六盤山華北落葉松林下穿透雨空間變異特征

劉澤彬,王彥輝,*,鄧秀秀,劉 宇,張 桐,左海軍,王亞蕊,熊 偉,于澎濤,徐麗宏

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091 2 中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院, 長沙 410004 3 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院, 北京 100083

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六盤山華北落葉松林下穿透雨空間變異特征

劉澤彬1,王彥輝1,*,鄧秀秀2,劉 宇3,張 桐3,左海軍1,王亞蕊1,熊 偉1,于澎濤1,徐麗宏1

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091 2 中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院, 長沙 410004 3 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院, 北京 100083

受林冠截持影響后形成的林下穿透雨的數(shù)量和空間分布會影響林地的入滲、產(chǎn)流、蒸發(fā)等水文過程和林木生長及枯落物分解等生態(tài)過程,因而精細(xì)的森林水文功能評價和森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營都需要準(zhǔn)確描述林下穿透雨的空間變異規(guī)律。在寧夏六盤山香水河小流域設(shè)立了面積為30 m×30 m的華北落葉松人工林樣地,均勻布設(shè)了40個截面面積230.58 cm2的雨量收集器,測定了2015年生長季(5—10月)34次降雨事件的穿透雨量。結(jié)果表明,研究期間林外總降雨量567.0 mm,林下總穿透雨量483.5 mm,占同期雨量的85.3%。隨著次降雨量增加,林內(nèi)次穿透雨率呈現(xiàn)先快速增加后趨于穩(wěn)定的變化。穿透雨量在林內(nèi)存在較大空間變異,其變異程度隨次降雨量增加先快速下降后趨于穩(wěn)定。林下穿透雨空間分布受樹木特征(穿透雨收集器上方的林冠葉面積指數(shù)和冠層厚度、穿透雨測點(diǎn)離最近樹干的距離)的影響,且其影響隨次降雨量大小而變,當(dāng)次降雨量<10 mm時,穿透雨量與葉面積指數(shù)顯著負(fù)相關(guān)；當(dāng)次降雨量在10—20 mm時,穿透雨量與距最近樹干距離顯著正相關(guān),與冠層厚度顯著負(fù)相關(guān)；當(dāng)次降雨量>20 mm時,穿透雨量與3個樹木特征均不顯著相關(guān)?？紤]到研究區(qū)次降雨量集中在0—10 mm,在95%或90%的置信區(qū)間下,若將測定的次穿透雨數(shù)值誤差控制在10%以內(nèi)時,在30 m×30 m樣地內(nèi)至少需布設(shè)13或9個本研究所用大小的收集器；滿足次穿透雨數(shù)值誤差在5%以內(nèi)時,至少需布設(shè)26或23個這樣的收集器。

華北落葉松；穿透雨；空間變化；Monte Carlo模擬

降雨經(jīng)過林冠后一部分被截留,一部分轉(zhuǎn)化為干流,其余部分則以穿透雨形式進(jìn)入地表。由于林冠的截留量有限以及干流量僅占降雨量很小一部分,因此穿透雨往往成為林地水分補(bǔ)給的主要形式[1- 2]；同時,穿透雨可以濕沉降形式把大氣中漂浮物及林冠截持物和林冠淋溶物洗脫后輸入到林地,因而也是林地養(yǎng)分輸入的重要途徑[3- 4]。林冠特征的空間差異及其截持作用,導(dǎo)致穿透雨的數(shù)量和空間分布變化很大,這對于林地的入滲、產(chǎn)流、蒸發(fā)等一系列生態(tài)水文過程和土壤水分空間分布及養(yǎng)分循環(huán)等均具有重要影響。對此進(jìn)行準(zhǔn)確描述,是開展精細(xì)化的森林生態(tài)水文影響評價和森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營的需要。

