森林植被对陆地生态系统水分循环起着重要的调节作用(余新晓等，1997；石培礼等，2001；魏晓华等，2005)。其涵养水源的生态功能一直是社会关注的重大问题(张庆费等，1999；周晓峰等，2001)，也是当今生态科学研究的前沿(石辉等，2005；Putuhena et al.，2000；Shimizu et al.，2003)。由于森林生态系统所处地理要素的空间差异，涵养水源和保持水土等生态服务功能也存在空间分异(石培礼等，2001；于澎涛等，2003；时忠杰等，2005)。森林植被与水关系的讨论焦点集中在植被对水资源是起正向作用还是反向作用(王彦辉等，2003)，长期以来学术界没有形成共识(刘世荣等，2001)。径流是重要的水文现象，是衡量森林保持水土、涵养水源、削减洪峰等功能的一个基本指标(王礼先等，2001；郑郁善等，2003)，与森林植被存在着复杂的关系(李文华等，2001；魏晓华等，2005)。因此，在保护和恢复森林植被、解决水资源问题的过程中需要研究森林植被与径流的关系，为充分发挥森林植被的调节水文功能提供科学依据(郭明春等，2005)。

杉木(Cunninghamia lanceolata)是中国南方主要造林树种，有1 000多年的栽培历史。杉木人工林生态系统的水文生态效益越来越受到重视(田大伦等，2003)。随着林分年龄的增长，杉木人工林对森林水文过程起着不同的调控作用，影响水分在生态系统中的分配(刘煊章等，1995)。本文根据17年的定位观测数据，研究不同年龄阶段杉木人工林调控径流和涵养水源的能力，对揭示杉木林生态水文过程与其他生态过程的耦合规律、评价其生态服务功能与可持续经营管理具有重要的理论价值。

试验地位于国家重点野外科学观测研究站中南林业科技大学会同生态站(26°50′ N，109°45′ E)。属典型的亚热带湿润气候，年均气温16.8 ℃，1月平均气温4.4 ℃，7月平均气温26.3 ℃；年均相对湿度80%，年降水量1 100~ 1 500 mm，集中于4—8月份；夏无酷热，冬无严寒，气候温和。海拔270~400 m，地形为比较开阔的缓坡丘陵山地。地层属震旦纪板溪系灰绿色板岩，土壤为山地黄壤，地层古老，土层深厚，土壤肥力条件好，适合杉木人工林生长，为我国的杉木中心产区。

试验数据来自该站的第Ⅲ集水区，其面积19 483 m²，主流长230 m，平均宽度84.7 m，流域形状指数0.37，平均坡度25 °。集水区杉木人工林为1966年造林的第1代杉木林采伐后，营造的第2代杉木纯林。第1代杉木林于1987年底皆伐、炼山，198 8年春天全垦整地后造林，造林密度3 000株·hm^-2，造林后2年(1988—1990年)内每年的7、11月各全垦抚育1次。林分平均胸径为14.78 cm，平均树高为10.79 m (2005年11月)。

第Ⅲ集水区内的气象梯度观测铁塔顶上(22 m高)及距离集水区约200 m的林外空旷地分别安装1套遥测雨量计，用于连续测定降雨量和降雨强度。同时，在相同地点利用普通雨量计测定降雨量作为对照。采用小集水区径流场封闭技术，在第Ⅲ集水区(地下水挡水墙深至基岩，约6 m)分别建有矩形和三角形的地表和地下水测流堰，配合水位高用SW40型日记水位计测定地表水、地下水的径流量。潘维俦等(1984)对研究方法进行了详细报道。从1988—2004年，连续观测的气象和水文数据18万余个，本研究主要用到降雨量、降雨强度、地表径流、地下径流等数据记录约8万条。

根据南方杉木人工林的生长发育规律，将杉木人工林分为4个龄级(孟宪宇，2004)：Ⅰ龄级(1988—1992年)、Ⅱ龄级(1993—1997年)、Ⅲ龄级(1998—2002年)、Ⅳ龄级(2003—2004年)，对17年连续观测数据进行分析。

大气降水特征影响着林地产流状况(文仕知等，1993)，降雨强度和降雨间隔期对径流形成速度有着较大的影响。1988—2004年的年均降水量为1 364.7 mm(表 1)，其中4—8月份(表 1)的降水次数占总降水次数的44.8%，降雨量占总降雨量的62.2%。其余各月的月平均降水量低于100 mm。12月份的降水量最小，月均降水量为39.7 mm。各月的月平均降雨量的离散度较大，平均变异系数为0.540，7月份的离散度最大，变异系数为0.848。

表 1 1988—2004年降水在不同月份的分布特征 Tab.1 Characteristics of rainfall distributed in each months from 1988 to 2004

表 1 1988—2004年降水在不同月份的分布特征 Tab.1 Characteristics of rainfall distributed in each months from 1988 to 2004

