周 彬,韓海榮,康峰峰,程小琴,宋婭麗,劉 可,李 勇
(北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,北京 100083)
森林降水分為林冠截留、穿透雨和樹干莖流三部分[1]。其中,林冠截留能夠削弱雨滴對地表的打擊力,減輕地表侵蝕危險,同時,也截蓄了一部分降雨量,減少了地表產(chǎn)流量,起到了削減洪峰流量和涵養(yǎng)水源的生態(tài)功效,是評價森林保持水土效益的關(guān)鍵指標(biāo)之一。因此,林冠截留一直是森林水文和水土保持研究的重點(diǎn)[2-3]。
影響林冠截留的因素很多,主要受林分本身特點(diǎn)(林木種類、林冠結(jié)構(gòu)、林分年齡、郁閉度等)和環(huán)境因素(降雨特征、風(fēng)速、溫度等)等的共同影響[4]。而在這些因素中,對于相同環(huán)境下起源相同、林齡相同的同一植被型組的林分而言,林冠截留主要由林分郁閉度和降雨特征決定。
油松是華北地區(qū)的主要造林樹種。關(guān)于油松人工林的森林水文特性和水量平衡,已有學(xué)者作過研究,但多是對一種郁閉度、一種林齡林分的研究或者不同林齡之間的差異性進(jìn)行探討[5-8],而不同郁閉度油松人工林林冠對降水的分配規(guī)律及差異性研究尚少。本文以暖溫帶山西太岳山油松人工林為研究對象,分析了不同郁閉度條件下林冠對降水的分配規(guī)律和差異性,以及林冠截留過程的特點(diǎn),用以評價該地區(qū)油松人工林的水文生態(tài)作用,為水源涵養(yǎng)林體系建設(shè)提供理論依據(jù)。
研究區(qū)位于山西省太岳山林區(qū)中部、沁源縣東部的馬泉林場(36°31'—36°44'N,112°15'—112°33'E)。該區(qū)氣候?qū)倥瘻貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候。年平均氣溫為8.6℃。該林區(qū)四季分明,年平均降水量662mm,雨量集中在7、8、9三個月,占全年降雨量的60%以上。土壤主要是棕壤、褐土。
馬泉林場現(xiàn)有森林面積3719.4hm2,其中有林地2774.6hm2,未成林造林地33.1hm2。有林地覆蓋率為74.6%。全場森林總蓄積12.79萬m3,油松人工林占森林面積得95.2%,以中、幼齡林為主。優(yōu)勢樹種為油松(Pinus tabulaeformis),灌木主要有酸棗(Ziziphus jujuba)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、杠柳(Periploca sepium)、沙棘(Hippophae rhamnoi des)、黃刺梅(Rosa xanthina)等,草本層的主要代表植物有苔草(Carex tristachya)、羊胡子草(Carex rigescena)、小紅菊(Dendranthema chanetii)等。
在對試驗(yàn)區(qū)全面踏查的基礎(chǔ)上,依據(jù)林分郁閉度、林齡、坡度等主要因子,共選擇具有代表性的油松人工林標(biāo)準(zhǔn)樣地4塊,每塊的面積均為20 m×30 m,樣地概況見表1。
表1 樣地概況Table 1 General situation of plots
在林外約50 m的空曠地上放置CR2型翻斗式自記數(shù)字雨量儀,用以測定大氣總降水量,并記錄降雨時間和降雨歷時。
在各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi),隨機(jī)布設(shè)3個自制雨量槽(尺寸為200cm×10cm×20cm),每個雨量槽一端開口連接一個10L塑料桶,在每次雨后用1L的標(biāo)準(zhǔn)量筒測定塑料桶內(nèi)雨量,以3個雨量槽的雨量平均數(shù)作為林內(nèi)穿透雨體積(ml),最后根據(jù)雨量槽承雨面積再換算成本次降雨的林內(nèi)穿透雨量(mm)。
在各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi),分別根據(jù)胸徑的徑級分布(每隔2cm為1徑級),選擇5株標(biāo)準(zhǔn)木(胸徑在3—5cm、7—9cm各1株,5—7cm 3株),將直徑為3cm大小的聚乙烯塑料管沿中縫剪開,取其一段呈螺旋狀從樹干1.2m處開始纏繞(用小釘固定在刮過粗皮的樹干上)1.5周左右,聚乙烯塑料管與樹干間空隙接縫處用油漆封嚴(yán)以防漏水,環(huán)繞樹干的聚乙烯管與水平面間有30°左右的傾角,使樹干莖流能沿聚乙烯塑料管流下,管的下端接10L的塑料桶(加蓋),每次降雨后利用樹冠投影面積公式(1)[9]計(jì)算樹干莖流量:
式中,S為樹干莖流量(mm),M為單位面積上的樹木株數(shù),Si為每個徑級樹干莖流量,Mi為每個徑級的樹木株數(shù),Ki為各徑級的樹冠平均投影面積,n總各徑級數(shù)。
