三峽庫(kù)區(qū)馬尾松林穿透雨和樹(shù)干莖流空間變異特征*

袁秀錦 肖文發(fā) 雷靜品 潘 磊 王曉榮1, 崔鴻俠 胡文杰

(1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所 國(guó)家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100091； 2. 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心 南京 210037； 3. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所 國(guó)家林業(yè)和草原局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100091; 4. 湖北省林業(yè)科學(xué)研究院 武漢 430075)

森林水文過(guò)程是指森林生態(tài)系統(tǒng)中水分受森林的影響而表現(xiàn)出來(lái)的在生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)功能層次的水分分配和運(yùn)動(dòng)過(guò)程，包括降雨、降雨截持、干流、蒸散和地表徑流等(高甲榮等, 2001)。穿透雨和樹(shù)干莖流不僅對(duì)土壤水文和生物地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生重要影響(Mcclainetal., 2003)，而且對(duì)植物水分利用、養(yǎng)分含量和循環(huán)具有重要作用(Bouilletetal., 2002； O’Gradyetal., 2005； Zimmermannetal., 2007)，此外，穿透雨和樹(shù)干莖流的空間異質(zhì)性影響冠層截留的評(píng)估(Shinoharaetal., 2010)?？傊┩赣旰蜆?shù)干莖流是森林水文和生物化學(xué)循環(huán)重要的控制因素(Leviaetal., 2011； Coendersgerritsetal., 2013)。

森林結(jié)構(gòu)(林分密度、冠層蓋度、胸高斷面積等)及氣象因子(風(fēng)向、降雨強(qiáng)度、水分蒸發(fā)等)差異造成穿透雨和樹(shù)干莖流空間變異(Nankoetal., 2011; Sunetal., 2016; 2017; Wullaertetal., 2009; Leviaetal., 2017; Fanetal., 2015; Hondaetal., 2015)，這對(duì)于樹(shù)冠截留的準(zhǔn)確評(píng)估帶來(lái)困難，因此關(guān)于穿透雨和樹(shù)干莖流空間異質(zhì)性及其影響因子研究對(duì)于研究森林水文過(guò)程及森林生態(tài)水量平衡具有重要作用。國(guó)內(nèi)外關(guān)于穿透雨和樹(shù)干莖流特征及其影響因子已做了大量研究(時(shí)忠杰等, 2009; Zhangetal., 2015)，穿透雨和樹(shù)干莖流的時(shí)空變化及其影響因子也有不少研究(Fangetal., 2016; Fanetal., 2015)，如盛后財(cái)?shù)?2016)研究認(rèn)為離樹(shù)干的距離對(duì)穿透雨的空間分布影響最大，時(shí)忠杰等(2009)研究認(rèn)為葉面積指數(shù)是穿透雨空間分布的最重要影響因子，Dietz等(2006)研究認(rèn)為穿透雨與胸徑、樹(shù)高和冠幅顯著相關(guān)，Honda等(2015)研究得出大樹(shù)、多年生葉、單軸生長(zhǎng)樹(shù)木產(chǎn)生較多的樹(shù)干莖流量，曹云等(2006)研究認(rèn)為樹(shù)干莖流量與胸徑和冠幅顯著正相關(guān)(P<0.05)。

