譚秋，邱治軍，周光益*，趙厚本，李兆佳，龔粵寧，楊昌騰

1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520；2. 廣東南嶺國家級自然保護區(qū)管理局，廣東 韶關(guān) 512727

氣候變化和森林干擾是森林流域徑流改變的兩大驅(qū)動因素（Zhang et al.，2014；Langhamme et al.，2015）。全球氣候變化和森林干擾對生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)功能的影響研究，一直以來是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點（余新曉等，2004；Wood et al.，2011）；氣候變化主要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（Arnell，1999；Zhou et al.，2014）；森林干擾則通過改變林冠截留、土壤水文滲透以及蒸散發(fā)直接影響流域徑流情勢（Bruijnzeel，2004）。在森林干擾的諸多事件里，采伐方式對跡地徑流的影響最為顯著（Heikurainen，1970；Zare et al.，2016；Abari et al.，2017）。疏伐對總徑流量影響較小，皆伐可以較大程度地增加年徑流量（劉世榮等，2001）。自然災(zāi)害對森林水文也存在巨大影響，火災(zāi)引起的森林覆蓋度降低可以導(dǎo)致河川徑流量增加（石培禮等，2001）。臺風(fēng)暴雨在區(qū)域森林集水區(qū)徑流增加起著主導(dǎo)作用（周光益等，1994；陳步峰等，1998）。由于自然地理、氣候和植被條件的空間異質(zhì)性，森林對降水截持、水分循環(huán)、徑流和洪峰調(diào)節(jié)功能的影響規(guī)律十分復(fù)雜（劉世榮等，1996）。

林區(qū)道路的建設(shè)是林業(yè)基本建設(shè)的一項重要內(nèi)容，也是開展林區(qū)經(jīng)營活動的基本條件，但修建公路過程中的高挖深填，不可避免地對森林流域徑流變化產(chǎn)生影響（Damania et al.，2018）。研究指出采伐集材道路對森林的長期性人為干擾異于自然災(zāi)害對森林的短期干擾（Kleinschroth et al.，2017），說明修建林區(qū)公路這一干擾方式對森林影響更為嚴重和深遠。目前針對公路影響研究，已開展了公路修建對景觀（Lugo et al.，2000）、植被和植物多樣性（Watkins et al.，2003；況亮等，2010；李月輝等，2010；Deljouei et al.，2018）、林木損傷和環(huán)境（Caliskan，2013）、排水方式和土壤水分（Tague et al.，2001）、土壤理化性質(zhì)（Olander et al.，1998；Deljouei et al.，2018）、暴雨徑流（Woldie et al.，2009）、泥沙沉積和水質(zhì)（Lane et al.，2002）等的影響及模擬研究（Lane et al.，2002；Arnaez et al.，2004；Soulis et al.，2015）。然而，道路干擾對集水區(qū)水文影響研究與火災(zāi)、干旱等自然干擾及采伐等人為干擾對流域水文影響研究相比，仍然是薄弱研究領(lǐng)域，尤其缺乏長時間序列的連續(xù)監(jiān)測與對比，在道路對集水區(qū)年徑流組分分配規(guī)律、道路影響快速徑流的過程與機理等方面還不清楚，相關(guān)報道也缺乏。本研究采用成對集水區(qū)比較方法，同步對南嶺國家森林公園內(nèi)的新公路實驗集水區(qū)和老蓬頂對照集水區(qū)的降雨和徑流進行了連續(xù)監(jiān)測，通過對大于1 mm的次降雨（老蓬頂164場、新公路167場）的雨量-徑流關(guān)系、月徑流組分分配動態(tài)等進行分析，闡述影響快速徑流的主導(dǎo)因子及其在兩集水區(qū)中的表現(xiàn)差異，揭示公路修建對森林集水區(qū)徑流調(diào)節(jié)功能的影響，旨在探明林區(qū)公路干擾下的森林水文響應(yīng)，為科學(xué)評估公路干擾的后續(xù)影響和流域水資源管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

