川西亞高山典型森林生態(tài)系統(tǒng)截留水文效應(yīng)

孫向陽，王根緒 ，吳 勇，柳林安，劉光生

(1．中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041;2．中國科學(xué)院研究生院，北京 100049;3．成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

林冠截留指大氣降水儲存在冠層和從冠層截留中蒸發(fā)的水量［1］。森林地表截留是指儲存在森林地表，并在降雨期間和降雨停止后蒸發(fā)入大氣中的水量，包括土壤、灌叢、草地和枯落物等的截留［2］。林冠截留受森林特征［3］、林齡［4］和氣候條件［5-7］等多種因素影響。林冠截留占降水比例針葉林可達(dá)25%—50%［8-9］，闊葉林可達(dá)10%—35%［10-11］。穿過林冠的降水受到地表枯落物截留的影響較大［12］，并不能完全轉(zhuǎn)化為土壤水和徑流，同樣以蒸發(fā)的形式返回到大氣中［13］，這部分截留水量在模型中往往被忽略不計(jì)，然而這部分水量可以占林下降水量的20%［13］，林下地表枯落物截留能力與枯落物的厚度呈線性關(guān)系［12］。截留和蒸發(fā)的水量并沒有重新補(bǔ)給土壤，因此對植物的生長沒有作用，但是，截留作用在空間上對降水進(jìn)行了重新分配，因此對林地土壤水分平衡具有重要意義。

峨眉冷杉廣泛分布于我國川西地區(qū)，是四川的特有樹種，其主要分布范圍在海拔2800—3700 m。據(jù)程根偉［14］的研究，貢嘎山亞高山植被群落演替過程為峨眉冷杉與冬瓜楊組成的混交林演替為峨眉冷杉純林。本研究所選的3種林型，針闊混交林、峨眉冷杉中齡林和峨眉冷杉成熟林即包含了植被演替的各個(gè)階段，又是貢嘎山亞高山森林的主要組成林型。通過分析其林冠截留與枯落物截留特征，闡明貢嘎山亞高山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)截留的水文效應(yīng)，進(jìn)而為貢嘎山亞高山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)水分評價(jià)和森林生態(tài)效應(yīng)評價(jià)提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1．1 研究區(qū)概況

貢嘎山位于青藏高原的東南緣，大雪山脈的中南段。在行政區(qū)劃上處于四川甘孜藏族自治州的瀘定、康定、九龍和雅安地區(qū)的石棉4縣交接區(qū)。在地理位置上介于北緯29°20'—30°20'和東經(jīng)101°30'—102°15'之間，面積約1萬km2，主峰海拔7556 m。貢嘎山地處我國東部亞熱帶溫暖濕潤季風(fēng)區(qū)與青藏高原東部高原溫帶半濕潤區(qū)的過渡帶上。研究區(qū)位于貢嘎山亞高山海拔3000m的暗針葉林帶(E101°59'55″，N29°34'35″)，據(jù)歷年氣象觀測資料，年均降水量為1938 mm，貢嘎山降水的季節(jié)變化非常明顯，具有顯著的干濕季之分。一般說來，每年11月至翌年的4月為干季，5月—10月為濕季。濕季降水量占年降水量的80%—90%，年平均氣溫4℃，年平均風(fēng)速約0．5 m/s，低風(fēng)速使得林內(nèi)蒸發(fā)很少，空氣濕度超過90%。貢嘎山森林生態(tài)系統(tǒng)植被演替層次分明:峨眉冷杉(Abies fabri)過熟林、以峨眉冷杉為優(yōu)勢樹種的成熟林、峨眉冷杉-冬瓜楊(Populus purdomii)為主的中幼林和冬瓜楊-杜鵑(Rhododendron sp．)群落［1］，各試驗(yàn)樣地詳細(xì)特征如表1所示?；畹乇晃飳佑猩接鹛\(Abietinella abietina)，錦絲蘚(Actinothuidium hookri)等。

