崔楊 蔡玉山 劉歡 楊曉晨 段亮亮

(森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué)),哈爾濱,150040)

水是地球生命賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ),其循環(huán)過程、形成特點(diǎn)以及與森林的關(guān)系始終是森林水文研究中備受關(guān)注的問題[1-2]。河流水文情勢指河川徑流表現(xiàn)出多年的、穩(wěn)定的特征規(guī)律,包括流量、時(shí)機(jī)、歷時(shí)、頻率以及變異性[3]。退水是指降水少或無降水時(shí),河川徑流逐漸消退的過程[4]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中,流域水情及退水變化不僅對維持水生生物多樣性至關(guān)重要,還直接影響農(nóng)業(yè)和城市供水,由此可見,穩(wěn)定的水文過程在流域中發(fā)揮著極其重要的作用[3,5]。

氣候變化和森林植被是影響流域產(chǎn)匯流的主要驅(qū)動(dòng)因子[6-7]。例如,Yang et al.[8]在海流圖河流域的研究中發(fā)現(xiàn),64%的徑流量改變?nèi)Q于溫度、降水、耕地面積的綜合變化。然而,排除了氣候的干擾,探究森林對徑流的調(diào)節(jié)主要依賴于森林覆蓋率、森林植被類型等諸多因素的影響[9]。段亮亮[10]通過近配對流域法,探討老溝河流域與未受干擾的小北溝流域之間的徑流變化特征,結(jié)果發(fā)現(xiàn)森林干擾顯著影響枯水徑流情勢,而對洪峰徑流情勢影響不顯著;羅韋慧[11]在大興安嶺3個(gè)典型森林流域中發(fā)現(xiàn),流域徑流深與落葉松所占比例密切相關(guān);Liu et al.[12]在梅江流域的研究中發(fā)現(xiàn),森林采伐能顯著影響洪峰徑流、枯水徑流的水文情勢;Zhang et al.[13]在加拿大Baker Creek流域的研究中得到這樣的結(jié)論,森林干擾顯著增加了洪峰徑流、枯水徑流的流量,提高了變異性,并提前了洪峰徑流發(fā)生時(shí)機(jī)。另一方面,針對流域退水過程,目前有很多成果在基流分割的基礎(chǔ)上,研究地下徑流退水時(shí)間變化特征,通常表現(xiàn)為基流補(bǔ)給多的時(shí)期,退水過程穩(wěn)定,而降雨過后的洪峰徑流退水比較劇烈[14-15]。可見,前人關(guān)于森林干擾對徑流情勢影響的結(jié)論因流域條件不同而有所差異,并且徑流退水空間變化特征的研究較為匱乏。探討徑流情勢的改變和退水過程需要考慮流域內(nèi)多方面的因素,如土壤、植被類型、森林覆蓋率、氣候因素。為了分析森林植被變化對徑流情勢和退水特征的影響,需要排除其他影響因子。準(zhǔn)配對流域法,即選擇了自然條件相似(地形、地質(zhì)、地貌、土壤等)、地理位置相近而森林植被不同的流域,將其作為“對照”及“處理”流域,進(jìn)而分析同一時(shí)期內(nèi)植被變化對流域水文過程的影響,可以有效地剔除氣候、地形地貌對徑流的干擾,為探究森林植被變化對水文情勢和退水的影響提供了可靠依據(jù)[16]。

