基于修正的Gash模型模擬小興安嶺原始紅松林降雨截留過程

柴汝杉，蔡體久，滿秀玲，王 賀，關(guān)俊祺

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱 150040)

森林冠層對大氣降雨再分配具有顯著影響，對森林水文生態(tài)系統(tǒng)具有重要的意義。林冠層對雨水的截留和緩沖，會減少林內(nèi)水量，降低降雨的動能和勢能，從而防止土壤侵蝕、減弱洪峰流量、涵養(yǎng)水源等［1］。森林對降水的再分配，包括樹干莖流、穿透雨、樹冠截留蒸發(fā)和樹冠飽和后滴落降雨等部分。林冠截留量一般與林外降雨量呈正相關(guān)的關(guān)系［2］，而樹干莖流量與枝葉的分枝角度關(guān)系密切［3］。目前，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)影響林冠截留的因子總結(jié)出許多經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)理論模型和理論模型［4-7］。最初的Horton、Leonard及Helvey等模型對降雨林冠截留影響并沒有考慮降雨強(qiáng)度，林分特征等因素，因此不能適用于所有林型［8］。在此之后，Rutter［9］模型考慮到降雨強(qiáng)度和林分特征，可以估算降雨時和降雨后的損失，也減少經(jīng)驗(yàn)公式附加截留的弊端，但氣象數(shù)據(jù)獲取和計(jì)算相對繁瑣，給實(shí)際應(yīng)用帶來不便［10］。Gash［11］模型相對于其他模型適用性更廣泛，它在Rutter模型基礎(chǔ)上更加簡化，之后又對Gash［12］模型進(jìn)行修正，從林冠截留機(jī)理出發(fā)，結(jié)合雨濕特征、林冠特征及空氣動力學(xué)特征了解林冠截留各個部分的組成從而獲得林冠截留總量［13］。

闊葉紅松林是東北亞地區(qū)的地帶性森林和最具代表性的森林生態(tài)系統(tǒng)，原始紅松林又是我國小興安嶺地區(qū)的頂級群落。經(jīng)過掠奪式采伐后的今天，我國境內(nèi)的原始紅松林僅存于小興安嶺和長白山區(qū)域，并且原始紅松林對該區(qū)域的生態(tài)、水文環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要影響。目前，國內(nèi)已對遼寧東部山區(qū)的落葉松人工林［14］、縉云山毛竹林［15］、岷江上游亞高山川櫟樹林［16］等林型開展了大氣降雨林冠截留特征模擬。研究發(fā)現(xiàn)，降雨截留受多種因素影響，主要包括林冠郁閉度、持水能力、平均蒸發(fā)速率等，且不同林型條件下，降雨截留的主要影響因素存在明顯差異。如影響原始紅松林樹干莖流量的主要因素依次是降雨量、第一活枝高、胸徑和冠幅，而次生白樺林樹干莖流量還受到樹高、郁閉度的影響;兩種林型的穿透雨都與降雨量、集水槽與樹干的距離和集水槽上方灌木枝葉厚度等密切相關(guān)［17］。然而到目前為止，針對小興安嶺地區(qū)原始紅松林降雨截留的模型擬合研究還鮮見報道。因此，本研究采用定位研究法，對原始紅松林降雨截留和分配效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究，并采用Gash模型模擬原始紅松林降雨截留過程，了解該模型對原始紅松林的適用性，該地區(qū)的森林水文功能和效益提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地設(shè)在黑龍江涼水國家級自然保護(hù)區(qū)東北林業(yè)大學(xué)涼水實(shí)驗(yàn)林場，位于黑龍江省伊春市帶嶺區(qū)的中心(E 128°48'08″—128°55'46″，N 47°07'15″—47°14'38″)，地處小興安嶺南坡達(dá)，帶嶺支脈東坡，海拔 280—707 m，為典型的低山丘陵地貌。境內(nèi)分布著大片原始闊葉紅松林，是我國目前保存下來最為典型和較完整的原始闊葉紅松混交林分布區(qū)之一，森林覆蓋率達(dá)96%。保護(hù)區(qū)內(nèi)現(xiàn)有原始成熟林面積4100 hm2，其中紅松林面積占80%，木材蓄積量達(dá)1.0×107m3。該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫－0.3℃，年平均相對濕度78%，年平均降水量676 mm，降水集中在6—8月，占全年降水量的60%以上。主要保護(hù)對象是以紅松為主的針闊混交林生態(tài)系統(tǒng)。主要樹種有紅松(Pinus koraiensis)、興安落葉松 (Larix gmelinii)、黃菠蘿(Phellodendron amurense)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、榆樹(Ulmus pumila L)、紫椴(Tilia amurensis)、山楊(Populus davidiana)、白樺(Betulla platyphylla)、楓樺(Betulla costata)和蒙古櫟(Quercus mongolica)等。地帶性土壤為暗棕壤，非地帶性土壤有草甸土、沼澤土和泥炭土及其亞類組成。