表1 試驗(yàn)場各樣地特征Table 1 Characteristic of the experimental plots

1．2 研究方法

(1)林外降水

針葉林觀測點(diǎn)林外降水根據(jù)采用氣象場內(nèi)觀測數(shù)據(jù)，氣象場處無高大樹木，大氣降水直接被雨量筒收集并記錄，降水的觀測步長為1 h。

(2)林下降水

林下降水觀測時(shí)間為2008年和2009年的5—10月。林下降水觀測點(diǎn)分別為輔助林觀測場(針闊混交林)，干河壩觀測場(峨眉冷杉中齡林)，林下降水觀測采用自制的林下降水收集器，規(guī)格為305 cm×24 cm的長條形收集裝置，該林下降水收集器可以有效減小隨機(jī)誤差的產(chǎn)生，為便于收集降水，每個(gè)收集器安裝的傾斜角度為5°，每個(gè)降水收集裝置連接一個(gè)雙翻斗雨量計(jì)進(jìn)行記錄，觀測步長為1 h。其中，輔助林觀測場安裝4個(gè)林下降水收集器，干河壩觀測場安裝3個(gè)林下降水收集器，分別觀測不同林型下的林下降水。各觀測點(diǎn)處的林下降水收集器隨機(jī)安裝。

(3)樹干徑流

樹干徑流觀測與林下降水同步進(jìn)行。采用3 cm寬的薄鐵皮按30°的傾斜角度纏繞于樹干周圍1．5圈左右，纏繞高度為樹干基部1．5 m左右，鐵皮與樹皮的結(jié)合處用膠水封口，防止樹干徑流損失，用膠皮管將收集到的樹干徑流導(dǎo)入雨量筒，采用單翻斗式傳感器記錄采集到得雨水，觀測步長為1 h。其中輔助林觀測場選擇6株代表性樹木，干河壩觀測場選擇3株代表性樹木，根據(jù)優(yōu)勢木原理選擇。

(4)枯落物截留

枯落物截留觀測采用人工模擬降雨試驗(yàn)方法，該方法可以獲得枯枝落葉層自然條件下的最大持水量，并且可以反映降雨過程中枯枝落葉層截留對降水的滯后作用。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為分層試驗(yàn)和不分層試驗(yàn)兩部分，分別模擬觀測輔助林觀測場、干河壩觀測場和成熟林觀測場枯落物在不同分解條件下及未分層條件下的截留特征。分層試驗(yàn)設(shè)計(jì)容器大小為0．2 m2;不分層試驗(yàn)設(shè)計(jì)容器大小為1 m2，每個(gè)容器又平均分為四個(gè)小容器，四個(gè)大容器組合在一起，形成大小為4 m2的容器。設(shè)計(jì)降水強(qiáng)度為0．35 mm/h。統(tǒng)計(jì)分析表明貢嘎山亞高山主要以小于1 mm/h的降雨為主［7］。試驗(yàn)中凋落物厚度根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果確定。

2 研究結(jié)果

2．1 林冠截留

林冠是大氣降水進(jìn)入森林生態(tài)系統(tǒng)的第一個(gè)作用層，對降水起到第一次的分配作用。觀測發(fā)現(xiàn)，輔助林觀測場2008年與2009年，林下降水率分別為76．4%和77．0%，干河壩觀測場2008年林下降水率為77．3%，其林下降水率較為相近。林下降水量與大氣降水具有很好的線性關(guān)系(圖1)，線性回歸方程的R2值均高于0．97(P＜0．01)。2009年貢嘎山5—10月降水量較多年平均值低25．1%［7］，但是研究結(jié)果表明，降水量減少并沒有顯著影響穿透雨的變化。

根據(jù)同期樹干徑流的觀測結(jié)果，輔助林觀測場樹干徑流占大氣降水的比重不足0．4%，在計(jì)算林冠截留率時(shí)不考慮樹干徑流對林冠截留率的影響。然而干河壩觀測場樹干徑流可以占大氣降水1．82%，與以往的研究結(jié)果差別較大［1］，此處的樹干徑流并不能忽略。據(jù)此，確定不同的林冠截留量結(jié)算公式:

式中，I為林冠截留量，P為大氣降水，Tf為穿透雨量，Sf為樹干徑流量。輔助林觀測場樹干徑流量較少，在實(shí)際計(jì)算中不考慮Sf項(xiàng)的影響。

由公式(1)計(jì)算可得，輔助林觀測場2008年54次降水的林冠截留量為126．2 mm，占降水總量的23．6%，2009年75次降水的林冠截留量為150．1 mm，占降水總量的23．0%;干河壩觀測場2008年36次降水的林冠截留量為69．9 mm，占降水量的20．9%。林冠截留量與降水量具有較好的冪函數(shù)關(guān)系(圖2)。大氣次降水總量小于2 mm時(shí)，隨著降水量增加，林冠截留量增加較快，大氣次降水總量超過2 mm時(shí)，林冠截留量增加趨勢變緩，尤其是干河壩觀測場，其趨勢變化更加明顯，分析原因一方面可能是干河壩觀測場峨眉冷杉中齡林樹干徑流量較大所致，另一方面可能與冠層本身的截留能力有關(guān)。

圖1 輔助林觀測場與干河壩觀測場大氣降水與穿透雨關(guān)系圖Fig．1 The relationship between gross rainfall and throughfall at Fuzhu and Ganheba plot

圖2 輔助林觀測場與干河壩觀測場大氣降水與林冠截留量關(guān)系Fig．2 Therelationship between canopyinterception and throughfall at Fuzhu and Ganheba plot

由于觀測儀器故障，峨眉冷杉成熟林觀測未能取得結(jié)果，根據(jù)謝春華等的研究結(jié)果，成熟林林冠截留率為28%，林冠截留量與大氣降雨量之間具有較好的冪函數(shù)關(guān)系(I=1．8046P0．3184，n=14，r=0．9027)。根據(jù)該冪函數(shù)關(guān)系分析得出，當(dāng)大氣降水量小于2 mm時(shí)，林冠截留量隨著降水量增加而顯著增加，當(dāng)大氣降水量超過該閾值時(shí)，林冠截留量增加趨勢相對緩慢。

樹冠的飽和截留量描述的樹冠截留降水的能力。樹冠飽和截留量計(jì)算可采用Preira［15］介紹的計(jì)算方法，公式表述如下:

2．2 枯落物截留

林下降水降落到地表，同時(shí)還受到森林枯落物層截留的影響。枯落物層可以減緩雨滴對地表的侵蝕和沖刷，同時(shí)還可以阻滯地表徑流的發(fā)生。研究結(jié)果表明，枯落物不同分解程度的截留降水作用具有顯著差異(圖3)，全分解層對降水的截留效果最顯著，而未分解層的截留效果最小，分析原因可能是因?yàn)槿纸鈱拥目紫抖容^大，能夠吸持更多的降水，而未分解層只是由枯死的枝葉等組成，其蓄持降水的能力較弱，并且其持水面積也相對較小。不同林型不同分解狀態(tài)下枯落物的蓄持水能力也不盡相同，由峨眉冷杉與冬瓜楊組成的針闊混交林的蓄持水能力較強(qiáng)，未成熟針葉林與成熟針葉林的蓄持水能力相對較低。

根據(jù)不分層試驗(yàn)結(jié)果，針闊混交林的蓄持水能力仍是最大的，同時(shí)驗(yàn)證了分層試驗(yàn)結(jié)果的正確性(圖4)。據(jù)野外實(shí)地調(diào)查確定枯落物層得試驗(yàn)厚度分別為未分解層、半分解層和全分解層的厚度分別為5、3、3 cm，不分層試驗(yàn)枯落物厚度為11 cm。將體積截留量轉(zhuǎn)化為截留深分別為5．1、5．1 和 5．7 mm，枯落物層具有比林冠更大的飽和截留量。

圖3 不同分解條件下的枯落物截留量Fig．3 Forest litter interception under different decomposed condition