通過實(shí)測得到的林外降雨、穿透雨和樹干莖流,根據(jù)水量平衡原理[10-11],林冠截留量計(jì)算公式(2)如下:
式中,I指林冠截留量(mm),P、T、S分別指林外總降雨量(mm)、穿透雨量(mm)、樹干莖流量(mm)。
林冠截留率計(jì)算公式(3)如下:
式中,I0指林冠截留率(%)。
試驗(yàn)期間(2011年5月—9月),共觀測到30次降雨事件,降雨總量為634.79mm,單次平均降雨量為21.16mm,單次最大降雨量為58.15mm,單次最小降雨量為0.54mm。如圖1所示,在整個生長季期間,8月份的降雨總量最大,為190.77mm,6月份的降雨總量最小,為41.81mm。
圖1 觀測期間太岳山林外降雨事件Fig.1 Rainfall events outside the forest during observation period in Taiyue Mountain
根據(jù)我國氣象部門一般采用的降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)可知,試驗(yàn)期間小雨、中雨、大雨、暴雨的累積降雨量分別為8.37、79.96、180.19、365.24mm(圖 2),降雨發(fā)生頻率分別為 20%、23.33%、23.33%、33.34%。
3.2.1 降雨量大小與林冠截留的關(guān)系
在觀測期間,郁閉度為 0.8、0.7、0.6、0.5 的油松人工林林冠截留總量分別為 188.81、125.20、113.76、93.58mm,截留率分別為 29.74%、19.60%、17.71%、14.50%。
圖2 降雨強(qiáng)度分布圖Fig.2 Distribution of precipitation in rainfall intensity
圖3為降雨量和對應(yīng)林冠截留量的散點(diǎn)圖。從圖3看出,郁閉度為0.8油松人工林林冠截留量隨降雨量的增加一直增加,而其他郁閉度林分截留量開始隨著降雨量的增加而增加,增加到一定程度之后達(dá)到飽和,截留量增加很小或不再增加。對林冠截留量和總降雨量進(jìn)行回歸分析,根據(jù)最大R2值選擇最佳的擬合模型。結(jié)果表明,郁閉度為0.8林冠截留量(I)與總降雨量(P)呈一元線性關(guān)系,0.7、0.6、0.5林分林冠截留量(I)與總降雨量(P)呈冪函數(shù)關(guān)系。
圖3 不同郁閉度油松人工林林冠截留量與總降雨量關(guān)系Fig.3 Relationship between canopy interception and total rainfall under different canopy coverage in Pinus tabulaeformis plantations
將降雨量和對應(yīng)林冠截留率繪成散點(diǎn)圖(圖4),從圖4看出,當(dāng)降雨量小于2 mm時,林冠截留效果十分顯著,各郁閉度截留率均在70%以上,降雨全部或大部分被截留。當(dāng)降雨量小于10 mm時,截留率隨降水量的增加而下降的幅度較大,林冠對降水截留的效果最為明顯,之后隨著降水量增加,截留率緩慢下降。對林冠截留率和總降雨量進(jìn)行回歸分析,根據(jù)最大R2值選擇最佳的擬合模型。結(jié)果表明,郁閉度為0.8、0.7、0.6、0.5林分林冠截留率(I0)與總降雨量(P)呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系。
3.2.2 降雨特征與林冠截留關(guān)系
林冠截留不僅與降雨量大小有關(guān),還受降雨特征影響[12]。同樣降雨量,因降雨強(qiáng)度和降雨歷時不同,林冠截留量表現(xiàn)差異明顯,特別是降雨強(qiáng)度,對林冠截留量的影響尤為明顯。隨著降雨強(qiáng)度的增加,林冠截留率逐漸降低,一般來說降雨強(qiáng)度越大,對枝葉的沖擊較大,截留的雨水滴落下來轉(zhuǎn)化成穿透雨的可能性越大,因而林冠截留較小。
圖4 不同郁閉度油松人工林林冠截留率與總降雨量關(guān)系Fig.4 Relationship between canopy interception rate and total rainfall under different canopy coverage in Pinus tabulaeformis plantations
表2為郁閉度為0.8林分因降雨強(qiáng)度不同林冠截留的變化。在累積6次小雨事件中,林冠截留量很小,僅為5.59 mm,但截留率很大,為66.78%。隨著降雨強(qiáng)度增加,林冠截留量逐漸增加,但截留率反而減小。當(dāng)降雨強(qiáng)度為暴雨時,截留率到達(dá)最小,為25.63%。可見,林冠對降雨的截留作用在雨強(qiáng)較小時十分顯著,但隨著降雨強(qiáng)度的增加,林冠截留率減小。