馬尾松(Pinusmassoniana)為我國(guó)南方山地主要速生針葉樹(shù)種，其人工林面積為135.79萬(wàn)hm2，占三峽庫(kù)區(qū)主要森林面積的37.1%(雷靜品, 2009)，是三峽庫(kù)區(qū)非常重要的防護(hù)林類型之一，其對(duì)三峽庫(kù)區(qū)的水分循環(huán)過(guò)程，特別是在凈化水質(zhì)、防洪、防止土壤侵蝕和涵養(yǎng)水源方面發(fā)揮著重大作用(張卓文等, 2006)。目前關(guān)于馬尾松林的冠層截留特征(張卓文等, 2006; 王鳴遠(yuǎn)等, 1995)及降雨再分配已有不少研究(張捷等, 2014; 曹云等, 2006)，但尚未有研究涉及馬尾松樹(shù)干莖流和穿透雨的空間變異特征及其影響因子，以及如何確定馬尾松林下穿透雨收集器數(shù)量。因此，本研究以三峽庫(kù)區(qū)馬尾松人工林為研究對(duì)象，探討馬尾松人工林穿透雨和樹(shù)干莖流的空間分布特征及其影響因素，探討合理的穿透雨收集器數(shù)量，以期為準(zhǔn)確量化馬尾松林下降水分配過(guò)程及水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地區(qū)位于湖北省秭歸縣(110°00′14″—111°18′41″E，30°38′14″—31°11′31″N)，海拔40～2 057 m，年均氣溫16.9 ℃，年降水量1 000～1 250 mm，多集中在4—9月份，屬于亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候。九嶺頭林場(chǎng)屬于大巴山山系荊山余脈，位于山脈西坡，山脈南北走向，平均坡度31°，土壤類型主要為黃壤和黃棕壤，樣地森林類型主要是20世紀(jì)70年代馬尾松飛播林，樣地內(nèi)林木分布均勻，馬尾松為主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，并伴有少數(shù)的光皮樺(Betulaluminifera)、香椿(Toonasinensis)和漆樹(shù)(Toxicodendronvernicifluum)等，林下灌木主要有宜昌莢蒾(Viburnumerosum)、高粱泡(Rubuslambertianus)和木姜子(Litseapungens)等，林下草本植物主要有珠芽狗脊(Woodwardiaprolifera)、紫花堇菜(Violagrypoceras)和雞矢藤(Paederiascandens)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

本研究于2017年5月初在秭歸縣九嶺頭林場(chǎng)設(shè)置1塊50 m×50 m 的47年生馬尾松人工林標(biāo)準(zhǔn)地，為方便確定集水槽的安裝位置和選擇標(biāo)準(zhǔn)木，將標(biāo)準(zhǔn)地劃分成25塊10 m×10 m樣地，進(jìn)行林分特征調(diào)查，包括胸徑、樹(shù)高和枝下高，胸徑大于5 cm的樹(shù)木密度為1 244株·hm-2，胸徑大于5 cm樹(shù)木的平均胸徑為17.6 cm，平均樹(shù)高為13.1 m，平均枝下高為7.0 m。

2.2 林外降雨的測(cè)定

2017年5月初，在標(biāo)準(zhǔn)地外150 m左右的開(kāi)闊地安置1臺(tái)翻斗式雨量計(jì)，記錄林外降雨和降雨強(qiáng)度，每5 min記錄1次，測(cè)定日期為2017年6—10月。

2.3 穿透雨及其空間分布觀測(cè)

為準(zhǔn)確反映林內(nèi)穿透雨的空間分布特征，在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)以“米”字形布設(shè)自制集水槽16個(gè)，于2017年6—10月收集穿透雨。集水槽的橫斷面積為3 000 cm2(長(zhǎng)200 cm，寬15 cm)，集水槽向一端傾斜，水從低端流進(jìn)下方擺放的容積25 L的水壺中，為避免灌木的影響，集水槽的高度不低于50 cm，同時(shí)記錄集水槽距樹(shù)干最近的距離。

2.4 樹(shù)干莖流的測(cè)定

根據(jù)樣地調(diào)查的胸徑數(shù)據(jù)，按林木胸徑大小劃分徑級(jí)，以4 cm為徑級(jí)，即4～8，8～12，……，36～40 cm共9個(gè)徑級(jí)，每個(gè)徑級(jí)選取標(biāo)準(zhǔn)木2～3株；為研究馬尾松樹(shù)干莖流的空間變異特征，在每塊樣地內(nèi)選取1～2株馬尾松標(biāo)準(zhǔn)木，共選擇馬尾松標(biāo)準(zhǔn)木27株。將剖開(kāi)的聚乙烯塑料管纏繞樹(shù)干1～2周，用釘子釘實(shí)，并用玻璃膠填充空隙處，下部用容器收集樹(shù)干莖流液。林分尺度樹(shù)干莖流量計(jì)算方法如下(Hanchietal.， 1997)：

式中：Fs為林分尺度上樹(shù)干莖流量(mm)；n為徑級(jí)數(shù)，Si為每個(gè)徑級(jí)的平均樹(shù)干莖流量(mL)；mi為每個(gè)徑級(jí)所包含的樹(shù)木數(shù)量；A為樣地面積(m2)。

