全 文 ： I一 7
第l 8卷第2期
l 9 9 8年 3月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGlCA SlNlCA
Vo1．18．NO．2
M lit．， 1998
黄土高原油松林地产流产沙及其过程研究
汪有科 7；，、，
(
院 ±保持研 所 腱 扬＆
712100) ，
摘薹 通过对径流小区的多年观测和^工模拟降雨试验，利用 自制的径流自动记录装置、研究了油橙林地不
同处理的产流产沙及其动态过程。研究结果表明，油松林地、林地去枯枝落叶层和采使林地上层林术等3种处
理与农地比较，分别减少径流量88．0 、27 0 和87．8 ，减少产沙量99．9 、98．0 和99．s 产沙量与坡
度和雨强关系密切，随坡度和雨强增加而迅建增加， 雨强的效应更甚
油松林地开始产汽的降雨量一般在10mm以上 由于降雨过程不匀和地面多种日子的综合作用，产流过
程常为一取峰或多峰曲线、产流时问较农地滞后，持续时间较农地长。上述3种处理较农地产流滞后和持续延
长的时间丹别为15min和60raint0rain和10rain，10rain和40min。
油橙林地的产沙过程并不平稳，即使在^工均匀降雨的条件下，通常轲期产沙较多， 后随时间递减．据
对产抄资料的分析，其累积产沙量 )随时间( )的变化符合幂函数方程：
R 一 Ⅱ+
在设计雨强1 0ram／rain(实际雨强0．04ram～1．10ram／rain)条件下，油松林地10o和20。坡度的累积产沙
方程为：
RI3— 0．260十 0．i76t⋯ ⋯ 0 097
R z0— 0．441+ 0 372t0，0 0 097
关键调：黄土高原．油松林，产流产沙。
FLOW PRoDUCTION AND SEDIMENT PRoDUCTION
AND THEIR PR0CESSES IN CHINESE PINE
W ooDLANDS IN THE LoESS PLATEAU
Wu Qinxiao Zhao Hongyan Wang Youke
(1nsot~e of Sol and w ( ⋯ ‰ ，Tile Chinese Academy of Sci~ces
and the Ministry of Water( Ⅲ⋯ ，Yanghng，Shaan：i，7121O0，c^ )
Abstract The flow production and sediment production and their processes were studied
in the paper based on the data from observation in runof plots for many years and from
simulated rainfall experiment，using an automatic runoff recording instrument made by
ourself．The results showed that，compared with farmland，the runoff in chinese pine(P
“5 tablulaeformis)stand，the stand without litter and in its cutover area with all vegetation
* 国家 九五”科技攻关资助项 目(96 007 01 08和96 007 04—06)
收稿日期：1 09 5 08 0g．修改稿收到日期：1906 09 04
维普资讯 http://www.cqvip.com
l52 生 态 学 报 18卷
under the stand decreased by 88．0 ，27．0H，87．8 respectively，and the soll 1OSS reduced
by 99．9 ．98．0H，99．8 respectively．The sediment yield was closely correlated with
slope and rainfall density．It increased with slope and rainfall density．but the effect of the
latter was more obvious than that of the former．
More than 10ram rainfall usualy was need for flow prouction in chinese pine stand．
Because of uneven rainfall process and comprehensive effect of factors on woodland the
flowproduahy process often shows up as a twin—or multipeak curve．The flow production
time on the woodland started later，and its duration was Ionger than on farroland．By com—
parison·in the above three treatments of Chinese pine stand and farmland the starting time