表2 油松人工林林冠截留與降雨強(qiáng)度關(guān)系Table 2 Relationship between canopy interception of Pinus tabulaeformis and rainfall intensity
林冠截留降水過程可以看作是枝、葉的濕潤到飽和的連續(xù)過程。截留量由兩部分構(gòu)成:一部分是降雨過程中濕潤樹木枝葉表面所需的雨量;另一部分是降雨過程中林冠攔蓄雨水的蒸發(fā)量[13-14]。因此,當(dāng)冠層干燥時就可多截留雨水,而冠層比較濕潤,截留作用就會減小。
圖5為郁閉度為0.8林分單次降雨中林外降雨量以及降雨強(qiáng)度相近時林冠截留率對比。如圖所示,7月29日、8月19日林分林冠截留率明顯小于降雨量相近的8月17日、8月25日。結(jié)合圖1可知,這4次降雨事件發(fā)生的前一次降雨分別在7月24日、8月4日、8月18 日、8 月19 日,時間間隔分別為 5、13、1、6d,一般一次超過30mm的降雨事件之后,在無風(fēng)的狀態(tài)下林冠需要7d才能完全干燥。同時,圖中4場降雨事件的歷時分別為8、7、14、15h。因此,在8 月份最高溫度 25℃,最低溫度15℃,溫度變化不大,風(fēng)力同為微風(fēng)≤3級的氣候條件下,7月29日和8月19日發(fā)生降雨時林冠冠層與其他兩個日期降雨事件相比比較濕潤,降雨過程中濕潤樹木枝葉表面所需的雨量小,林冠截留作用小,因此林冠截留率小。
圖5 降雨強(qiáng)度和降雨量相近事件的林冠截留率對比Fig.5 The Comparison of canopy interception rate of similar rainfall intensity and rainfall events
3.4.1 不同郁閉度林冠截留能力分析
為了深刻認(rèn)識郁閉度作為林分自身的主要因素對林冠截留的影響,綜合比較了各郁閉度林冠截留能力,采用單因素方差分析法對林冠截留量進(jìn)行了分析。
從表3、表4可以看出,不同郁閉度油松人工林林冠截留量、穿透雨量和樹干莖流量不同??偟内厔菔请S著郁閉度的減小,林冠截留量和林冠截留率逐漸減小,穿透雨量和樹干莖流量逐漸增大。林冠截留量與郁閉度表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系(P<0.05;r=0.388;n=30),穿透雨量與郁閉度表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05;r= -0.08;n=30),樹干莖流量與郁閉度亦表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05;r= -0.443;n=30)(表5)。
表3 不同郁閉度油松人工林林冠截留能力Table 3 Capacity of canopy interception of different canopy coverage in Pinus tabulaeformis plantations
表4 不同郁閉度油松人工林林冠截留量平均值Table 4 Average of canopy interception of different canopy coverage in Pinus tabulaeformis plantations
表5 不同郁閉度油松人工林樹干莖流量平均值Table 5 Average of stemflow of different canopy coverage in Pinus tabulaeformis plantations
3.4.2 不同郁閉度穿透雨與總降雨量關(guān)系
根據(jù)30次實(shí)測降雨數(shù)據(jù)得出,郁閉度為 0.8、0.7、0.6、0.5 的油松人工林穿透雨總量分別為 442.19、495.71、503.23、521.11mm,分別占降雨總量的 69.66%、78.09% 、79.02%、82.14%,穿透雨是林冠對降雨再分配后占比例最大的部分。
對穿透雨量和總降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,根據(jù)最大R2值選擇最佳的擬合模型,發(fā)現(xiàn)各郁閉度林分穿透雨量(T)與總降雨量(P)之間的關(guān)系可以用一元線性回歸模型表示(圖6),穿透雨量隨林外總降雨量的增加而增加。
單因素方差分析表明,在0.05的顯著性水平下,各郁閉度林分的穿透雨量之間無顯著性差異。
3.4.3 不同郁閉度樹干莖流與總降雨量關(guān)系
