蘇南丘陵區(qū)毛竹林林冠水文特征

杜 妍, 莊家堯，周 勇

(南京林業(yè)大學(xué) 水土保持與生態(tài)修復(fù)實驗室, 南京 210037)

降雨和降雨再分配過程是森林生態(tài)系統(tǒng)水分補(bǔ)給的重要過程，維持著森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，可直接作用于物質(zhì)循環(huán)和水文資源的利用，其中林分冠層的降水再分配功能在水文生態(tài)功能中占據(jù)著重要的地位[1]。森林次降雨即森林通過林冠層截留和再分配來調(diào)節(jié)大氣降水，也稱為第二次降雨[2]。穿透雨、樹干徑流和林冠截留由降雨通過林冠層重新分配得到，穿透雨所占比例最大，樹干徑流最小[3]。降雨再分配的過程較為復(fù)雜，受氣象因子等環(huán)境因素和林冠特征的多重影響[4]，深入分析有助于了解生態(tài)水文循環(huán)、森林涵養(yǎng)水源和防治水土流失等方面生態(tài)水文過程[5]。國內(nèi)外學(xué)者通過對林冠水文過程研究，取得了許多重要成果，孫忠林等[6]通過對比分析蒙古櫟林和雜木林林冠水文過程，發(fā)現(xiàn)降雨再分配過程因降雨特征和林冠特征不同而存在差異。石磊等[7]通過長期定位監(jiān)測探究大興安嶺落葉松林對降雨的截留再分配的分布規(guī)律，結(jié)果表明降雨再分配的水文分量為穿透雨最多，林冠截留量次之，樹干徑流量最少。趙明楊[8]通過“林分自創(chuàng)性”假說和實際觀測變量建立了可在黃土高原地區(qū)森林水文效應(yīng)分析中使用的BF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，模擬預(yù)測結(jié)果較好。蘇南丘陵區(qū)人口眾多，水資源需求較大，毛竹是該區(qū)典型樹種之一，在涵養(yǎng)水源、維護(hù)生態(tài)平衡及全球碳平衡等方面竹林發(fā)揮著不可取代的作用[9]。毛竹(Phyllostachyedulis)林分布面積約占全國竹林總面積的60%[10]，是國內(nèi)分布面積最廣的竹種，毛竹具有生長迅速、用途廣、生物量大等特點[11],是集生態(tài)、社會、經(jīng)濟(jì)價值于一體的優(yōu)良樹種[12]。雖然目前很多研究涉及到毛竹林林冠水文效應(yīng)，但是關(guān)于林冠對降雨再分配在不同雨量級和雨量強(qiáng)度下的變化及毛竹林冠截留影響因子缺少深入探討。因此，本文通過長期定位觀測蘇南丘陵區(qū)毛竹林林冠水文過程，分析毛竹林林冠下降雨再分配過程，以期深入研究蘇南丘陵區(qū)毛竹林生態(tài)水文規(guī)律，為毛竹林的集約化管理及降雨分配對林下更新的影響和森林資源的保護(hù)提供科學(xué)合理的理論基礎(chǔ)。

1 試驗區(qū)概況

研究區(qū)位于南京市東善橋林場銅山分場，地形為蘇南丘陵，緯度是1°35′—31°39′N，118°50′—118°52′E。土壤類型為黃棕壤，研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，區(qū)內(nèi)氣候溫暖濕潤，四季分明，水熱資源比較豐富，生長季長，降水豐沛。林分類型以馬尾松(Pinusmassoniana)，麻櫟(Quercusacutissima)，杉木(Cunninghamialanceolata)，毛竹(Phyllostachyedulis)林為主，均為蘇南丘陵區(qū)典型林分。海拔在38～388 m，年平均降水量1 100 mm，無霜期229 d，年平均氣溫15.1 ℃，年日照時數(shù)2 199 h。毛竹林平均林齡1～5 a，郁閉度0.89，密度2 025株/hm2,平均樹高10.8 m，平均胸徑8.3 cm，平均冠幅2.7 m，坡度17°，坡向NE，土壤pH介于4.21～5.12。