大興安嶺林區(qū)是我國唯一的寒溫帶明亮針葉林區(qū),該區(qū)域內(nèi)水系發(fā)達(dá),主要源于森林重要的水源涵養(yǎng)功能。然而,冠層截留量、枯落物層持水量、土壤滲透能力以及林木耗水,因林木生長狀況、生物學(xué)及生態(tài)學(xué)特性而有所不同[17-18],所以,森林植被可以顯著影響流域水文過程。前人針對森林覆蓋率與流域徑流關(guān)系進(jìn)行了多項(xiàng)研究[19-20],但針對流域內(nèi)森林結(jié)構(gòu)改變,如樹種組成、蓄積量、郁閉度、齡級等綜合指標(biāo)差異對河川徑流特征影響的研究相對較少。認(rèn)識(shí)和理解森林結(jié)構(gòu)對流域水文過程的影響將為該地區(qū)森林水資源的管理和可持續(xù)利用提供理論支撐。本研究利用準(zhǔn)配對流域法,以大興安嶺北部漠河市北極村的2個(gè)典型森林小流域(老爺嶺流域(面積為21.9 km2)、圣誕村流域(面積為23.9 km2))為研究對象,探討森林結(jié)構(gòu)(森林平均蓄積量、樹種組成、郁閉度、齡級)變化對徑流情勢和退水特征的影響,以此揭示大興安嶺小流域森林結(jié)構(gòu)與水文過程的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省大興安嶺北部地區(qū),地形主要以低山丘陵為主,坡度較緩,海拔277～688 m,全區(qū)地勢主要呈東北-西南方向。其氣候較為獨(dú)特,屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候,冬季寒冷、低溫時(shí)間長;夏季溫暖濕潤,但歷經(jīng)時(shí)間較短;年平均降水量約為460 mm,降雨主要集中在6—8月份。該區(qū)域雖然降雨量不大,但水系發(fā)達(dá)。土壤類型主要為棕色針葉林土,土層厚度在15～40 cm之間,并有永久凍土的存在,其主要呈島狀分布,季節(jié)性凍土在全區(qū)域內(nèi)普遍存在。地帶性植被主要以興安落葉松(Larixgmelinii)為主,同時(shí),還分布一定面積的樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)等喬木林。

2 研究方法

2.1 研究流域的選擇

為了揭示森林結(jié)構(gòu)差異對流域徑流情勢及退水過程的影響,在黑龍江漠河森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站研究區(qū)范圍內(nèi),通過現(xiàn)場勘察和林場林業(yè)二類調(diào)查數(shù)據(jù),選擇了位置相近,地形地貌相似,森林覆蓋率均在90%以上,森林結(jié)構(gòu)存在顯著差異的老爺嶺、圣誕村河小流域(圖1)。林學(xué)中對森林結(jié)構(gòu)的研究主要集中在群落的樹種組成、年齡結(jié)構(gòu)、生物量等方面。因此,利用Arcgis10.5軟件對流域內(nèi)樹種組成、蓄積量等林分結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析,對其森林地形參數(shù)、森林結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行整理(表1),發(fā)現(xiàn)樹種組成、平均單位蓄積量、郁閉度、齡級等森林結(jié)構(gòu)指標(biāo)差異明顯,地形參數(shù)基本相似。為了更加清晰的體現(xiàn)流域內(nèi)森林結(jié)構(gòu)差異,將森林結(jié)構(gòu)各指標(biāo)進(jìn)行歸一化統(tǒng)計(jì)(表2),即各指標(biāo)值在準(zhǔn)配對流域內(nèi)的占比,并將歸一化后的森林結(jié)構(gòu)指標(biāo)總和作為本研究的森林結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)(F,F1代表老爺嶺流域,F2代表圣誕村流域)。森林結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)可以體現(xiàn)森林結(jié)構(gòu)整體差異及森林質(zhì)量,F值越大代表森林結(jié)構(gòu)越好、越穩(wěn)定、森林質(zhì)量更高。森林結(jié)構(gòu)各指標(biāo)及森林結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)從大到小依次為老爺嶺流域(2.45)、圣誕村流域(1.55),即F1>F2,依據(jù)準(zhǔn)配對流域的森林結(jié)構(gòu)差異,揭示其對流域徑流情勢及退水過程的影響。