of flow production was 15 min，0 min and 10 min 1ater，respectively．The flow duration was
60 min，10rain and 40min longer，respectively．
Under the condition of simulated even rainfall the sediment producing process on chi—
nese pine wood land did not even．Usually at the begining sediment yields were compara—．
tively more，then it gradually decreased with time．According to the analysis at the date of
observation the changes in accumulative sediment yield(R)with time(f)conformed top—
power function：R—d+ bt
Under the conditions of projecting rainfall intensity 1．0mm／min(actual rainfall densi—
ty 0-94～l-10mm／min)the equations。f accumulative sediment eld on chinese pine wood—
land with the slopes of 10。and 20。were as foIlows：
Rl0= 一0．260+O．1 76t“ r一 0．997
R20一 一0．441+ 0．372t。 。 ，一 0．997
Key words： Loess Plateau，Pinus tabulaeformis stand，flow production，sediment produc—
tion．
1 试验区自然概况
试验区设在宜 l县铁龙湾林场的松峪沟．海拔1000~1200m 年平均气温9．TC，平均降水量574mm。植
被属暖温带落 叶阔叶林·天然植被已遭破坏+现阳坡主要分布有狼牙刺(Sophora viciifolia)、山桃(Pru 琊
dd d 删d)等，阴坡多为山杨(Populus dazqdiana)林。
试验油松(Pinus tabulaeformia)林为黄土高原 早期 (60年代 中)所栽植，林分高10-1lm，胸径11～
12cm·郁闭度0．7，具代表性。林分较郁闭．林下有少量灌木和草本植物．覆盖度0．2，枯枝落叶层厚3～4cm。
2 研究方法
试验采用国内外 目前进行水土流失研究常用的方法，即林内设置径流观测小区，井结合人工模拟天然
降雨试验
径流小区面积5m×20m，坡度2r，土壤为灰褐土。林下植赦由灌木黄刺玫(Rosa瑚 thina)和草本植物
大挂针叶苔草(Carex lanceolata)~A_成。径流小区内对油松林分别作如下处理：原状油松林(a)+林地去枯落
物层(b)+采伐林地上层林木，但保存林下灌木和草被(c)，采伐后开垦为农地(d)，各处理均设一个重复 每
次降雨后·利用自制的坡面径流 自动记录装置 ，记录产流过程，同时测定林地降雨量、降雨历时、径流量和
泥沙量 。
· 请装置已莸国家专利，为无电源地区记录林草地径流过程提供了新型仪器 专利号：zL 9Z 2 44884．1
维普资讯 http://www.cqvip.com
2期 吴钦孝等：黄土高原油松林地产流产沙及其过程研究 153
人工模拟天然降雨采用水土保持研究所研制的组台侧喷式野外人工降雨装置。降雨时两侧喷头座架
之间距离为7m，喷头高8m，喷头出水高度1．5m，使降雨雨滴终点速度基本接近天然降雨的速度。供水压力
由压力袁控制，雨强主要通过孔板的孔径来调节。
人工降雨试验小区长4m，宽lm。小区出口处连接分水箱和贮水箱。小区坡度可任意调节。本次试验根
据黄土高原森林分布的常见坡度，分别设计了10。、20。和30。等3十坡度；模拟该地区常见天然暴雨雨强，设
计了1．Omm／min、1．5ram／rain和2．Omm／min 3十降雨强度。小区内设计有两种处理，即油橙林和作为对照
的农地。油松高6m，郁 闭度0．7。
3 结论和分析
3．1 产流量和产钞量
据 1988～1994年雨季(6～9月)对径流小区的连续6a观测(1989年因雨季降水少、强度小，基本未 产
流)，油松林地的产流产抄状况见袁1。
表1 油松林不同处理的产流产沙量比较
Tal~e 1 Comparison of flow and sediment yield between different treatments of tabedaeformis stand
* 径赢锞 ，Run．I{deptk，* 观秒量 ，Sediment deptb．
从表1中可以看出，在地形、土壤、降水条件相同的条件下，油松林地的蓄水减步效果显著，6a合计，地
表径流深14-07ram，为农地的12．0 ，土壤流失量12．45t／km。。不足农地的0．L 。也就是说，林地与农地相
比，可减步径流88．0 ，减少泥抄99．9 ，表明了森林巨大的水土保持功能和理水作用。
林地去枯落物层后，径流量和泥沙量均有鞍多的增加，与原状林相比，分别增加T5．1倍和26．5倍。径
