杏樹林冠降水截留效應(yīng)及其模擬研究*

任亮,任樹梅,楊培嶺,李仙岳,3

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,北京100083;2.水利部 綜合事業(yè)局,北京100053;3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),呼和浩特 010018)

京郊果林不僅是北京農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的重要組成部分,而且對北京生態(tài)建設(shè)的重要性不可忽視。果林的水文生態(tài)功能是北京市生態(tài)系統(tǒng)功能的一個重要方面,水在果林生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)與分配整合了能量流動和養(yǎng)分循環(huán)等生態(tài)過程[1],其中水源涵養(yǎng)和水土保持是果林生態(tài)系統(tǒng)作用中人們最為關(guān)注的服務(wù)功能,果林對大氣降雨的再分配是其水文效應(yīng)中的重要環(huán)節(jié)。降雨進(jìn)入果林后進(jìn)行了一連串的再分配過程:形成穿透降雨、樹干徑流、樹冠截留,降雨的分配過程受到降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時、樹冠情況及樹種、樹齡、林分密度等多種因素的影響和制約[2-3]。

近30年來,國內(nèi)很多學(xué)者采用數(shù)學(xué)方法對林冠降雨截留進(jìn)行了模擬研究,主要集中在熱帶季節(jié)雨林、溫帶油松人工林、江河上游人工林等,通過經(jīng)驗(yàn)、半理論和理論模型[4-8]對針葉林、落葉闊葉林和混交林的降雨截留規(guī)律已作較深入的研究,但對溫帶半干旱地區(qū)果林截留特征報道甚罕。在我國北方半干旱地區(qū),果林樹冠的截留耗水是果園耗水中不可忽略的部分,它影響果園土壤水分的運(yùn)移和分配規(guī)律。本文通過研究杏樹果林對不同雨量單場降雨的截留分配效應(yīng),探討不同降水事件下杏樹果林對降水的攔截能力及差異,嘗試建立盛果期杏樹林冠截留的統(tǒng)計模型和Horton概念模型,就林冠對降水的分配機(jī)理與林冠截留之間的關(guān)系展開系統(tǒng)研究,以期對降雨高效利用的節(jié)水灌溉提供有關(guān)的指導(dǎo)。

1 研究地概況和研究方法

1.1 研究地概況

北京市屬北溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候,春天干旱多風(fēng),夏季炎熱多雨,秋季多風(fēng)少雨,冬季寒冷干燥。多年平均降雨量為595 mm,80%的降雨集中在 6-8月,7-8月常有暴雨,年平均氣溫11.8℃,年日照時數(shù)2 684 h,年平均積溫4 600℃,全年無霜期210 d左右,多年平均風(fēng)速2.6 m/s。

研究所選的杏樹(Apricot)林樣地設(shè)在北京市海淀區(qū)四季青經(jīng)濟(jì)果樹種植園內(nèi)(39°54′N,116°23′E,海拔43.5 m),1996年定植于果園中,采用定行距密株的種植方式(行距4 m,株距3.5 m),杏樹的平均高度為(3.11±0.20)m,平均胸徑為(13.10±1.22)cm,同行林冠郁閉度達(dá)到0.7,在行間沒有種植其他作物。

1.2 研究方法

在單場降雨情況下,林冠水量平衡關(guān)系為[3]:

式中 :P ——林外降雨 ;Ic——林冠截留量 ;T f——穿透降雨;St——樹干徑流。

本研究中觀測項(xiàng)目為林外降雨、穿透降雨和樹干徑流,觀測時間從2008年6月1日到2008年9月30日,這一時期是北京的雨季,降雨非常密集,并且杏樹枝葉茂盛,有一定的截留能力。

1.2.1 林外降雨測定 在林地邊緣的空曠地上,布設(shè)自動氣象站,連續(xù)記錄觀測期內(nèi)的降雨及其他氣象資料,同時在空曠林地用標(biāo)準(zhǔn)雨量筒觀測降雨,作為對照以便進(jìn)行對比分析。

1.2.2 穿透降雨測定 根據(jù)公式n=N/(1+Nα2/σ2),N=A/A′計算出試驗(yàn)區(qū)需要的雨量計個數(shù),式中:n——所需的雨量計個數(shù);N——抽取樣本所代表的區(qū)域大小;α——精度;σ——變異系數(shù);A——試驗(yàn)區(qū)面積(m2);A′——雨量計受雨口面積(m2),隨機(jī)布置雨量計位置[9],每次降雨后及時測量,并清除落入的葉片和雜物。