2.2 數(shù)據(jù)獲取及雙累積曲線法

本研究時(shí)段為2021年4月26日—2021年9月30日,分別在各流域下游,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)(簡稱R1、R2,圖1)監(jiān)測水位,記錄時(shí)間為30 min/次。由于準(zhǔn)配對流域地形相似,且位于同一氣候區(qū),空間異質(zhì)性小,因此,在各流域林外布設(shè)翻斗式雨量計(jì)(Onset HOBO RG3-M)(簡稱P1、P2、P3,圖1)記錄降雨。根據(jù)降雨事件和徑流變化,用旋杯式流速儀在流域預(yù)先選好的斷面上實(shí)測不同水位及流速,計(jì)算通過斷面的瞬時(shí)流量(m3/s),并利用水位自記儀記錄的連續(xù)水位與擬合的各流域水位—流量曲線計(jì)算觀測時(shí)段內(nèi)連續(xù)日徑流量(m3/d),依據(jù)流域面積,將逐日徑流量轉(zhuǎn)換為逐日徑流深(mm)。

雙累積曲線是水文學(xué)研究中常用的一種簡單、直觀的檢驗(yàn)方法[21]。為了排除流域降雨誤差,根據(jù)流域間的累積降雨量做雙累積曲線,若曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)而不符合連續(xù)的正比關(guān)系,可能準(zhǔn)配對流域在觀測時(shí)段的降雨存在明顯差異,從而說明配對流域的選擇不合理。在本研究中依靠該方法,檢驗(yàn)準(zhǔn)配對流域選擇的可靠性。

圖1 研究流域概況及儀器布設(shè)圖

表1 研究流域基本特征

表2 研究流域森林結(jié)構(gòu)指標(biāo)歸一化處理結(jié)果

2.3 研究指標(biāo)的確定

洪峰徑流、枯水徑流是森林水文研究中的兩個(gè)主要水文變量[22],影響著河流生態(tài)系統(tǒng)完整性,對維持河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義。本研究利用流量歷時(shí)曲線(FDC)定義洪峰徑流和枯水徑流。流量歷時(shí)曲線是用來反映流域內(nèi)某一研究時(shí)段流量與流量發(fā)生頻率之間的關(guān)系曲線,在流量歷時(shí)曲線中,洪峰徑流被定義為大于或等于流量歷時(shí)曲線5%頻率的徑流值,而枯水徑流被定義為小于或等于流量歷時(shí)曲線95%頻率的徑流值[13]。

徑流情勢主要包括徑流量、時(shí)機(jī)、歷時(shí)、頻率、變異性[3,13],這些水文要素對維持水體生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)完整性至關(guān)重要[3]。本研究以流量、時(shí)機(jī)、歷時(shí)、變異性這4個(gè)指標(biāo)來研究準(zhǔn)配對流域洪峰、枯水徑流情勢。同時(shí)利用退水分析獲得不同降雨-徑流事件的退水常數(shù)(α)、退水系數(shù)(k),探討森林結(jié)構(gòu)差異對流域退水特征的影響,進(jìn)而揭示其對流域水源涵養(yǎng)功能的影響,具體徑流情勢指標(biāo)定義如下：

(1)流量：指通過某一斷面的徑流大小,本研究主要是用發(fā)生洪峰徑流和枯水徑流時(shí)的逐日徑流深(mm)來表示。

(2)時(shí)機(jī)：發(fā)生特定水文事件的時(shí)間,本研究中特指流域滯時(shí),洪水事件的降雨形心(twc,h)至水文過程線形心的時(shí)間(tqc,h)。

(1)

式中：wi為時(shí)段i的降雨量(mm);ti為時(shí)段i的時(shí)間(h);n為總時(shí)段數(shù)。

(2)

式中：Qi為時(shí)段i的徑流深(mm)。

同時(shí),根據(jù)Barnes[4]對密西西比上游的研究發(fā)現(xiàn),地表徑流、基流等退水過程可用公式(3)和(4)表示。α的大小用來反映退水過程的快慢,α越大,表明退水時(shí)間越長,退水過程越穩(wěn)定,反知,退水過程越劇烈。

Qt=Q0(e-t/k);

