長三角地區(qū)毛竹林冠截留的影響因素

韓 誠，莊家堯，張金池，汪春林，劉 鑫，顧哲衍

（南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京210037）

森林與水的關(guān)系是國內(nèi)外眾多生態(tài)學(xué)、水文學(xué)學(xué)者研究的核心議題之一。大氣降水是水循環(huán)過程中重要的一環(huán)，而森林林冠是大氣降水進(jìn)入陸地循環(huán)系統(tǒng)的第一道作用層，林冠層改變降水的空間分布，成為穿透雨、樹干莖流以及林冠截留3個部分，森林林冠對降水的這種再分配作用受到降雨特征、林分特征、林冠特征以及氣象因子等多種因素的影響［1－2］。降雨通過林冠形成雨量和動能較小的穿透雨［3－4］，在有植被的坡地地表莖流系數(shù)為6%～7%，而沒有植被的坡地地表莖流系數(shù)為13%［5］，可見森林林冠可以減少降水對地表的沖刷，對蓄水保土起到了重要的防護(hù)作用，樹干莖流通常是研究中最易被忽視的一部分水分，然而在許多地區(qū)，這部分少量的水分卻構(gòu)成了局部地區(qū)養(yǎng)分供給的重要途莖［6］，研究發(fā)現(xiàn)樹干莖流中的離子量比降雨中的高，樹干莖流中的營養(yǎng)成分是降雨中的7.5倍，是穿透雨中養(yǎng)分的2.9倍［7］。在水循環(huán)過程中蒸發(fā)的水分1／3來源于林冠層截持的降水［8］，林冠截留的降水是森林水分儲備重要的一部分，根據(jù)以往的資料顯示，林冠層每年截留的降雨占年降雨量的15%～45%［9］。毛竹是中國特有的一種植被，長江以南生長著世界上85%的毛竹，它廣泛分布于丘陵、低山山麓地帶。中國學(xué)者對毛竹林生態(tài)水文效應(yīng)的研究較多，但多集中于降雨再分配的比例，對毛竹林冠截留影響因子的研究較少。本文采用定位觀測的方法，對影響毛竹林冠截留效果的林冠特征、氣象因子等因素進(jìn)行探討，旨在為今后林冠截留模型的研究提供更為科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐和理論基礎(chǔ)，為水源涵養(yǎng)林的建設(shè)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在南京市東善橋林場銅山分場進(jìn)行（31°35′—31°39′N，118°50′—118°52′E），屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫15.1℃，年均降水量1 100mm，無霜期229d，年日照時數(shù)2 199h，海拔在38～388m，氣候溫和濕潤，四季分明，水熱資源較豐富。地形為蘇南丘陵，土壤類型為黃棕壤。林分類型以杉木（Cunninghamia lanceolata），馬尾松（Pinus massoniana），麻櫟（Quercus acutissima），毛竹（Phyllostachy edulis）林和茶（Camallia sinensis）園為主。毛竹林樣地平均樹高10.8m，平均胸莖8.3cm，郁閉度0.89，平均冠幅2.7m，密度2 025株／hm2，樣地坡度17°，坡向NE。

2 研究方法

2.1 氣象因子與林冠層結(jié)構(gòu)特征的測定

在試驗(yàn)樣地外約20m處的空曠地設(shè)置4臺RG3—M翻斗式自記雨量計（美國ONSET公司），持續(xù)測定（每5min自動采集一次數(shù)據(jù)）林外降雨量，雨量取平均值。利用PortLog便攜式自動氣象站（美國產(chǎn)）對空氣溫度、濕度、風(fēng)速及風(fēng)向等氣象因子進(jìn)行測定（每15min測1次）。葉面積指數(shù)的測定采用LAI－2200（LI－COR，USA）植被冠層分析儀，每月中旬在無太陽直射的晴朗早晨和傍晚或陰天測量。

2.2 穿透雨量測定

在樣地（20m×20m）設(shè)置3個集水槽（200cm×20cm×20cm）收集穿透雨，布設(shè)集水槽時需要除去周圍過高的草本植被，將降雨導(dǎo)入翻斗式自記雨量筒（量程：0.5mm），最后根據(jù)集水槽的面積以及3個集水槽的收集到的穿透雨量換算出林內(nèi)穿透雨量。