1.2.3 樹干徑流測定 杏樹長勢均勻,通過大量調(diào)查,樹干胸徑為12.41～14.32 cm,所以在試驗(yàn)區(qū)選取6株樣樹,在距樹干基部30 cm安裝鐵皮環(huán)狀收集槽,用導(dǎo)水管將截持的降水收集在雨量筒中,降雨后及時測定樹干截持雨量。取得總量后,用樹冠投影面積計算單位面積林冠的樹干徑流量。

1.2.4 樹冠截留量的計算 根據(jù)測定得林外降雨、穿透降雨、樹干徑流,由公式(1)得:

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征

2008年6月1日到9月30日期間,共觀測到26次大氣降水,平均每4.6 d就有1次降雨,降水總量為528.9 mm,平均每次降雨量為20.3 mm。降水事件按大小的分布頻率(表1)中,雨量級為20～30 mm的降雨量最多,占總降雨次數(shù)的23.1%。觀測期間小雨(24 h降雨量≤9.9 mm)的次數(shù)為11次,中雨(24 h降雨量10.0～24.9 mm)為6次,大雨(24 h降雨量≥25.0 mm)為9次,大雨降雨量占到這一時期總雨量的72.2%。6-9月降雨量(見表2)分別為114.0 mm 、134.6 mm 、209.2 mm 、71.1 mm,其中 7-8 月份24 h降雨量≥20.3 mm(次降雨均值)為7次,6、9月只有4次。可以見,7、8月份次降雨量較大,也符合北京7、8月多大暴雨的氣候規(guī)律。

表1 各級降雨的分配

2.2 林內(nèi)降雨

林內(nèi)降雨包括穿透降雨和樹干徑流。觀測時段內(nèi),實(shí)測穿透降雨總量為440.0 mm,樹干徑流總量為4.2 mm,分別占觀測降雨總量的83.2%、0.8%。林冠穿透率在不同的雨量級差異明顯,當(dāng)林外降雨＜1 mm時沒有產(chǎn)生穿透降雨,林冠幾乎截留所有的降雨,當(dāng)雨量級逐漸增大時,穿透率隨之直線上升,雨量級＜5 mm時,穿透率保持在 50%以下,雨量級＞5 mm時,穿透率有跳躍式增加,達(dá)到77.1%。根據(jù)26次實(shí)測資料分析,穿透雨量、穿透率與林外降雨量的關(guān)系,分別如圖1-2。

圖1 穿透量與林外降雨關(guān)系

可見林內(nèi)穿透降雨與林外降雨具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。由公式可看出,當(dāng)林外降雨量達(dá)到1.63 mm時,才能產(chǎn)生穿透降雨,這與實(shí)際觀測的結(jié)果基本符合。穿透率與林外降雨的關(guān)系,呈顯著的對數(shù)關(guān)系,當(dāng)林外降雨＜15 mm時,穿透率隨著林外降雨量的增大而急劇增大,當(dāng)林外降雨＞15 mm時,穿透率基本保持在80%左右,見圖2。

由表1可知,樹干徑流占林外降雨量的比例非常小,為0～0.8%,當(dāng)林外降雨＜1 mm 時,沒有產(chǎn)生樹干徑流。實(shí)測的數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)林外降雨達(dá)到1.3 mm時,就能觀測到樹干徑流,較其他樹種的研究,杏樹樹干易于產(chǎn)生徑流,這與杏樹樹干的結(jié)構(gòu)和樹皮的性質(zhì)有一定的關(guān)系。樹干徑流與林外降雨也有密切的關(guān)系,徑流率隨著雨量級的增大而增大,雨量級＜5 mm時,樹干徑流率保持0.3%以下,雨量級＞5 mm時,徑流率基本保持在0.8%左右。由此可見,樹干徑流在整個降雨過程中占的比率很小,就對果樹生理需要而言作用甚微,所以一般情況下,可以忽略樹干徑流的影響。

2.3 林冠截留

林冠對大氣降雨的截留緩沖是水分輸入森林進(jìn)行的第一次分配,通過這次分配,降雨到達(dá)地面的數(shù)量、速度、時間均發(fā)生了變化[10]。林冠的截留能力是有限的,林冠截留量也受到林冠結(jié)構(gòu)、前期降水、雨量及雨強(qiáng)等因素的影響。觀測時段內(nèi),通過水量平衡計算的截留總量為85.1 mm,占觀測降雨總量的16.0%。分析截留資料,發(fā)現(xiàn)林冠截留量與林外降雨量可以由冪函數(shù)關(guān)系式表征(如圖3):

