重慶四面山暖性針葉林林冠截留及其影響因素1)

張 焜 張洪江 程金花 張靜雯 王 賢 宋 楠

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

林冠截留作用能夠使降水到達(dá)地面的數(shù)量減少，時(shí)間延緩，降水能量減弱，從而削弱了降水對(duì)土壤直接的濺蝕和徑流對(duì)土壤的沖刷，使得地表徑流量減少，徑流速度減慢，起到了削減洪峰流量和涵養(yǎng)水源的生態(tài)效應(yīng)。因此，林冠截留對(duì)林地的水土保持具有重要意義［1-4］。筆者對(duì)四面山暖性針葉林林冠截留的影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，并闡述了林冠截留和降雨量之間的關(guān)系，為評(píng)價(jià)三峽庫(kù)區(qū)暖性針葉林的森林水文作用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

四面山位于重慶市江津區(qū)南部，江津區(qū)四面山管理局轄區(qū)面積 213.37 km2，東經(jīng) 106″17'～106″30'，北緯 28″31'～28″43'，系云貴高原大婁山北側(cè)余脈。在地形上屬于中山，最高海拔1 709 m，為四川盆地川東褶皺帶與貴州高原大婁山的過(guò)渡地帶。

四面山屬于中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年日照時(shí)數(shù)867 h，無(wú)霜期為285 d。多年平均氣溫13.7℃，月平均最高氣溫(8月份)達(dá)31.5℃，月平均最低氣溫(1月份)為-5.5℃，海拔每上升100 m，氣溫遞減0.58℃。年均降水量1 522.3 mm，雨季集中在5—9月，占年平均降水量的62.7%。降雨量變化較大，海拔每上升100 m，降雨量遞增43.3 mm。海拔在500～1 700 m。

四面山水資源豐富，水資源由茶壩河、飛龍河兩大水系組成，天然形成了龍?zhí)逗⒑楹：?、珍珠湖?座高山湖泊，水域面積107.1 hm2。森林覆蓋率為95.41%，生長(zhǎng)著桫欏(Alsophila spinulosa)、水杉(Metasequoia glyptostroboides)、珙桐(Davidia involucrata)、禿杉(Taiwania flousiana)等國(guó)家一級(jí)保護(hù)植物。四面山地處四川盆地與貴州高原的過(guò)渡地帶，且屬于中山，雖然巖層水平，但地表沖蝕切割強(qiáng)烈，地形破碎，坡度大，溝谷深，小環(huán)境差異十分明顯，植被類型比較復(fù)雜。

在四面山森林管理局管轄范圍內(nèi)，暖性針葉林面積為6253.57 hm2，占到四面山總森林面積的26.64%，屬于常綠闊葉林破壞后的次生植被，具有更強(qiáng)的抗性，隨著人為活動(dòng)的加劇，暖性針葉林的面積不斷增大，逐漸成為四面山的優(yōu)勢(shì)植被類型。組成四面山地區(qū)的暖性針葉林包括杉木(Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinus massoniana)、福建柏(Fokienia hodginsii)等樹種，其中以杉木為主［5-6］。

在研究區(qū)內(nèi)選取5塊暖性針葉林地，分別在雙橋溪左側(cè)山坡坡上、秦家溝坡下和土地巖坡下、坡中、坡上設(shè)置試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)地，依次編號(hào)為1、2、3、4、5，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行林冠截留效應(yīng)研究。各標(biāo)準(zhǔn)地基本情況見表1和表2。

表1 林地標(biāo)準(zhǔn)地基本狀況

表2 林地植物基本組成

2 研究方法

2.1 林外降雨的測(cè)定

在空曠地處建立Vantage PRO 2小型氣象觀測(cè)站(美國(guó)產(chǎn))，對(duì)林外降雨進(jìn)行持續(xù)測(cè)定。小型氣象站每隔1 h自動(dòng)采集1次數(shù)據(jù)，用專用數(shù)據(jù)傳輸軟件接收測(cè)定數(shù)據(jù)。降雨量即為一次降雨歷時(shí)氣象數(shù)據(jù)中降雨量的累加值。

另外，小型氣象站同時(shí)進(jìn)行雨強(qiáng)、風(fēng)速、氣溫、空氣濕度等其它氣象數(shù)據(jù)的測(cè)定。并取一次降雨歷時(shí)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的平均值作為對(duì)應(yīng)場(chǎng)降雨的數(shù)據(jù)值。

2.2 穿透雨量的測(cè)定

根據(jù)林分的郁閉狀況和林冠層枝葉分布情況，分別在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)選取兩個(gè)具有代表性的采樣點(diǎn)布設(shè)簡(jiǎn)易雨量計(jì)。為避免雨量計(jì)內(nèi)水分蒸發(fā)引起的觀測(cè)誤差，每次降雨后立即測(cè)定雨量，并計(jì)算兩個(gè)雨量計(jì)中雨量的平均值，作為對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)地的穿透雨量。

