蒙古櫟林對(duì)大氣降雨的再分配規(guī)律

馮亞琦，郭娜，蔡體久，盛后財(cái)，石磊，琚存勇*

(1.東北林業(yè)大學(xué) 園林學(xué)院，哈爾濱 150040；2.黑龍江東方學(xué)院 食品與環(huán)境工程學(xué)部，哈爾濱 150066； 3.東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱150040；4.大慶市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 大慶 163311)

蒙古櫟林對(duì)大氣降雨的再分配規(guī)律

馮亞琦1，郭娜2，蔡體久3，盛后財(cái)3，石磊4，琚存勇3*

(1.東北林業(yè)大學(xué) 園林學(xué)院，哈爾濱 150040；2.黑龍江東方學(xué)院 食品與環(huán)境工程學(xué)部，哈爾濱 150066； 3.東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱150040；4.大慶市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 大慶 163311)

全面認(rèn)識(shí)和了解森林冠層對(duì)降雨的再分配規(guī)律，有利于揭示森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)機(jī)制。以哈爾濱市城區(qū)蒙古櫟人工林為研究對(duì)象，通過(guò)冠層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)期的20場(chǎng)降雨數(shù)據(jù)，分析了蒙古櫟林冠層對(duì)降雨的截留再分配規(guī)律，結(jié)果表明：(1)觀測(cè)期內(nèi)蒙古櫟林的穿透雨量、樹(shù)干徑流量和冠層截留量依次為197.6、62.8、78.8 mm，分別占林外降雨量的58.27%，18.52%，23.24%；(2)根據(jù)模型估算，當(dāng)降雨量超過(guò)4.3 mm時(shí)蒙古櫟林才能夠產(chǎn)生樹(shù)干徑流，當(dāng)降雨量超過(guò)6.7 mm開(kāi)始出現(xiàn)穿透雨；(3)穿透雨、樹(shù)干徑流及林冠截留的絕對(duì)量均隨降雨量的增大而顯著增加，但其占降雨量的比例卻表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。(4)穿透雨量的變異系數(shù)隨降雨量的增大顯著減小，二者呈極顯著的負(fù)相關(guān)(p<0.01)；(5)蒙古櫟生物學(xué)特征有利于樹(shù)干徑流的產(chǎn)生，其樹(shù)干徑流量比相同區(qū)域內(nèi)的其他樹(shù)種高。

穿透雨；樹(shù)干徑流；林冠截留；蒙古櫟人工林；城市森林

0 引言

森林冠層對(duì)大氣降雨截留再分配的生態(tài)水文意義重大[1]。降雨在輸入森林時(shí)被重新轉(zhuǎn)化分配，一部分被森林冠層截留并幾乎全部蒸發(fā)回歸大氣，一部分以穿透雨和樹(shù)干徑流進(jìn)入林地繼續(xù)循環(huán)。穿透雨是降雨再分配后形成的主要部分，是林地水分補(bǔ)給的主要形式[2]；樹(shù)干徑流可將水分輸入到樹(shù)木根際土壤，供植物直接利用；而林冠截留能夠影響蒸發(fā)和蒸騰過(guò)程中的水分輸入和空間分布[3]，是森林生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率的關(guān)鍵指標(biāo)之一。因此，全面認(rèn)識(shí)和了解森林冠層對(duì)降雨的再分配規(guī)律，有利于明確森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)水分傳輸過(guò)程，揭示森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)機(jī)制。

蒙古櫟(Quercusmongolica)是東北主要的闊葉樹(shù)種之一，具有根系發(fā)達(dá)、耐瘠薄，萌蘗能力強(qiáng)等特性，是黑龍江省次生林的重要類型之一。由于次生林質(zhì)量不佳，以往的研究主要注重天然林[4-6]，且對(duì)針葉林研究較多，對(duì)闊葉林的研究相對(duì)欠缺[7]。本研究在降雨集中且冠層穩(wěn)定時(shí)期(6～8月)，通過(guò)量化蒙古櫟人工林生態(tài)系統(tǒng)降雨截留再分配的各分量，探索降雨再分配規(guī)律及其影響因素，為蒙古櫟人工林的經(jīng)營(yíng)和管理提供理論依據(jù)，為城市人工林生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)過(guò)程的量化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究地概況及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