3 討論

3．1 林冠截留的影響因素

理論上，風(fēng)速越大，林冠截留量越?。?6］。然而在林冠郁閉度較高的熱帶雨林地區(qū)，林冠截留量隨風(fēng)速增大而增加［17］，在北方森林和熱帶森林同樣有相似的研究結(jié)果［6］。在本研究中，分析了不同降雨量級條件下風(fēng)速對林冠截留率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有大氣次降水總量在1—3 mm和10—20 mm區(qū)間內(nèi)，林冠截留率隨著風(fēng)速的增加而增加，其他降水量級條件下林冠截留率與風(fēng)速變化無關(guān)(圖5)。分析原因可能是貢嘎山亞高山區(qū)由于森林茂密，以及高山的阻擋作用，導(dǎo)致該區(qū)的風(fēng)速值較低，據(jù)氣象場風(fēng)速資料結(jié)果統(tǒng)計(jì)，全年平均風(fēng)速僅為0．5 m/s，最大風(fēng)速也不超過4 m/s，較低的風(fēng)速并不足以對林冠截留造成影響，因此認(rèn)為，雖然風(fēng)速可以對林冠截留率有一定的作用，但是主要發(fā)生在風(fēng)速值較高地區(qū)，而對于貢嘎山地區(qū)，風(fēng)速變化不會對截留率造成較大的影響，分析林冠截留的變化，主要應(yīng)該考慮降雨特征及林冠特征的影響。

圖4 不分層試驗(yàn)條件下的枯落物截留量Fig．4 Forest litter interception for different forest type

圖5 風(fēng)速對林冠截留影響Fig．5 The influence of wind speed on canopy interception

當(dāng)次降水量增加時(shí)，林冠截留率逐漸減少(圖6 a)，但是在統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，降水量級在30—40 mm時(shí)，林冠截留率最小，原因可能是該次降水過程受到前期降水的影響，林冠層沒有完全干燥，仍然有部分的降水滯留在冠層之中。同時(shí)，分別分析了降雨歷時(shí)、降水強(qiáng)度和降水量對林冠截留的影響，結(jié)果表明，林冠截留率皆表現(xiàn)為當(dāng)該3個(gè)值較小時(shí)，隨著降水歷時(shí)、降水強(qiáng)度和降水量增加而迅速減小，當(dāng)該3個(gè)值較大時(shí)，林冠截留率變化較小，甚至趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象(圖6 b，c，d)。Toba等的研究結(jié)果也表明，林冠截留率隨著降水量、降雨歷時(shí)和降雨強(qiáng)度的增加而顯著降低。Tsukamoto等的研究結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)降雨強(qiáng)度小于7．0 mm/h時(shí)，截留率隨降雨強(qiáng)度的增加成比例的減少［18］。當(dāng)降雨量較低時(shí)，林冠截留率變化的離散程度較大，Llorens等對針葉林的研究［5］和Carlyle-Moses對闊葉林的研究［19］同樣得到了相似的結(jié)論。

圖6 輔助林觀測場降雨特征對林冠截留影響Fig．6 The influence of rainfall characteristics on canopy interception at FUZHU plot

3．2 枯落物截留試驗(yàn)的尺度效應(yīng)

枯落物截留試驗(yàn)大多采用的是模擬試驗(yàn)，一種是將枯落物層進(jìn)行浸泡得到其截留量［20］;另一種利用人工降雨方式噴灑使其枯落物達(dá)到飽和，根據(jù)人工降水量和水分滲出量的差值計(jì)算枯落物的飽和持水量［12，21］。相比于浸泡法，第二種方法能夠更真實(shí)的反應(yīng)枯落物的實(shí)際飽和持水量，而第一種方法浸泡后枯落物的最大持水量并不等于枯落物對降水的實(shí)際截留量，它只能反應(yīng)枯落物持水能力的大小。人工模擬降水試驗(yàn)雖能更真實(shí)的反映枯落物截留量，但是試驗(yàn)容器尺度的大小對模擬結(jié)果也有一定的影響(圖7)。

