第28卷第8期2008年8月
生态学报ACTAECOLOGICASINICA
Vol.28,No.8
Aug.,2008
黄土高原不同植被覆盖对流域水文的影响
张建军
1,2
,纳 磊,董煌标,王 鹏
111
(1.北京林业大学水土保持学院,北京 100083;2.山西吉县落叶阔叶林生态系统国家野外站,山西吉县 042200)
摘要:以山西省吉县蔡家川流域为对象,研究了植被覆盖类型对流域水文的影响。结果表明:不同植被覆盖的流域年径流系数分别为:林地流域1.6%～2.3%,以农、牧为主的流域3.1%～3.9%;各流域基流系数差异显著,人工林流域为零,次生林为主的流域1.0%～1.5%,以农、牧为主的流域2.5%～2.8%;在雨季人工林流域的径流总量是次生林流域的3.37倍、农地流域的
1.9倍,而农地流域的基流量是次生林流域的2.2倍;短历时高强度降雨条件下,人工林流域、次生林流域地表径流量分别是农
地流域的10.8倍和2.2倍;在历时较长的暴雨条件下,人工林流域单位面积上的洪峰流量是农地流域的3.4倍,次生林流域的
6.9倍;在长历时、大雨量条件下,农地流域的径流量是次生林流域的1.8倍。,次
生林植被的水源涵养功能远好于人工植被,关键词:植被覆盖;径流;流域;黄土高原
文章编号:100020933(2008)0823597209 中图分类号:S715 文献标识码:HydrologicalrespononcoversofsmallwatershedsontheLoessPlaZHANGJian2Lei,DONGHuang2Biao,WANGPeng
11
1CollegeofSoilandaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2ChineseNationalEcosystemObservationandResearchStation,JiCounty042200,China
ActaEcologicaSinica,2008,28(8):3597～3605.
Abstract:ThestudywasconductedintheCaijiachuanwatershedinJiCounty,ShanxiProvince.Theprimaryobjectivewastoquantifystreamflowdifferencesamongsmallwatershedswithdifferentvegetationcovers.Annualrunoffcoefficientranged1.6%22.3%and3.1%23.9%intheforestedandthenon2forestedwatersheds,respectively.Baseflowwasnegligibleinartificialforestwatershed,andbutbaseflowratio(baseflow/totalflow)washigher(1.0%21.5%)inotherforestwatersheds.Inthenon2forestedwatersheds,baserunoffcoefficientwashighest(2.5%22.8%).DuringtherainyseasoninJune2September,totalrunofffromtheartificialforestwatershedwashighest,about3.4timesofthenaturalforestwatershed,or1.9timesoftheagriculturalwatershed.Thebaseflowintheagriculturalwatershedwashighest,about2.2timesofthenaturalforestwatershed.Forstormeventswithshortdurationandhighintensity,runofffromtheartificialforestwatershedwashighest,about10.8timesofagriculturalwatershed.Forstormeventswithalongduration,peakdischargeperunitareaintheartificialforestwatershedwashighest,aboutas6.9timesofthenaturalforestwatershed.Forlargestormeventswithalongduration,runoffintheagriculturalwatershedwashighest,about1.8timesofthenaturalforestwatershed.Comparewithalllandusesandvegetationcovers,benchterracesandnaturalforestscouldgreatlyreduce
基金项目:国家十一五课题资助项目(2006BAD03A1204);国家重点基础研究发展计划资助项目(2002CB2002CB111503)收稿日期:2007207202;修订日期:2007210222
作者简介:张建军(1964～),男,甘肃天水人,博士,副教授,主要从事森林水文和森林生态研究.E2mail:[email protected]
Foundationitem:TheprojectwasfinanciallysupportedbytheNationalScienceandTechnologyAdvancementProjectoftheEleventhFive2yearPlanofChina(No.2006BAD03A1204)andChinaKeyBasicResearchProgram(973Program)(No.2002CB111503)Receiveddate:2007207202;Accepteddate:2007210222
Biography:ZHANGJian2Jun,Ph.D.,Associateprofessor,mainlyengagedinforesthydrologyandforestecology.E2mail:[email protected]
overlandflowandhadlargewaterstoringcapacity.Wefoundtheartificialforestsdidnothavethehydrologicfunctionstoreducepeakflows.WeconcludethatnaturalvegetationrecoveryhadthebesthydrologicbenefitsinsoilconservationandthusshouldbepromotedintheLoessPlateauarea.