2.3 樹干莖流量測定

實(shí)驗(yàn)采用噴塑鐵皮由模具制成半圓形容器，兩個半圓形容器圍繞同等直莖樹干合圍，形成樹干莖流收集裝置，鐵皮與樹干之間用玻璃膠消除縫隙，裝置下方有出水口，通過皮管將收集到的雨水導(dǎo)入下方放置的翻斗式雨量計中，通過翻斗式雨量計（精度：0.5mm）來計算收集到的樹干莖流量。按2cm一個莖級劃分分布，選取樣地中9株樣木裝置儀器進(jìn)行觀測，利用加權(quán)平均法推算出單位面積林分的樹干莖流量。

2.4 林冠截留計算

按照水量平衡公式：I＝P－S－T （1）式中：I——樹冠截留量（mm）；P——大氣降雨量（mm）；S——樹干莖流量（mm）；T——穿透雨量（mm）。

2.5 林冠截留與其影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析法的基本思想主要是以兩個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)序列為基礎(chǔ)，按其發(fā)展趨勢的相似或相異程度，根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密。若幾何曲線的形狀越接近相應(yīng)序列之間的關(guān)聯(lián)度就越大，反之就越小，并依此可以判斷引起該系統(tǒng)發(fā)展的主要因素和次要因素［10］?；疑P(guān)聯(lián)度的計算公式為：

式中：ξi（k）——X0和Xi在k 指標(biāo)時的關(guān)聯(lián)系數(shù)；│X0（k）－Xi（k）│——比較數(shù)列與參考數(shù)列各對應(yīng)點(diǎn)的絕對差值；ρ——分辨系數(shù)，當(dāng) 越小，分辨率就越大，ρ∈［0，1］，一般ρ取值0.5；ri——灰色關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度越大說明子序列與母序列變化的態(tài)勢越一致則表明該序列對母序列的影響也就越大。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)降水特征

基于2012年4月至2013年3月的降雨數(shù)據(jù)，按兩場降雨事件之間的間隔時長超過8h的原則［11］，總計降雨事件111次，累計降雨量849mm，略低于研究區(qū)年平均降雨，原因是研究期間6，7月降雨低于同期降雨較多，6月降雨量只有39.9mm低于國家基準(zhǔn)站的降水歷史均值166.2mm。8月降雨量148.9mm（17.53%）為各月降雨量最大值，研究區(qū)冬季降雨較多，占據(jù)年降雨量的27.33%。場降雨最大值63.3mm，最小值0.1mm，平均場降雨量7.6mm，標(biāo)準(zhǔn)差10.5mm，變異系數(shù)達(dá)136.65%。小雨占總降雨次數(shù)的75.68%，降雨強(qiáng)度≤1mm／h的場降雨占總降雨次數(shù)的56.76%，研究區(qū)以小雨量、低強(qiáng)度的降雨事件為主。根據(jù)該地區(qū)單場降雨特征，將降雨類型劃分為8個雨量級：≤1，1～2，2～3，3～5，5～10，10～20，20～30和≥30mm。

3.2 穿透雨和樹干莖流變化特征分析

觀測期內(nèi)長三角地區(qū)毛竹林穿透雨量為514.5mm，占總降雨量的60.6%，場降雨的穿透雨率變幅為0～83.57%，場降雨的平均穿透雨率為43.67%，場降雨的穿透雨率變異系數(shù)為57.35%。研究期間，穿透雨量隨降雨量的增大而增加，兩者之間呈極顯著的線性關(guān)系，穿透雨量和降雨量的回歸方程為：

式中：y——穿透雨量（mm）；x——降雨量（mm）。

當(dāng)降雨量較小時，林冠層可以截留全部降雨，降雨量超過一定范圍后，會形成林內(nèi)穿透雨，形成林內(nèi)穿透雨的最小降雨量可以根據(jù)關(guān)系方程計算出，即為x軸截距0.82mm，這個值被Leyton等［12］當(dāng)做林冠枝葉部分的持水能力。在10～20mm雨量級時，穿透雨量最大為161.5mm，穿透雨率隨雨量級的增大而增大，但增長幅度趨于平穩(wěn)，在≥30mm雨量級達(dá)到最大值67.48%（圖1）。