哈爾濱屬溫帶季風(fēng)性氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季濕潤(rùn)多雨。多年平均氣溫3.5 ℃，全年最冷月(1月)平均氣溫-19.2 ℃，極端最低溫-38.1 ℃；全年最熱月(7月)平均氣溫22.7 ℃，極端最高溫36.4 ℃，氣溫年較差42.4 ℃。日照時(shí)數(shù)2600 h，≥10 ℃年均積溫2 757 ℃，無(wú)霜期136 d。多年平均降水量500.1 mm，降水分配不均，集中在每年6～8月，占全年降水的60%～70%；多年平均水面蒸發(fā)量726 mm。年均相對(duì)濕度67%。

東北林業(yè)大學(xué)城市林業(yè)示范研究基地(簡(jiǎn)稱示范基地)位于哈爾濱中心城區(qū)(45°43′10″N，126°37′15″E)，占地面積44 hm2。示范基地原生植被群落為溝谷草甸，1949年前開(kāi)墾為耕地，20世紀(jì)50年代劃歸東北林業(yè)大學(xué)后，栽植形成小面積純林的塊狀混交林[8]。

蒙古櫟人工林是1959年春季穴狀直播造林，初植密度0.5 m×1 m，出苗成活率達(dá)90%。據(jù)2015年調(diào)查，其面積0.5 hm2，經(jīng)50多年撫育和管護(hù)，林分郁閉度0.9以上，且僅有喬木層，林下無(wú)灌木和草本?？紤]避免邊緣效應(yīng)，在人工林中部設(shè)立并調(diào)查20 m×20 m觀測(cè)樣地，林分特征為：蒙古櫟林齡55a，林分密度2 540株/hm2，平均胸徑15.1 cm，平均樹(shù)高14.5 m，蓄積量131.2 m3/hm2。

1.2 觀測(cè)方法

林外降雨(P)測(cè)定：在緊鄰研究基地，高于林冠層的樓頂平臺(tái)上設(shè)置翻斗式雨量計(jì)(HOBO-RG3)，獲取林外大氣降雨數(shù)據(jù)，并利用“中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)”哈爾濱市氣象數(shù)據(jù)相互校驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

穿透雨(T)測(cè)定：在樣地中心區(qū)域機(jī)械十字交叉布設(shè)13個(gè)直徑20 cm自制雨量筒(截面積314.16 cm2/筒)，雨量筒間距2 m(圖1)，雨量筒上沿距地面50 cm，每次雨后立即測(cè)量記錄雨水體積(ml或cm3)，并轉(zhuǎn)換為穿透雨深(mm)。

樹(shù)干徑流(S)測(cè)定：人工林樹(shù)種單一且胸徑相近(9.8～19.6 cm)，將蒙古櫟劃分為9.8～14.5 cm和14.5～19.6 cm兩個(gè)徑階。根據(jù)胸徑分布，選5株樹(shù)冠中等(非優(yōu)勢(shì)木和被壓木)，能代表各徑階平均情況的蒙古櫟作為標(biāo)準(zhǔn)木(胸徑分別為10.3、12.7、13.7、15.1、16.9 cm)，利用曲面聚氨酯材料在標(biāo)準(zhǔn)木胸高處形成漏斗狀集水器，其最低點(diǎn)連通導(dǎo)管收集樹(shù)干徑流。每次雨后及時(shí)測(cè)量樹(shù)干徑流體積(ml或cm3)，并依據(jù)公式[9-10]計(jì)算林分樹(shù)干徑流深(mm)。

(1)

式中：S為樹(shù)干徑流量，mm；Mi為i徑階蒙古櫟的株數(shù)，Si為i徑階標(biāo)準(zhǔn)木的樹(shù)干徑流量(ml)，N為樣地樹(shù)木徑階數(shù)；A為樣地面積，m2。

林冠截留量(I)計(jì)算：根據(jù)水量平衡方程I=P-T-S計(jì)算林冠截留量，mm。

圖1 觀測(cè)樣地內(nèi)樹(shù)木及雨量桶位置分布圖 (〇雨量筒，●樹(shù)木)Fig.1 Location distribution of trees and rain gauges for throughfall in research plot(〇 gauge，●tree)

2 結(jié)果與分析

2.1 林外降雨特征

按間隔時(shí)間超過(guò)4 h劃分為不同降雨事件的原則[11]，研究期內(nèi)(2015年5～10月)共記錄31場(chǎng)降雨，總降雨量430.2 mm，占1995～2010年平均降雨量(432.3 mm)的99.51%[10]；降雨集中于6～8月，總降雨量339.1 mm，占當(dāng)年降雨總量78.82%，占6～8月平均降水量(320.8 mm)的105.70%，是有代表性的一年(表1)。

