祁連山青海云杉林對降水的再分配研究

孫宗國

（蘭州市中川上水綠化管理處，甘肅 蘭州）

森林與水都是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)［1］，關(guān)于森林生態(tài)水文功能研究已成為生態(tài)學(xué)和水文學(xué)的研究重點(diǎn)之一［2］，森林水文調(diào)節(jié)功能也是森林所實(shí)現(xiàn)的重要服務(wù)功能之一。森林先通過林冠對降水的截留，大大減輕了雨滴對土壤表面的重力沖擊。森林把地面徑流轉(zhuǎn)為地下徑流，減慢了徑流速度，同時可以防止土壤流失，因此森林在雨季可以大量貯蓄水分，減緩洪水流量；干旱季節(jié)又可補(bǔ)充河水流量，減輕或防止旱災(zāi)。森林還有涵養(yǎng)水源的作用，可改善水質(zhì)，降低水的硬度，提高水的堿性，并可防止水資源受到物理、化學(xué)、熱能及生物的污染。

對森林的水文效益研究，尤其是林冠對大氣降水再分配的研究在我國起步較晚［3］，森林自身的特點(diǎn)及森林的分布位置、海拔等給研究帶來了相當(dāng)大的困難，致使我國在這方面的研究和目前同類研究的水平還存在相當(dāng)大的差距。因此，研究森林對降水再分配的影響顯得尤為重要。2013年4—10月，我們通過測定青海云杉林林冠截留、樹干莖流、林內(nèi)穿透雨等，結(jié)合西大河自然保護(hù)站的前期觀測數(shù)據(jù)資料，對降水在林內(nèi)的輸移特征進(jìn)行了分析研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

青海云杉林，分布于祁連山西大河流域。

1.2 試驗(yàn)區(qū)自然概況

試驗(yàn)設(shè)在祁連山西大河自然保護(hù)站位于甘肅武威、祁連山中段，為典型的“V”地形，流域最高點(diǎn)的海拔為3 770 m，流域內(nèi)最大高差為1 120 m，試驗(yàn)區(qū)面積為2.74 km2，共劃分為5 879個不規(guī)則單元。海拔2 600～3 800 m，屬溫帶高寒半干旱、半濕潤山地森林草原氣候。流域陽坡為山地草原，陰坡為森林景觀，以蘚類青海云杉林為主，森林總面積168.3 hm2，覆蓋率65%。

西大河流域?qū)儆跍貛Ц吆降厣植菰瓪夂颍昶骄鶜鉁?0.60～2.0℃，極端最高氣溫28℃，極端最低氣溫-36.0℃，7月平均氣溫10.0～14.0℃。年降水量為378.2 mm，年均蒸發(fā)量為1 051.7 mm，空氣的平均相對濕度為60%。祁連山區(qū)降水年變化分為雨季（5—10月）和旱季（11—4月），西大河流域雨季降水占全年的87.2%左右，旱季降水僅占全年的12.8%左右，其中降雪占2.8%。

植被主要有青海云杉林、灌叢、草地和少量祁連圓柏林。其中青海云杉（Picea crassifolia）林主要分布在海拔2 650～3 300 m的陰坡，面積為967 769.7 m2，占流域面積的36%。青海云杉林的喬木層郁閉度平均為0.7，胸徑為12.7 m，樹高為8.3 m，枝下高為3.2 m，密度為0.2株/m2，林下灌木層不發(fā)育，草本層的優(yōu)勢種主要是苔草。

1.3 樣地選擇

在西大河流域選擇郁閉度不同的三塊青海云杉林，在其內(nèi)設(shè)置3塊標(biāo)準(zhǔn)固定樣地（樣地大小分別為10 m×20 m、10 m×20 m、20 m×40 m）。測定每塊樣地的坡度、郁閉度，測定樣地內(nèi)每株云杉的胸徑、樹高、冠幅、枝下高等。測量結(jié)果如表1所示。

