連續(xù)降雨條件下黃土丘陵區(qū)兩典型林分降雨分配特征研究

張建國,閆美杰,杜 盛

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院大學,北京 100049)

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連續(xù)降雨條件下黃土丘陵區(qū)兩典型林分降雨分配特征研究

張建國1,3,閆美杰1,2,杜 盛1,2

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院大學,北京 100049)

植被的降雨分配是重要的水文過程和生態(tài)功能?；谶B續(xù)降雨條件下，采用雨量筒收集法，實地觀測了黃土丘陵區(qū)兩典型森林群落——遼東櫟次生林和刺槐人工林的樹干流和穿透雨。結果表明：連續(xù)降雨條件下，兩典型森林群落穿透雨與降雨量之間存在極顯著的相關關系，遼東櫟林分穿透雨占降雨量的86%，刺槐林分穿透雨占降雨量的89%；遼東櫟單株樹干流與胸徑之間呈顯著正相關線性關系;遼東櫟林分樹干流和刺槐林分樹干流與降雨量之間均存在極顯著線性相關，兩林分樹干流分別占降雨量的14%和6%，遼東櫟林樹干流和穿透雨之和與降雨量相等，表明該林分在連續(xù)降雨條件下，該林分樹冠截流等于0；刺槐樹干流和穿透雨之和與降雨量相比，相差5%，這可能與該林分灌木層的二次分配有關。

連續(xù)降雨; 樹干流; 穿透雨; 冠層截留; 遼東櫟; 刺槐

林分冠層截留一直以來是森林水文研究的熱點問題之一。林冠層在森林生態(tài)系統(tǒng)的水分循環(huán)和水量平衡中起了很重要的作用[1]。在森林生態(tài)系統(tǒng)內，林冠層是影響其水量平衡的第一作用層。不同的森林植被類型具有不同的截留功能，降雨通過林冠層后，林冠截留率為10%～40%，林內降水透過率為60%～90%，樹干流率為較小，在0.5%～14%[2]。

通常情況下，樹冠截留的研究是通過降雨量減去林分樹干流和穿透雨量算得的。以往冠層截留的研究基于長期間斷測量，即單次降雨條件下的監(jiān)測研究，對于連續(xù)降雨條件下對林冠層的研究較少。研究表明，降雨的時間分布影響著冠層的干濕循環(huán)[3]，非連續(xù)降雨事件條件下，測得的冠層截留比較大[4-5]；然而，在連續(xù)降雨情況下，冠層截留與降雨量存在負相關關系[6]，冠層截留為負值[7]，換言之，連續(xù)降雨條件下，可以忽略總降雨和凈降雨的差異，即冠層截留為零或負值[8]?；诓煌涤隀C制對林冠截留的影響，本文以2013年7月延安極端連續(xù)降雨事件為背景，研究連續(xù)降雨條件下，黃土丘陵區(qū)兩典型森林植被類型——遼東櫟(Quercus liaotungensis)天然次生林和刺槐(Robinia pseudoacacia)人工林樹干流、穿透雨和冠層截留的變化規(guī)律，為連續(xù)降雨條件下樹干流、穿透雨和樹冠截留的研究提供一定的數據和理論支持，為該地區(qū)不同植被覆蓋下減少水土流失、抵御洪澇災害提供理論依據。

1　研究區(qū)概況和試驗方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市南郊公路山，36°25.40′N，109°31.53′E，海拔1 353 m。該地區(qū)在生態(tài)景觀的水平地帶性上位于森林區(qū)與森林草原區(qū)的過渡地帶，氣候為溫帶半干旱大陸性季風氣候。據延安市氣象臺資料，近20年(1988—2007年)平均年降水量為498 mm，平均氣溫為10.6℃，雨季集中于7—9月份，4—6月份為干旱季節(jié)(圖1)。