圖1 不同雨量級的穿透雨量和穿透雨率

樹干莖流這部分水分占據(jù)總降雨量的比例較小，但在森林水文功能以及生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)過程中所起的作用卻十分重要。研究期內(nèi)，樹干莖流總量56.9mm，占研究期內(nèi)總降雨量的6.7%，場降雨的樹干莖流率變幅為0～5.46%，平均場降雨的樹干莖流率為5.47%。各場次的樹干莖流量與降雨量具有顯著的線性關(guān)系，回歸方程為：

式中：y——樹干莖流量（mm）；x——降雨量（mm）

形成樹干莖流的最小雨量以及樹干持水能力可以根據(jù)樹干莖流量與林外降雨量的關(guān)系方程確定，X軸截距為形成樹干莖流的最小雨量（1.1mm），Y軸截距為樹干持水能力（0.1mm）。樹干莖流率隨雨量級的增大而增加，樹干莖流率在≤1mm雨量級時最小為2.03%，在≥30mm雨量級達(dá)到最大值8.13%，樹干莖流量最大值（19.1mm）出現(xiàn)在10～20mm雨量級（圖2）。

圖2 不同雨量級的樹干莖流量和莖流率

3.3 林冠截留與降雨量的關(guān)系

研究期內(nèi)，林冠截留量為278.6mm，林冠截留率占同期總降雨量的32.7%。試驗(yàn)期間的場林冠截留量和降雨量具有明顯線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性達(dá)顯著水平，回歸方程如下：

式中：y——林冠截留量（mm）；x——降雨量（mm）。

111場降雨的平均降雨強(qiáng)度為1.7mm／h，Gash模型假定降雨期間飽和林冠的平均蒸發(fā)速率和平均降雨強(qiáng)度的比值保持穩(wěn)定，并且比值等于降雨量和林冠截留量關(guān)系方程的斜率［13］，因此，可以估算出飽和林冠的平均蒸發(fā)速率為0.42mm／h。林冠截留率隨降雨等級的增大而減小，在≤1mm雨量級時林冠截留率最高，占降雨量的82.03%（圖3）。

圖3 不同雨量級的林冠截留量和林冠截留率

3.4 葉面積指數(shù)與林冠截留的關(guān)系

林冠層結(jié)構(gòu)特征對林冠截留也有顯著的影響，選取葉面積指數(shù)代表林冠結(jié)構(gòu)特征與林冠截留進(jìn)行分析。由圖4可知，除去12月，2月因降雨量高導(dǎo)致林冠截留總量過高的原因，各月林冠截留總量隨月平均葉面積指數(shù)的增加呈一定程度上增大的趨勢。月平均林冠截留率與各月平均葉面積指數(shù)的關(guān)系，一定程度上表現(xiàn)為隨葉面積指數(shù)的增大林冠截留率減小，月平均林冠截留率和月均葉面積指數(shù)的關(guān)系式：

式中：y——林冠截留率（%）；x——葉面積指數(shù)。

理論上說，同一樹種葉面積指數(shù)高的林分林冠截留率也應(yīng)較高，但研究區(qū)葉面積指數(shù)較高的月份，降雨量較之葉面積指數(shù)低的月份高出較多，因此林冠截留率反而低于葉面積指數(shù)低的月份。

3.5 林冠截留與氣象因子的關(guān)系

林冠截留是個復(fù)雜的過程，不僅受林冠層結(jié)構(gòu)特征的影響，同時氣象因子對其也有間接的影響。氣象因子主要包括降雨量、降雨強(qiáng)度、林內(nèi)空氣溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等，為了確定各個因子對林冠截留影響的重要性，對各因子影響作用進(jìn)行排序，采用最大值化的處理方法，將林冠截留量和各氣象因子的原始值進(jìn)行無量綱處理，分別將林冠截留量和林冠截留率作為參考數(shù)列，各氣象因子作為比較數(shù)列，采用灰色關(guān)聯(lián)法分析，分析結(jié)果見表1?；疑P(guān)聯(lián)度的值越大，說明比較數(shù)列與參考數(shù)列兩者之間的發(fā)展趨勢越接近，也就是說比較數(shù)列對參考數(shù)列的影響就越大。從表1中可以看出，降雨強(qiáng)度對林冠截留量的影響程度最大，空氣溫度對林冠截留率的影響最強(qiáng)，空氣濕度對兩者的影響程度均為最小。毛竹林的林冠截留量與其影響因子的灰色關(guān)聯(lián)度大小順序依次為：降雨強(qiáng)度＞降雨量＞風(fēng)速＞空氣溫度＞風(fēng)向＞空氣濕度，毛竹林的林冠截留率與其影響因子的灰色關(guān)聯(lián)度大小順序依次為：空氣溫度＞風(fēng)向＞降雨量＞風(fēng)速＞降雨強(qiáng)度＞空氣濕度。