1.2 研究方法

2010年7—10月與2011年5—10月，在研究區(qū)內(nèi)選擇原始紅松林群落。選取代表性地段，設(shè)置20 mm×20 mm的標(biāo)準(zhǔn)樣地，進(jìn)行樣地基本特征調(diào)查，詳見表1。

穿透雨收集:每塊樣地內(nèi)高于地面1 m隨機(jī)布設(shè)5個集水槽，集水槽用直徑為20 cm的PVC管自制而成，按1.2 m長度規(guī)格截開后對半刨開，用塑鋼板及密封膠將半圓形管兩端封閉，僅下端留出水口與塑料軟管相連，將穿透雨引入地面放置的25L塑料桶內(nèi)。同時，為減小誤差，將降雨槽各邊打磨成45°斜坡，防止雨滴外濺，且呈15°斜坡按放降雨槽使降雨能夠快速進(jìn)入收集桶內(nèi)，減少蒸發(fā)。

樹干流收集:對各樣地進(jìn)行每木檢尺，求得每個樹種標(biāo)準(zhǔn)木，根據(jù)樣地樹種組成按比例在每塊樣地選擇各樹種標(biāo)準(zhǔn)木共5株。在標(biāo)準(zhǔn)木距地面1 m左右的樹干上選擇樹皮光滑處(如果樹皮粗糙，用刀具修除粗糙的周皮后)，用高密度不透水、厚2 cm、寬25 cm的泡沫板包裹樹周，扎成領(lǐng)帶狀，內(nèi)插一根直徑為2 cm的PVC管導(dǎo)水。固定后，涂抹密封膠，防止雨水外泄。PVC導(dǎo)水管下端接一個25 L的塑料桶。

表1 原始紅松林樣地基本情況Table 1 Korean original sample to basic situation

1.3 修正的Gash模型

Gash解析模型將林冠對降雨的截留分為3個階段:(1)加濕期，必要條件是林外降雨量(PG)小于林冠達(dá)到飽和所必需的降雨量(P'G)。(2)飽和期，當(dāng)PG＞P'G后，林冠達(dá)到并維持飽和狀態(tài)，平均降雨強(qiáng)度(R)大于飽和林冠的平均蒸發(fā)速率(ˉE);(3)干燥期，降雨停止后到林冠和樹干干燥的階段。修正的Gash模型將林地劃分為無植被覆蓋區(qū)域和有植被覆蓋區(qū)域兩個部分［18］。

林冠達(dá)到飽和所必需的降雨量P'G:

飽和林冠平均蒸發(fā)速率ˉE根據(jù)Penman-Monteith公式計(jì)算:

空氣動力學(xué)阻力(ra)由下式計(jì)算［12］:

樹干達(dá)到飽和所必需的降雨量P″G根據(jù)下式來計(jì)算［18］:

公式(1)中，c為林分郁閉度;R為平均降雨強(qiáng)度(mm/h);Ec為單位覆蓋面積平均林冠蒸發(fā)速率(mm/h);Ec=Eˉ/c;Eˉ為飽和林冠的平均蒸發(fā)速率(mm/h);P'G為使林冠達(dá)到飽和的降雨量(mm);根據(jù)公式(4)林分參數(shù)主要包括林冠參數(shù)和樹干參數(shù)，其中林冠參數(shù)有S、c，樹干參數(shù)有St和pt，此模型在每次降雨事件之前要有足夠的時間使林冠干燥，以保證每兩場降雨之間有至少8h沒有降雨發(fā)生［18］。所以利用修正的Gash模型計(jì)算林冠截留的量計(jì)算公式如下:

公式(5)中n為林冠達(dá)到飽和的降雨次數(shù);m為林冠未達(dá)到飽和降雨次數(shù);j為總降雨次數(shù)。Ij為林冠截留總量(mm);PGj為總的降雨量;PG為單次降雨的降雨量(mm);q為樹干達(dá)到飽和產(chǎn)生樹干徑流的降雨次數(shù);St為樹干持水能力(mm);pt為樹干莖流系數(shù)。為 m次未能飽和冠層的降雨量(PG＜P'G);為n次降雨過程中的蒸發(fā)量為n次使林冠達(dá)到飽和降雨事件的降雨量;qcStc為降雨后的蒸發(fā)量為n－q次未能飽和樹干的降雨量(PG＜St/pt)。

