云南松林計(jì)劃燒除對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

翟雅男，陳奇伯，2?，黎建強(qiáng)，2，楊建光，錢(qián) 靖

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

計(jì)劃燒除利用低強(qiáng)度火燒的有利方面，在規(guī)定林區(qū)內(nèi)燒除過(guò)多可燃物，是改善森林生長(zhǎng)條件的一項(xiàng)重要林業(yè)措施[1]。低強(qiáng)度火燒，可減少有害可燃物載量，促進(jìn)凋落物的分解轉(zhuǎn)化，增加土壤養(yǎng)分，改善植物生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)空間，防治病蟲(chóng)害，促進(jìn)林木更新和成長(zhǎng)、保護(hù)森林資源，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)平衡有促進(jìn)作用[2]；同時(shí)，計(jì)劃燒除通過(guò)影響土壤下滲[3]、枯落物儲(chǔ)量[4]及土壤物理性質(zhì)[5]等，對(duì)坡面徑流泥沙的調(diào)節(jié)能力產(chǎn)生影響。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)林火對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響研究以林火發(fā)生后火燒跡地的徑流泥沙變化以及河川徑流和含沙量的變化為多，關(guān)于計(jì)劃燒除對(duì)坡面徑流泥沙調(diào)節(jié)能力的影響較少。Santos等[6]發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)越嚴(yán)重，地表徑流和侵蝕的敏感性就越大。Benavides-Solorio等[7]研究表明，輕度和中度火燒跡地山坡的產(chǎn)沙率通常比重度火燒跡地低得多。周艷春[8]運(yùn)用AWRA-L和新安江模型模擬火災(zāi)后流域的水文過(guò)程，表明在火災(zāi)前后氣候條件穩(wěn)定的條件下，森林火災(zāi)是導(dǎo)致短期內(nèi)徑流增加的主要原因。劉發(fā)林等[9]比較森林火災(zāi)和計(jì)劃燒除對(duì)地表徑流和土壤侵蝕的影響，表明高強(qiáng)度林火的徑流量和產(chǎn)沙量高于低強(qiáng)度或未燒區(qū)域。

滇中區(qū)域是云南省森林防火的重點(diǎn)地區(qū)，云南松(Pinusyunnanensis)分布面積廣[10]，具有廣泛生態(tài)適應(yīng)性與強(qiáng)大的自然更新能力，是當(dāng)?shù)氐娜斯ぴ炝值牡湫蜆?shù)種；因此，以云南松計(jì)劃燒除林分為研究對(duì)象，通過(guò)定位觀測(cè)有無(wú)計(jì)劃燒除徑流小區(qū)的徑流量、泥沙含量變化，探究計(jì)劃燒除對(duì)云南松林坡面徑流泥沙調(diào)節(jié)能力的影響，可為計(jì)劃燒除生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的科學(xué)評(píng)價(jià)以及燒除后的生態(tài)恢復(fù)提供重要理論支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省玉溪市新平縣照壁山，地理坐標(biāo)為E 102°0′7″～102°0′8″,N 24°2′38″～24°2′41″。屬中亞熱帶半濕潤(rùn)高原季風(fēng)氣候區(qū)，海拔1 990～2 050 m，年平均氣溫15 ℃，多年平均降雨量936.65 mm，其中5—10月雨季降雨量占全年的80%～90%，土壤類型主要為紅壤。研究對(duì)象的林分類型為云南松人工林，起源于20世紀(jì)80年代飛播造林后的疏伐管理，灌木層主要由斑鳩菊(Vernoniaesculenta)、臭靈丹(Houttuyniacordata)、南燭(Vacciniumbracteatum)等組成；草本層主要有香薷(Elsholtziaciliata)、早熟禾(Poaannua)、四脈金茅(Eulaliaquadrinervis)、蚊子草(Filipendulapalmata)、紫花地丁(Violaphilippica)等。

2 研究方法

2.1 降雨觀測(cè)

