龔順清, 陳奇伯,2, 黃新會,2, 楊建光, 黎建強,2, 錢 靖

(1.西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院, 昆明 650224; 2.西南林業(yè)大學(xué) 石漠化研究院,昆明 650224; 3.新平縣林業(yè)和草原局, 云南 新平 653499; 4.新平縣氣象局, 云南 新平 653499)

森林火災(zāi)是破壞森林生態(tài)系統(tǒng)最嚴(yán)重的生態(tài)因子之一，火源難以控制并且具有發(fā)生面廣、突發(fā)性強、破環(huán)性大的特點[1]。計劃燒除與其不同，計劃燒除是受人為控制的、有目的的對林區(qū)進(jìn)行火燒的行為[2]，計劃燒除主要以灌木叢和地面覆蓋的地表火為主，一般不會引起樹冠火[3]。國外研究計劃燒除較早，1907年，F(xiàn).E.Olmosted第一次提出了“計劃火燒”概念[4]，經(jīng)過科學(xué)研究者的研究，計劃燒除已成為有效的森林、生態(tài)管理手段之一，并得到了廣泛應(yīng)用[5]。國內(nèi)對計劃燒除的研究主要集中在計劃燒除對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響領(lǐng)域，研究內(nèi)容主要涉及計劃燒除對森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和更新[6]、群落結(jié)構(gòu)與物種多樣性[7]、微生物及酶活性[8]、土壤[9]、林內(nèi)可燃物等[10]的影響。

計劃燒除致使地被物層被破壞，導(dǎo)致降雨截留作用銳減或消失，并且使土壤結(jié)構(gòu)受損，進(jìn)而加速火燒跡地的水土流失[11]。但目前針對計劃燒除林地土壤侵蝕的相關(guān)研究多集中于土壤穩(wěn)定入滲速率[12]和地被物覆蓋等[13]對水土流失的影響方面，而關(guān)于計劃燒除對徑流泥沙與降雨關(guān)系的影響研究報道較少。劉發(fā)林等[14]人發(fā)現(xiàn)火干擾主要使1—3 cm的土層斥水能力提高，進(jìn)而使林地徑流系數(shù)產(chǎn)生變化。Pierson等[13]人發(fā)現(xiàn)計劃燒除增加了林地坡面流的空間連續(xù)性，降低了植被和地被物對徑流和泥沙的過濾作用，促進(jìn)了坡面流流速和輸沙能力的提高。Hueso等[15]人的研究結(jié)果顯示，經(jīng)過計劃燒除，開始幾個月，由于地表植被及枯落物被燒毀，產(chǎn)生地表徑流的降雨閾值降低，易產(chǎn)生徑流泥沙，而第二年因草本植物和灌木重新生長，徑流泥沙量會迅速減少。Johansen等[16]人得出了植被覆蓋與徑流和泥沙產(chǎn)率呈顯著相關(guān)關(guān)系的研究結(jié)論。

云南松(Pinusyunnanensis)是西南地區(qū)最主要的造林樹種之一，分布在北緯23°—29°、東經(jīng)98°—106°范圍[17]。分布區(qū)自然地理特殊，冬春氣候干暖，少雨，加之云南松及其林下灌叢、草本在休眠期，林下枯枝落葉最容易著火，釀成森林火災(zāi)[3]。玉溪市新平縣為預(yù)防森林火災(zāi)，在云南松人工林連續(xù)實施計劃燒除20余年。本研究通過野外布設(shè)對比徑流小區(qū)，觀測每場降雨計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)的徑流泥沙變化，探索計劃燒除對坡面水土流失的影響，以期為云南松林計劃燒除后森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