國內(nèi)外已對森林穿透雨特征做了大量研究,研究測定方法主要是在林地布設(shè)雨量收集器,涉及到穿透雨的數(shù)量變化[5- 7]、時空格局、影響因素[8- 10],以及穿透雨收集器數(shù)量對測定精度的影響[1,11]等,取得了較豐碩成果,如Sinnun等[12]和曹云等[13]均報(bào)道,冠層對降雨的聚集效應(yīng)可能會使局部穿透雨量大于林外雨量；Wullaert等[8]和時忠杰等[14]研究認(rèn)為,冠層結(jié)構(gòu)(如葉面積指數(shù)、冠層厚度、郁閉度等)是影響穿透雨空間分布的重要因素；Shinohara等[1]研究發(fā)現(xiàn),穿透雨收集器布設(shè)數(shù)量達(dá)8個以上時才能保證毛竹林(Phyllostachyspubescens)穿透雨測定誤差在可接受范圍內(nèi)。這些研究成果為進(jìn)一步深入研究森林水文過程和水量平衡影響等奠定了良好基礎(chǔ)。

華北落葉松(Larixprincipis-ruprechtii)是我國北方地區(qū)的主要造林樹種之一,其水文服務(wù)功能在很多地區(qū)都很重要[15- 17]。目前華北落葉松林冠水文作用研究已較多,涉及到降雨組分變化[18]、截留特征[19]、單株林冠下穿透雨空間變化[20]等。但在林分尺度上還缺乏對穿透雨空間分布特征的研究。因此,本文在寧夏六盤山香水河小流域,選擇了華北落葉松人工林樣地,布設(shè)40個穿透雨收集器,進(jìn)行了一個生長季的監(jiān)測,詳細(xì)探討穿透雨的空間分布特征及影響因素,并合理確定穿透雨收集器的布設(shè)數(shù)量,以期為準(zhǔn)確量化華北落葉松林降水轉(zhuǎn)化作用及開展水文調(diào)節(jié)功能評價提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)1961—2010年月均降雨量和月均氣溫分布 Fig.1 Distribution of the mean monthly precipitation and air temperature at study area in 1961—2010

研究區(qū)位于寧夏回族固原六盤山自然保護(hù)區(qū)南側(cè)的香水河小流域(106°09′—106°30′E,35°15′—35°41′N,海拔2010—2942 m),屬暖溫帶半濕潤氣候,年均氣溫6.0℃,年均降水量632 mm,5—10月降雨量占全年降雨量的87.1%(圖1),無霜期100—130 d[21]。小流域內(nèi)土壤以山地灰褐土為主。小流域面積為43.74 km2,其森林覆蓋率高達(dá)70%,以天然次生林為主,主要樹種有華山松(Pinusarmandii)、紅樺(Betulaalbo-sinensis)、白樺(Betulaplatyphylla)和遼東櫟(Quercusliaotungensis)等；人工林占有較高面積比例,達(dá)31.3%,以華北落葉松林為主,另有少量油松(Pinustabuliformis)林等。

在香水河小流域的分水嶺溝子流域,設(shè)置了一塊30 m×30 m 華北落葉松人工純林樣地,其海拔高度為2410 m,坡向?yàn)闁|南坡,平均坡度為21°。林冠郁閉度為0.73,林下灌木稀少,覆蓋度在5%左右,有蒙古莢迷(Viburnummongolicum)、秦嶺小檗(Berberiscircumserrata)等；草本覆蓋度在40%左右,以東方草莓(Fragariaorientalis)和華北苔草(Carexhancockiana)為優(yōu)勢種。樣地具體林分結(jié)構(gòu)特征詳見表1。

表1 華北落葉松樣地林分特征

1.2 降雨及穿透雨測定

在離樣地100 m的空曠地,放置一臺WeatherHawk 232自動氣象站(WeatherHawk,USA),測定林外降水量,每隔5 min記錄1次數(shù)據(jù)。同時在附近放置1個直徑20 cm的標(biāo)準(zhǔn)雨量筒,作為備用和修正。

為準(zhǔn)確地反映林內(nèi)穿透雨的空間分布特征,采用林內(nèi)網(wǎng)格機(jī)械布點(diǎn)和隨機(jī)布點(diǎn)相結(jié)合的方法布設(shè)穿透雨收集器,即首先按6 m×6 m網(wǎng)格間距布設(shè)36個自制穿透雨收集器,然后再隨機(jī)布設(shè)4個穿透雨收集器,共40個。穿透雨收集器的截面積為230.58 cm2(長18.3 cm,寬12.6 cm),其上端截面高出地面25 cm,以避免草本植物和地面雨滴擊濺的影響。同時,利用卷尺測定各雨量收集器距最近一棵樹樹干的距離。每次降雨結(jié)束后,立即用量筒測定各收集器中的穿透雨體積(mL),并換算成雨深(mm)。在2015年生長季(5—10月),共測定了34場有效降雨事件(即能收集到穿透雨的降雨事件)。