圖1　1988-2007年延安市氣候特征

遼東櫟天然次生林固定監(jiān)測樣地：面積0.04 hm2，海拔1 360 m，坡向西南，坡度22°，植被覆蓋率約為75%。該林分以遼東櫟和山杏(Arrmeniaca sibirica L.)為主要建群種的落葉闊葉混交林，其中伴生樹種有：側柏[Platycladus orientalis (L.)Franco]、桃葉衛(wèi)矛(Euonymus bungeanus Maxim.)、大果榆(Ulmusmacrocarpa Hance)和三裂槭(Acer stenolobum Rehd.)。林分平均年齡約為60 a；樹木密度為1 350株/hm2；林分樹干基面積為20.5 m2/hm2，林分平均樹高為(5.8±2.2)m，平均胸徑為(10.2±6.1)cm。刺槐人工林固定監(jiān)測樣地：面積為0.04 hm2，海拔1 350 m，坡向為東南坡，坡度26°，植被覆蓋率約為90%。林分為刺槐人工純林，林下植物稀疏雜生，主要包括：黃薔薇(Rosa hugonis Hemsl.)、三裂槭(Acer stenolobum Rehd.)幼苗、白羊草[Bothriochloa ischcemum (L.)Keng]、水栒子(Cotoneaster multiflorus Bunge.)及鐵桿蒿(Artemisia sacrorum Ledeb.)等。林分平均林齡為30 a，林分樹木密度為3 100株/hm2，平均胸徑為(9.8±0.26)cm，平均樹高為8.6 m，林分樹干基徑面積為24.9 m2/hm2。兩樣地距離約為150 m，在距離遼東櫟樣地約為150 m的空白處設置有微型氣象站，主要用于監(jiān)測降雨量、風速、太陽輻射、空氣溫濕度等環(huán)境因子，考慮到不同監(jiān)測設備可能引起的測量誤差以及樣地距離，因此降雨量數據采用同一套監(jiān)測設備。本試驗測定時間為2013年7月，該月降雨情況見圖2。

圖2　研究期間樣地的降雨特征

1.2測定方法

1.2.1降雨量在林外一處4 m×4 m的空白地，利用翻斗式自計雨量計(Davis Rain collector Ⅱ model 7852，Davis Instruments，USA)測量降水量(mm)。雨量筒距離地面約1 m的高度。

1.2.2穿透雨與樹干流穿透雨的測定采用不銹鋼集雨漏斗(內徑約為20 mm，邊緣厚度約為1 mm)，降雨被收集在一個容積約為10 L的塑料桶內。穿透雨具有的空間差異性，在遼東櫟次生林林內隨機分布有17個穿透雨收集器。刺槐人工林由于林分布局相對整齊，為減少雨量收集任務，刺槐林內只隨機分布有10個雨量收集器。采用量筒測量收集的穿透雨，精度為10 ml。林分穿透雨為該林分內所有穿透雨收集器測量值的均值。

根據兩樣地內各樹種樹木的徑級分布，遼東櫟林內選擇8株遼東櫟，2株山杏和其他伴生樹種(側柏、大果榆、三裂槭、桃葉衛(wèi)矛)各1株，刺槐樣地選取7株刺槐樣樹分別測定其樹干流。樹干流監(jiān)測具體操作方法如下：首先選取一根直徑為25 mm的，長度略微小于樹干胸徑的橡膠管，將其用細鐵絲固定在樹干胸高處；再次，選取長度約為1.2 m長的同材質橡膠管，將其一端與固定在胸高處的橡皮管兩端重合處；其次選用長度比樹干胸徑長的同材質橡膠管，將其剖開，纏繞在剛剛固定在胸高處的橡膠管上；最后采用玻璃膠將橡膠管接觸的部位密封，僅保留一處出水口。樹干收集的降雨量被儲存在容積約為100 L的塑料桶內。根據以往經驗，樹干流容積較大，因此在100 L塑料桶的上端鑿出3個等高度直徑約為25 mm的圓孔，其中一個圓孔采用塑料管與容積約為50 L的塑料桶相連。樹干流的測量只測量塑料桶中水的深度，根據建立的塑料桶深度與容積之間的線性方程推算樹干流的容積量(L)，林分樹干流(SF)的測定方法如下：

(1)

式中：SF為林分總樹干流(mm)；SF0為各樣樹測得的樹干流(L)；BC0和BC分別為所選樣樹的胸高橫斷面積和林分總胸高橫斷面積；AG為樣地的投影面積。

1.2.3林冠截留量樹冠截留量的計算公式[9-10]如下：

(2)

式中：I為林冠截留量(mm)；P為林外降雨量(mm)；PT為穿透雨量(mm)；SF為樹干流(mm)；(PT+SF)為凈降雨量，即林內降雨量(mm)。

2　結果與分析

2.1總降雨

據新華網報道[11]，2013年7月3—26日是延安市自1945年有氣象記錄以來過程最長、強度最大、暴雨日最多且間隔日最短的一次持續(xù)強降雨，超過百年一遇標準。如圖1—2所示，該月份總降雨為504.4 mm，與該地區(qū)多年平均降雨量(498 mm)相比，高1.29%。本研究監(jiān)測時間從7月3—25日，遼東櫟次生林共記錄11次降雨事件，刺槐人工林共記錄10次降雨事件，記錄總降雨量為466.4 mm，各降雨事件具體時間及降雨量情況見表1—2。某些情況下，當降雨持續(xù)超過1天以上時，連續(xù)降雨記為1次降雨事件，降雨事件的記錄根據實際情況決定，原則是為了保證樹干流和穿透雨的準確性，例如監(jiān)測期間最大降雨事件出現在7月24日，降雨量為112.2 mm，該降雨量實際為7月21日(6.4 mm)、7月22日(105.6 mm)和7月24日(0.2 mm)降雨量之和。監(jiān)測期間，各降雨事件中，小于5 mm降雨為2次，大于5 mm小于20 mm為2次，其余均大于20 mm。

