北京西山油松、栓皮櫟及其混交林降雨分配特征

吳文強(qiáng) 李 萍 孫向陽 于 鑫

(北京市土肥工作站，北京，100029) (北京林業(yè)大學(xué))

森林對(duì)降雨的截留、再分配和貯存等生態(tài)過程，是森林生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)和水量平衡的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，具有減少地表侵蝕、地表徑流和涵養(yǎng)水源等作用［1－3］。油松、栓皮櫟是北京西山地區(qū)分布廣泛，具有代表性的建群樹種，兩者降雨分配此前的研究?jī)H限于林冠截留、樹干莖流特征［4－6］，對(duì)整體降雨分配特征的研究較少。本文以兩者及其混交林為觀測(cè)對(duì)象，系統(tǒng)研究了3種林分的林冠截留、樹干莖流和林內(nèi)透流等降雨分量與降雨量的關(guān)系，以及不同林分內(nèi)降雨各分量的分配，為進(jìn)一步研究該地區(qū)的人工林水量平衡提供理論依據(jù)，發(fā)揮森林維護(hù)北京地區(qū)生態(tài)平衡、保障水源等方面具有重要的作用。

1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)地位于北京林業(yè)大學(xué)妙峰山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)，是整個(gè)西山最臨近平原的部分，海拔60～1 100 m，坡度15°～35°，水土流失嚴(yán)重。暖溫帶的大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫11.8℃，年均降水量700 mm左右，7—8月份降水占全年降水量的70%左右。現(xiàn)存的主要植被類型為20世紀(jì)五六十年代營造的人工林。主要樹種有油松(Pinus tabulaeformis)、栓皮櫟(Quercus variabilis)、側(cè)柏(Platycladus orientalis)等。母巖主要有凝灰?guī)r、砂巖、石灰?guī)r、花崗巖和礫巖等，山地母質(zhì)多為上述巖石風(fēng)化的殘積、坡積物。土壤類型為簡(jiǎn)育干潤雛形土類，處在幼年期，發(fā)育不良，層次不明顯，缺乏腐殖質(zhì)，土層淺薄，多石礫，土厚50 cm左右。

2 研究方法

在研究區(qū)內(nèi)選擇有代表性的油松林、栓皮櫟林及其混交林作為研究對(duì)象，在海拔410 m的燕子嶺分別設(shè)置3塊試驗(yàn)林地，面積為30 m×30 m，林齡均為34 a，林下植被較為稀疏，覆蓋度較低，試驗(yàn)林地的概況見表1。

表1 試驗(yàn)林地概況

試驗(yàn)時(shí)間為2010年4—10月，在測(cè)量大氣降雨的同時(shí)，在3塊試驗(yàn)林地內(nèi)，測(cè)定降雨分配的樹干莖流、林內(nèi)透流、林冠截留、枯枝落葉截持、地表徑流和土壤貯水量等分量。

大氣降雨:采用英國Delta－T儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的便攜式WS－GP1自動(dòng)氣象站，為減少干擾，將雨量筒放置在高于林冠的人工搭的鐵架上。

樹干莖流:在3塊試驗(yàn)林地分別按徑階選取5%的樹木。用直徑為4 cm的塑料管剝開作集水槽，在樹干基部螺旋狀地繞2～3周，下端管口連接到集水器內(nèi)，所測(cè)的水量體積根據(jù)林冠面積換算成水深(mm)。林分每場(chǎng)降雨的莖流按徑階及其權(quán)重統(tǒng)計(jì)。

林內(nèi)透流:采用自制雨量槽(200 cm×20 cm×20 cm)，使其位于林冠投影面積上的比率接近試驗(yàn)林的郁閉度。在3塊試驗(yàn)地分別設(shè)置5個(gè)，測(cè)定雨量槽內(nèi)水的體積，根據(jù)水槽的承雨面積換算成水深(mm)。

林冠截留:林冠截留=降雨量－樹干莖流－林內(nèi)透流［7］。

地表徑流:在試驗(yàn)林地典型自然坡面上設(shè)置徑流場(chǎng)，在徑流場(chǎng)的下端留一排水口，將徑流水引入集水器內(nèi)，測(cè)定集水器內(nèi)的水體積，根據(jù)徑流場(chǎng)的面積換算成水深(mm)。

枯落物層截持:在每個(gè)試驗(yàn)林地的對(duì)角線上布設(shè)10個(gè)雨量筒，取原狀的枯落物層置于雨量筒上，每次降雨后測(cè)定雨量筒中的集水量?？萋湮飳咏爻至?透流量－雨量筒中水量。