1.3 葉面積指數(shù)和冠層厚度測定

于2015年6—8月,利用LAI- 2200C冠層分析儀(LI-COR,USA),測定每個雨量收集器正上方的葉面積指數(shù),測定時間為每月中旬。由于該地區(qū)降雨多集中在6—8月份,且6月中旬后的葉面積指數(shù)已基本穩(wěn)定,因此利用這3個月的實(shí)測葉面積指數(shù)平均值反映各雨量收集器上方的葉面積指數(shù)特征。利用VertexⅢ超聲波測高測距儀(H?glof,Sweden),測定每個雨量收集器上方的冠層厚度。

1.4 穿透雨收集器數(shù)目的確定

利用Monte Carlo模擬重抽樣的方法[11],確定一定誤差范圍下所需的雨量收集器最少數(shù)量。具體做法如下：(1)將2015年5—10月34場降雨分為3個降雨量級(0—10、10—20、>20 mm),將每個雨量級下40個穿透雨收集器所測定穿透雨深的平均值作為Monte Carlo模擬的初始值。(2)利用Monte Carlo模擬重抽樣方法,對雨量筒(n=2—39)進(jìn)行多次重抽樣(不放回抽樣),重抽樣過程重復(fù)1000次,以獲取足夠的隨機(jī)樣本[1,11],計(jì)算不同組的n個雨量收集器的穿透雨平均值,這一過程可保證從固定的40個雨量收集器中隨機(jī)模擬可能出現(xiàn)的2—39個雨量收集器的平均值。(3)對不同數(shù)量(n=2—39)的雨量收集器,計(jì)算得到平均穿透雨量的分布特征和范圍,同時也可取平均值的置信區(qū)間[11]。然后,根據(jù)平均穿透雨量平均值及其置信區(qū)間隨雨量收集器數(shù)量的變化,就可得出在一定誤差水平下每個降雨量級所需的雨量收集器最少數(shù)量。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

利用SPSS 19.0軟件中的Pearson相關(guān)性分析,揭示穿透雨量與葉面積指數(shù)、冠層厚度和測點(diǎn)離開樹干距離的關(guān)系。利用R 3.2.3軟件,進(jìn)行Monte Carlo重抽樣模擬。利用SigmaPlot 11.0軟件,進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究期間降雨特征

在研究期間(2015年5月6日—10月31日)共觀測到能產(chǎn)生穿透雨的有效降雨事件34次,對應(yīng)的林外累計(jì)降雨量為567.0 mm,平均次降雨量16.8 mm,變異系數(shù)為101.4%。研究期間的次降雨量集中在0—10 mm之間,發(fā)生頻率達(dá)50.9%；降雨量級在10—40 mm之間的降雨發(fā)生頻率為40.2%；>40 mm的降雨發(fā)生頻率較低,僅8.8%(圖2)。

研究期間平均降雨歷時變異較大,從0.5 h到48 h,平均為11.0 h,變異系數(shù)可達(dá)122.9%。次降雨歷時主要集中在0—20 h 之間,占85.3%,其中≤2 h的降雨發(fā)生頻率占26.5%；降雨歷時>20 h的降雨發(fā)生頻率相對較低,占14.7%(圖2)。

研究期間的次降雨平均強(qiáng)度為2.74 mm/h,最小值為0.38 mm/h,最大值為11.5 mm/h,變異系數(shù)為93.0%。降雨強(qiáng)度集中在0—2 mm/h,占55.9%；強(qiáng)度在2—5 mm/h的發(fā)生頻率為32.4%；而強(qiáng)度>5 mm/h的發(fā)生頻率較小,僅占11.8%(圖2)。

