不同降雨等級及林分間伐強度對紅松人工林穿透雨特征的影響

姚博

(遼寧省森林經(jīng)營研究所，遼寧 丹東 118003)

森林具有多種生態(tài)服務功能，在維持生物多樣性、保持水土、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、固碳釋氧等方面發(fā)揮著重要作用，而且還提供大量的木材與林產(chǎn)品，對于維系區(qū)域生態(tài)安全、保障社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等具有無可替代的作用[1]。同時，多數(shù)森林分布在江河源頭、山地、丘陵等地，其保持水土、涵養(yǎng)水源等功能尤其重要，因而森林水文研究已經(jīng)成為森林生態(tài)學、森林水文學及水資源利用等研究的重要組成部分[2]。

大氣降水進入森林生態(tài)系統(tǒng)后，首先受到林冠層的截留，之后進一步分配為穿透雨和樹干徑流[3]，改變了自然降水的分配過程，直接降低了雨水對地面的沖刷。國內(nèi)外研究表明：降水經(jīng)過林冠層時，林冠截留10%～40%，穿透雨率為60%～90%，樹干徑流率為0.5%～14%[4]，主要影響林冠截留分配的原因有林型、樹木特征(郁閉度、胸徑、樹高、樹皮粗糙度等)、降雨量、降雨強度等[5]。關于穿透雨的研究主要集中在林冠截留量、穿透雨量、徑流量與總降雨量之間的關系以及穿透雨空間分布特征，林冠分配降雨過程模擬與模型等[6-7]，但關于穿透雨形成的過程，及其與降雨量、降雨強度、林分密度的關系尚不十分清楚，影響了對森林水源涵養(yǎng)功能及過程的科學認識，制約了森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能的優(yōu)質(zhì)、高效與持續(xù)發(fā)揮。

紅松(Pinuskoraiensis)是遼寧省東部山區(qū)的主要造林樹種之一，據(jù)統(tǒng)計，遼寧紅松人工林面積已經(jīng)達到10萬多 hm2[8]，在提供木材、涵養(yǎng)水源、保持水土等方面發(fā)揮著重要作用。在大力發(fā)展人工林的背景下，近年來對紅松人工林水土保持、水源涵養(yǎng)等方面的研究也在不斷增加[9-11]，但主要集中在紅松人工林水源涵養(yǎng)功能評價、水土保持等方面[12]，間伐對紅松人工林水源涵養(yǎng)功能影響方面的研究尚不多見。為了更好地了解紅松人工林的降水再分配過程，本文以不同間伐強度的紅松人工林為研究對象，分析不同降雨強度下穿透雨的產(chǎn)生過程，提示不同間伐強度對紅松人工林穿透雨產(chǎn)生過程的影響規(guī)律，為科學經(jīng)營紅松人工林提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點位于遼寧省本溪滿族自治縣草河口鎮(zhèn)遼寧省森林經(jīng)營研究所實驗林場解放林內(nèi)(123°54′36″E，40°52′5″N)，平均海拔645 m，坡度15°～20°。年平均氣溫6.1～6.3 ℃，年最低氣溫-33 ℃，最高氣溫32 ℃，年均降水量926.3 mm，年均蒸發(fā)量1 118 mm，無霜期127 d[13]。該地區(qū)屬于長白山余脈西南延伸部分，屬溫帶大陸性季風氣候。植被為長白植物區(qū)系，土壤類型以棕色森林土為主，pH值5.3～6.3，土層厚度30～50 cm。

2 研究方法

2.1 樣地布設

試驗林于1949年春營造，造林密度為3 500株·hm-2，苗齡6 a，造林前系天然次生林采伐跡地開墾的耕地，造林成活率95%[14]。固定樣地試驗設置于1967 年，間伐強度以單位面積保留林木株數(shù)確定，設置面積各為1 000 m2的試驗小區(qū)5 個，最初各試驗小區(qū)分別保留800株·hm-2(極強度)、1 200株·hm-2(強度)、1 600株·hm-2(中度)、2 000株·hm-2(弱度)、對照區(qū)為2 380株·hm-2，與對照區(qū)相比采伐強度分別為66.39%、49.58%、32.77%及15.97%。此后又經(jīng)過1984年、1996年、2005年、2012年共4次間伐，其中對照區(qū)為從未受過任何人為干擾的林分， 通過自然稀疏保留到2017年，株數(shù)為1 070株·hm-2。本研究中按照采伐強度將人為經(jīng)營干擾等級劃分為5 級：其中極強度(150株·hm-2)、強度(210株·hm-2)、中度(310株·hm-2)、弱度(470株·hm-2)及對照區(qū)(1 070 株·hm-2)，目前林分基本穩(wěn)定，林下植被近3年變化較小。本研究選擇其中的極強區(qū)、中度區(qū)和對照區(qū)作為研究對象，各試驗區(qū)林分基本情況見表1。

