段亮亮,滿秀玲,俞正祥,劉玉杰,朱賓賓

東北林業(yè)大學(xué), 哈爾濱 150040

森林干擾對(duì)大興安嶺北部森林小流域徑流情勢(shì)的影響

段亮亮,滿秀玲*,俞正祥,劉玉杰,朱賓賓

東北林業(yè)大學(xué), 哈爾濱 150040

為了解大興安嶺森林流域水文過程對(duì)森林干擾的響應(yīng),利用近配對(duì)流域方法,排除了氣候變量的時(shí)空差異,對(duì)比研究了森林干擾后大興安嶺北部典型森林小流域(<100 km2)洪峰徑流(High flow)和枯水徑流(Low flow)徑流情勢(shì)(Flow regimes)的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明,森林干擾對(duì)枯水徑流情勢(shì)影響顯著,與對(duì)照流域(小北溝流域)相比,森林干擾(占流域總面積的6.74%)使老溝河流域平均枯水徑流流量降低了26.58%,平均枯水徑流變異系數(shù)值增加了36.77%,并且差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。另一方面,森林植被的干擾相對(duì)增加了森林小流域的洪峰流量、歷時(shí)和變異性,但與對(duì)照流域相比差異均未達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著水平,說明小面積的森林植被干擾未能引起流域洪峰徑流情勢(shì)的顯著變化。進(jìn)一步對(duì)配對(duì)流域的徑流浮動(dòng)系數(shù)(Flashiness Index)的分析發(fā)現(xiàn),森林干擾顯著增加了森林小流域的徑流浮動(dòng)性,研究時(shí)段內(nèi)干擾流域的徑流浮動(dòng)系數(shù)為0.078,是對(duì)照流域(0.057)的1.37倍。大興安嶺北部森林小流域的天然徑流情勢(shì)(Natural flow regimes)對(duì)森林干擾比較敏感,在與水文循環(huán)聯(lián)系緊密的區(qū)域(例如河岸帶),小范圍的森林干擾便可以引起徑流情勢(shì)的顯著變化,這在未來該地區(qū)森林和水資源的管理中需要特別注意。

徑流情勢(shì)；森林干擾；枯水徑流；洪峰徑流

徑流情勢(shì),包括流量、歷時(shí)、時(shí)機(jī)、頻率以及變異性,能夠反映諸如洪峰和枯水徑流等特定水文事件特征[1],穩(wěn)定的徑流情勢(shì)對(duì)維持水生生物多樣性和河流生態(tài)系統(tǒng)功能完整性至關(guān)重要[2-3]。

氣候變化和森林干擾是森林流域徑流改變的兩大驅(qū)動(dòng)因素[4],對(duì)徑流情勢(shì)的改變也起著關(guān)鍵作用[5]。氣候變化,通過降水和氣溫的改變直接影響流域的水分輸入和蒸散發(fā),從而影響流域徑流情勢(shì)[6]。例如,在伊朗Karkheh河流域,Masih[7]等發(fā)現(xiàn),1961—2001年間降水量的變化是徑流情勢(shì)改變的主要原因,4月和5月降水的降低引起枯水徑流的降低,而冬季洪峰流量的增加也是由于降水增加引起的。另一方面,在森林流域,森林干擾通過改變諸如林冠截留,土壤水分滲透以及蒸散發(fā)直接影響流域徑流情勢(shì)[8]。在智力La Reina流域,79.4%的森林全部皆伐以后,年均徑流增加了110%,而平均洪峰徑流量增加了32%[9]。Zhang和Wei[10]對(duì)加拿大British Columbia省Baker Creek流域森林干擾前后的洪峰徑流和枯水徑流情勢(shì)的研究發(fā)現(xiàn),與對(duì)照期(1964—1990)相比,森林干擾期(1990—2009)洪峰徑流和枯水徑流流量分別增加了31.4%和16.0%,同時(shí),森林干擾使洪峰徑流年內(nèi)的發(fā)生時(shí)機(jī)顯著提前,使洪峰徑流發(fā)生頻率以及變異性明顯增加,而枯水徑流的變異性明顯降低。Schnorbus和Alila[11]對(duì)比加拿大Redfish流域森林采伐前后的洪峰流量發(fā)現(xiàn),當(dāng)采伐區(qū)域的海拔高度在流域海拔高度的60%以上時(shí),洪峰流量才會(huì)出現(xiàn)顯著(α=0.05)變化,在1.25—100a的重現(xiàn)期內(nèi),每小時(shí)和每天的洪峰變化量分別在6%—14%和5%—14%之間。