2.2 林下穿透雨及其變異性

觀測期間,林內(nèi)穿透雨量共為483.5 mm,占同期林外降雨量的85.3%；平均單場穿透雨量14.2 mm,變異系數(shù)為118.6%。次降雨的穿透雨率大小受降雨特征明顯影響,由圖3可知,當(dāng)次降雨量變化在0—20 mm時,穿透雨率隨降雨量增加呈明顯增加；當(dāng)次降雨量大于20 mm時,穿透雨率漸趨穩(wěn)定值(95%)。對次降雨穿透雨率和次降雨量的關(guān)系進(jìn)行擬合,兩者呈顯著的指數(shù)函數(shù)(Exponential rise to maximum)關(guān)系,擬合效果(R2)達(dá)84.5%：

Tf(%)=98.541(1-0.894Rf)R2=0.845,n=34

式中,Tf代表林內(nèi)40個測點(diǎn)的次降雨平均穿透雨率(%),Rf代表林外次降雨量(mm)。

林內(nèi)不同測點(diǎn)間穿透雨的變異系數(shù)與降雨量存在顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),由圖3可知,當(dāng)次降雨量<2 mm 時,穿透雨的變異系數(shù)為100%；而后,隨降雨量增加而急劇下降,在次降雨量>20 mm時,基本趨于穩(wěn)定值(15%左右)。穿透雨的變異系數(shù)與次降雨量的關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)(Exponential Decay)表示,擬合度達(dá)84.8%：

CV(%)=109.962e-0.239Rf+15.342e-0.001RfR2=0.848,n=34

式中,CV代表同一場降雨林內(nèi)不同測點(diǎn)間的穿透雨變異系數(shù)(%),Rf代表林外降雨量(mm)。

圖2 研究期間的降雨特征Fig.2 Characteristics of gross rainfall during the study period

圖3 研究樣地的次降雨穿透雨率和穿透雨變異系數(shù)隨次降雨量的變化Fig.3 Variation of the plot throughfall ratio and its CV with the depth of individual rainfall events

2.3 次降雨的穿透雨空間變異及影響因素

樹木特征是影響穿透雨空間變異的重要因素,本研究考慮了測點(diǎn)離樹干距離、測點(diǎn)上方冠層厚度和葉面積指數(shù)3個樹木特征因子,相關(guān)性分析顯示,冠層厚度與測點(diǎn)距樹干距離存在顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.01),其他因子之間相關(guān)性不顯著(表2)。圖4展示了所有40個測點(diǎn)的穿透雨量34場降雨平均值隨測點(diǎn)離樹干距離、測點(diǎn)上方冠層厚度和葉面積指數(shù)的變化。可知,測點(diǎn)穿透雨量與測點(diǎn)離樹干的距離呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與測點(diǎn)上方冠層厚度(P<0.05)和葉面積指數(shù)(P<0.05)呈顯著負(fù)相關(guān)。其中,冠層厚度對穿透雨空間變異的影響最大(r=-0.379)。

圖5展示了3個降雨量級條件下各測點(diǎn)平均穿透雨量隨測點(diǎn)上方的葉面積指數(shù)、冠層厚度及測點(diǎn)離樹干距離的變化?？芍?穿透雨量隨降雨量增大而增加,且3個林木生長指標(biāo)的影響也存在一定的降雨量級差異。Pearson相關(guān)分析顯示(表3),當(dāng)次降雨量小于10 mm時,測點(diǎn)穿透雨量與測點(diǎn)上方葉面積指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與測點(diǎn)距樹干的距離和測點(diǎn)上方冠層厚度不相關(guān)；當(dāng)降雨量在10—20 mm時,測點(diǎn)穿透雨量與測點(diǎn)距樹干的距離呈顯著正相關(guān)(P<0.01),與測點(diǎn)上方冠層厚度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),但與測點(diǎn)上方葉面積指數(shù)不相關(guān)；當(dāng)降雨量大于20 mm時,測點(diǎn)穿透雨量與3個生長指標(biāo)均不顯著相關(guān)。

表2 樹木特征因子之間的相關(guān)性

**表示相關(guān)性在0.01水平上極顯著

表3 不同雨量級下各測點(diǎn)穿透雨量與其上方葉面積指數(shù)、冠層厚度和距樹干距離的相關(guān)性

Table 3 Correlations between throughfall of each collector and the leaf area index, canopy thickness and the distance to the nearest stem under different rainfall ranges

