Composition and structural characteristics of evergreen broadleaved forest in Niumulin, Fujian Province of eastern China
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摘要:目的
探究福建省牛姆林自然保护区长期固定监测样地的木本植物组成和结构特征，为深入了解其植被多样性提供重要参考。
方法以福建省牛姆林自然保护区为研究对象，在保护区内建立3.04 hm2长期固定监测样地，调查并鉴定样地内DBH ≥ 1 cm的木本植物，分析该样地物种组成、径阶结构、高度级结构、物种累积曲线、多度累积曲线以及林分结构特征。
结果（1）牛姆林南亚热带常绿阔叶林DBH ≥ 1 cm木本植物共121种，隶属于36科64属，重要值排名前三的物种分别为米槠、马尾松和细枝柃，重要值均小于0.1，优势种的优势地位不明显。样地中常见种、偶见种和稀有种分别占总物种数的50.41%、23.97%和25.62%。（2）当样地数量小于13时，物种数随样地数量的增加而急剧增加，其后增加速率下降。（3）牛姆林样地的植物径阶结构与高度级结构相似，均为倒“J”型；优势种米槠和细枝柃的径阶结构为增长型，而优势种马尾松为衰退型。（4）除个体密度，19个样地的单位面积胸高断面积、单位面积蓄积量和单位面积生物量均不存在显著差异，样地单位面积生物量均值为270.84 t/hm2。
结论牛姆林样地的物种组成丰富但优势种不突出，牛姆林属于增长型森林，林分生产力略低于福建省平均水平。随着森林演替发展，未来有较大增长空间。
Abstract:ObjectiveThis paper investigates the composition and structural characteristics of woody plants in the permanent monitoring sample plots of Niumulin Nature Reserve, Fujian Province of eastern China, aiming to provide an important reference for deeper understanding of vegetation diversity.
MethodTaking the Niumulin Nature Reserve in Fujian Province as research subject, a 3.04 ha permanent monitoring sample plot was established within the reserve. Woody plants with DBH≥ 1 cm within the sample plot were surveyed and identified. The species composition, diameter and height class structure, species and abundance accumulation curve, and stand structure characteristics of the sample plots were analyzed.
Result(1) A total of 121 woody plant species with DBH ≥ 1 cm were identified in Niumulin, belonging to 36 families and 64 genera. The top three species by importance value were Castanopsis carlesii, Pinus massoniana, and Eurya loquaiana, all with importance values less than 0.1, the dominance of these species was not significant. Common, occasional, and rare species accounted for 50.41%, 23.97%, and 25.62% of the total species, respectively. (2) The relationship between number of sample plots and species richness showed a sharp increase in species with less than 13 sample plots, followed by a decrease in the rate of increase thereafter. (3) The structure of DBH was similar to that of height structure, both following an inverted “J”-shaped pattern. Dominant species like C. carlesii and E. loquaiana showed an increasing type in DBH class structure, while P. massoniana exhibited a declining type. (4) Except for individual density, 19 sample plots showed no significant differences in breast height per unit stand area, volume per unit stand area and biomass per unit stand area. The mean biomass per unit stand area of the Niumulin sample plot was 270.84 t/ha.