KeyWords:vegetationcover;runoff;watershed;theLoessplateau
由降雨形成的、沿地表或地下运动汇入河网向着流域出口断面汇集的水流称之为降雨径流
[1,2]
。黄土高
原水资源匮乏,作为水资源重要组成部分的地表径流已成为限制当地经济发展的主要因素之一。因此,研究不同植被覆盖流域的水文效应,对于防治黄土区水土流失、合理利用地表水资源具有重要意义。
20世纪以来,世界各国专家对径流与植被覆盖的相互关系进行了一系列的研究Basic对不同土地利用方式下的径流量对比后指出,农地径流量最高。Kang
[9]
[10]
[3～7]
。Sauer在径流小
[8]
区上利用水量平衡方法研究了地表特征、暴雨特性对产流的影响,认为降雨强度是影响径流的主要因素。
、不同植被覆盖
类型、不同农业耕作方式下各种坡度、坡长上的径流情况。赵文武用格局的变化会明显改变该地区降雨2径流关系。张志强
[12[11]
,[13,植被通过
[14]
究后指出,,枯水径流量增加。卫伟、保土效果最佳。
刘昌明
[]
等
,结果表明受干扰最严重的农田和人工草地产生了
、地表径流量随森林覆盖度增加而降低,地下径流则有微弱增加,
。大多数研究揭示了单一下垫面对流域水文效应的影响。本文在晋西黄土残塬沟壑区的山西吉县蔡家川流域内选择典型嵌套流域,修建量水堰,布设超声波水位计,对不同植被覆盖的嵌套小流域降雨、径流状况进行长年高密度的实时监测,以期揭示黄土高原地区不同植被覆盖类型对流域水文状况的影响。1 研究区概况
研究区是北京林业大学所属的山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站所在地,位于吕梁山南端山西省吉县蔡家川流域。地理坐标为东经110°39′45″～110°47′45″、北纬36°14′27″～36°18′23″。属于晋西黄土残塬沟壑区,流域大体上为由西向东走向,长约14km,面积38km,海拔900～1513m(图1)。年降水量为575.9mm,6～9月降水占全年降水量的70%左右。年平均水面蒸发量为1732.9mm。年均气温10℃。土壤
2
为褐土,黄土母质。森林覆盖率39.8%,流域中上游植被主要为白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populus
davidiana)、丁香(Syzygiumaromaticum)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)等组成的天然次生林,中游为刺槐
(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)、侧柏(Platycladusorientalis)等树种组成的人工林,下游为荒
草坡和农地。2 研究方法2.1 试验流域的选择
在蔡家川流域内以不同土地利用类型作为小流域分类的基础,选择农地小流域、人工林小流域、封禁小流域、半人工林半次生林小流域、次生林小流域、半农半牧小流域作为不同植被覆盖类型的研究流域,蔡家川流域作为控制流域,共计7个流域为研究对象。各流域基本情况见表1。2.2 试验方法
在蔡家川流域和不同植被覆盖类型的研究流域内布设长期自记雨量计测定降雨,共布设雨量计11台;在各小流域出口及蔡家川主沟修建复合型测流槽,布设超声波水位计,每5min测定水位一次,同时利用长期自计水位计(日产水研62型)进行校正;利用观测到的水位值根据已标定的水位流量关系曲线求算径流量,采
[1]
用直线切割法求算基流量
。
图1 研究区地理概况
Fig.1 Geographicalfeaturesofthestudyarea
表1 试验流域概况
Table1 Thebasicinformationofexperimentalwatersheds
编号
No.12
流域名称
Name
流域面积
Area0.7134.23
森林覆盖率
Forestcover
rate
0.080.0
流域长度流域宽度
Length1.3814.50
Width0.541.25
形状系数沟壑密度
Shapecoefficient2.546.14
Gulleyintensity1.811.53
沟道比降
Gradient8.71.9
植被类型
Vegetationcover
农地流域蔡家川流域
以水平梯田为主
流域上游以次生林为主,中游以人工林为主,下游以农地、荒草地为主
以15年生人工刺槐林、油松林、侧柏林为主封禁26年,以山杨、辽东栎、油松、侧柏、丁香、虎榛子等组成的次生林
以山杨、辽东栎等组成的次生林,以刺槐、油松等组成的人工林
以山杨、白桦、辽东栎、丁香等组成的天然次生林以水平梯田、荒草地为主
3人工林流域1.5092.52.180.723.033.0012.1
4封禁流域1.9399.93.000.684.404.108.4
5
半人工林半次生
林流域次生林流域半农半牧流域
3.6281.73.301.103.000.918.9
67
18.572.63
82.015.2
7.252.88
2.670.91
2.723.55
25.901.09
7.112.1
流域名称及植被覆盖类型Vegetationcoversofthewatersheds;1号农地流域No.1Farmlands;2号蔡家川流域No.2Integratedwithnatural
forests,artificialforests,farmlandandgrasslands;3号人工林流域No.3Artificialforests(15a)ofRobinia,PinusandPlatycladus;4号封禁流域No.4Beingclosedfor26years;5号半人工林半次生林流域No.5Naturalforestsandartificialforests;6号次生林流域No.6NaturalforestsofBetula,
Populus,Syzygium,andOstryopsis;7号半农半牧流域No.7Farmlandsandgrasslands;下同thesamebelow
3600 生 态 学 报 28卷
3 结果与分析
3.1 不同植被覆盖流域年径流量分析
年径流量是评价流域水资源状况的主要参数2006年各流域的观测结果进行分析,结果见表2。
[16]
。为了探讨不同植被覆盖对流域年径流量的影响,以
从表2可以看出,半农半牧流域、农地流域2006年的年总径流量、径流系数明显高于其它流域。人工林流域无降雨时,无径流流出,年总径流量、径流系数均低于半农半牧流域和农地流域,但高于其它森林流域。封禁流域、半人工林半次生林流域、次生林流域的年径流量相近。蔡家川主沟道年总径流量、径流系数与人工林流域相当。年地表径流量最大的是人工林流域,其次是半农半牧流域,次生林流域和农地流域的地表径流量最小。年基流量最大的是农地流域,其次是半农半牧流域,蔡家川流域、次生林流域、封禁流域和半人工林半次生林流域的年基流量较小,人工林流域没有基流量。
表2 2006年各实验流域年径流量
Table2 Yearlyrunoffofexperimentalwatershedsin2006
编号
No.1234567
流域名称
Name
年降雨量
Annualrainfall