降雨量級Rainfallranges/mm葉面積指數(shù)Leafareaindex/(m2/m2)測點(diǎn)距樹干的距離Distancetotheneareststem/m冠層厚度Canopythickness/m0—10-0.424**0.310-0.26210—20-0.2660.436**-0.441**>20-0.2440.222-0.300

圖4 所有測點(diǎn)平均穿透雨量隨葉面積指數(shù)、冠層厚度和離樹干距離的變化Fig.4 Variation of the mean throughfall of each collector with the above leaf area index, canopy thickness and the distance to nearest stem

圖5 不同雨量級下各測點(diǎn)穿透雨量隨其上方葉面積指數(shù)、冠層厚度和離樹干距離的變化Fig.5 Variation of throughfall of each collector with leaf area index, canopy thickness and the distance to nearest stem under different rainfall ranges

2.4 穿透雨取樣器的合理數(shù)量

由圖6可看出,在3個降雨量級下,隨穿透雨收集器數(shù)量(n=2—39)增多,穿透雨的平均值及置信區(qū)間(CI,90%和95%)均逐漸向內(nèi)收縮。

利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,以5%和10%誤差為界,分別確定在90%和95%置信區(qū)間下3個降雨量級的穿透雨收集器布設(shè)數(shù)量。在降雨量級為0—10 mm時,在95%的置信區(qū)間下,收集器數(shù)量≥13個和≥26個時,所測穿透雨值不會超過10%和5%的誤差水平；在90%的置信區(qū)間下,收集器數(shù)量≥9和≥23個時,所測穿透雨值不會超過10%和5%的誤差水平。在降雨量級為10—20 mm時,在95%的置信區(qū)間下,當(dāng)收集器數(shù)量≥6個和≥15個時,所測穿透雨值不會超過10%和5%的誤差水平；在90%的置信區(qū)間下,當(dāng)收集器數(shù)量≥4和≥12個時,所測穿透雨值不會超過10%和5%的誤差水平。在降雨量級>20 mm時,在95%的置信區(qū)間下,收集器數(shù)量≥5個和≥15個時,所測穿透雨值不會超過10%和5%的誤差水平；在90%的置信區(qū)間下,收集器數(shù)量≥4和≥12個時,所測穿透雨值不會超過10%和5%的誤差水平。

在3個降雨量級下的穿透雨平均值置信區(qū)間的上限和下限隨收集器數(shù)量的變化曲線的擬合函數(shù)見表4。其中,y代表穿透雨平均值置信區(qū)間的上限或下限,x代表穿透雨收集器的數(shù)量(x<40)?？山宕酥苯忧蟪鲈谝欢ㄕ`差范圍下所需要的穿透雨收集器數(shù)量。

圖6 Monte Carlo模擬的穿透雨平均值和置信區(qū)間隨雨量收集器數(shù)量的變化Fig.6 Variation of the average and confidence intervals of throughfall with collector number based on the Monte Carlo re-sampling5%、10%誤差水平指占40個收集器測穿透雨量平均值的5%、10%

Table 4 The relations of the upper and lower limits of confidence describing the variation of mean throughfall with increasing collector number under 3 throughfall ranges

降雨量級Rainfallranges/mm置信區(qū)間/%Intervalofconfidence下限LowerlimitR2上限UpperlimitR20—1095y=1.684+0.209ln(x)0.977y=3.263-0.205ln(x)0.98690y=1.809+0.176ln(x)0.977y=3.140-0.173ln(x)0.98510—2095y=10.115+0.587ln(x)0.983y=14.582-0.585ln(x)0.98790y=10.497+0.486ln(x)0.981y=14.201-0.485ln(x)0.986>2095y=29.295+1.621ln(x)0.981y=41.638-1.611ln(x)0.98990y=30.300+1.357ln(x)0.980y=40.628-1.347ln(x)0.989