云南省玉溪市新平縣位于云南省中部偏西南，屬于我國云貴高原、橫斷山地和青藏高原三大自然地理區(qū)域的結(jié)合部，地處哀牢山中段東麓，典型的高原山地丘陵地貌，地形以山地為主，地勢西北高、東南低，局部氣候受海拔影響，形成河谷高溫區(qū)、半山暖溫區(qū)、高山寒溫區(qū)3個氣候類型。研究區(qū)位于新平縣照壁山，地處北緯102°0′7″—102°0′8″，東經(jīng)24°2′38″—24°2′41″，海拔1 990～2 050 m，土壤主要以紅壤為主，土層厚度約為100 cm。氣候干濕季分明，夏秋季高溫多雨，冬春季干暖少雨，年平均氣溫為15℃。

研究區(qū)云南松林是20世紀(jì)80年代飛播造林形成的，以疏伐和計劃燒除為主要管理方式，林齡約為30 a，2019年的計劃燒除時間為2月12日—2月13日，計劃燒除平均熏黑高度為1.48 m，屬于低強度火燒。計劃燒除與未燒除區(qū)域中間間隔一條防火通道，均位于坡中上部。

1.2 研究方法

1.2.1 坡面徑流小區(qū)布設(shè) 根據(jù)照壁山研究區(qū)的地形，2019年4月在云南松林燒除區(qū)和未燒區(qū)各設(shè)置水平投影面積為2.5 m×10 m的徑流小區(qū)各2個。計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)的徑流小區(qū)的坡向分別為SW28°、SW30°，坡度分別為16°，17°。徑流小區(qū)下方設(shè)置匯流槽及集流池，用于收集每次降雨產(chǎn)生的徑流和泥沙。徑流小區(qū)周圍利用防護(hù)網(wǎng)圍起來，禁止人為擾動。徑流小區(qū)基本情況見表1。

表1 徑流小區(qū)基本情況

1.2.2 降雨、徑流、泥沙測定 降雨觀測：2019年雨季5—10月的降雨采用RG3-自記雨量計自動記錄觀測降雨歷時、降雨量。徑流量測定：坡面產(chǎn)流后，集流池收集地表徑流，測定徑流量。泥沙量測定：每個徑流小區(qū)每次降雨產(chǎn)流后將集流池中的徑流充分?jǐn)嚢杈鶆?，從中取? L重復(fù)水樣3個，用烘干法測定平均泥沙含量，并結(jié)合徑流量計算場降雨產(chǎn)沙量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)的計算處理、圖表繪制及統(tǒng)計分析分別在Microsoft Office Excel 2010和 SPSS 22.0中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征分析

據(jù)新平氣縣氣象局距離研究區(qū)最近的氣象站資料顯示，該地區(qū)近60 a平均降雨量939.79 mm，最低年份614.00 mm，最高年份1 362.00 mm。該地區(qū)干濕季分明，雨季從5月開始至10月結(jié)束，5—10月降雨量占年降雨量的82.65%，見圖1。2019年研究區(qū)全年降雨量568.60 mm，占多年平均降雨量的60.50%，總雨量偏少。2019年的雨季開始時間5月27日，結(jié)束時間10月27日，該雨季共監(jiān)測了51場降雨，降雨量達(dá)419.60 mm，占全年降雨量的73.80%，其中產(chǎn)流降雨28場降雨，降雨量393.20 mm，占雨季降雨量的93.71%。

圖1 降雨特征分布

根據(jù)我國雨量分類系統(tǒng)，將降雨按24 h降雨量劃分為4個等級：小雨<10 mm，中雨10～24.9 mm，大雨25～50 mm，暴雨>50 mm。2019年5—10月產(chǎn)流降雨中小雨、中雨、大雨、暴雨的產(chǎn)流次數(shù)分別為15次、9次、3次和1次，即小雨的降雨次數(shù)最多，其次是中雨。各等級降雨的降雨量分別為80.60 mm，155.80 mm，96.60 mm和60.20 mm，分別占產(chǎn)流降雨量的20.50%，39.62%，24.57%和15.31%。表明研究區(qū)中雨是產(chǎn)流降雨量的主要貢獻(xiàn)者，其次是大雨和小雨。見表2，降雨事件多發(fā)生在7—8月，共發(fā)生降雨29次，其中產(chǎn)流降雨共發(fā)生18次，降雨量為255.40 mm，占產(chǎn)流降雨量的65.00%。7—8月份的產(chǎn)流降雨量比其他月份大，降雨次數(shù)多易形成連續(xù)日降雨，所造成的水土流失也比其他月份多。

