下層修枝對(duì)樹種水分截留特性的影響

朱志俊，牛健植?，徐 軍

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院, 北京市水土保持工程技術(shù)研究中心, 100083, 北京;2.北京林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心, 102206, 北京)

林冠截留是指在部分降水被地表植被接收并直接蒸發(fā)，未進(jìn)入土壤的過(guò)程，一般可以截留全年降雨的15%～30%[1]，這個(gè)過(guò)程推遲了降雨到達(dá)林下和產(chǎn)流時(shí)間，使得植被具有減緩水土流失的作用[2]。影響林冠截留量的植被特征因素包括了樹木葉片類型[3-4]，葉面積和葉面積指數(shù)[5]，枝干類型[6]和枯落物單位面積質(zhì)量[7]。葉面積的大小直接影響降雨與林冠接觸程度[8]。葉面積指數(shù)和林冠截留量有高度的正相關(guān)性[9]。高林冠產(chǎn)生穿透雨的雨滴動(dòng)能會(huì)大于自然降水，幼樹樹冠下穿透雨動(dòng)能小于林外自然降水動(dòng)能[10]。幼樹林的水土保持效益研究對(duì)于水土保持林的營(yíng)造過(guò)程具有非常特殊的意義。為了全面反映植被的水文和防蝕功能，Savenije提出最大截流量Cmax、最小截流量Cmin、Cmax與Cmin的差值ΔC描述截留過(guò)程[11]。反映植被延后降雨，調(diào)節(jié)入滲、徑流和土壤侵蝕等的過(guò)程；在實(shí)際研究中，由于觀測(cè)難度等原因，過(guò)程量很少被應(yīng)用。

樹木撫育修枝是中幼林撫育管理的重要措施，可以提高林木的林分生長(zhǎng)量，發(fā)揮其水土保持和水源涵養(yǎng)能力。樹木的修枝高度可達(dá)到樹高的1/2[12]，從短期的結(jié)果上來(lái)看，修枝能夠明顯降低中幼林樹木的葉面積，降低樹木降水截留量，而林下就地鋪設(shè)使之成為枯落物能夠增加林地截留能力，從而影響其水土保持效益。

筆者在人工降雨的基礎(chǔ)上，通過(guò)自制的實(shí)驗(yàn)裝置，較為精確地對(duì)植物降雨截留過(guò)程量進(jìn)行測(cè)定，描述6種樹種的林冠截留量對(duì)于修枝撫育的響應(yīng)，分析針闊樹種不同的響應(yīng)結(jié)果，以及下層林下枯落物對(duì)于修枝產(chǎn)生的截留量減少的抑制作用，為中幼林修枝之后的水土保持效益評(píng)估提供借鑒，為水土保持林在中幼林齡的管理上提供理論的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于鷲峰國(guó)家森林公園內(nèi)的首都圈森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，地屬我國(guó)的華北土石山區(qū)，坐標(biāo)為N 39°54′，E 116°28′，海拔在100～1 153 m之間[13]。年平均氣溫12.5 ℃。該區(qū)域的降水時(shí)空分布特征十分不均勻，一年中平均降水量為628.9 mm，夏季降水大約占整年降水量的70%，而冬季降水量占全年的1%左右[14]。

研究區(qū)植物群落屬暖溫帶落葉闊葉林，主要樹種包括側(cè)柏(Platycladusorientalis)、白皮松(PinusbungeanaZucc.)、油松(PinustabuliformisCarr.)、黃櫨(CotinuscoggygriaScop.)、栓皮櫟(QuercusvariabilisBlume)和五角楓(AcerelegantulumBunge),此外還有槲櫟(Quercusaliena)和鵝耳櫟(Carpinusturczaninowii)等植物。

2 實(shí)驗(yàn)材料與研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)樹木的選擇

本實(shí)驗(yàn)于2017年7月進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)前選取6年生的側(cè)柏、油松、栓皮櫟、五角楓(AcerelegantulumBunge)、白皮松和黃櫨各1株，分別代表了該地區(qū)的闊葉樹種和針葉樹種。所選的樹木樹型具有一定的顯著性，能夠代表此生長(zhǎng)階段該樹木的主要樹型，且生長(zhǎng)狀況良好，長(zhǎng)勢(shì)大致相同。樹種基本情況見(jiàn)表1。

表1 單株苗木基本情況Tab.1 Basic situation of single plant seedling

2.2 人工模擬降雨

筆者采用定位研究站內(nèi)的QYJY-503C人工模擬降雨系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)降雨強(qiáng)度穩(wěn)定，均勻度高，與野外自然降雨相似度高[15]。根據(jù)北京市氣象觀測(cè)臺(tái)近30年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，北京市一年中1 h的最大雨量值范圍為20～90 mm[16]，結(jié)合人工模擬降雨系統(tǒng)提供的降雨強(qiáng)度和山區(qū)降雨特征，設(shè)置實(shí)驗(yàn)的典型降雨強(qiáng)度為60 mm/h。