盡管以上的研究在氣候變化和森林干擾與森林流域徑流情勢(shì)的關(guān)系方面做出了貢獻(xiàn),但大多沒有考慮氣候變化和森林干擾對(duì)徑流情勢(shì)產(chǎn)生的交互效應(yīng)。尤其在森林干擾與徑流情勢(shì)關(guān)系的研究中,干擾的不同時(shí)期,降水和空氣溫度等氣象因素的時(shí)空差異會(huì)對(duì)徑流情勢(shì)造成影響[6],影響森林干擾與徑流情勢(shì)關(guān)系研究的可靠性。移除森林流域氣候的時(shí)空差異對(duì)徑流情勢(shì)的影響,研究森林干擾與森林流域徑流情勢(shì)的關(guān)系面臨較大挑戰(zhàn)。近配對(duì)流域方法,以兩個(gè)擁有相似流域特征和氣候條件但經(jīng)歷不同森林干擾的相鄰森林小流域(<100 km2)為研究對(duì)象,以沒有森林干擾的流域?yàn)閷?duì)照,研究同一時(shí)期內(nèi)森林干擾對(duì)研究流域水文過程產(chǎn)生的影響,可以有效的剔除氣候的時(shí)空差異,廣泛的應(yīng)用于植被變化所引起的水文過程改變的研究中[12-13],同時(shí)為森林干擾與徑流情勢(shì)關(guān)系的研究提供了一個(gè)有效的途徑。

大興安嶺是我國境內(nèi)唯一寒溫帶明亮針葉林區(qū),森林覆蓋率在70%以上。雖多年平均降水量不高(500 mm左右),但是區(qū)域內(nèi)水系發(fā)達(dá),河網(wǎng)密布,這與森林的水源涵養(yǎng)功能密切相關(guān)[14-15]。森林干擾會(huì)導(dǎo)致蒸散發(fā)降低以及徑流系數(shù)的增加,可能在短期內(nèi)增加地表徑流量。然而森林干擾后林冠截留量減少,枯枝落葉層變薄以及土壤結(jié)構(gòu)的破壞會(huì)導(dǎo)致土壤侵蝕量增加[16],土壤持水能力降低,從而破壞森林涵養(yǎng)水源,消洪補(bǔ)枯的能力,增加洪水和干旱等極端水文事件的發(fā)生頻率[17]。并且由于地處高寒地區(qū),土層薄,植物群落演替過程緩慢,植被一旦遭到破壞,很難恢復(fù)。所以,揭示森林干擾與水文過程的關(guān)系,對(duì)大興安嶺地區(qū)森林管理和水資源的可持續(xù)利用具有重要意義。本文利用近配對(duì)流域方法,以大興安嶺北部典型森林小流域,老溝河流域(干擾流域,99.23 km2)和小北溝流域(對(duì)照流域,66.44 km2)為研究對(duì)象。研究由于金礦開采造成的老溝河流域森林植被干擾對(duì)徑流情勢(shì)的影響,以期揭示大興安嶺森林變化與水文過程的關(guān)系,為大興安嶺地區(qū)森林和水資源管理以及區(qū)域生態(tài)安全保護(hù)提供理論支持。