土壤貯水=降雨量－林冠截留－枯落物截留－地表徑流。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)期間降雨特征

由表2可知，整個(gè)試驗(yàn)期間共降雨53次，降雨總量512.8 mm，低于北京平原地區(qū)歷年平均水平635.9 mm，據(jù)此可以認(rèn)為2010年的降雨情況相當(dāng)于該地區(qū)中等偏旱年份的水平。

表2 試驗(yàn)期間降雨量的分布情況

試驗(yàn)期間，降雨量1～10 mm的降雨次數(shù)最多，占降雨總次數(shù)的54.7%;而且降雨量也較多，占降雨總量的23.0%。較大降雨量的降雨次數(shù)較少，但降雨量卻最多，如≥40 mm的降雨僅為3次，但其降雨量卻占降雨總量的38.6%。

3.2 林冠截留、樹干莖流、林內(nèi)透流與降雨量的關(guān)系

大氣降雨進(jìn)入林地經(jīng)過林冠的截留作用，形成林冠截留、樹干莖流、林內(nèi)透流，即形成第1次分配;樹干莖流和林內(nèi)透流到達(dá)林地后，形成枯枝落葉截留、地表徑流(本試驗(yàn)中未出現(xiàn)壤中流)、土壤貯水增量，即形成第2次分配［8－9］。本試驗(yàn)條件下，大氣降雨最終分配為林冠截留、枯枝落葉截持、地表徑流和土壤貯水增量。

整個(gè)試驗(yàn)期間，油松林和栓皮櫟林分別發(fā)生了3次地表徑流，混交林未發(fā)生，故未討論混交林地表徑流和降雨量的關(guān)系。

3.2.1 不同林分林冠截留與降雨量的關(guān)系

林冠截留的降雨極少部分被枝葉吸收，大部分通過蒸發(fā)進(jìn)入大氣，是森林水分損失的途徑之一，尤其是干旱半干旱降水相對(duì)集中的西山地區(qū)，這種損失尤為顯著。林冠截留量，主要取決于林分的林齡、郁閉度、樹葉的數(shù)量、表面積、粗糙度、排列方式和可濕性，并與降雨強(qiáng)度和降雨的間隔時(shí)間等有關(guān)［10］。

本試驗(yàn)林地的林冠截留量和降雨量的回歸方程見表3。從表3可知，3種林分的林冠截留和降雨量之間具有顯著乘冪函數(shù)關(guān)系，即在較小的降雨量級(jí)，隨著降雨量的增大，截留量增加較快;而在較大的降雨量級(jí)，隨著降雨量的增大，林冠截留遞增變緩，截留率卻急劇減少。在此乘冪函數(shù)中，參數(shù)A和B表示林冠截留量隨降雨量變化的快慢與大小，參數(shù)A、B值越大，表明林冠截留量隨降雨量變化的幅度越大;反之，則越小。在相同的降雨條件下，油松因?yàn)榫哂忻艿闹θ~，表面粗糙，可攔截較多的降雨，所以林冠截留量最大，栓皮櫟最小，混交林居于兩者之間。

表3 試驗(yàn)林地林冠截留和降雨量的關(guān)系

3.2.2 不同林分樹干莖流和降雨量的關(guān)系

樹干莖流屬于林內(nèi)降雨，這部分降雨占總降雨量的比例很小，但是樹干莖流為深根性樹種的水分供應(yīng)創(chuàng)造良好條件。樹干莖流大小不僅主要取決于單次降雨量的大小，而且還取決于樹皮的粗糙度、濕潤程度和枝條固定在樹干的角度，以及樹冠的結(jié)構(gòu)等［11］。3個(gè)林分的樹干莖流與降雨量的關(guān)系見圖1。從圖1可知，油松林、栓皮櫟林及其混交林的樹干莖流量和降雨量具有顯著線性相關(guān)性，由于林分特點(diǎn)不同，各林分出現(xiàn)樹干莖流時(shí)的降雨量也不同。由樹干莖流量和降雨量的相關(guān)方程計(jì)算得出:當(dāng)降雨量大于1.2 mm時(shí)，栓皮櫟林出現(xiàn)樹干莖流;當(dāng)降雨量大于6.0 mm時(shí)，油松林才出現(xiàn)樹干莖流;當(dāng)降雨量大于1.4 mm時(shí)，混交林出現(xiàn)樹干莖流。這是因?yàn)?栓皮櫟的枝條呈銳角生長在樹干上，其樹皮光滑，所以栓皮櫟出現(xiàn)樹干莖流時(shí)的降雨量最小;而油松的枝條雖然也呈銳角生長在樹干上，但其樹皮為鱗片狀剝裂，較疏松，吸水性強(qiáng)，所以油松林出現(xiàn)樹干莖流時(shí)的降雨量較大;混交林出現(xiàn)樹干莖流時(shí)的降雨量介于兩者之間，且較接近栓皮櫟林出現(xiàn)樹干莖流時(shí)的降雨量，是因?yàn)榛旖涣种械乃ㄆ甸L勢(shì)良好，是混交林中的優(yōu)勢(shì)木，且栓皮櫟樹干莖流量比較大的緣故。