流量为农地的73．0 ，泥沙量相当于农地的2．0 。可见，林地枯落物层具有不可忽视的水源涵养作用。
林地采伐上层林末后，由于较好地保存了林下地被物，无论产流和产沙均无显著差异，与原状林相比+
仅增加径流量1—6％·增加泥抄量1．7倍 +说明只要合理经营利用森林资源 ，就可避免给山区造成新的水土
流失。
3．2 坡度和雨强对产沙量的影响
侵蚀产沙是多因子相互作用的综合结果，其中除下垫面植被因子外，还包括坡度、雨强、土壤等。为进
一 步阐明坡度和雨强的影响，在试验 区土壤条件下，对油松林和农地在不同坡度和雨强下的产沙量，进行
了人工降雨试验，试验结果见表2。
由表2可见，随着坡度和雨强的增加t各处理产沙量均迅速增加，以雨强的效应更甚。在同一雨强下。坡
度由10。增加到30。·产妙量增加不超过L倍，而在回一坡度下，雨强由1．Omm／min增加到2 Omm／min，侵蚀
维普资讯 http://www.cqvip.com
154 生 态 学 报
产沙量则可增加1．5～5．3倍。为定量表达坡度( )、雨强 (』)与侵蚀产沙(s)的关系，分析水土流失各作用因
子间的关系t根据上述正相关关系t选 用拟台效果最好的幂函数方程 S= ‘ ’，，得油松林地产沙模型如
表3所示
表2 油松林和农地在不同坡度和雨强下的产沙量比较
TaMe 2 Comparison of sediment yie]d between tabalaeformis stand and farmland under
the conditions of different slopes and different rainfall densities
油橙林 产沙量 s鲥 “ yield< ／km )
P． 6 m “n
实际雨强 】 f I]
density(ram／rain)
农地
F r¨mland
产沙量 Sediment yield(t／km )1087．8 l429 8 2052 0 3885．4 4822．3 6300．8
实际雨强A I mf I】
。 93～0．99 2．O5～ 2．26
density(ram／rain)
表3 油松林地和农地产沙模型
TaMe 3 SecJIment prodact／on model for
P．tabulaeformis woodland and farmland
1)P．1口hh ⋯ woodland{2)lap Land
从表2还可 看出，在坡度为20。、雨强i．Omm／
rain和2 Omm11min的条件 下．油松林地的产沙量分
别为农地的0．85 和0．65 ．这与在坡度为2la的径
流小区内测定的结果基本一致。虽然i～2次暴雨造
成的泥沙量．与全年或数年累计产沙量之间，在比例
上有一定的差异，但这种结构不会因此而有明显变
化。实际上，据各地多年观测 ．黄土高原每年造成的
大量水土流失，主要是由几场暴雨引起的。
试验地区l 990年07月2I～22日的一场47 4ram暴雨，虽降雨量只相当于雨季降水量的u．6 ，但造成
的土壤流失量占当年同期全部流失量的84．6
3 3 产流产沙过程
产流产沙过程是水土流失数量化表示的动态结果 ，它客观地反映丁径流和泥沙随时间的变化，是研究
水土流失规律的重要组成部分。
3．3．1 产流过程 多年的观测结果表明，由于林冠截留(次最大截留量4．Omm)，枯枝落叶层的吸收(次最
大吸收量5 1ram)和土壤入渗作用，试验区油松林地开始产流降雨量一般在lOmm 以上，视雨强和前期降
水条件而变化，雨强大 ，前期降水充分，产流降水量减少，但最少不低于6ram，否则无径流发生(见表4)。
根据坡面径流自动记录装置的测定结果，不同处理的产流过程常为一双峰或多峰曲线，这是由降水过
程和地面多种因子练合作甩的结果 以1992—07—10日的降雨为例，其降雨特征和各处理的产流过程分别见
表j和图1
从图l可 看出，下垫面性质不同，出现径流及其持续时间均有差异。农地开始产流时间最早，约在降
雨后的15rain。且持续时间最短 ．仅50min，径流相对集中。林地无枯落物覆盖，产流时间与农地无几差异，采
伐地 比农地滞后lOmin产流 油松林地 产流时间最晚，在降雨后30min才开始，且持续时间长达llOmin，与
农地相比，产流开始时间晚l 5min，持续时间长60min．结束产流晚75min，林地延缓径流的作用显著。
由图l还可见，不同下垫面的径流起伏程度也不相同 农地和无枯落物覆盖的林地起伏量大，而油松林
地和采伐地起伏程度小，表明林地，特别是地被物覆盖对径流调节的重要功能。各处理产流产沙特征值详
见表6。
维普资讯 http://www.cqvip.com
2期 吴钦孝等：黄土高原油橙林地产流产沙及其过程研究 155
衰4 1991年雨季降雨噩径流小区产流状况
Table 4 State of rainfall and flow production
in runoff plot of ．tabulaeforr~s
stand in raining season 1991
喜
=
时间Time(h
；毒
堆生
兰
王
；
；{
梧 昌
时间 Time(b)
圉1 油船林不同处理和农地的降雨径流过程
Fig．1 Runof process。n P． r卅 woodhnd
and its d】 |er∞ t t m阻 as we】】ES farm]and
衰5 次暴雨降木特征值 ． ⋯
