 to 2010 in Lijiang River basin
图 3摇 不同降雨等级林冠层对降雨的截留
摇 Fig.3摇 Canopy interception of forests for different rainfall
intensity摇
3.2摇 林冠层对降水的截持
林冠对降雨的生态水文作用在于减弱降水对地表的冲击,延迟产流时间,减少水土流失。 在本研究中,将
林外降水分为 0—10 mm、10—25 mm、25—50 mm、50—100 mm、100—200 mm等 5个等级,计算不同降雨等级
下林冠层对降水的截持(图 3)。 可以看出,在不同降雨等级条件下,林冠截留率随降雨量增加而减少。 在降
雨强度很少时,林冠甚至可以完全截留降雨,这与前期
降雨量及场降雨持续的时间有关。 铁杉林在 0—10 mm
降雨等级时,林冠截留率最高,为 48%;随着降雨等级
的增加,截留率降低,在降雨等级为 100—200 mm 时达
20%;林冠平均截留率为 41.2%。 这是由于铁杉林是针
叶林,郁闭度大,雨滴易被针叶之间的空隙拦截,难以到
达树干和地面。 毛竹林在降雨量为 0—10 mm 时,林冠
平均截留率仅为 21%,随着降雨等级的增加,截留率稳
定在 10%—15%之间,平均截留率为 17. 6%。 高山矮
林、水青冈林和阔叶林林冠平均截留率分别为 34.7%、
37.6%和 24.6%,不同植被类型截留率相差较大,且随着
666 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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降雨等级变化趋势一致,说明林冠截留不仅受林外降雨特征的影响,也与植被类型密切相关。
3.3摇 地表径流的滞后效应
由于林冠层、枯枝落叶层的截留以及森林土壤的调蓄作用,在降水量较小和前期降雨较少的情况下,径流
特征不明显,因此,较大的降雨才能反映地表径流特征及森林生态系统对地表径流的影响。 观测结果表明,木
荷林地表径流有明显的滞后效应。 本研究以 2011 年 6 月 4—8 月的一次典型降雨为例,分析其地表径流过
程,降雨时间、累积降雨和地表径流等特征值(图 4)。 此次降雨总量为 1814.4 mm,平均降雨强度为 4.5 mm /
h,地表径流为 30.4 mm,地表径流系数 0.0167。 当雨量和雨强均较小时,地表径流过程线的涨水过程较为平
缓;而当雨量和雨强均较大时,涨水过程比较陡急。 6月 4日降雨约 60min 后地表开始出现径流,而后又连续
出现两次强降雨,第 1次强降雨出现在 22:30,洪峰涨水出现在 22:50;第 2 次强降雨出现在 23:50,洪峰涨水
出现在 6月 5日 00:10。 而后在连续降雨的情况下,降雨滞后效应不再明显。
观测结果表明,木荷林的地表径流很小,地表径流系数仅为 0. 0167(年地表径流量占年降水总量的
1郾 67%),这主要是由于木荷林 A层土壤富含有机质,质地疏松,空隙大,入渗能力强,进入林内的降水更易于
入渗转化为地下径流,说明木荷林具有较好的涵养水源的功能。 降水停止后,地下径流缓缓渗出,地表仍有径
流产生,且地表径流持续时间长于降水时间,地表径流平均滞后时间约为 70 min(图 4)。 森林植被对径流系
数的影响是随着累积雨量的不断增大,其影响程度也相对减小,这是由于随着雨量增加,森林系统林冠截留、
枯落物层和土壤层水分处于饱和状态,地表径流的方式主要是蓄满产流,造成在植被恢复过程中林冠截留、土
壤物理性质的变化对地表径流的影响变小。 在降雨后期甚至会出现地表径流与降雨同步的现象,导致小降雨
可能产生大径流的现象,增大漓江流域雨季发生洪灾的风险。
图 4摇 典型森林群落地表径流滞后效应
Fig.4摇 The time lag effect of surface runoff in typical forest
图 5摇 试验流域年内降水与河川径流分配
Fig.5摇 Distribution of monthly precipitation and river runoff