表2 2019年5-10月產(chǎn)流降雨月分配

2.2 計劃燒除對坡面徑流泥沙的影響

2.2.1 計劃燒除對徑流的影響 地表植被和枯落物促進(jìn)了雨水滲透和降低地面水流流速，并保護(hù)土壤免受雨滴擊濺的影響。

計劃燒除不僅去除了地表植被和枯落物，使地表土壤失去保護(hù)，而且多年連續(xù)計劃燒除改變了土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)和土壤成分比例，使土壤入滲過程受到了影響，從而影響到徑流的形成過程[18]。將28場產(chǎn)流降雨按降雨量從小到大排列，計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)的產(chǎn)流情況見圖2。

圖2 計劃燒除和未燒除小區(qū)的徑流特征

由圖2可知，計劃燒除小區(qū)每場降雨產(chǎn)生的徑流量都比未燒除小區(qū)的大，最明顯的是，在徑流小區(qū)建造完成后的第一和第二場的產(chǎn)流降雨中(圖2中降雨序號分別為6，13)，計劃燒除小區(qū)的徑流比未燒除小區(qū)高出82倍。整個雨季只有一場暴雨產(chǎn)生，此次降雨計劃燒除小區(qū)的徑流為10.07 mm，未燒除小區(qū)為1.58 mm，計劃燒除小區(qū)徑流比未燒除小區(qū)高出5.37倍。計劃燒除小區(qū)的平均徑流為2.03 mm，變化范圍為0.12～10.07 mm，未燒除小區(qū)的平均徑流為0.35 mm，變化范圍為0.01～1.58 mm，即計劃燒除造成坡面徑流產(chǎn)生增多且變化范圍增大。隨著降雨量的增大，計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)的徑流深總體均呈增加趨勢，計劃燒除小區(qū)的徑流深增幅比未燒區(qū)大，經(jīng)單因素分析，計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)的徑流在0.05水平上呈顯著差異(sig=0.00<0.01)。因此，多年連續(xù)計劃燒除情況下，計劃燒除促進(jìn)坡面徑流產(chǎn)生。

從表3中可以看出，隨著降雨等級的增大，計劃燒除小區(qū)的徑流深分別是未燒除小區(qū)的6.47，5.55，5.18，6.37倍，則體現(xiàn)計劃燒除促進(jìn)地表徑流產(chǎn)生的降雨等級排序為：小雨>暴雨>中雨>大雨。用計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)各降雨等級的徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行配對樣本T檢驗(監(jiān)測期間只有一場暴雨，不進(jìn)行T檢驗)，見表4。經(jīng)T檢驗證實，計劃燒除小區(qū)小雨、中雨與未燒除小區(qū)的徑流量在0.05水平上差異性顯著，而大雨的差異性不顯著。分析表明，小雨、中雨均顯著地促進(jìn)地表徑流產(chǎn)生，但小雨比中雨的差異更顯著，因此小雨比中雨更能體現(xiàn)計劃燒除促進(jìn)地表徑流產(chǎn)生。

表3 各降雨等級下的徑流泥沙流失特征

由圖3可知，計劃燒除小區(qū)的平均徑流系數(shù)是0.137，變化范圍為0.023～0.242，未燒除小區(qū)的平均徑流系數(shù)是0.023，變化范圍為0.003～0.052。計劃燒除小區(qū)與未燒除小區(qū)相比，徑流系數(shù)的相對變化率是未燒除小區(qū)的58.3%。經(jīng)單因素分析，計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)的徑流在0.05水平上呈顯著差異。因此，同等降雨條件下，多年連續(xù)計劃燒除林地顯著增強降雨轉(zhuǎn)化為坡面徑流的能力。

