全 文 ：林业科学研究　2006, 19 (5) : 595～599
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2006) 0520595205
华北落叶松枯落物覆盖对地表径流的拦阻效应
何常清 1, 2 , 于澎涛 23 , 管　伟 2 , 王彦辉 2 , 袁玉欣 1 ,
郭明春 2 , 杜阿朋 1 , 董晓红 2
(1. 河北农业大学林学院 ,河北 保定　071000; 2. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 ,北京　100091)
摘要 :在宁夏固原六盘山叠叠沟小流域坡面径流小区 (长 0. 9 m、宽 0. 5 m )内进行了 10种枯落物覆盖量 (010、015、
110、3. 0、5. 0、7. 0、10. 0、15. 0、20. 0、25. 0 t·hm - 2 )、5个入口流量 (10、20、30、40、60 mL·s- 1 )的地表径流试验。结
果表明 :当枯落物覆盖量从 010 t·hm - 2增加到 25. 0 t·hm - 2时 ,地表径流流速与无枯落物覆盖相比减小了 57. 50%
～72127% ;地表径流流速随入口流量增加而明显加大 ,尤其是无枯落物覆盖时增加最快 ;在坡度为 14°的条件下 ,枯
落物覆盖对地表径流流速的阻延值 △V ( cm·s- 1 )与单宽流量 q (mL·s- 1 ·cm - 1 )、枯落物覆盖量 G ( t·hm - 2 )的关
系为 : △V = 31617 7q01507 5 G01431 5 (R2 = 01910 2) ;枯落物覆盖量增加使地表曼宁阻力系数 n值加大 ,在枯落物覆盖量
小于 10. 0 t·hm - 2时 , n值随枯落物量增加而急剧加大 ;当枯落物覆盖量在 10. 0～25. 0 t·hm - 2范围内增加时 , n值
的加大趋势逐渐变缓 ; n值与枯落物覆盖量之间呈较好的二项式关系。
关键词 :华北落叶松 ;枯落物覆盖 ;地表径流 ; 流速 ; 曼宁阻力系数
中图分类号 : S715 文献标识码 : A
收稿日期 : 2006201218
基金项目 : 国家重大基础研究项目 ( 2002CB111501)、国家自然科学基金重点项目 ( 30230290)、国家林业局引进国际先进技术项目
(200324243)、科技部社会公益研究专项 (2004D IB3J102) 和国家林业局森林生态环境重点试验室联合资助
作者简介 : 何常清 (1981—) ,男 ,河北易县人 ,硕士生 ,主要从事森林生态方面的研究 13 通讯作者 :于澎涛 , Tel. 010 - 62889562; E2mail: yup t@forestry. ac. cn
The Effect of Ground Cover ing by L itter of L a rix princ ip is2rupprech tii
to Reduc ing Veloc ity of Surface Runoff
HE Chang2qing1, 2 , YU Peng2tao2 , GUAN W ei2 , WANG Yan2hui2 , YUAN Yu2xin1
GUO M ing2chun2 , DU A 2peng1 , DONG X iao2hong2
( 1. College of Forestry, Agricultural University of Hebei, Baoding　071000, Hebei, China;
2. Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, CAF, Beijing　100091, China)
Abstract: For studying the effect of ground covering by L arix principis2rupprech tii litter on reducing the velocity of
surface runoff, the experiment was conducted with 0. 9 m ×0. 5 m p lots on slopes in D iediegou small watershed of
L iupan Mountain in Guyuan, N ingxia. The treatments of 10 litter coverage ( 010, 0. 5, 1. 0, 3. 0, 5. 0, 7. 0,
1010, 15. 0, 20. 0 and 25. 0 t·hm - 2 ) and 5 input flux (10, 20, 30, 40 and 60 mL·s- 1 ) were used. The results
showed that compared with the treatment with no litter coverage, the surface runoff velocity was reduced by 57150%
～72. 27% when the litter coverage varies from 010 to 25. 0 t·hm - 2. The surface runoff velocity had an evident in2
crease with increasing input flux, especially the fastest increase in the case of without litter coverage. On the slope
of 14°, the relation among the reduced runoff velocity (△V , cm· s- 1 ) , the flow of unit width ( q, mL· s- 1 ·
cm
- 1 ) , and litter coverage (G, t·hm - 2 ) was: △V = 31617 7q01507 5 G01431 5 (R2 = 01910 2). The Manning resist2
ant coefficient ( n) increased with litter coverage. W hen the litter coverage was less than 10. 0 t·hm - 2 , the value
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 19卷
of n evidently increased with the litter coverage; while the litter coverage caries in the range of 10. 0 to 25. 0 t·
hm - 2 , the value of n increased more and more slower. And there was a satisfied binom ial relationship between n
and litter coverage.
