全 文 ：第 6 卷 第 4 期
1 9 9 3 年 8 月
林业 科 学研 究
FO R E S T R E S E A R C H
V o l
.
6
,
A u g
. ,
1 9 9 3
江西省大岗山毛竹林水文效应研究 *
王彦辉 刘永敏
摘要 通过分析江西省大岗山毛竹林水文学过程 , 对降水及其在系统内的分配量和 季节变化
进行研究。 结果表明 : 毛竹林内穿透雨和树干茎流随降雨量的增加而增大 , 冠层截留与降 雨量呈
指数关系 , 年平均截留率为 1 1 . 1% , 树干茎流率为4 . 4% 。 毛竹根系对土壤物理性质影 响较大 , 0
~ 60 c m 土层的总孔隙度为了1 。 7 % , 林地稳渗率达 8 . 28 tn m /。in 。该小流域年径流系数为5 4 . 8% ,
地表径流仅占 0 . 8% , 壤中流占 1 5 。 O% , 地下径流占 39 . 0 % , 显示出毛竹林地较好 的 涵 养 水 源
功能 。
关扭词 毛竹林、 降水、 穿透水、 径流
毛竹(Ph夕Ilo sta c盖夕5 p u西。s c e n s M a z e l e x H . d e L e h a ie ) 杆形粗大端直 , 材质坚 硬强
韧 , 竹笋可食 , 分布在我 国亚热带地 区 酸 性土上[l1 , 我国现有毛竹林2 80 万五m “, 占全 园
竹林面积的70 % , 占全国森林总面积的2 . 1 % , 是我国森林资源的重要组成部分川 。 由于 毛
竹林经济价值较高 , 具有优良的水源涵养功能和水土保持功能 , 其作用 日益被人们所重视 ,
毛竹林的经济效益及加工利用和速生丰产的研究较多 , 而对其生态效益的研究进行得较少。
为此 , 中国林科院林研所生态室于1 9 8 7年 , 在江西省分宜县开始了毛竹林生态系统的定位研
究 , 本文是其中的部分内容 。
1 自然概况
研究地点位于江西省分宜县中国林业科学研究院亚热带林业实验中心江下林场下垄采育
队 , 该区年均气温17 . 9 ℃ , 年降水量 1 5 93 . 3 m m 。 研究流域海拔高度为445 ~ 620 m , 流域
面积1 1 . 7 h m “, 主沟道长30 om 。 该流域植被类型为中度集约经营的人工毛竹纯林 , 密度为
4 1 0 株/ hm Z , 平均眉围3 3 . 2 2 c m 。 土壤类型为黄壤 , 其下基岩依次为风化板岩和较完整透
水性很差的石灰岩[sJ 。
2 研究内容和方法
2
。
1 研究内容
根据森林水文学特点 , 把毛竹林小流域的水文学过程的研究内容定为林外降水 、 林内穿
1 99 2一0 6一0 2收稿 。
王彦辉助理研究员(中国林业科学研究院林业研究所 北京 10 0 0 91 ) , 刘永敏(中国林业科学研究院分析中心 )o
* 本文为林业部资助课题 “毛竹林生态系统的定位研究”的部分内容。 中国林业科学研究院亚热带林业 实验中心江下林
场的袁新生 、 朱来牙先后 负责 日常观测 , 工作 中得到马雪华 、蒋有绪研究员 、 实验中心和林场领导 的支持 、 帮助, 在此致诵,
3卜4 林 业 科 学 研 究 启卷
透水 、 竹干茎流、 土壤物理性质 、 地表径流及集水区径流 。
2
.