研究区内以小强度降水为主，降水量 < 0.5 mm·d^-1和0.5~5.0 mm·d^-1的降水次数分别占总次数的13.7%和45.3%。其次是降雨强度为10~25 mm·d^-1的中雨和25~50 mm ·d^-1的大雨，降雨次数分别只占总次数的16.7%和7.7%；降雨量分别占总降水量的30.0%和28.9%(表 2)。这种降水特征有利于水分在土壤中的下渗，加上林地凋落物的阻截，不易形成地表径流(Silberstein et al.，1999)。因此，研究区以地下径流为主要水分输出形式，水分在林地的这种再分配方式有利于杉木人工林的生长发育。

表 2 1988—2004年降水强度的分布特征 Tab.2 The amount and time of rainfall distributed in various rainfall intensities from 1988 to 2004

表 2 1988—2004年降水强度的分布特征 Tab.2 The amount and time of rainfall distributed in various rainfall intensities from 1988 to 2004

地表径流是造成洪水泛滥的一个重要原因，历来为人们所关注(Gurtz et al.，1999)。地表径流量的大小受森林植被类型、林分年龄、覆盖率、地形、地质、土壤以及降水特征的影响(李文华等，2001；魏晓华等，2005)。表 3列出了杉木人工林集水区在4个不同龄级的径流规律。第Ⅰ龄级地表径流量最小，随着林分年龄的增加，地表径流量增大，到第Ⅳ龄级时，地表径流量又开始下降。

表 3 不同龄级杉木人工林的径流量和径流系数 Tab.3 The amount and coefficients of runoff in Chinese Fir plantations at different stand age classes

表 3 不同龄级杉木人工林的径流量和径流系数 Tab.3 The amount and coefficients of runoff in Chinese Fir plantations at different stand age classes

第Ⅰ龄级杉木人工林地表径流量最小的原因是造林整地及该阶段的幼林抚育改变了林地土壤的入渗性能。因为土壤的入渗性能影响一定降水条件下进入土体的水量，从而影响地表径流的产生(雷廷武等，2005；Lane et al.，2004)。受人工抚育措施的影响，0~20 cm表层土的初渗速率为13.9 mm·min^-1，稳渗速率为10.1 mm·min^-1，渗透系数为3.97；20~40 cm土层的初渗速率为10.0 mm·min^-1，稳渗速率为4.3 mm·min^-1，渗透系数为1.69；表土层的平均初渗速率、稳渗速率和渗透系数分别为1987年砍伐前的第1代杉木林的2.9、3.1和3.2倍(文仕知等，1993)。大暴雨过程中仅以漫流的方式出现少量地表径流，但到流至测定堰口前就已渗透到土壤中。

抚育停止后，林分尚未郁闭，地被物和枯枝落叶较少，林地表面裸露，在降水的不断冲击下，土壤板结，渗透能力逐渐减少，地表径流也随之增加，Ⅱ龄级地表径流量由Ⅰ龄级的8.78 mm增加到14.94 mm，径流系数增加43.6%。到Ⅳ龄级时，林分已郁闭(郁闭度为0.9)，加上林地枯枝落叶的积累和地被物的覆盖，降水的截留能力和地表径流形成的阻碍力增强，土壤结构得到改善，渗透力增强，地表径流减少，地表径流系数为Ⅲ龄级的50%左右。

第Ⅰ龄级杉木人工林的年均地下径流量374.09 mm，径流系数0.301 2，是采伐前第1代杉木成熟林(1984—1987)地下径流系数0.1 54 6(康文星等，1992)的2倍(表 3)。造成这种现象的原因是：1)降水量的影响：第Ⅰ龄级时，年均降水量(1 242.1 mm)比1984—1987年的年均降水量(1 106.1 mm)增加23%；2)造林整地和抚育等经营措施增强了土壤的渗透性；3)Ⅰ龄级杉木林的蒸腾耗水量较少。

由于降水量增加，Ⅱ龄级杉木人工林的年均地下径流为387.60 mm，但径流系数下降到0.265 8。Ⅲ、Ⅳ龄级的年均地下径流和径流系数都在逐步下降(表 3)。因为随着林木的生长，蒸腾在调节土壤水分方面起着非常重要的作用，它驱动着土壤水分流动，消耗了土壤中大量的水分，减少了地下水的输出。

第2代杉木人工林集水区各龄级的年平均径流量为288.17~382.87 mm，17年来的年均径流量为346.8 mm，其中地表径流量8.78~23.07 mm，地下径流量387.60~275.20 mm，集水区径流输出的水量以地下径流为主，地表径流所占比例较小，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4个龄级的地表径流分别占总径流输出的2.3%、3.9%、7.9%和4.7%，这种径流输出特点是由降水特征、集水区土壤特征和林分作用共同决定的。由于地下径流占总径流输出的90%以上，年径流系数的变化规律和地下径流系数的变化规律完全一致。径流系数随林分年龄增大而减小的变化趋势表明：杉木人工林在成熟以前，其涵养水源、减缓洪峰的功能是随着年龄增大而加强的。