在距離徑流小區(qū)水平距離260 m左右的坡面上部空曠地，布設(shè)降雨觀測(cè)點(diǎn)，采用RG 3-自計(jì)雨量計(jì)進(jìn)行降雨歷時(shí)和降雨量觀測(cè)，根據(jù)降水過(guò)程統(tǒng)計(jì)計(jì)算降雨量及時(shí)段降雨強(qiáng)度。

2.2 計(jì)劃燒除試驗(yàn)

近20多年來(lái)，該區(qū)域每年1月下旬至2月上旬進(jìn)行計(jì)劃燒除，從未間斷，由于受新冠肺炎疫情影響，2020年未實(shí)施計(jì)劃燒除作業(yè)。最近一次計(jì)劃燒除是2019年2月13—15日實(shí)施，平均火焰熏黑高度1.48 m，屬低強(qiáng)度火燒。在實(shí)施計(jì)劃燒除中，將道路作為防火隔離帶，道路上方保留的未燒除云南松林作為對(duì)照林分，道路下方連續(xù)多年持續(xù)低強(qiáng)度計(jì)劃燒除區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象。計(jì)劃燒除時(shí)，利用天然隔離屏障道路作為防火隔離設(shè)施，用點(diǎn)火器點(diǎn)下坡火，待燃燒相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，順著火焰蔓延的方向，多次用手持紅外測(cè)溫儀測(cè)火焰溫度、SFR-Ⅲ數(shù)字式輻射熱計(jì)測(cè)量最大火焰熱輻射和鋼卷尺測(cè)量火焰高度，以保證燒除強(qiáng)度[11]。

2.3 徑流小區(qū)布設(shè)

根據(jù)照壁山的自然條件，選擇土壤、坡度、坡向、林相等情況基本一致的云南松林，于2019年計(jì)劃燒除實(shí)施后的當(dāng)年6月布設(shè)計(jì)劃燒除和未燒除對(duì)比林地的徑流小區(qū)各1組。徑流小區(qū)布置1年后，人為建設(shè)擾動(dòng)影響基本消除，2020年雨季開(kāi)始觀測(cè)。計(jì)劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)中間隔一條防火通道，相距150 m，高差40 m，土層厚度均>1 m。每組徑流小區(qū)由并排布置的2個(gè)徑流小區(qū)組成，觀測(cè)數(shù)據(jù)互相驗(yàn)證取平均值，每個(gè)徑流小區(qū)水平投影面積為2.5 m×10 m，徑流小區(qū)出口處設(shè)1 m×1 m×1 m的徑流及泥沙收集池，每場(chǎng)降雨后，觀測(cè)和收集池內(nèi)徑流量和泥沙量。2020年4月對(duì)徑流小區(qū)基本情況進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 徑流小區(qū)基本概況Tab.1 Basic situation of runoff plots

2.4 徑流泥沙觀測(cè)

徑流小區(qū)每次產(chǎn)流后，測(cè)量計(jì)算徑流量，將收集池中水充分?jǐn)噭蚝?，提?個(gè)重復(fù)徑流泥沙樣品，用過(guò)濾烘干法測(cè)定泥沙含量。

2.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件對(duì)降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及分析；采用SPSS 26對(duì)徑流量、泥沙量、降雨量、降雨強(qiáng)度進(jìn)行Pearson相關(guān)分析；采用1 stopt軟件對(duì)降雨量、降雨強(qiáng)度、徑流、泥沙進(jìn)行數(shù)值方程擬合。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征分析

降雨是造成坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的直接動(dòng)力。據(jù)新平縣氣象局1961—2019年的降雨統(tǒng)計(jì)資料顯示，區(qū)域多年降雨量處于不斷的波動(dòng)過(guò)程中，多年平均降雨量為936.65 mm，其中1979年降雨量最少為614 mm，雨量最多的年份是1966年，達(dá)1 362 mm。2020年年降雨量為903.2 mm，比多年平均降雨量少33.45 mm，屬平水年份。多年平均逐月降雨量統(tǒng)計(jì)與2020年降雨量對(duì)比分析結(jié)果如圖1所示。新平縣年降雨主要集中在5—10月，其降雨量為773.51 mm，占多年平均年降雨總量的82.58%。2020年雨季31場(chǎng)降雨的降雨量為665.2 mm，占全年降雨總量的73.64%，比多年平均降雨量少108.31 mm。2020年8月降雨量達(dá)到最大值，為228 mm，占雨季總降雨量的34.28%；7月次之，占雨季總降雨量的31%；6月份降雨最少僅為雨季總降雨量的4.75%。