從圖7可以看出,總降雨量5mm以下時,各郁閉度林分樹干莖流很少,基本不足0.05mm,故認(rèn)為林外雨量小于 5mm 時,樹干徑流為 0。郁閉度為 0.8、0.7、0.6、0.5 的油松人工林樹干莖流總量分別為 3.78、12.88、17.31、19.75mm,分別占總降雨量的 0.59%、2.03%、2.72%、3.11%。樹干莖流量占總降雨量的比例很小[15-16],很多研究中經(jīng)常被忽略,然而樹干莖流對森林水文的作用不容忽視[17]。
對樹干莖流量和總降雨量進(jìn)行回歸分析,根據(jù)最大R2值選擇最佳的擬合模型,發(fā)現(xiàn)樹干莖流量(S)和降雨量(P)之間的關(guān)系可以用一元線性回歸模型表示(圖7),樹干莖流量隨林外總降雨量的增加而增加。
圖6 不同郁閉度油松人工林穿透雨量與總降雨量關(guān)系Fig.6 Relationship between throughfall and total rainfall under different canopy coverage in Pinus tabulaeformis plantations
圖7 不同郁閉度太岳山油松人工林樹干莖流量與總降雨量關(guān)系Fig.7 Relationship between stemflow and total rainfall under different canopy coverage in Pinus tabulaeformis plantations
表6反映的是觀測期內(nèi)郁閉度為0.8林分林冠截留量、穿透雨量和樹干莖流量月份動態(tài)變化。從表中可以看出,7、8、9 月份降雨量分別為 161.24、190.77mm 和172.48mm,明顯高于5、6 月份的67.62 mm 和 42.66 mm,說明降雨主要集中在7、8、9月份。林冠截留量、穿透雨量和樹干莖流量月份動態(tài)變化與總降水量的月變化基本一致,豐水季大于枯水季。而林冠截留率卻與此相反,枯水季大于豐水季,這是因?yàn)榭菟窘涤炅啃?,雨?qiáng)小,多被林冠截持;豐水季降雨量大,多以大雨和暴雨形式出現(xiàn),雨強(qiáng)大,歷時短,故截持較少。
表6 林冠截留、穿透雨和樹干莖流月份動態(tài)變化Table 6 Monthly dynamic among canopy interception,throughfall and stemflow
(1)觀測期間,試驗(yàn)區(qū)總降雨為634.79mm,降雨事件中大部分為大雨、暴雨,分別占總降雨次數(shù)的23.33%和30.34%。郁閉度為 0.8,0.7,0.6,0.5 的太岳山油松人工林林冠截留量分別為 188.81、125.20、113.76、93.58mm,截留率分別為 29.74%、19.60%、17.71%、14.50%;穿透雨總量分別為 442.19、495.71、503.23、521.11mm,透流率分別為 69.66%、78.09%、79.02%、82.14%;樹干莖流總量分別為 3.78、12.88、17.31、19.75mm,干流率分別為 0.59%、2.03%、2.72%、3.11%。
(2)不同郁閉度之間林冠截留、穿透雨和樹干莖流差異性表現(xiàn)在:郁閉度為0.8和0.7、0.6、0.5之間的林冠截留量差異性顯著(P<0.05),0.7、0.6和0.5三者之間均無顯著性差異;各郁閉度之間的穿透雨量均無顯著性差異;而樹干莖流則不同,郁閉度為0.8和0.7、0.6、0.5之間的樹干莖流量差異性顯著(P < 0.05),0.7、0.6和0.5三者相鄰郁閉度之間均無顯著性差異,0.7和0.5之間的樹干莖流量差異性顯著(P<0.05)。
(3)與已有的華北地區(qū)油松人工林水文生態(tài)效應(yīng)研究成果比較,趙煥胤等、莎仁圖雅等、肖洋等研究的林冠截留率為31.67%—33.04%[5-7],高于本文研究的郁閉度為0.8的22年生油松林人工林冠平均截留率(29.74%),主要原因可能在于,內(nèi)蒙古東部地區(qū)22年生油松人工林林外降雨以小雨、中雨為主,大雨、暴雨發(fā)生頻率小于本試驗(yàn)區(qū)的23.33%和33.34%,使得林冠層能夠充分截持雨量。此外,本研究油松林為幼齡林,而大青山區(qū)和北京密云水庫分別為30年生以及33年生中齡林。曾杰所研究的郁閉度為0.9的34年生油松人工林冠截留率為15.9%,郁閉度為0.6的為13.6%[8],分別小于本實(shí)驗(yàn)所研究的郁閉度為0.8油松人工林的29.74%和0.6油松人工林的17.71%。主要原因可能在于,他所研究的郁閉度為0.9的油松林密度為1035株/hm2,郁閉度為0.6的密度為739株/hm2,遠(yuǎn)小于本研究油松林的6024株/hm2和4238株/hm2。綜上可知,影響林冠截留分配效應(yīng)的主導(dǎo)因素是降水特征(包括降水量、降水過程以及降水形態(tài)等)與林分狀況(包括林分郁閉度、林齡、林木密度等)。
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