河北省太行山4種經(jīng)濟林林冠層的水文效應

劉希慶, 邢曉光, 劉鳳嬋, 劉斌, 王淮亮

(河北省水資源研究與水利技術試驗推廣中心, 河北 石家莊 050061)

森林通過龐大的林冠層、豐富的枯落物層，既能吸附、截留一定的降雨，又能有效減輕或防止雨水沖擊和侵蝕土壤[1-2]。林冠層是森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)水文功能的主導者，林冠對降雨的分配是森林水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[3]，林冠截留是森林對降水第一次阻截和分配[4]，其截留作用在雨水的利用及水土保持方面有顯著的積極作用[3-5]。目前國內(nèi)外對于森林林冠層雨水截留的研究較多，主要是分析不同的林地類型、林分結構、林齡等在影響支配林冠層截留能力中起的作用，具體表現(xiàn)為葉面積指數(shù)[6-7]、郁閉度[8-9]、冠層深度和冠幅張開度[10-11]等與林冠截留量的關系。經(jīng)濟林作為一種生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益結合較好的林種，在山區(qū)水土保持和生態(tài)建設中具有不可替代的作用，河北省太行山區(qū)經(jīng)濟林品種較多，對栽植樹種的水文效應尚未進行系統(tǒng)研究。為此，本研究選擇太行山區(qū)主要栽培的經(jīng)濟林樹種蘋果、核桃、櫻桃和杏的成林，分析其林冠截留過程，對其林冠層水文效應做定量分析，旨在揭示不同經(jīng)濟林樹種的水源涵養(yǎng)功能。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北石家莊市西南部山區(qū)，元氏縣前仙鄉(xiāng)西嶺底村，地理坐標北緯37°32′—37°51′，東經(jīng)114°08′—114°14′。該地區(qū)屬典型的太行山中段東部低山區(qū)，山巒起伏、溝壑縱橫，地勢西高東低，海拔290～550 m。氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L氣候，四季分明，雨熱同季，多年平均氣溫12.6 ℃，極端最高溫43.0 ℃，高溫天氣多出現(xiàn)在7月份，極端最低溫-25.3 ℃，無霜期180 d左右，多年平均降水量570 mm，多集中在7—9 月份，占全年降水量的70% 左右，在全球變暖大背景下，20 世紀80 年代以來，也出現(xiàn)了溫度升高，降水減少的趨勢[12]。土壤以褐土為主，兼有壤土、砂壤土或片麻巖石質(zhì)土壤，樣地整地類型為梯田，土層厚度在0.5～2.5 m。栽植的經(jīng)濟林樹種主要有蘋果(Maluspumila)，核桃(Juglansregia)，杏(Armeniacavulgaris)、櫻桃(Cerasuspseudocerasus)等。自然植被類型以次生灌草叢為主，散生喬木，主要喬木樹種有栓皮櫟(Quercusvariabilis)、臭椿(Ailanthusaltissima)、欒樹(Koelreuteriapaniculata)、白蠟(Fraxinuschinensis)等，灌草叢是酸棗(Ziziphusjujuba)、荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、野谷草(Arundinellaanomala)等。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

于2017年8月實地考察研究區(qū)植被特征，選擇核桃、蘋果、櫻桃、杏4個樹種的經(jīng)濟林，以場外空地作為對照。經(jīng)濟林樣地位于西嶺底村南，蘋果和核桃林樣地相鄰，櫻桃林和杏林相鄰，兩地塊直線距離450 m左右，整地方式均為梯田，土層厚在2.0 m左右，壤土。由于經(jīng)濟林的栽培要求不同，田間管理有所差異，蘋果和櫻桃管理更加精細。在各林內(nèi)典型地段設置面積為20 m×20 m的標準樣地各5處，每個樣地內(nèi)布置樣點25個。記錄樣地海拔、坡度、坡向以及土層厚度，調(diào)查林齡并進行每木檢尺，測量株行距、樹高、冠幅、地徑等并記錄(表1)。

2.2 郁閉度測量

利用數(shù)碼相機測定郁閉度，方法是在距離地面1.5 m高處使用鏡頭始終保持水平向林冠層拍照，借助Adobe Photoshop CS軟件，將照片轉(zhuǎn)為灰度雙色調(diào)圖像，統(tǒng)計整個冠層封閉區(qū)域和天空影像像素，郁閉度=(1-冠層范圍內(nèi)天空影像的像素值)/整個冠層范圍像素值[13]，郁閉度測量結果詳見表1。