2 材料與研究方法

為避免林冠、林緣對降雨量測定的影響，在樣地邊緣20 m處設(shè)置兩臺RG3-M翻斗式自記雨量計，每產(chǎn)生0.2 mm降雨記錄一次降雨數(shù)據(jù)，每5 min自動采集一次數(shù)據(jù)，通過兩臺數(shù)據(jù)平均進(jìn)行降雨量數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)，降雨歷時按降雨間隔八小時進(jìn)行劃分。每15 min測定一次空氣溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速(美國產(chǎn)Decagon小型自動氣象站)。測定葉面積指數(shù)用美國產(chǎn)LAI-2200植被冠層分析儀，選擇晴朗早晨或陰天進(jìn)行測量，相應(yīng)的樹冠進(jìn)行同一個方向的測量。選取毛竹林林分中生長條件較好的典型坡面進(jìn)行觀測，在400 m2(20 m×20 m)的樣地內(nèi)設(shè)置3個集水槽，通過集水槽來收集穿透雨，為了避免植被過高對穿透雨的影響，需要定期清理。

樹干徑流的收集采用自制器材，樹干徑流儀呈半圓形容器，制作材料為噴塑鐵皮，將冠層以下、根部以上樹干合圍，使用塑料水管將樹干徑流導(dǎo)入雙翻斗式雨量計(精度：0.5 mm)中，按照4 cm一個徑級來劃分，選取有代表性的樣木(共6株)安裝儀器進(jìn)行觀測，試驗數(shù)據(jù)剔除誤差較大的數(shù)據(jù)后平均，按林冠投影面積換算成單位面積來計算樹干徑流。在一次完整的林冠水文過程中，林冠截留量較分散、難以集中收集，本研究根據(jù)水量平衡原理[13]計算林冠截留量I(mm)：I=P-SF-TF，式中：P為降雨量(mm)；SF為樹干徑流量(mm)；TF為穿透雨量(mm)。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)降水特征

研究區(qū)2013年1月至2014年12月累計降雨2 419.1 mm，降雨天數(shù)為171。圖1為研究期間降雨分布特征，由圖可知，研究期內(nèi)最大月降雨量出現(xiàn)在2014年5月份，期間連續(xù)出現(xiàn)大雨或暴雨等極端天氣，使降雨量占比較大，降雨總量達(dá)到311.9 mm；期間最小降雨量在2014年8月份，僅為17.2 mm。由于研究區(qū)位于秦嶺淮河以南，梅雨期和臺風(fēng)雨期降水量較多，降雨主要集中在5到7月份，降雨總和超過全年降雨量的60%。

圖1 研究期內(nèi)降雨量分布

根據(jù)降雨量大小，將研究期間全年降雨分為8個降雨等級。各等級降雨分布情況見表1，其中降雨量≤10 mm的小雨事件，占總降雨天數(shù)的頻率較大，為61.99%。研究期間出現(xiàn)暴雨7次、大暴雨3次，分析降雨量可發(fā)現(xiàn)，降雨量≥50 mm的降雨事件占降雨天數(shù)最少，但是占總降雨量的比例最大，為39.31%，而小雨事件下的降雨量僅占總降雨量15.69%。

表1 降雨特征匯總表

3.2 降雨再分配的影響因子

在森林降雨過程中，氣象因素、環(huán)境因素隨降雨過程一同變化，由于環(huán)境因子的易變化性，在分析降雨再分配過程中主要關(guān)注林分自身特征及氣象因子，通過對降雨過程中穿透雨、樹干徑流和林冠截留與氣象因子的相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。降雨強(qiáng)度和降雨量為具有較強(qiáng)的相關(guān)性，是降雨再分配過程中的主導(dǎo)變化因子，樹干徑流、穿透雨和風(fēng)速相關(guān)性為極顯著，穿透雨、樹干徑流和林冠截留與風(fēng)向、空氣溫度、相對濕度相關(guān)性并不顯著。整體來說，降雨量、降雨強(qiáng)度和林冠水文過程的相關(guān)性高于風(fēng)速等因子，表明降雨特征是影響林冠水文過程的主要因子。