2.3 林冠截留量計(jì)算

很多學(xué)者都采用水量平衡法［3，7-9］計(jì)算林冠截留量，如式(1)所示：

式中：I為林冠截留量(mm);P為林外降雨量(mm);T為穿透雨量(mm);S為樹干莖流量(mm)。

但是也有一部分學(xué)者［4，10-11］認(rèn)為樹干莖流量較穿透雨量小，一般占到林外降雨量的 0.003～0.030［1，3，9］，基本可以忽略。本研究未對(duì)樹干莖流量進(jìn)行測(cè)定，將林外降雨量和穿透雨量的差值作為林冠截留量。

3 結(jié)果與分析

3.1 林冠截留的影響因素

林冠截留是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，主要受氣象因素和林分自身結(jié)構(gòu)特征的影響［8-11］。影響林冠截留的氣象因素主要有降雨量、降雨強(qiáng)度、風(fēng)速、氣溫、空氣濕度;對(duì)于海拔相近、起源相同、林齡相同的同一植被型組的林分而言，不同標(biāo)準(zhǔn)地林冠層特征無(wú)明顯差異，由林分自身因素產(chǎn)生截留差異的主要原因是郁閉度不同。

3.1.1 氣象因素對(duì)林冠截留的影響

重慶四面山地區(qū)雨季集中在5—9月，如表3所示：該地區(qū)雨季降雨總量為768.2 mm，場(chǎng)降雨最大降雨量為102.4 mm，最小降雨量為2.2 mm。根據(jù)我國(guó)氣象部門一般采用的降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)分析得知不同強(qiáng)度的場(chǎng)降雨發(fā)生頻率依次為：中雨(24 h內(nèi)降雨量為10.0～24.9 mm)為36%＞大雨(24 h內(nèi)降雨量為25.0～49.9 mm)為24%＞小雨(24 h內(nèi)降雨量小于10 mm)為20%＞暴雨為(24 h降雨量為50.0～99.9 mm)12%＞大暴雨(24 h降雨量為100.0～249.9 mm)為8%。

表3 2009年雨季林外降雨?duì)顩r

為了比較各氣象因子對(duì)林冠截留的影響程度，采用主成分分析法對(duì)降雨量、降雨強(qiáng)度、風(fēng)速、氣溫、空氣濕度進(jìn)行分析。表4列出了各主成分的特征值、貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率。從表4中可以看出，5項(xiàng)氣象因子的特征值和對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率大小順序均為降雨量＞降雨強(qiáng)度＞氣溫＞空氣濕度＞風(fēng)速，即對(duì)林冠截留影響程度順序依次為降雨量＞降雨強(qiáng)度＞氣溫＞空氣濕度＞風(fēng)速。從前2個(gè)主成分來(lái)看，其累積貢獻(xiàn)率依次為40.402%和69.221%。因此，降雨對(duì)林冠截留的影響最為突出，降雨量是影響林冠截留的主導(dǎo)因素。

表4 氣象因子的特征值和貢獻(xiàn)率

3.1.2 郁閉度對(duì)林冠截留的影響

為了深刻認(rèn)識(shí)郁閉度作為林分自身的主要因素對(duì)林冠截留的影響，綜合比較各標(biāo)準(zhǔn)地林冠截留能力，并采用單因素方差分析法對(duì)每場(chǎng)降雨的各標(biāo)準(zhǔn)地林冠截留量進(jìn)行分析。

在2009年5—9月間25場(chǎng)降雨所觀測(cè)的不同標(biāo)準(zhǔn)地林冠截留數(shù)據(jù)見表5。

表5 不同標(biāo)準(zhǔn)地林冠截留能力分析

從表5可以看出，不同標(biāo)準(zhǔn)地的林冠截留能力不同。從整個(gè)雨季25場(chǎng)降雨的總林冠截留率來(lái)看，各標(biāo)準(zhǔn)地的大小順序?yàn)椋?(65.05%)＞2(29.77%)＞5(23.16%)＞4(16.25%)＞3(9.15%);從平均的林冠截留率來(lái)看，各標(biāo)準(zhǔn)地的大小順序依然是 1(65.48%)＞2(31.57%)＞5(28.36%)＞4(19.93%)＞3(12.34%)。結(jié)合表1可知，本試驗(yàn)中樣地1的郁閉度最大，所以對(duì)降雨的截留作用最大;而樣地3的郁閉度最小，所以其對(duì)降雨的截持能力最低。

表6 單因素方差分析結(jié)果

從表6單因素方差分析結(jié)果中可以看出在0.05的顯著性水平時(shí)，樣地1的顯著性(為1.000)最高，而樣地3的顯著性(僅為0.132)最差，其它3塊樣地的顯著性介于中間水平。結(jié)合表1可得出林分郁閉度在95%的情況下林冠截留能力有顯著優(yōu)勢(shì)，而郁閉度僅為35%時(shí)林冠截留能力也相對(duì)較差，郁閉度介于中間程度的林分，其截留能力也在中間水平，這與表5的分析結(jié)果相同。進(jìn)而可以得出結(jié)論：對(duì)于其它影響因素相近的條件下，郁閉度越大，林冠截留量和林冠截留率越大，截留能力越強(qiáng)。

