1、 栓皮栎林下枯落物减流减沙效应研究张祯尧 孙佳美 余新晓 李瀚之 侯沛轩（北京林业大学 水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京 100083）摘要：采用室内人工模拟降雨的方法，对有枯落物覆盖的栓皮栎林与无枯落物覆盖的栓皮栎林在不同的雨强、坡度条件下的减流减沙效应进行了比较分析，研究结果表明：（1）相对于只栽植栓皮栎的坡面，林下枯落物的存在能有效地减弱坡面径流，且在坡度为 10、雨强为60mm/h 时的减流效果最优，达到 25%；（2）枯落物的存在显著提高了栓皮栎林的减沙效益，其中在坡度 10、雨强为 90mm/h 的条件下减沙效果最优，达到 125%；（3）枯落物层的存在还能延长坡面径流产
2、生的时间，降低坡面流流速，同时还能有效地减少坡面的总产流量（6.60-28.17%）和总产沙量（11.08-65.08%)；（4）对比枯落物层对总产流量和总产沙量的减少率可以发现，枯落物层在不同条件下对总产沙量的减少率普遍大于相同条件下其对总产流量的减少率。关键词：栓皮栎；模拟降雨；枯落物；减流；减沙中图分类号：S157Experiment Study on Effects of Undergrowth Litter of Quercus variabilis on Runoff and Sediment ReductionZHANG Zhen-yao, SUN Jia-mei, YU Xin
3、-xiao, LI Han-zhi, HOU pei-xua(Beijing Forestry University，Key Lab of Soil and Water Conservation andDesertification Combation of Ministry of Education，Beijing 100083)Abstract: By the method of artificial rainfall in hall, analysed the difference of effects on runoff and sediment reduction between Q
4、uercus variabilis with litter layer and no litter layer under different slope gradients and rainfall intensity conditions. The results showed that: (1) Compared to the slope with 收稿日期：（请填写投稿成功后的系统回执日期） 收稿日期：2016-01-16 基金项目：华北土石山区防护林体系定向调控技术研究与示范(2015BAD07B0302) 作者信息：张祯尧（1992），男，硕士研究生，研究方向为水土保持。E-mai
5、l:。电话：18811710285通讯作者：余新晓（1961），男，博士，教授，主要从事森林水文和水土保持方面研究 E-mail:。Quercus variabilis alone, The undergrowth litter of Quercus variabilis can effectively reduce the runoff on the slope,and the effect of runoff reduction was best under 60mm/h rainfall intensity and slope of 10, up to 25%. (2)The under
6、growth litter of Quercus variabilis significantly improved the sediment reduction efficiency and the efficiency was highest under 90mm/h rainfall intensity and slope of 10, up to 125%. (3) The time of the slope initial runoff generation was delayed and the speed of runoff was reduced with the existe
7、nce of litter layer, the litter can also reduce the total runoff yield（6.60-28.17%）and sediment yield（11.08-65.08%) . (4)Litter layer has a better effect on reducing sediment than reducing runoffKey words: Quercus variabilis; simulated rainfall; litter; runoff reduction; sediment reduction我国是水土流失最严重