amount
543.50521.1040516.20574.00
年总径流量
Annualtotalrunoffdepth16.899.988.408.8922.23
年径流系数depth15.338.970.006.835.407.4914.40
年基流系数
Baserunoffcoefficient2.821.7201.331.021.452.51
Annualrunoffcoefficientdepth2.472.1.951.591.723.87
9113.163.153.001.407.83
290.752.290.610.570.271.36
农地流域蔡家川流域人工林流域次生林流域半农半牧流域
本研究中各森林流域的年径流量、基流量明显小于农地流域,这与刘昌明等回大气
[17～19]
[15]
的研究结果一致。次生林
流域、半人工林半次生林流域、人工林流域森林覆盖率高,在林冠截留的作用下,近30%的降雨以蒸发形式返
,从而减少了到达地表的降雨量。另一方面,黄土层深厚,渗入地表的水分尚未进入地下水便被
蒸发、林木蒸散所消耗,从而导致森林流域年径流量的减少。人工植被蒸散耗水量大,年基流量为零。3.2 不同植被覆盖流域雨季径流分析
研究区降雨主要集中在6～9月份,雨季降雨量占全年流域总降雨量的70%左右表3。
[18,19]
。为了研究雨季不
同植被类型流域径流特征,对2004～2006年各实验流域雨季径流(6～9月份)数据进行统计分析,结果见
从表3可以看出,在雨季各流域径流总量由大到小的次序为:人工林流域>半农半牧流域>农地流域>半人工林半次生林流域>封禁流域>蔡家川主沟>次生林流域。人工林流域的径流总量是次生林流域的3137倍,是农地流域1.92倍。
地表径流量的次序为:人工林流域>半农半牧流域>蔡家川主沟>封禁流域>半人工林半次生林流域>次生林流域>农地流域。农地流域的地表径流量最小,只有人工林流域的7174%。次生林流域的地表径流量只有人工林流域的9.50%。
各流域基流量由大到小的次序为农地流域>半农半牧流域>半人工林半次生林流域>封禁流域>次生林流域>蔡家川主沟,人工林流域的基流量等于零。农地流域的基流量是次生林流域的2.2倍。
人工林流域地表枯枝落叶少,草本植被覆盖较低,降雨时易形成地表径流,地表径流系数高于农地流域和半农半牧流域,这与孟庆华、傅伯杰
[20]
等人的研究结果一致。正因为人工林流域易形成地表径流,很少有雨
水渗入地下形成基流。另外,人工植被蒸散耗水量大,因此,人工林流域的基流量为零。半农半牧流域森林覆
8期 张建军 等:黄土高原不同植被覆盖对流域水文的影响 3601
盖率低,放牧活动频繁,地表破坏严重,降雨过程中易形成地表径流。农地流域的坡耕地均改造成梯田,起到了拦蓄地表径流的作用,拦蓄的地表径流渗入地下后以基流形式流出,基流量较大。封禁流域、半人工林半次生林流域、次生林流域森林覆盖率高,地表枯枝落叶和草本植物量大,可拦蓄降雨和径流,增加雨水入渗量
[20～22]
,从而减少了地表径流量,雨季径流系数低。
表3 2004～2006年各实验流域雨季径流量
Table3 Amountsrainy2seasonflowofexperimentalwatershedsfrom2004to2006
编号
No.1
流域名称
Name
年份
Year[1**********]6
降雨量
Rainfall
amount296.0261.0475.5344.2311.6244.3450.0335.3306.5225.0500259.5449.5340.3318.3255.8463.5345.9310.6242.1442.8331.8306.5263.0506.5358.7
径流量
Runoffdepth7.442.657.685.923.902.007.504.475.5611.373.522.747.874.718.920.815.835.192.981.415.723.375.905.0820.2510.41
地表径流量
Overlandrunoffdepth0.760.421.470.882.180.883.843015.9512.9511.371.731.123.031.962.200.472.951.881.430.431.371.082.201.8012.435.48
径流系数
Runoffcoefficient2.511.021.621.721.250.1.1.255.202.472.563.411.131.061.751.312.800.321.261.460.960.581.290.941.921.934.002.62
基流量
Baserunoffdepth6.682.236.215.041.721.123.662.170.000.000.000.001.791.624.842.756.720.342.883.311.550.984.352.293.703.287.824.93
农地流域
平均值Mean
2
蔡家川流域[1**********]6
平均值Mean
3
人工林流域[1**********]6
4
2006
平均值
5
半人工林半次生林流域
[1**********]6
平均值
6
次生林流域[1**********]6
平均值
7
半农半牧流域[1**********]6
平均值
3.3 场降雨统计和分类
根据王万忠
[23]
等人在黄土区的研究,黄土区的降雨可根据降雨量、降雨历时、平均降雨强度、10min最大
雨量、30min最大雨量、60min最大雨量等指标,划分为短时局地雷暴雨(A型)、锋面性降雨夹有雷暴性质的暴雨(B型)、长历时锋面降雨(C型)。本研究利用以上指标将2004～2006年18场全流域降雨进行了聚类分析,结果见表4。
聚类分析的显著性Sig值在0.0001～0.031之间,表明聚类效果较好,聚类结果与王万忠等人的研究结果基本一致。在18场降雨中,A型降雨11场,累计降雨量158.3mm,占降雨场次和降雨总量的61.11%、34158%;B型降雨共3场,累计降雨量74.5mm,占降雨场次和降雨总量的16.67%、16.27%;C型降雨共4
场,累计降雨量225mm,占降雨场次和降雨总量的22.22%、49.15%。
3602 生 态 学 报
表4 场降雨特征值聚类统计结果
Table4 Statisticsofcharacteristicsofrainfallevents
28卷
日期
Date[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][**************]1
降雨量
Rainfall
amount23.88.010.665.512.076.040.119.05.318.423.85.034.246.413.038.34.217.2
降雨历时
Rainfallcontinuouslytime
[***********][***********][**************]平均降雨强度
Averagerainfall
intensity
0.090.110.070.030.060.040.020.050.040.170.300.200.140.030.060.050.170.04