研究期間大部分降雨事件具有低雨強(qiáng)、長(zhǎng)歷時(shí)的特點(diǎn)，單場(chǎng)最小降雨1.5 mm，最大降雨35.4 mm，單場(chǎng)平均降雨量13.9 ± 9.1 mm，變異系數(shù)65.24%。按雨量級(jí)對(duì)降雨事件統(tǒng)計(jì)顯示(圖2)，降雨量10.1～20.0 mm的降雨事件發(fā)生頻率最高(45.16%)，其次為降雨量5.1～10.0 mm的降雨事件(22.58%)。降雨量≤10 mm的降雨事件發(fā)生頻次較多(38.71%)，但其雨量占降雨總量的比例卻很小(16.23%)，低于次降雨量>20 mm的雨量占降雨總量的比例(35.01%)，遠(yuǎn)低于次降雨量10.1～20.0 mm的雨量占降雨總量的比例48.77%。

2.2 穿透雨及其變異性

觀測(cè)期(6-8月，下同)內(nèi)蒙古櫟林穿透雨總量為197.6 mm，占同期大氣降雨量58.27%，且不同月差異顯著，其中8月穿透雨最多(79.5 mm)，7月穿透雨量最少(51.8 mm)，分別占總穿透雨量40.23%和26.21%。分析13個(gè)觀測(cè)點(diǎn)穿透雨數(shù)據(jù)可知，蒙古櫟林穿透雨率與降雨量無(wú)相關(guān)性(p> 0.05)；而穿透雨量與降雨量呈極顯著的線性關(guān)系(p< 0.01)，其擬合方程為T(mén)F=aLn(P)-b(圖3)。方程中a為穿透雨隨降雨量增加的速率；eb/a表示能夠產(chǎn)生穿透雨的最小降雨量[1]。由此可知，蒙古櫟林產(chǎn)生穿透雨的最小降雨量為6.7 mm。

表1 生長(zhǎng)季大氣降雨月分配情況

圖2 大氣降雨特征Fig.2 Characteristics of gross rainfall

圖3 穿透雨與降雨之間的關(guān)系Fig.3 Relationships of rainfall versus throughfall and throughfall rate

受不同的降雨特征影響，觀測(cè)期20場(chǎng)降雨事件中，蒙古櫟林穿透雨率在34.16%～82.49%范圍內(nèi)變化，平均穿透雨率59.77 ± 13.95%，變異系數(shù)為23.34%。利用對(duì)應(yīng)的降雨量和穿透雨率變異系數(shù)CV(TH)繪制散點(diǎn)圖(圖4)可知，隨著降雨量增加，穿透雨變異逐漸減小，二者呈極顯著的負(fù)相關(guān)，可用對(duì)數(shù)方程擬合，但效果不佳，結(jié)果如下：

CV(TH)=-36.61Ln(P)+159.61，R2= 0.3958，n= 20，p< 0.01

式中：CV(TH)為同一場(chǎng)降雨13個(gè)觀測(cè)點(diǎn)間穿透雨率的變異系數(shù)，%；P為降雨量，mm。

圖4 穿透雨變異系數(shù)與降雨量的關(guān)系Fig.4 Relationship between rainfall and CV of throughfall

2.3 樹(shù)干徑流

觀測(cè)期內(nèi)蒙古櫟林樹(shù)干徑流總量為62.8 mm，占降雨總量18.52%，且不同月份差異顯著，其中8月樹(shù)干徑流量最大(32.8 mm)，6月樹(shù)干徑流量最少(8.4 mm)，分別占樹(shù)干徑流總量52.23%和13.38%。將降雨量分別與樹(shù)干莖流率、樹(shù)干徑流量建立關(guān)系發(fā)現(xiàn)，蒙古櫟林樹(shù)干徑流率與降雨量無(wú)相關(guān)性(p> 0.05)；樹(shù)干徑流量與降雨量呈極顯著線性相關(guān)(p< 0.01)，其擬合方程為Sf=aP+b(圖5)。方程中a為樹(shù)干徑流隨降雨量增加的速率；b/a表示能夠產(chǎn)生樹(shù)干徑流的最小降雨量[1]。由此可知，蒙古櫟林產(chǎn)生樹(shù)干徑流的最小降雨量為4.3 mm。

2.4 林冠截留特征

蒙古櫟林林冠截留總量為78.8mm，占同期大氣降雨量的23.24%，且不同月份差異顯著，其中8月截留量最大(47.1 mm)，6月截留量最少(9.7 mm)，分別占總截留量59.77%和12.31%。