1 研究地概況

研究地區(qū)位于黑龍江省大興安嶺北部(圖1),地形以低山丘陵為主,坡度平緩,海拔550—791 m。該區(qū)屬于寒溫帶季風(fēng)氣候,根據(jù)漠河氣象站的資料顯示,1959—2012年年均降水量為433.57 mm,多集中在6—9月,年均氣溫為-4.29℃,年均最高氣溫4.31℃,年均最低氣溫-11.81℃,年均日照時(shí)數(shù)2426.97 h,年均風(fēng)速1.92 m/s,年均相對(duì)濕度70%。地帶性土壤為棕色針葉林土,土層厚度在15—40 cm,并有永凍層存在。森林植被屬于泛北極植物區(qū)歐亞植物亞區(qū)大興安嶺植物區(qū)系,地帶性植被類型為寒溫性明亮針葉林,以興安落葉松(Larixgmelinii)為優(yōu)勢(shì)種,其它喬木樹種有樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)和山楊(Populusdavidiana)等。

2 研究方法

2.1 流域選擇

本研究在前期大量踏查的基礎(chǔ)上,選擇2個(gè)具有相似地形特征的典型森林小流域作為配對(duì)流域,即老溝河流域和小北溝流域(圖1)。其中老溝河流域(Laogouhe watershed, LGH)是典型的干擾流域,該流域由于歷史上的金礦開采,導(dǎo)致了河岸森林植被以及土壤結(jié)構(gòu)較大面積的破壞,形成了沿河床兩側(cè)典型的干擾區(qū)域。根據(jù)2013年遙感影像(圖1,取自google map 2013年2月)計(jì)算流域的總干擾面積為6.69 km2,占流域總面積的6.74%。小北溝流域(Xiaobeigou watershed, XBG)為對(duì)照流域,流域森林植被未受干擾。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏查和2013年國家林業(yè)資源二類調(diào)查數(shù)據(jù),將配對(duì)流域具體特征整理于表1。配對(duì)流域的地貌特征、植被情況和土壤類型基本一致,可以排除其對(duì)徑流情勢(shì)造成的影響。除了以上干擾因素外,多年永久凍土的空間分布差異也會(huì)對(duì)多年凍土區(qū)河流徑流情勢(shì)產(chǎn)生顯著的影響[18-19]。配對(duì)流域均處于興安-貝加爾多年凍土區(qū)的連續(xù)多年凍土區(qū)內(nèi)[20],多年凍土分布狀況一致,可以排除由于多年凍土分布差異的影響。

圖1 配對(duì)流域地理位置及老溝河流域干擾情況Fig.1 The location of paired watersheds and the disturbance in Laogouhe watershed

表1 配對(duì)流域特征

LGH: Laogouhe watershed; XBG: Xiaobeigou watershed

2.2 數(shù)據(jù)收集

在所選的2個(gè)森林小流域下游,選擇河道窄、河岸規(guī)整的斷面布設(shè)水位自記儀(Onset HOBO U20-001-04型)(簡(jiǎn)稱為R1,R2),記錄間隔設(shè)為30 min。觀測(cè)時(shí)段為2014年5月7日至2014年10月7日,有連續(xù)5個(gè)月的水位數(shù)據(jù)。通過繪制水位-流量關(guān)系曲線,得到觀測(cè)期內(nèi)連續(xù)流量數(shù)據(jù)。根據(jù)0.5 h連續(xù)流量數(shù)據(jù)計(jì)算得到逐日徑流量,并根據(jù)流域集水區(qū)面積的大小,將逐日徑流轉(zhuǎn)換為流域徑流深。由于地形和地域差異導(dǎo)致的降水空間異質(zhì)性會(huì)影響流域的水文過程[21]。本研究中,配對(duì)流域的地形差異不大,且流域面積較小(<100 km2),降水的空間異質(zhì)性較小。為了降低降雨的觀測(cè)誤差,將降雨自計(jì)儀(Onset HOBO RG3-M)設(shè)置于配對(duì)流域中間位置的林外(簡(jiǎn)稱P1)。并在正文中通過繪制配對(duì)流域日徑流量的雙累積曲線(Double Mass Curve)來檢驗(yàn)降雨觀測(cè)的可靠性。