10min最大雨量30min最大雨量60min最大雨ThebiggestrainfallThebiggestrainfallThebiggestrainfallamountin10minsamountin30minsamountin60mins
5.803.804.603.002.002.001.502.001.007.106.403.609.402.10
13.304.806.408.505.004.502.804.202.4012.8013.505.0019.808.4.204.4.205.30
15.807.809.9012.509.007.504.605.504.0015.7023.405.11.308.304.207.60
降雨类型
TypeAAACACCBAAAAACABAB
可见,型和C型,但A型降雨的场降雨量较小,累计降雨量约占总降雨量的1/3;C,,累计降雨量约占总降雨量的1/2,比例最高;B型降雨次数与C型降雨
相近,场降雨量也不大,累计降雨量约占总降雨量的1/6。3.4 A型降雨条件下不同植被覆盖流域的地表径流
2006年7月31日是较为典型的A型降雨,以此降雨为例对各实验流域降雨径流数据进行统计分析得到
表5。
表5 实验流域A型降雨径流特征值
Table5 CharacteristicsofrunoffduringtypeArainfalleventfromexperimentalwatersheds
日期
Date2006207231
编号
No.1234567
流域名称
Name
降雨量
Rainfallamount
16.018.426.025.024.025.621.5
地表径流量
Overlandrunoff
depth
0.0250.140.270.130.180.0550.16
径流系数
Overlandrunoffcoefficient
0.150.771.040.540.730.210.74
单位面积洪峰流量
Thepeakdischarge
inunitarea
0.080.131.430.310.290.080.27
农地流域蔡家川流域人工林流域封禁流域半人工林半次生林流域
次生林流域半农半牧流域
在短历时高强度的A型降雨条件下,人工林流域的地表径流量、径流系数和单位面积洪峰流量最大。农地流域的地表径流量、径流系数和单位面积洪峰流量最小。人工林流域在场降雨条件下的地表径流量是农地流域的10.8倍。次生林流域的地表径流量是农地流域的2.2倍。半人工林半次生林流域、半农半牧流域、封禁流域的地表径流量相近。
农地流域在雨季时庄稼生长茂盛,地表覆盖度高,且全部为梯田,只有沟坡和一些不透水的部位才能形成地表径流,因此,径流量、径流系数、单位面积洪峰流量均低于其他流域,可见,农业措施中的梯田能够拦蓄短历时、高强度的暴雨,次生林流域也具有同样的功能。因此,在黄土区修建水平梯田或恢复自然植被,均能防
8期 张建军 等:黄土高原不同植被覆盖对流域水文的影响
[24]
3603
治短历时、高强度暴雨引起的水土流失,这与穆兴民等3.5 B型降雨条件下不同植被覆盖流域的地表径流
的研究结论一致。
2006年9月4日的降雨是较为典型的B型降雨,这场降雨条件下各实验流域降雨径流数据的统计分析
结果见表6。
表6 实验流域B型降雨径流特征值
Table6 CharacteristicsofrunoffduringtypeBrainfalleventfromexperimentalwatersheds
日期
Date2006209204
编号
No.1234567
流域名称
Name
降雨量
Rainfallamount
44.538.345.045.044.540.947.0
地表径流量
Overlandrunoff
depth
0.230.410.460.400.360.20径流系数
Overlandrunoffcoefficient
0.521.061.010.880.81单位面积洪峰流量
Thepeakdischarge
inunitarea
0.140.110.480.200.160.070.36
农地流域蔡家川流域人工林流域封禁流域半人工林半次生林流域次生林流域半农半牧流域
从表6可以看出,:半农半牧流域>人工林流域>蔡家川主沟>封禁流域>次生林流域,半农半牧流域的径流量是农地流域的3.78倍.35。,对于较长历时的暴雨,农地和次生林流域也具有较强的拦蓄能力。,各流域单位面积上的洪峰流量的排序为:人工林流域>半农半牧流域>封禁流域>半人工林半次生林流域>农地流域>蔡家川主沟>次生林流域。人工林流域单位面积上的洪峰流量是农地流域的3.43倍,是次生林流域的6.86倍。可见,在历时较长的暴雨条件下,次生林流域、农地流域不但径流量小,单位面积上形成的洪峰流量也小。
半农半牧流域中一半是农业用地,另一半是荒草坡,用于放牧。虽然农业用地已经改造为水平梯田,但荒草坡在山羊、牛的踩踏下,表层土壤紧实,土壤的蓄水能力下降,尤其是牛羊行走时形成的小路,更是降雨时易产生地表径流的场所。因此,半农半牧流域在降雨量较大时易形成地表径流。3.6 C型降雨条件下不同植被覆盖流域的径流
选取2005年8月16日长历时、大雨量的C型降雨为例,对各实验流域降雨径流数据进行统计分析得表7。
表7 实验流域C型降雨径流特征值
Table7 CharacteristicsofrunoffduringtypeCrainfalleventfromexperimentalwatersheds
日期
Date2006208228
编号
No.1234567
流域名称
Name
降雨量
Rainfallamount
43.043.950.050.052.048.651.5
地表径流量
Overlandrunoff
depth
0.350.390.910.460.430.201.02
径流系数
Overlandrunoffcoefficient
0.810.891.810.930.830.411.97
单位面积洪峰流量
Thepeakdischarge
inunitarea
0.660.521.591.100.970.242.80
农地流域蔡家川流域人工林流域封禁流域半人工林半次生林流域次生林流域半农半牧流域
在长历时、大雨量的条件下,各流域地表径流量和单位面积上洪峰流量的排序为:半农半牧流域>人工林
流域>封禁流域>半人工林半次生林流域>农地流域>蔡家川主沟>次生林流域。半农半牧流域的径流量是农地流域的2.91倍,是次生林流域的5.1倍。农地流域的径流量是次生林流域的1.75倍。可见主要由水平梯田组成的农地流域和次生林流域同样也能防止由大雨量降雨造成的水土流失,但次生林流域的作用更为显著,人工植被的水源涵养功能远小于次生林植被。4 结论
(1)森林流域的年径流量明显小于农地流域和半农半牧流域。农地流域、半农半牧流域、次生林流域的
基流量显著高于人工林流域和其他植被覆盖的流域。
(2)在雨季人工林流域的径流总量是次生林流域的3.37倍,是农地流域1.92倍。农地流域的地表径流
量只有人工林流域的7.74%。次生林流域的地表径流量只有人工林流域的9.50%。人工林流域的基流量等于零。农地流域的基流量是次生林流域的2.2倍。
(3)在短历时高强度的A型降雨条件下,人工林流域的地表径流量最大,农地流域最小。人工林流域、次