圖2 穿透率與林外降雨關(guān)系

圖3 林冠截留量與林外降雨關(guān)系

在林冠截留降雨達(dá)到飽和以前,林冠截留量隨著降雨量的增加而不斷增加,但增加的比率越來越小,直到趨近于林冠最大持水量,并最終達(dá)到飽和。所以,林冠截留量與林外降雨量呈冪函數(shù)關(guān)系。杏樹林冠的飽和持水量為7～8 mm,反映了林冠截留降雨的有限性。由表1可見,當(dāng)雨量級＜5 mm時,一半以上的降雨被林冠截留,并最終蒸發(fā)損失;當(dāng)雨量級在5.0～20.0 mm時,林冠截留了25%左右的降雨,實(shí)際到達(dá)地面的降雨為3.75～15 mm,有較大損失,對于大面積果園的節(jié)水灌溉,這部分的林冠截留不能忽略;當(dāng)雨量級＞20 mm時,林冠截留率在18%以內(nèi),并隨著雨量級的增大而逐漸減小,而這一級別的降雨可以有效緩解旱情,少量的林冠截留顯得并不十分重要。由表2可以看出,7-8月的截留率比6月、9月小,這是因?yàn)檠芯繀^(qū)6月、9月降水以小雨為主,很少有大暴雨發(fā)生,能夠充分發(fā)揮冠層的截留作用。由上述分析可見,林冠截留不能輕易忽略,尤其雨量級較小但能起到一定緩解旱情作用時,由于截留損失,降雨將不能及時補(bǔ)充果林所需水分,這就需要結(jié)合人工灌溉。深入研究截留量與降雨量之間的關(guān)系,并建立適于杏樹林冠截留的模型,對于果林節(jié)水灌溉具有一定的指導(dǎo)意義。

3 林冠截持降雨概念模型的建立

我國地域廣闊,地區(qū)氣候差異較大,轉(zhuǎn)化成林冠截持降雨的模型也有很大不同。林冠截留概念模型是認(rèn)識林冠截留物理學(xué)過程的重要手段。在眾多概念模型中,Horton模型及其改進(jìn)式按照截留機(jī)理,把截留量可分解為吸附截留和樹體表面蒸發(fā)導(dǎo)致的附加截留[11],較好地描述了樹冠截留機(jī)制和過程,克服了統(tǒng)計模型參數(shù)物理意義不明確或與氣象數(shù)據(jù)結(jié)合不緊密等缺點(diǎn),具有較好的應(yīng)用前景。Horton模型(式3)將吸附容量簡化成一個常數(shù),不適用于小雨量降雨事件,后來逐漸發(fā)展成了式(4)的形式[3,12-13]。王彥輝等人[14]對式(4)進(jìn)行了必要的簡化,提出了適合我國不同林分的次降雨截留模型式(5):

表2 杏樹林分不同月份降雨量和分配率

式中:Ic——次降雨截留量;I*cm——以林冠投影面積上的水層厚度表示的林冠吸附降雨容量;P——次降雨量;e——濕潤樹體表面蒸發(fā)強(qiáng)度;r——樹體表面積(包括葉和枝干)與樹冠投影面積的比值;T——降雨歷時;α——降雨蒸發(fā)率。

之所以將式(4)中的附加截留量簡化為式(5)中次降雨的比例,是因?yàn)椴灰诇y得樹體表面積動態(tài)數(shù)據(jù)以及常規(guī)氣象數(shù)據(jù)中缺乏次降雨歷時數(shù)據(jù)。簡化后,可以利用常規(guī)的氣象數(shù)據(jù),進(jìn)行樹冠截留功能的區(qū)域模擬和評價。以式(5)作為模型,利用標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計程序SPSS進(jìn)行模型的參數(shù)估計。對實(shí)測的26次降雨量P和次降雨截留量Ic進(jìn)行擬合,得到下式:

圖4 杏樹果林冠層截留模擬值與觀測值的比較

4 結(jié)論與討論

林冠截留量不僅受各種氣象因子的影響,而且與冠層密度、厚度、雨前冠層干燥度、葉面的持水能力、林冠結(jié)構(gòu)特征等樹冠性質(zhì)的關(guān)系緊密[15],因而比較復(fù)雜。通過對北京雨季26次觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析表明:

(1)林內(nèi)降雨與林外降雨具有顯著的正相關(guān)關(guān)系,穿透率隨著雨量級的增大而增大,雨量級＞5 mm時,穿透率有跳躍式增加,隨后趨于穩(wěn)定,穿透率和林外降雨量呈顯著的對數(shù)關(guān)系。樹干徑流的產(chǎn)生和樹的分枝角度、冠幅、樹皮的儲水能力、降雨強(qiáng)度等有關(guān)系[16]。杏樹容易產(chǎn)生樹干徑流,但產(chǎn)流較少,這與杏樹樹皮的儲水能力較低和分枝角度較大有直接關(guān)系,當(dāng)雨量級＞5 mm時,徑流率基本穩(wěn)定在0.8%。