表4 計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)產(chǎn)流的差異顯著性檢驗

圖3 計劃燒除和未燒除小區(qū)的徑流系數(shù)特征

2.2.2 計劃燒除對泥沙的影響 將28場產(chǎn)流降雨按降雨量從小到大排列，計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)的產(chǎn)沙情況見圖4。

計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)的產(chǎn)沙量分別為63.54 t/km2，4.21 t/km2，即計劃燒除小區(qū)的產(chǎn)沙量是未燒除小區(qū)的15.10倍，計劃燒除對產(chǎn)沙量的影響比徑流更明顯。隨降雨量的增大，計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)的產(chǎn)沙量總體均呈增加趨勢，且計劃燒除小區(qū)的增幅遠(yuǎn)大于未燒除小區(qū)。經(jīng)單因素分析，計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)的泥沙產(chǎn)量在0.05水平上呈顯著差異。因此，多年連續(xù)計劃燒除顯著促進(jìn)坡面泥沙產(chǎn)生。

圖4 計劃燒除和未燒除小區(qū)的產(chǎn)沙特征

隨著降雨等級的增大，計劃燒除小區(qū)產(chǎn)生的泥沙量分別是未燒區(qū)的15.39，15.22，13.48，17.13倍，則體現(xiàn)計劃燒除促進(jìn)泥沙流失的降雨等級排序為：暴雨>小雨>大雨>中雨(表3)。用計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)各降雨等級的泥沙數(shù)據(jù)進(jìn)行配對樣本T檢驗(檢測期間只有一場暴雨，不進(jìn)行T檢驗)，見表5。經(jīng)T檢驗證實，計劃燒除小區(qū)小雨、中雨、大雨與未燒除小區(qū)的泥沙產(chǎn)量在0.05水平上差異性顯著。分析表明，經(jīng)過計劃燒除，小雨、中雨、大雨均顯著地促進(jìn)泥沙產(chǎn)生，且小雨比中雨、大雨產(chǎn)生的差異更顯著，因此小雨最能體現(xiàn)計劃燒除促進(jìn)泥沙產(chǎn)生。

表5 計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)產(chǎn)沙的差異顯著性檢驗

2.3 計劃燒除對降雨、徑流、泥沙關(guān)系的影響

2.3.1 徑流和降雨的關(guān)系 坡面徑流的產(chǎn)生與降雨特征密切相關(guān)，降雨特征因子包括降雨量、雨強等。將28場產(chǎn)流降雨的數(shù)據(jù)作為樣本，徑流量分別與降雨量、I15(最大15 min雨強)、I30(最大30 min雨強)、I60(最大60 min雨強)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析，計劃燒除后徑流與降雨特征的相關(guān)性見表6。

由表6可知，計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)的徑流與降雨量均呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.927，0.980；計劃燒除小區(qū)徑流與I15，I30，I60均呈極顯著相關(guān)，其中與I30的相關(guān)系數(shù)最高，相關(guān)系數(shù)為0.580；未燒除小區(qū)徑流與I15呈顯著相關(guān)，與I30，I60呈極顯著相關(guān)，其中與I60的相關(guān)系數(shù)最高，相關(guān)系數(shù)為0.557。因此，計劃燒除并未改變徑流與降雨特征的相關(guān)關(guān)系，徑流主要與降雨量相關(guān)，與各時段雨強的相關(guān)系數(shù)較低。

分析計劃燒除對坡面徑流量的影響，先對計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)的徑流深與降雨量運用多項式、指數(shù)、冪函數(shù)、線性等多種數(shù)學(xué)分析方法進(jìn)行模型擬合，再加入I因子進(jìn)行模型擬合，得到的最優(yōu)模型見表7。