圖1 不同林分樹干莖流量和降雨量的關(guān)系

3.2.3 不同林分的林內(nèi)透流和降雨量的關(guān)系

林內(nèi)透流是林地土壤水分的主要來源，受降雨強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、林分類型和密度等多種因素的影響。

從圖2可知，各林分的林內(nèi)透流量和降雨量也具有顯著線性相關(guān)性，這與各林分的樹干莖流量和降雨量的關(guān)系相似。根據(jù)林內(nèi)透流量和降雨量的相關(guān)方程計(jì)算得出:當(dāng)降雨量大于0.4 mm時(shí)，栓皮櫟林出現(xiàn)林內(nèi)透流;當(dāng)降雨量大于0.6 mm時(shí)，油松林和混交林出現(xiàn)林內(nèi)透流。在相同的降雨條件下，林內(nèi)透流主要取決于林分的郁閉度［12］，由表1可知，3塊林地郁閉度相互接近，所以出現(xiàn)上述這種情況。

圖2 不同林分的林內(nèi)透流量和降雨量的關(guān)系

3.3 降雨量各分量的分配

樹種和林分組成的不同，決定了不同林地降雨各分量的不同。由表4可知，在3塊林地的降雨各分量中，栓皮櫟林的土壤貯水量最多，為371.6 mm;土壤貯水量油松林最少，為269.3 mm。

在降雨的第1次分配中，林內(nèi)透流量和樹干莖流量由大到下順序?yàn)樗ㄆ盗?、混交林、油松?林冠截留量由大到下順序?yàn)橛退闪?、混交林、栓皮櫟?混交林的各分量介于兩者之間，其數(shù)值更接近于油松林。這是因?yàn)榛旖涣种须m然栓皮櫟是優(yōu)勢(shì)木，但栓皮櫟的數(shù)量約是油松的四分之一。

本試驗(yàn)透流量較小，而林冠截留量較大，主要是由于試驗(yàn)期間降雨特點(diǎn)決定的。小于10 mm的降雨次數(shù)是總降雨次數(shù)的77.4%，降雨量只有總降雨量的24.0%，降雨在林分內(nèi)形成不完全運(yùn)動(dòng)形式的次數(shù)比較多;再加上降雨偏少，間隔時(shí)間長;這都是造成上述現(xiàn)象的原因。

在降雨的第2次分配中，3種林分中土壤貯水量最大，枯枝落葉截持量次之，地表徑流量最小。3種林分，枯枝落葉截持量相差不多;地表徑流很小，整個(gè)試驗(yàn)期間油松林和栓皮櫟林只發(fā)生了3次徑流，而混交林則沒有形成地表徑流。這是因?yàn)樯滞寥赖目葜β淙~層是森林土壤最為活躍和最起作用的表面層，使林地土壤具有良好的滲透性，從而大大減少了林地的地表徑流，對(duì)防止水土流失，增加土壤水分含量有重要作用。

4 結(jié)論

在相同的降雨條件下，樹種和林分組成的不同，決定了不同林地的降雨分配特征。油松林冠截留量大于栓皮櫟林;栓皮櫟林出現(xiàn)樹干莖流時(shí)間早于油松林;混交林的林冠截留和樹干莖流介于兩者之間，且取決于栓皮櫟在混交林中的數(shù)量。

油松林、栓皮櫟林及其混交林的林冠截留量與降雨量呈顯著乘冪函數(shù)關(guān)系，3種林分的干流量、透流量與降雨量呈顯著線性關(guān)系。

在降雨的第1次分配中，林分的透流量和干流量由高到低的順序?yàn)樗ㄆ盗帧⒒旖涣?、油松林，而林冠截留量由大到小的順序?yàn)橛退闪?、混交林、栓皮櫟?在降雨的第2次分配中，3種林分中土壤貯水量最大，枯枝落葉截持量次之，地表徑流量最小;在3種林分中，土壤貯水量由高到底的順序?yàn)樗ㄆ盗帧⒒旖涣?、油松林，枯落物的截持量相差不多，栓皮櫟林比其他兩者略大?/p>

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