2.5 葉面積指數(shù)和冠層厚度測(cè)定

2017年7—9月生長(zhǎng)季，利用LAI-2200c冠層分析儀(LI-COR, 美國(guó))，用360°遮蓋帽，7°天頂角，每月中旬在集水槽中間測(cè)定正上方的葉面積指數(shù)(LAI)及空隙度，用1減空隙度計(jì)算得到冠層覆蓋度。利用VertexⅢ超聲波測(cè)高測(cè)距儀(Haglof, 瑞典)測(cè)定每個(gè)集水槽上方的冠層厚度。

2.6 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS17.0軟件進(jìn)行穿透雨、樹(shù)干莖流量與影響因子之間的相關(guān)分析。用R3.3.2軟件進(jìn)行Monte Carlo重抽樣模擬，具體步驟如下： 將2017年6—10月收集的29場(chǎng)降雨分為4個(gè)雨量級(jí)(0～10，10～20，20～40和>40 mm)，利用Monte Carlo 模擬重抽樣的方法(Rodrigoetal., 2001)，對(duì)集水槽(n=2～15)進(jìn)行不放回抽樣1 000次，計(jì)算不同組的n個(gè)雨量收集器的穿透雨平均值，作為Monte Carlo 模擬的初始值。利用得到的不同數(shù)量(n=2～15)集水槽的穿透雨平均值計(jì)算95%和90%2種置信區(qū)間值。根據(jù)一定置信區(qū)間下穿透雨量平均值隨雨量收集器數(shù)量的變化，確定一定誤差水平下每個(gè)降雨量級(jí)所需的雨量收集器最少數(shù)量。利用SigmaPlot 12.5軟件繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究期間的降雨特征

研究期間(2017年6—10月)共觀測(cè)有效降雨29場(chǎng)，累積降雨量1 008.4 mm，平均單次降雨量為34.8 mm，變異系數(shù)100.0%。平均次降雨歷時(shí)15.8 h，變異系數(shù)為74.7%，最長(zhǎng)的為37.2 h，最短的為0.6 h，降雨歷時(shí)0～10 h的占41.4%，其中2.1～5 h最少，僅占6.9%。研究期間的平均降雨強(qiáng)度為3.7 mm·h-1，最小的為0.9 mm·h-1，最大的為19.1 mm·h-1，變異系數(shù)為119.4%，2.1～3.0 mm·h-1雨強(qiáng)的降雨量最多，降雨量為193.8 mm。從雨量級(jí)來(lái)看，大于40 mm的占34.5%，研究區(qū)域內(nèi)大降雨事件比較頻繁(圖1)。

圖1 2017年6—10月馬尾松林降雨特征Fig.1 Rainfall characteristics of Pinus massoniana plantation from June to October, 2017

3.2 林下穿透雨和樹(shù)干莖流特征

29場(chǎng)降雨的16個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的穿透雨數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，林內(nèi)總穿透雨量為829.8 mm，占總降雨量的82.3%，平均單場(chǎng)穿透雨量28.6 mm。受降雨特征影響，當(dāng)林外降雨量小于30 mm時(shí)，穿透雨率隨著降雨量增加而增加，當(dāng)次降雨量大于30 mm時(shí)，次穿透雨率沒(méi)有表現(xiàn)出明顯增加而在90%左右趨于穩(wěn)定(圖2)。對(duì)次穿透雨率和次降雨量的關(guān)系進(jìn)行擬合，兩者用“S”曲線擬合的效果較好，F(xiàn)T(%)=EXP(4.501-3.975/FR),R2=0.807，P<0.01，F(xiàn)T為穿透雨率，F(xiàn)R為林外降雨量，n=29。

研究期間共收集到樹(shù)干莖流量14.4 mm，僅占林外降雨量的1.4%。樹(shù)干莖流量隨著降雨量的增加而增加，兩者呈現(xiàn)顯著的線性關(guān)系(P<0.01)； 樹(shù)干莖流率隨著林外降雨量的增加先快速增加，當(dāng)林外降雨量大于40 mm時(shí)，樹(shù)干莖流率的變化范圍為1.3%～2.4%(圖2)。