根據(jù)Gash修正模型還可以計(jì)算樹干莖流量和穿透雨量［19］:

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣降雨量、穿透雨、樹干莖流特征

試驗(yàn)周期內(nèi)(21場降雨)，原始紅松林的林外雨的降雨總量514.1 mm;單場最大降雨量為58.7 mm，最小降雨量為3.8 mm，場均降雨量為24.5 mm(圖1);相應(yīng)的單場降雨強(qiáng)度0.5—7.3 mm/h，平均降雨強(qiáng)度為2.65 mm/h，最大降雨強(qiáng)度為7.2 mm/h，最小降雨強(qiáng)度為0.58 mm/h(圖1)。最大降雨量和降雨強(qiáng)度均發(fā)生在7—8月。林內(nèi)穿透雨總量為373.19 mm，占同期降雨總量的72.5%，穿透雨量隨降雨量的增加而增加(圖2)，呈顯著正相關(guān)(P＜0.01)。研究期內(nèi)單場穿透雨率37.5%—89.01%，平均穿透雨率為63.39%。穿透雨小于10 mm的次數(shù)為10次，最小穿透雨量為1.63 mm，最大穿透雨量為48.7mm，平均穿透率為51.3%(圖3)。穿透雨率與林外降雨量之間呈對數(shù)關(guān)系:TF=0.1448ln(PG)+0.2232，R2=0.5656，n=20(圖3)。

圖1 研究地降雨特征Fig.1 Characteristics of rainfall in experiment site

當(dāng)降雨量大于10 mm時，開始有樹干莖流產(chǎn)生，隨著降雨量的增大，樹干莖流量逐漸增加(圖4)。研究期內(nèi)樹干莖流總量為8.02 mm，占同期降雨量的1.5%(圖4)。本實(shí)驗(yàn)中原始紅松林產(chǎn)生的樹干莖流量較小，這可能是由于紅松側(cè)枝與樹干之間的夾角度數(shù)較大，當(dāng)雨滴流經(jīng)樹干時，降雨不易匯集;此外，紅松樹皮干燥，表面不光滑，也會導(dǎo)致樹干莖流量較少。樹干莖流量與降雨量之間呈線性正相關(guān)，關(guān)系方程為:

2.2 原始紅松林林冠截留分配

圖2 穿透雨與降雨量的關(guān)系Fig.2 Relationship between throughfall ratio and rainfall

由實(shí)測數(shù)據(jù)可知:在21場降雨中林冠截留量為132.43mm。占同期降雨量的25.7%，由(圖5)可以得出隨著降雨量的增加，截留量也隨之增加，當(dāng)降雨量達(dá)到58.7mm時，林冠截留增加緩慢，并且出現(xiàn)下降趨勢，林冠截留已達(dá)到飽和。在對降雨量和截留量進(jìn)行擬合時，發(fā)現(xiàn)三次多項(xiàng)式擬合效果最佳(P＜0.05)(圖5)截留率隨著降雨量的增加而不斷的減少，當(dāng)降雨量為7.6mm時，最大截留率為66%，當(dāng)降雨量為52.5mm時，最小截留率為10%。降雨量與截留量呈指數(shù)關(guān)系(圖6)。

圖3 穿透雨率與降雨量的關(guān)系Fig.3 Relationship between throughfall and rainfall rainfall

圖4 樹干莖流與降雨量的關(guān)系Fig.4 Relationship between Stemflam and rainfall

2.3 修正的Gash模型參數(shù)

研究期間林內(nèi)穿透雨量、樹干莖流量和林冠截留量分別為373.19、8.02 和 132.43mm，分別占總降雨量的72.6%、1.5%和25.7%。穿透雨量與林外降雨量的回歸方程關(guān)系式:

圖5 原始紅松林林冠截留量與降雨量之間的關(guān)系Fig.5 The relationship between canopy interception of Pinus koraiensisforest and rainfall

圖6 原始紅松林截留率與降雨量之間的關(guān)系Fig.6 The relationship between retention rate ofPinus koraiensisforest and rainfall