表1 祁連山西水試驗(yàn)區(qū)林冠截留樣地概況

1.4 試驗(yàn)方法

在每塊樣地內(nèi)，根據(jù)樹木徑級的不同選擇5棵，在每棵樹下放置1個長方形雨量槽（100 cm×20 cm×20 cm）和雨量筒（直徑為15 cm），雨量筒和雨量槽要高出周圍的草本植物和苔蘚枯落物，以免水流進(jìn)雨量槽影響觀測結(jié)果，試驗(yàn)期間每次降水后記錄降水事件，并及時量取雨量筒和雨量槽內(nèi)的降水，即測量林內(nèi)穿透雨。在每次量取完畢后，將槽內(nèi)的枯落物清理干凈，以免影響下次觀測結(jié)果。在每個樣地上設(shè)置與之對應(yīng)的空曠地降水觀測點(diǎn)，用大雨量筒（直徑為20 cm）觀測，在每次降水后及時測定大雨量筒的水量，即林外空曠地降水量。

在每塊樣地內(nèi)，根據(jù)樹木徑級的不同選擇10株用來觀測樹干莖流。方法是將直徑為1.5 cm的軟質(zhì)塑料管剖開，用釘子將塑料管開口處固定在樹上，向上將塑料管按60?纏繞一周半，再在塑料管下面接10 L的塑料桶，用來收集樹干莖流。每次降水后及時用標(biāo)準(zhǔn)雨量筒測量塑料桶內(nèi)的水量，并對環(huán)形管密封情況進(jìn)行檢查，對發(fā)現(xiàn)有樹干莖流外滲的樣樹進(jìn)行及時處理，并放棄當(dāng)次測定數(shù)據(jù)。樹干莖流量可按下列公式進(jìn)行計(jì)算［4］。

式中C為樹干莖流量（mm），M為單位面積上的樹木株數(shù)，Cn為每徑級的樹干莖流量（mm），Kn為每徑級的樹冠平均投影面積（cm2），n為各徑級數(shù)，Mn為每徑級的樹木株數(shù)。

表2 青海云杉林林外降水及林內(nèi)降水的再分配情況

降水從落下來到達(dá)森林時首先經(jīng)過的就是樹木的冠層，其中在表面張力和重力的均衡作用下被吸附，或者積存在樹枝葉分叉處留下來被稱為樹冠截留降水［5］。根據(jù)林外降水量、林內(nèi)穿透雨、樹干莖流量，可得到樹冠截留量。

式中P為林外降水量，P（t）為林內(nèi)穿透雨，C為樹干莖流量，I為林冠截留量，單位均為mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水事件統(tǒng)計(jì)分析

從表2可以看出，在觀測期間，林外共降水共83次，降水量為394.2 mm。其中小于10 mm降水事件共72次，占總降水次數(shù)的86.75%；降水量為220.7 mm，占總降水量的55.99%。大于10 mm的降水事件共11次，占總降水次數(shù)的13.25%；降水量為173.5 mm，占總降水量的44.01%。由此可以看出，研究區(qū)的降水以小降水事件為主，小降水事件占全部降水事件的86.75%；強(qiáng)降水事件只占了全部降水事件的13.25%，但它的降水量卻幾乎為總降水量的1/2。這說明強(qiáng)降水事件雖然次數(shù)少，但它降水量相對很大，雖對水分的補(bǔ)充量較大，但不利于森林生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，而研究區(qū)頻繁的小降水事件，每次的降水量小而次數(shù)多，落地時對林地的打擊程度小，不破壞林地，而且落到林地的少量降水全部被林地所吸收，有利于森林對降水的儲存，增加了林地的水分含量。

2.2 青海云杉林對降水的分配

2.2.1 觀測期內(nèi)降水分配總特征 從表2可知，林外共降水共83次，降水量為394.2 mm。其中林內(nèi)穿透雨為253.1 mm，穿透率平均為60.01%；林冠截留量為138.8 mm，截留率平均為39.5%；莖流量為1.96 mm，莖流率平均為0.70%。即林內(nèi)穿透雨占了林外降水的大部分，超過了1/2；而樹干莖流只有很小的一部分。