表1 研究區(qū)4種經(jīng)濟林林分基本情況

2.3 林外降雨的測定

在樣地外設置2個雨量筒，收集大氣降雨，測定空地降雨量，計為林外降雨量。為避免林地防風距離內(nèi)其防風效應對林外風向、雨量的干擾，雨量桶的具體位置設在樣地林緣外50～60 m范圍內(nèi)，與林內(nèi)樣點坡向、海拔及方位相同的開闊地，離地0.5 m，每次降雨內(nèi)記錄時間間隔為30 min。

2.4 穿透雨量測定

由于穿透雨的空間分布受林冠結構的影響，為了研究穿透雨的空間異質(zhì)性特征，采用林內(nèi)網(wǎng)格狀布置采樣點能準確測定穿透雨量[14]。每個樣地內(nèi)按每5 m×5 m間距布設25個自制雨量筒來測定穿透雨量。自制雨量筒上部為直徑20 cm的漏斗，下面接塑料桶，漏斗表面距地面高度10 cm。為防止凋落物和昆蟲進入塑料桶內(nèi)影響測定結果，漏斗口底部加裝尼龍網(wǎng)[15]，每次降雨后，測量塑料桶內(nèi)的雨水體積(ml)，然后換算成雨量深(mm)[16]。

2.5 樹干徑流量測定

每個樣地內(nèi)分別選擇代表性植株5株，在樹干基部30 cm以上，纏繞式方法收集樹干徑流。采用新型樹干徑流收集裝置，是帶有直徑為3 cm的半圓形導水槽的膠管，鉛絲穿進膠管將其纏繞至樹干上2～3圈，將導水槽一側緊貼樹干，密封膠密封粘合，導水槽末端為管狀，將水導至樹下集水桶內(nèi)。計量桶內(nèi)水的體積(ml)，最終換算成降雨量統(tǒng)一單位(mm)。樹干徑流量(SF，mm)的計算公式[17-18]為：

式中：SF——樣地樹干徑流量(mm)；Ci——每株樹干徑流體積(ml)；S——樹冠平均投影面積(m2)。

2.6 林冠截留量的計算

林冠截留包括樹葉、樹枝以及樹干截留的降雨，其計算公式為：

I=PG-(TF+SF)

式中：I——林冠截留量(mm)；PG——林外降雨量(mm)；TF——穿透雨量(mm)。

2.7 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18.0對數(shù)據(jù)進行差異性檢驗(LSD)、相關分析(Pearson)、回歸分析，采用Excel進行圖表制作。

3 結果與分析

3.1 不同降雨量對林冠截留的影響

試驗期9—10月間，共采集5次降雨，林外降雨量按時間先后依次為7.5，45.1，54.9，14.3和29.5 mm。測定了4種經(jīng)濟林林冠層在不同降雨量條件下的樹干徑流量、林內(nèi)穿透雨量、林冠截留量，并分析其占比，結果詳見表2。

表2 不同降雨量情況下樹干徑流量、林內(nèi)穿透雨量、林冠截留量及其占比

4種經(jīng)濟林的樹干徑流量、林內(nèi)穿透雨量均隨著林外降雨量的增大而增大，呈正相關關系(顯著性水平0.01)。對穿透雨量和林外降雨量數(shù)據(jù)進行回歸分析表明，兩者可以用一元線形回歸模型表示，相關系數(shù)均在0.996以上，這與之前[5]的研究結果一致。對4種經(jīng)濟林的林冠截留量與降雨量進行相關性分析，結果顯示，4種經(jīng)濟林的林冠層截留量與降雨量顯著相關，其中，櫻桃林、蘋果林在0.01水平的相關系數(shù)分別為0.986，0.977，核桃林和杏林在0.05水平的相關系數(shù)分別為0.905，0.884。

4種經(jīng)濟林的林冠截留量隨著林外降雨量的增加表現(xiàn)不盡一致(圖1)。在林外降雨量達到45.1 mm之前，4種經(jīng)濟林的林冠截留量均隨著林外降雨量的增加而增加，且增加幅度較大；在林外降雨量達到45.1 mm之后，櫻桃林增幅減小，杏林、核桃林的林冠截留量不再增加。這表明4種經(jīng)濟林分的林冠截留量主要決定于降雨量，并且可能與林冠冠幅、郁閉度等林冠結構特征有密切關系，這與之前的研究結果較為一致[19-21]。