老 蓬 頂 集 水 區(qū) （ 24°56′00″-24°56′30″N ，113°00′45″-113°1′15″E ） 和 新 公 路 集 水 區(qū)（24°54′41″-24°55′06″N，113°00′15″-113°00′52″E）均位于廣東南嶺國家森林公園內(nèi)，地處南亞熱帶和中亞熱帶交界處。氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，光照充足，雨量充沛，年積溫為 6386.5 ℃，全年無霜期約300 d，年均氣溫18.1-19.9 ℃，最冷月1月的平均氣溫為7.7-9.6 ℃，最熱月7月的平均氣溫為26.2-28.6 ℃，年均降雨為1881 mm，雨季為3-8月，旱季為9月至翌年2月。兩個集水區(qū)之間隔開兩側(cè)的山溝及山坡，兩集水區(qū)直線距離為1.5 km；新公路集水區(qū)的水系由西北和北方向東南和南方向延伸，老蓬頂集水區(qū)水系由東北向西南延伸（圖1紅線）；兩個集水區(qū)均為兩坡夾一溝的“V”形集水區(qū)，溝底線落差平緩。兩個集水區(qū)基本特征信息見表1，形狀特征以及氣象和水文監(jiān)測設(shè)施如圖1。兩個集水區(qū)的氣候、地形、土壤、植被類型以及含水層地質(zhì)等各要素基本一致，可認為林區(qū)公路修建的干擾是兩個集水區(qū)之間的唯一差異。

表1 對比集水區(qū)特征Table 1 Characteristics of the paired catchments

圖1 對比集水區(qū)形狀特征及雨量和徑流監(jiān)測點Fig. 1 Shape characteristics and monitoring points of rainfall and streamflow in the paired catchments

從南嶺國家森林公園門口通往石坑崆的林區(qū)旅游公路，不規(guī)則穿過本研究的新公路集水區(qū)，林區(qū)水泥公路建設(shè)始于2010年10月，平均路基寬5.5 m，集水區(qū)內(nèi)公路的長度為1.6 km。公路修建對沿線森林結(jié)構(gòu)造成破壞，碎石傾倒在林區(qū)形成破壞力極強的溝壑，最長可達130 m，公路、侵蝕溝壑及其受損面積占整個集水區(qū)面積 1/4（根據(jù)航拍數(shù)據(jù)估算）。新公路實驗集水區(qū)測流堰修建于2017年，作為對照的老蓬頂集水區(qū)測流堰建于 2010年，是未受到公路干擾的自然集水區(qū)。

1.2 監(jiān)測方法

新公路集水區(qū)和老蓬頂集水區(qū)測流設(shè)施分別是無側(cè)收矩形薄壁堰和圓緣矩形寬頂堰，采用OTT thalimedes自記水位計（產(chǎn)地：德國）對測流堰水位分別進行連續(xù)測定，間隔為1 min，儀器對每15分鐘數(shù)據(jù)取平均值并存儲。在每個集水區(qū)所在的空曠處各設(shè)置2個DAVIS 7852雨量計（產(chǎn)地：美國；分辨率：0.2 mm），對大氣降雨進行連續(xù)定位監(jiān)測。

1.3 計算與分析方法

按次降雨（降雨間隔超過 2 h）對降雨數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，指標包括降雨量（P）、降雨歷時（PD）、前7天降雨量（AP7）、最大30 min雨強（I30），最大60 min降雨強（I60）、平均降雨強度（AHRD）。無側(cè)收矩形薄壁堰和圓緣矩形寬頂堰計算流量公式詳見《中華人民共和國水利行業(yè)標準堰槽測流規(guī)范（SL24-91）》（水利部水文司，1992）。同時，根據(jù)次降雨-徑流過程曲線采用斜割法（左海鳳等，2007）計算快速徑流（QF）和基流（BF），水文響應(yīng)值（HR）是快速徑流與降雨量的比值（QF/P）。數(shù)據(jù)的處理、相關(guān)分析和圖表制作通過 SPSS21.0和Microsoft Excel 2007完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響集水區(qū)快速徑流的主導(dǎo)因素

