張紅麗,景 峰
(1.山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030024;2.北京林業(yè)大學(xué),北京 100083)
森林植被對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)和水文循環(huán)有著重要的調(diào)節(jié)作用,可直接影響到降雨的再分配、土壤水分運(yùn)動(dòng),改變產(chǎn)匯流條件,進(jìn)而在一定程度上起到削洪減洪、控制土壤侵蝕、改善流域水質(zhì)的作用[1]。森林植被變化對(duì)徑流的效應(yīng)是指由于森林破壞或林地面積增加等引起森林覆蓋度變化對(duì)流域產(chǎn)水量、泥沙產(chǎn)量的影響。前人的大量研究表明,由于影響森林植被生態(tài)功能的環(huán)境異質(zhì)性的普遍存在,不同地區(qū)、不同尺度流域森林植被變化對(duì)徑流和洪水過(guò)程的影響幅度相差較大[2~4]。自1998年長(zhǎng)江流域發(fā)生特大洪水以來(lái),森林植被變化對(duì)洪水和徑流的影響引起多方關(guān)注。
關(guān)于森林對(duì)河川徑流量的影響,國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直存在爭(zhēng)論。國(guó)內(nèi)較為一致的看法是:黃河流域森林覆蓋率的減少會(huì)不同程度地增加河川年徑流量,長(zhǎng)江流域有林流域年徑流量較無(wú)林或少林流域大,產(chǎn)生分歧的主要原因是缺乏較長(zhǎng)系列的森林水文過(guò)程觀測(cè)和研究。
本文采用流域自身對(duì)比法,選擇位于長(zhǎng)江中游的香溪河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,并參考有關(guān)觀測(cè)小區(qū)的研究結(jié)果,研究森林植被變化對(duì)次暴雨徑流、洪水過(guò)程及泥沙產(chǎn)量等方面的影響,以揭示森林植被變化對(duì)水文、泥沙過(guò)程的影響。
香溪河源于湖北省神農(nóng)架林區(qū),由北向南貫穿興山縣全境,至秭歸縣香溪鎮(zhèn)注入長(zhǎng)江,全長(zhǎng)94 km,主要支流有南陽(yáng)河、古夫河、高嵐河,均在興山縣域內(nèi)。其流域總面積為3 057 km2,在興山縣境內(nèi)有國(guó)家級(jí)水文觀測(cè)站,水文站控制流域面積1860km2。
該流域地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),具有四季分明、水熱同期、暖寒不均、生物氣候多樣的特點(diǎn)。受大氣候影響,年降水量1 192.8 mm,多年平均流量65.5 m3/s,每年的7—8月份為洪水期。年日照時(shí)數(shù)平均為1 682 d,無(wú)霜期在低海拔區(qū)域?yàn)?65 d,高海拔區(qū)域?yàn)?15 d。
該流域?qū)偕降氐孛差愋?,海? 200m以上地區(qū)占總面積的60%左右,海拔800 m以下地區(qū)占總面積的15%。大部分地表由紫色砂頁(yè)巖、泥質(zhì)巖、灰?guī)r、白云巖等組成,由此形成河流深切、峽谷綿延、陡巖峭壁、嶺脊尖銳、巖溶地貌發(fā)育等景觀。
流域內(nèi)土壤主要類型為黃棕壤、棕壤和暗棕壤。其中海拔600~1 500 m為黃棕壤,海拔1 500~2 200 m為棕壤,海拔2 200 m以上為暗棕壤,海拔600 m以下主要分布為水稻土、石灰土和紫色土。
香溪河從源頭至出口流經(jīng)暗針葉林帶、針闊混交林帶、常綠落葉闊葉混交林帶和常綠闊葉林帶[5],植被垂直分布明顯。暗針葉林帶位于海拔2 300~3 100 m之間,以巴山冷杉為主。針闊混交林帶位于海拔1600~2 300 m之間,建群種有銳齒槲櫟、米心水青岡、紅樺、山楊等,針葉樹(shù)種有華山松、鐵杉、巴山松等。常綠闊葉林帶(位于海拔900 m以下)和常綠落葉闊葉混交林帶(位于海拔900~1 600m之間)分布范圍廣泛,由于人為活動(dòng)頻繁,自然植被遭受不同程度破壞,有些地方已成為農(nóng)田,主要建群種有青岡、栲樹(shù)、宜昌潤(rùn)楠、小葉青岡、川桂、苞石櫟、虎皮楠等,落葉樹(shù)種有野核桃、茅栗、槲櫟、化香、多種鵝耳櫪等。
采用流域自身對(duì)比法,分析不同年份流域植被覆蓋度變化與水文要素變化,進(jìn)而研究植被變化對(duì)流域水循環(huán)的影響。
水文資料選用1983—2002年興山站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。包括逐日降水量、降水摘錄,逐日平均流量、洪水水文要素摘錄,逐日平均含沙量、輸沙率等,可從同期水文資料匯編中查得。
森林資料選用1984年、1992年兩次清查資料。
森林變化用森林覆蓋率及活立木蓄積量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)表示,20世紀(jì)八九十年代的森林面積和蓄積量從森林資源二類清查資料中獲得,具體見(jiàn)表1。
表1 流域森林變化表