ConclusionThese results indicate that the Niumulin forest is rich in species, but the dominant species are not prominent and belong to the growth type. The stand productivity is slightly lower than that of the average in Fujian Province. However, with forest succession and development, the stand productivity of this forest will have great growth potential in the future.
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Keywords:
- species composition /
- forest structure /
- DBH class structure /
- biomass /
- Niumulin
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坡面薄层流是降雨在扣除截留、填洼、下渗等损失后沿坡面形成的浅层明流[1]，是一种特殊而复杂的水流形态。研究表明，坡面薄层流不同于一般的明渠水流，水深一般只有几毫米甚至零点几毫米，薄层水流流向不稳定，沿程有质量源和动量源汇入，产生能量紊动，且受地表状况、雨强等诸多因素的影响，所以对坡面薄层水流的研究难度较大[2-4]。而坡面流是径流初始阶段和侵蚀演变的初始动力，其水动学特性对阐明土壤侵蚀和坡面产沙机理具有重要理论意义[5-8]。
目前，对于薄层水流特性的研究热点聚焦于坡面流流态及坡面流阻力特性，关于其流态归属问题，Horton等[9]认为坡面薄层水流是紊流中点缀层流的一种混合流区；Emmett[10]认为坡面流虽有紊流特性，但仍展现出较多层流性质，故定义为“扰动流”；Selby[11]认为坡面流是紊流和层流的混合流区。但仍然缺少公认的薄层流流态的界定方法。关于薄层水流阻力规律的研究，已有的研究成果多应用二元流雷诺数判别准则进行流区划分[4-5, 12]。关于降雨对坡面流阻力的影响，大部分的研究都表明，降雨对水流阻力的影响程度与水流流态有关，雨滴的打击作用和动能输入使其阻力增大，降雨在伪层流[4]情况下对水流阻力的影响最为显著，而有的学者认为降雨影响可以忽略[13]。而对于薄层水流特性的研究方法聚焦于人工模拟降雨或者水槽放水冲刷，两者共同作用下的水动力学特性研究十分少见。潘成忠等[13]通过上方来水和模拟降雨试验，研究了不同流量和坡度条件下坡面薄层水流水力学参数和滚波特性，初步探明了降雨和坡度对它们的影响。目前，对于坡面水流特性的探讨虽有不少研究成果，但由于坡度较小、床面光滑、缺少试验资料等因素，其结论的实际应用性也受到很大程度的限制，尤其在山地陡坡、雨量急、大的情况下。坡面流其底坡较天然明渠陡峭得多，重力作用更为突出。自然中，在山地陡坡、大雨条件下会发生超渗产流现象，坡面流冲刷和降雨同时作用于坡面，二者综合作用力对坡面的影响目前尚未明确。在国外，坡面流水动力学特性研究多侧重于缓坡，而国内多侧重于细沟水流，有研究表明，20°~ 25°是坡地土壤侵蚀的临界坡度[14]。目前针对陡坡和降雨对坡面流水流特性的研究尚显不足。与缓坡相比，陡坡条件下的水流动力特性和侵蚀特征具有其特殊性[15-16]。所以研究坡面流冲刷和降雨共同作用下的陡坡坡面流水动力学特性对防治水土流失有重要意义。
本文采用陡坡坡面定床阻力试验，通过人工模拟降雨和放水冲刷试验相结合的方法，定量研究5种流量和4个典型降雨强度(含无降雨)条件下，受4种不同粗糙度影响的水力要素关系及阻力的变化特征。研究陡坡降雨条件下的薄层水流水动力学特性对于揭示坡面薄层水流阻力的内在规律具有重要理论意义。
1. 研究区概况
缙云山位于三峡库区内，是国家级自然保护区，地理坐标为106°17′~106°24′ E、29°41′~29°52′ N，属于典型的亚热带季风湿润气候，植被资源丰富，森林覆盖率达96.6%。占地面积76 km2，海拔350.0~951.5 m，年平均降水量1 611.8 mm，最高年降水量1 683.8 mm。降雨主要发生在4—9月，降水量1 243.8 mm，占全年的77.2%。相对湿度年平均值为87%，年平均气温13.6 ℃。缙云山多雾，日照时数少，年平均雾日数高达89.8 d，年平均日照时数则低于1 293 h。缙云山地形平缓，土层深厚，土壤肥力高，以三叠纪须家河组厚层石英砂岩、灰质页岩和泥质页岩为木质风化而成的酸性黄壤土为主。试验研究林总面积约为33.5 hm2。保护区主要树种为四川大头茶(Gordonia acuminata)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、马尾松(Pinus massoniana)、四川山矾(Symplocos setchuensis)、川杨桐(Adinandra bockiana)、广东山胡椒(Lindera kwangtungensis)、毛竹(Phyllostachys heterocycla)、细齿叶柃(Eurya nitida)等。
2. 试验方法