Key words:L arix principis2rupprech tii; litter coverage; surface runoff; velocity of flow; Manning resistant coefficient
地表径流的流速及流量都是土壤侵蚀的主要动
力 ,但流速的影响更大 ,泥沙的可移动量与流速的 6
次方成正比 [ 1 ] ,流速的微小变化即可引起径流挟带
泥沙能力的很大变化 [ 2 ]。林地的枯落物覆盖具有积
极而重要的森林水文作用 ,森林枯落物覆盖地表能
够直接增大地表粗糙程度 (通常用曼宁公式中的糙
率系数 n 值表示 ) [ 3 ] , 增加地表径流的阻力系
数 [ 4～6 ] ,降低坡面径流的流速 ,延缓径流产生 ,减小
径流冲刷土壤的能力 [ 7～9 ]。华北落叶松 (L arix prin2
cipis2rupprech tii Mayr)是宁夏六盘山地区的主要造林
树种 ,目前多为 18～25年生的人工林。随着森林植
被的加快恢复 ,华北落叶松林的面积还在快速增加 ,
对坡面水文过程、坡面土壤侵蚀、区域水文特征的影
响越来越大 ,因此 ,系统研究华北落叶松枯落物的阻
流效应非常重要。
1　试验小流域和样地概况
本试验于 2005年 7月完成。试验点位于宁夏六
盘山北坡的叠叠沟小流域 ,隶属宁夏回族自治区固原
市原州区叠叠沟林场 ,海拔 1 975～2 615 m,年均气温
6 ℃,年均降水量 480 mm, 7—9月份降雨占全年降水
量的 62% ,属温带半干旱气候。试验样地位于叠叠沟
小流域下游 (35°58. 209′N, 106°08. 766′E) ,海拔高度 1
993 m,坡向为北偏东 85°,坡位为下坡 ,坡度 14°,土层
厚 20 cm,属于坡积母质。试验前将样地内草皮铲掉 ,
露出表层土壤 ,以备铺设不同厚度的枯落物。样地各
层土壤的物理性质见表 1。
表 1　试验样地各层的土壤物理性质
土壤层次 /
cm
土壤密度 /
( g·cm - 3 )
总孔
隙度
毛管孔
隙度
非毛管
孔隙度
%
> 2 mm石
砾含量 /
( g·kg - 1 )
> 2 mm
石砾
体积含
量 /%
0～5 0. 84 64. 41 61. 46 2. 95 54. 7 1. 3
5～10 0. 92 62. 41 61. 27 1. 14 51. 7 1. 5
10～20 1. 10 62. 71 60. 61 2. 10 379. 5 13. 8
2　试验方法及试验设计
2. 1　试验装置
沿山坡方向用钢板做成高 0. 1 m、长 0. 9 m、宽
0. 5 m的径流小区 ,钢板打入土壤 0. 2 m左右。在
径流小区上端设一进水槽 ,进水槽上方布设一个稳
压水槽并与供水水桶连接 ,确保小区内形成稳压恒
定水流。在径流小区下端装上集水槽板 [ 10 ] ,试验装
置见图 1。
图 1　径流小区剖面图
打开供水水桶和稳压水槽的节水阀门 ,水流通
过胶管导入进水槽 ,水流以溢流的形式从进水槽向
试验小区供水 ,开始计时。集水槽内出水后 ,定时量
测出水量 ,间隔时间段长为 10 s。当集水槽的单位
时间出水量即流量的连续 3次测定值的差值 ≤ 2%
时 ,即视为出水稳定。
在出水稳定以后 ,采用染色法测定流速。测定
流速时同时测定该时段内集水槽的出流量。
2. 2　试验设计
将收集到的 2004年凋落的半分解的华北落叶
松枯落物 80 ℃烘干称干质量 ,然后按照试验设计均
匀铺在铲掉草皮的试验样地的土壤表面。共设计了
10个覆盖量梯度 ,即 010、0. 5、1. 0、3. 0、5. 0、7. 0、
1010、15. 0、20. 0、25. 0 t·hm - 2。在枯落物覆盖量为
25. 0 t·hm - 2时 ,枯落物层厚度为 7 cm。对每个覆