Table 5 Characteristic value of rainfall in olKe heavy rain
由表6可见，除上述产流过程外，不同下垫面的产流量和产沙量差别报大，油松林地和栗伐地产流很
少，仅约0-lm。，农地和林地去枯落物层的产流量相当于前者的6～8倍 ；产沙量则农地比其它3种处理多223
～ 1359倍，其效应与前述结果是完全一致的
3·3-2 产沙过程 利用人工降雨试验，通过对产流的定时取样和泥沙含量的测定，对油按林地的产抄过
篓
蠡
砉耋
维普资讯 http://www.cqvip.com
156 生 态 学 报 18卷
程进行了研究+并与农地的产沙过程进行比较、分析，取样和测定结果见表7。
泥沙通常随径流而下。由表7可见，在设计雨强1．Omm／min、实际雨强0．94～1．10ram／rain的条件下，
林地一般在降雨开始后3～5min产流并产沙，较前述天然降雨条件下需最少6mm 降水有所减步，这是因为
人工降雨强度较大，且土壤水分含量较高之故。
测定结果表明，在30rain的降雨过程中，无论下垫面性质、坡度如何，即使在均匀降雨条件下，产沙过程
并不平稳，通常其初期产沙较多，以后随时问递减。对裸露的农地 ，到一定时间(产抄26～28min后)还有少
量增加。油松林地及其对比农地的累积产沙随时间的变化过程见图2。
据对产沙资料的分析可知，累积产沙量随时间的变化符合幂函数方程
R 一 口+
式中： 为累积产沙量f 为产沙时问 6． 为参数。
把通过计算机模拟求得的参数值代入上列方程，得油松林地和农地不同坡度的累积产抄方程(见表
8)。
据此可以认为，在天然降雨条件下，由于降水不匀，产沙过程也是一个有起伏的过程，且下垫面性质不
同，其起伏程度亦不相同。但就产抄量而言，坡度、雨强和下垫面性质均有重要影响 如表7所列，在坡度和
雨强相似情况下，油松林地的产抄量 比裸露农地大大降低，所减少的绝对值随坡度增加而增加，即由坡度
10嘲 1．16kg／m。增加到坡度20。的1．67kg／m。，而相对值却由坡度10。的170倍减少到坡度20嘲 23倍。在雨强
和下垫面相似的情况 下，产抄量随坡度增加而增加，林地 由坡度10嘲 0．01kg／m 增加到坡度20。的0．07
kg／m：，农地由1．1Skg／m。增加到1 74kg／m。。
表6 油松林不同处理产流产沙特征值
Table 6 Characteristic value of flow and sediment for different treatments of ta~daeformis stand
① P．tatmlaeformis stand~@Stand without litterl@jCutover a啪 |@Farmland
时『可Time(mi口) 时同Time(mm)
图2 油梧林地和丧地累积产抄过程
Fig 2 Process of accumulative sediment yield on P．tabutaeformis woodland and farmland
维普资讯 http://www.cqvip.com
2期 吴钦孝等：黄土高原油抡林地产流产沙及其过程研究 157
衰7 油桎林地和农地产沙量动态过程
Table 7 Dynamic process of sediment yield for P-：abutaeformls woodland and farmland
h-d|@目呻e|@aAin~[1 der~ityl0P ∞
裹8 油桎林地和农地不同坡度的累善j产沙方程
Table 8 Equation of accamdiaflve sediment y|e]d oB diferent slopes of
tabulaeform$8 woodland andfarmland
4 结论
4．1 油松林地的蓄水减抄效益显著，6a平均地表径流量和土壤流失量分别比农地减少88．o 和99．9 ，
其径流系数仅为0．0064，表明森林巨大的保持水土作用。
2 林地枯枝落叶层具有良好的水源涵养功能．除去枯落物层使径流量增加5．1倍，为农地径流量的
73．O ，故在生产中应予积极保护。
4．3 林地采伐上层林术后，只要较好地保存林下地被物，对产流产沙不会产生明显影响。所以，如能合理
经营利用油松林资源，并在伐后尽快恢复植被，不会给山区造成新的水土流失。
4-4 坡度和雨强对产抄有重要作用，其中又以雨强效应更甚。黄土高原每年大量的水土流失，主要是由几
场暴雨造成。
4．5 在天然降水条件下，油按林地的起流降雨量通常在10mm以上，视雨强和前期降水条件而有变化，但
最少不低于6ram。
4-6 由于降水过程不匀和地面多种因子 的作用，产流过程线多为双峰或多峰曲线．其起始时问和持续时
间随下垫面性质不同而不同，林地延缓径流的作用显著。
4．7 在人工均匀降雨的条件下，林地产沙过程并不平稳，通常初期产沙量大，以后随时间递减，其累积产
沙量 )随时间(f)的变化，符合幂函数方程。
参 考 文 献
1 摹庆荨．林地开垦人为加速侵蚀的人工降雨试验研究．中国科学院，水利部水土保持研究所集刊，1993．(14)。79~86
2 刘向东等． 盘山森林保持水土生态功能评价．水土保持学报，l987，(1)：90～97
3 是饮孝等．森林集水区水文效应的研究．人民黄河 1994，(12)：25～27
4 马雪华．森林水文学．北京 中国林业出版社，1993．244~266
维普资讯 http://www.cqvip.com