2 研究方法
在闭合流域中找一相对开阔地采用自记雨量计测定林冠上降水 , 在代表性好的林地面积
(10 m x 10 m )内随机放15 个雨量筒 , 测定穿透水 。 用塑料导管将 5 个雨量筒分别与 5 棵毛竹
干上环绕的汞水环相连 , 测竹干茎流量 。
在流域内阳坡和阴坡的上 、中 、下部及沟间地、 附近坡面和小集水区内森林气象观测塔附
近共设 10 个点测土壤水分含量及物理性质 。 在集水沟道出口处建三角形薄壁堰测集水区径流
量 , 用自记水位计记录水位过程线 。 在与小集水区相近的坡面上 , 建 4 个径流场 , 面积均为
10 m x 20 m
, 观测地表径流 。 采集林地上单位面积样方内的林下植被和死地被物 , 进行浸水
处理求其最大持水量 。
3 结果与分析
3
.
1 毛竹林冠层对降水的再分配作用
降水首先到达林冠层 , 由于枝叶的吸附作用 , 使降水进行重新分配 : 一部分为林冠枝叶
截留(p a) , 这部分水量最终蒸发返回大气 , 一部分沿枝干流下形成干流(P : ) , 还有一 些 则
通过林冠滴下及由林冠间隙穿过到达地面形成穿透水(Pt )。 由于冠层的阻挡 , 雨水经过冠层后
以较小的速度落下减轻了对林地的冲击 [’] ; 另一方面由于雨水在枝叶上的聚集, 使落下水滴
质量增大 , 又加大了雨滴冲击地面的动能’》。 无论冠层对雨滴功能的影响如何 , 对土壤 起最
大保护作用的是林下植被及枯落物层【。] 。 林冠截持降水量的计算公式为 :
P a = P 一 P t一 P s ( 1 )
式 (l) 中 , P 为林冠上降雨量 , P a 为林冠截留量 , 尸t为穿透水 , 是15 个雨量筒所测雨 量 的
算术平均值 , P : 为干流 , 是以冠幅面积为权重的加权平均值 。
人工毛竹林一次性降雨量的分配值见表 l , 从表 l 可见 , 穿透率随一次降雨量级的增大
而增大 , 截留率却随降雨的增大而减少 。 与18 年生 、 立木密度为2 2 76 株/h m Z 的杉 木 林 相
比, 1 , 毛竹林冠层截流率较小 , 而竹干茎流却较杉木林大10 倍多。 从对观测资料的分析还发
现 , 穿透雨随降雨量 的增大而增大 , 冠层截留量也随降雨量的增大而增大 , 但增大到一定值
裹 1 不同而t 级阵, 在毛竹林内的分砚 (时间 : 1 9 8 8 一0 5一 1 9 9 1 一 06 )
一 次 降
雨 云 级
林外雨
(m m )
穿 进 t祖 竹干茎 流 竹冠截留
(m m ) (% ) (m m ) (% ) (m m ) (% )
.舀,几.五O一口
. .⋯门‘自O‘叨,孟八甘,占‘上,几.8080.14.357B93 . 25 . 06 . 9 0 . 10 . 20 . 4
0
.
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0
.
8
1
.
2
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。
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.
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.
9 5
.
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.
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.
9
5
.
4
丹tJ才U.了n13940
n.弓‘一,曰.1468 013624850 ~ 5
5
.
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.
5
7
.
6 ~ 1 0
1 0
.
1 ~ 15
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.
1 ~ 20
2 0
.
1 ~ 30
3 0
.
1 ~ 4 5
> 4 5
1) 张仰菜 , 雷瑞德 , 谢应忠 . 秦岭林区华山松林的水文作用 . 西北林学 院印 . 1 9 87 .