试验时间为2016年7—9月。具有固定的不透水下垫面和一定粗糙度的坡面称为定床阻力坡面，为了便于测量和控制浅层水流的边界条件，本试验采用坡面定床阻力试验，在模拟天然地表粗糙度的同时也消除了床面形态变化对水流紊动的影响[17-22]。试验对降雨和坡面流共同作用下的坡面薄层流水动力学特性进行研究。
试验水槽结构示意图如图 1所示，试验水槽结构尺度为长4.0 m，宽0.4 m，深0.1 m，在进水口管道安装精度为0.001 m3/h的流量计用于测量流量，每次试验开始前进行流量率定，保证在设计流量允许误差范围内。为模拟缙云山陡坡条件下的坡面流，坡度恒定设置为20°。为保证水流波动仅由水砂纸糙度引起，同时减小水槽边壁对水流的影响，故在水槽侧壁刷清漆，在水槽底部黏贴有机玻璃板，有机玻璃板与水槽侧壁的黏合使用玻璃胶，用刀片将边缘刮平，水砂布黏贴在有机玻璃板上。
通过黏贴水砂布设置4种不同下垫面，其中3种分别为40、60、80目水砂布床面，另外一种为光滑坡面。按照尼库拉兹提出的床面粗糙度(ks)表示方法，试验粗糙度(ks)分别为0.009(光滑坡面)、0.180、0.250、0.425 mm，分别对应缙云山不同土壤粒径的裸土表面。根据重庆缙云山的坡面径流小区监测的产流情况，同时也考虑到尽可能使水深取值范围较大，设计进口放水流量为0.486×10-3、0.694×10-3、1.042×10-3、1.389×10-3和1.736×10-3 m3/(s·m)共5个试验处理。根据重庆缙云山典型降雨强度，设计降雨强度分别为30、60和100 mm/h和无降雨。本试验采用侧喷式降雨机模拟天然降雨。天然降雨的主要特性包括降雨分布的均匀性、降雨强度、雨滴直径大小、雨滴的终点速度等。目前大多数科学试验都是以上述降雨特征作为人工模拟降雨的评价标准[23]。在试验区域内用烧杯收集降雨并采用体积法测量雨量，计算降雨均匀度在85%以上，一般要求0.8以上[24]，部分能达到90%。实际降雨强度与设计降雨强度之差与设计降雨强度的比值为降雨强度误差，其值在5%以内。真实降雨雨滴直径通常为0.1~6.5 mm，本试验降雨强度为30~100 mm/h时，雨滴中数直径为1.32~2.05 mm[25]。天然降雨雨滴的终点速度为2.0~2.9 mm/s，研究表明降雨高度为7~8 m时，95%雨滴达到相应的终点速度[26]；高度大于4.3 m时，大雨滴达到终点速度的80%[27]；具有初速度的下喷式喷头，降雨高度达2 m时，不同直径的雨滴可以获得终点速度[25]。本装置采用喷嘴式喷头(具有初速度)，有效降雨高度为6 m，可以满足2.0~2.9 mm/s的终点速度。降雨试验场次设计采用雨强、粗糙度与放水流量的完全组合试验并重复试验一次，共4×4×5×2=160场降雨。
沿水槽自上而下设纵向水深观测断面3个，分别距槽顶1.0、2.0和3.0 m，每个观测断面横向设3个间距等分观测点(图 1)，即每个工况下测量9次水深，求平均值获得该工况下的平均水深。水深采用水位测针仪测定，精度为0.1 mm。断面表层流速采用KMnO4染色示踪法测定，选择水槽中部实验段3 m测量流速[28]，在水流表面滴入染色剂并记录时间与试验段距离，以此反映坡面流的表层流速，6次重复，求平均值获得该工况下的平均表层流速。
水动力学参数计算公式如表 1。
表 1 水力参数计算Table 1. Calculation of hydraulic parameters公式序号
Formula order No.公式Formula 符号及其意义Symbol and its meaning (1) u=qh u为断面平均流速，m/s；q为单宽流量，m3/(m·s)；h为实测断面平均水深，cm
u is mean velocity, m/s; q is unit discharge, m3/(m·s); h is measured flow depth, cm(2) α=uus α为流速修正系数；us为表层流速，m/s
α is velocity correction factor; us is velocity, m/s(3) u=ηq1−mJn m为流态指数; J为水流坡降，可近似取sin θ; θ为水槽坡度；η和n为拟合函数中的系数
m is flow-state indicator; J is hydraulic slope which closes to sin θ; θ is slope of flume; η and n are coefficient of the fitting function(4) Re=uRv Re为雷诺数；R为水力半径，m，薄层水流可视为二元流，水力半径近似等于断面平均水深h；υ为运动黏滞系数，cm2/s；υ=0.017 75/(1+0.033 7t+0.000 22t2)，t为水温，℃
Re is Reynolds number; R is hydraulic radius, m, overland flow is regarded as binary stream so R closes to h; υ is coefficient of kinematic viscosity, cm2/s. υ=0.017 75/(1+0.033 7t+0.000 22t2). t is water temperature, ℃(5) Fr=u√gh Fr为弗劳德数；g为重力加速度Fr is froude number and g is gravitational acceleration (6) f=8gRJu2 f为阻力系数f is resistance coefficient 3. 结果与分析
3.1 平均流速及流速修正系数