表7 徑流深和降雨特征值的關(guān)系回歸模型

計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)的徑流與降雨量呈多項式關(guān)系最為密切，決定系數(shù)分別為0.864，0.962。未燒除之前，徑流與降雨呈線性關(guān)系最為密切，且決定系數(shù)在0.909以上。經(jīng)過計劃燒除，徑流與降雨呈冪函數(shù)關(guān)系最為密切，且決定系數(shù)在0.883以上。表明增加相同單位的降雨量，計劃燒除小區(qū)的徑流增加量比未燒除小區(qū)的多。

2.3.2 泥沙與降雨、徑流的關(guān)系 坡面產(chǎn)沙量與土壤結(jié)構(gòu)、地形因素、降雨特征、植被覆蓋等因素有關(guān)，經(jīng)過計劃燒除，土壤斥水能力提高[14]，植被及枯落物持水性能減弱，則相同地形、降雨條件下，計劃燒除會改變泥沙與降雨的關(guān)系。坡面產(chǎn)沙量與降雨特征密切相關(guān)，計劃燒除與未燒除小區(qū)的坡面產(chǎn)沙量與降雨特征因子(H，I15，I30和I60)，徑流(W)的相關(guān)性見表8。計劃燒除與未燒除小區(qū)的坡面產(chǎn)沙量與H，I15，I30和I60均在0.01水平上顯著相關(guān)，且與H，W相關(guān)性好。

分析計劃燒除對坡面產(chǎn)沙量的影響，對計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)的產(chǎn)沙量與H、時段雨強和徑流分別運用多項式、指數(shù)、冪函數(shù)、線性等多種數(shù)學(xué)分析方法進(jìn)行模型擬合，得出計劃燒除與未燒除小區(qū)的數(shù)學(xué)最優(yōu)模型，根據(jù)實測資料，計劃燒除小區(qū)、未燒除小區(qū)的產(chǎn)沙量與降雨量、雨強的回歸方程及決定系數(shù)見表9。

表8 產(chǎn)沙與降雨的相關(guān)性分析

表9 泥沙量和降雨特征值的關(guān)系回歸模型

由表9可知，泥沙與降雨量呈線性關(guān)系，決定系數(shù)在0.911以上。泥沙與降雨量、時段雨強呈冪函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)在0.943以上。泥沙與降雨量、雨強、徑流呈冪函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)在0.968以上。分析表明，計劃燒除不會改變泥沙與降雨、徑流的關(guān)系?？梢姸嗄赀B續(xù)計劃燒除改變了林地水文特征，導(dǎo)致徑流挾帶泥沙的能力增強，才使計劃燒除小區(qū)的徑流泥沙比未燒除小區(qū)多。

3 討 論

3.1 計劃燒除對坡面徑流泥沙的影響

地表覆蓋的數(shù)量是對入滲、徑流和侵蝕的重要控制。本研究發(fā)現(xiàn)，小雨與中雨、大雨相比，小雨是最能凸顯計劃燒除促進(jìn)坡面徑流泥沙產(chǎn)生。這是因為在未燒除林地，地表覆蓋通過降雨攔截、增加土壤有機質(zhì)和促進(jìn)生物活性來保持高孔隙度、防止土壤封閉和增加表面粗糙度等機制增加了入滲，減少了徑流，減少了侵蝕[19]，導(dǎo)致未燒除林地下小雨時產(chǎn)流量極少，反之計劃燒除林地缺乏這些機制而極易發(fā)生水土流失。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過計劃燒除，徑流泥沙量與土壤裸露面積呈正相關(guān)[16]。本研究中，計劃燒除前枯落物有2.24 t/km2，計劃燒除清除了灌木和草本，林下只有剩余燃燒物0.05 t/km2(表1)，由于地表裸露造成計劃燒除林地的徑流泥沙量比未燒除林地多，這與以往研究結(jié)果一致，計劃燒除促進(jìn)坡面徑流泥沙產(chǎn)生[20]。這是因為計劃燒除燃燒灌木叢及地表植被，通過降低地表覆蓋、土壤滲透性及抗蝕性來促進(jìn)坡面徑流泥沙產(chǎn)生。首先，計劃燒除降低了地表植被及枯落物的水土保持功能；再者，火燒使土壤溫度升高造成水穩(wěn)性團粒含量降低，容重增加，土壤分散率和侵蝕率增大，土壤抗蝕性下降[21]；其次，計劃燒除提高了土壤斥水能力，導(dǎo)致林地土壤穩(wěn)定入滲速率下降[22]?？梢娬{(diào)節(jié)林下植被及枯落物、維持土壤良好結(jié)構(gòu)對減少坡面水土流失具有重要意義。

