冀北山地闊葉林對降雨再分配的影響

王 昱 程

(河北省阜平縣水利局, 河北 保定 071000)

森林是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，森林的林冠層對大氣的降水在二次分配的過程中有著非常重要的水文生態(tài)意義，特別是在對降雨的截留和減小降雨沖刷力上，降低了降雨的動能和勢能，減少了降雨對土壤的直接沖刷，從而有效的減少了洪峰的強(qiáng)度、削弱了對土壤的侵蝕力度和提高了森林涵養(yǎng)水源的能力等生態(tài)功能[1-3]。森林在對降雨進(jìn)行二次分配主要從3個方面進(jìn)行體現(xiàn)，分別為：林冠截留、穿透雨和樹干徑流，國內(nèi)外對這一過程研究較多，林分類型較多，有溫帶落葉松、杉木林和亞熱帶闊葉林等林分，研究結(jié)果表明，森林對降雨的截留率達(dá)到了10%～40%，林內(nèi)的穿透雨率為60%～90%，樹干徑流較小，為0.5%～14%。

冀北山地位于干旱半干旱地帶，該地區(qū)的水資源是比較匱乏的，而冀北山地針對闊葉林利用水資源的過程和規(guī)律研究相對較少，因此對該地區(qū)森林進(jìn)行水文生態(tài)研究是非常有必要的，也是很有意義的。本文擬選取冀北山地的木蘭圍場的闊葉林作為研究對象，通過對闊葉林的林外降雨、林內(nèi)穿透雨和樹干徑流進(jìn)行測定，進(jìn)一步探討闊葉林對降雨二次分配的影響，為了能夠更加深入的了解林冠層的水文效應(yīng)，利用數(shù)學(xué)模型對這一過程進(jìn)行模擬研究，以期為該地區(qū)的森林建設(shè)、森林結(jié)構(gòu)調(diào)整和森林健康發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

河北省木蘭圍場國有林場管理局(41°47′—42°06′N，116°51′—117°45′E)地處冀北山地，是燕山山脈、陰山山脈和大興安嶺山脈余脈向西南延伸的結(jié)合部。該區(qū)域?qū)僦袦貛蚝疁貛н^渡、半干早向半濕潤過渡、大陸性季風(fēng)型的高原山地氣候。年平均氣溫-1.4～4.7 ℃，極端最高氣溫38.9 ℃，極端最低氣溫-42.9 ℃，≥0 ℃的年積溫2 180 ℃，無霜期67～128 d。年均降水量380～560 mm，主要集中在6—8月。土壤主要為山地棕壤，土層深厚，海拔750～1 829 m。植被區(qū)系屬溫帶草原地帶高原東部森林草原區(qū)與暖溫帶落葉闊葉林地帶燕山山地落葉闊葉林溫性針葉林區(qū)的交接帶。主要喬木樹種：華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)、油松(Pinustabulaeformis)、蒙古櫟(Quercusmongolica)云杉(Piceaasperata)等；主要灌木樹種：迎紅杜鵑(Rhododendronmucronulatum)、土莊繡線菊(Spiraeapubescens)、毛榛(Corylusmandshurica)等；主要草本植物：東亞唐松草(Thalictrumminus)、披針薹草(Carexlanceolata)等。

2 研究方法

2.1 樣地的設(shè)置與測定

本文選擇闊葉林，在林分內(nèi)選取30 m×30 m作為標(biāo)準(zhǔn)樣地，在林分郁閉度調(diào)查中，機(jī)械的設(shè)置100個樣點(diǎn)，在各樣點(diǎn)位置上進(jìn)行抬頭垂直昂視，判斷該樣點(diǎn)是否被樹冠覆蓋，統(tǒng)計被覆蓋的樣點(diǎn)數(shù)，經(jīng)過測定郁閉度達(dá)到了0.65，樹種主要為白樺、黑樺和五角楓，平均胸徑為19.1 cm，平均樹高14.3 m，坡向為西南，坡度為16°，海拔1 123 m，利用全站儀來定位樣地內(nèi)的林木位置(x，y)，并且對林木進(jìn)行每木檢尺和掛牌編號，根據(jù)對各林分每木檢尺等林分因子的調(diào)查結(jié)果，胸徑按5 cm 間隔劃分徑級，分為小于5，5～10，10～15，15～20 cm等胸徑階段，經(jīng)過測量在各徑級中選擇與平均數(shù)最接近的林木作為標(biāo)準(zhǔn)木，每個徑階選擇2棵標(biāo)準(zhǔn)木。