由圖1可見，在雨量為14.3 mm的降雨條件下，4種經(jīng)濟林的林冠截留量占比達到最大值(28.16%，25.68%，22.80%，20.93%)，且4種經(jīng)濟林的林冠截留量占比均表現(xiàn)出雨量為29.5 mm時的值大于雨量為7.5 mm時的值，由此可知，單次降雨量在14.3～29.5 mm時，4種經(jīng)濟林的林冠截留作用較大。這也說明，林冠層持水量達到飽和后，林冠截留量占比呈現(xiàn)減少的趨勢[5]，即林冠截留不會隨降雨量增加無限增長，而是存在一個截留高峰的雨量區(qū)間，而且不同林木種類林分的這一雨量區(qū)間范圍不同，區(qū)間的具體范圍需進一步研究[19-20]。

圖1 不同降雨量4種經(jīng)濟林林冠截留量及其占比

3.2 不同經(jīng)濟林林冠層對降雨的再分配

分析不同經(jīng)濟林林分林冠層對降雨的再分配的情況詳見表3。結果顯示，在5次降雨過程中，林外降雨量合計151.30 mm情況下，不同經(jīng)濟林林分的林冠層對降雨的再分配情況存在較大差異。其中，蘋果林的樹干徑流量顯著低于其他3種經(jīng)濟林的相應值；林冠截留雨量櫻桃林顯著大于核桃林、杏林，林內(nèi)穿透雨量顯著小于核桃林和杏林。4種經(jīng)濟林林冠層對降雨的截留量排序為：櫻桃>蘋果>核桃>杏，截留量最大的櫻桃，是截留量最小杏的1.66倍，這與4種經(jīng)濟林的郁閉度由大到小排序一致；與另外3種經(jīng)濟樹種相比，櫻桃樹冠幅大、枝葉密實，林冠結構緊湊、郁閉度大，說明林冠層對降雨的再分配作用主要受郁閉度、林分類型和林冠層結構乃至葉片結構和密度等的影響，這與之前的研究較為一致[3,5,21-22]。4種經(jīng)濟林樹干徑流量排序為：櫻桃>杏>核桃>蘋果，這與4種經(jīng)濟林的平均地徑由大到小排序一致，說明林地樹干對降雨的再分配作用與林木地徑或者林木徑階有較大關系。這與張捷等研究結果不同[5]，張捷等在對18～32 a生馬尾松林的研究中指出，樹干徑流量與樹木胸徑呈負相關，這可能與兩次研究對象的林木種類、林冠結構特征差異有關，本次研究是對不同樹種不同地徑的樹干徑流進行測定，同一樹種不同地徑的樹干徑流情況需要進一步研究。

表3 4種經(jīng)濟林林冠層對降雨的再分配

注：不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

4 結 論

(1) 4種經(jīng)濟林的樹干徑流量、林內(nèi)穿透雨量均隨著林外降雨量的增大而增大，呈正相關關系(顯著性水平0.01)，穿透雨量和林外降雨量之間可以用一元線形回歸模型表示；林冠層截留量與降雨量顯著相關，其中，櫻桃林、蘋果林在0.01水平的相關系數(shù)分別為0.986和0.977，核桃林和杏林在0.05水平的相關系數(shù)分別為0.905，0.884；在林外降雨量達到45.1 mm之前，4種經(jīng)濟林的林冠截留量均隨著林外降雨量的增加而增加，且增加幅度較大；在雨量為14.3 mm的降雨條件下，4種經(jīng)濟林的林冠截留量占比達到最大值，單次降雨量在14.3～29.5 mm時，4種經(jīng)濟林的林冠截留作用較大，占比均在20%以上。

(2) 林外降雨量一定的情況下，4種經(jīng)濟林林冠層對降雨的截留量排序為：櫻桃>蘋果>核桃>杏，與郁閉度大小排序一致，林內(nèi)穿透雨量與截留量排序相反；樹干徑流量排序為：櫻桃>杏>核桃>蘋果，與4種經(jīng)濟林的平均地徑大小排序基本一致。4種經(jīng)濟林林分的林冠層對降雨的再分配情況存在顯著差異，主要受林分類型、林冠結構特征等的影響。