4 期 王彦辉等 : 江西省大岗山毛竹林水文效应研究
时则基本稳定 。 许多研究者卜 , ] 认为冠层截留量与叶面积指数等许多因素有关 , 且与降水呈
指数关系 。 本文根据实测数据统计计算的三种分配量随降雨的回归关系如下:
P t = 一 0 。 9 9 + 0 。 g P (了 = 0 。 9 9 凡 = 3 3 ) ( 2 )
P s = 一 0 。 0 7 + 0 。 0 4 9 P (r = 0 。 9 4 n = 3 3 ) ( 3 )
P a = 3
。
0〔1 一 e x P(一 0 。 0 5 P )〕 (, = 0 。 9 7 n = 3 3 ) ( 4 )
从上述关系可以看出 , 毛竹林一次降雨的截留量最大不超过 3 . 0 m m , 林冠最大截留量与
林冠覆被率 、 降水特性等多种因素有关 , 从对资料的分析中发现 , 雨强越大 , 冠层截留率越
小 。 3 a 平均各月的降水量及分配量见表 2 。 表 2 反映了毛竹林系统水量分配的月变化 , 1 、
2 月.份由于降雪的影响 , 其冠层截留率较大 , 截留率最小出现在雨季( 4 ~ 6 月 ) , 在这时姐
毛竹林又处于换叶季节 , 减少了对降水的截留能力 。 其他人工林的研究结果表明 , 最小截留
率出现在雨季, ” ’。] 。 毛竹林的干流量较其他树种大 , 干流率年平均为4 . 4 % , 干流率最 小值
出现在 1 、 2 月 , 其他月份则变化不大 。 林内穿透雨的最小值也出现在 1 、 2 月 , 雨季最大。
许多研究者认为穿透雨随林分密度的增加而减少。
表 2 毛竹林内各月降水的分配
月 份
降雨量
(m m )
穿 透 雨
(m m ) (% )
我 留 雨
(m m ) (% )
干 流 量
(m m ) (% )
弓上
28⋯七材匕公4
匀咋山勺亡习曰弓勺,几‘l1481..⋯5月才290,‘0八口,二曰‘l,二111.‘⋯一9 8 . 01 4 7 。 61 4 4 . 52 72 . 32 3 0 。 02 3 5 . 4
1 2 9
。
2
1 3 0
.
5
1 76
。
1
;:
67
。
0
3 8
。
0
1 2
合计
1 9
.
9
1 6 8 8
.
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吕0 . 0
11 8
.
0
1 2 0
.
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2 33
.
9
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.
5
2 0 2
.
3
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。
6
1 1 0
。
2
1 4 9
。
4
5 6
。
5
3 1
。
7
1 6
.
5
4 2 8
.
5
2
。
8
4
。
2
5
。
6
1 2
.
5
1 0
.
0
1 1
.
5
5
.
6
5
。
8
9
.
0
3
、
5
1
.
8
1
.
0
7 3
.
3
3
。
9
4
。
6
4
。
3
4
。
9
4
。
3
4
。
4
3
。
2 林下植被及枯落物对降水的截留作用
林下植被和枯落物能够保护表土层免遭雨水的冲蚀 , 有研究者认为在只有冠层 , 没有林
下植被和凋落物的林区 , 雨水对土壤的侵蚀程度与裸地接近 , 而有枯落物覆盖的土壤表面侵
蚀量则很少[cJ 。 由于人为的干扰 , 毛竹林的地被物破坏较大 , 调落物相对较少 。 1 9 9 1年10 月
在毛竹林下所测到的地被物和凋落物量分别为5 09 0 、 2 1 34 k g / hm Z 。 用浸泡法测得的这 两
种地被物对一场降雨事件的截持能力之和仅为0 . 6 m m , 与杉木 人 工 林 ( 15 860 k g / h m Z 和
4 , 妙~ ) 和马尾松人工林 ( 25 470 垅 / hm “和5
.
12
~ )[
‘。]相比是非常低的。 本文测得的毛
竹林单位重量的地被物截持降雨能力与蒋秋恰 [ ” J的观测值是十分相近的。
3
.