2.2 穿透雨和樹干徑流的測定方法

在林外空地處設(shè)置直徑為20 cm的標(biāo)準(zhǔn)雨量筒，每次降雨后立即觀測，并與設(shè)置的小型氣象站的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，得出的平均降雨量為林外降雨量；為使觀測更具代表性，將6個直徑大小為20 cm承雨桶隨機(jī)布設(shè)于樣地內(nèi)，每次雨后觀測，以6個承雨桶的雨量平均數(shù)作為林內(nèi)穿透水量；在調(diào)查出的標(biāo)準(zhǔn)木上進(jìn)行測定，在樹干離地1 m處用縱向切開的半圓蛇形管纏樹2圈，用竹簽將其釘在樹干上，用玻璃膠填補(bǔ)其縫隙，樹干粗糙的樹皮進(jìn)行適當(dāng)處理，蛇形管下端接到塑料桶中，每次降雨后，對塑料桶中的水量進(jìn)行測量，根據(jù)每次測量得出的莖流量，再乘以該徑級樹木的株數(shù)，計算所有徑級的總和作為該森林群落的總樹干莖流量[4-7]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)林外降雨量、穿透雨量和樹干徑流量的測定數(shù)據(jù)，利用公式進(jìn)行計算，求出林冠截留量：

I=P-(Pt+S)

(1)

式中：P——林外大氣降水量(mm)；Pt——穿透降雨量(mm)；I——林冠截留雨量(mm)；S———樹干徑流量(mm)。下同。

樹干徑流的計算公式如下：

(2)

式中：N——樹干徑級數(shù)；SN——每一徑級的單株樹干徑流量(ml)；MN——每個徑級的樹木株數(shù)；A——樣地面積(m2)。

使用SPSS專業(yè)統(tǒng)計分析軟件對獲取的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析和回歸分析[8-10]。

3 結(jié)果與分析

3.1 林外降雨與穿透雨的關(guān)系

試驗在2016年6月至2016年9月進(jìn)行，在進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)收集過程中，共出現(xiàn)了17次降雨，其中有6場是無效雨。在表1中可以看出，雨量最大的為26.33 mm，最小的為3.02 mm，降雨總量為125.57 mm，平均每次降雨量為11.42 mm，本地區(qū)大部分為小雨和中雨，出現(xiàn)了一次短歷時的大雨，林分的穿透雨量占得比例是最大，平均值70.22%，林冠截留其次，為28.20%，而樹干徑流占得比例最小，為1.58%。

在這11次降雨觀測中，穿透雨量較大，比例較高，與闊葉林的葉面結(jié)構(gòu)、樹干粗糙度以及林分的郁閉度都有關(guān)系；林冠截留量隨著降雨量的增加而增加，達(dá)到飽和后趨于穩(wěn)定；林冠截留率在降雨非常小的時候會特別大，但是隨著降雨量的增大而逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定；樹干徑流在降雨特別小的時候是形成不了的，但是隨著降雨量的增加從而形成樹干徑流。在對林外降雨與穿透雨之間關(guān)系進(jìn)行研究時，選擇合適的模擬模型進(jìn)行模擬，利用R2值進(jìn)行回歸如圖1所示。