表1　遼東櫟林各降雨事件中各分量的監(jiān)測數據及比例

2.2穿透雨

穿透雨具有很強的空間差異性，不同位點測得的穿透雨的量差異很大，同時雨量收集器的尺寸也影響最少穿透雨收集器數量的重要因素之一，Rodrigo和Avila研究表明，采用9～11個直徑為20 mm的收集器，平均1周穿透雨的誤差約為10%[12]；10～12個直徑為20 mm的收集器可以代表林分穿透雨量[13]。因此，本文認為遼東櫟林和刺槐林穿透雨收集器的數量合理。在連續(xù)降雨條件下，降雨量和降雨強度越大，穿透雨量越大，且穿透雨率也在增加(圖3，表1—2)，與以往研究結果相同[14-15,9-10]。從表1—2中可以看出，穿透雨在降雨中所占的比例最高，各別降雨事件中，穿透雨要遠遠大于降雨量，如7月16日，兩林分穿透雨量均大于降雨量。圖3中可以看出，穿透雨與降雨量之間存在很好的線性相關關系(y=ax+b)，從線性方程擬合系數a值來看，遼東櫟林穿透雨占降雨量的86%，刺槐林穿透雨占降雨量的89%，兩樣地穿透雨與降雨量的線性方程具體可表達為，遼東櫟：PTQ=0.86P+1.42(R2=0.99，p<0.0001)，刺槐：PTR=0.86P+1.42(R2=0.9986，p<0.0001)。表明，在連續(xù)降雨條件下，線性方程同樣適用于該地區(qū)兩典型林分穿透雨與總降雨之間的關系。鞏合德等[14]在監(jiān)測了穿透雨與降雨量之間的幾何回歸模型后發(fā)現，線性回歸方程適用于川西亞高山冷云杉林穿透雨與總降雨量之間的關系。李振新等[16]對岷江流域冷杉針葉林的穿透降雨空間分布特征研究發(fā)現，穿透降雨與林外降雨量之間的關系符合Logistic曲線。本文由于是連續(xù)降雨條件下進行監(jiān)測，測定期間樹皮和林冠層基本處于充分潤濕狀態(tài)，因而，穿透雨與降雨量之間存在線性方程，但也不排除單個穿透雨收集器獲得的穿透雨量與降雨量之間存在指數增長關系的可能。

表2　刺槐林各降雨事件中各分量的監(jiān)測數據及比例

圖3　兩典型林分穿透雨與降雨量關系

2.3樹干流

對于單次降雨事件來說，由于森林生態(tài)系統(tǒng)林冠層對大氣降水的重新分配作用，當大氣降水發(fā)生時，降水首先會被樹冠的枝葉、枝皮和樹干所截留(林冠截留降水)，其次一部分降雨通過樹枝、葉尖滴落或由林間空隙(林窗)直接降落到林地上，形成林內降雨(林內穿透雨)，最后一部分降雨沿著樹干到達地面，才形成樹干流。

相對于穿透雨，莖流出現的時間更滯后，幾乎是穿透雨所需時間的2倍[17]。因而在林冠的降雨分配中樹干流一般所占的比重很小，在有的研究中樹干流甚至被忽略不計。然而連續(xù)降雨條件下，樹冠截留和樹皮均處于飽和狀態(tài)，此時樹干流占降雨量的比例會顯著增加。由表1—2可以看出，連續(xù)降雨條件下，樹干流在降雨中所占的比例比較穩(wěn)定，遼東櫟林實測樹干流占降雨量的比例為15%左右，刺槐林實測樹干流占降雨量的比例為7%左右，本文樹干流所占降雨量比例在王佑民[18]研究范圍之內，他通過總結了我國主要林區(qū)的樹干流特點發(fā)現，樹干流占林冠層截留量的比例多則至15%，少則至1%。這主要是由于樹干流的大小受樹種、降雨量、樹皮粗糙度、樹枝分枝特點及胸徑大小等影響[19]。

