馬占相思人工林的林冠截留效應(yīng)

李漢強(qiáng)，邱治軍，張寧南，徐大平，周光益

（1.廣東省西江林業(yè)局 林業(yè)科學(xué)研究所，廣東 高要 526108；2. 中國林業(yè)科學(xué)研究院 熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520）

馬占相思人工林的林冠截留效應(yīng)

李漢強(qiáng)1，邱治軍2，張寧南2，徐大平2，周光益2

（1.廣東省西江林業(yè)局 林業(yè)科學(xué)研究所，廣東 高要 526108；2. 中國林業(yè)科學(xué)研究院 熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520）

2006、2007年對位于高要市高要林場的馬占相思人工林的穿透雨、樹干流進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)合大氣降雨數(shù)據(jù)，分析了馬占相思人工林對降雨的截留分配效應(yīng)。結(jié)果表明：(1)高要林場2006、2007年降雨量分別為1 767.1 mm和1 692.7 mm，降雨主要集中在雨季的4～9月份，其降雨量分別占2006、2007年降雨量的81.7 %和84.5 %；(2)馬占相思人工林的穿透雨、樹干流與降雨量呈線性關(guān)系，林冠截留量、穿透雨率、樹干流率與降雨量呈對數(shù)曲線關(guān)系；截留率與降雨量呈乘冪指數(shù)曲線關(guān)系；(3)馬占相思人工林的年平均穿透雨率、樹干流率和林冠截留率分別為84.2 %、7.3 %、8.5 %；由于降雨和林冠層的季節(jié)性變化，林冠截留效應(yīng)存在明顯的季節(jié)性差異，雨季的林冠截留率為8.5 %，旱季為17.9 %；(4)馬占相思的穿透雨率高于相鄰的鼎湖山常綠闊葉林，林冠截留率低于常綠闊葉林，這有利于增加馬占相思林內(nèi)凈雨量，提高系統(tǒng)水資源量。

馬占相思；林冠截留；穿透雨；樹干流

我國自上世紀(jì)60年代起相繼從澳大利亞等地引進(jìn)了20多個(gè)相思樹種[1-2]，由于相思樹種生長速度快、適應(yīng)性強(qiáng)，并具有一定的改良環(huán)境能力，因而在華南地區(qū)得以迅速推廣。目前相思樹種是熱帶亞熱帶地區(qū)繼桉樹之后的第二大速生用材林樹種[3]。馬占相思自1979年最早引進(jìn)我國以來，生長表現(xiàn)良好[4]。但目前關(guān)于馬占相思生態(tài)水文效應(yīng)的報(bào)導(dǎo)極少，僅申衛(wèi)軍[5]等對馬占相思枯落物的截留降水功能進(jìn)行了初步的研究。

林冠截留是森林對降水輸入發(fā)揮調(diào)節(jié)作用的起點(diǎn)，能使降水在數(shù)量及空間上進(jìn)行重新分配[6-7]，因而在森林水分循環(huán)中扮演著十分重要的角色[8-10]。研究森林對大氣降水的再分配狀況，不僅為森林生態(tài)系統(tǒng)的水分養(yǎng)分平衡、能量流動(dòng)研究提供基本的數(shù)據(jù)，對了解森林的水文生態(tài)功能、水資源管理與評價(jià)也有著極其重要的意義。

本文以2006～2007 年的定位觀測結(jié)果為依據(jù)，探討馬占相思對降水的截留分配效應(yīng)，比較不同季節(jié)截留量與截留率差異，為進(jìn)一步分析馬占相思人工林的水文生態(tài)效應(yīng)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于廣東省高要市高要林場勤坑工區(qū)(112°38′E，23°05′N)。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為22 ℃，每年最熱為7～8月份，最冷是1月份，歷年各月平均氣溫在11 ℃以上，年平均積溫為8 041 ℃，無霜期340 d。年平均雨量1 648 mm，4～9月降雨量最為集中，占全年降雨量83 %，歷年平均降雨日數(shù)為156 d。歷年平均日照時(shí)數(shù)1 801.6 h，年平均濕度在80 %左右。一般1～4月吹東北風(fēng)，5～9月吹東風(fēng)，10月以后吹東北風(fēng)，歷年平均風(fēng)速為1.3 m·s-1。該區(qū)土壤以赤紅壤為主，土層較厚，普遍呈酸性反應(yīng)。

本研究的馬占相思人工林地平均坡度32 °，為1999年在清理馬尾松林后人工種植，株行距3 m×2 m，2007年調(diào)查時(shí)的林分密度為883株·hm-2，平均高15.2 m，林木平均胸徑15. 6 cm。