8、的国家之一，一直以来，由于我国特殊的自然地理条件以及现代化进程中的一系列生产建设项目扰动了大量土石, 这不但对我国的植被、地貌、水系等造成了严重破坏, 还会引发各种形式的水土流失，尤其是对那些建筑开挖后未进行生态修复的裸露坡面，在突遭暴雨的情况下，极易产生强烈的土壤侵蚀 1。坡面径流是造成水土流失的重要原因 2，坡面径流的产生主要受降雨过程和下垫面变化这两个因素的影响，其中，降雨过程的影响体现在降雨强度、降雨历时和降雨量三个方面 3-4；下垫面变化的影响体现在土壤、覆被、坡长、坡度以及面积这几个方面 5-7。研究表明增加地表覆被可以有效的减少径流和泥沙的产生，起到良好的水土保持作用，坡面植被覆
9、盖可以使坡面产流减少 25%70% ，产沙降低 40%90% 8-10，坡面植被覆盖还可以影响产流产沙过程。不同的植被具有不同程度的减流减沙效果，林地在林冠层和根系的共同作用下，能很大程度地削减径流侵蚀动力，减缓流速，因此能够有效增加土壤入渗，减少侵蚀 11；草被能够调节坡面流流态，减弱雨滴对地表的动能侵蚀 12；地表覆被砾石也能够达到减少侵蚀的目的 13，森林枯落物层对控制水土流失有重要作用，其不但可以可以截留降雨、减小雨滴的击溅侵蚀，还可以延缓地表径流、增强土壤抗冲性能 14-16。研究表明，枯落物层能发挥良好的减流减沙效应，地表覆被枯落物能够减弱雨滴动能降低侵蚀 17；张振明等 18研究
10、发现，相对于裸坡，有枯落物覆盖的坡面产流产沙量有显著降低，且坡度越大，枯落物的减流减沙效果越好。目前国内外对有枯落物覆盖坡面相对裸坡的减流减沙效果的差异研究较多，而对有枯落物覆盖的林地下水蚀方面尚存在研究盲区。本研究通过对不同雨强、坡度下的栓皮栎有无枯落物层覆盖的减流减沙效应进行对比分析，为栓皮栎林下枯落物层的水土保持功效提供了科学参考。1 材料与方法1.1 试验材料本次人工模拟降雨试验于 2015 年 7 月 10 日开始，历时一个月，包括数据的采集及分析，所用降雨大厅位于北京林业大学鹫峰林场，其内的人工降雨系统有效降雨高度为 12m，降雨均匀度大于 85，其配备了高灵敏雨量计和多参量数据采
11、集器，还具有 4 种不同规格的雨滴模拟喷头，能较好地对自然降雨进行模拟。试验所用土槽规格为长 2m，宽 1m，深 30cm，土槽中间用隔板隔开，均匀分成两个 2m0.5m 的土槽。为防止降雨过程中土壤颗粒溅出土槽，对土槽除接水口外的其他三边均增高 10cm 的挡板。为防止土槽内部积水，在其底部设透水孔。试验用土为华北土石山区的典型土壤褐土，选用鹫峰林场主要阔叶人工林树种栓皮栎及其枯落物作为试验研究对象。1.2 试验方法根据查阅的资料，试验用土设计容重为 1.34g/cm3 左右，填土过程中注意分层填土并压实，共分 3 层，每层 10cm。在进行人工降雨试验以前先对坡面进行预降雨，直到土槽内的土
12、壤开始产流再停止降雨，随后将土壤表面用塑料布盖住并静置 24h。在两个土槽内均匀栽植 4 株栓皮栎幼苗，每株幼苗长势相近，将事先采集好的栓皮栎枯落物均匀铺在试验土体上，另一个土槽作为对照不添加枯落物在其中一个土槽内，试验共进行 9 场降雨，分别在 30、60、90mm/h三种雨强和 10、15、20三种坡度条件下完成。模拟降雨过程中采用秒表记时，每场降雨从坡面产流开始到降雨结束耗时 60min。在坡面产流后的前 10min，每隔 2min 取一个径流样，之后每隔 5min 取一次样，这是由于坡面产流前期径流的变化较大。在测量完每个径流样的体积后，采用烘干法测定侵蚀产沙量。径流流速采用染色剂法测
13、定，测量得到同一土壤表面的 5 个流速，通过取其平均值并乘以修正系数 0.75最终确定为径流流速。2 结果与分析2.1 不同坡度雨强条件下枯落物层的水沙调控作用2.1.1 枯落物层对坡面产流过程的影响 不同雨强、坡度条件下的栓皮栎林，有枯落物层和无枯落物层覆盖下坡面侵蚀产流过程中的流量-历时线如图 1 所示，从图 1 可以看出，有无枯落物层覆盖的坡面产流过程表现出相似特征。在坡面开始产流后，流量呈现逐步增加最后达到稳定的趋势，流量在 30 min 后趋于稳定，流量趋于稳定的这一数值在不同的坡度条件下呈现出一定差异，但在不同的降雨强度下这一数值呈现的差异较大。在雨强为 30mm/h 的条件下，三
14、种坡度条件下的坡面稳定径流量值在 200-400ml/min 左右；在 60mm/h 雨强条件下，这一稳定值在 800ml/min 左右；90ml/h 雨强条件下，这一稳定值在 1200-1600ml/min。由此可见，无论栓皮栎林有无枯落物层覆盖，在不同雨强条件下坡面径流量都存在显著差异，因此，其坡面径流量主要受雨强条件的影响。同时，在雨强和坡度条件都相同的情况下，相对于只栽植栓皮栎的坡面，有枯落物层覆盖的坡面其径流量会减小，且在不同坡度条件下，枯落物层的减流效应存在差异。由图 1 可以看出，坡度为 10时枯落物的减流效果最好，在雨强为30、60、90mm/h 的条件下，有枯落物层覆盖的坡面