圖1 新平縣多年平均逐月降雨量與2020年降雨量對(duì)比圖Fig.1 Comparison of multi-year average monthly rainfall in Xinping county with that in 2020

3.2 不同雨量級(jí)徑流泥沙量分析

2020年5—10月不同雨量級(jí)的徑流泥沙觀測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2?？芍?，雨季27場(chǎng)產(chǎn)流降雨的降雨量655.2 mm，占總降雨量的98.5%。計(jì)劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)雨季產(chǎn)流量均表現(xiàn)為暴雨>中雨>大雨>小雨，暴雨的產(chǎn)流量是大雨產(chǎn)流量的2.50～2.90倍、中雨的1.31～1.70倍和小雨的18.33～34.63倍。計(jì)劃燒除小區(qū)中，產(chǎn)沙量表現(xiàn)為暴雨>大雨>中雨>小雨，暴雨條件下的產(chǎn)沙量是大雨的2.90倍、中雨的3.51倍、小雨的133.61倍；而未燒除小區(qū)中，產(chǎn)沙量表現(xiàn)為暴雨>中雨>大雨>小雨，暴雨的產(chǎn)沙量為中雨的4.75倍、大雨的13.24倍、小雨的35.44倍?？芍?，計(jì)劃燒除小區(qū)中和未燒除小區(qū)中，暴雨是激發(fā)土壤侵蝕的主要原因，高降雨強(qiáng)度的雨滴打擊動(dòng)能和徑流沖刷導(dǎo)致高產(chǎn)沙。計(jì)劃燒除小區(qū)徑流深是未燒除小區(qū)的3.01倍，徑流系數(shù)是未燒除小區(qū)的3.33倍，土壤侵蝕模數(shù)相差20.92倍。

表2 徑流小區(qū)降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙特征值觀測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Observation and statistical results of rainfalls,runoffs and sediment yields in runoff plots

3.3 植被和土壤對(duì)徑流泥沙的影響

由表1可知，與未燒除小區(qū)相比，計(jì)劃燒除小區(qū)的灌木層覆蓋度減少90%，草本層覆蓋度減少15%，枯落物總蓄積量減少60.59%，0～10 cm土層土壤密度增加42.85%，土壤總孔隙度減小19.76%，與未燒除小區(qū)相比，計(jì)劃燒除小區(qū)徑流量增加201.19%，泥沙增加1 992.09%。表明，云南松林實(shí)施計(jì)劃燒除后，林分植被覆蓋度減少，枯落物蓄積量降低，土壤物理特性發(fā)生改變，進(jìn)而促進(jìn)徑流能力增強(qiáng)，產(chǎn)沙量增大，不利于水土保持。

3.4 徑流、泥沙與降雨之間單因素相關(guān)分析

3.4.1 徑流與降雨因子之間的單因素相關(guān)分析 降雨量和降雨強(qiáng)度是地表徑流的決定因素。據(jù)2020年5—10月降雨和徑流觀測(cè)結(jié)果，選取降雨量、最大15 min降雨強(qiáng)度(I15)、最大30 min降雨強(qiáng)度(I30)、最大60 min降雨強(qiáng)度(I60)與2個(gè)徑流小區(qū)徑流量進(jìn)行相關(guān)分析(表3)。

表3 徑流量與降雨因子的相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis between runoff yield and rainfall factors

