湖南会同林区是我国著名的杉木中心产区，属中亚热带气候，为云贵高原向长江中下游过渡地带。森林在保护区域生物多样性、维持土壤肥力、碳吸存、水源涵养等生态服务功能方面起着十分重要的作用。特别是其水源涵养功能一直是社会关注的热点^{[1, 2]}。地表径流行为是衡量森林保持水土、涵养水源的重要指标^[3]，其影响因素很多，可概括为降雨和环境因素两类。降雨因素包括降雨强度、降雨历时和降雨量；环境因素包括地质、土壤、地形和植被等，它们的综合作用影响着径流形成^[4]。间伐作为主要营林措施，对森林土壤和林下植被生长有着显著影响^{[5, 6]}，Gundale^[5]等研究发现，间伐能显著增加土壤中有机和无机N的含量，促进林下植被的生长；冉然等^[6]亦发现，间伐加快了土壤中有机质的分解，使土壤速效养分增加，从而提高了林地土壤肥力。成向荣等^[7]认为，林分间伐后郁闭度降低，林下光照增强，地表植物覆盖度增加。因此，间伐可以通过改变上述因素，进而影响地表径流形成。对此已有较多研究^{[8, 9, 10]}，但只是分析了单一间伐强度的情况，很少研究不同间伐强度的影响。因此，本文以湖南会同县人工杉木林为对象，从降水因素和间伐强度对林下植被及土壤影响的两个方面，分析不同间伐强度下的地表径流形成和发展过程，旨在揭示间伐强度对人工杉木林水土保持能力的影响。

试验区设在中南林学院的国家林业局会同杉木林生态系统定位研究站，该站为国家重点野外科学观测试验站，地理位置为东经109°45′，北纬26°50′。海拔270—400 m，相对高度在150 m以下。属典型的亚热带湿润性气候，年均气温16.8 ℃，年均相对湿度80%以上，年降水量1100—1400 mm。土壤系震旦纪板溪系灰绿色板岩发育的山地黄壤，非常适合杉木生长。生态站的8个试验集水区的自然地理状况基本相似，彼此相距不超过100 m。本次试验在生态站I，IV，V号集水区进行，其中I号集水区为长期定位观测的对照试验；IV号和V号集水区为间伐强度分别为15%和30%的试验。三个集水区的面积均约为2 hm²，立地类型以山谷为主。间伐年为1996年，距本调查年(2006年)10年。2006年不同间伐强度下样地的林分概况如表 1所示。

在集水区山坡和山洼建立观测铁塔(高于林冠)，上置一台SL-I型遥测雨量计和标准雨量筒测定降水。在集水区出口地表水测流堰安装SW40型日记水位计，自动记录地表水并推算地表径流量。

采用全收获法测定林下植被生物量。分别称量和记录样方内灌木和草本各部分的鲜质量，并分别对灌木的叶、枝茎、根和草本的地上部分、地下部分取样，然后尽快带回实验室测定含水率。最后推算出每块样地的林下植被平均生物量。将各组样品先称量，然后置于105 ℃烘箱中进行30 min杀青处理，然后将烘箱温度调至80 ℃烘干至恒量，计算含水率，换算成干质量。

在集水区Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ号的样地内，选取3个1 m × 1 m 的样方，并按未分解、半分解层收集枯落物，现场记录厚度并称鲜重，取样后室内常规(105 ℃)烘干，称重后计算其干重和自然含水率，最后计算出单位面积枯落物量。

在集水区Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ号的样地内，选取3个20 cm × 20 cm样方，在0—20 cm均匀取样1 kg 左右，装入密封袋中带回实验室，进行土壤理化性质分析。采用环刀法测定土壤容重和毛管孔隙度，而土壤总孔隙度和非毛管孔隙度采用如下公式估算^[11]：

水稳性团聚体用ZZY-II土壤团粒分析仪测定；有机质含量用重铬酸钾法测定；速效N、P、K含量分别用碱解扩散法、钼锑抗比色法、乙酸铵浸提-火焰光度计法测定。

根据国家防办《防汛手册》，以24 h累积降水量，将会同生态站的2006年降雨分为6个等级：小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨。不同月份的降雨量特征如表 2所示。2006年的年均降水量为1432.4 mm(表 2)，其中小雨的降水次数达87次，主要分布在1—3月，11—12月；中雨则分布较均匀，基本每个月份均有；而大雨以上的等级则基本分布在5—8月。

各降雨等级和间伐强度下的地表径流响应见表 3。由表 3可知，降雨是影响地表径流的重要因素，地表径流量随着降雨等级增大而增大。在小雨情况下，3种不同间伐强度集水区均没地表径流产生；中雨时，地表径流在对照集水区为1.8 mm，间伐15%集水区为1.2 mm，间伐30%集水区仅产生了0.7 mm。在暴雨情况下，对照集水区产生地表径流高达15.9 mm，间伐15%的集水区为10.5 mm，约为对照的60%；间伐30%的集水区为4.2 mm，仅为对照的30%。由此推断，间伐利于减轻形成地表径流，且在目前研究的间伐强度范围内以30%的效果更大。但随着降雨等级继续增大，特别是特大暴雨时，间伐和对照集水区均产生了较多地表径流。相似的结果也可从地表径流系数看出，随着降雨等级增大，对照集水区的径流系数逐渐增大；而间伐集水区的增长缓慢，只有大暴雨及特大暴雨情况下才会较高，且间伐30%时增长最缓慢。