生林流域的地表径流量分别是农地流域的10.8倍和2.2倍。在历时较长的暴雨条件下,表径流量最大,是农地流域的3.78倍,是次生林流域的4.35倍、,半农半牧流域的径流量最大,是农地流域的2.91倍,次生林流域的5.1倍在黄土区的小流域内修建水平梯田,,,但梯田拦蓄径流的作用小于次生林植被。
植被,因此,,形成次生植被。
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第28卷第8期2008年8月
生态学报ACTAECOLOGICASINICA
Vol.28,No.8
Aug.,2008
黄土高原不同植被覆盖对流域水文的影响
张建军
1,2
,纳 磊,董煌标,王 鹏
111
(1.北京林业大学水土保持学院,北京 100083;2.山西吉县落叶阔叶林生态系统国家野外站,山西吉县 042200)
摘要:以山西省吉县蔡家川流域为对象,研究了植被覆盖类型对流域水文的影响。结果表明:不同植被覆盖的流域年径流系数分别为:林地流域1.6%～2.3%,以农、牧为主的流域3.1%～3.9%;各流域基流系数差异显著,人工林流域为零,次生林为主的流域1.0%～1.5%,以农、牧为主的流域2.5%～2.8%;在雨季人工林流域的径流总量是次生林流域的3.37倍、农地流域的
1.9倍,而农地流域的基流量是次生林流域的2.2倍;短历时高强度降雨条件下,人工林流域、次生林流域地表径流量分别是农
地流域的10.8倍和2.2倍;在历时较长的暴雨条件下,人工林流域单位面积上的洪峰流量是农地流域的3.4倍,次生林流域的
6.9倍;在长历时、大雨量条件下,农地流域的径流量是次生林流域的1.8倍。,次
生林植被的水源涵养功能远好于人工植被,关键词:植被覆盖;径流;流域;黄土高原
文章编号:100020933(2008)0823597209 中图分类号:S715 文献标识码:HydrologicalrespononcoversofsmallwatershedsontheLoessPlaZHANGJian2Lei,DONGHuang2Biao,WANGPeng
11
1CollegeofSoilandaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2ChineseNationalEcosystemObservationandResearchStation,JiCounty042200,China
ActaEcologicaSinica,2008,28(8):3597～3605.
Abstract:ThestudywasconductedintheCaijiachuanwatershedinJiCounty,ShanxiProvince.Theprimaryobjectivewastoquantifystreamflowdifferencesamongsmallwatershedswithdifferentvegetationcovers.Annualrunoffcoefficientranged1.6%22.3%and3.1%23.9%intheforestedandthenon2forestedwatersheds,respectively.Baseflowwasnegligibleinartificialforestwatershed,andbutbaseflowratio(baseflow/totalflow)washigher(1.0%21.5%)inotherforestwatersheds.Inthenon2forestedwatersheds,baserunoffcoefficientwashighest(2.5%22.8%).DuringtherainyseasoninJune2September,totalrunofffromtheartificialforestwatershedwashighest,about3.4timesofthenaturalforestwatershed,or1.9timesoftheagriculturalwatershed.Thebaseflowintheagriculturalwatershedwashighest,about2.2timesofthenaturalforestwatershed.Forstormeventswithshortdurationandhighintensity,runofffromtheartificialforestwatershedwashighest,about10.8timesofagriculturalwatershed.Forstormeventswithalongduration,peakdischargeperunitareaintheartificialforestwatershedwashighest,aboutas6.9timesofthenaturalforestwatershed.Forlargestormeventswithalongduration,runoffintheagriculturalwatershedwashighest,about1.8timesofthenaturalforestwatershed.Comparewithalllandusesandvegetationcovers,benchterracesandnaturalforestscouldgreatlyreduce
基金项目:国家十一五课题资助项目(2006BAD03A1204);国家重点基础研究发展计划资助项目(2002CB2002CB111503)收稿日期:2007207202;修订日期:2007210222
作者简介:张建军(1964～),男,甘肃天水人,博士,副教授,主要从事森林水文和森林生态研究.E2mail:[email protected]
Foundationitem:TheprojectwasfinanciallysupportedbytheNationalScienceandTechnologyAdvancementProjectoftheEleventhFive2yearPlanofChina(No.2006BAD03A1204)andChinaKeyBasicResearchProgram(973Program)(No.2002CB111503)Receiveddate:2007207202;Accepteddate:2007210222
Biography:ZHANGJian2Jun,Ph.D.,Associateprofessor,mainlyengagedinforesthydrologyandforestecology.E2mail:[email protected]
overlandflowandhadlargewaterstoringcapacity.Wefoundtheartificialforestsdidnothavethehydrologicfunctionstoreducepeakflows.WeconcludethatnaturalvegetationrecoveryhadthebesthydrologicbenefitsinsoilconservationandthusshouldbepromotedintheLoessPlateauarea.