3 討論

盛后財(cái)?shù)萚22]研究發(fā)現(xiàn),興安落葉松(Larixgmelinii)的次降雨事件的穿透雨率隨降雨量增加先顯著增加后漸趨穩(wěn)定,本研究也得到了類似結(jié)果,當(dāng)次降雨量小于20 mm時,華北落葉松林穿透雨率隨降雨量增加而先快速增大后緩慢增大,當(dāng)降雨量大于20 mm后不再明顯增加并漸趨穩(wěn)定。這是因雨量超過林冠層最大截留能力時,林冠達(dá)到飽和,降雨除了雨中蒸發(fā)和干流外全部轉(zhuǎn)化為穿透雨,所以次降雨事件的穿透雨率大小很大程度上主要取決于降雨量大小[5]。隨著次降雨量增大,降雨會更多地通過枝條匯入樹干,以一定的比例通過干流形式進(jìn)入地表,這是在次降雨量很大時穿透雨率維持在一個低于100%(100-干流率)數(shù)值的原因。

在本研究期間(2015年5月6日至10月31日),六盤山的華北落葉松林總穿透雨量為483.5 mm,占同期林外降雨量的85.3%,明顯高于在祁連山測定的青海云杉(Piceacrassifolia)林的75.8%[5]、在大興安嶺測定的樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)林的73.58%[23]和在大興安嶺測定的興安落葉松林的76.57%[24],這很可能與其他研究中的研究期間內(nèi)雨量級相對較小有關(guān)。

華北落葉松林內(nèi)穿透雨變異系數(shù)隨降雨量增加而減小,在降雨量大于20 mm后基本趨于穩(wěn)定,這與其他樹種的研究結(jié)果一致[1,25- 26],主要是因隨降雨量增加,冠層結(jié)構(gòu)特征(如郁閉度、葉面積指數(shù)和冠層厚度等)對穿透雨的影響會逐漸減弱,直至最??；穿透雨的空間變化也會相應(yīng)逐漸變小并趨于穩(wěn)定[27]。對油松[27]、海岸松(Pinuspinaster)[28]、興安落葉松[22]和青海云杉[5]等針葉林的研究發(fā)現(xiàn),穿透雨變異系數(shù)基本穩(wěn)定在18%—22%之間,本研究中基本穩(wěn)定在15%左右,低于上述研究,但與Fan等[10]研究的雜交松(Pinuselliottii×Pinuscaribaeavar.hondurensis)林的結(jié)果相當(dāng)(穿透雨變異系數(shù)16.5%)。當(dāng)穿透雨變異系數(shù)趨于穩(wěn)定時,變異系數(shù)大小主要取決于林冠結(jié)構(gòu)的空間異質(zhì)性和穿透雨收集器的面積[26,29]。已有研究表明[29],穿透雨變異系數(shù)隨使用的穿透雨收集器面積增大而減小。本研究和Fan等[10]使用的穿透雨收集器面積(230.58 cm2和117 cm2)均小于上述其他研究(314.2 cm2和706.5 cm2),因此,穿透雨收集器面積不是導(dǎo)致本研究穿透雨變異系數(shù)較小的主要原因。本研究和Fan等[10]的研究對象均為單株規(guī)則排列的人工林,林冠的空間異質(zhì)性相對較低,這可能是導(dǎo)致本研究中穿透雨變異系數(shù)低于其他研究結(jié)果的主要原因。

已有研究表明[5,14,30],冠層結(jié)構(gòu)是影響林內(nèi)穿透雨空間分異的重要因素,但由于不同樹種的分枝角度和葉片形態(tài)等的差異,導(dǎo)致影響不同樹種穿透雨率的主導(dǎo)樹木特征因子有所不同。如盛后財(cái)?shù)萚22]研究發(fā)現(xiàn),興安落葉松林的穿透雨空間分布特征主要受冠層厚度的影響；李振新等[30]研究發(fā)現(xiàn),測點(diǎn)距主樹干的距離對岷江冷杉(Abiesfaxoniana)林內(nèi)穿透雨率的影響最大；而時忠杰等[14]發(fā)現(xiàn),葉面積指數(shù)是影響六盤山華山松(Pinusarmandii)林內(nèi)穿透雨率的主要樹木特征。本研究分析了華北落葉松林內(nèi)各測點(diǎn)的2015年生長季內(nèi)34次降雨的平均穿透雨量與雨量收集器上方的葉面積指數(shù)、冠層厚度及距最近樹干的距離的關(guān)系,認(rèn)為這3個林木特征均是影響穿透雨空間分布的重要因素,且冠層厚度的影響最大；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),這些樹木特征對穿透雨空間分布的影響具有降雨量級差異,當(dāng)降雨量小于10 mm時,葉面積指數(shù)是主要影響因子；當(dāng)降雨量變化在10—20 mm時,主要影響因子是測點(diǎn)距最近樹干的距離及冠層厚度；當(dāng)降雨量大于20 mm時,3個樹木特征的影響均不顯著,這類似于田風(fēng)霞等[5]在祁連山研究青海云杉林內(nèi)穿透雨空間分布影響因子的結(jié)論。這表明,結(jié)合降雨特征分析樹木特征對林內(nèi)穿透雨空間分布的影響將更加有效。