2.3 研究指標(biāo)的確定

洪峰徑流和枯水徑流是2個(gè)重要的水文變量,反映河流水資源狀況和水文過程[22]。流量過程曲線反映某一時(shí)期內(nèi)等于或超過某一徑流值的累計(jì)頻率,被廣泛的用來定義洪峰徑流和枯水徑流[13,23],本研究中,洪峰徑流定義為等于或超過流量過程曲線上5%頻率的徑流值,枯水徑流定義為等于或低于流量過程曲線上95%頻率的徑流值[10,24]。

本研究選徑流情勢(shì)中的流量、歷時(shí)和變異性3個(gè)指標(biāo)來研究洪峰及枯水徑流的徑流情勢(shì)。其中,流量為發(fā)生洪峰徑流和枯水徑流時(shí)每天的流域徑流深(mm),歷時(shí)為發(fā)生洪峰徑流和枯水徑流的總時(shí)間(h),變異性為洪峰徑流和枯水徑流流量與平均徑流深之間的差值絕對(duì)值(mm)/平均徑流深(mm)。為了揭示配對(duì)流域以上3個(gè)指標(biāo)間的差異性,分別對(duì)其繪制box-plot圖,并進(jìn)行了非參數(shù)Mann-Whitney U差異性檢驗(yàn)。同時(shí)在變異性中引入徑流浮動(dòng)系數(shù)(Flashiness Index)[25],將整個(gè)研究時(shí)段按漲水和落水分為3個(gè)漲水時(shí)段和3個(gè)落水時(shí)段,分別計(jì)算每個(gè)時(shí)段以及整個(gè)研究時(shí)段的徑流浮動(dòng)系數(shù),徑流浮動(dòng)系數(shù)的計(jì)算見公式(1)。

(1)

式中,q為日徑流深,i為時(shí)間,qi表示第i天的徑流深,n為研究時(shí)段的總天數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 配對(duì)流域徑流量特征

圖2 老溝河流域與小北溝流域日徑流量雙累積曲線及其線性回歸關(guān)系Fig.2 Double mass curve of cumulative daily flows—Xiaobeigou watershed versus Laogouhe watershed with the best-fitted linear regression

雙累積曲線通過繪制兩個(gè)水文變量的累積值曲線,檢測(cè)2個(gè)變量在研究時(shí)段內(nèi)變化趨勢(shì)的一致性[26]以及研究時(shí)段內(nèi)干擾對(duì)2水文變量的影響[27]。本研究中雙累積曲線首先被應(yīng)用在配對(duì)流域全年的日徑流深。由于研究時(shí)段內(nèi)配對(duì)流域沒有受到明顯干擾,一旦雙累積曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn),那么可能是配對(duì)流域的流域特征存在顯著差異,或者是配對(duì)流域在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)降雨量存在顯著差異,說明配對(duì)流域選擇不合理。從圖2可見,配對(duì)流域的累積日徑流深在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)呈現(xiàn)出極顯著的線性關(guān)系(P<0.000),沒有出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn),說明配對(duì)流域選擇合理,配對(duì)流域的日徑流深的變化趨勢(shì)基本一致。

圖3 研究時(shí)段配對(duì)流域徑流過程與降雨量的關(guān)系Fig.3 The relationship between the daily flows of paired watersheds and precipitation