盖量处理都进行了入口流量为 10、20、30、40、60 mL
·s- 1的水流试验。
3　结果与分析
3. 1　枯落物覆盖量对地表径流流速的影响
从图 2看出 ,在入口流量分别为 10、20、30、40、
60 mL·s- 1的条件下 ,地表径流流速都随枯落物覆
695
第 5期 何常清等 :华北落叶松枯落物覆盖对地表径流的拦阻效应
盖量的增加而明显减小 ,但当覆盖量增加到 10. 0 t
·hm - 2后 ,减小的趋势逐渐变缓 ;在增加到 15. 0 t·
hm - 2后 ,减小的趋势基本停止。在枯落物覆盖量从
010增加到 25. 0 t·hm - 2时 ,地表径流流速分别从
410、6. 2、8. 2、9. 5、11. 9 cm · s- 1减小到 1. 7、2. 4、
218、2. 9、3. 3 cm · s- 1 ,对应分别减小了 57. 50%、
61129%、65. 85%、69. 47%、72. 27% ,这是因为随着
枯落物覆盖量的增加 ,地表径流的阻力和路径加大 ,
使水流流速变小。
图 2　入口流量一定时枯落物量与地表径流的关系
图 3　枯落物覆盖量一定时入口流量对
地表径流流速的影响
图 3表明 ,在枯落物覆盖量为 010、0. 5、1. 0、
310、5. 0、7. 0、10. 0、15. 0、20. 0、25. 0 t·hm - 2时 ,地
表径流流速均随入口流量的增加而明显加大。在入
口流量由 10 mL·s- 1增加到 60 mL·s- 1时 , 10个不
同覆盖量处理的流速分别从 3. 9、3. 4、2. 6、2. 4、2. 3、
211、1. 5、1. 5、1. 9、1. 7 cm · s- 1增加到 11. 9、8. 9、
818、618、6. 0、5. 7、4. 7、3. 8、3. 5、3. 3 cm·s- 1 ,约增
加了 110～2. 4倍。与枯落物覆盖处理相比 ,无枯落
物覆盖时流速增幅很大 ,而有枯落物覆盖时径流流
速增幅一般较小 ,这表明枯落物覆盖在一定范围内
降低径流流速的作用随进水流量加大而增强。
3. 2　枯落物覆盖对地表径流流速的阻延作用
枯落物覆盖对地表径流流速的阻延值 △V为 :
△V =V0 - V (1)
式 (1)中 : V0 —无枯落物覆盖时的地表径流流速
( cm· s- 1 ) ; V—有枯落物覆盖时的地表径流流速
( cm·s- 1 )。由公式 ( 1)计算的华北落叶松枯落物
覆盖对地表径流流速的阻延作用值见表 2。
表 2　不同枯落物覆盖量 (干质量 ) 时的地表
径流流速的阻延值 △V cm·s- 1
入口流量 /
(mL·s - 1 )
枯落物覆盖量 / ( t·hm - 2 )
0. 5 1. 0 3. 0 5. 0 7. 0 10. 0 15. 0 20. 0 25. 0
10 0. 6 1. 4 1. 5 1. 6 1. 9 2. 4 2. 4 2. 1 2. 3
20 0. 9 1. 2 1. 6 2. 7 2. 8 3. 8 3. 7 3. 7 3. 7
30 2. 2 2. 0 2. 5 3. 8 4. 0 5. 2 5. 2 5. 4 5. 4
40 2. 6 1. 7 3. 7 4. 3 4. 7 5. 7 6. 3 6. 3 6. 6
60 3. 0 3. 1 5. 0 5. 8 6. 1 7. 2 8. 1 8. 4 8. 6
有关描述坡面径流流速的公式 [ 2 ]基本形式为 :
V = k ia qb (2)
式 ( 2 )中 : V—坡面径流流速 ( cm · s- 1 ) ; i—比
降 ; q—单宽流量 (mL·s- 1 ·cm - 1 ) ; k、a、b为常数。
假设流速阻延值 △V 与 i和 q存在着与式 ( 2 )
相似形式的关系 ,为了定量研究枯落物覆盖量 G对
△V的影响 ,在式 ( 2)中增加了 Gc 项 ,则有枯落物覆