圖7 不同研究尺度對枯落物滯后截留時(shí)間的影響Fig．7 Different experimental scale effect on lag-time of forest litter interception

隨著試驗(yàn)尺度的增加，枯落物截留的滯后時(shí)間逐漸縮短，試驗(yàn)尺度在2—4 m2時(shí)，滯后時(shí)間逐漸趨于穩(wěn)定，本實(shí)驗(yàn)未分層試驗(yàn)結(jié)果來自4 m2的組合試驗(yàn)，因此認(rèn)為人工模擬試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定可靠。

3．3 林冠與枯落物截留作用

截留是認(rèn)識和理解水文循環(huán)的一個(gè)重要方面，截留降水以蒸發(fā)形式返回到大氣中，構(gòu)成大氣水汽的重要組成部分，進(jìn)而重新以降水形式降落到地表。人們認(rèn)識到除林冠截留過程［6-7，16］，森林地表枯落物等對林下降水的二次截留作用同樣很重要［13］。Gerrists采用一種稱重式的試驗(yàn)裝置，測定了山毛櫸森林地表的截留作用，結(jié)果表明地表截留占穿透雨量的20%，林冠與地表截留量總和冬季和夏季分別占大氣降水量的24%和40%。時(shí)忠杰等根據(jù)浸泡法得出桉樹人工林凋落物層的飽和持水量為4．27 mm。李振新對四川岷江上游岷江冷杉針葉林和川滇高山櫟灌叢的研究發(fā)現(xiàn)，針葉林林冠截留率為33．33%，灌叢林冠截留率為24．95%，其地被物在單次降水過程中最大蓄積潛力分別可達(dá)1．746 mm和0．941 mm［22］。本研究也發(fā)現(xiàn)，枯落物層的飽和持水量顯著高于冠層，其中針闊混交林和峨眉冷杉中齡林凋落物層的飽和持水量為冠層的4倍多。

盡管枯落物飽和持水量顯著高于冠層的飽和持水量，但枯落物截留的蒸發(fā)速率要低于冠層的蒸發(fā)速率。根據(jù)Lin Y等在貢嘎山的研究結(jié)果［23］，林冠截留蒸發(fā)占總蒸發(fā)的比重最大，林冠截留蒸發(fā)占總蒸發(fā)比重可達(dá)75%，而地表蒸發(fā)量僅占總蒸發(fā)比重的7%，原因可能是因?yàn)榱止谏戏降目諝鈱α鞅容^強(qiáng)烈，有效的促進(jìn)了水汽擴(kuò)散運(yùn)動;而地表風(fēng)速較小，且受到冠層的遮擋作用，陽光并不能完全照射到林下，蒸發(fā)動力不足;另外一個(gè)原因可能是因?yàn)樨暩律浇邓枯^大，尤其是5—10月份年均降水量可以達(dá)到1500 mm，林冠截留阻滯了森林蒸騰作用的水分損失［24］。在降水量較小的地區(qū)，地表截留蒸發(fā)與林冠截留蒸發(fā)的差別并沒有這么顯著［24］。因此，雖然在貢嘎山亞高山區(qū)枯落物層具有較大的飽和持水能力，但是林冠截留蒸發(fā)仍然是截留的主要組成部分。

4 結(jié)論

(1)貢嘎山亞高山地區(qū)峨眉冷杉成熟林具有最大的林冠降水截留率，針闊混交林次之，峨眉冷杉中齡林林冠截留率最低;林冠截留量與降水量之間表現(xiàn)為冪函數(shù)關(guān)系;該區(qū)林冠截留主要受降雨特征的影響;

(2)不同分解條件下枯落物截留能力不同，全分解層枯落物截留能力最強(qiáng);不分層試驗(yàn)條件下，針闊混交林的截留能力最強(qiáng);枯落物層具有較林冠層更強(qiáng)的截留降水能力，但是由于熱力學(xué)和空氣動力學(xué)條件的限制，林冠截留蒸發(fā)仍是截留蒸發(fā)的主要組成部分。

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