從圖3可見,配對(duì)流域均屬于降雨主導(dǎo)型的森林小流域。與雙累積曲線的結(jié)果相似,研究時(shí)段內(nèi),配對(duì)流域?qū)涤甑捻憫?yīng)比較一致,春季第1次較大降雨之前(5月20日)2流域均處于枯水期,伴隨著第1場(chǎng)大雨(降雨量30.60 mm),配對(duì)流域形成了第1次洪峰,老溝河流域(干擾流域)和小北溝流域(對(duì)照流域)徑流深分別從降雨開始前的0.67 mm和0.72 mm增加至洪峰值1.60 mm和1.53 mm。盡管本次降雨量不大,但是流域的徑流量短時(shí)間內(nèi)大幅升高并形成洪峰,可能是由于前期冬季積雪融水大量?jī)?chǔ)存在凍土溶解后的活動(dòng)層中,增加了土壤水分飽和度,提高了降雨過程中的徑流系數(shù)[28],從而使本次降雨快速形成了洪峰過程。本次持續(xù)降雨過后,洪峰逐漸消退,老溝河流域徑流量降幅要明顯高于小北溝流域,2流域在夏季最大的降雨過程前出現(xiàn)徑流量的低點(diǎn),分別為0.53 mm和0.67 mm。而隨著夏季最大降雨(7月8日單日降雨量42.4 mm)之后出現(xiàn)全年的最大洪峰,老溝河流域和小北溝流域洪峰徑流深分別為1.87 mm和2.12 mm,此次洪峰之后徑流量隨著降雨量的逐漸減小而降低,并在9月份進(jìn)入秋季枯水徑流期。從全年配對(duì)流域?qū)涤甑捻憫?yīng)來看,老溝河流域在經(jīng)歷枯水期(春季和秋季)后對(duì)降雨的響應(yīng)更顯著,例如6月7日,7月4日以及8月27日降雨后老溝河流域徑流深(1.10,1.40,1.05 mm)分別較小北溝流域徑流深(1.03,1.22,0.84 mm)高5.92%,14.32%及25.17%。而在退水期以及枯水期,老溝河流域的徑流深均低于小北溝流域。

圖4 近配對(duì)流域日徑流流量過程曲線Fig.4 Daily flow duration curves for the paired watersheds

3.2 配對(duì)流域洪峰、枯水徑流流量特征

首先繪制配對(duì)流域的流量過程曲線,從圖4可知,在超過流量過程曲線上累積30%頻率徑流量的區(qū)間上配對(duì)流域的徑流量比較接近,而在低于30%頻率徑流量的區(qū)間內(nèi),老溝河流域(干擾流域)的徑流量要明顯低于小北溝流域(對(duì)照流域),說明森林干擾顯著降低流域的枯水期徑流量,而對(duì)豐水期徑流量的影響較小。

進(jìn)一步在流量過程曲線上確定洪峰流量和枯水徑流流量,并進(jìn)行對(duì)比研究。從圖5可見,干擾流域和對(duì)照流域洪峰流量平均值分別為1.54 mm和1.55 mm,差異不顯著(P=0.60)。而枯水徑流差異明顯,干擾流域的枯水徑流流量明顯低于對(duì)照流域,干擾流域的平均值(0.47 mm)比對(duì)照流域(0.60 mm)低26.58%,并且,最高值、最低值以及中位數(shù)均有相似的趨勢(shì)。根據(jù)非參數(shù)Mann-Whitney U差異性檢驗(yàn)的結(jié)果可知,枯水徑流流量間存在極顯著差異(P<0.01)。

圖5 近配對(duì)流域洪峰、枯水徑流流量及Mann-Whitney U 檢驗(yàn)結(jié)果Fig.5 The magnitude of high and low flows for the paired watersheds and the results of Mann-Whitney U test

3.3 配對(duì)流域洪峰、枯水徑流歷時(shí)特征

以0.5 h為步長(zhǎng)對(duì)配對(duì)流域的洪峰徑流和枯水徑流歷時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示,森林干擾顯著提高了洪峰徑流歷時(shí),研究時(shí)段內(nèi)干擾流域洪峰徑流歷時(shí)(202.5 h)較對(duì)照流域(163.0 h)提高了39.5 h。但干擾流域的枯水徑流歷時(shí)(148.5 h)顯著降低,較對(duì)照流域(185.5 h)低37 h。以7月8日至7月13日研究時(shí)段內(nèi)最大的洪峰過程為例,對(duì)比了配對(duì)流域在洪峰過程中的洪峰徑流歷時(shí)差異。由圖6可見,干擾流域在強(qiáng)降雨后從洪峰徑流閾值到洪峰峰值用時(shí)(10.5 h)明顯小于對(duì)照流域(18.0 h),而干擾流域的退水過程要略長(zhǎng)于對(duì)照流域,分別用時(shí)60.5 h和52.5 h,以后開始降低至各自洪峰徑流閾值以下?？梢娚指蓴_降低了流域洪峰產(chǎn)流對(duì)降雨的響應(yīng)時(shí)間,但是洪峰的消退時(shí)間有所增加。