(2)林冠截留量與林外降雨量呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系,當(dāng)林冠遇到大雨和暴雨時不能充分發(fā)揮林冠的截留能力,所以體現(xiàn)出大暴雨較多的7月、8月截留率明顯小于6月、9月截留率。實(shí)際的截留過程中,由于受雨強(qiáng)、降雨時長、枝葉表面蒸發(fā)等因子的影響,實(shí)際截留量隨著降雨量的增加而緩慢增加并趨于平穩(wěn),當(dāng)降雨量＞7 mm時,杏樹截留率趨于穩(wěn)定。當(dāng)降雨量＜20 mm時,林冠截留對降雨產(chǎn)生了較大影響,林內(nèi)降雨量小于林外降雨量的75%,這對果樹實(shí)際的水分補(bǔ)給產(chǎn)生了一定影響,即林冠截留不能輕易忽略,節(jié)水灌溉中應(yīng)考慮截留損失。

(3)研究表明,Horton模型在實(shí)際截留量＜4 mm時,對單次降雨截留量有較好的模擬,當(dāng)實(shí)際截留量＞4 mm時,模擬值偏小,從階段總截留量來看,Horton模型做了較好的模擬,模擬總量和實(shí)測總量較為接近,能夠較準(zhǔn)確估算杏樹林冠對單次降雨的截留量,指導(dǎo)杏樹的節(jié)水灌溉。其中Horton模型中附加截留量由于受風(fēng)速、雨前冠層干燥度、溫度等因素的影響,導(dǎo)致部分單次截留量模擬出現(xiàn)較大誤差,能否將更多影響單次截留量因素融入模型,從而更精確地反映實(shí)際林冠截留的過程和結(jié)果,還需要進(jìn)一步深入的探討。

[1] Anna A,Anselm R.Trace metal fluxes in bulk deposition,through-fall and stem-flow at twoevergreen oak stands in NE Spain subject to different exposure to the industrial environment[J].Atmospheric Environment,2004,38:171-180.

[2] 王禮先,解明曙.山地防護(hù)林水土保持水文生態(tài)效益及其信息系統(tǒng)[M].北京:中國林業(yè)出版社,1997.

[3] 中野秀章.森林水文學(xué)[M].北京:中國林業(yè)出版社,1983.

[4] Calder,I R.A stochastic model of rainfall interception[J].J.Hydrol.,1986,89:65-71.

[5] Asdak C,Jarvis P G,van Gardingen P,et al.Rainfall interception loss in unlogged and logged forest areas of Central Kalimantan,Indonesia[J].Journal of Hydrology,1998,206:237-244.

[6] 王佑民.我國林冠降水再分配研究綜述(I)[J].西北林學(xué)院學(xué)報,2000,15(3):1-7.

[7] 王佑民.我國林冠降水再分配研究綜述(Ⅱ)[J].西北林學(xué)院學(xué)報,2000,15(4):1-5.

[8] Chappell N A,Bidin K,Tych W.Modeling rainfall and canopy controls on net precipitation beneath selectively logged tropical forest[J].Plant Ecology,2001,153:215-229.

[9] 張一平,王馨,王玉杰,等.西雙版納地區(qū)熱帶季節(jié)雨林與橡膠林林冠水文效應(yīng)比較研究[J].生態(tài)學(xué)報,2003,23(12):2653-2665.

[10] 劉世榮,溫遠(yuǎn)光,郭泉水,等.中國森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)功能規(guī)律[M].北京:中國林業(yè)出版社,1996.

[11] 黨宏忠,董鐵獅,趙雨森.紅松林冠對降水的截留特征[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007,35(10):4-6.

[12] 姚麗華.森林降水截留的研究近況[J].河北林學(xué)院學(xué)報,1988,3(1):103-113.

[13] Aston A R.Rainfall interception by eight small trees[J].Hydrol.,1979,42:383-396.

[14] 王彥輝,于澎濤,徐德應(yīng),等.林冠截留降雨模型轉(zhuǎn)化和參數(shù)規(guī)律的初步研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,1998,20(6):25-30.

[15] 王禮先,張志強(qiáng).森林植被變化的水文生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展[J].世界林業(yè)研究,1998,20(6):14-22.

[16] 萬師強(qiáng),陳靈芝.東靈山地區(qū)大氣降水特征及森林樹干徑流[J].生態(tài)學(xué)報,2000,20(1):61-67.