15、稳定径流量分别为200、600、1200ml/min，其中，枯落物层在雨强为 60mm/h 时减流效果最优，相比于无枯落物层坡面，坡面径流量降低了 25%左右。020406024068012014608降 雨 历 时 /min径流量/(mLin-) 1030m/h， 无 枯 落 叶， 有 枯 落 叶6/， 无 枯 落 叶0h， 有 枯 落 叶9m/， 无 枯 落 叶， 有 枯 落 叶0204060240680120146018降 雨 历 时 /min径流量/(mLin-) 1530m/h， 无 枯 落 叶， 有 枯 落 叶6/， 无 枯 落 叶0h， 有 枯 落 叶9m/， 无 枯 落 叶，
16、有 枯 落 叶02004006008001000120014001600180020000 20 40 60径流量/(mLmin-1)降 雨 历 时 /min2030mm/h， 无 枯 落 叶30mm/h， 有 枯 落 叶60mm/h， 无 枯 落 叶60mm/h， 有 枯 落 叶90mm/h， 无 枯 落 叶90mm/h， 有 枯 落 叶0200400600800100012001400160018000 20 40 60径流量/(mLmin-1)降 雨 历 时 /min坡 度 1030mm/h， 无 枯 落 叶30mm/h， 有 枯 落 叶60mm/h， 无 枯 落 叶60mm/h， 有
17、枯 落 叶90mm/h， 无 枯 落 叶90mm/h， 有 枯 落 叶0200400600800100012001400160018000 20 40 60径流量/(mLmin-1)降 雨 历 时 /min坡 度 1530mm/h， 无 枯 落 叶30mm/h， 有 枯 落 叶60mm/h， 无 枯 落 叶60mm/h， 有 枯 落 叶90mm/h， 无 枯 落 叶90mm/h， 有 枯 落 叶Comment 微微微微1: 文中所有图请按要求提供可编辑的图文件，且将图符均改为空心，曲线均改为细实线。若图例含义相同的请保证图符形状也相同。02004006008001000120014001600
18、180020000 20 40 60径流量/(mLmin-1)降 雨 历 时 /min坡 度 2030mm/h， 无 枯 落 叶30mm/h， 有 枯 落 叶60mm/h， 无 枯 落 叶60mm/h， 有 枯 落 叶90mm/h， 无 枯 落 叶90mm/h， 有 枯 落 叶图 1.不同雨强坡度条件下的径流过程曲线2.1.2枯落物层对坡面产沙过程的影响 不同雨强、坡度条件下的栓皮栎林，有枯落物层和无枯落物层覆盖下坡面侵蚀产沙过程中的产沙量-历时线如图 2所示，从图 2可以看出，在不同坡度和雨强条件下，坡面产沙过程曲线存在较大差异，首先体现在产沙过程线的波动程度，在 30mm/h的雨强条件下，
19、三个坡度的产沙过程曲线都相对平缓：产流初期产沙量有小幅增长，随后有所下降并很快趋于稳定；而当雨强为 60mm/h时，产沙过程曲线波动较大，尤其是在坡度为 20的条件下，曲线呈现出多峰多谷的特点；在 90mm/h的雨强条件下，产流初期产沙量迅速增加达到峰值，随后迅速降低直至趋于某一稳定值。其次是对产沙强度的影响，相同降雨条件下，随着坡度的增加，产沙强度增大，其中在 90mm/h雨强条件下其增大程度最为显著；随着降雨强度的增加，产沙强度在三个坡度条件下均显著增大，其中，在坡度 20、雨强90mm/h的条件下产沙强度的峰值达到 142.65g/min。另一方面，在三种坡度条件下，枯落物层的存在均显著
20、提高了栓皮栎林的减沙效益，且随着降雨强度的增加，枯落物层的减沙效果越明显，在 90mm/h雨强条件下，相对于无枯落物层覆盖的栓皮栎林，10、15、20 的坡面稳定产沙量分别减少了 125%、93%、21%，其中减沙效果在坡度为 10时最优。02040602406801201460降 雨 历 时 /min侵蚀产沙量/(gmin-) 2030m/h， 无 枯 落 叶， 有 枯 落 叶6/， 无 枯 落 叶0h， 有 枯 落 叶9m/， 无 枯 落 叶， 有 枯 落 叶图 2.不同雨强坡度条件下的产沙过程曲线2.2 不同坡度雨强条件下枯落物层的水土保持功效2.2.1 枯落物层对产流时间的影响 坡面径流的产生取决于降水量与土壤入渗率的关系，降水量和土壤入渗率相等的时刻即是坡面开始产流的时刻。坡面产流时间的长短与土壤初始含水率的大小成反比，原因是土壤初始含水量越高，土壤则越容易达到饱和，因此在试验开始前对坡面进行预降雨，保证土壤初始含水量相同。不同坡度雨强条件下坡面初始产流时间见表1，由表 1 可以看出，在 9 种坡度雨强条件下，相对于只覆被栓皮栎幼苗的坡面，枯落物层的存在均延长了坡面径流产生的时间，且随着降雨强度的增加，枯落物层延缓地表径流产生的作