綜上所述，本文主要簡單分析新醫(yī)改對醫(yī)院會(huì)計(jì)制度和改革的影響。從文中可以得出，在新的醫(yī)療改革背景之下可以有效的促進(jìn)對醫(yī)院會(huì)計(jì)制度的改革，對醫(yī)院會(huì)計(jì)制度的改善能夠更好的推動(dòng)醫(yī)院各項(xiàng)費(fèi)用的核算，對促進(jìn)醫(yī)院的發(fā)展具有重要的意義。

(3)

式中：Qt、Q0分別為t時(shí)刻和退水開始時(shí)刻的流量;k為指定時(shí)段內(nèi)的退水系數(shù)(d);t為退水時(shí)間(d)。

Qt=Q0(αt);

(4)

式中：α為退水常數(shù),0≤α≤1。

α=e-1/k。

(5)

(3)歷時(shí)：指研究時(shí)段內(nèi)發(fā)生洪峰徑流或枯水徑流的總時(shí)間(洪峰徑流歷時(shí)：大于或等于洪峰徑流閾值的總天數(shù);枯水徑流歷時(shí)：小于或等于枯水徑流閾值的總天數(shù);各流域洪峰徑流和枯水徑流閾值：根據(jù)發(fā)生洪峰徑流和枯水徑流流量的平均值或中位數(shù)確定)。

(4)變異性：引入變異系數(shù),是指洪峰徑流、枯水徑流深分別與年平均徑流深差值的絕對值(mm),與年平均徑流深(mm)的比值,以此反映各流域洪峰徑流和枯水徑流偏離年徑流的程度。

采用Origin 2022和SPSS 26.0軟件進(jìn)行繪圖、數(shù)據(jù)處理與分析,根據(jù)曼-惠特尼U非參數(shù)檢驗(yàn)方法進(jìn)行各指標(biāo)間的差異顯著性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 準(zhǔn)配對流域試驗(yàn)可靠性檢驗(yàn)及降雨量與徑流特征

流域間逐日降雨量雙累積曲線的R2為0.998,且P<0.01(圖2),說明準(zhǔn)配對流域的累積降雨量具有極顯著的線性關(guān)系,排除了研究時(shí)期流域間降雨觀測誤差,準(zhǔn)配對流域的選擇較為合理。

圖2 準(zhǔn)配對流域(老爺嶺、圣誕村)日降雨量雙累積曲線

從圖3可以看出,研究時(shí)段內(nèi)各流域的徑流深變化趨勢一致,均屬于降雨主導(dǎo)型流域。其洪峰期主要集中在5—6月份。老爺嶺、圣誕村流域于6月17日降雨(分別為52.5、54.0 mm)過后,準(zhǔn)配對流域出現(xiàn)了全年最大的峰值徑流(分別為9.74、8.80 mm);在此期間,各流域徑流深波動(dòng)明顯,除了降雨量的影響外,還有前期凍結(jié)的冰與積雪在溫度大于0 ℃后融化而補(bǔ)給給河流。進(jìn)入7月份,雖然降雨頻繁、降雨量增加,但隨著林木生長旺盛以及冠層郁閉度提高,老爺嶺流域日徑流深逐漸趨于平緩,圣誕村流域日徑流深波動(dòng)相對劇烈。

選取各流域5—9月份5次降雨過程相似的降雨事件(表3),探討徑流深與降雨量、降雨強(qiáng)度的關(guān)系。5、6月份,隨著降雨量的增加,流域產(chǎn)流量明顯提高;7月份進(jìn)入林木生長旺盛時(shí)期,即便單次降雨與5月份的降雨量相似,但老爺嶺、圣誕村流域徑流深(1.81、3.35 mm)與5月12日相比均出現(xiàn)顯著的下降。徑流深與降雨強(qiáng)度具有相同的變化趨勢,降雨強(qiáng)度增加,流域的峰值流量提高,而后隨著降雨強(qiáng)度的減弱而降低。各流域均在9月份出現(xiàn)徑流最小值,此時(shí)已經(jīng)進(jìn)入了北方秋季枯水期。在老爺嶺流域,雖然9月10日單次降雨強(qiáng)度有所提高,但徑流深并沒有隨著降雨強(qiáng)度的增加而增加。