3 毛竹林地土滚, 水量
探讨森林的水文效应 , 首先应阐明森林对土壤水文特性的影响 , 土壤的水文特性主要是
土壤的持水量和渗透能力 。
林 业 科 学 研 究 6 卷
19 8 9
、
1 9 9 0年分别测定了毛竹林流域内的土壤物理性质和渗透性能 , 毛竹林根系最大活
动深度达60 c m , 结合本区土壤倩况 , 测定深度为 。~ 60 c m 。 从表 3 可见 , 容重随 土 层 深
度 的增加而变大 , 孔隙度则逐渐减小 , 尤其非毛管孔隙度的减小最为明显 , 这说明毛竹根系
对 土壤的影响很大 。 图 l 中用于对照的13 年生杉木人 工林和天然阔叶林均为该地区的地带性
植被类型 , 距小流域的水平距离均小于5 0 m , 垂直距离均小于14 0m 。 图 l 表明 , 毛竹林流
域 O ~ 60 c m 的毛管总持水量为4 30 . 5 m m , 有效贮水容量为 3 12 . 73 m m , 均高于杉木人工林
和天然阔叶林 , 尤其是有效持水量比对照高28 % 。 毛竹林流域的入渗能力比杉木人工林好得
多 , 但没有天然阔叶林的好 。 三者的初渗率 、 稳渗率分别为29 . 10 、 8 . 28 m m / m in , 6 . 48 、
1
.
85 m m / m in
,
4 8
.
65
、 1 8
.
59 m m / m in
。 毛竹林的入渗性能也比邻近的杉木人工林和马尾
松人工林的入渗性能 [‘。” 2 ]好 。 虽然毛竹林地的非毛管孔隙度不高 , 但水分的渗透速度很 大 ,
这主要是因为毛竹竹鞭发达 , 纵横交错的活动能力很强 , 使表土层大孔隙省多 , 有利于土城
水分的下渗 。在不同坡位林地的下渗率相差较大 , 阴坡中上部的稳渗率可达14 ~ 17 m m / m in ,
而坡底的沟谷地只有。. 9一 2 . 5 m m / m in 。
衰 3 毛竹林地土滚钧理性质
深 度 (e m )
容 重 (g / e m “)
总孔晾度 (% )
毛管孔晾度(% 〕
非毛管孔晾度(% )
0 ~ 1 0 1 0 ~ 2 0 20 ~ 40 4 0 ~ 60 0 ~ 6 0
0
.
8 4 6 0
.
9 4 3 0
.
9 81 1
.
0 6 0 0
.
9 7 8
7 9
.
6 2 7了. 0 5 7 1 . 6 2 6 9 . 7 8 7 3 . 2 5
6 7
.
6 9 右8 . 1 2 65 . 9 7 6 6 . 4 0 6 6 . 7 6
1 1
.
9 4 8
.
9 2 5
.
6 5 3
.
3 8 6
.
49一 . . . . . . . . . . 口 . . . .(日‘)-长业 毛管持水盆 非毛管待水t 总持水盆 有效持水 t 前期含水 t图 1 不同林 地 O ~ 60 c m 土层持水 t) 毛竹林小集水区 b ) 毛竹林坡面径流场) 衫木林坡面径流场 d ) 阅叶林 坡面径流场3. 4 林地径流
径流量的变化是森林涵养水源的最终体现 , 通过多年的观测发现 , 本区径流对降雨的响
应较慢 , 虽然存在径流峰对降雨的快 速 响 应 , 但 从数量上分析 , 只 占降雨量的 1 %以下 ,
最大日径流出现在降雨停止后的第 2 一3 d 。 这是由于毛竹林的作用使林地土城具有 较 高的
渗透率 , 再加林冠及地被物对降雨的截留 , 枯落物及腐殖质层阻止地表径流的发生 , 也正是
森林涵养水源的功能所在。
通过对径流场的观测发现 , 毛竹林地内地表径流很少 , 主要发生在 5 ~ 6 月 , 根据 3 a 的
4 期 王彦辉等 : 江西省大岗山毛竹林水文效应研究 3 7 7
实测资料 , 计算出地表径流 (R ; )与降雨量 (p )及降雨强度 (I) 的回归关系 :
刀: = o 。 0 0 0 9 8 P + 0 . 0 7 3 1 + 0 . 0 0 0 0 5 (复相关系数 , = o 。 6 s7 n = 5 5 ) ( 5 )