將每次降雨事件之后樹干流的均值與胸徑進行線性回歸，由圖4可以看出，遼東櫟樹干流與胸徑之間存在極顯著的線性正相關關系。從遼東櫟和刺槐樹干流誤差來看，樹干流誤差隨著遼東櫟胸徑的增大而變大；隨刺槐胸徑的增大，誤差變小。這與兩種樹種的林冠冠幅和分枝有關，遼東櫟生長良好，冠層豐富，分枝較多；而刺槐林內大部分樹木普遍出現枯稍現象[20]，尤其是胸徑較大的樣樹，胸徑較小的刺槐冠層發(fā)育良好。通常認為樹干流隨徑級和冠幅的增大而增大。Pressland等研究表明，在不同降雨強度下，樹干胸徑與樹干流之間存在正相關關系。萬師強等[22]研究也表明，樹木的平均樹干流隨徑級和冠幅的增大而增大。胸徑和樹干流的相關性為基礎的方法是計算林地徑流的最好的方法[19]。也有研究表明，由于樹冠結構的不同，有些胸徑和冠幅較大的樹木，樹干流反而較小[17-19,22-23]。

圖4　兩樹種樹干流與相應胸徑之間的關系

林分樹干流與降雨量之間的關系見圖5，林分樹干流與降雨量之間存在極顯著的線性相關關系。本文的研究與多數研究一致，即樹干流與降雨量的關系為直線相關。王彥輝[24]研究毛竹樹干流與降雨量之間可以表達為SF=-0.07P+0.049。Huber等[9]對針葉樹和闊葉樹樹干流的研究表明，針葉樹和闊葉樹林分樹干流與總降雨量之間存在顯著的線性相關。Staelens等[25]對山毛櫸林樹干流研究表明，樹干流與降雨量之間存在極顯著線性相關。Marin等[26]對4個森林生態(tài)系統(tǒng)降雨分配研究表明，盡管樹干流占總降雨量的比例較小，但與降雨量之間存在指數關系。線性方程擬合系數來看，遼東櫟林樹干流總量占到降雨量的14%，而刺槐林樹干流僅占到降雨量的6%；線性方程常數項來看，遼東櫟常數為正，刺槐常數為負，表明遼東櫟林樹干流出現的臨界降雨量要小于刺槐樹干流出現的降雨量，這可能與兩樹種樹冠冠幅和分枝數量以及樹干高度、樹皮吸水性有關。

圖5　兩典型林分樹干流與降雨量之間的關系

2.4林冠截留

林冠截留在森林生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)和水量平衡中占有極其重要的地位，主要受到降雨特征、樹冠特征、樹種組成、林冠特征、雨前林冠的濕潤程度、風速等多種因素的影響。劉世榮等[27]總結了地跨我國南北不同氣候帶的各種森林類型的林冠截留率，表明，截留率變動范圍在11.4%～34.3%，變動系數為6.68%～55.05%，其中以亞熱帶西部高山常綠針葉林最大，亞熱帶山地常綠落葉闊葉混交林最小[28]。以上研究結論均基于長期非連續(xù)降雨條件下的觀測結果。然而，在連續(xù)降雨情況下，冠層截留與降雨量存在負相關關系[6]。Rutter等[7]研究表明，在連續(xù)降雨事件中，總降雨量與凈降雨量(林內降雨，即樹干流和穿透雨之和)的線性關系截距為負值，即冠層截留為負值。這與本研究連續(xù)降雨條件下，兩林分林冠截留均出現負值相符(表1—2)。遼東櫟林冠截留在連續(xù)降雨事件，如降雨事件2和降雨事件24之后，林冠截留均為負值，同時由穿透雨和樹干流所占降雨量的比例來看(圖3、圖5)，遼東櫟林兩者所占比例為100%(86%+14%)，也就是說，在連續(xù)降雨條件下，林分冠層截留基本為零；刺槐人工林林冠截留量的變化情況則變異較大，無明顯規(guī)律，刺槐人工林穿透雨(圖3)和樹干流(圖5)占降雨量的比例為95%(89%+6%)，由表2也可以看出，刺槐冠層截留大部分情況下出現正值情況，但這并不是真正的刺槐林冠截留，可能與穿透雨測定值偏小有關。由于該地區(qū)刺槐人工林經常受到土壤干旱脅迫的影響，出現嚴重的枯梢現象[29-31]，為該地區(qū)林下灌木提供了足夠的生長空間，該區(qū)灌木長勢較好，且普遍較高。測定刺槐林地的穿透雨可能經過灌木冠層的二次分配作用，也就是說，監(jiān)測的刺槐林分穿透雨變成了降雨經過兩次冠層分配作用后的穿透雨，因而數值變小。陳云明等[32]研究表明，7～10 a沙棘灌木林冠截留率變化為6.9%～9.8%，平均為8.5%?；糁竦萚33]研究表明，沙柳灌木林冠截留率平均為13.2%，檸條林冠截留率平均為14.3%。