盖情况下的坡面径流流速公式 :
V = Kia qb (1 - Gc ) (3)
△V =V0 - V = Kia qb Gc (4)
由于本试验是在野外固定样地进行 ,坡度没有
变化 ,故可将 ia 项看作常数 ,公式 (4)变为 :
△V = Kqa Gb (5)
将试验取得的枯落物覆盖的地表径流流速阻延
值、单宽流量、枯落物覆盖量等数值进行式 (5)的回
归分析 ,得 :
△V = 31617 7q01507 5 G01431 5 　R2 = 01910 2 (6)
偏相关系数分别为 RV q = 01407 33 3 , RVG =
01565 23 3 。从回归分析结果来看 ,地表径流流速的
阻延值与单宽流量、枯落物覆盖量都呈极显著的正
相关关系。
3. 3　枯落物覆盖量对曼宁阻力系数的影响
森林地被物覆盖对地表径流流速的影响程度可
由曼宁阻力系数 n值予以量化表示 [ 1 ] ,即利用 n值
的大小反映枯落物覆盖量增加地表粗糙程度的
作用。
795
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 19卷
经典的曼宁公式为 C = 1
n
R1 /6 ,其中的曼宁阻力
系数 n计算公式如下 :
n = q - 1 h5 /3 i1 /2 (7)
式 (7)中 : q为单宽流量 (mL·s- 1 ·cm - 1 ) , q =
Q /B; Q = (小区上端进流量 +小区下端出流量 ) /2
(mL·s- 1 ) ; B 为径流小区宽度 (50 cm ) ; h为水深 ,
当过水断面为宽浅式矩形时 ,其水力半径 R 约等于
水深 h, h =ω
B
=
Q
vB
=
Q t
lB
;ω为过水断面积 ( cm2 ) ; l
为小区长度 (90 cm ) ; t为染色剂流过试验小区的时
间 ( s) ; i为比降 , i = sinθ;θ为小区坡度 (°)。
从图 4看出 ,枯落物覆盖量为 0～10 t·hm - 2
时 ,入口流量为 10、20、30、40、60 mL·s- 1的条件下 ,
曼宁阻力系数随枯落物量增加急剧增大 ,由裸地的
0. 012 0、0. 009 5、0. 008 1、0. 008 2、0. 007 7增加到
枯落物覆盖量为 10. 0 t·hm - 2的 0. 057 8、01044 0、
0. 040 0、0. 034 4、0. 032 6,分别增加了 3. 81、3. 63、
3. 95、3. 22、3. 25倍。在枯落物量由 10. 0 t·hm - 2增
加到 25. 0 t·hm - 2时 ,且入口流量为 10、20 mL·s- 1
的曼宁阻力系数不再增大 ,入口流量 30、40、60 mL
·s- 1的 n值增大趋势逐渐变缓。从以上分析可以
看出 ,对于入口流量 10、20 mL· s- 1而言 ,枯落物量
10 t·hm - 2为增大曼宁阻力系数的上限值 ,而试验
的枯落物覆盖量还没有达到入口流量 40、60 mL·
s
- 1时的上限值。试验中的坡面水流为薄层水流 ,理
论上说 ,枯落物干质量增加 ,枯落物紧实度加大 ,通
过加强枯落物与地面的接触使枯落物的阻水作用提
高 ,枯落物覆盖量增加而导致曼宁阻力系数 n值增
加应仅在一定的枯落物厚度范围内存在。
图 4　不同入口流量条件下枯落物覆盖量与曼宁阻力系数 ( n)的二项式关系
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第 5期 何常清等 :华北落叶松枯落物覆盖对地表径流的拦阻效应
曼宁阻力系数 n值与枯落物覆盖量 G呈正相
关 ,其关系式有 n = aGb 或 n = a1 G3 + a2 G2 + a3 G + b
两种形式 [ 3, 11 ]。由表 3可以看出 ,对于本试验结果