地表径流一般发生在降雨强度大于。. 05 In m / m in , 雨量大于20 m m , 土壤含水量较高 的 情
况下 。 从观测结果中发现 , 在雨强较大的 7 、 8 月 , 林地地表径流和径流很小。 这主要是因
为这时期的土壤含水率较低 , 毛竹林生长旺盛 , 林地缺水容量较大 , 很难产生地表径流。 毛
竹林小集水区3 a 各月的降雨量与径流量见图 2 , 从图 2 中可见 , 降雨量的变化与径流 量 的
30 0
2 50
O 径流居 . 阵雨孟
2 00
1 50
l以)
(已任码瑞甲吴喇雇世
5 0
6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 2 3
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6 寸, i心王1 1 么 i 么 吝
1.0 吕8 19 3 , 工日夕蕊
时、 (晕,
图 2 毛竹林小流域径流量与降雨量的关系
变化一致 , 但是 , 径流的变化较降雨滞后 , 不同季节降雨量与径流量之比也不 同 , 在 8 一 9
月及雨季前的 1 一 2 月份 , 降雨量与径流量相差最大 , 在 4 ~ 7 月相差最小 , 在个别月有时
出现径流量大于降雨量的情况 , 如 1 9 8 9年 7 月、 1 9 9 0年12 月。 这充分说明了毛竹林对水源的
表4 毛竹林小络水区径流组成
总 径 流 R 地表径流R l 埃 中流 R : 地下径流 R :
月份
降雨盈尸
( m m ) ( m m ) R / P ( m m ) R
i
/ P ( m m ) R
:
/ P (m m ) R
3 / P
1 9 8
.
1 2 2
。
9 0
.
2 3 3 0
.
6 0
.
0 0 6 1
.
0 0
.
0 1 2 1
.
3 0
.
21 7
2 1 4 3
.
4 4 4
.
3 0
.
3 09 1
.
1 0
.
0 0 7 1 8
.
1 0
.
12 6 2 5
.
2 0
.
1 7 6
3 1 5 5
.
2 1 0 2
.
7 0
.
6 6 2 2
.
0 0
.
0 1 3 3 8
.
7 0
.
2 4 9 6 2
.
0 0
.
3 9 9
4 1 9 1
.
9 1 4 5
.
3 0
.
7 5 7 1
.
4 0
.
0 0 7 5 3
.
9 0
.
2 8 1 90
.
0 0
.
4 6 9
5 1 8 1
.
4 1 0 2
.
8 0
.
5 6 7 1
.
1 0
.
0 0 6 3 3
.
5 0
.
1 8 5 6 8
.
2 0
.
3 7 6
6 2 0 3
.
2 1 2 8
.
9 0
.
6 3 4 4
.
1 0
.
0 2 0 4 3
.
8 0
.
2 l5 8 1
.
0 0
.
3 9 9
7 1 3 7
.
1 9 3
.
4 0
.
6 8 1 0
.
5 0
.
OQ4 1 5
.
4 0
.
1 12 7 7
.
5 0
.
5 6 5
8 1 3 7
.
3 5 0
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.
3 6 1 0
.
5 0
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00 4 6
.
1 0
.
0 4 4 4 3
.
4 0
.
31 6
9 1 3 9
.
3 3 6
.
4 0
.
2 60 1
.
0 0
.
0 0 7 2
.
4 0
.
0 17 3 3
.
0 0
.
2 3 7
1 0 8 1
.
5 4 2
.
0 0
.
5 1 5 0 0 2
.
1 0
.
0 2 6 3 9
.
9 0
.
48 9
1 1 1 3 9
.
4 7 5
.