本研究雨季計劃燒除林地產(chǎn)沙量為63.54 t/km2，可推測侵蝕模數(shù)遠(yuǎn)小于國家規(guī)定的200 t/(km2·a)的最低允許流失量標(biāo)準(zhǔn)，何況水土流失還與坡度有關(guān)，在低坡度地區(qū)無論火燒強度如何，其對水土流失的影響不顯著[23]。因此，在低坡度林地實施計劃燒除引起的水土流失是能被接受的，并且計劃燒除能減少林內(nèi)可燃物，預(yù)防森林火災(zāi)的發(fā)生，但實施計劃燒除的周期還有待研究。

3.2 計劃燒除對水沙關(guān)系的影響

降雨是坡地發(fā)生水土流失的主要驅(qū)動因子，泥沙在降雨轉(zhuǎn)化的徑流作用下發(fā)生剝離、搬運和沉積作用，發(fā)生水土流失[24]。本研究中，計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)的徑流深、泥沙量分別與降雨量、各時段雨強均呈顯著正相關(guān)，其中徑流深與各時段雨強呈現(xiàn)較弱的相關(guān)性，與降雨量的相關(guān)性最高，這與李宗勛等[25]人的研究結(jié)果一致。這可能是因為自然降雨雨強不穩(wěn)定所致。有研究表明，自然降雨事件的雨強多變，無法反映降雨過程的集中程度，因而反映雨強對坡面產(chǎn)流量的影響方面具有一定限制性[26]。

林分、地形、坡度、地被層等因子對坡面徑流泥沙的產(chǎn)生有著重要影響。田波等[27]研究金沙江干熱河谷不同處理坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律發(fā)現(xiàn)，徑流與降雨、產(chǎn)沙與降雨均呈冪函數(shù)關(guān)系，并且馬鈴薯地、玉米地、裸地徑流深與降雨也均呈較好的冪函數(shù)關(guān)系，泥沙流失量也表現(xiàn)出相似趨勢[28]，與本文計劃燒除小區(qū)的研究結(jié)果一致。說明計劃燒除作為影響森林的重要生態(tài)因子，對林地坡面徑流泥沙的產(chǎn)生與其他處理方式具有相似性。而未燒除小區(qū)的徑流與降雨呈多項式關(guān)系，也是因為各個生態(tài)因子不同于金沙江干熱河谷所致。

4 結(jié) 論

(1) 2019年研究區(qū)降雨量為568.6 mm，僅為多年平均降雨量939.79 mm的60.5%，降雨主要集中雨季5—10月，雨季降雨量占年降雨總量的73.8%。雨季降雨51場次，其中產(chǎn)流降雨28場，占雨季降雨總量的93.7%。

(2) 多年連續(xù)計劃燒除增強了降雨轉(zhuǎn)化為林地坡面徑流的能力，且小雨最能凸顯計劃燒除顯著促進(jìn)林地坡面徑流泥沙產(chǎn)生。

(3) 計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)的徑流主要與降雨量顯著相關(guān)，計劃燒除小區(qū)的徑流與降雨呈冪函數(shù)關(guān)系，未燒除小區(qū)的徑流與降雨呈多項式關(guān)系。

(4) 計劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)的泥沙均主要與降雨量、徑流量顯著相關(guān)，且泥沙與降雨、徑流的關(guān)系均呈冪函數(shù)形式。