由于林下穿透雨有明顯的空間異質(zhì)性,為確保評估的準(zhǔn)確性,往往需布設(shè)大量穿透雨收集器,有可能因過度大量觀測而增加研究成本和時間耗費(fèi),有必要確定一定誤差下的最少穿透雨收集器數(shù)量。已有研究表明[31],不同森林類型所需的最少收集器數(shù)量存在明顯不同。Rodrigo等[11]利用Monte Carlo模擬重抽樣方法得出的冬青櫟(Quercusilex)林在95%置信區(qū)間下要滿足5%的誤差要求時需22個以上的收集器,在滿足10%的誤差要求時則需9個以上的收集器；Shen等[25]利用模擬重抽樣的方法研究了栲樹(Castanopsisfargesii)林穿透雨的空間分布,認(rèn)為在95%的置信區(qū)間下,收集器數(shù)量大于5和10個時,所測穿透雨量值不會超過10%和5%的誤差水平。本研究得出,當(dāng)降雨量級在0—10 mm時,在95%的置信區(qū)間下,華北落葉松林內(nèi)布設(shè)13和26個以上的穿透雨收集器時,所測穿透雨值能控制在10%和5%的誤差范圍內(nèi)；在90%的置信區(qū)間下,布設(shè)9和23個以上的收集器能使誤差控制在10%和5%以內(nèi)。當(dāng)降雨量級在10—20 mm時,在95%的置信區(qū)間下,華北落葉松林內(nèi)布設(shè)6和15個以上的收集器時,所測穿透雨值能控制在10%和5%的誤差范圍內(nèi)；在90%的置信區(qū)間下,布設(shè)4和12個以上的收集器能使誤差不超過10%和5%的水平。當(dāng)降雨量級大于20 mm時,在95%的置信區(qū)間下,華北落葉松林內(nèi)布設(shè)5和15個以上收集器時,所測穿透雨量誤差能控制在10%和5%內(nèi)；在90%的置信區(qū)間下,布設(shè)4和12個以上的收集器能使誤差不超過10%和5%。這表明,除林分類型影響穿透雨收集器布設(shè)數(shù)量外,降雨量級的影響也很大,需予以考慮。在本研究地點(diǎn),由于次降雨量集中在0—10 mm,故應(yīng)更多參考降雨量級0—10 mm時所需的穿透雨收集器布設(shè)數(shù)量。本研究確定的穿透雨收集器最少數(shù)量是在特定林分結(jié)構(gòu)和收集器截面面積(230.58 cm2)及空間分布格局情況下的結(jié)果。如果采用的穿透雨收集器截面面積增大,會因承接更多面積來源的穿透雨而降低空間變異性[11],從而可在滿足相同誤差要求下采用較少的收集器。因此,要得到一個確定穿透雨收集器最低數(shù)量的通用方法,還需很多研究,如確定穿透雨收集器最低數(shù)量與收集器截面面積、森林冠層結(jié)構(gòu)及空間分布格局、穿透雨收集器的空間布設(shè)格局等的數(shù)量關(guān)系。

4 結(jié)論

根據(jù)本文華北落葉松林穿透雨空間分異特征的研究,得到如下結(jié)論：

(1)隨次降雨量增加,林下穿透雨率先顯著增加后漸趨穩(wěn)定,穿透雨的變異系數(shù)則先顯著降低后趨于穩(wěn)定,兩者與次降雨量的關(guān)系均可用指數(shù)函數(shù)表示。