由表3可知，降雨量對(duì)計(jì)劃燒除小區(qū)與未燒除小區(qū)徑流量的影響最大，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.914和0.936。計(jì)劃燒除小區(qū)中，徑流量與時(shí)段降雨強(qiáng)度I15、I30、I60均呈極顯著相關(guān)(P<0.01)；在未燒除小區(qū)中，徑流量與I60呈極顯著相關(guān)(P<0.01)，與I15、I30呈顯著相關(guān)(P<0.05)。因此，徑流量主要取決于降雨總量和長(zhǎng)歷時(shí)降雨強(qiáng)度，林內(nèi)保留的枯落物和草被層起到明顯的削峰增枯作用。

3.4.2 泥沙與降雨、徑流之間的單因素相關(guān)分析 根據(jù)2020年5—10月2個(gè)徑流小區(qū)降雨與徑流、泥沙觀測(cè)結(jié)果，選取降雨量、徑流量、I15、I30、I60與產(chǎn)沙量進(jìn)行相關(guān)分析(表4)。

表4 產(chǎn)沙量與降雨、產(chǎn)流因子的相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis between sediment yield and rainfall and runoff factors

由表4可知，降雨量對(duì)計(jì)劃燒除小區(qū)與未燒除小區(qū)產(chǎn)沙量的影響最大，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.971和0.891。在計(jì)劃燒除小區(qū)中，產(chǎn)沙量與I15、I30、I60、徑流量均呈極顯著相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.892、0.537、0.543、0.733。在未燒除小區(qū)中，產(chǎn)沙量與I60顯著相關(guān)(P<0.05)，與徑流量呈極顯著相關(guān)(P<0.01)，產(chǎn)沙量與I15、I30、I60、徑流量之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.222、0.211、0.469、0.816。

從未燒除小區(qū)產(chǎn)沙量與時(shí)段降雨強(qiáng)度的相關(guān)性對(duì)比來(lái)看，產(chǎn)沙量與I60顯著相關(guān)，與I15、I30不相關(guān)，表明未燒除小區(qū)保留的地被層枯落物和草本植物顯著地起到保護(hù)林地土壤免遭侵蝕的作用，產(chǎn)沙量受短歷時(shí)高降雨強(qiáng)度的影響較小；在實(shí)施計(jì)劃燒除后，產(chǎn)沙量與各時(shí)段降雨強(qiáng)度均表現(xiàn)為顯著相關(guān)，與I15的相關(guān)系數(shù)最高，與I30、I60的相關(guān)系數(shù)基本持平，表明短歷時(shí)強(qiáng)降雨對(duì)計(jì)劃燒除后的林地土壤侵蝕起到重要作用。但計(jì)劃燒除后，由于枯落物的不斷輸入和草被的重生，泥沙總量依然不大，明顯小于該地區(qū)土壤容許流失量值500 t/(km2·a)。

3.5 徑流、泥沙與降雨之間的多因素相關(guān)性分析

3.5.1 徑流與降雨因子之間的多因素關(guān)系 降雨量和降雨強(qiáng)度是引起坡面產(chǎn)流最密切的2個(gè)參數(shù)，通過(guò)建立徑流量與降雨量、I15、I30、I60多因素關(guān)系模型并進(jìn)行比選，發(fā)現(xiàn)在計(jì)劃燒除小區(qū)，徑流量與降雨量及I30之間的冪函數(shù)復(fù)相關(guān)關(guān)系最為緊密；而在未燒除小區(qū)，徑流量與降雨量、I60之間的線性函數(shù)復(fù)相關(guān)關(guān)系最密切；復(fù)相關(guān)系數(shù)R2均達(dá)到顯著相關(guān)(表5)。

表5 徑流量與降雨關(guān)系數(shù)值模型Tab.5 Relationship model between runoff yield and rainfall