圖2 馬尾松林穿透雨和樹(shù)干莖流特征隨單次降雨量的變化Fig.2 Characteristics of throughfall and stemflow in Pinus massoniana plantation with the depth of individual rainfall events

3.3 穿透雨量空間變異特征及其影響因子分析

由29場(chǎng)不同的林外降雨量與馬尾松人工林下穿透雨量的空間變異系數(shù)CV(n=16)繪制散點(diǎn)圖(圖3)，當(dāng)林外單次降雨量小于5 mm時(shí)，穿透雨量的空間變異系數(shù)最大，而后急劇下降； 大于20 mm時(shí)，穿透雨量空間變異系數(shù)值穩(wěn)定在12.0%左右。林外降雨量與林內(nèi)穿透雨量空間變異系數(shù)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，兩者用倒數(shù)函數(shù)擬合效果較好(CV=7.657+FR/157.424,R2=0.878,P<0.01, CV為變異系數(shù),n=29)。

圖3 馬尾松林穿透雨變異系數(shù)隨單次降雨量的變化Fig.3 Coefficient of variation of throughfallin Pinusmassoniana plantation with the depth of individual rainfall events

由于16個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的環(huán)境因子(降雨特征、氣溫、空氣相對(duì)濕度等)基本一致，因此冠層結(jié)構(gòu)是影響穿透雨量空間變異的重要因素。本研究選取葉面積指數(shù)(LAI)、冠層覆蓋度(CC)、測(cè)點(diǎn)上方冠層厚度(CT)和測(cè)點(diǎn)離樹(shù)干距離(D)4個(gè)樹(shù)木特征因子，進(jìn)行穿透雨量影響因子研究。16個(gè)測(cè)點(diǎn)29場(chǎng)穿透雨量平均值與樹(shù)木特征因子(LAI、CT、D和CC)進(jìn)行相關(guān)分析和回歸分析，結(jié)果表明穿透雨量與LAI、CC、和CT呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與D呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，其中以LAI用二次函數(shù)擬合效果最好(FT=29.637-0.446LAI-0.093LAI2,R2=0.554,P<0.01,n=16)，CC用倒數(shù)函數(shù)擬合效果較好(FT=18.751+4.745/CC,R2=0.554,P<0.01,CC為冠層覆蓋度，n=16)(圖4)。

冠層特征對(duì)穿透雨量的影響因林外降雨量的大小而不同。將林外降雨劃分為4個(gè)雨量級(jí)，即0～10，10～20，20～40和>40 mm，將穿透雨量與林外降雨量進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，在雨量級(jí)0～10 mm內(nèi)，LAI對(duì)穿透雨量的影響最大，兩者顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)； 在10～20和20～40 mm雨量級(jí)內(nèi)，都以CC影響最大，除D外，其他冠層結(jié)構(gòu)因子與穿透雨量均顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)； 當(dāng)降雨量大于40 mm時(shí)，以D影響最大，與穿透雨量顯著正相關(guān)(P<0.05)，而LAI、CT與穿透雨量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)(表1)。

3.4 樹(shù)干莖流量變異特征及影響因子分析

27株不同徑級(jí)馬尾松標(biāo)準(zhǔn)木樹(shù)干莖流量空間變異系數(shù)為50.6%～96.2%，其與林外降雨量密切相關(guān)，在降雨量小于20 mm時(shí)，隨著降雨量的增加顯著降低，最后穩(wěn)定在60.0%左右，高于馬尾松林下穿透雨的變異系數(shù)(圖5)。

為研究樹(shù)干徑流量產(chǎn)生空間變異的原因，對(duì)27株馬尾松林的單次降雨量下的樹(shù)干莖流量與對(duì)應(yīng)胸徑、冠幅進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明胸徑(R2=0.877,P<0.01)和冠幅面積(R2=0.461,P<0.01)與樹(shù)干莖流量顯著正相關(guān)，以胸徑與樹(shù)干莖流量的擬合效果較好(圖6)。