2.3 室內(nèi)降雨實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將實(shí)驗(yàn)樹木固定在花盆中并置于電子臺(tái)秤(YP30K-1)上，在花盆上部設(shè)置鐵皮防雨罩，并在其上方設(shè)置設(shè)鋪枯落物的鐵絲網(wǎng)，該實(shí)驗(yàn)用質(zhì)量表征林冠截留量，用臺(tái)秤稱量測(cè)定人工模擬降雨條件下的截留量(M)[17]。下方臺(tái)秤示數(shù)清零后將整個(gè)裝置放置于降雨設(shè)備下，降雨歷時(shí)為30～60 min，每隔30 s記錄一次臺(tái)秤的讀數(shù)，讀數(shù)即為樹木的截留量，即M=C。降雨結(jié)束瞬間記錄臺(tái)秤讀數(shù)(M1)，即為穩(wěn)定截留時(shí)最大截留量Cmax，待3～5 min滴水結(jié)束后記錄臺(tái)秤讀數(shù)(M2)，即為該樹種的有效截留量Cmin，兩者差值為ΔC。所有降雨實(shí)驗(yàn)均重復(fù)1次。降雨實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

測(cè)定完畢后，將樹木避光風(fēng)干之后在鐵絲網(wǎng)上鋪上對(duì)應(yīng)樹種的枯枝落葉，枯落物厚度統(tǒng)一為2 cm。處理完畢后保證降雨前枝葉濕潤(rùn)程度應(yīng)大致相同，重復(fù)進(jìn)行相同的降雨操作，降雨結(jié)束瞬間記錄臺(tái)秤讀數(shù)(M1)為樹木林冠最大截留量與枯落物水分蓄持量的總和，實(shí)驗(yàn)中稱為樹木最大水分蓄持量Hmax，待3～5 min滴水結(jié)束后記錄臺(tái)秤讀數(shù)(M2)為樹木林冠有效截留量與枯落物水分蓄持量的總和，實(shí)驗(yàn)中稱為樹木有效水分蓄持量Hmin。繪制過(guò)程曲線即為在樹種在林下存在枯枝落葉時(shí)的降雨截留特征。

圖1 降雨實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 The schematic diagram of a rainfall experiment device

如上操作進(jìn)行之后去除合攏絲網(wǎng)上的枯枝落葉，之后將樹木進(jìn)行撫育修枝，剪去各樹木下層葉，修剪高度為樹冠總高度的1/3，實(shí)驗(yàn)中將修剪的樹葉稱為下層葉，記錄下層葉質(zhì)量(表2)與葉面積。避光風(fēng)干之后重復(fù)進(jìn)行同上相同的降雨操作，記錄讀數(shù)，得到樹種去下層葉片的截留特征。

降雨結(jié)束后，將實(shí)驗(yàn)樹木避光風(fēng)干后剪去下層枝，修剪高度為樹冠總高度的1/3，實(shí)驗(yàn)中將修剪的枝條稱為下層枝，記錄下層枝質(zhì)量與枝表面積，重復(fù)進(jìn)行同上相同的降雨操作，記錄讀數(shù)，得到樹種去下層枝葉的截留特征。

將合攏絲網(wǎng)上鋪上對(duì)應(yīng)樹種枯枝落葉，鋪設(shè)半徑為0.5 m，密度為0.35 kg/m2。避光風(fēng)干后重復(fù)進(jìn)行同上的降雨操作，記錄讀數(shù)。得到下層修枝后鋪設(shè)枯落物處理的樹種水分蓄持特征。

2.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPASS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Excel 2016進(jìn)行圖表繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 單株樹木修枝前后林冠截留特征比較

6種不同的實(shí)驗(yàn)樹種在經(jīng)過(guò)人工降雨截留過(guò)程后，分別繪制各種樹種在修枝前后的林冠截留過(guò)程(圖2)。6種樹種在下層修枝處理前后的截留過(guò)程包括了截留量迅速增加、截留量趨于穩(wěn)定和降雨結(jié)束的冠滴雨3個(gè)過(guò)程。

表2 6種樹種下層枝葉質(zhì)量特征Tab.2 Characteristic table of lower branch and leaf weight of 6 tree species g

圖2 6種樹種修枝前后截留量過(guò)程曲線圖Fig.2 Process curves of 6 tree species’ interception characteristics before and after lower pruning