3.4摇 试验流域河川径流的水文响应
根据观测,试验流域面积虽然较小,但由于流域内
森林植被保持良好,常年有径流发生。 径流主要集中在
夏季,占全年径流总量的 63.2%;冬季径流最少,仅占全
年径流总量的 9.2%,春季和秋季径流分别占全年径流
总量的 14.3%和 13.3%。 冬春季节径流发生比较平稳,
变化起伏较小;夏季径流受雨季影响变化起伏较大。 试
验流域年内径流量与降水量变化趋势基本一致(图 5)。
2011年,雨季径流占全年径流的 80.4%,月径流与月降
水呈线形相关关系,相关系数为 0. 9269。 试验流域
2011年全年径流深度为 1928.1 mm,径流系数为 0.6800,10月径流系数最小,7月径流系数最大。 比较分析雨
季与旱季径流系数的大小,表明雨季径流系数略大于旱季。 旱季降水量减少,且森林植被消耗的水分高于雨
季,森林把部分降水存储在系统内,减少了枯水期径流的产生,加大干季旱灾的风险。
766摇 3期 摇 摇 摇 段文军摇 等:漓江上游典型森林植被对降水径流的调节作用 摇
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但该结果并不否定森林植被强大的涵养水源功能,森林土壤强大的渗透能力和储水能力,能把降水涵蓄
起来,在雨后缓慢供给河川,稳定河川径流。 森林植被对降水形成径流最明显的作用是滞后径流形成、径流高
峰时间和延长径流持续时间。 根据试验研究建立的模型计算径流递减率:
r = 0.2604 伊 e -0.124伊t
R2 = 0.9552
式中,r为径流递减率(径流减少量 /初始径流量),t为递减时间(d) [12]。 例如,2011 年 6 月 1 日至 7 月 13 日
的降水是流域连续降雨较为典型的一次(图 6),在 45d 的时间里连续降雨 3 次,平均降雨强度 3.5 mm / h,最
大 1h降雨量 17 mm,属典型的大暴雨。 在这一降水过程中,开始两天出现降水 5.2 mm,但小流域日径流量仍
延续前期的下降态势;到第 3天(6月 4日)出现了 35 mm降水,小流域日径流量才开始增加。 最大降水出现
在 6月 15日,降水量 199.8 mm;最大径流出现在 6 月 16 日,滞后降水 1d。 降水停止后径流一直延续到第 2
次降水开始或延续到第 2次、甚至是第 3次降水径流中,第 2 次降水开始时小流域径流仍然大于第 1 次降水
开始时,说明在第 2次降水形成的径流中有部分是前次降水的结果。 径流过程在降水停止后持续 24d(降水
停止后到径流减小到降水开始时的径流水平),持续到 6 月 28 日以后的径流与第 2 次降水径流重叠,实测径
流明显高于前一次降水模拟径流(图 6),降雨后退水持续时间与前期降水及后期降水叠加有关。
图 6摇 试验流域年内降水与河川径流分配
Fig.6摇 Distribution of daily precipitation and river runoff
4摇 结论
漓江是典型的雨源补给型河流,探究森林植被对河川径流的调节作用,是客观评估漓江上游水资源潜力、
加强流域水资源管理和森林经营的基础。 根据 1960—2010 年 50a 降水历史资料和试验地水文观测,得出以
下结论:1)降水年内分配极不均匀,50a年降雨量总体变化趋势不明显。 林冠截留受林外降雨特征的影响,也
与植被类型密切相关。 2)地表径流平均滞后时间为 70 min,在连续降雨的情况下,降雨滞后效应不再明显。
甚至会出现地表径流与降雨同步的现象,小降雨也可能产生大的地表径流,加大漓江流域在雨季发生洪灾的
风险。 3)雨季径流系数略大于旱季,旱季降水量减少,且森林植被消耗大量水分,减少了枯水期径流的产生,
加大旱季发生旱灾的风险。 森林植被延长河川径流持续时间,使一次持续 18d 的降水过程形成的径流,在降
水停止后能延续 24d,降雨后退水持续时间与前期降水及后期降水叠加有关。
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