20場(chǎng)降雨事件的平均截留量為3.9mm，平均截留率為28.35%，變異系數(shù)依次為59.44%和83.00%(表2)。分析數(shù)據(jù)表明，蒙古櫟林冠截留量與降雨量呈顯著的線性關(guān)系(p<0.05)，但擬合效果不佳；而截留率與降雨量則呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，即截留率隨著降雨量的增大而減小，可以用倒數(shù)方程進(jìn)行擬合(圖6)。

圖5 樹(shù)干徑流與降雨的關(guān)系Fig.5 Relationship of gross rainfall versus stemflow

項(xiàng)目降雨量林冠截留P/mmI/mmI%年度統(tǒng)計(jì)累計(jì)值33917882323單次降雨事件統(tǒng)計(jì)平均值170392835最小值6510722最大值354868998標(biāo)準(zhǔn)差89232353變異系數(shù)527859448300

圖6 林冠截留與降雨的關(guān)系Fig.6 Relationship of rainfall versus interception

3 討論

3.1 穿透雨的影響因素

穿透雨是林冠對(duì)降雨再分配后形成的主要部分，是林地土壤水分的重要來(lái)源[12]，其變化在森林生態(tài)系統(tǒng)水量平衡中占有極其重要的地位[13]。穿透雨量和穿透雨率主要受降雨特征和林分特征影響，通常穿透雨量和大氣降雨量二者呈線性關(guān)系，當(dāng)降雨量超過(guò)一定閾值時(shí)才能出現(xiàn)穿透雨，森林越復(fù)雜，郁閉度越高，閾值越大[1]。本研究中，穿透雨量隨降雨量增加而增大，它們之間滿足一定的線性關(guān)系，但用對(duì)數(shù)函數(shù)擬合精度更高。穿透雨率與降雨量無(wú)相關(guān)性，主要是因?yàn)檠芯科陂g大部分降雨事件具有低雨強(qiáng)、長(zhǎng)歷時(shí)的特點(diǎn)，大雨(24 h降雨量25～50 mm)的數(shù)據(jù)少，穿透雨率的變化區(qū)間不大造成的。

穿透雨的空間異質(zhì)性是普遍存在的，通常情況下，森林季相變化是穿透雨空間異質(zhì)性的主要原因[14]，也有研究表明，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[15]，且林冠的空間異質(zhì)性也影響穿透雨變異系數(shù)[16]。本研究中，穿透雨收集器的面積(314.16 cm2)大于Fan等使用的收集器截面積，但20場(chǎng)降雨事件穿透雨變異系數(shù)(23.34%)高于Fan等研究的雜交林(16.5%)[13]，這可能是由于蒙古櫟林經(jīng)自然淘汰和人為影響后，其林冠的空間異質(zhì)性變高(圖1)而導(dǎo)致了穿透雨變異系數(shù)變高。并且，降雨特征也會(huì)影響穿透雨的變異情況，結(jié)合降雨特征分析穿透雨的空間變異將更加有效。

3.2 樹(shù)干徑流的影響因素

研究表明，除降雨特征外，樹(shù)木胸徑、樹(shù)皮吸水能力、樹(shù)皮粗糙程度、樹(shù)枝分角、冠形結(jié)構(gòu)均能夠影響樹(shù)干徑流量[17-18]。并有研究發(fā)現(xiàn)，枝條向上伸展和樹(shù)皮光滑是形成樹(shù)干徑流的有利因素，具有如此特征的樹(shù)種，其樹(shù)干徑流量一般較大[19]。在本研究中，蒙古櫟樹(shù)葉革質(zhì)、大而厚，樹(shù)葉向上傾斜或稍平展；樹(shù)枝分角小；樹(shù)皮堅(jiān)實(shí)光滑、不易吸水，且密布縱向細(xì)密紋路，這些特征綜合導(dǎo)致了本研究中蒙古櫟樹(shù)干徑流率較大(18.52%)的結(jié)果。本研究與早期魏曉華[20]在黑龍省東部山區(qū)的研究結(jié)果(15.6%)基本一致，但與孫忠林(7%)[1]、姜海燕(0.71%)[21]等的近期研究結(jié)果差異較大。這可能是林木胸徑、密度、郁閉度的差異而導(dǎo)致的結(jié)果。