3.5.2 產(chǎn)沙與降雨、徑流之間的多因素關(guān)系 通過(guò)建立產(chǎn)沙量與降雨量、徑流量、I15、I30、I60之間的多因素關(guān)系模型并進(jìn)行比選，發(fā)現(xiàn)計(jì)劃燒除小區(qū)和未燒除小區(qū)均表現(xiàn)為產(chǎn)沙量(Y)與I15及降雨量、徑流量的復(fù)相關(guān)冪函數(shù)關(guān)系最為緊密，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2分別為0.984 4和0.991 5，均達(dá)到顯著相關(guān)，說(shuō)明云南松林的產(chǎn)沙量均受降雨的雨滴動(dòng)能、徑流沖刷和短歷時(shí)高降雨強(qiáng)度共同控制，計(jì)劃燒除本身改變不林地土壤流失及影響因子之間的復(fù)合關(guān)系(表6)。

表6 產(chǎn)沙量與徑流量、降雨量、降雨強(qiáng)度之間的關(guān)系模型Tab.6 Relationship model between sediment yield and runoff,rainfall and rainfall intensity

4 討論

坡面徑流泥沙主要受到動(dòng)力條件降雨和下墊面條件枯落物等因素的影響，林下枯落物覆蓋能避免降雨雨滴直接擊打地面，可截留前期降水，增加降雨入滲[12]，從而對(duì)林地坡面徑流泥沙的調(diào)節(jié)具有重要影響。本研究發(fā)現(xiàn)，計(jì)劃燒除后林地坡面的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量顯著增加，這一結(jié)論與馬志貴等[13]結(jié)論一致。實(shí)施計(jì)劃燒除后，林下的枯枝落葉、活地被物[14]被大量燒除，使土壤滲透性變差，進(jìn)而加快地表徑流形成，同時(shí)，地表植被覆蓋度減小，表層土壤受到的破壞就越大，產(chǎn)流產(chǎn)沙也就越大，此結(jié)論與楊波等[15]和楊春霞等[16]研究結(jié)果相符。在實(shí)施計(jì)劃燒除后，火燒改變土壤的特性，土壤密度增大，總孔隙度降低，產(chǎn)流產(chǎn)沙增大。這與王輝等[17]研究結(jié)果一致，隨著土壤密度增大,初始產(chǎn)流時(shí)間提早,徑流系數(shù)增大,土壤流失量增多。

徑流泥沙的大小均隨著降雨強(qiáng)度和降雨量的變化而變化[18]。筆者發(fā)現(xiàn)，降雨量是增加徑流量的主要因素，這與張晶晶等[19]研究結(jié)果相符，說(shuō)明降雨是水土流失的原動(dòng)力，與坡面徑流有密切關(guān)系。林錦闊等[20]認(rèn)為I30與徑流量相關(guān)性最好，筆者在徑流量與降雨強(qiáng)度單因素分析中發(fā)現(xiàn)，徑流量與I60相關(guān)性最好，同時(shí)筆者對(duì)I15、I30、I60與產(chǎn)流的關(guān)系均進(jìn)行分析對(duì)比，而林錦闊等[20]是對(duì)平均降雨強(qiáng)度、I10、I30和產(chǎn)流進(jìn)行相關(guān)分析，但結(jié)論都是與最長(zhǎng)歷時(shí)的時(shí)段降雨強(qiáng)度關(guān)系最密切。

產(chǎn)沙量與時(shí)段降雨強(qiáng)度單因素相關(guān)性分析表明，計(jì)劃燒除小區(qū)中，產(chǎn)沙量與I15相關(guān)性最好，未燒除小區(qū)中，產(chǎn)沙量與I60相關(guān)性最好。江淼華等[21]以不同土地利用類型為研究對(duì)象，分別對(duì)比I10、I30、I60、Iave降雨強(qiáng)度下的土壤流失量，結(jié)果顯示，裸露地產(chǎn)沙量與I10的相關(guān)性最高，柑橘園產(chǎn)沙量與I30的相關(guān)性最好，錐栗林產(chǎn)沙量與I30和I60的相關(guān)性最好。說(shuō)明植被覆蓋度高的地類，產(chǎn)沙量與長(zhǎng)歷時(shí)降雨強(qiáng)度關(guān)系密切，植被覆蓋低甚至無(wú)準(zhǔn)備覆蓋的地類，產(chǎn)沙量與短歷時(shí)降雨強(qiáng)度關(guān)系密切，與本研究的結(jié)論基本一致。表1顯示，云南松林計(jì)劃燒除后，灌草植被覆蓋度短期內(nèi)快速下降，枯落物儲(chǔ)量只有未燒除小區(qū)的39.4%，產(chǎn)沙量與短歷時(shí)降雨強(qiáng)度的關(guān)系密切。