由流量计测得的流量与水槽宽度之比为单宽流量，不同工况下坡面流的平均流速可以通过公式(1)u=qh计算得到，即单宽流量与实测断面平均水深之比，平均流速精度为0.01 m/s，误差为5%。图 2为不同降雨强度下平均流速随单宽流量的变化规律，由图可知降雨时，水流的平均流速随着单宽流量的增大呈幂函数增加趋势，随粗糙度的增加而减小。一般认为，由于雨滴击溅作用产生的附加阻力会使流速减小，而在本试验坡度条件下，降雨对平均流速有增加作用，但是不同降雨强度影响间差异不明显，这可能与陡坡条件下雨滴动量沿坡面分量较大有关[13]。粗糙度和降雨强度相同时，单宽流量增大一倍时平均流速增加68.7%，说明单宽流量对平均流速影响显著。在无降雨条件下，平均流速增幅较为稳定，水流的平均流速随单宽流量的增加呈幂函数增加，随粗糙度的增加而减小。无降雨时水流平均流速与单宽流量和与粗糙度的定性关系与以往结果一致[15, 19-20]。
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图 2 不同降雨强度下平均流速变化规律Figure 2. Variation of average velocity under different rainfall intensities在本试验给定的降雨和坡面流条件下，流量和粗糙度对平均流速影响显著，降雨主要起到扰动坡面流的作用，有增大坡面平均流速的趋势。
流速修正系数表示坡面流平均流速(u)与表层流速(us)的比值，坡面薄层流的水深较薄，难以直接观测水流垂线流速分布，只能通过探究流速修正系数的变化规律间接研究流速的垂线分布。图 3为不同降雨条件下流速修正系数随平均流速的变化规律，由图可知，无降雨时，流速系数随着平均流速的增加而增加，流速修正系数范围为0.04~0.37，数值偏小，且粗糙度间的流速系数差异较小。说明无降雨时坡面流的流速梯度较大，流速分布不均匀，粗糙坡面对底层流速的阻碍作用明显。降雨时，流速修正系数取值范围为0.42~0.98，随着粗糙度的增大而增大，随着平均流速的增加而增加。降雨条件下的流速修正系数数值相对较大且分布较为分散，最大值接近1。
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图 3 不同降雨强度下流速系数的变化规律Figure 3. Variation of flow velocity coefficient under different rainfall intensities表 2为收集和整理的以往试验数据，由表 2可知，降雨时流速修正系数数值偏大，最大值将近1。降雨对坡面流表层水流产生击溅作用，薄层水流内部产生扰动。当降雨强度增大时，薄层流内部扰动越来越大，水流上下层的流速差异越来越小，流速梯度越小。所以，降雨时流速修正系数整体比无降雨条件下的大。
表 2 收集数据及试验数据概况Table 2. Overview of literature datasets and experimental data资料来源
Source of date中值粒径
Median size
(d50)/mm坡度
Slope degree
(J)/(°)降雨强度
Rainfall intensity
P/(mm·h-1)单宽流量
Unit discharges×
10-3(q)/(m2·s-1)水深
Depth of water
(h)/mm雷诺数
Reynolds
number (Re)流速修正系数
Velocity correction
factor (α)文献[13] Literature [13] 1.5~15 0 0.08、0.25 0.27~1.37 320~998 0.40~0.70 文献[13] Literature [13] 1.5~15 30 0.08、0.25 0.31~1.48 409~1 097 0.41~0.67 文献[29] Literature [29] 0.4、0.67 1.2 0 0.01~0.06 0.84~1.33 26~102 0.56~0.61 文献[30] Literature [30] 0.74 3.5、5.5 0 0.13~1.46 2.37~5.79 295~3 188 0.33~0.86 本文This paper 0.009~0.425 20 0 0.49~1.74 0.7~5.9 142~842 0.04~0.37 本文This paper 0.009~0.425 20 30、60、100 0.49~1.74 2.0~6.0 514~1 862 0.42~0.98 从流速修正系数角度同样可以得到粗糙度对流速影响显著，降雨主要起到扰动坡面流的作用。
3.2 流态指数
张宽地等[31]提出流态指数概念，m被认为是与流态相关的指数，流态指数反应了单宽流量对坡面水流流速的影响程度，即水流耗能的主要形式。m值范围在0到1之间，m值越大，水流能留转化为动能较少，此时以阻力做功为主，反之，则以水流转化为动能为主。
由表 3可知，本实验条件下，流态多数在过渡流区，少数处于层流区，流态指数范围为0.291~0.538，平均值为0.418。由表 3和图 4可知，无降雨时，流态指数随着粗糙度的增加而明显减小，随着粗糙度的增大其减小程度分别为21%、28%和39%；中小雨强时，流态指数无明显规律，雨强为30 mm/h时，变化程度分别为18%、-29%和12%，雨强为60 mm/h时，变化程度分别为12%、-17%和-16%；大雨强时，流态指数呈现出较为明显下降的趋势，随着粗糙度的增大其变化程度分别为-6%、1%和-11%。降雨扰动造成了流态的复杂性。坡面水流流态指数m值的影响因素比较复杂[1]，无降雨时，影响水流状态的主要因素为粗糙度，粗糙度较小时，水流水面失稳产生滚波，阻力作功耗能居主要地位，粗糙度较大时，坡面凹凸影响滚波发育，水流紊动强度较低，增加水流流速耗能居主要地位。中小雨强时，流态指数无明显规律，说明降雨是造成流态指数不稳定的关键因素(F=4.55>F0.05=3.86)(见表 4)，降雨对水面的击溅作用扰动水面，增加水流的紊动强度。大雨强时，流态指数呈现出较为明显下降的趋势。说明随着粗糙度的增加，水流从阻力做功耗能居主要地位发展到能量转化动能居主要地位，侧面反应出流速梯度逐渐增大，可能是由于陡坡条件下雨强的击溅对流速有促进作用。