2 研究方法

2.1 大氣降雨觀測

在高要林場勤坑工區(qū)空曠處設(shè)置1臺(tái)翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)，對大氣降雨進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。

2.2 林內(nèi)穿透雨觀測

在樣地的上部和下部分別設(shè)置一套穿透雨收集裝置，每套由3根對半剖開的PVC管集水槽組成，集水槽口離地高度大于50 cm，底部用鐵架支撐，集水槽順著山坡布設(shè)，集水槽較低的一端用PVC管頭連接，全部集水槽的水收集到翻斗式量水儀器進(jìn)行自動(dòng)計(jì)量，每翻一斗為一升。

6個(gè)集水槽的長、寬、傾斜角度以及承雨面積見表1。

2.3 樹干流觀測

在樣地中設(shè)置10 m×10 m的小樣方，對樣方中9株馬占相思的樹干流全部進(jìn)行收集，并集中到翻斗式量水儀器進(jìn)行自動(dòng)計(jì)量。用橡皮導(dǎo)管法將聚乙烯塑料管沿中縫剪開一段(剪開長度取決于樹干的大小)，然后用鐵釘將塑料管開口處固定在樹干基部1.0 m 處，再將剪開的塑料管從兩邊螺旋上升纏繞于樹干，用鐵釘固定后，用玻璃膠將接縫處封嚴(yán)，在塑料管的下端接入到翻斗式量水儀器。

樹干流量S（mm）的計(jì)算公式為S=W/A ×1 000，W為全部樹干流的總體積（m3），A為樣方面積（m2）。

表1 穿透雨集水槽的基本參數(shù)Table 1 Parameters of through-fall collecting annulus

2.4 林冠截留計(jì)算

林冠截留量I （mm）計(jì)算公式為I = P - T- S，P為林外降雨量（mm）；T為林內(nèi)穿透雨量（mm）。

2.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel軟件計(jì)算降雨日的降雨量、穿透雨量、樹干流量、林冠截留量，以及穿透雨率、樹干流率以及林冠截留率，并對因儀器故障等造成的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，在此基礎(chǔ)上分析穿透雨、樹干流、林冠截留與降雨量的關(guān)系，并利用回歸方程對剔除掉的穿透雨、樹干流數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 大氣降雨特征

對自動(dòng)雨量計(jì)監(jiān)測到的大氣降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明，2006、2007年的降雨量分別為1 767.1 、1 692.7 mm。從降雨的年內(nèi)分配來看，4月到9月為降雨集中的雨季，10月到翌年3月為雨量稀少的旱季，雨季的降雨量分別占2006、2007年年降雨量的81.7 %和84.5 %，旱季(10～3月份)的降雨量分別占2006、2007年年降雨量的18.3 %和15.5 %（見圖1）。

3.2 林內(nèi)穿透雨特征

穿透雨是雨水經(jīng)樹冠進(jìn)入土壤的主要途徑，在森林生態(tài)系統(tǒng)的水量平衡中扮演著十分重要的角色。2006年穿透雨量為1 453.6 mm，穿透雨率為82.3 %；2007年穿透雨量為1 408.2 mm，穿透雨率為83.2 %(見表2)；2年的平均穿透雨率為82.8 %。分雨季和旱季進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，2006年雨季、旱季的穿透雨率分別為83.2 %和76.5 %，2007年雨季、旱季的穿透雨率分別為85.2 %和75.8 %。

圖1 高要林場各月降雨量(2006～2007)Fig.1 Monthly rainfall in Gaoyao Forest Farm(2006～2007)

圖2左表明，馬占相思人工林穿透雨量與降雨量之間呈顯著的線性正相關(guān)。圖2右表明，穿透雨率與降雨量之間呈良好的對數(shù)曲線關(guān)系。從圖2右還可以看出，穿透雨率的變化范圍為0～91.0 %，日降雨量在0～10.0 mm時(shí)的降雨天數(shù)最多，其穿透雨率的變化也最大，穿透雨率變化范圍為0～78.8 %；當(dāng)日降雨量大于10.0 mm時(shí)，穿透率變化較小，除少數(shù)降雨日外，穿透雨率都穩(wěn)定在78 %～91 %之間。

表2 2006、2007年各月的林冠截留統(tǒng)計(jì)Table 2 Canopy interception statistics in each month of 2006 and 2007