徑流量與降雨量和降雨強(qiáng)度之間的復(fù)合相關(guān)關(guān)系在不同地區(qū)表現(xiàn)出不同的相關(guān)性，筆者在建立數(shù)值模型并進(jìn)行比選后發(fā)現(xiàn)，在未燒除小區(qū)，徑流量與降雨量、降雨強(qiáng)度之間的線性函數(shù)關(guān)系最密切，但是在實(shí)行計(jì)劃燒除后，冪函數(shù)關(guān)系最為密切，說(shuō)明實(shí)施計(jì)劃燒除后，計(jì)劃燒除小區(qū)的產(chǎn)沙量隨著降雨強(qiáng)度和降雨量、產(chǎn)流量增長(zhǎng)的速度更快。陳奇伯等[22]在研究不同地類坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙時(shí)發(fā)現(xiàn)冪函數(shù)效果最好，由于徑流量不僅受地域條件的影響，而且在不同的土地利用方式也不一樣，因此有所差異。

實(shí)施計(jì)劃燒除后，計(jì)劃燒除小區(qū)的徑流量是未燒除小區(qū)的3.01倍，泥沙量是未燒除小區(qū)的20.92倍，可見(jiàn)實(shí)施計(jì)劃燒除主要顯著增加土壤侵蝕量，在2020年雨季土壤侵蝕量為44.98 t/km2，但侵蝕模數(shù)遠(yuǎn)小于當(dāng)?shù)赝寥廊菰S流失量值500 t/(km2·a)?？梢?jiàn)，地表覆蓋度決定產(chǎn)流產(chǎn)沙的大??；因此，從水土保持角度出發(fā)，為使計(jì)劃燒除相應(yīng)的減少產(chǎn)流產(chǎn)沙，可以減弱火燒強(qiáng)度，保留部分地被物層，這樣既可以促進(jìn)林木更新保護(hù)森林資源，又達(dá)到減弱或防治水土流失的效果。

5 結(jié)論

1)2020年新平縣總降雨量達(dá)到903.2 mm，比多年平均降雨量少33.45 mm，屬于平水年份，其中2020年5—10月雨季降雨量達(dá)到665.2 mm，比同期多年平均降雨量少108.31 mm。

2)計(jì)劃燒除后，植被減少，土壤密度增大，總孔隙度減低，導(dǎo)致計(jì)劃燒除小區(qū)的徑流量是未燒除小區(qū)的3.01倍，泥沙量是未燒除小區(qū)的20.92倍。

3)徑流、泥沙與降雨相關(guān)性單因素分析結(jié)果表明，降雨量對(duì)徑流量和泥沙量的影響均表現(xiàn)為最顯著。

4)通過(guò)建立徑流量與降雨量、時(shí)段降雨強(qiáng)度之間的數(shù)值關(guān)系模型，發(fā)現(xiàn)未燒除小區(qū)中徑流量與降雨量、降雨強(qiáng)度之間的線性函數(shù)關(guān)系最密切，而計(jì)劃燒除小區(qū)卻是冪函數(shù)關(guān)系最為密切。

5)通過(guò)建立產(chǎn)沙量與降雨量、時(shí)段降雨強(qiáng)度、徑流量之間的數(shù)值關(guān)系模型，發(fā)現(xiàn)不同類型小區(qū)均表現(xiàn)為冪函數(shù)模型相關(guān)性最好，未燒除小區(qū)的復(fù)相關(guān)系數(shù)大于計(jì)劃燒除小區(qū)。