7 0
.
5 4 3 0
.
8 0
.
0 0 6 2 3 0
.
1 6 7 5 1
.
6 0
.
37 0
1 2 3 5
.
7 5 7
.
0 1
.
5 9 7 0 0 7
.
7 0
.
2 1 6 4 9
.
3 1
.
3 8 0
合 计 1 6 4 3 . 5 90 1 . 4 0 . 5 4 8 13 . 1 0 . 0 0 8 2 4 6 . 0 0 . 1 5 0 6 4 2 . 3 0 . 3 9 0
3 7 8 林 业 科 学 研 究 6 卷
调节作用。 从径流成分的分配上也可 以看出毛竹林的蓄水能力(表 4 ) 。 表 4 中各径流成分的
划分如下 : 降雨当 日出现的径流增量为地表径流 , 雨停后3 d 内的径流量为壤中流 , 其 余 的
则为地下径流 。 从表 4 中可以看出 , 地表径流所占比例很小 , 只占年径流量的 1 . 45 % , 占总
降雨量的0 . 8 % , 壤中流和地下径流分别占径流总量的2 7 . 3 % , 71 . 25 % 。 一次降雨径流的持
续时间达10 d 以上 , 充分显示了毛竹林的涵养水源作用。 本流域观测期内最大径 流 模 数 为
2
。
3 m m /h
, 最小径流模数为0 。 0 2 5 m m / h 。
4 结 论
毛竹林地的水源涵养能力高。 由于试验区内气温高、 雨量充沛 , 使毛竹生长旺盛 , 其冠
层截持降水的能力较高 , 年平均为18 6 . 7 m m , 占降雨量的1 1 . 1 % 。 由于毛竹枝干表面光滑 、
坚硬 , 竹千茎流量年均 73 。 3 m m , 占降水的4 。 4 % , 远远高于其他树种的干流量。
毛竹发达的根系 , 改良了土壤的水文物理性质 , 使林地土壤具有很高的渗透性能 , 有利
于降水的下渗 , 有利于地下径流的形成 , 减少了地表径流量 , 测试集水沟 , 全年无断流现象。
径流成分的组成以壤中流和地下径 流为主 , 分别占总径流量的 2 7 . 3 % 、 7 1 . 25 % , 大大提高了
调节径流和涵养水源的能力 。
参 考 文 献
侯学煌 . 植物地理 (下册 ) 中国植被地理 . 北京 : 科学 出版社 . 19 8 8 .
周芳 纯 . 我国竹类生产和研究的历史现状和展望 . 竹类研究 , 1 9 8 3 , 2( 1 ) .
王彦辉 . 人工 毛竹林土城 的水文生态效益 . 竹子 研究汇刊 , 1 9 9 0 , 9 (4 ) . 40 一49 .
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潘维佑 , 田大伦 , 湛小勇 . 全 国森林水文学术会文集 . 北京 : 侧绘 出版社, 1 9 8 9 . 43 ~ 52 .
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4 期 王彦辉等 : 江西省大岗山毛竹林水文效应研究 37 9
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1 9 9 4年《国外林业文摘》征订启事
《国外林业文摘》是中国林科院情报所编辑、 出版的林业科技情报检索刊物, 收录了国外林业及 有关林
业的科技期刊和特种文献40 。余种, 年报道量4 2 。。条以上 , 包括各国林业概况 、 林业基础科学、 造林、 园林
建设、 森林经营、 森林保护和营林机械等内容 , 是国内唯一的检索国外林业文献的工具书 , 适合科 研 、 改
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《国外林业文摘》拥有一支以教授、 研究员为核心的 , 素质很高的文摘员队伍 , 他们与编辑部密切协作 ,
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《国外林业文摘》为双月刊 , 16 开 , 96 页。 每期17 万字 。 单月23 日出版。 每册 定 价7 。 0 元 , 全 年 定 介
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《国外林业文摘》编辑部