圖6 配對(duì)流域洪峰徑流歷時(shí)特征分析——以2014- 7- 8日至2014- 7- 12日洪峰過程為例Fig.6 The analysis of high flow duration characteristics for the paired watersheds from 2014- 7- 8 to 2014- 7- 12

3.4 配對(duì)流域洪峰、枯水徑流變異性特征

由圖7可知,干擾流域洪峰徑流變異系數(shù)略大于對(duì)照流域,其平均值分別為0.99和0.86,但是差異沒有達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著水平(P=0.125),森林干擾雖然提高了流域洪峰徑流的變異性,但是效果并不顯著。另一方面,干擾流域的枯水徑流變異性顯著提高(圖7),干擾流域枯水徑流變異系數(shù)的平均值和中位數(shù)分別為0.39和0.38,與對(duì)照流域相比,分別增加了36.77%和36.99%,并且差異性達(dá)到了統(tǒng)計(jì)極顯著水平(P<0.01)?？菟畯搅髯儺愊禂?shù)的大幅增加,說明其對(duì)森林干擾更加敏感,森林干擾使枯水期徑流量大幅度偏離年均徑流量。

圖7 近配對(duì)流域洪峰、枯水徑流變異性及Mann-Whitney U 檢驗(yàn)結(jié)果Fig.7 The variability of high and low flows for the paired watersheds and the results of Mann-Whitney U test

為了進(jìn)一步探究配對(duì)流域河川徑流在研究時(shí)段內(nèi)的變異性,本文引入徑流浮動(dòng)系數(shù)。浮動(dòng)性由徑流變化率表示,浮動(dòng)性大的徑流有較快的徑流變化率,而穩(wěn)定的徑流有比較慢的徑流變化率[1]。本研究中,整個(gè)研究時(shí)段劃分為3個(gè)漲水時(shí)段和3個(gè)落水時(shí)段,分別計(jì)算不同時(shí)段和全年的徑流浮動(dòng)系數(shù)(圖8)。結(jié)果表明(表2),森林干擾使老溝河流域的徑流浮動(dòng)系數(shù)顯著增加,所有漲水時(shí)段和落水時(shí)段的徑流浮動(dòng)系數(shù)均明顯大于對(duì)照流域。其中以枯水期,即時(shí)段Ⅲ的差異最為明顯,干擾流域時(shí)段Ⅲ漲水浮動(dòng)系數(shù)(0.160)是對(duì)照流域(0.074)的2.15倍,落水浮動(dòng)系數(shù)(0.049)是對(duì)照流域(0.029)1.71倍。并且,干擾流域整個(gè)研究時(shí)段的徑流浮動(dòng)系數(shù)(0.078)明顯大于對(duì)照流域(0.057)。

圖8 配對(duì)流域漲水、落水時(shí)段劃分示意圖Fig.8 Schematic diagram of dividing of rising and recession phases for the paired watersheds in the study period

表2 配對(duì)流域不同時(shí)段徑流浮動(dòng)系數(shù)