根據(jù)氣象學(xué)降雨等級劃定標準，降雨量 P＜10 mm為小雨（Light rain），10 mm≤P＜25 mm為中雨（Moderate rain），25 mm≤P＜50 mm 為大雨（Heavy rain），50 mm≤P＜100 mm 為暴雨（storm），P≥100 mm為特大暴雨（Heavy storm）。研究期間（2017年8月1日-2018年7月31日），在老蓬頂對照集水區(qū)（W1）和新公路實驗集水區(qū)（W2）分別監(jiān)測到309場和295場降雨（表2），兩地的降雨特征基本相同，兩地都表現(xiàn)出中雨和大雨合計的雨量在年降雨量中占有最大比例（41.5%和46.37%）。

為了分析公路對集水區(qū)徑流的影響，必須先了解所研究的集水區(qū)產(chǎn)生快速徑流主導(dǎo)因素。實際上影響快速徑流的因子很復(fù)雜，集雨面積、集水區(qū)形狀、坡度、地形地勢和海拔、巖石類型、土壤類型及其性質(zhì)、植被類型及其覆蓋度、氣候條件（尤其降雨特性）等都對徑流和快速徑流產(chǎn)生影響，而就本研究的2個集水區(qū)而言，它們的以上因子基本相同（表1、表2及圖1），唯一不同的是公路的干擾。不同場次降雨過程所產(chǎn)生的快速徑流存在較大差異，為此，基于79場（W1）和87場（W2）P≥5 mm的次降雨及其徑流的監(jiān)測、每次降雨-徑流的基流分割和快速徑流計算，將兩集水區(qū)各次降雨過程中產(chǎn)生的快速徑流與 P、PD、AP7、I30、I60、AHRD、Fi各指標進行相關(guān)分析。結(jié)果顯示：兩個集水區(qū)的快速徑流都與 P（r2＞0.925，P＜0.01）、PD（r2＞0.563，P＜0.01）呈極顯著相關(guān)；此外W1的快速徑流還與I60（r2=0.394，P＜0.01）呈極顯著相關(guān)，與 I30（r2=0.276，P＜0.05）顯著相關(guān)，而W2的快速徑流與I30和I60沒有統(tǒng)計學(xué)意義的相關(guān)關(guān)系，但與AP7呈顯著相關(guān)（r2=0.292，P＜0.05）（表3）。以上結(jié)果表明，林區(qū)公路修建的水泥硬化路面以及修路過程造成的侵蝕溝壑使森林集水區(qū)更容易產(chǎn)生快速徑流，造成這一現(xiàn)象的原因可能與公路及排水溝使集水區(qū)水分運動路徑改變有關(guān)。

表2 研究期間兩集水區(qū)內(nèi)觀測到的單次降雨事件及其快速徑流Table 2 Observed rainfall and its quickflow for single events in the paired catchments during the research period

2. 2 公路對次降雨快速徑流量的影響

由表2可知，隨著降雨量級的增大，W1的QF呈明顯增加趨勢，1-3、3-5、5-10、10-25、25-50、50-100、＞100 mm 降雨量級的平均 QF值分別達到 0.01、0.04、0.15、0.58、1.88、3.56、29.73 mm，對應(yīng)的水文響應(yīng)值HR分別達到0.56%、1.02%、1.95%、3.88%、5.50%、5.53%、15.47%；W2與對照W1的QF值有相同的趨勢，各雨量級的QF值分別達到0.04、0.12、0.30、1.25、4.17、8.84、48.80 mm，HR分別達到2.29%、3.11%、4.09%、8.51%、12.41%、14.06%、36.28%；數(shù)據(jù)顯示兩集水區(qū)的HR都表現(xiàn)出隨P增加而呈指數(shù)增加趨勢，且W2的HR值是對照W1的2.10-4.13倍，說明公路對次降雨的QF影響特別大，也說明集水區(qū)出現(xiàn)QF（以0.04 mm為例）的最小雨量出現(xiàn)差異，W2只要有1 mm降雨就能出現(xiàn)QF，而在W1則是3 mm以上的降雨才能產(chǎn)生QF。從次降雨的P與QF關(guān)系比較可知（圖2）：公路顯著增加了各類型次降雨的QF值，小雨時兩集水區(qū)的P與QF關(guān)系不緊密（圖2a和圖2b），說明小雨情況下影響兩集水區(qū)快速徑流產(chǎn)生是降雨量、前期降雨量、降雨強度以及前期流量等各因素的復(fù)合作用下的結(jié)果，哪些因子處于主導(dǎo)作用還需要進一步的深入研究；在中雨、大雨和暴雨情況下P和QF呈顯著的線性關(guān)系（圖2c，圖2d，圖2e）；而將所有觀測到的次降雨的P與QF建立關(guān)系時（圖 2f），發(fā)現(xiàn)P與QF存在顯著的非線性關(guān)系。