2.2.2 穿透率與林外降水量級的關(guān)系 從圖1中可以看出，林外降水量與林內(nèi)穿透率呈Y=32.387 ln（x）+17.081的函數(shù)關(guān)系，R2=0.978 6。當(dāng)降水量級在0～1 mm時，穿透率最低。隨著降水量級的增加，穿透率不斷增加，但增速有所減緩。當(dāng)降水量級增加到一定程度時，穿透率趨于穩(wěn)定，不再隨降水量級的增加而增加。這時，林冠滲透充分，幾乎再沒有截留能力，基本達(dá)到了一個飽和狀態(tài)，此時林外的降水大多數(shù)都成為了穿透雨，穿透率也達(dá)到了最大值。

圖1 降水量級與穿透率的關(guān)系

2.2.3 林冠截留率與林外降水量級的關(guān)系 從圖2可以看出，林外降水量與樹冠截留率呈Y=94.975 ln（x）-0.765的函數(shù)關(guān)系，R2=0.985 6。當(dāng)降水量級在0～1 mm時，林冠的截留率最大，林冠截留了林外大部分的降水。隨著降水量級的進(jìn)一步增加，林冠的截留率不斷減小，但減小趨勢有所減緩。最后，林冠截留率變化趨近穩(wěn)定值（最小截留率），這時林冠幾乎失去了截留的能力。即大氣降水經(jīng)過冠層直接到達(dá)林內(nèi)，林內(nèi)降水量幾乎等于林外降水量。

圖2 林外降水量級與樹冠截流率的關(guān)系

2.2.4 樹干莖流率與林外降水量級的關(guān)系 從圖3中可以看出，林外降水量與樹干莖流量呈Y=0.335 x-0.807 5的函數(shù)關(guān)系，R2=0.832 4。根據(jù)公式測算，當(dāng)降水量級大于2.41 mm的時候，才有樹干莖流產(chǎn)生，當(dāng)降水量級大于10.00 mm時，才能觀測到樹干莖流。隨著降水量級的增加，樹干莖流不斷增加。林冠截留率在0～2.24%變化，平均莖流率為0.7%，也就是說青海云杉林的樹干莖流率非常低，這是由于其形態(tài)結(jié)構(gòu)非常不利于形成樹干莖流。

圖3 林外降水量級與樹干莖流率的關(guān)系

3 小結(jié)與討論

1） 在觀測期間（2013年4—10月），祁連山西大河流域青海云杉林林外共降水83次，降水量共為394.2 mm。在全部降水事件中，以小降水事件為主，占總降水次數(shù)的86.75%。強(qiáng)降水事件雖然次數(shù)少，但總降水量卻幾乎占了總降水量的1/2。

2） 樹冠截留量為 138.8 mm，占總降水量的39.5%，樹冠截留率18.7%～86.0%。林內(nèi)穿透雨為253.1 mm，占總降水量的60.01%，林內(nèi)穿透率14.1%～79.1%。樹干莖流量共為1.96 mm，占總降水量的0.70%，樹干莖流率在0.40%～2.24%變化。當(dāng)降水量級大于2.41 mm的時候，才有樹干莖流產(chǎn)生，當(dāng)降水量級大于10.00 mm時，才能觀測到樹干莖流。

3）傅輝恩等人在祁連山北坡測得林冠層對降水的截留率，蘚類—青海云杉林為25.86%，祁連圓柏林為28.95%，灌叢混交林66.19%，灌叢混交林截留降水量最大［6］。王彥輝等人研究表明刺槐、青海云杉林、華北油松人工林、闊葉次生林的截留作用，認(rèn)為中、高郁閉度林分林冠截留率為22.6%～34.5%，平均截留降水率為32.7%，而且它隨降水量和降水強(qiáng)度的增大而減小，隨郁閉度的增加而增大，林冠截留降水量比降雪量約少10%～30%［7～9］。以上結(jié)論與本試驗(yàn)結(jié)果相近。

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