(2)各樹木特征(葉面積指數(shù)、冠層厚度和測點(diǎn)離最近樹干距離)對林下穿透雨空間分布的影響隨次降雨量大小而變。葉面積指數(shù)對穿透雨空間分布的影響隨次降雨量的增加逐漸減弱,而測點(diǎn)離最近樹干距離和冠層厚度對穿透雨空間分布的影響隨次降雨量的增加先增強(qiáng)后減弱。

(3)對本研究特定林分,考慮到次降雨量集中在0—10 mm,在95%的置信區(qū)間下,若要將穿透雨測定值控制在10%和5%誤差范圍內(nèi),應(yīng)均勻布設(shè)13和26個以上的收集器；在90%置信區(qū)間下,控制穿透雨誤差不超過10%和5%時需至少布設(shè)9和23個收集器。

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Spatial variations of throughfall in aLarixprincipis-ruprechtiiplantation of Liupan Mountains, Ningxia, China

LIU Zebin1,WANG Yanhui1,*,DENG Xiuxiu2,LIU Yu3,ZHANG Tong3,ZUO Haijun1,WANG Yarui1,XIONG Wei1,YU Pengtao1,XU Lihong1

1KeyLaboratoryofForestEcologyandEnvironment,StateForestryAdministration;ResearchInstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China2CollegeofForest,CentralsouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China3CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China

The depth and spatial distribution of throughfall under the forest canopy can affect the hydrological (i.e., infiltration, runoff and evaporation) and ecological processes (i.e., tree growth, litter decomposition) of forest ecosystems. Therefore, both the evaluation of forest hydrological impacts and forest ecosystems management require an accurate description of the spatial distribution of throughfall. In order to interpret the spatial heterogeneity of throughfall in the plantation ofLarixprincipis-ruprechtii, a 30 m × 30 m sized stand plot was set up in the Xiangshuihe watershed of the Liupan Mountains. Within this plot, 40 throughfall collectors, with a size of 230.58 cm2, were evenly installed. The throughfall depth of 34 rainfall events was measured individually during the growth season (May—Oct.) of 2015. The gross rainfall in open field in the study period was 567.0 mm, and the throughfall depth in the plantation plot was 483.5 mm, accounting for 85.3% of gross rainfall. As rainfall increased, the throughfall ratio first increased and then tended to stabilize. A considerable spatial variation of throughfall was observed, and the coefficient of variance of throughfall first decreased and then became constant with increase in rainfall. The spatial distribution of throughfall was influenced by the tree characteristics canopy leaf area index and canopy thickness above throughfall collector, and the distance from throughfall collector to the nearest stem, and this influence varied with the depth of rainfall. When the rainfall was less than 10 mm, throughfall showed a significantly negative correlation with the leaf area index; when the rainfall varied within the range of 10—20 mm, throughfall showed a significant positive correlation with the distance to the nearest stem and a significantly negative correlation with canopy thickness. However, when the rainfall was more than 20 mm, throughfall showed no correlation with any of the tree characteristics. Considering that the depth of individual rainfall events is concentrated within 0—10 mm, at least 13 or 9 throughfall collectors with the size used here are required for a plot of 30 m×30 m if the error of measured throughfall should be controlled within 10% under confidence levels of 95% or 90%. At least 26 or 23 throughfall collectors are required when the error should be controlled within 5% under confidence levels of 95% or 90%.

Larixprincipis-ruprechtii；throughfall；spatial variation；Monte Carlo simulation

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41390461,41230852,41471029)

2016- 02- 21; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 17

10.5846/stxb201602210305

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangyh@caf.ac.cn

劉澤彬,王彥輝,鄧秀秀,劉宇,張桐,左海軍,王亞蕊,熊偉,于澎濤,徐麗宏.六盤山華北落葉松林下穿透雨空間變異特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(10):3471- 3481.

Liu Z B,Wang Y H,Deng X X,Liu Y,Zhang T,Zuo H J,Wang Y R,Xiong W,Yu P T,Xu L H.Spatial variations of throughfall in aLarixprincipis-ruprechtiiplantation of Liupan Mountains, Ningxia, China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(10):3471- 3481.