2.3 公路對徑流過程的影響

表 2顯示該地全年的降雨量以中雨和大雨所占比例最大，因此選取降水特征（降雨量、雨強、歷時等）在兩集水區(qū)表現(xiàn)基本一致的2場典型降雨（1次短歷時高雨強的中雨和 1次長歷時小雨強的大雨）來對比分析公路對徑流過程的影響（圖3）。由圖可知，當(dāng)降雨強度大、歷時短時，降雨-徑流過程呈單峰型過程曲線（圖3a），而且洪峰滯后雨峰的時間短（或同步）；但其他多數(shù)降雨過程是多峰型徑流曲線（圖3b）。圖3顯示徑流變化趨勢與降雨量變化趨勢一致，圖3b顯示在降雨開始后的第13小時，對照集水區(qū)W1的雨強就開始比W2的雨強大，一直至降雨結(jié)束，但是W1的徑流量一直低于W2，說明未受干擾的森林集水區(qū)相比受公路干擾的集水區(qū)，具有較強的洪水調(diào)節(jié)能力。圖3a所示為2018年4月22日降雨，W1的P、QF和最大洪峰流量（Qmax）分別為17.9 mm、0.834 mm和 4.64 L·km-2·s-1，而 W2 的 P、QF 和 Qmax分別為15.6 mm、2.358 mm 和 9.15 L·km-2·s-1；圖 3b 所示為2018年4月30日降雨，W1的P、QF和Qmax分別為 43.8 mm、1.048 mm 和 0.98 L·km-2·s-1，而W2的P、QF和Qmax分別為44.5 mm、3.818 mm和2.75 L·km-2·s-1，且W1在這次小雨強降水過程中洪峰流量滯后雨峰540 min，而W2的滯后現(xiàn)象不明顯。

另外，本研究在監(jiān)測到的降雨事件中選取6場降雨，包含暴雨、大雨、中雨、小雨4種類型，統(tǒng)計分析其徑流過程的相關(guān)特征（表4）。綜合這6次典型降雨，在降雨特征基本一致前提下W2產(chǎn)流量比 W1增加了 48.0%-70.6%，W2的徑流系數(shù)是W1的3.17倍，水文響應(yīng)值平均增加了10.29%，與表1統(tǒng)計結(jié)果相似?？傮w上，W2洪峰滯后雨峰的時間短于對照 W1，且洪峰流量也大，說明公路對集水區(qū)徑流過程、洪峰流量及洪峰滯后雨峰時間都有顯著影響。

表3 新公路和老蓬頂集水區(qū)快速徑流與有關(guān)因子的相關(guān)性分析Table 3 Correlational analyses between quickflow and relevant indicators in both cachments