3.3 林冠截留的影響因素

蒙古櫟林對(duì)降雨的再分配格局顯示(表3)，除6月份截留率略低外，其林冠截留率處于我國(guó)主要森林平均林冠截留率(14.7%～31.8%)的范圍內(nèi)[5]，與亞熱帶山地常綠落葉闊葉混交林(鐵椎栲、亮葉水青岡混交林)林冠截留率接近[4]。與同一區(qū)域山地天然蒙古櫟林(7蒙古櫟1色木槭1春榆1水曲柳)相比[1]，本研究中蒙古櫟林的穿透雨率低，樹(shù)干徑流率較高，林冠截留率偏高，這很可能源于林分特征(樹(shù)種組成、密度等)和降雨特征的綜合影響。與郁閉度相近的人工針葉林相比，蒙古櫟林的葉面積指數(shù)略低，更容易產(chǎn)生樹(shù)干徑流，因此其林冠截留率相對(duì)較低，而穿透雨率較高[10]。當(dāng)然，本研究?jī)H僅觀測(cè)了一個(gè)生長(zhǎng)季，共計(jì)20場(chǎng)降雨的數(shù)據(jù)，且降雨量低于5 mm的降雨事件很少，降雨特征對(duì)林冠截留變異的影響尚不明確，仍需長(zhǎng)期積累林冠截留觀測(cè)數(shù)據(jù)，并增加林分冠層結(jié)構(gòu)的觀測(cè)，才可能準(zhǔn)確揭示蒙古櫟林的降雨分配規(guī)律。

表3 蒙古櫟林降雨再分配格局

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值表示占降雨的比例。

4 結(jié)論

根據(jù)哈爾濱城區(qū)蒙古櫟人工林對(duì)大氣降雨再分配規(guī)律的研究，得到以下結(jié)論：

(1)蒙古櫟林穿透雨、樹(shù)干徑流和林冠截留會(huì)隨降雨量的變化而變化，隨著降雨量的增加，穿透雨的空間變異逐漸減小，林冠截留量也趨于其最大截留量。

(2)林分特征和物種生物學(xué)特性能夠影響降雨再分配過(guò)程，降雨量超過(guò)4.3 mm時(shí)蒙古櫟人工林才能夠產(chǎn)生樹(shù)干徑流，降雨量超過(guò)6.7 mm開(kāi)始出現(xiàn)穿透雨。

(3)受不同的降雨特征影響，蒙古櫟林穿透雨率變幅較大(34.16%～82.49%)，且降雨量與對(duì)應(yīng)穿透雨率變異系數(shù)呈極顯著的負(fù)相關(guān)(p<0.01)。

(4)與全國(guó)其它地區(qū)森林相比，蒙古櫟人工林林冠截留率處于全國(guó)主要森林類型平均林冠截留率(14.7%～31.8%)的中等水平。

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RainfallRedistributionofMongolianOakPlantationinHarbin

Feng Yaqi1，Guo Na2，Cai Tijiu3，Sheng Houcai3，Shi Lei4，Ju Cunyong3*

(1.College of Landscape Architecture，Northeast Forestry University，Harbin 150040； 2.Department of Food and Environment Engineering，East University of Heilongjiang，Harbin 150040； 3.School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040； 4.Daqing planning and Architectural Design Institute，Daqing 163000)

Exploring forest canopy redistributing regime of rainfall contributes to reveal water recycle mechanism of forest ecosystem.The Mongolian oak(Quercus mongolica)plantation in Harbin city was selected to study its rainfall redistribution effect and variability via 20 rainfall events in a growing season.The following results were concluded：1)the throughfall，stemflow and canopy interception in Mongolian oak plantation were respectively 197.6，62.8 and 78.8mm，which accounted for 58.27%，18.52% and 23.24% of the rainfall in open field；2)throughfall occurred when the outer rainfall exceeded 6.7 mm and stemflow occurred only if the rainfall exceeded 4.3 mm according to the model estimates；3)the amount of throughfall，stemflow and interception all increased significantly with increasing rainfall，while their ratios to rainfall showed different trends；4)The coefficients of variability in throughfall decreased significantly with the amount of rainfall increasing，and the two showed a negative correlation(p<0.01)；5)the biologic character of Mongolian oak is beneficial to stemflow producing，thus the Mongolian oak produced more stemflow than other species did in common region.

Throughfall；stemflow；canopy interception；Mongolian oak plantation；urban forest

S715.2；S152.7

：A

：1001-005X(2017)05-0024-05

2017-06-05

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201404303)；東北林業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)名師支持計(jì)劃(PFT-1213-21)

馮亞琦，本科生。研究方向：風(fēng)景園林規(guī)劃。

琚存勇，博士，副教授。研究方向：森林水文與遙感應(yīng)用。E-mail：qucy09@nefu.edu.cn

馮亞琦，郭娜，蔡體久，等. 蒙古櫟林對(duì)大氣降雨的再分配規(guī)律[J].森林工程，2017，33(5)：24-28.