表 3 各实验组次流态指数m的实测值Table 3. Measured m value of different experimental groups粗糙度Surface
roughness/mm降雨强度Rainfall intensity/(mm·h-1) 0 30 60 100 0.009 0.477 0.412 0.398 0.532 0.180 0.378 0.486 0.446 0.501 0.425 0.343 0.291 0.331 0.537 0.380 0.290 0.463 0.334 0.473 表 4 各实验组次流态指数m方差分析Table 4. Variance analysis of m of different experimental groups变异来源Source of variation SS df MS F F0.05 F0.01 粗糙度间Among surface roughness 0.021 3 0.006 9 1.895 3.86 6.99 雨强间Among rainfall intensities 0.050 3 0.016 5 4.549* 3.86 6.99 误差Error 0.033 9 0.003 6 总变异Total variation 0.104 15 注：SS表示平方和；MS表示平均平方和；F表示平方和之比；F0.05和F0.01表示显著水平。Notes: SS represents sum of square; MS represents average sum of square; F is ratio of SS; F0.05 and F0.01 represent significant levels. 无降雨时，在试验粗糙度范围内，较大试验坡度的流态指数随着粗糙度的增加而明显减小，这与张宽地等[1]研究中的变化趋势相同，粗糙度继续增大时流态指数是否增加有待进一步研究。分析本试验的流态指数变化趋势，降雨引起水面失稳并产生滚波，其可能会影响水流流态。潘成忠等[13]认为降雨对断面滚波数具有增加效应，而对波高和波长影响不显著。在坡面薄层水流试验中，滚波可能是进一步的研究重点。
3.3 水流流型流态
水流流区是指坡面内的紊动水能，分为层流区、过渡区和紊流区，根据雷诺数Re判断，水流流型是指坡面流是缓流、临界流还是急流，根据弗劳德数Fr判断[22]。张宽地等[31]综合考虑雷诺数和弗劳德数对水流流态的判断标准，Re=500、Re=2 000和Fr=1将水流分为6区流态(图 5)，分别是缓层流、缓过渡流、缓紊流、急层流、急过渡流和急紊流。将判断流态的雷诺数和判断流型的弗劳德数综合体现于一张图中，能够更为清晰地说明降雨、粗糙度和流量对坡面流状态的综合影响。
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图 5 不同降雨条件下水流流态分区A.缓紊流区; B.缓过渡流区；C.急紊流区；D.缓层流区；E.急过渡流区；F.急层流区。Figure 5. Flow state zoning under different rainfall conditionsA, subcritical turbutent flow; B, subcritical transition flow; C, supercritical turbulent flow; D, subcritical laminar flow; E, supercritical transition flow; F, supercritical laminar flow.陡坡时，在降雨和坡面流胁迫下，水流雷诺数为500~2 000，水流流态均属于层紊流过渡区，且多数属于急流区，少数属于缓流区。说明较大坡度增大了重力方向的分力，水流耗能主要以增加流速为主[13]。图 5a中，ks=0.425 mm时，雷诺数数值上是层流，然而实际中存在滚波现象，不符合“层层不混搀”的层流特性，因而属于“伪层流”[4]。模拟降雨条件下的薄层水流流态与流量密切相关，随着流量的增加，水流流态由层流区向过渡流区延伸[31]。
由图 5可知，粗糙度对坡面薄层流流态起重要作用。无雨时，坡面颗粒越大水流越趋近缓流，这与敬向锋等[22]得到的“床面越粗糙坡面流流态越倾向于向层流区延伸”结果一致。在水流运动过程中，遇到颗粒产生绕流，绕流过程中流速方向改变，流速大小减小，动能减少而阻力作功增加，粗糙程度越大，坡面对水流流动形成的阻力越大，流速减缓越显著。降雨时，粗糙度与流态不再具有相关关系。说明降雨对坡面流的击溅作用使薄层流产生扰动，所以水流流态均不处于层流区，多数处于急过渡流区，扰动程度相对削弱粗糙度对流态的影响。
与无降雨的坡面流相比，有降雨水流更趋向急流，说明降雨起到增加流速的作用。一般认为，由于雨滴击溅作用产生的附加阻力会使流速减小，张宽地等[1]通过试验认为在坡度较大(大于10.5%)条件下，基本上降雨均不同程度地增大表层流速，这与本试验结果一致，可能主要是因为陡坡条件下雨滴动量沿坡面的分量较大有关，能量更多地转化为动能。雨强越大，能够转化为动能的能量越多。
3.4 阻力特征
本试验在降雨条件下通过砂纸模拟下垫面，阻力规律只考虑颗粒阻力和降雨阻力的综合体现。
由图 6可知，坡面薄层流阻力系数与雷诺数呈负相关关系，随着雷诺数的增加阻力系数逐渐减小，且减小的幅度越来越小，最后趋于稳定。说明随着流量的增大，水流克服阻力所消耗的能量增加，而用于坡面侵蚀的能量减小。随着流量的增大，水深增加到一定程度后，坡面水砂纸处于完全淹没状态，由于水砂纸引起的坡面粗糙无法影响到主流区，该工况下阻力系数与雷诺数无关，而是趋近于一个常数。