2.4 公路修建對年徑流的影響

監(jiān)測結(jié)果顯示，研究期間 W2年降雨量比 W1少127.4 mm，分別為1862.3 mm和1989.7 mm，而年徑流量反而比W2多28.83 mm，分別為911.57 mm和882.75 mm，年徑流系數(shù)分別為0.4895和0.4437，公路干擾使得W2的年徑流系數(shù)值增加了0.0458，即相對增加了10.32%。由圖4可知，6月和1月水文響應(yīng)HR較大，10-12月較小，年平均值分別為4.32%（W1）和12.60%（W2），修建公路使森林集水區(qū)的HR值增加到近3倍；HR的變化趨勢與月降雨量一致，而且一年中各月的HR值都是W2大于 W1。如前所述，公路修建能顯著提高森林集水區(qū)的QF和HR，從而影響了年徑流組分分配，監(jiān)測結(jié)果也證實了這點（圖 3）?；髡伎倧搅鞯谋嚷剩˙F/R）呈現(xiàn)出與HR相反的規(guī)律，一年中各月的BF/R比值始終都是W2小于W1，而且BF/R值在雨量最大的6月最小。這說明了林區(qū)公路的修建使不透水面積增加、受損林地的土壤滲透性減弱、水分運動路徑改變（公路、排水溝及公路修建中人為造成的侵蝕沖溝等作用），從而阻礙了坡面徑流對森林土壤水分的供應(yīng)，進而影響了基流的補給，導(dǎo)致集水區(qū)基流量減少。研究期間，公路干擾集水區(qū)W2的年總基流量為676.84 mm，比對照集水區(qū)W1（762.36 mm）減少了85.52 mm，基流占總徑流的比例（BF/R）在 W2平均為 74.25%，比對照 W1（86.36%）減少了12.11%。

圖3 典型降雨的降雨-徑流過程線Fig. 3 Hydrographs and hyetographs for typical rain events

表4 典型降雨過程中成對集水區(qū)的徑流特征Table 4 Runoff characteristics of the paired catchments for typical rain events

圖4 水文響應(yīng)值和基流占總徑流比率的月變化Fig. 4 Monthly dynamics of hydrological response and ratio of baseflow to total runoff

3 討論

公路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的影響涉及了全球陸地面積的15%-20%，尤其林區(qū)道路和森林的和諧發(fā)展是我國經(jīng)濟與生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的重要內(nèi)容，修建公路造成森林擾動是影響森林流域侵蝕沉積過程自然動力學(xué)的重要現(xiàn)象，公路建設(shè)過程中土地利用、土地覆蓋、森林覆蓋和河流改道等要素的變化，對徑流的動力學(xué)改變十分顯著（Lugo et al.，2000；鄭海峰等，2005；Buttle et al.，2009；涂美珍等，2016）。本研究指出，在公路干擾的集水區(qū) W2，不同雨量級的次降雨產(chǎn)生的總QF值是對照集水區(qū)W1的1.64-3.69倍（表2、表4），W2的年QF值是W1的1.95倍，公路集水區(qū)W2的水文響應(yīng)年平均值（12.60%）是對照集水區(qū) W1（4.32%）的 2.92倍；而且公路修建導(dǎo)致在相同（似）降水條件下W2的洪峰流量遠大于W1（圖3，表4）。該結(jié)果與Soulis et al.（2015）的研究完全一致，即林區(qū)道路對集水區(qū)水文影響是明顯增加了快速徑流深和洪峰流量（Soulis et al.，2015），但與Woldie et al.（2009）的結(jié)果只部分相同，其差異是Woldie et al.（2009）認為在非常濕潤的前期土壤水分條件前提下，有道路和沒有道路的兩集水區(qū)產(chǎn)生等量的徑流；造成研究結(jié)果差異的根本原因是Woldie et al.（2009）研究區(qū)的森林道路為行走小徑，其路面最寬路寬為3 m，其道路走向沿著水系方向較為規(guī)則，道路沿線路段沒有被破壞的長溝壑，與本研究區(qū)內(nèi)的林區(qū)公路有所差異。