表1 闊葉樹林內(nèi)降雨再分配

圖1 林外降雨量與穿透雨量、穿透率的關(guān)系

從圖1可以，穿透雨量與林外降雨量有比較好的線性關(guān)系，方程為y=0.780 2x-0.600 2，林分在降雨比較小的時候是不會有穿透雨的，當(dāng)林外降雨量達(dá)到0.78 mm時開始出現(xiàn)穿透雨，穿透雨臨界點(diǎn)比較小是因為闊葉林的林間空隙比較大，在降雨增加時，穿透雨也是不斷的增加，2個是正相關(guān)的關(guān)系，R2達(dá)到了0.997 9，所以，林內(nèi)穿透雨量與林外降雨量達(dá)到了極顯著的水平。而穿透率則是與穿透量不同，在初期穿透率比較低，但是隨著降雨量的增加而增加，但是增加到一定程度以后，趨于穩(wěn)定。

3.2 林外降雨與林冠截留的關(guān)系

從表1可以看出，林冠截留占林外降雨量的比例還是比較大的，在降雨的再分配過程中占有很重要的作用，在進(jìn)行擬合的過程中，在表1中可以看出林冠截留量在降雨再分配過程中占有一定的比例，進(jìn)行擬合以后林冠截留量的R2值達(dá)到了0.962 2，而林冠截留率的R2值達(dá)到了0.871。林冠截留量與林外降雨量的關(guān)系達(dá)到了極顯著水平(p<0.01)，而林冠截留率與林外降雨量的關(guān)系也是比較明顯的(圖2)。

圖2 林外降雨量與林冠截留量、截留率的關(guān)系

從圖2看出，林冠截留量隨著林外降雨量的增加而不斷增加，但是達(dá)到一定值以后趨于飽和，則不再增加，在林外降雨量比較小的時候，林冠截留了極大部分的降雨；林冠截留率在降雨比較低時是非常大的，但是隨著降雨的增加而減小，與降雨量呈現(xiàn)了反相關(guān)的趨勢，在林外降雨量達(dá)到一定值以后，林冠截留率則趨于穩(wěn)定，影響林冠截留飽和的因素有很多，比如林分的樹種組成、林冠的密度、冠幅和當(dāng)天風(fēng)力等。

3.3 林外降雨與樹干徑流的關(guān)系

從表1可以看出，樹干徑流量是非常小的，所占比例也是比較小的，樹干徑流量與降雨量是呈正相關(guān)的關(guān)系，且達(dá)到了顯著水平(p<0.01)，見圖3。

圖3 林外降雨量與樹干徑流量、徑流率的關(guān)系

從圖3可以看出，樹干徑流量與林外降雨量呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，隨著林外降雨的增加而增加，但是雨量小的時候是沒有樹干徑流的，闊葉樹林在降雨達(dá)到4.88 mm時才會出現(xiàn)樹干徑流，但是樹干徑流具有一定的時滯性，而時滯性的大小和林木本身及雨量的強(qiáng)弱都有很大的關(guān)系，當(dāng)葉面積指數(shù)較小，并且枝干夾角成45%，林木表面光滑則形成比較容易，反之，則不易形成。

4 結(jié) 論

(1) 林分的穿透雨占得比例是最大，占到總比例的70.22%，林冠截留其次，為28.20%，而樹干徑流占得比例最小，為1.58%；穿透雨量與林外降雨量有比較好的線性關(guān)系(R2=0.997 9)，方程為y=0.780 2x-0.600 2，林分在降雨比較小的時候是不會有穿透雨的，當(dāng)林外降雨量達(dá)到0.78 mm時開始出現(xiàn)穿透雨。

(2) 林冠截留在降雨的再分配過程中占有很重要的作用，林冠截留量與林外降雨量具有明顯的冪函數(shù)關(guān)系，達(dá)到了極顯著水平(p<0.01)。

(3) 樹干徑流量與林外降雨量呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系(R2=0.970 3)，闊葉樹林在降雨達(dá)到4.88 mm時才會出現(xiàn)樹干徑流，但是樹干徑流具有一定的時滯性，而時滯性的大小和林木本身及雨量的強(qiáng)弱都有很大的關(guān)系，當(dāng)葉面積指數(shù)較小，并且枝干夾角成45%，林木表面光滑則形成比較容易，反之，則不易形成。

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