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图 6 不同降雨条件下阻力系数与雷诺数的关系Figure 6. Relationship of resistance coefficient and Reynolds number under different rainfall conditions降雨对坡面水流阻力系数的影响目前并无定论，吴普特等[32]认为降雨减少水流摩阻系数，但潘成忠等[13]认为降雨对坡面阻力系数无显著影响。本实验中与有降雨相比，无降雨时的阻力系数相对稳定，无明显波动。说明本实验条件下，降雨对坡面阻力系数的影响不显著，降雨主要起到扰动坡面流的作用。进一步地，采用逐步回归分析，定量研究糙度(ks)、单宽流量(q)和降雨强度(P) 3个影响因子对坡面流的阻力贡献率，计算结果见表 5。其中，降雨强度被排除，表明其对阻力系数无显著影响；由自变量系数可知，坡面流阻力系数与粗糙度呈正相关，与单宽流量呈负相关，这与上述的讨论相符合。
表 5 达西阻力系数影响因子的逐步回归分析Table 5. Stepwise regression of impact factors of resistance coefficient模型Model 相关变量Related variable 标准系数
Standardized coefficient自变量系数
Independent variable coefficient标准误差Standard error 常量Constant value 3.022 0.611 粗糙度Surface roughness 10.772 1.454 0.533 单宽流量Unit discharge -3 122.434 488.542 -0.460 已有研究成果表明，当颗粒阻力起主要作用时，阻力系数与雷诺数的幂函数关系 f=aRbe 才成立[10]，为进一步研究降雨强度对坡面流阻力的影响，将本试验模拟降雨条件下裸坡薄层流数据进行拟合，得到阻力计算公式。
f′=2108.19R−1.227eP0.257,R2=0.3977 (7) 将降雨强度的因式去除，拟合得到阻力计算公式。
f′=5938.16R−1.227eP0.257,R2=0.3976 (8) 式中：f′为阻力系数；P为降雨强度(mm/h)。
对比式(7)和式(8)，剔除雨强后，相关系数下降0.01%，说明降雨对坡面阻力系数的影响不显著，降雨主要起到扰动坡面流的作用。王俊杰在模拟降雨条件下得到相关系数下降了7.76%，雨强对于阻力系数的影响不能忽视[21]。这可能是由于下垫面因素不同，与降雨强度大小可能也有关系，降雨对坡面流的作用有待进一步研究。
4. 结论
本实验通过开展陡坡不透水下垫面条件下的模拟人工降雨和水槽放水冲刷试验，基于流态指数和紊动能量耗散规律，定性分析了降雨和坡面流共同作用下的坡面薄层流水动力学特性，得到以下结论。
1) 水流的平均流速随着单宽流量的增大呈幂函数增加，随粗糙度的增加而减小。粗糙度和单宽流量相同时，降雨强度增大一倍引起平均流速的变化程度为15.6%。粗糙度和降雨强度相同时，单宽流量增大一倍引起平均流速的变化程度为68.7%。无降雨时，流速系数随着平均流速的增加而增加，流速系数范围为0.04~0.37，粗糙度间的流速系数差异较小。降雨时，流速系数取值范围为0.42~0.98，随着粗糙度的增大而增大，随着平均流速的增加而增加。降雨条件下的流速修正系数数值相对较大且分布较为分散，最大值接近1。试验降雨下对坡面流起到扰动作用，有增大坡面平均流速的趋势。
2) 流态指数范围为0.291~0.538，无降雨时，流态指数随着粗糙度的增加而明显减小，其减小程度分别为21%、28%和39%；中小雨强时，流态指数无明显规律，雨强为30 mm/h时，变化程度分别为18%、-29%和12%，雨强为60 mm/h时，变化程度分别为12%、-17%和-16%；大雨强时，流态指数呈现出较为明显下降的趋势，其变化程度分别为-6%、1%和-11%。粗糙度继续增大时流态指数是否增加有待进一步研究。降雨引起水面失稳并产生滚波会影响水流流态，所以进一步的坡面薄层水流试验中滚波研究是不可忽略的一部分。
3) 水流雷诺数为500~2 000，所有实验工况下水流流型均属于层紊流过渡区；水流流态整体趋于急流状态；无雨时，粗糙度与流态关系明显，其值越小水流越趋近急流，而降雨时，由于降雨的扰动作用二者不再具有相关关系。
4) 定量研究糙度(ks)、单宽流量(q)和降雨强度(P)3个影响因子对坡面流的阻力贡献率，表明降雨对阻力系数无显著影响，坡面流阻力系数与粗糙度呈正相关关系，与单宽流量呈负相关关系，裸坡条件下考虑雨强影响的坡面流阻力计算公式与剔除雨强的公式相比，相关系数下降0.01%，说明降雨对阻力系数无显著影响，主要起到扰动坡面流的作用。另有研究表明模拟降雨条件下的相关系数下降了7.76%，雨强对于阻力系数的影响不能忽视。所以降雨对坡面流的作用有待进一步研究。
坡面薄层流是坡面径流的初始阶段和侵蚀演变的初始动力，本试验为深入研究降雨和坡面流共同作用下的坡面薄层流水动力学特性提供科学依据，对土壤侵蚀预报模型、水土流失治理方法、泥沙灾害及环境工程等问题均有重要的科学及实践意义。
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图 1 牛姆林样地布设示意图
白色框为40 m × 40 m的样地，共19个；黄色虚线将其划分为20 m × 20 m小样地，共76个。The white boxes are 40 m × 40 m sample plots, 19 in total, and the yellow dotted line divides sample plot into 20 m × 20 m quadrats, 76 in total.