圖2 穿透雨量、穿透雨率與降雨量的關(guān)系Fig.2 Relationship between through-fall, through-fall rate and rainfall

3.3 樹干流特征

樹干流是指通過樹干到達(dá)地面的雨水，由于樹干流對林地基本無侵蝕作用，而且分布在樹基的周圍，并含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)，很容易被根系吸收，因此在森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)中具有重要的意義[11]。2006年樹干流量為1 25.7 mm，樹干流率為7.1%；2007年樹干流量為1 18.0 mm，樹干流率為7.0%(見表2)。分雨季和旱季進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，2006年雨季、旱季的樹干流率分別為7.3%和6.2%，2007年雨季、旱季的樹干流率分別為7.3%和5.8%。

樹干流量與降雨量的關(guān)系見圖3左，樹干流隨著降雨量的增加而增加，兩者呈很好地直線關(guān)系。樹干流率與降雨量的關(guān)系見圖3右，兩者的關(guān)系用對數(shù)曲線擬合效果較好。從圖3右可以看出，樹干流率的變化范圍為0～12.5%，當(dāng)日降雨量在0～10.0 mm時(shí)樹干流率變化范圍為0～10.0%，而且在相同降雨量時(shí)樹干流率相差很大；當(dāng)日降雨量在10.0 mm～35.0 mm時(shí)，樹干流率變化幅度有所縮小，為5%～10.0%，僅有一次樹干流率超過10%；當(dāng)日降雨量在35.0 mm以上時(shí)，樹干流率也基本穩(wěn)定在7.0%左右。

圖3 樹干流、樹干流率與降雨量的關(guān)系Fig.3 Relationship between stem fl ow, stem fl ow rate and rainfall

3.4 林冠截留特征

林冠截留是森林生態(tài)系統(tǒng)蒸發(fā)散的一部分，主要由林冠特性和降雨特性決定[12]。馬占相思人工林的2006、2007年的截留率分別為10.6%和9.8%(見表2)。分雨季和旱季進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，2006年雨季、旱季的林冠截留率分別為9.6%和17.3%，2007年雨季、旱季的林冠截留率分別為7.5%和18.4%。

從林冠截留量與降雨量的關(guān)系看（見圖4a），隨著降雨量的增加，林冠截留量也逐漸增大，最大截留量為6.0 mm，兩者的關(guān)系可用對數(shù)模型進(jìn)行較好的擬合。林冠截留率與降雨量的關(guān)系見圖4b，兩者的關(guān)系用乘冪函數(shù)擬合效果最佳。從圖4b可以看出，當(dāng)日降雨量在0～10.0 mm時(shí)截留率變化非常大，變化范圍為13.7%～100.0%；而當(dāng)日降雨量大于10.0 mm時(shí)截留率趨于穩(wěn)定，基本維持在6.0 %左右。

圖4 林冠截留量、林冠截留率與降雨量的關(guān)系Fig.4 Relationship between canopy interception, interception rate and rainfall

4 討 論

4.1 林冠截留的季節(jié)性

從馬占相思人工林林冠截留的季節(jié)性規(guī)律來看，雨季的平均穿透雨率為84.2 %，旱季的平均穿透雨率為76.4 %，雨季顯著高于旱季；在林冠截留率方面，雨季的林冠截留率為8.6 %，旱季的林冠截留率為17.9 %，旱季顯著高于雨季。一方面是因?yàn)橛昙镜慕涤炅考敖涤陱?qiáng)度大，而且葉面濕度大，樹葉滴水形成的間接穿透雨比例增多，另一方面雨季也是樹木的生長旺季，林冠郁閉度高，會(huì)減少直接穿透雨的比例，兩個(gè)方面的綜合作用導(dǎo)致了雨季的穿透雨率高于旱季。林冠截留率則是旱季高于雨季，這主要是因?yàn)楹导緲潴w表面干燥，吸水能力強(qiáng)，加之旱季降雨強(qiáng)度小，間接穿透雨比例低。這也證實(shí)了Zimmermann et al.（2008）[13]的說法，即林冠截留受林分冠層特性的影響很大，即使是植物的季節(jié)性變化，林冠截留也會(huì)發(fā)生變化。

4.2 不同林分的林冠截留比較

馬占相思人工林2006-2007年的平均穿透雨率為82.8 %，相比較而言，與之相鄰的鼎湖山亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林的穿透雨率為59.9%[14]，造成馬占相思人工林穿透率高的主要原因可能是由于馬占相思人工林林分結(jié)構(gòu)簡單、層次單一，增加了直接穿透雨量，導(dǎo)致了穿透雨率的增加。馬占相思人工林相對較低的穿透雨率對增加林內(nèi)凈雨量，改善系統(tǒng)水資源狀況十分有利。