4 討論

4.1 森林植被干擾對(duì)枯水徑流情勢(shì)的影響

研究發(fā)現(xiàn),老溝河流域森林植被干擾引起了流域枯水徑流情勢(shì)的顯著變化,平均枯水徑流流量降低了26.58%(相對(duì)于對(duì)照流域),枯水徑流變異性平均值增加了36.77%(相對(duì)于對(duì)照流域),并且與對(duì)照流域之間均存在極顯著差異(P<0.01)。Liu[24]等研究發(fā)現(xiàn),1968—1984年與1957—1967年相比,梅江流域10%左右森林覆蓋率的降低導(dǎo)致了枯水徑流流量降低了30.1%,變異性增加了3.2%。Gebrehiwot[29]等人對(duì)埃塞俄比亞Koga流域(266 km2)的研究表明,1957年至1986年森林覆蓋率從16%降低至1%,在森林覆蓋率降低后,流域的枯水徑流出現(xiàn)明顯的降低。同時(shí),也有研究得到相反的結(jié)論,例如,Zhang和Wei[10]在加拿大British Columbia省Baker Creek流域發(fā)現(xiàn),森林干擾期(1990—2009)的平均枯水徑流流量比對(duì)照期(1964—1990)顯著增加了16.0%,而枯水徑流的變異系數(shù)從未干擾時(shí)期的0.12減小至森林干擾期的0.06。相似的結(jié)論也在其他流域被發(fā)現(xiàn)[30-31]?？梢娚指蓴_對(duì)流域枯水徑流情勢(shì)的影響在不同流域存在較大差異。

Penna[32]等研究表明,枯水期河川徑流的補(bǔ)給主要來自于水分飽和狀態(tài)下的河岸帶。本研究中,盡管森林植被干擾面積不大(占流域總面積6.74%),但是干擾區(qū)域主要集中在河岸。一方面由于森林植被的減少林冠截留和枯落物蓄水作用會(huì)明顯降低[33-34],在降雨過程中更多的降雨以地表徑流方式補(bǔ)充到河川徑流,而對(duì)深層土壤和地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給相對(duì)較少[35]。另一方面,森林植被干擾破壞了河岸土壤結(jié)構(gòu),由于地處季風(fēng)氣候區(qū),夏季的強(qiáng)降雨對(duì)河岸造成了一定程度的侵蝕,土壤滲透性和持水能力明顯降低[36],使枯水期坡面的壤中流無法補(bǔ)給河川徑流,從而導(dǎo)致了干擾流域枯水徑流流量顯著(P<0.01)降低,變異性顯著(P<0.01)升高。但是在森林植被干擾以后,如果土壤只受到微弱的破壞,土壤持水能力沒有受到影響,森林植被的干擾降低流域蒸散發(fā)總量以及林冠截留量,從而使流域土壤水分增加,進(jìn)而會(huì)增加枯水徑流流量[23]?？傊?枯水徑流情勢(shì)的變化受到森林干擾程度,干擾區(qū)域的不同而異,未來的研究中需要根據(jù)干擾的具體情況來分析枯水徑流情勢(shì)改變的原因。

4.2 森林植被干擾對(duì)洪峰徑流情勢(shì)的影響

本文研究發(fā)現(xiàn),配對(duì)流域洪峰流量十分接近,盡管干擾流域的洪峰徑流歷時(shí)和變異性均大于對(duì)照流域,森林植被的干擾在一定程度上增加了流域洪峰歷時(shí)和變異性,但是差異沒有達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著水平。前人的研究表明,森林植被的干擾增加洪峰流量[9,37-38]、歷時(shí)[24]和變異性[10,24],但是由于干擾面積以及干擾區(qū)域的不同存在顯著的差異。通常,洪峰流量隨著森林干擾面積的增加和干擾程度的加劇而增加[39],但是由于流域特征和洪峰徑流產(chǎn)流機(jī)制的不同,其對(duì)森林干擾的響應(yīng)在不同流域間差異明顯[40]。在加拿大British Columbia省內(nèi)的源頭流域,直到皆伐面積增加到20%至30%之前,洪峰流量的增加都不顯著,并且洪峰流量隨著皆伐區(qū)域海拔的降低而逐漸增加[37]。在江西省梅江流域,自1950年至1972年,森林覆蓋率降低了11.2%,使洪峰流量顯著增加了10.4%,洪峰發(fā)生時(shí)機(jī)明顯提前[24]。通過配對(duì)流域法,Jones和Grant[39]發(fā)現(xiàn)25%的皆伐能夠引起50%洪峰流量的增加。本研究中,洪峰徑流情勢(shì)沒有發(fā)生顯著改變,可能是由于森林干擾面積相對(duì)較小,而流域的面積相對(duì)較大,流域彈性較好[41],減弱了森林干擾對(duì)流域洪峰徑流的影響。另一方面,洪峰的發(fā)生一般伴隨較大的降雨過程,大量研究表明,隨著降雨強(qiáng)度的增加林冠截留率降低[14,42-43]、枯枝落葉層和土壤水分迅速飽和[34,42],此時(shí)河川徑流主要來源于坡面產(chǎn)流,而不是地勢(shì)較低的河岸帶[32]。本研究中,森林干擾主要集中在河岸區(qū)域,所以對(duì)洪峰徑流情勢(shì)影響較小。