Figure 1. Layout map of Niumulin sample plot
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图 3 牛姆林样地的物种多度累积曲线
Figure 3. Species abundance accumulation curve of Niumulin sample plot
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图 4 牛姆林样地DBH ≥ 1 cm木本植物径阶分布
1级DBH为1 ~ 5 cm，2级DBH为5 ~ 9 cm，3级DBH为9 ~ 13 cm，4级DBH为13 ~ 17 cm，5级DBH为17 ~ 21 cm，6级DBH为21 ~ 25 cm，7级DBH为25 ~ 29 cm，8级DBH为29 ~ 33 cm，9级DBH为33 ~ 37 cm，10级DBH为37 ~ 41 cm，11级DBH ≥ 41 cm。采用上限排外法。下同。1st class, DBH from 1 to 5 cm; 2nd class, DBH from 5 to 9 cm; 3rd class, DBH from 9 to 13 cm; 4th class, DBH from 13 to 17 cm; 5th class, DBH from 17 to 21 cm; 6th class, DBH from 21 to 25 cm; 7th class, DBH from 25 to 29 cm; 8th class, DBH from 29 to 33 cm; 9th class, DBH from 33 to 37 cm; 10th class, DBH from 37 to 41 cm; 11th class, DBH ≥ 41 cm. The upper limit exclusion method is adopted. The same below.
Figure 4. DBH class distribution of woody plant with DBH ≥ 1 cm in Niumulin sample plot
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图 5 牛姆林样地3种优势树种的径阶结构
Figure 5. DBH class structure of three dominant tree species in Niumulin sample plot
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图 6 牛姆林样地木本植物高度级分布
1级高度为0.5 ~ 3.5 m，2级高度为3.5 ~ 6.5 m，3级高度为6.5 ~ 9.5 m，4级高度为9.5 ~ 12.5 m，5级高度为12.5 ~ 15.5 m，6级高度 ≥ 15.5 m。1st level, height from 0.5 to 3.5 m; 2nd level, height from 3.5 to 6.5 m; 3rd level, height from 6.5 to 9.5 m; 4th level, height from 9.5 to 12.5 m; 5th level, height from 12.5 to 15.5 m; 6th level, height ≥ 15.5 m.
Figure 6. Distribution pattern of height classes for woody plants in Niumulin sample plot
表 1 牛姆林样地物种组成
Table 1 Species composition of Niumulin sample plot
类别 Category 科数量（占比）
Family number (proportion)属数量（占比）
Genus number (proportion)种数量（占比）
Species number (proportion)裸子植物 Gymnosperms 2 （5.56%） 2 （3.13%） 2 （1.65%） 被子植物 Angiosperms 34 （94.44%） 62 （96.87%） 119 （98.35%） 单子叶植物 Monocotyledons 1 （2.78%） 1 （1.56%） 1 （0.83%） 双子叶植物 Dicotyledons 33 （91.66%） 61 （95.31%） 118 （97.52%） 合计 Total 36 64 121 
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表 2 牛姆林样地重要值排名前10的物种
Table 2 Top 10 ranking species in terms of importance value in Niumulin sample plot
物种
Species重要值
Important value相对显著度
Relative prominence相对多度
Relative abundance相对频度
Relative frequency米槠 Castanopsis carlesii 0.095 0.185 0.075 0.026 马尾松 Pinus massoniana 0.088 0.251 0.003 0.010 细枝柃 Eurya loquaiana 0.082 0.019 0.202 0.026 罗浮柿 Diospyros morrisiana 0.068 0.067 0.111 0.026 毛竹 Phyllostachys pubescens 0.051 0.063 0.064 0.025 拉氏栲 Castanopsis lamontii 0.045 0.112 0.006 0.017 栲树 Castanopsis fargesii 0.041 0.093 0.011 0.020 木荷 Schima superba 0.040 0.063 0.032 0.025 黄丹木姜子 Litsea elongata 0.020 0.005 0.032 0.025 黄绒润楠 Machilus grijsii 0.019 0.003 0.030 0.025 合计 Total 0.550 0.859 0.566 0.225
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表 3 牛姆林树木个体数排名前10的科、属、种