KeyWords:vegetationcover;runoff;watershed;theLoessplateau
由降雨形成的、沿地表或地下运动汇入河网向着流域出口断面汇集的水流称之为降雨径流
[1,2]
。黄土高
原水资源匮乏,作为水资源重要组成部分的地表径流已成为限制当地经济发展的主要因素之一。因此,研究不同植被覆盖流域的水文效应,对于防治黄土区水土流失、合理利用地表水资源具有重要意义。
20世纪以来,世界各国专家对径流与植被覆盖的相互关系进行了一系列的研究Basic对不同土地利用方式下的径流量对比后指出,农地径流量最高。Kang
[9]
[10]
[3～7]
。Sauer在径流小
[8]
区上利用水量平衡方法研究了地表特征、暴雨特性对产流的影响,认为降雨强度是影响径流的主要因素。
、不同植被覆盖
类型、不同农业耕作方式下各种坡度、坡长上的径流情况。赵文武用格局的变化会明显改变该地区降雨2径流关系。张志强
[12[11]
,[13,植被通过
[14]
究后指出,,枯水径流量增加。卫伟、保土效果最佳。
刘昌明
[]
等
,结果表明受干扰最严重的农田和人工草地产生了
、地表径流量随森林覆盖度增加而降低,地下径流则有微弱增加,
。大多数研究揭示了单一下垫面对流域水文效应的影响。本文在晋西黄土残塬沟壑区的山西吉县蔡家川流域内选择典型嵌套流域,修建量水堰,布设超声波水位计,对不同植被覆盖的嵌套小流域降雨、径流状况进行长年高密度的实时监测,以期揭示黄土高原地区不同植被覆盖类型对流域水文状况的影响。1 研究区概况
研究区是北京林业大学所属的山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站所在地,位于吕梁山南端山西省吉县蔡家川流域。地理坐标为东经110°39′45″～110°47′45″、北纬36°14′27″～36°18′23″。属于晋西黄土残塬沟壑区,流域大体上为由西向东走向,长约14km,面积38km,海拔900～1513m(图1)。年降水量为575.9mm,6～9月降水占全年降水量的70%左右。年平均水面蒸发量为1732.9mm。年均气温10℃。土壤
2
为褐土,黄土母质。森林覆盖率39.8%,流域中上游植被主要为白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populus
davidiana)、丁香(Syzygiumaromaticum)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)等组成的天然次生林,中游为刺槐
(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)、侧柏(Platycladusorientalis)等树种组成的人工林,下游为荒
草坡和农地。2 研究方法2.1 试验流域的选择
在蔡家川流域内以不同土地利用类型作为小流域分类的基础,选择农地小流域、人工林小流域、封禁小流域、半人工林半次生林小流域、次生林小流域、半农半牧小流域作为不同植被覆盖类型的研究流域,蔡家川流域作为控制流域,共计7个流域为研究对象。各流域基本情况见表1。2.2 试验方法
在蔡家川流域和不同植被覆盖类型的研究流域内布设长期自记雨量计测定降雨,共布设雨量计11台;在各小流域出口及蔡家川主沟修建复合型测流槽,布设超声波水位计,每5min测定水位一次,同时利用长期自计水位计(日产水研62型)进行校正;利用观测到的水位值根据已标定的水位流量关系曲线求算径流量,采
[1]
用直线切割法求算基流量
。
图1 研究区地理概况
Fig.1 Geographicalfeaturesofthestudyarea
表1 试验流域概况
Table1 Thebasicinformationofexperimentalwatersheds
编号
No.12
流域名称
Name
流域面积
Area0.7134.23
森林覆盖率
Forestcover
rate
0.080.0
流域长度流域宽度
Length1.3814.50
Width0.541.25
形状系数沟壑密度
Shapecoefficient2.546.14
Gulleyintensity1.811.53
沟道比降
Gradient8.71.9
植被类型
Vegetationcover
农地流域蔡家川流域
以水平梯田为主
流域上游以次生林为主,中游以人工林为主,下游以农地、荒草地为主
以15年生人工刺槐林、油松林、侧柏林为主封禁26年,以山杨、辽东栎、油松、侧柏、丁香、虎榛子等组成的次生林
以山杨、辽东栎等组成的次生林,以刺槐、油松等组成的人工林
以山杨、白桦、辽东栎、丁香等组成的天然次生林以水平梯田、荒草地为主
3人工林流域1.5092.52.180.723.033.0012.1
4封禁流域1.9399.93.000.684.404.108.4
5
半人工林半次生
林流域次生林流域半农半牧流域
3.6281.73.301.103.000.918.9
67
18.572.63
82.015.2
7.252.88
2.670.91
2.723.55
25.901.09
7.112.1
流域名称及植被覆盖类型Vegetationcoversofthewatersheds;1号农地流域No.1Farmlands;2号蔡家川流域No.2Integratedwithnatural
forests,artificialforests,farmlandandgrasslands;3号人工林流域No.3Artificialforests(15a)ofRobinia,PinusandPlatycladus;4号封禁流域No.4Beingclosedfor26years;5号半人工林半次生林流域No.5Naturalforestsandartificialforests;6号次生林流域No.6NaturalforestsofBetula,
Populus,Syzygium,andOstryopsis;7号半农半牧流域No.7Farmlandsandgrasslands;下同thesamebelow
3600 生 态 学 报 28卷
3 结果与分析
3.1 不同植被覆盖流域年径流量分析
年径流量是评价流域水资源状况的主要参数2006年各流域的观测结果进行分析,结果见表2。
[16]
。为了探讨不同植被覆盖对流域年径流量的影响,以
从表2可以看出,半农半牧流域、农地流域2006年的年总径流量、径流系数明显高于其它流域。人工林流域无降雨时,无径流流出,年总径流量、径流系数均低于半农半牧流域和农地流域,但高于其它森林流域。封禁流域、半人工林半次生林流域、次生林流域的年径流量相近。蔡家川主沟道年总径流量、径流系数与人工林流域相当。年地表径流量最大的是人工林流域,其次是半农半牧流域,次生林流域和农地流域的地表径流量最小。年基流量最大的是农地流域,其次是半农半牧流域,蔡家川流域、次生林流域、封禁流域和半人工林半次生林流域的年基流量较小,人工林流域没有基流量。
表2 2006年各实验流域年径流量
Table2 Yearlyrunoffofexperimentalwatershedsin2006
编号
No.1234567
流域名称
Name
年降雨量
Annualrainfall
amount
543.50521.1040516.20574.00
年总径流量