對(duì)比處理前后同種樹種最大截留量和有效截留量的差值ΔC，ΔC值的大小能在一定程度上影響降雨結(jié)束之后林冠滴雨對(duì)于后續(xù)水文過(guò)程的影響程度。五角楓和黃櫨2樹種經(jīng)過(guò)修枝處理前后ΔC值變化不大，分別減少5.98%和14.4%，這可能與這2樹種的ΔC主要由樹干徑流貢獻(xiàn)，枝葉滴水對(duì)于ΔC的影響小。其余4樹種在進(jìn)過(guò)修枝處理后ΔC值都有較大的減小，栓皮櫟ΔC值減少53.50%，油松減少43.78%，側(cè)柏減少88.41%，白皮松減少79.06%。下層修枝處理減小了這4樹種樹冠滴雨量。修枝處理后Cmax的減少量呈現(xiàn)的規(guī)律為針葉樹種大于闊葉樹種，針葉樹種的截留減少率都在50%以上，其中白皮松的減少率最大為67.74%，其次是側(cè)柏64.14%和油松50.81%；而3種闊葉樹種的最大截留量減少率都在20%以下，其中五角楓和黃櫨的最大截留量減少率都在10%以下，分別為8.79%和9.80%，栓皮櫟的減少率為16.80%。再對(duì)比各個(gè)樹種處理前后Cmin的變化量，也呈現(xiàn)出針葉樹種的截留減少率顯著大于闊葉樹種的規(guī)律，油松和側(cè)柏的截留減少率分別為55.53%和42.11%，白皮松則有27.46%；闊葉的3種樹種截留減少率都在10%以下，五角楓、黃櫨和栓皮櫟分別減少了9.47%、8.20%和6.59%。各個(gè)樹種的截留量減少與該樹種下層生物量之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系，但是黃櫨和側(cè)柏這2種樹正相關(guān)關(guān)系不顯著，可能與不同樹種的下層枝和下層葉的截留特性不同造成。

3.2 不同樹木下層枝葉量與截留特征變化

表3分別列出了各個(gè)樹種下層枝和葉截留情況，針葉樹種下層生物量大于闊葉樹種，下層枝和下層葉的截留量均大于闊葉樹種。其中五角楓、栓皮櫟和黃櫨下層葉片起到主要的截留作用。黃櫨的下層枝質(zhì)量雖然占整株樹超過(guò)60%的比例，但是對(duì)于截留量的影響不顯著，可見(jiàn)該樹種主要是葉片參與截留過(guò)程而非枝條。3種針葉樹種呈現(xiàn)出下層葉片和下層枝條協(xié)同截留降雨的特征。其中側(cè)柏下層枝葉所占比例均小于最大截留量和有效截留量的減少量，在側(cè)柏上層葉型相差不大的情況下，造成這種現(xiàn)象的原因可能是側(cè)柏下層枝的單位質(zhì)量或單位表面積截留能力強(qiáng)于上層枝。而白皮松的最大截留量葉出現(xiàn)相同的情況，原因與側(cè)柏類似。

不同樹種下層枝和下層葉對(duì)截留的貢獻(xiàn)不同。從最大截留量來(lái)看，6樹種中五角楓、栓皮櫟、黃櫨和油松的下層葉截留量大于下層枝的截留量，而側(cè)柏和白皮松下層葉和下層枝對(duì)最大截留量的貢獻(xiàn)幾乎相同。各個(gè)樹種下層枝葉對(duì)有效截留量的貢獻(xiàn)呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。栓皮櫟、五角楓和黃櫨下層葉的有效截留量大于下層枝，油松下層枝和葉有效截留量持平，側(cè)柏和白皮松下層枝的有效截留量大于下層葉。對(duì)比針闊葉樹種，3種針葉樹種的下層葉的截留量占最大截留量和最小截留量減少量的比均顯著小于(P<0.05)闊葉樹種，可見(jiàn)下層葉對(duì)闊葉樹種截留量的影響大于針葉樹種，而下層枝對(duì)針葉樹種截留量的影響大于闊葉樹種。

表3 不同樹種下層枝、葉截留特征Tab.3 Interception characteristics of 6 tree species’ lower leaves and branches