表1 不同間伐強度紅松人工林試驗區(qū)基本情況表

2.2 降雨量測定

觀測點位于遼寧省森林經(jīng)營研究所實驗林場的氣象觀測站內(nèi)，該氣象站距離試驗樣地約800 m。在氣象觀測站內(nèi)選擇距圍欄3 m以上，上方無遮擋處設置自動翻斗式雨量計，該雨量計與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，自動記錄脈沖信號，自動轉(zhuǎn)換，精度為0.2 mm，采集間隔時間為5 min，測量降雨量、降雨歷程等。

為了便于統(tǒng)計分析，借鑒國家氣象局與相關文獻對降雨量等級的劃分標準[15]，本文將研究期間內(nèi)的降雨劃分為以下5個等級：小雨(24 h內(nèi)降雨量0.1～9.9 mm)、中雨(24 h內(nèi)降雨量10～24.9 mm)、大雨(24 h內(nèi)降雨量25～49.9 mm)和暴雨(24 h內(nèi)降雨量50～99.9 mm)、大暴雨(24 h內(nèi)降雨量100～249.9 mm)。

表2 2018年8-9月試驗區(qū)降雨情況

注：林外總降雨量合計279.7 mm，降雨次數(shù)合計5次

觀測在2018年8-9月進行，選擇不同降雨級別(小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨)各一次，各降雨情況見表2。

2.3 穿透雨測定

在3種間伐強度的紅松人工林標準地內(nèi)，隨機設置2個穿透雨承接器(由PVC材料制作而成，其水平截面為長方形，長×寬×高為110 cm×54 cm×25 cm，上方設有開口以承接降雨，下方一端設有出水口)，承接器距地面高度1.5 m(減少林下灌木草本的影響)，放置的水平傾斜角度為5°，出水口位于一端的最低點。將穿透雨承接器出水口用導管與自動翻斗式雨量計相連(HOBO自記雨量計改裝、采集間隔時間為5 min、精度0.2 mm)。每次降雨前將穿透雨承接器提前安放到采樣地點。

3 結果與分析

3.1 間伐強度對紅松人工林穿透雨率的影響

圖1為8-9月不同間伐強度紅松人工林試驗樣地穿透雨量與降雨量的比例，隨間伐強度的增加，紅松人工林的穿透雨率顯著增加(P<0.05)，表現(xiàn)為對照區(qū)穿透雨率(84.8%)<中度區(qū)(92.6%)<極強區(qū)(93.3%)。在統(tǒng)計5 場降雨(總計279.7 mm)，中度區(qū)與極強區(qū)的穿透雨總量比對照區(qū)分別增加了20.2 mm與21.8 mm。

圖1 不同間伐強度紅松人工林穿透雨率

3.2 降雨等級對紅松人工林穿透雨量的影響

由圖2可知，當降雨等級為小雨時(3.5 mm)，中度區(qū)的穿透雨最大(97.1%)，對照區(qū)穿透雨量最小(77.1%)；當降雨等級為中雨、大雨及暴雨時，穿透雨量隨間伐強度的增加而增加，極強區(qū)的穿透雨量最大，對照區(qū)穿透雨量最??；當降雨等級為大暴雨時(129.5 mm)，中度區(qū)與極強區(qū)的穿透雨量為降雨的101.1%和100.3%，說明當降雨量等級大于大暴雨，中度區(qū)與極強區(qū)林冠截留降雨達到了飽和狀態(tài)[16]，林冠截留降雨的能力減弱，這可能受空間異質(zhì)性的影響[17]。