3.2 準(zhǔn)配對流域洪峰徑流、枯水徑流流量特征

根據(jù)圖4繪制的流量過程線,老爺嶺流域洪峰徑流量稍高于圣誕村流域;在15%～30%的頻率時(shí),準(zhǔn)配對流域日徑流量十分接近;超過30%頻率后,圣誕村流域徑流量明顯低于老爺嶺流域徑流量;枯水時(shí)期,老爺嶺的流量始終明顯高于圣誕村流域,說明了森林結(jié)構(gòu)變化能顯著改變枯水徑流,而對洪峰徑流影響較為微弱。

進(jìn)一步比較配對流域洪峰徑流和枯水徑流,根據(jù)洪峰徑流深、枯水徑流深(表4)可知,老爺嶺流域平均洪峰徑流深(7.09 mm)高于圣誕村流域(6.53 mm),但流域間的洪峰徑流差異沒有達(dá)到顯著水平;然而,枯水徑流差異明顯,老爺嶺流域(0.98 mm)比圣誕村流域的平均枯水徑流深(0.33 mm)提高了0.65mm,約為圣誕村流域的3倍,并且枯水徑流深的最大值和最小值均表現(xiàn)相同的變化趨勢。根據(jù)曼-惠特尼U非參數(shù)檢驗(yàn)的結(jié)果可知,流域間達(dá)到極顯著差異(P<0.01)。

圖3 研究時(shí)期準(zhǔn)配對流域(老爺嶺、圣誕村)降雨量與徑流深關(guān)系曲線

表3 準(zhǔn)配對流域單次降雨特征及日徑流量

表4 準(zhǔn)配對流域(老爺嶺、圣誕村)的洪峰、枯水徑流深

3.3 準(zhǔn)配對流域洪峰徑流、枯水徑流歷時(shí)特征

以0.5 h為步長計(jì)算各流域的徑流量,根據(jù)洪峰徑流、枯水徑流閾值,統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)配對流域洪峰徑流、枯水徑流的全年歷經(jīng)總時(shí)間(表5)。結(jié)果表明,森林質(zhì)量提高(F1>F2),洪峰徑流歷時(shí)增加,老爺嶺流域洪峰歷時(shí)(70.5 h)比圣誕村流域(65.5 h)高出5 h;然而,枯水徑流歷時(shí)卻減少,表現(xiàn)為老爺嶺流域枯水歷時(shí)(78 h)比圣誕村流域枯水歷時(shí)(82 h)減少4 h。

表5 準(zhǔn)配對流域(老爺嶺、圣誕村)洪峰、枯水徑流歷時(shí)特征

3.4 準(zhǔn)配對流域洪峰徑流、枯水徑流的變異性

由表6可知,隨著森林質(zhì)量的提高,洪峰徑流變異系數(shù)均值分別為2.22、2.51,老爺嶺流域洪峰徑流變異系數(shù)小于圣誕村流域,但流域間的差異沒有達(dá)到顯著水平。然而,老爺嶺流域枯水徑流變異系數(shù)降低(0.55),比圣誕村流域平均枯水徑流變異系數(shù)(0.82)低33%,并且極顯著低于圣誕村流域(P<0.01)。以上結(jié)果說明,枯水徑流變異系數(shù)對森林結(jié)構(gòu)的變化更加敏感,老爺嶺流域枯水徑流相比于全年徑流變化較為穩(wěn)定,而圣誕村流域枯水徑流明顯偏離年均徑流量。

表6 準(zhǔn)配對流域(老爺嶺、圣誕村)的洪峰、枯水徑流變異系數(shù)