而言 ,二项式关系和三项式关系比幂函数关系好 ,但
二项式和三项式的相关系数比较接近 ,为利用简便 ,
故认为二项式关系较好。
表 3　不同入口流量条件下曼宁阻力系数 ( n )值与枯落物覆盖量 (G )的关系比较
入口流量 /
(mL·s - 1 )
拟合公式
幂函数 R2 二项式 R2 三项式 R2
10
n = 0. 009 2G0. 517 8 +
0. 012 0
0. 852 6
n = - 1E - 04G2 + 0. 004 8G +
0. 014 9
0. 869 6
n = 4E - 06G3 - 0. 000 3G2 +
0. 006 1G + 0. 031 4
0. 879 2
20
n = 0. 005 4G0. 650 9 +
0. 009 5
0. 944 1
n = - 1E - 04G2 + 0. 003 8G +
0. 009 8
0. 965 8
n = 4E - 07G3 - 0. 000 1G2 +
0. 003 2G + 0. 009 6
0. 965 9
30
n = 0. 006 4G0. 587 4 +
0. 008 1
0. 927 9
n = - 8E - 05G2 + 0. 003 4G +
0. 009 4
0. 980 0
n = - 6E - 07G3 - 5E - 05G2 +
0. 003 2G + 0. 009 6
0. 980 2
40
n = 0. 005 4G0. 658 3 +
0. 008 2
0. 926 7
n = - 5E - 05G2 + 0. 003G +
0. 009 5
0. 985 6
n = - 1E - 07G3 - 5E - 05G2 +
0. 003G + 0. 009 5
0. 985 6
60
n = 0. 006G0. 643 2 +
0. 007 7
0. 983 0
n = - 4E - 05G2 + 0. 002 9G +
0. 009 5
0. 991 8
n = - 1E - 07G3 - 5E - 05G2 +
0. 003G + 0. 009 5
0. 985 6
4　结论与讨论
(1)坡面地表径流流速随枯落物覆盖量的增加
而明显减小。在入口流量为 10、20、30、40、60 mL·
s
- 1的试验条件下 ,枯落物覆盖量从 010增加到 2510
t·hm - 2时 ,地表径流流速减小的幅度为 57. 50% ～
72. 27% ,减小作用随进流流量的增加而加大。枯落
物层覆盖能大大减小地表径流的流速。
(2)在坡度为 14°的条件下 ,华北落叶松枯落物
覆盖的地表径流流速阻延值 △V ( cm· s- 1 )与单宽
流量 q (mL·s- 1 ·cm - 1 )、覆盖量 G ( t·hm - 2 )之间
的关系为 △V = 31617 7q01507 5 G01431 5 ( R2 = 01910 2)。
地表径流流速阻延值与单宽流量、枯落物覆盖量都
呈极显著的正相关关系。
(3)增加华北落叶松枯落物覆盖量能加大地表
曼宁阻力系数 n值。覆盖量小于 10. 0 t·hm - 2时 , n
值随覆盖量急剧增加 ,由裸地的 0. 012 0、0. 009 5、
01008 1、0. 008 2、0. 007 7 分别增加到 0. 057 8、
01044 0、0. 040 0、0. 034 4、0. 032 6;在枯落物覆盖量
大于 10. 0 t·hm - 2时 ,入口流量 10、20 mL·s- 1时的
曼宁阻力系数不再增大 ,入口流量为 30、40、60mL·
s
- 1时的 n值增大趋势逐渐变缓。
(4)曼宁阻力系数 n值与枯落物覆盖量 G的关
系可以是幂函数、二项式、三项式等形式 ,使用二项
式关系较好。
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