林冠持水能力(S)是林冠截留降水主要因素之一，本研究采用Leyton回歸法［20］對參數(shù)S進(jìn)行確定，先根據(jù)林內(nèi)穿透雨和林外降雨量關(guān)系方程，求得穿透雨的殘差，推導(dǎo)出穿透雨殘差和林外降雨量的關(guān)系，得到方程拐點(diǎn)的降雨量值(圖7);用大于此值且殘差大于0的降雨量與對應(yīng)的林內(nèi)穿透雨做回歸方程:TF=0.8778PG－1.4415(圖8)(R2=0.9957)，則 S 等于方程的截距 1.4415 mm。

單位面積林冠持水能力Sc=S/c，根據(jù)林分調(diào)查可知，林分平均郁閉度c=0.81，從而得到Sc=1.77。St和Pt則根據(jù)樹干徑流量和林外降雨量關(guān)系方程確定，其中St為樹干莖流量與降雨量關(guān)系方程的截距負(fù)值，Pt為斜率。由方程(8)可知 Pt為 0.0191，St為0.0863mm。

由公式(2)計(jì)算ˉE=0.36 mm/h，則單位面積平均林冠蒸發(fā)速率ˉEc=0.45 mm/h。根據(jù)降雨特征分析可知研究期間ˉR為2.65 mm/h，通過以上參數(shù)根據(jù)公式(1)，即得P'G=3.91 mm。

圖7 穿透雨量殘差與降雨量的關(guān)系Fig.7 Relationship between the residuals of throughfall and rainfall in Xiaoxing'an Mountains forest

圖8 穿透雨量與降雨量的關(guān)系Fig.8 Relationship between the throughfall and rainfall in Xiaoxing'an Mountains forest

2.4 林冠截留量實(shí)測值和模擬值對比分析

研究周期內(nèi)，小興安嶺地區(qū)原始紅松林穿透雨、樹干莖流和林冠截留總量的實(shí)際觀測值分別是373.19，8.02，132.43 mm;相應(yīng)地，根據(jù)修正的 Gash 模型計(jì)算出的模擬值分別為 370.91、16.14、130.07 mm(表 2)。林冠截留量模擬值比實(shí)測值低2.35 mm，相對誤差為1.81%。穿透雨模擬值比實(shí)測值低2.28 mm，相對誤差1.75%。樹干莖流的模擬值高于實(shí)測值8.12 mm，相對誤差50.3%。樹干莖流模擬值和實(shí)測值相差較大，這可能與原始紅松林林分特征復(fù)雜有關(guān)，由于原始紅松林的林齡高，胸徑粗，紅松樹皮不易對樹干莖流匯集，產(chǎn)生樹干莖流量較少［17］。另外，不同徑級樹木的樹干莖流常常是在不同時間產(chǎn)生，單株樹木可能在樹干蓄水量達(dá)到平均樹干容量時未產(chǎn)生樹干莖流，這可能是造成模擬值大于實(shí)測值的原因［8］。結(jié)果表明，降雨過程中的蒸發(fā)量占模擬林冠截留量的47%，是構(gòu)成林冠截留量的主要因素，其次為飽和層降雨量，占林冠截留量模擬值的26.7%。這可能是該地區(qū)平均蒸發(fā)速率較高，降雨歷時長，降雨強(qiáng)度小有關(guān)。在本模型研究中，兩場降雨間隔大于8h，較長的降雨時間和間隔時間造成降雨停止前的林冠蒸發(fā)量最大，未能達(dá)到林冠飽和的降雨量僅占模擬值的2.4%。原始紅松林結(jié)構(gòu)復(fù)雜、郁閉度較高;當(dāng)降雨量較小時，原始紅松林林冠對降雨起到有效截留作用，而當(dāng)降雨量較大時，受林冠蒸發(fā)強(qiáng)度、郁閉度、樹干莖流等因素的影響，林冠截留作用顯著下降。

表2 應(yīng)用修正的Gash模型的預(yù)測值和實(shí)測值比較Table 2 Observed values and simulated values by the revised Gash model

研究期內(nèi)，單次林冠截留量模擬值和實(shí)測值分析表明(圖9)，修正的Gash模型對研究地原始紅松林單場降雨模擬效果較好、適用性很強(qiáng)，且此模型中參數(shù)值比較明確。但對個別場次的降雨模型結(jié)果較差，模擬值和實(shí)測值最大差值為4.84 mm，最小差值為0.7 mm。

3 討論與結(jié)論

圖9 單場降雨林冠截留量的實(shí)測值與模擬值比較Fig.9 Comparison of measured and simulated in the canopy interception of one single rainfall event during the study period