3.3 有枯落物情況下修枝撫育前后截留特征變化

五角楓、栓皮櫟、側(cè)柏和白皮松4樹種進(jìn)行了下層修枝后林下鋪設(shè)枯落物的實(shí)驗(yàn)，表4列出了修枝前后樹木最大水分蓄持量Hmax和有效水分蓄持量Hmin的變化對(duì)比。各個(gè)樹種Hmax和Hmin大小規(guī)律均表現(xiàn)為五角楓>白皮松>側(cè)柏>栓皮櫟，下層修枝后2種闊葉樹種的Hmax變化小，Hmin在下層修枝之后減小顯著，其中五角楓Hmin減少6.98%，栓皮櫟Hmin減少17.39%。2種針葉樹種在經(jīng)過(guò)下層修枝的處理后Hmax小幅度地減少，側(cè)柏和白皮松的Hmax減少比例分別為6.52%和6.80%，而經(jīng)過(guò)下層修枝處理之后，2種針葉樹種的Hmin減少量都在2%以下。針葉樹種和闊葉樹種截留特性的響應(yīng)特征為：針葉樹種最大水分蓄持量對(duì)下層修枝處理的響應(yīng)強(qiáng)于有效水分蓄持量；闊葉樹種則是有效水分蓄持量對(duì)下層修枝處理的響應(yīng)強(qiáng)于最大水分蓄持量。

表4 有枯落物情況下各修枝后樹種Hmax、Hmin變化對(duì)比Tab.4 Changes ofHmaxandHminafter lower pruning with litters

4 結(jié)論與討論

通過(guò)以上的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，下層修枝處理會(huì)減小最大截留量Cmax和有效截留量Cmin，改變最大截留量與有效截留量差值ΔC。針葉樹種下層枝葉生物量占比高，下層修枝對(duì)于針葉樹種的影響大于闊葉樹種。樹種下層葉與下層枝的截留能力不同，闊葉樹種下層葉的截留能力強(qiáng)于下層枝。針葉樹種下層枝和下層葉的截留量小，下層葉最大截留量大于下層枝，而下層枝有效截留量大于下層葉，可以推斷針葉樹種下層枝在截留中起到了重要的作用，特別是樹種經(jīng)歷了冠滴雨之后的有效截留量。樹木的截留量與枝葉密度、冠幅大小、LAI、冠層厚度等因子相關(guān)[18-19]，本實(shí)驗(yàn)中研究下層修枝對(duì)樹種林冠截留特性的影響。鋪設(shè)枯落物將下層修枝造成的截留量減小值控制在了10%以下。在水土保持林營(yíng)造的過(guò)程中，下層修枝能帶來(lái)長(zhǎng)期的效益，增加了林木的生長(zhǎng)量，但在短期內(nèi)造成的林分水分蓄持能力的降低，然而林下枯落物的鋪設(shè)使這種副作用顯著降低。本實(shí)驗(yàn)并未深入研究枯落物對(duì)水分蓄持的影響，還需更多的研究來(lái)證明林下枯落物的存在對(duì)于林分水文過(guò)程影響的機(jī)制，包括了枯落物厚度、種類產(chǎn)生截留效益的研究等。由于該實(shí)驗(yàn)細(xì)致程度較高，加大了實(shí)驗(yàn)難度，這個(gè)局限性造成了實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)量相對(duì)不足，在之后的研究中需要補(bǔ)充完善。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果拓展到林分尺度的應(yīng)用還需更深入的研究和討論，最終實(shí)現(xiàn)水文功能變化的模擬，應(yīng)用于流域功能的研究。實(shí)驗(yàn)得出了以下結(jié)論：

1)對(duì)比最大截留量Cmax和有效截流量Cmin的減少量，針葉樹種下層生物量較大的特性，表現(xiàn)出的普遍規(guī)律為下層修枝對(duì)于針葉樹種的林冠截留特性影響大于闊葉樹種。6種樹種中下層修枝對(duì)于側(cè)柏和油松這2樹種影響最大，對(duì)白皮松的最大截留量的影響遠(yuǎn)大于有效截留量，五角楓和黃櫨的林冠截留量對(duì)于下層修枝的反應(yīng)是最不敏感的。

2)下層修枝處理后，對(duì)比各樹種下層枝和下層葉的截留能力。3種闊葉樹種的下層葉的截留能力顯著強(qiáng)于下層枝，在截留過(guò)程中下層枝的截留功能不顯著。而3種針葉樹種下層葉和下層枝的截留能力相當(dāng)，都在截留過(guò)程中發(fā)揮重要的功能。

3)鋪設(shè)枯落物后，除栓皮櫟外，其余5樹種的截留能力都顯著增強(qiáng)。在下層修枝處理后鋪設(shè)枯落物，6樹種的截留特性相比未處理的狀態(tài)下變化不明顯，除了栓皮櫟的有效截留量減少了17.39%，其余各種樹種的最大截留量和有效截留量的減少率均在10%以下。林下鋪設(shè)枯落物能夠顯著地改善下層修枝給樹種帶來(lái)的截留特性的改變。