Table 3 Top 10 ranking families, genera, and species in terms of number of individuals in Niumulin sample plot
科
Family个体数
Number of individual属
Genus个体数
Number of individual种
Species个体数
Number of individual山茶科 Theaceae 4 592 柃木属 Eurya 3 524 细枝柃 Eurya loquaiana 3 504 樟科 Lauraceae 2 545 锥属 Castanopsis 2 137 罗浮柿 Diospyros morrisiana 1 925 壳斗科 Fagaceae 2 252 柿属 Diospyros 1 930 米槠 Castanopsis carlesii 1 303 柿科 Ebenaceae 1 930 山矾属 Symplocos 1 382 毛竹 Phyllostachys pubescens 1 109 山矾科 Symplocaceae 1 382 刚竹属 Phyllostachys 1 109 木荷 Schima superba 557 禾本科 Gramineae 1 109 润楠属 Machilus 749 黄丹木姜子 Litsea elongata 549 茜草科 Rubiaceae 782 木姜子属 Litsea 628 黄绒润楠 Machilus grijsii 527 冬青科 Aquifoliaceae 463 樟属 Cinnamomum 625 密花山矾 Symplocos congesta 402 虎耳草科 Saxifragaceae 392 木荷属 Schima 557 峨眉鼠刺 Itea oblonga 392 杜英科 Elaeocarpaceae 311 新木姜子属 Neolitsea 528 闽粤栲 Castanopsis fissa 381 合计 Total 15 758 合计 Total 13 169 合计 Total 10 649
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表 4 牛姆林各样地林分结构特征
Table 4 Characterization of stand structure for each sample plot in Niumulin
样地
Sample plot物种数
Number of species个体密度/（株数·hm−2）
Density of individual/
(plant ·ha−1)单位面积胸高
断面积/（m2·hm−2）
Basal area per unit
stand area/(m2·ha−1)单位面积蓄积量 ×
10−4/（m3·hm−2）
Volume per unit
area × 10−4/(m3·ha−1)单位面积生物量/（t·hm−2）
Biomass per unit
area/(t·ha−1)1 58 4 337.50 ± 1 877.11bc 44.93 ± 30.97a 6.86 ± 5.56a 301.15 ± 246.78a 2 58 3 493.75 ± 516.95c 32.26 ± 14.11a 5.48 ± 3.86a 227.70 ± 132.92a 3 64 4 787.50 ± 597.74bc 61.35 ± 9.34a 8.31 ± 1.97a 485.38 ± 88.82a 4 65 5 168.75 ± 969.83bc 41.25 ± 14.16a 5.94 ± 2.24a 308.84 ± 115.85a 5 60 5 412.50 ± 782.76abc 23.81 ± 10.71a 2.85 ± 1.86a 167.20 ± 102.36a 6 64 5 037.50 ± 2 220.22bc 30.37 ± 11.59a 4.08 ± 1.76a 224.52 ± 48.56a 7 67 6 762.50 ± 1 295.59abc 37.40 ± 12.68a 4.39 ± 1.84a 277.92 ± 135.71a 8 68 5 931.25 ± 1 409.69abc 31.69 ± 13.52a 3.88 ± 1.92a 223.07 ± 123.04a 9 67 5 837.50 ± 1 364.81abc 25.88 ± 7.72a 3.20 ± 1.57a 192.38 ± 68.51a 10 72 7 412.50 ± 1 894.78ab 31.47 ± 7.21a 4.21 ± 1.71a 213.95 ± 153.76a 11 53 4 656.25 ± 1 072.26bc 24.40 ± 9.55a 2.76 ± 1.30a 153.74 ± 94.09a 12 57 6 443.75 ± 605.66abc 57.51 ± 15.02a 8.65 ± 2.47a 436.35 ± 144.96a 13 55 5 256.25 ± 735.80bc 41.86 ± 15.37a 6.03 ± 2.63a 311.34 ± 172.90a 14 61 7 337.50 ± 1 925.43ab 57.35 ± 16.89a 8.70 ± 4.47a 412.09 ± 136.76a 15 64 6 562.50 ± 1 621.92abc 35.60 ± 10.95a 4.56 ± 2.18a 287.59 ± 38.23a 16 71 6 375.00 ± 857.08abc 31.33 ± 21.60a 5.56 ± 5.79a 197.60 ± 210.46a 17 70 8 556.25 ± 1 238.68a 30.73 ± 13.09a 3.93 ± 2.04a 214.40 ± 130.08a 18 63 5 193.75 ± 1 204.92bc 36.15 ± 19.54a 4.89 ± 2.16a 304.08 ± 216.58a 19 63 4 087.50 ± 607.08bc 25.91 ± 7.40a 3.65 ± 1.67a 206.57 ± 74.47a 均值 Mean 63.15 5 718.42 ± 1 687.58 36.91 ± 17.05 5.15 ± 3.11 270.84 ± 151.04 注：同一列中不同小写字母表示差异显著（p < 0.05）。Note: different lowercase letters in same column indicate significant differences (p < 0.05).
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