3.2 林冠截留量與降雨量的關(guān)系

一般來(lái)講，降雨量是影響林冠截留的主導(dǎo)因素［8-10］。許多學(xué)者對(duì)林冠截留量與降雨量的關(guān)系進(jìn)行了研究［1，4，7，10］，有的認(rèn)為二者存在著正相關(guān)關(guān)系，有的表現(xiàn)為線性相關(guān)，還有的表現(xiàn)為冪函數(shù)關(guān)系。將本試驗(yàn)中每場(chǎng)降雨的降雨量和對(duì)應(yīng)林冠截留量繪成散點(diǎn)圖，見圖1。

圖1 場(chǎng)降雨林冠截留量隨降雨量變化關(guān)系

從圖1中可以看出，該地區(qū)整個(gè)雨季場(chǎng)降雨量最大時(shí)1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)地并未達(dá)到飽和截留量，其林冠截留量隨降雨量的增加而增加。在中低雨量級(jí)(0～49.9 mm)時(shí)，2、3、4、5 號(hào)標(biāo)準(zhǔn)地林冠截留量隨降雨量的增加而增加，并逐漸趨向于飽和截留量，其飽和截留量依次為 33.79、6.91、13.44、23.70 mm，達(dá)到飽和截留量時(shí)的降雨量依次為 55.4、37.0、102.4、102.4 mm;林冠截留量接近或達(dá)到飽和截留量后，林冠截留量的增加會(huì)很少或者不再增加。

1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)地林冠截留量與降雨量呈一元線性關(guān)系，如式(2)：

式中：I為林冠截留量(mm);P為降雨量(mm);a、b為常數(shù)。

2、3、4、5 號(hào)標(biāo)準(zhǔn)地林冠截留量與降雨量呈冪函數(shù)關(guān)系，如式(3)：

式中：I為林冠截留量(mm);P為降雨量(mm);c、d為常數(shù)。

為進(jìn)一步研究林冠截留量與降雨量的相關(guān)性，對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)地林冠截留量與降雨量進(jìn)行相關(guān)性分析，表7列出了二者之間的相關(guān)系數(shù)。結(jié)果表明，各標(biāo)準(zhǔn)地的林冠截留量與降雨量的相關(guān)系數(shù)分別為 0.977、0.670、0.617、0.790、0.817，且在 0.01水平(單側(cè))上顯著相關(guān)。

表7 林冠截留量與降雨量相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論與討論

本研究采用實(shí)地觀測(cè)的方法對(duì)重慶四面山暖性針葉林林冠截留進(jìn)行測(cè)定，比采用通過(guò)測(cè)定林冠層最大容水量計(jì)算林冠截留量和截留率的方法更具有真實(shí)性與準(zhǔn)確性。主要對(duì)林冠截留影響因素做了詳細(xì)分析，并闡述了林冠截留量與降雨量之間的關(guān)系，具體結(jié)論如下：

該地區(qū)暖性針葉林林冠截留主要受氣象因素和林分郁閉度的影響。各氣象因子對(duì)林冠截留影響程度順序依次為降雨量＞降雨強(qiáng)度＞氣溫＞空氣濕度＞風(fēng)速，降雨對(duì)林冠截留的影響最為突出，降雨量是影響林冠截留的主導(dǎo)因素，這與一些學(xué)者［8，10］的研究結(jié)果相似;其它影響因素相近的條件下，林分郁閉度越大，林冠截留量和林冠截留率越大，截留能力越強(qiáng)。

1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)地林冠截留量與降雨量呈一元線性關(guān)系，其關(guān)系式為：I=aP+b;2、3、4、5號(hào)標(biāo)準(zhǔn)地林冠截留量與降雨量呈冪函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為：I=cPd，其達(dá)到飽和截留量時(shí)的降雨量依次為55.4、37.0、102.4、102.4 mm。5 塊標(biāo)準(zhǔn)地林冠截留量與降雨量的相關(guān)系數(shù)依次為 0.977、0.670、0.617、0.790、0.817，并且在0.01水平(單側(cè))上顯著相關(guān)。從總的趨勢(shì)來(lái)看，在未達(dá)到飽和截留量之前，林冠截留量隨降雨量的增加而增加，并逐漸趨向于飽和截留量;當(dāng)林冠截留量接近或達(dá)到飽和截留量后，林冠截留量的增加會(huì)很少或者不再增加。

但是，該論文也有不足之處：本研究雖考慮到林下灌草對(duì)林冠截留也有一定貢獻(xiàn)，可并未研究出不同灌草對(duì)林冠截留的具體貢獻(xiàn)率;另外，本研究未曾考慮生長(zhǎng)季不同時(shí)期林分的樹冠截留量是否存在差異，日后需對(duì)這方面做更全面更深入的研究。

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