圖4 月平均葉面積指數(shù)與各月林冠截留總量的關(guān)系

表1 林冠截留量、截留率與氣象因子的灰色關(guān)聯(lián)度

3.6 結(jié)果討論

2012年4月至2013年3月研究期內(nèi)，長三角地區(qū)毛竹林穿透雨量為514.5mm，樹干莖流總量56.9mm，分別占總降雨量的60.6%和6.7%。毛竹林的樹干莖流率6.7%顯著高于曹云等［14］、邱治軍等［15］、Hofhansl等［7］（0.7%～1%）對其他樹種的研究結(jié)果，這與毛竹樹干光滑，樹干部分的持水能力僅為0.1mm等因素有關(guān)，形成樹干莖流的最小降雨量為1.1mm。林冠枝葉部分的持水能力（形成穿透雨的最小降雨量）為0.82mm，介于王曉燕等［11］國內(nèi)學(xué)者的研究結(jié)果0.35～1.45mm，產(chǎn)生差異的原因與樹種、林齡、林冠層特征等因素有關(guān)。

毛竹林林冠截留量為278.6mm，林冠截留率占總降雨量的32.7%，與錢金平等［16］對太行山油松林（18.9%），劉建立等［17］對華北落葉松（25.08%）的研究結(jié)果相比較高，但仍處于中國主要森林生態(tài)系統(tǒng)的林冠截留率11%～37%范圍內(nèi)。降雨量較小時，林冠層可以截留大部分的降雨，研究區(qū)小雨占總降雨次數(shù)的75.68%，降雨強(qiáng)度≤1mm／h的場降雨占總降雨次數(shù)的56.76%，小雨量、低強(qiáng)度的降雨事件占據(jù)優(yōu)勢，且毛竹林葉面積指數(shù)、郁閉度（0.89）均較高，導(dǎo)致其林冠截留率較高。根據(jù)林冠截留量與降雨量的回歸方程以及平均降雨強(qiáng)度，估算出在降雨期間，毛竹飽和林冠的平均蒸發(fā)速率為0.42mm／h。

林冠截留過程受林分類型、林冠層特征、氣象因子等多種因素的的影響，McJannet等［18］和Bulcock等［19］的研究顯示葉面積指數(shù)對林冠截留起著顯著的作用，將林冠特征中的葉面積指數(shù)與林冠截留進(jìn)行分析，研究期內(nèi)，各月林冠截留總量隨月平均葉面積指數(shù)的增加呈一定程度上增大的趨勢，月平均林冠截留率與各月平均葉面積指數(shù)的關(guān)系，一定程度上表現(xiàn)為隨葉面積指數(shù)的增大林冠截留率減小，林冠截留率并未隨葉面積指數(shù)的增加而上升，原因在于研究區(qū)葉面積指數(shù)較大的月份，降雨量普遍較高，導(dǎo)致林冠截留率低于葉面積指數(shù)較低的月份，葉面積指數(shù)在一定程度上影響林冠截留，林冠截留主要決定于降雨量［14，20］。

4 結(jié)論

本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，對影響長三角地區(qū)毛竹林林冠截留量以及林冠截留率的氣象因子進(jìn)行了研究，各氣象因子與毛竹林的林冠截留量的灰色關(guān)聯(lián)度大小順序依次為：降雨強(qiáng)度＞降雨量＞風(fēng)速＞空氣溫度＞風(fēng)向＞空氣濕度，各氣象因子與毛竹林的林冠截留率的灰色關(guān)聯(lián)度大小順序依次為：空氣溫度＞風(fēng)向＞降雨量＞風(fēng)速＞降雨強(qiáng)度＞空氣濕度。本文研究仍有不足之處，僅憑一年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析有一定的偶然性，仍需進(jìn)行長期定位觀測，以期得到更加完善的研究結(jié)論。

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