5 結(jié)論

(1)通過配對(duì)流域方法研究大興安嶺森林小流域植被干擾對(duì)徑流情勢(shì)的影響。研究發(fā)現(xiàn),大興安嶺森林小流域枯水徑流情勢(shì)對(duì)森林干擾十分敏感,盡管森林干擾面積較小,占流域總面積的6.74%,但是相對(duì)于對(duì)照流域森林干擾后平均枯水徑流流量降低了26.58%,枯水徑流變異性平均值增加了36.77%。

(2)森林植被的干擾一定程度上增加了森林小流域的洪峰徑流流量、歷時(shí)和變異性,但均未達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著水平,說明小面積的森林植被干擾(占流域總面積的6.74%)未能引起該地區(qū)洪峰徑流情勢(shì)的顯著變化。

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The effects of forest disturbance on flow regimes of a small forested watershed in northern Daxing′anling, China

DUAN Liangliang, MAN Xiuling*, YU Zhengxiang, LIU Yujie, ZHU Binbin

CollegeofForestry,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China

The natural flow regimes of rivers have been threatened by climate change and increased human activities, which could consequently affect their heath and integrity. Forest disturbance and climate variability are two of the most critical drivers affecting hydrological processes in forested watersheds. Despite an increased understanding of the relationship between climate change and flow regimes, few investigations have been conducted on how forest disturbance influences flow regimes. Moreover, existing researches have not accounted for the effects of climate variability on flow regimes when assessing the effects of forest disturbance. In the present study, the paired watersheds approach, which can account for temporal and spatial variations of climate, was applied to a typical small forested watershed (<100 km2) in northern Daxing′anling to investigate the effects of forest disturbance on flow regimes. The results showed that low-flow regimes were more sensitive than high-flow regimes to forest disturbance. Even though the area of forest disturbance was only 6.74% of the total watershed area (Laogouhe watershed), the average magnitude (0.47 mm) of low flows was lower by 26.58% and the average variability (0.39) of low flows was higher by 36.77% than those of low flows (0.60 mm and 0.28, respectively) in the control watershed (Xiaobeigou watershed). Besides, the differences in low flow magnitude and variability between the paired watersheds were statistically significant (P<0.01). In contrast, the magnitude, duration, and variability of high flows in the disturbed watershed were greater than those in the control watershed, but no statistical significance was found, suggesting that the small forest disturbance did not significantly affect the flow regimes of high flows in the study region. Based on the results of the flashiness index, the flashiness of flows was significantly increased by forest disturbance. The flashiness index in the disturbed watershed was 0.078 during the whole study period, which is 1.37 times larger than that of the control watershed (0.057). These results indicate that the natural flow regimes of small forested watersheds in northern Daxing′anling are sensitive to forest disturbance. Since small-scale disturbance in the study area can lead to significant changes in flow regimes, more focus should be applied to forest disturbance and water resources in future management.

flow regimes; forest disturbance; low flow; high flow

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31170420)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2572014AA24)

2015- 10- 09;

日期:2016- 07- 13

10.5846/stxb201510092035

*通訊作者Corresponding author.E-mail: mannefu@163.com

段亮亮,滿秀玲,俞正祥,劉玉杰,朱賓賓.森林干擾對(duì)大興安嶺北部森林小流域徑流情勢(shì)的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(5):1421- 1430.

Duan L L, Man X L, Yu Z X, Liu Y J, Zhu B B.The effects of forest disturbance on flow regimes of a small forested watershed in northern Daxing′anling, China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(5):1421- 1430.