3.5 準(zhǔn)配對流域洪峰事件滯時(shí)特征

根據(jù)研究時(shí)段的峰值流量,選取5—7月份主要洪峰過程,進(jìn)行準(zhǔn)配對流域間不同洪峰滯時(shí)的對比(表7)。其中,老爺嶺流域的4次洪峰滯時(shí)均高于圣誕村流域,在5月13日、5月24日、6月18日時(shí),老爺嶺流域0.5 h累積降雨量均高于圣誕村流域,但是其洪峰滯時(shí)分別比圣誕村流域延緩了2.5、1.5、3.5 h;7月28日的0.5 h累積降雨量比圣誕村流域低,其洪峰滯時(shí)比圣誕村流域高0.5 h,流域間的平均滯時(shí)從大到小依次為老爺嶺流域、圣誕村流域,平均滯時(shí)延緩了2.0 h。為了清晰地體現(xiàn)降雨和洪峰間的滯時(shí)效應(yīng),以表7中準(zhǔn)配對流域最大降雨過程(80.2、75.0 mm)為例,利用0.5 h的降雨-洪峰過程計(jì)算降雨形心至洪峰形心的時(shí)間(圖5),老爺嶺流域降雨形心和洪峰徑流形心分別在6月17日06時(shí)、6月18日17時(shí)30分,歷經(jīng)總時(shí)間為35.5 h;而圣誕村流域降雨形心和洪峰徑流形心分別為6月17日05時(shí)30分、6月18日13時(shí)30分,歷經(jīng)總時(shí)間為32.0 h。由此可見,森林質(zhì)量越高的流域,其降雨后的洪峰延滯時(shí)間越長。

3.6 森林結(jié)構(gòu)差異對流域退水特征的影響

為了進(jìn)一步說明配對流域徑流退水快慢,根據(jù)準(zhǔn)配對流域徑流過程線(圖6),選取7次主要洪水衰退過程,利用退水曲線方程計(jì)算退水系數(shù)(k)、退水常數(shù)(α),以退水系數(shù)和退水常數(shù)反映流域退水特征,隨著退水系數(shù)增加,退水常數(shù)變大,退水時(shí)間延長,退水過程越穩(wěn)定,否則,退水過程越快。由表8可知,老爺嶺的退水系數(shù)通常大于圣誕村流域,二者均值分別為16.9、8.5 d;準(zhǔn)配對流域的退水常數(shù)變化范圍分別為0.841 5～0.975 7、0.730 6～0.938 6,均值分別為0.909 4、0.862 6。老爺嶺流域相比圣誕村流域平均退水時(shí)間延緩了8.4 d。以上結(jié)果表明,老爺嶺流域退水過程比圣誕村流域穩(wěn)定,進(jìn)一步證明了森林結(jié)構(gòu)好、森林質(zhì)量高的流域,森林對徑流調(diào)節(jié)能力提高,促使退水過程表現(xiàn)的相對平緩。從季節(jié)性動(dòng)態(tài)上看,退水系數(shù)、退水常數(shù)隨時(shí)間增加呈現(xiàn)增長趨勢,5月初,流域徑流退水過程較快;9月的徑流退水過程更加平緩,退水系數(shù)、退水常數(shù)均達(dá)到最大值,說明以基流為主要來源的時(shí)期(秋季)徑流補(bǔ)給更為穩(wěn)定,退水過程緩慢。

表7 準(zhǔn)配對流域(老爺嶺、圣誕村)間不同洪峰滯時(shí)