3.5 雨量收集器數(shù)量分析

為了確定穿透雨收集器數(shù)量，用Monte Carlo 模擬穿透雨平均值隨降雨量收集器數(shù)量的變化(圖7)。不同雨量級(jí)在相同置信區(qū)間達(dá)到相同的誤差水平，所用集水槽數(shù)量不同。隨著雨量級(jí)增大，用較少雨量收集器就可以達(dá)到相同的誤差水平，當(dāng)雨量級(jí)在0～10 mm時(shí)，所用集水槽數(shù)量最多，即95%置信區(qū)間下，5%誤差范圍內(nèi)所需最少的集水槽數(shù)量為13個(gè)，10%誤差范圍內(nèi)所需最少集水槽數(shù)量為7個(gè)； 雨量級(jí)在大于40 mm時(shí)，達(dá)到相同誤差水平所用集水槽數(shù)量最少，即95%置信區(qū)間下，在5%和10%誤差范圍內(nèi)，所需最少的集水槽數(shù)量分別為6和2個(gè)。

圖4 馬尾松林平均穿透雨量隨著葉面積指數(shù)、冠層厚度、離樹(shù)干距離和冠層覆蓋度的變化Fig.4 Variation of the mean throughfall in Pinus massoniana plantation with the above leaf area index, canopy thickness, the distance to nearest stem and canopy coverage

表1 不同雨量級(jí)下馬尾松林穿透雨量與葉面積指數(shù)、冠層厚度、離樹(shù)干距離和冠層覆蓋度的相關(guān)性①Tab.1 Correlation of throughfall in Pinus massoniana forest with leaf area index, the distance to the nearest stem， canopy thickness, and canopy coverage under different rainfall ranges

①*：P<0.05；**：P<0.01

圖5 馬尾松林樹(shù)干莖流量變異系數(shù)隨單次降雨量的變化Fig.5 Coefficient of variation of stemflow in Pinus massoniana forest with the depth of individual rainfall events

用Monte Carlo 模擬重抽樣計(jì)算集水槽數(shù)量所對(duì)應(yīng)的穿透雨量空間變異系數(shù)(圖8)，當(dāng)集水槽數(shù)量小于11時(shí)，穿透雨量空間變異系數(shù)隨著集水槽數(shù)量增加呈現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)，集水槽數(shù)量大于11時(shí)，穿透雨量的變異系數(shù)基本趨于穩(wěn)定，這說(shuō)明為準(zhǔn)確測(cè)量穿透雨值，集水槽的數(shù)量不能低于11個(gè)。在0～10和10～20 mm降雨量級(jí)，16個(gè)集水槽穿透雨量的空間變異系數(shù)穩(wěn)定值在3%左右，在20～40和>40 mm降雨量級(jí)，穿透雨量空間變異系數(shù)穩(wěn)定在1.0%左右。

圖6 馬尾松林單株樹(shù)干莖流量隨著胸徑和冠幅面積的變化Fig.6 Variation of the stemflow in Pinus massoniana plantation with DBH and crown area

圖7 Monte Carlo 模擬穿透雨平均值和置信區(qū)間隨降雨量收集器數(shù)量的變化Fig.7 Variation of the mean value and confidence intervals of throughfall with collector number based on Monte Carlo sampling

4 討論

4.1 穿透雨量空間變異特征

根據(jù)29場(chǎng)16個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的穿透雨數(shù)據(jù)分析，林內(nèi)穿透雨量共829.8 mm，占總降雨量的82.3%，比張捷等(2014)研究的18年生(76.5%)和32年生(77.5%)馬尾松林穿透雨率要高，和潘磊等(2011)研究的中齡林(80.4%)和莫江明等(2002)研究的平均年齡30年(82.7%)的馬尾松林穿透雨率大致相同，比凱旋(2016)研究的50～60年(87.4%)馬尾松穿透雨率要低，這可能與各個(gè)研究對(duì)象的林齡有關(guān)。林齡較小的馬尾松，樹(shù)冠一般成塔形，樹(shù)冠層較厚(王鳴遠(yuǎn)等, 1995)，降雨多被林冠截留，穿透雨量較小，隨著林齡的增長(zhǎng)和森林的生長(zhǎng)，出現(xiàn)自然稀疏現(xiàn)象(陳大珂等, 1993)，密度減小，穿透雨量增加。