連續(xù)降雨條件下，由于林冠截留量的容量基本接近于零或為負值，也就意味著近乎全部的降雨以穿透雨和樹干流的形式進入林內，對于特定樣地來說，林內的枯落物和土壤的含水量成為減少地表徑流量的關鍵因素。相同雨強條件下，人工刺槐林地表徑流是遼東櫟次生林地表徑流的4～6倍(未發(fā)表數據)，這主要是由于兩林分的枯落物差異所致。另一方面，由于土壤含水量達到飽和，加之黃土高原土壤土質疏松，在邊坡時常有塌方的出現。因此在以后的植被修復措施和工程施工措施的建設中，要采取工程措施穩(wěn)固坡面結構和植被措施恢復生態(tài)相結合的方法，尤其是公路邊坡的防護方面。

3　結 論

連續(xù)降雨條件下，兩典型森林群落穿透雨和樹干流與降雨量之間存在顯著的正相關關系。遼東櫟林分穿透雨占降雨量的86%，刺槐林分穿透雨占降雨量的89%。遼東櫟單株樹干流與胸徑之間存在顯著正相關線性關系。遼東櫟林分樹干流占降雨量的14%，刺槐林分樹干流占降雨量的6%。遼東櫟林樹干流所占比例和穿透雨所占比例之和與降雨量相等，表明該林分在連續(xù)降雨條件下，樹冠截流為零或負值；刺槐樹干流和穿透雨所占比例之和略小于降雨量，這可能與該林分灌木的冠層截留和樹干流有關。本文降雨分配的研究是基于連續(xù)降雨情況下，林冠截留、樹皮吸水基本處于充分潤濕狀態(tài)，是一種較為理想狀態(tài)，然而對于年內或年際非連續(xù)降雨情況下的分配，尤其是林冠層截留的研究有待進一步解決，同時為進一步分析比較連續(xù)降雨和間隔降雨條件下，不同森林生態(tài)系統(tǒng)森林水文過程提供堅實的數據支撐和理論依據。

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Characteristics of Rainfall Partitioning in Two Typical Forests Under Continuous Rainfall in the Loess Hilly Region

ZHANG Jianguo1,3,Yan Meijie1,2,Du Sheng1,2

(1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau,Institute of Soil and Water Conservation,CAS & MWR,Yangling,Shaanxi 712100,China; 2.Institute of Soil and Water Conservation,Northwest A&F University,Yangling,Shaanxi 712100,China; 3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049， China)

Rainfall partitioning by vegetation is important hydrological process and functions of ecosystems.We investigated the stem flow and throughfall in two typical forests: a natural Quercus liaotungensis dominated forest and a pure Robinia pseudoacacia plantation under continuous rainfall events by field observation using the rainfall collector.The results showed that there was significant linear relation between throughfall and gross precipitation in two typical forests for continuous rainfall events.Throughfall accounted for 86% and 89% of total rainfall in Quercus liaotungensis forest and in Robinia pseudoacacia plantation,respectively.Stem flow of individual trees of Quercus liaotungensis was positively linearly correlated with DBH (Diameter at breast height); stem flow of individuals of Robinia pseudoacacia was negatively linearly correlated with DBH.The proportions of stand stem flows in gross rainfall of two typical forests were 14% and 6%,respectively.The sum of stem flow and throughfall was equal to the gross rainfall in Quercus liaotungensis forest,indicating that there was no canopy interception for continuous rainfall events in this forest.The difference between the sum of stem flow and throughfall with the gross rainfall was 5% in Robinia pseudoacacia plantation,and maybe it was related with the redistribution of throughfall in the shrub layer in this plantation.

continuous rainfall; stem flow; throughfall; canopy interception; Quercus liaotungensis; Robinia pseudoacacia

2014-11-11

2015-11-15

國家自然科學基金(41171419,41411140035,41471440);中國科學院知識創(chuàng)新工程“百人計劃”項目(kzcx2-yw-BR-02)

張建國(1986—),男,山東肥城人,博士,主要從事流域生態(tài)與管理研究。E-mail:zhangjidezs@163.com

杜盛(1965—),男,內蒙古鄂爾多斯人,博士，研究員，主要從事半干旱地區(qū)植被恢復生態(tài)學、群落生態(tài)水文過程等研究。E-mail:shengdu@ms.iswc.ac.cn

S715.2

A

1005-3409(2016)05-0158-06