小雨 中雨 大雨 暴雨 大暴雨

圖2不同降雨等級下紅松人工林的穿透雨率

3.3 降雨等級及林分間伐強度對紅松人工林穿透雨進程的影響

圖3 3.5 mm降雨時穿透雨產(chǎn)生進程

當降雨等級為小雨條件時(3.5 mm)(圖3)，降雨初始強度為2.1 mm·(5 min)-1，各間伐強度區(qū)穿透雨產(chǎn)流起始時間與林外相同，極強區(qū)由于間伐強度相對較大，因此極強區(qū)穿透雨峰值時間與林外相同，為1.3 mm·(5 min)-1，5 min后林外降雨強度逐漸下降，此時對照區(qū)與中度區(qū)的穿透雨才達到最高值，為對照(1.1 mm)<中度(1.6 mm)。當降雨結束時，各間伐強度區(qū)穿透雨并沒有因降雨結束而停止，產(chǎn)流結束時間相對延遲，表現(xiàn)為對照區(qū)(延遲5 min)<極強區(qū)(延遲10 min)<中度區(qū)(延遲15 min)。

圖4 18.3 mm降雨時穿透雨產(chǎn)生進程

當降雨等級為中雨時(18.3 mm)(圖4)，降雨初始強度為0.2 mm·(5 min)-1，當5 min后降雨強度逐漸增強至0.6 mm·(5 min)-1，此時各間伐強度區(qū)分別產(chǎn)生穿透雨，其穿透雨量與間伐強度成正比，表現(xiàn)為對照(0.1 mm)<中度(0.2 mm)<極強(0.3 mm)，10 min后降雨強度開始減弱，但各間伐強度區(qū)穿透雨量此時才出現(xiàn)第1個峰值，比林外降雨峰值延遲5 min，隨降雨強度減弱各間伐強度區(qū)穿透雨沒有而停止產(chǎn)流，35 min后出現(xiàn)第2個峰值時〔1.3 mm·(5 min)-1〕，各間伐強度區(qū)穿透雨量峰值表現(xiàn)為中度(0.7 mm)<極強與對照(1.0 mm)，各間伐強度區(qū)穿透雨產(chǎn)生峰值及延遲規(guī)律與第1個峰值一致，當出現(xiàn)第3次峰值時〔3.9 mm·(5 min)-1〕，各間伐強度區(qū)穿透雨量峰值表現(xiàn)為對照(2.6 mm)<中度(2.7 mm)<極強(2.8 mm)，穿透雨峰值及延遲時間與前兩次相同，隨后降雨逐漸減弱至結束，產(chǎn)流結束時間相對延遲，表現(xiàn)對照區(qū)與極強區(qū)(延遲10 min)<中度區(qū)(延遲15 min)。

當降雨等級為大雨時(30.5 mm)，林外降雨強度為0.2 mm·(5 min)-1(圖5)，降雨15 min內(nèi)沒有加強，各間伐區(qū)中只有對照區(qū)在第15 min時產(chǎn)生1次穿透雨〔強度為0.1 mm·(5 min)-1〕，之后降雨暫停了15 min，此時各間伐區(qū)沒有產(chǎn)生穿透雨。30 min后再次降雨并持續(xù)了15 min后結束，平均強度為0.3 mm·(5 min)-1，此時各間伐區(qū)與林外相比5 min后開始產(chǎn)生穿透雨，強度為0.2 mm·(5 min)-1。當出現(xiàn)第2次峰值時〔4.1 mm·(5 min)-1〕，各間伐強度區(qū)穿透雨產(chǎn)流起始時間及峰值產(chǎn)生時間與林外降雨一致，穿透雨量為中度(1.8 mm)<極強區(qū)(2.0 mm)<對照區(qū)(2.5 mm)，降雨結束后各間伐區(qū)的穿透雨產(chǎn)流結束時間與林外相比延遲20 min。