进一步拟合了次降雨量(X，mm)和杉木林地表径流量(Y，mm)的关系，相关较好，关系式分别为：

对照

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15%间伐

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30%间伐

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从次降雨量和地表径流的拟合曲线(图 1)可清楚看到，地表径流随降雨量增大而增大。只要不出现大暴雨及特大暴雨，间伐处理的地表径流比对照就明显小很多。因此认为，间伐可在一定程度上削弱地表径流形成，利于水土保持。李素艳等^[12]在江西大岗山人工杉木林得出了同样结论。

图1 次降雨量与地表径流的相关关系 Fig.1 Relation of rainfall and overland flow in rainfall event scale

图选项

为进一步研究间伐强度的影响，分析了地表径流的月动态变化。在旱季(1—3月、11—12月)，主要以小强度降水(小雨，中雨)为主(表 2)，相应的几乎没有地表径流产生(图 2)。小雨有利于水分下渗，加上林地凋落物阻截，因此不易形成地表径流^[13]。在雨季(4—10月)，降雨以大雨为主，产生的地表径流量也较大(图 2)。随着间伐强度的增大，地表径流量减小。特别需注意的是，5月份降雨总量(291.3 mm)大于7月份(256.2 mm)，但5月份地表径流却小于7月份(图 2)，这可能是降雨等级不同导致的。5月份虽然降雨次数和降雨量都高于7月份，但7月份发生了一次特大暴雨，直接导致了较大地表径流的形成。

图2 降雨量与地表径流量月变化曲线 Fig.2 Monthly changes of rainfall and overland flow

图选项

由此进一步证明，间伐可减小地表径流量，利于水土保持，且间伐强度30%的效果更大。此外，引起地表径流变化的关键是单次降雨量，即降雨等级，而不是月降雨总量。

不同间伐强度下的林下植被生长状况见表 4。由表 4可知，间伐处理的林下植被覆盖率和生物量明显增大，物种多样性有所提高，枯落物量也明显增多。

在比较间伐和对照处理的数据后可发现，15%间伐强度下，林下植被生物量增加了786.2 kg/hm²，枯落物量增加了786.2 kg/hm²，盖度增加了7.7%，物种多样性增加了0.56；而30%的间伐强度下，林下植被生物量增加了1658.9 kg/hm²，枯落物量增加了1796.4 kg/hm²，盖度增加了14.9%，物种多样性增加了0.94。随着间伐强度提升，增长幅度增大。这是由于间伐降低了林分郁闭度，使得林内光照得到改善，促进了林下植被生长，丰富了林植物多样性^[14]。

不同间伐强度下的土壤理化特性见表 5。可以看出，间伐后土壤物理性质改善和元素含量显著增加。在15%间伐强度下，土壤容重是不间伐的0.87倍，非毛管孔隙度、毛管孔隙度、水稳性团聚体平均粒径、有机碳含量、速效钾含量、速效磷含量、速效氮含量分别是不间伐的1.22、1.04、1.28、1.33、1.10、1.46、1.35倍；在30%的间伐强度下，土壤容重是不间伐的0.80倍，其他特性依次是不间伐的1.33、1.10、1.81、1.90、1.24、1.92、2.24倍。

由于各集水区的地质地形条件相似，因此土壤和林下植被生长情况成为影响地表径流的关键。为进一步了解这些因子与地表径流的关系，进行了多元相关性分析，结果如表 6所示。

多元分析表明，地表径流与枯落物量，灌木草本植物盖度，土壤非毛管孔隙度，水稳性土壤团聚体粒径呈显著负相关，与土壤容重呈显著正相关。其中，枯落物量与林下植被生物量，灌木草本植物盖度、草本植物物种多样性呈显著正相关，与土壤容重呈显著负相关。灌木草本植物盖度则与枯落物量，土壤非毛管孔隙度呈显著正相关，与土壤容重呈显著负相关。土壤非毛管孔隙度与枯落物生物量、水稳性土壤团聚体粒径呈显著正相关，与土壤容重呈显著负相关。水稳性土壤团聚体粒径与枯落物量、灌木草本植物盖度、土壤非毛管孔隙度呈显著正相关。

枯落物层对土壤蓄水量有显著影响。在降雨过程中，枯落物能有效地使土壤免受雨水直接冲击，同时还能过滤出土壤颗粒，防止土壤大孔隙堵塞而减弱水分渗透性能^[15]，因此能有效减缓地表径流、保持水土。大量研究表明，随着植被覆盖度增加，土壤侵蚀量减少，地表径流也随之减小^[16]。土壤非毛管孔隙度增加能减少地表径流量^[17]。团聚体稳定性在很大程度上影响降雨剥离土壤颗粒的能力，它还影响到土壤结皮形成，而土壤结皮能增大径流^[18]。随着团聚体的形成和增大，地表径流减小。土壤最大持水率与土壤容重呈负相关^[19]，本研究也发现，土壤容重越大，孔隙度越小，透水透气性越差，入渗率越低。

由此可知，正是因为不同间伐强度导致了枯落物量、灌木草本植物盖度、土壤非毛管孔隙度、水稳性土壤团聚体粒径和土壤容重的不同，才形成了不同的径流特性。由于30%的间伐比15%的间伐对枯落物量、灌木草本植物盖度、土壤非毛管孔隙度、水稳性土壤团聚体粒径有更大促进作用，因此形成地表径流更少。

(1)单次降雨量大小，即降雨量等级，是控制形成地表径流数量的主要原因。随着降雨量等级增加，地表径流增大。

(2)间伐过密的杉木人工林，可增加林下植被生物量、枯落物量、灌木草本植物盖度、土壤非毛管孔隙度、水稳性土壤团聚体粒径，并减小土壤容重，从而利于减小地表径流形成，发挥保持水土、涵养水源的效益。

(3)在不发生大暴雨和特大暴雨的情形下，间伐能有效减小地表径流。在本研究范围内，间伐强度30%时的减少地表径流的效果最大。