圖8 Monte Carlo 模擬不同降雨條件下穿透雨量的變異系數(shù)與集水槽數(shù)量之間的關(guān)系Fig.8 Relationship between the coefficients of variation in throughfall by Monte Carlo sampling and collector number with different gross rainfall amounts

林內(nèi)穿透雨量空間變異系數(shù)與降雨量存在顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，這與劉澤彬等(2017)、盛后財(cái)?shù)?2016)和石磊等(2017)研究結(jié)果一致。當(dāng)林外次降雨量<5 mm時(shí)，穿透雨量的空間變異系數(shù)最大，而后急劇下降，>20 mm時(shí)，穿透雨量空間變異系數(shù)基本趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值約為12.0%，比Fan等(2015)研究的加勒比松(Pinuscaribaea)和濕地松(Pinuselliotti)混交林(穿透雨量空間變異系數(shù)為16.5%)和戰(zhàn)偉慶等(2006)研究的華北油松(Pinustabulaeformis)林(穿透雨量空間變異系數(shù)為17%.0～19.0%)要小。有研究表明： 穿透雨量空間變異系數(shù)與冠層結(jié)構(gòu)空間異質(zhì)性和雨量收集器截面大小有關(guān)(Staelensetal., 2006)，本研究得出穿透雨量空間變異系數(shù)較小可能與本研究使用的穿透雨收集器面積(3 000 cm2)均大于上述研究(117.0 和706.5 cm2)有關(guān)。

對(duì)冠層結(jié)構(gòu)(D、CT、LAI和CC)與穿透雨量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明穿透雨量與LAI、CT和CC呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與D呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究結(jié)果一致(盛后財(cái)?shù)? 2016; 王鳴遠(yuǎn)等, 1995; Deguchietal., 2006; Llorensetal., 2007)，但是Aisah等(2012)研究表明穿透雨量與冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)(H、DHB、CT)不相關(guān)，歸因于樹(shù)比較小，導(dǎo)致氣象因子影響最大，F(xiàn)an等(2015)則得出與本研究相反的結(jié)論，即加勒比松和濕地松混交林的穿透雨量與CC、LAI正相關(guān)，也是氣象因子作用較大的原因。

很多研究表明，采樣方法和收集器的數(shù)量對(duì)于穿透雨準(zhǔn)確測(cè)量至關(guān)重要(Thimonieretal., 1998; CarlyleMosesetal., 2004)。有些學(xué)者根據(jù)理論預(yù)測(cè)和試驗(yàn)驗(yàn)證做出假設(shè)(Holwerdaetal., 2006; Zimmermannetal., 2010)，即收集器的孔徑越大，所攔截的冠層面積越大，收集的穿透雨越有代表性，因此本次研究選用較大面積收集器，為以后采用較少的收集器準(zhǔn)確測(cè)量穿透雨值提供依據(jù)。有研究表明： 所需穿透雨收集器數(shù)量的差異主要取決于森林類型。如Rodrigo等(2001)研究表明冬青櫟(Quercusilex)在95%置信區(qū)間下要滿足5%的誤差要求時(shí)需22個(gè)以上的收集器。也有研究學(xué)者提出穿透雨收集器數(shù)量選擇必須考慮降雨模式(Rodrigoetal., 2001)。例如Price等(2003)得出降雨量<2 mm相比降雨量>4 mm所需更多的收集器，本研究得出一致的結(jié)論，在相同的置信區(qū)間和誤差水平，小降雨事件相比大降雨事件需要更多數(shù)量集水槽。為了對(duì)每場(chǎng)雨都能夠準(zhǔn)確測(cè)量，需要以最小降雨量為準(zhǔn)，在95%或90%的置信區(qū)間下，若將測(cè)定的穿透雨數(shù)值控制在10%誤差范圍內(nèi)，在50 m×50 m樣地內(nèi)至少需布設(shè)7個(gè)或6個(gè)3 000 cm2的收集器； 若將穿透雨數(shù)值控制在5%誤差范圍內(nèi)，至少需布設(shè)13個(gè)或11個(gè)這樣的收集器。由Monte Carlo 模擬重抽樣計(jì)算集水槽數(shù)量所對(duì)應(yīng)的穿透雨量空間變異系數(shù)，當(dāng)集水槽的數(shù)量大于11個(gè)時(shí)，穿透雨的變異系數(shù)基本穩(wěn)定。