Annualtotalrunoffdepth16.899.988.408.8922.23
年径流系数depth15.338.970.006.835.407.4914.40
年基流系数
Baserunoffcoefficient2.821.7201.331.021.452.51
Annualrunoffcoefficientdepth2.472.1.951.591.723.87
9113.163.153.001.407.83
290.752.290.610.570.271.36
农地流域蔡家川流域人工林流域次生林流域半农半牧流域
本研究中各森林流域的年径流量、基流量明显小于农地流域,这与刘昌明等回大气
[17～19]
[15]
的研究结果一致。次生林
流域、半人工林半次生林流域、人工林流域森林覆盖率高,在林冠截留的作用下,近30%的降雨以蒸发形式返
,从而减少了到达地表的降雨量。另一方面,黄土层深厚,渗入地表的水分尚未进入地下水便被
蒸发、林木蒸散所消耗,从而导致森林流域年径流量的减少。人工植被蒸散耗水量大,年基流量为零。3.2 不同植被覆盖流域雨季径流分析
研究区降雨主要集中在6～9月份,雨季降雨量占全年流域总降雨量的70%左右表3。
[18,19]
。为了研究雨季不
同植被类型流域径流特征,对2004～2006年各实验流域雨季径流(6～9月份)数据进行统计分析,结果见
从表3可以看出,在雨季各流域径流总量由大到小的次序为:人工林流域>半农半牧流域>农地流域>半人工林半次生林流域>封禁流域>蔡家川主沟>次生林流域。人工林流域的径流总量是次生林流域的3137倍,是农地流域1.92倍。
地表径流量的次序为:人工林流域>半农半牧流域>蔡家川主沟>封禁流域>半人工林半次生林流域>次生林流域>农地流域。农地流域的地表径流量最小,只有人工林流域的7174%。次生林流域的地表径流量只有人工林流域的9.50%。
各流域基流量由大到小的次序为农地流域>半农半牧流域>半人工林半次生林流域>封禁流域>次生林流域>蔡家川主沟,人工林流域的基流量等于零。农地流域的基流量是次生林流域的2.2倍。
人工林流域地表枯枝落叶少,草本植被覆盖较低,降雨时易形成地表径流,地表径流系数高于农地流域和半农半牧流域,这与孟庆华、傅伯杰
[20]
等人的研究结果一致。正因为人工林流域易形成地表径流,很少有雨
水渗入地下形成基流。另外,人工植被蒸散耗水量大,因此,人工林流域的基流量为零。半农半牧流域森林覆
8期 张建军 等:黄土高原不同植被覆盖对流域水文的影响 3601
盖率低,放牧活动频繁,地表破坏严重,降雨过程中易形成地表径流。农地流域的坡耕地均改造成梯田,起到了拦蓄地表径流的作用,拦蓄的地表径流渗入地下后以基流形式流出,基流量较大。封禁流域、半人工林半次生林流域、次生林流域森林覆盖率高,地表枯枝落叶和草本植物量大,可拦蓄降雨和径流,增加雨水入渗量
[20～22]
,从而减少了地表径流量,雨季径流系数低。
表3 2004～2006年各实验流域雨季径流量
Table3 Amountsrainy2seasonflowofexperimentalwatershedsfrom2004to2006
编号
No.1
流域名称
Name
年份
Year[1**********]6
降雨量
Rainfall
amount296.0261.0475.5344.2311.6244.3450.0335.3306.5225.0500259.5449.5340.3318.3255.8463.5345.9310.6242.1442.8331.8306.5263.0506.5358.7
径流量
Runoffdepth7.442.657.685.923.902.007.504.475.5611.373.522.747.874.718.920.815.835.192.981.415.723.375.905.0820.2510.41
地表径流量
Overlandrunoffdepth0.760.421.470.882.180.883.843015.9512.9511.371.731.123.031.962.200.472.951.881.430.431.371.082.201.8012.435.48
径流系数
Runoffcoefficient2.511.021.621.721.250.1.1.255.202.472.563.411.131.061.751.312.800.321.261.460.960.581.290.941.921.934.002.62
基流量
Baserunoffdepth6.682.236.215.041.721.123.662.170.000.000.000.001.791.624.842.756.720.342.883.311.550.984.352.293.703.287.824.93
农地流域
平均值Mean
2
蔡家川流域[1**********]6
平均值Mean
3
人工林流域[1**********]6
4
2006
平均值
5
半人工林半次生林流域
[1**********]6
平均值
6
次生林流域[1**********]6
平均值
7
半农半牧流域[1**********]6
平均值
3.3 场降雨统计和分类
根据王万忠
[23]
等人在黄土区的研究,黄土区的降雨可根据降雨量、降雨历时、平均降雨强度、10min最大
雨量、30min最大雨量、60min最大雨量等指标,划分为短时局地雷暴雨(A型)、锋面性降雨夹有雷暴性质的暴雨(B型)、长历时锋面降雨(C型)。本研究利用以上指标将2004～2006年18场全流域降雨进行了聚类分析,结果见表4。
聚类分析的显著性Sig值在0.0001～0.031之间,表明聚类效果较好,聚类结果与王万忠等人的研究结果基本一致。在18场降雨中,A型降雨11场,累计降雨量158.3mm,占降雨场次和降雨总量的61.11%、34158%;B型降雨共3场,累计降雨量74.5mm,占降雨场次和降雨总量的16.67%、16.27%;C型降雨共4
场,累计降雨量225mm,占降雨场次和降雨总量的22.22%、49.15%。
3602 生 态 学 报
表4 场降雨特征值聚类统计结果
Table4 Statisticsofcharacteristicsofrainfallevents
28卷
日期
Date[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][**************]1
降雨量
Rainfall
amount23.88.010.665.512.076.040.119.05.318.423.85.034.246.413.038.34.217.2
降雨历时
Rainfallcontinuouslytime
[***********][***********][**************]平均降雨强度
Averagerainfall
intensity
0.090.110.070.030.060.040.020.050.040.170.300.200.140.030.060.050.170.04
10min最大雨量30min最大雨量60min最大雨ThebiggestrainfallThebiggestrainfallThebiggestrainfallamountin10minsamountin30minsamountin60mins
5.803.804.603.002.002.001.502.001.007.106.403.609.402.10