径流与林分特征和降水分布密切相关，因此无论是地表径流还是地下径流均在降水相对集中的月份(4—8月)出现较高的数量值(图 1)。4—8月的降雨量占年总降水量的62.2%，径流量占年总径流量的75.4%。随着林龄增加，各月的地表径流系数均从Ⅱ龄级开始增加，Ⅳ龄级后下降，而各月的地下径流系数则从Ⅰ龄级开始一直呈下降趋势。在降水相对较少的月份(10月至次年3月)，地表径流较少，而杉木林仍维持一定的地下径流，说明其具有涵养水源的能力(图 1)。

图 1 不同龄级杉木人工林的月径流系数变化 Fig. 1 Monthly changes of runoff coefficient in Chinese Fir plantations at different age classes

影响径流量的因子主要有降水量、地形、坡向、坡位、林内空气温度、湿度、以及植被本身的特征(如林分郁闭度、地被物、枯落物等)。考虑到同一集水区内的地形、坡向和坡位不变，植被的特征与林分的年龄有关，我们选择x₍₁₎—月平均降水量(mm)、x₍₂₎—林分年龄(a)、x₍₃₎ —林内月平均气温(℃)、x₍₄₎—林内月平均相对湿度(%)4个因子，采用逐步回归分析方法，从定位观测数据中选取198组数据，分别在90%、95%和99%的可靠性条件下，筛选自变量因子，建立月平均径流量预测回归方程(表 4)。从表 4可以看出：降水量x₍₁₎是影响集水区月平均径流量的最主要的因子，降水量越大，月平均径流量也越大，其次是林分年龄x₍₂₎，而其余因子均未入选。

表 4 逐步回归相关系数及回归结果 Tab.4 The results and correlation coefficient of the stepwise regression

表 4 逐步回归相关系数及回归结果 Tab.4 The results and correlation coefficient of the stepwise regression

表 4中月平均径流量回归模型是线性关系，复相关系数都小于0.8，预测精度不高。Gurtz等(1999)认为月平均径流量与其影响因子之间的关系不完全呈线性相关。为了提高预测月平均径流量的精度，将不同龄级的月降雨量和月平均径流量采用多项式模型进行回归分析。多项式模型为

式中：y为月径流量，x为月降水量，b₀、b₁、b₂…、b_n为待定参数。利用参加回归计算的样本资料，以数学模型的预测值作为理论值，与对应的实测值相比较来计算的预测模型精度。

从图 2可知，Ⅰ龄级回归方程的相关系数(R²=0.480 4)最小，说明造林后头3年里每年2次抚育工作对林地水分的再分配有很大的影响，使径流输出量和降雨量的关系受到了破坏，尤其是对地表径流的影响非常大。从曲线的走势来看，Ⅰ龄级的曲线较陡，月径流量偏大。Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ龄级相对平缓，月径流量较小。采用多项式回归模型，能较好地模拟不同龄级径流的月变化与月降水量的关系。

图 2 不同龄级月降雨量和径流量的相关性 Fig. 2 Correlation of month rainfall and month runoff in different age classes

会同杉木林的幼林阶段，抚育等经营措施提高了表土层的渗透性能，地表径流系数大幅度减小，造林后的头3年几乎没有地表径流产生，Ⅰ龄级的年均地表径流系数只有0.007 1。人工抚育停止后，地表径流开始增加，到Ⅲ龄级时年均地表径流系数达到最大值(0.018 4)。从Ⅳ龄级开始，地表径流开始下降，地表径流系数为0.009 8，约为Ⅲ龄级的50%，说明人为干扰停止后，随着森林植被的恢复，地表径流呈减少的趋势。

地下径流的变化规律受降水特征、集水区土壤特征和林分特征等因素的影响。Ⅰ龄级的杉木人工林，由于森林生态系统中林木蒸腾消耗水量少，降水入渗土壤后，除部分用于土壤蒸发外，大部分则以地下径流的形式离开集水区。因此，Ⅰ龄级的地下径流系数最大，为0.301 2。随着林分年龄的增大，森林蒸腾需要水量较大，降低了地下径流的输出量，地下径流系数逐步减小，到Ⅳ龄级时减小到0.208 2。

杉木人工林以地下径流为主，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4个龄级的地表径流分别只占总径流输出的2.3%、3.9%、7.9%和4.7%。径流的月变化规律与降雨量的变化一致，4—8月降水量占年总降水量的62.2%，径流量占年总径流量的75.4%，4—8月Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4个龄级的平均径流系数分别为0.378 4、0.322 4、0.279 0和0.263 4。

采用逐步回归分析的方法来预测月径流量，筛选出影响径流量的主导因子为降水量和林分年龄。采用3次多项式回归模型能更好地模拟不同龄级的月降雨量和径流量的关系，可提高预测精度。