由于人為破壞,使得香溪河森林覆蓋率由20世紀(jì)80年代的63.23%下降到90年代的61.43%,通過(guò)比較不同年份相似降水過(guò)程下流域降雨產(chǎn)流特點(diǎn)(見(jiàn)表2),可以看出,隨著流域森林覆蓋度的降低,單場(chǎng)暴雨徑流系數(shù)呈增加趨勢(shì)(見(jiàn)圖1)。
圖1 不同年份流域徑流系數(shù)趨勢(shì)
選取20年典型暴雨進(jìn)行對(duì)比分析可知,20世紀(jì)90年代暴雨徑流系數(shù)顯著高于80年代暴雨徑流系數(shù),90年代最小徑流系數(shù)為0.20,與80年代最大徑流系數(shù)持平。在森林覆蓋率高的80年代,平均徑流系數(shù)為0.16,90年代森林覆蓋率下降后,平均徑流系數(shù)增大到0.28。說(shuō)明隨著森林覆蓋率的降低,流域徑流系數(shù)呈增加趨勢(shì)。
表2 香溪河流域興山站暴雨特征
20世紀(jì)末,隨著砍伐森林活動(dòng)的不斷加劇,森林覆蓋率逐年降低。選擇香溪河流域1992年和2002年相似的兩場(chǎng)降雨,運(yùn)用流域自身對(duì)比法,分析流域森林植被變化對(duì)暴雨洪水總量及其過(guò)程的影響(見(jiàn)表3),其暴雨洪水過(guò)程見(jiàn)圖2。
圖2 香溪河流域植被變化洪水過(guò)程對(duì)比
表3 興山站2次洪水過(guò)程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
實(shí)測(cè)920510洪水的降雨歷時(shí)為7 h,降雨量為46.3 mm,則降雨強(qiáng)度為0.11 mm/min。020711洪水的降雨歷時(shí)為17 h,降雨量為52.5 mm,則降雨強(qiáng)度為0.05 mm/min。
020711洪水總量1.38×108m3,較920510洪水總量 8.91×107m3增大 4.89×107m3。020711 洪峰流量1 870 m3/s,較 920510洪峰流量 609 m3/s增大1 261 m3/s。920510洪水的降雨強(qiáng)度要顯著大于020711洪水的降雨強(qiáng)度,但洪水總量和洪峰流量卻小于后者,說(shuō)明森林可有效起到滯洪和削減洪峰的作用。
森林覆蓋率高的年份在相同降水條件下,洪水歷時(shí)比森林覆蓋率低的年份長(zhǎng),洪水歷時(shí)之差主要取決于降水特征,即降雨強(qiáng)度和降水歷時(shí),植被減小使洪水過(guò)程的歷時(shí)縮短。020711洪水歷時(shí)為53 h,比920510洪水歷時(shí)(92.3 h)縮短了39.3 h。
經(jīng)分析可知,隨著森林覆蓋率的減小,流域攔蓄降雨徑流的能力逐漸減弱,導(dǎo)致降水轉(zhuǎn)化為徑流的數(shù)量(即徑流系數(shù))增大,其結(jié)果是暴雨洪水峰值增大,而產(chǎn)流歷時(shí)縮短。這表明森林植被能有效攔蓄降雨,增大流域的蓄水能力。因此,在長(zhǎng)江三峽低山丘陵區(qū)通過(guò)退耕還林還草與自然恢復(fù)等措施,增加植被覆蓋度,對(duì)提高森林涵養(yǎng)水源功能,減少水土流失是非常必要的。
通過(guò)小流域自身對(duì)比分析可以看出,森林植被變化對(duì)流域產(chǎn)水產(chǎn)沙過(guò)程的影響效應(yīng)十分顯著。
隨著森林覆蓋率的減小,流域攔蓄降雨徑流的能力顯著減弱;降水轉(zhuǎn)化為徑流的數(shù)量(即徑流系數(shù))增大,由20世紀(jì)80年代的0.16增大到90年代的0.28。洪水總量增大,暴雨洪水峰值增大,產(chǎn)流歷時(shí)縮短。
森林植被能有效攔蓄降雨,增大流域的蓄水能力,保護(hù)土壤減少降水對(duì)其沖刷,降低河流泥沙含量。在長(zhǎng)江流域低山丘陵區(qū)應(yīng)采取封山育林,大力營(yíng)造水土保持水源涵養(yǎng)林,建立良好的林種結(jié)構(gòu)和森林年齡結(jié)構(gòu),提高森林覆蓋率。
[1]張志強(qiáng),王禮先,等.森林植被影響徑流形成機(jī)制研究進(jìn)展[J].自然資源學(xué)報(bào),2001,16(1):79-84.
[2]王禮先,張志強(qiáng).森林植被變化的水文生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展[J].世界林業(yè)研究,1998,(6):14-23.
[3]石培禮,李文華.森林植被變化對(duì)水文過(guò)程和徑流的影響效應(yīng)[J].自然資源學(xué)報(bào),2001,16(5):481-487.
[4]鐘祥浩,程根偉.森林植被變化對(duì)洪水的影響分析[J].山地學(xué)報(bào),2001,19(5):413-417.
[5]He JS(賀金生),Chen W L(陳偉烈).A review of gradient changes in species diversity of land plant communities.Acta Ecological Sinica(in Chinese)(生態(tài)學(xué)報(bào)),1997,17(1):91-99.