圖5 準(zhǔn)配對流域(老爺嶺、圣誕村)洪峰滯時(shí)特征

4 討論

本研究通過準(zhǔn)配對流域的對比發(fā)現(xiàn),森林結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致了枯水徑流情勢顯著變化,老爺嶺流域比圣誕村流域的平均枯水徑流深提高0.65 mm、枯水變異系數(shù)降低33%、枯水歷時(shí)減少4 h,然而洪峰徑流情勢差異卻不顯著。由于森林結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致枯水徑流的顯著改變,也在海流圖河流域的研究中被發(fā)現(xiàn)[8],由于耐旱樹種增加,海流圖河流域枯水流量顯著增加。同時(shí)有研究表明,森林覆蓋率提高,枯水期徑流量增加[23]。段亮亮等[10]對大興安嶺地區(qū)研究發(fā)現(xiàn),森林?jǐn)_動(dòng)后,配對流域洪峰徑流情勢差異不顯著。在歐洲地區(qū)28個(gè)流域的水文調(diào)查中發(fā)現(xiàn),闊葉混交林覆蓋率降低沒有導(dǎo)致峰值流量顯著改變[24]。一方面,森林結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)小的流域,經(jīng)歷植被生長季耗水最旺盛的階段,林木耗水量可能較大[25],從而導(dǎo)致枯水徑流量的降低以及枯水持續(xù)時(shí)間的延長;同時(shí),進(jìn)入枯水期,主要依靠基流補(bǔ)給,由于森林更新演替后樹種組成豐富度不同,導(dǎo)致各流域土壤性質(zhì)及下滲能力改變[26],老爺嶺流域的樹種組成最為豐富,而圣誕村流域樹種組成較為單一,使其土壤的水源涵養(yǎng)能力較樹種組成豐富的流域差,致使土壤下滲和持水能力減弱,造成枯水徑流減少。另一方面,2021年為豐水年(年降雨量均在660 mm以上),期間發(fā)生了多場次強(qiáng)度大的降雨,造成森林對降雨的可調(diào)控作用減弱[27],枯落物層、土壤層可能處于近飽和狀態(tài),導(dǎo)致穿透雨多以地表徑流的方式匯集到流域出口,從而降低森林對降雨的再分配,而且2個(gè)流域洪峰徑流多發(fā)生于5月份,此時(shí)凍土活動(dòng)層可能未完全融化,土壤垂直入滲能力較差,導(dǎo)致降雨后主要以地表徑流的方式產(chǎn)流[28],所以在降雨量基本接近(空間異質(zhì)性較小)的前提下,流域間洪峰徑流情勢差異較小。

圖6 準(zhǔn)配對流域(老爺嶺、圣誕村)洪峰退水過程

表8 準(zhǔn)配對流域(老爺嶺、圣誕村)不同洪峰退水過程的退水系數(shù)、退水常數(shù)

然而,在加拿大Baker Creek流域的研究中發(fā)現(xiàn),森林覆蓋率降低也會(huì)導(dǎo)致枯水徑流量顯著增加、變異系數(shù)減小[13],這主要是因?yàn)樯肿儎?dòng)后土壤擾動(dòng)較小,并且森林覆蓋率降低導(dǎo)致耗水量減少,所以枯水徑流明顯升高。周勇等[29]在遂川縣域的研究發(fā)現(xiàn),隨著森林質(zhì)量指數(shù)的提升,森林也可起到顯著的滯洪作用。在俄勒岡州西部大小流域研究中發(fā)現(xiàn),森林采伐,即森林質(zhì)量降低,致使小流域、大流域的洪峰徑流分別增加50%、100%[30]。由此可知,森林覆蓋率的增加或減少都可能促使枯水徑流和洪峰徑流的改變,這主要取決于森林變動(dòng)后的土壤下滲能力、林木蒸騰耗水量的變化[22]以及降水的影響和下墊面的調(diào)節(jié)能力[31-32]。

雖然近配對流域排除了氣候差異對徑流情勢的影響,但仍然有其他因素的干擾,比如地形地貌差異對產(chǎn)流的影響。一般認(rèn)為,坡度越大,徑流變化越劇烈[33]。本研究中,老爺嶺流域坡度稍大,但是該流域的枯水徑流情勢比坡度小的圣誕村流域更穩(wěn)定,說明,在該流域中森林植被比地形對徑流的調(diào)節(jié)作用更強(qiáng)。