圖5 30.5 mm降雨時穿透雨產(chǎn)生進程

當降雨等級為暴雨時(97.9 mm)，降雨初始強度為0.4 mm·(5 min)-1(圖6)并在20 min內(nèi)是迅速增強至3.9 mm·(5 min)-1，各間伐強度區(qū)穿透雨產(chǎn)流起始時間與林外降雨一致，峰值時強度均為2.2 mm·(5 min)-1，隨后降雨強度開始減弱，在4 h內(nèi)平均降雨強度僅為0.1 mm·(5 min)-1，但各間伐強度區(qū)穿透雨繼續(xù)產(chǎn)流，當出現(xiàn)第2次峰值時〔強度為3.9 mm·(5 min)-1〕，林內(nèi)隨即產(chǎn)生穿透雨，時間與林外一致，穿透雨量為極強(2.4 mm)<對照(2.7 mm)<中度(2.8 mm)。本次降雨共出現(xiàn)3次較為明顯的峰值，最高峰時降雨強度達7.6 mm·(5 min)-1，第3次峰值期間各間伐強度區(qū)穿透雨峰值產(chǎn)生時間與林外一致，各間伐區(qū)峰值時降雨強度為對照區(qū)〔3.1 mm·(5 min)-1〕，中度與極強區(qū)為3.0 mm·(5 min)-1，15時20分降雨開始逐漸減弱，強度在0.2 mm～0.4 mm·(5 min)-1之間，并持約9 h，產(chǎn)流結束時間表現(xiàn)為對照區(qū)(延遲0 min)<極強區(qū)(延遲5 min)<中度區(qū)(延遲10 min)。

圖6 97.9 mm降雨時穿透雨產(chǎn)生進程

當降雨等級為大暴雨時(129.5 mm)，降雨初始強度為0.2 mm·(5 min)-1(圖7)，并且較低的降雨強度持續(xù)約13 h，林內(nèi)各間伐強度區(qū)穿透雨產(chǎn)流起始時間表現(xiàn)為對照區(qū)(延遲20 min)<極強區(qū)(延遲30 min)<中度區(qū)(延遲35 min)，穿透雨強度在0.1～0.5 mm·(5 min)-1之間，當降雨強度最大時〔3.2 mm·(5 min)-1〕，此時各間伐強度區(qū)穿透雨峰值時間與林外一致，穿透雨量表現(xiàn)為對照(2.2 mm)<極強(2.4 mm)<中度(2.7 mm)，隨后降雨強度開始減弱，在當天21時55分降雨結束，各間伐區(qū)產(chǎn)流結束時間均延遲5 min

圖7 129.5 mm降雨時穿透雨產(chǎn)生進程

總體上看，林內(nèi)穿透雨產(chǎn)流起始時間與瞬時降雨強度關系密切，5 min內(nèi)降雨強度大于1.3 mm以上時，林內(nèi)穿透雨產(chǎn)流起始時間基本與林外相等，降雨強度低于0.4 mm以下時，林內(nèi)穿透雨產(chǎn)流起始時間在5～30 min，不同間伐強度下降雨峰值都有所降低并且延遲5 min，降雨結束時的雨強越大，各間伐強度區(qū)穿透雨產(chǎn)流結束時間延遲越長；降雨結束時雨強越小、時間越長穿透雨產(chǎn)流結束時間延遲越短。起始降雨強度越弱，林內(nèi)穿透雨產(chǎn)流時間越慢，各間伐區(qū)產(chǎn)流最早的是對照區(qū)，這是因為相對較密的林冠層在低強度降雨條件下能充分截留大部分降雨，使林冠層提前進入飽和狀態(tài)，從而造成林分產(chǎn)流時間提前。相對于林外降雨，各間伐區(qū)都能降低達到峰值時降雨量，峰值時的穿透雨量與前期降雨強度、降雨時長密切相關，前期降雨強度大則各間伐強度區(qū)穿透雨量與間伐強度成正比，前期降雨強度越弱、降雨時間越長則穿透雨量與間伐強度成反比。

4 結論

穿透雨主要受降雨量、觀測點與樹干之間的距離以及林冠密度等影響。紅松人工林穿透雨率隨間伐強度增加而顯著增加(P<0.05)。不同間伐強度紅松人工林穿透雨量隨降雨量增大而增大，當降雨量等級大于大暴雨級別時，中度區(qū)及極強區(qū)林冠截留降雨的能力達到了飽和狀態(tài)，林冠截留能力減弱。

穿透雨產(chǎn)流的起始時間與降雨等級無關，與起始降雨強度有關，起始降雨強度越強，林內(nèi)穿透雨產(chǎn)流時間越早，各間伐區(qū)起始產(chǎn)流強度與間伐強度成正比，即間伐強度越大，穿透雨強度越大。不同間伐強度均能減少降雨過程中的峰值，并延遲5 min。降雨結束時，雨強越大，各間伐強度區(qū)穿透雨產(chǎn)流結束時間延遲越長；降雨結束時雨強越小、時間越長穿透雨產(chǎn)流結束時間延遲越短。