4.2 樹(shù)干莖流量空間變異特征

研究期間馬尾松林的樹(shù)干莖流量占林外降雨量的1.4%，比崔鴻俠等(2012)和潘磊等(2011)研究得出的馬尾松林樹(shù)干莖流率(0.6%、0.5%)要大，比曹云等(2006)得出的馬尾松樹(shù)干莖流率(2.4%)要小，這種差異可能與研究的樹(shù)木大小和所收集雨水類型有關(guān)。林分尺度上樹(shù)干莖流率是比較小的，由于莖流量只集中在樹(shù)干周圍的一個(gè)較小的區(qū)域而不是整個(gè)林分尺度上，這有可能低估單位面積實(shí)際樹(shù)干莖流量的輸入。樹(shù)干莖流量空間變異系數(shù)穩(wěn)定在60.0%左右，比Fan等(2015)研究得出的加勒比松和濕地松混交林樹(shù)干莖流量空間變異系數(shù)穩(wěn)定值(18.0%)要大，可能因?yàn)楸狙芯繕拥貎?nèi)胸徑差異大有關(guān)。單株樹(shù)木之間的樹(shù)干莖流量是不同的，冠層大小和樹(shù)木的特征是樹(shù)干莖流量空間變異的主要原因。本研究得出樹(shù)干莖流量隨著胸徑和冠幅面積的增加而增加，與曹云等(2006)和Fan等(2015)的研究結(jié)果一致。樹(shù)干莖流量產(chǎn)生的差異可能與分支角(Fordetal., 1978)、樹(shù)大小(Leviaetal., 2010)和葉生物量(Levia etal., 2015)等有關(guān)，在以后的研究中需要選取更多的結(jié)構(gòu)參數(shù)討論樹(shù)干莖流量產(chǎn)生差異的原因。

5 結(jié)論

1) 隨降雨量增加，穿透雨率先顯著增加(P<0.05)后趨于穩(wěn)定，且變異程度逐漸減小。穿透雨率和降雨量的關(guān)系用“S”函數(shù)擬合效果較好。

2) 各冠層結(jié)構(gòu)(LAI、CT、D、CC)對(duì)林下穿透雨空間分布的影響因降雨量大小而變。當(dāng)降雨量在0～10 mm時(shí)，LAI對(duì)林內(nèi)穿透雨量影響最大，當(dāng)降雨量在10～20和20～40 mm時(shí)，CC對(duì)林內(nèi)穿透雨量影響最大，大于40 mm時(shí)，D對(duì)林內(nèi)穿透雨量影響最大。

3) 在相同的誤差范圍內(nèi)，隨著降雨量增加，所用的集水槽數(shù)量逐漸減少。在本研究的馬尾松林分內(nèi)，要精準(zhǔn)測(cè)量每一場(chǎng)降雨的穿透雨量，需以雨量級(jí)0～10 mm時(shí)的情況為基準(zhǔn)確定所需的雨量收集器數(shù)量。在95%或90%的置信區(qū)間下，若將測(cè)定的穿透雨數(shù)值控制在10%誤差范圍內(nèi)，在50 m×50 m樣地內(nèi)至少需布設(shè)7或6個(gè)本研究所用大小的收集器； 若將穿透雨數(shù)測(cè)定值控制在5%誤差范圍內(nèi)，至少需布設(shè)13或11個(gè)這樣的收集器。由Monte Carlo 模擬重抽樣計(jì)算集水槽數(shù)量所對(duì)應(yīng)的穿透雨量空間變異系數(shù)，當(dāng)集水槽的數(shù)量大于11個(gè)時(shí)，穿透雨量空間變異系數(shù)基本穩(wěn)定。

4) 馬尾松樹(shù)干莖流量和樹(shù)干莖流率與林外降雨量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，樹(shù)干莖流量空間變異系數(shù)與林外降雨量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，馬尾松林樹(shù)干莖流量空間變異與冠幅面積和胸徑有關(guān)，樹(shù)干莖流量隨著冠幅面積、胸徑增加而增加，呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。