云南哀牢山常綠闊葉林的樹干流率為0.9%[15]，湖南株洲樟樹Cinnamomum camphora人工林的樹干流率為1.28%[16]，廣東樂昌楊東山闊葉林的樹干流率為1.3%[17]，廣東鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林的樹干流率為8.3%[14]，福建武夷山甜櫧Castanopsis eyrei常綠闊葉林的樹干流率為13.9%[18]，而馬占相思人工林平均樹干流率為7.0%。因此，不同地域不同林分的樹干流率大不相同，最主要的原因可能是樹種特性(如葉面積指數(shù)、葉面的光滑度、分枝角度)與林分特性(如郁閉度、冠層厚度)的差異，此外，由于地域不同，降雨條件也不一樣，也可能導(dǎo)致樹干流率出現(xiàn)較大差異。

馬占相思人工林的平均截留率為10.2%，相比較而言，楓香Liquidambar formosana人工林的截留率為22.37%[19]，杉木Cunninghamia lanceolata人工林的截留率為20.10%[20]，常綠闊葉林幼林、成熟林的截留率分別為24.7%和27.6%[21]。馬占相思人工林較低的林冠截留率可能是由于馬占相思的葉面較為光滑，不易吸附雨水所致。

5 結(jié) 論

(1) 高要林場的年平均降雨量為1 730.0 mm，雨季、旱季分別為4～9月和10月～翌年3月，兩者分別占全年降雨量的83.1%和16.9%。馬占相思人工林的年平均穿透雨率、樹干流率和林冠截留率分別為84.2%、7.3%、8.5%。

(2) 馬占相思人工林的穿透雨、樹干徑流與降雨量呈線性關(guān)系，林冠截留量、穿透雨率、樹干流率與降雨量呈對數(shù)曲線關(guān)系，截留率與降雨量呈乘冪指數(shù)曲線關(guān)系。

(3)馬占相思人工林的林冠截留存在明顯的季節(jié)性差異，雨季的林冠截留率為8.5%，旱季的林冠截留率為17.9%，這是由于其林冠層和降雨的季節(jié)性差異共同導(dǎo)致的。

(4)馬占相思人工林的穿透雨率高于相鄰的鼎湖山常綠闊葉林，林冠截留率低于常綠闊葉林，這有利于增加馬占相思林內(nèi)凈雨量，提高系統(tǒng)水資源量。

(5) 相思人工林在我國南方用材林中占有較為重要的地位，本文僅對馬占相思人工林的林冠截留效應(yīng)進(jìn)行了初步的研究，應(yīng)加強(qiáng)相思人工林的水文生態(tài)效應(yīng)研究，進(jìn)一步了解相思人工林對生態(tài)環(huán)境的影響，這對促進(jìn)該樹種的推廣種植具有十分重要的作用。

[1] 潘志剛, 游應(yīng)天. 中國主要外來樹種引種栽培[M]. 北京:北京科學(xué)出版社, 1994.

[2] 潘志剛, 馮 水, 林鴻盛. 馬占相思引種、生長及利用[J]. 熱帶林業(yè), 1996, 24(4):142-152.

[3] 徐大平. 桉樹速生豐產(chǎn)林——我國林漿紙一體化的必然選擇[J]. 中華紙業(yè), 2006, 27( 4): 14-25.

[4] 楊民權(quán). 主要熱帶相思在華南地區(qū)的生長及適應(yīng)性探討[J].林業(yè)科學(xué)研究, 1990, 3(2):155-l61.

[5] 申衛(wèi)軍，彭少麟, 周國逸, 等. 馬占相思(Acacia mangium) 與濕地松(Pinus elliotii) 人工林枯落物層的水文生態(tài)功能[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2001,21(5):846-850.

[6] Loescher H W, J S Powers, Oberbauer S F. Spatial variation of throughfall volume in an old-growth tropical wet forest, Costa Rica [J]. Journal of Tropical Ecology, 2002, 18: 397-407.

[7] Abrahams A D, Parsons A J, Wainwright J. Disposition of rainwater under creosote-bush [J]. Hydrological Processes, 2003,17: 2555-2566.

[8] Calder I R. The measurement of water losses from a forested area using a “natural” lysismeter[J]. Journal of Hydrology, 1976, 30:311-325.