本實(shí)驗(yàn)測得林冠對降雨截留率為25.7%，與已報道的其他林型平均截留率范圍(11.4%—36.5%)相比，在中上等水平，高于蔡體久等人［17］在2006年研究的結(jié)果，截留率為19.16%，這主要是由于不同年份的降雨強(qiáng)度和降雨歷時不同，研究期內(nèi)該地區(qū)降雨歷時長，降雨強(qiáng)度小，加之原始紅松林林內(nèi)樹種繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生物量大，林冠截留量相對較大。不同樹種對產(chǎn)生穿透雨、樹干莖流也不同。當(dāng)降雨量大于3.8mm時，穿透雨才開始產(chǎn)生，而李淑春等人［21］研究落葉松樺木混交林、山楊樺木混交林、油松蒙古櫟混交林時降雨量分別達(dá)到2.21、2.72 、1.34 mm 時產(chǎn)生穿透雨［21］。降雨量達(dá)到 10 mm 時，樹干莖流開始發(fā)生。周光益［22］對海南島研究山地雨林時發(fā)現(xiàn)降雨量小于5mm時幾乎不產(chǎn)生樹干莖流［22］。丁寶永等人研究落葉松時，發(fā)現(xiàn)降雨量大于3mm時有樹干徑流產(chǎn)生。穿透雨和樹干莖流都隨著降雨量的增加而增加，這種趨勢與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致［14-15，23］。

本實(shí)驗(yàn)與蔡體久等人研究的原始紅松林林分結(jié)構(gòu)特征相似，樣地距離相近，他從不同林分因子對降雨截留分配進(jìn)行研究，總結(jié)出降雨量、第一活枝高、胸徑和冠幅等因素對穿透雨和樹干莖流的影響［17］。Gash模型是從林冠蒸發(fā)速率和林冠持水能力的角度來模擬原始紅松林對降雨截留的影響，因此可以從林分因子和林冠層兩方面來了解小興安嶺原始紅松林林冠截留過程。修正的Gash模型對截留量模擬準(zhǔn)確性以正確測出或估算林冠持水能力(S)為基礎(chǔ)［18］。而S的大小取決于林冠本身的結(jié)構(gòu)特征，同時也受降雨特征和氣象因子影響［24-26］。Llorens［27］總結(jié)了1968—2000年間不同文獻(xiàn)中的 S值，發(fā)現(xiàn)不同密度松屬針葉林在0.1—3.1 mm 之間，Deguchi［28］統(tǒng)計(jì)了21個研究中不同地區(qū)不同森林類型的S值在0.25—1.55 mm之間，本研究S值為1.44 mm，與之吻合。應(yīng)用修正的Gash模型對截留量和穿透雨的模擬較好，擬合值和實(shí)測值分別相差2.25mm和2.38 mm，分別占各自總量的25%和72.1%，但是對樹干莖流的擬合效果較差，占總量的3.1%。郭明春等［8］在研究落葉松林樹干莖流時也發(fā)現(xiàn)這一問題，只是他的模擬值小于實(shí)測值。雖然模擬值誤差較大，但是樹干莖流量較小，僅占降雨量的1.5%，所以對林冠截留量的影響較小。

修正的Gash模型對大部分的單場降雨截留模擬較好，但對個別場次降雨還存在較大差異［14-16］，這主要是由于模型假設(shè)的條件與自然條件存在較大差異，導(dǎo)致模擬值與實(shí)測值相比有的高，有的低［29］。何常清［16］，趙洋毅［15］等學(xué)者發(fā)現(xiàn)Gash模型對小雨模擬效果較好，隨著降雨量的增大林冠截留量預(yù)測的準(zhǔn)確性呈下降趨勢。在本研究中，對小雨模擬值和實(shí)測值相對較好，也有個別大雨模擬值與實(shí)測值接近，這與其他學(xué)者研究結(jié)果有所差異，可能是因?yàn)樗麄冄芯康娜斯ち纸Y(jié)構(gòu)相對單一，而本研究中原始林結(jié)構(gòu)復(fù)雜，樹種繁多?？傮w來看，修正的Gash模型能夠較好的模擬原始紅松林林冠截留過程。

與其他截留模型一樣，修正的Gash模型未充分考慮到風(fēng)速對林冠截留的影響，風(fēng)不僅可以加快冠層蒸發(fā)，同時也會引起樹枝的擺動，促使雨滴流向林內(nèi)，從而導(dǎo)致林冠截留量降低。目前，風(fēng)速對雨滴下落產(chǎn)生影響的定量研究還較少，今后要加強(qiáng)這方面的研究，進(jìn)一步提高模型的準(zhǔn)確性。

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