13.304.806.408.505.004.502.804.202.4012.8013.505.0019.808.4.204.4.205.30
15.807.809.9012.509.007.504.605.504.0015.7023.405.11.308.304.207.60
降雨类型
TypeAAACACCBAAAAACABAB
可见,型和C型,但A型降雨的场降雨量较小,累计降雨量约占总降雨量的1/3;C,,累计降雨量约占总降雨量的1/2,比例最高;B型降雨次数与C型降雨
相近,场降雨量也不大,累计降雨量约占总降雨量的1/6。3.4 A型降雨条件下不同植被覆盖流域的地表径流
2006年7月31日是较为典型的A型降雨,以此降雨为例对各实验流域降雨径流数据进行统计分析得到
表5。
表5 实验流域A型降雨径流特征值
Table5 CharacteristicsofrunoffduringtypeArainfalleventfromexperimentalwatersheds
日期
Date2006207231
编号
No.1234567
流域名称
Name
降雨量
Rainfallamount
16.018.426.025.024.025.621.5
地表径流量
Overlandrunoff
depth
0.0250.140.270.130.180.0550.16
径流系数
Overlandrunoffcoefficient
0.150.771.040.540.730.210.74
单位面积洪峰流量
Thepeakdischarge
inunitarea
0.080.131.430.310.290.080.27
农地流域蔡家川流域人工林流域封禁流域半人工林半次生林流域
次生林流域半农半牧流域
在短历时高强度的A型降雨条件下,人工林流域的地表径流量、径流系数和单位面积洪峰流量最大。农地流域的地表径流量、径流系数和单位面积洪峰流量最小。人工林流域在场降雨条件下的地表径流量是农地流域的10.8倍。次生林流域的地表径流量是农地流域的2.2倍。半人工林半次生林流域、半农半牧流域、封禁流域的地表径流量相近。
农地流域在雨季时庄稼生长茂盛,地表覆盖度高,且全部为梯田,只有沟坡和一些不透水的部位才能形成地表径流,因此,径流量、径流系数、单位面积洪峰流量均低于其他流域,可见,农业措施中的梯田能够拦蓄短历时、高强度的暴雨,次生林流域也具有同样的功能。因此,在黄土区修建水平梯田或恢复自然植被,均能防
8期 张建军 等:黄土高原不同植被覆盖对流域水文的影响
[24]
3603
治短历时、高强度暴雨引起的水土流失,这与穆兴民等3.5 B型降雨条件下不同植被覆盖流域的地表径流
的研究结论一致。
2006年9月4日的降雨是较为典型的B型降雨,这场降雨条件下各实验流域降雨径流数据的统计分析
结果见表6。
表6 实验流域B型降雨径流特征值
Table6 CharacteristicsofrunoffduringtypeBrainfalleventfromexperimentalwatersheds
日期
Date2006209204
编号
No.1234567
流域名称
Name
降雨量
Rainfallamount
44.538.345.045.044.540.947.0
地表径流量
Overlandrunoff
depth
0.230.410.460.400.360.20径流系数
Overlandrunoffcoefficient
0.521.061.010.880.81单位面积洪峰流量
Thepeakdischarge
inunitarea
0.140.110.480.200.160.070.36
农地流域蔡家川流域人工林流域封禁流域半人工林半次生林流域次生林流域半农半牧流域
从表6可以看出,:半农半牧流域>人工林流域>蔡家川主沟>封禁流域>次生林流域,半农半牧流域的径流量是农地流域的3.78倍.35。,对于较长历时的暴雨,农地和次生林流域也具有较强的拦蓄能力。,各流域单位面积上的洪峰流量的排序为:人工林流域>半农半牧流域>封禁流域>半人工林半次生林流域>农地流域>蔡家川主沟>次生林流域。人工林流域单位面积上的洪峰流量是农地流域的3.43倍,是次生林流域的6.86倍。可见,在历时较长的暴雨条件下,次生林流域、农地流域不但径流量小,单位面积上形成的洪峰流量也小。
半农半牧流域中一半是农业用地,另一半是荒草坡,用于放牧。虽然农业用地已经改造为水平梯田,但荒草坡在山羊、牛的踩踏下,表层土壤紧实,土壤的蓄水能力下降,尤其是牛羊行走时形成的小路,更是降雨时易产生地表径流的场所。因此,半农半牧流域在降雨量较大时易形成地表径流。3.6 C型降雨条件下不同植被覆盖流域的径流
选取2005年8月16日长历时、大雨量的C型降雨为例,对各实验流域降雨径流数据进行统计分析得表7。
表7 实验流域C型降雨径流特征值
Table7 CharacteristicsofrunoffduringtypeCrainfalleventfromexperimentalwatersheds
日期
Date2006208228
编号
No.1234567
流域名称
Name
降雨量
Rainfallamount
43.043.950.050.052.048.651.5
地表径流量
Overlandrunoff
depth
0.350.390.910.460.430.201.02
径流系数
Overlandrunoffcoefficient
0.810.891.810.930.830.411.97
单位面积洪峰流量
Thepeakdischarge
inunitarea
0.660.521.591.100.970.242.80
农地流域蔡家川流域人工林流域封禁流域半人工林半次生林流域次生林流域半农半牧流域
在长历时、大雨量的条件下,各流域地表径流量和单位面积上洪峰流量的排序为:半农半牧流域>人工林
流域>封禁流域>半人工林半次生林流域>农地流域>蔡家川主沟>次生林流域。半农半牧流域的径流量是农地流域的2.91倍,是次生林流域的5.1倍。农地流域的径流量是次生林流域的1.75倍。可见主要由水平梯田组成的农地流域和次生林流域同样也能防止由大雨量降雨造成的水土流失,但次生林流域的作用更为显著,人工植被的水源涵养功能远小于次生林植被。4 结论
(1)森林流域的年径流量明显小于农地流域和半农半牧流域。农地流域、半农半牧流域、次生林流域的
基流量显著高于人工林流域和其他植被覆盖的流域。
(2)在雨季人工林流域的径流总量是次生林流域的3.37倍,是农地流域1.92倍。农地流域的地表径流
量只有人工林流域的7.74%。次生林流域的地表径流量只有人工林流域的9.50%。人工林流域的基流量等于零。农地流域的基流量是次生林流域的2.2倍。
(3)在短历时高强度的A型降雨条件下,人工林流域的地表径流量最大,农地流域最小。人工林流域、次
生林流域的地表径流量分别是农地流域的10.8倍和2.2倍。在历时较长的暴雨条件下,表径流量最大,是农地流域的3.78倍,是次生林流域的4.35倍、,半农半牧流域的径流量最大,是农地流域的2.91倍,次生林流域的5.1倍在黄土区的小流域内修建水平梯田,,,但梯田拦蓄径流的作用小于次生林植被。
植被,因此,,形成次生植被。
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