[9] Stewart J B. Evaporation from the wet canopy of a pine forest[J].Water Resources Research, 1977, 13: 915-921.

[10] Dolman A J. Summer and winter rainfall interception in an oak forest: Predictions with an analytical and a numerical simulation model [J]. Journal of Hydrology, 1987, 90: 1-9.

[11] Levia D F, Frost E E. A review and evaluation of stemflow literature in the hydrologic and biogeochemical cycles of forested and agricultural ecosystems [J]. Journal of Hydrology, 2003, 274:1-29.

[12] Samba SAN, Camire C, Margolis H A. Allometry and rainfall interception of Cordyla pinnata in a semi-arid agroforestry parkland [J]. Senegal. Forest Ecology and Management, 2001,154: 277-288.

[13] Zimmermann A, Germer S, Neill C, et al. Spatiotemporal patterns of throughfall and solute deposition in an open tropical rain forest [J]. Journal of Hydrology, 2008, 360: 87-102.

[14] 周傳艷,周國逸,閆俊華,等.鼎湖山地帶性植被及其不同演替階段水文學(xué)過程長期對比研究[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2005,29(2):208-217.

[15] 鞏合德,張一平,劉玉洪,等. 哀牢山常綠闊葉林林冠的截留特征[J]. 浙江林學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 25(4):469-474.

[16] 閆文德,陳書軍,田大倫,等.樟樹人工林冠層對大氣降水再分配規(guī)律的影響研究[J]. 水土保持通報(bào), 2005, 25(6):26-28.

[17] 邱治軍,周光益,吳仲民,等.粵北楊東山常綠闊葉次生林林冠截留特征[J]. 林業(yè)科學(xué), 2011, 47(6):157-161.

[18] 任 引,薛建輝. 武夷山甜櫧常綠闊葉林林分降雨分量特征[J]. 林業(yè)科學(xué), 2008, 44(2):23-27.

[19] 呂 磊,文仕知,胡孔飛,等.長沙市郊楓香人工林水文生態(tài)效應(yīng)的研究[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 30(4):21-25.

[20] 李明學(xué), 康文星. 第2 代杉木近熟林水文學(xué)過程研究[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 27(2):17-21.

[21] 黃忠良,孔國輝,余清發(fā),等. 南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林水文功能及其養(yǎng)分動(dòng)態(tài)的研究[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2000, 24(2):157-161.

Canopy interception effects of Acacia magium plantation

LI Han-qiang1, QIU Zhi-jun2, ZHANG Ning-nan2, XU Da-ping2, ZHOU Guang-yi2
(1. Research Institute of Forestry, Xijinag Forestry Bureau, Gaoyao 526108, Guangdong, China; 2 .Research Institute of Tropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Guangzhou 510520, Guangdong, China)

Through-fall, stem fl ow and rainfall of Acacia mangium plantation in Gaoyao Forest Farm were measured from 2006 to 2007,and the characteristics of canopy interception were analyzed. The results indicate that the annual rainfall of Gaoyao Forest Farm was 1 767.1 mm in 2006, and 1 692.7 mm in 2007. The rainfall mainly occurred in April to September, with its proportion of 81.7%to annual rainfall of 2006, and 84.5% to annual rainfall of 2007 respectively. The through-fall and stem fl ow had a linear relationship to rainfall. But the canopy interception, through-fall rate and stem fl ow rate had a logarithm relationship to rainfall. The relationship between interception rate and rainfall was a power curve function. Annual mean through-fall rate, stem fl ow rate and interception rate were 84.2%, 7.3%, and 8.5% respectively. Canopy interception effect had notable season changes due to the difference of rainfall and canopy characteristic, with the canopy interception rate of 8.5% in rain season, and 17.9% in dry season. Compared to the adjacent evergreen broad-leaved forest of Dinghushan, A. mangium plantation had higher through-fall rate and lower canopy interception rate,which was benef i cial to increase net rain and water resources of forest system.

Acacia mangium；canopy interception；through-fall；stem fl ow

S715.2

A

1673-923X(2013)02-0086-05

2012-06-13

科技部社會(huì)公益研究專項(xiàng)(2003DIB3J116)、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(0113931)

李漢強(qiáng)(1968-)，男，廣東郁南人，助理工程師，主要從事林業(yè)生產(chǎn)管理工作

邱治軍(1974-)，男，湖南武岡人，博士，助理研究員，主要從事森林生態(tài)學(xué)、森林水文學(xué)等方面的研究工作；E-mail: qzhijun@126.com

[本文編校：羅 列]