本研究還指出兩個集水區(qū)的QF都與降雨量、降雨歷時呈極顯著相關(guān)，與其他研究結(jié)果相同（Ran et al.，2012；王金葉等，2013；Nadal-Romero et al.，2016）；林地只有在高強度降雨條件下出現(xiàn)超滲產(chǎn)流或蓄滿產(chǎn)流時才能產(chǎn)生更多的 QF，對照集水區(qū)W1的QF與I60和I30顯著相關(guān)，該結(jié)果也支持前人的結(jié)論（Maalim et al.，2013）。而新公路集水區(qū)W2的QF與I30和I60沒有相關(guān)性，但與AP7呈顯著相關(guān)（表3）。因為水泥路面不透水，相同雨量時無論是小雨強還是高雨強，一樣能產(chǎn)生等量的地面徑流，而且在公路的切割坡面和側(cè)面填充坡面的地表徑流系數(shù)也分別達到0.58和0.34（Arnaez et al.，2004），同時公路邊坡切面截留了壤中流使之流入路面或路邊的溝渠形成漫流（Croke et al.，2001），然后直接進入河道成為快速徑流，這樣就使得 W2中的雨強對QF作用的的貢獻率大大降低了。修建公路時，有大量的土石方流入公路下游的林地，對林地土壤造成一定的壓緊作用從而減少土壤的水分滲透性能，增加產(chǎn)生快速徑流的幾率，更嚴重的是在公路180度大彎道區(qū)域，開挖出的土石方集中流入同一個坡面，對森林及森林土壤產(chǎn)生更嚴重的破壞，甚至出現(xiàn)裸地和嚴重的侵蝕沖溝（本研究的W2集水區(qū)內(nèi)有4處），這些沖溝與道路邊的排水溝一起構(gòu)建了新的“河網(wǎng)”從而提高了集水區(qū)河網(wǎng)密度（Buchanan et al.，2013），對QF的增加、快速徑流退水過程線的消長產(chǎn)生重大影響（Post et al.，1996）。因此水泥公路修建后改變了降雨對QF的影響規(guī)律，使公路集水區(qū)內(nèi)雨強對QF的貢獻率明顯下降。

本研究區(qū)為雨水補給型森林集水區(qū)，該地為亞熱帶季風(fēng)區(qū)，雨量充沛，作為對照集水區(qū)W1的土壤經(jīng)常保持一定的含水量，AP7反映的是集水區(qū)前期土壤水分狀況（Woldie et al.，2009；王小明等，2010，王金葉等，2013），但 W2集水區(qū)在林區(qū)公路修建后，靠近山邊的排水溝把道路上游坡面流下來的坡面地表徑流匯集至一起并集中引入集水區(qū)的主溝或支溝，改變了水分運動路徑，公路路基阻礙坡面徑流向下游坡面流動，從而造成公路路基以下坡面（這部分面積在W2有22.72 hm2，占集水區(qū)總面積的40.57%）的土壤水分長期得不到補充，土壤蓄水量比對照集水區(qū)低且波動性大，Tague et al.（2001）研究結(jié)果也支持本研究觀點。他們認為道路建設(shè)可以顯著減少道路下坡的土壤水分以及當(dāng)?shù)氐恼舭l(fā)散量，而前期土壤含水量差異對QF影響顯著，Woldie et al.（2009）認為有道路的集水區(qū)水文響應(yīng)高度依賴于前期土壤水分條件和總暴雨降水量，以上原因造成了公路集水區(qū)產(chǎn)生快速徑流的主導(dǎo)因素改變，使得AP7成為新公路集水區(qū)快速徑流產(chǎn)生的重要因子。

雖然本研究得出林區(qū)道路導(dǎo)致集水區(qū)快速徑流和洪峰流量增加、年總基流量減少的結(jié)論，但有林區(qū)公路存在的集水區(qū)是由不同梯度的環(huán)境要素組成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，連接徑流通道的匯和源的少許改變就會對水分和沉積物運動有影響（Lugo et al.，2000），而且公路在時間和空間上對集水區(qū)排水效率的持續(xù)性影響很復(fù)雜（Tague et al.，2001），因此有關(guān)林區(qū)道路對徑流的影響及其機制仍需長期定位監(jiān)測和更深入研究。

4 結(jié)論

與未受林區(qū)道路建設(shè)干擾的集水區(qū)相比，新公路集水區(qū)中公路修建使得集水區(qū)各降雨等級事件中快速徑流和洪峰流量顯著增加，降雨過程中洪峰流量到達的時間縮短；集水區(qū)基流補給減少，基流在徑流組分中比例顯著降低。今后林區(qū)公路建設(shè)和路線設(shè)計應(yīng)著重考慮森林水文生態(tài)效益，未來公路建設(shè)可考慮用透水路基代替硬質(zhì)化水泥路面，其次要加強林區(qū)公路修建后邊坡復(fù)綠和疏水等工程的建設(shè)。