在一段時(shí)期內(nèi)無降水或降水較小時(shí),河川徑流逐漸的消退被稱為流域退水過程,對反映流域內(nèi)水文過程至關(guān)重要[4]。不同場次降雨經(jīng)由流域下墊面的調(diào)蓄作用而形成大小洪峰,洪峰的消退影響著蓄水量的多少。本研究選取準(zhǔn)配對流域7場降雨,探討洪峰-退水過程,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),降雨后快速形成洪峰,并且降雨停止后洪峰徑流迅速消退,以退水常數(shù)體現(xiàn)流域間徑流退水快慢,結(jié)果發(fā)現(xiàn)森林結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)較高的老爺嶺流域退水過程比圣誕村流域穩(wěn)定。前人關(guān)于退水過程的研究,發(fā)現(xiàn)流域退水特征主要取決于多方面因素,如降雨量[34-35]、洪峰大小[36]、下墊面特征[37]。黃欣祺等[38]在韓江流域的研究中發(fā)現(xiàn),土壤地形指數(shù)均值與流域退水系數(shù)呈正相關(guān),即土壤地形指數(shù)均值越大,退水過程越穩(wěn)定;張清杰[39]在小理河流域次洪退水分析中發(fā)現(xiàn),退耕還林實(shí)施以來,下墊面條件改變,次洪退水參數(shù)增大,退水過程更加穩(wěn)定。森林蓄積量、樹種組成、郁閉度、齡級等森林結(jié)構(gòu)指標(biāo)提升的前提下,森林質(zhì)量更高,流域退水過程逐步趨向相對穩(wěn)定的狀態(tài)。一方面,由于森林質(zhì)量高的流域,土壤下滲作用更強(qiáng),降雨過后,產(chǎn)生的快速流減少,而以穩(wěn)定的壤中流等緩慢的補(bǔ)給河流為主[14],所以,致使流域退水歷經(jīng)時(shí)間延長,退水過程穩(wěn)定;5月初,準(zhǔn)配對流域間退水常數(shù)十分接近,在后續(xù)退水中,退水常數(shù)差值逐漸增加,這是因?yàn)?月初,凍土活動(dòng)層未完全融化,土壤接受降雨的入滲能力較差,流域間產(chǎn)流后退水過程基本表現(xiàn)相同的趨勢,同樣證實(shí)了上述推測原因;另一方面,根據(jù)退水曲線方程可知,徑流量(總徑流或基流)的高低也決定退水過程的快慢,森林結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)降低,生長季的峰值流量較高,且處于中齡林的林木生長需水量較多,導(dǎo)致進(jìn)入生長季后,徑流量會(huì)明顯減少,峰值流量距徑流下降至平緩流量的差值增加,致使退水過程劇烈。

5 結(jié)論

通過準(zhǔn)配對流域(老爺嶺、圣誕村)的對比,研究森林結(jié)構(gòu)差異(蓄積量、樹種組成、郁閉度、齡級)對大興安嶺地區(qū)森林小流域徑流情勢的影響。結(jié)果表明,隨著森林結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)的提高,老爺嶺流域全年洪峰歷時(shí)延長5 h,平均洪峰滯時(shí)增加2 h,但是未能引起其他洪峰徑流情勢的顯著變化。

森林結(jié)構(gòu)差異對枯水徑流情勢產(chǎn)生了顯著影響(P<0.05)。隨著森林結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)的增加,森林質(zhì)量提升,枯水徑流持續(xù)時(shí)間減少4 h,枯水徑流深明顯增加,表現(xiàn)為老爺嶺流域比圣誕村流域高0.65 mm,是圣誕村流域徑流深的3倍,平均枯水徑流變異系數(shù)比圣誕村流域降低33%。

老爺嶺、圣誕村流域的退水常數(shù)均值分別為0.909 4、0.862 6,退水系數(shù)分別為16.9、8.5 d,老爺嶺流域平均退水時(shí)間比圣誕村延緩了8.4 d。