表2 穿透雨、樹干徑流、林冠截留與氣象因子Pearson相關(guān)系數(shù)

注：*.在0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**.在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3.3 穿透雨變化特征

將研究期間內(nèi)穿透雨、穿透雨率和林外降雨量進(jìn)行回歸分析(穿透雨量，穿透雨率，林外降雨量)，結(jié)果如圖2所示，由圖可知：毛竹林穿透雨和林外降雨呈顯著線性相關(guān)關(guān)系，雨量較小時，降雨幾乎全部被林冠截留，當(dāng)穿透雨為零時，X軸截距即為形成穿透雨的最小降雨量，此數(shù)值被王艷萍等[13]作為林冠部分的持水能力的定量結(jié)果，由擬合方程可得形成穿透雨的最小降雨量為0.38 mm，雨量較大時，穿透雨和林外降雨基本同時產(chǎn)生。

研究期間穿透雨率主要集中在0%～0.8%，毛竹林穿透雨率隨著林外降雨量的增加呈現(xiàn)增加趨勢，后期增加趨勢逐漸變緩。主要是因為由于林冠層截留了大部分降雨，到達(dá)地面的降水所占比例很小，隨著降雨量增大，穿透雨率到達(dá)一定的臨界值。

不同雨量級、雨強(qiáng)等級下穿透雨量、穿透雨率變化特征如圖3所示，由圖可知：毛竹林穿透雨量、穿透雨率在降雨量≤1 mm階段最小，其中最小穿透雨量為2.6 mm，最小穿透雨率為27.08%。在降雨量大的≥50 mm階段穿透雨量、穿透雨率最大，最大穿透雨量為573.4 mm，最大穿透雨率為60.29%。

雨量級較大時毛竹林穿透雨量也隨之增多。分析其原因，當(dāng)降雨量較大時，超過了林冠層的承載能力，大量降雨直接落到地面。穿透雨和穿透率隨著降雨量和雨量級的增加而增大，最后趨于穩(wěn)定。毛竹林的穿透雨率隨降雨強(qiáng)度等級的增大而增大，且增加趨勢逐漸變緩。研究期內(nèi)在≤0.3 mm/h階段，毛竹林的穿透雨量和穿透雨率均處于最低水平，最小穿透雨量為26.6 mm，穿透雨率為42.63%。相對而言，在≥2 mm/h階段，毛竹林林分的穿透雨量最大，為608.2 mm，穿透雨率為58.87%。

圖2 穿透雨、穿透雨率與降雨量的關(guān)系

圖3 不同降雨等級、降雨強(qiáng)度的穿透雨和穿透雨率

3.4 樹干徑流變化特征

樹干徑流占總降雨量比重較小，卻是林分養(yǎng)分傳輸、供給過程的重要途徑，對森林水文功能及養(yǎng)分循環(huán)過程起著積極作用。研究期內(nèi)，毛竹林樹干徑流量為148.45 mm，樹干徑流率為6.14%。將研究期間內(nèi)樹干徑流量和林外降雨量進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)兩者間存在較好的線性關(guān)系，即隨著林外降雨量級大時樹干徑流量隨之增大，擬合線性方程為：y=0.0676x-0.0878，R2=0.9133(x為林外降雨量；y為樹干徑流量)。方程里X軸的截距為1.30 mm，此值即為產(chǎn)生樹干徑流的最小降雨量(圖4)。

圖4 樹干徑流量與降雨量的關(guān)系

由于樹干徑流率和降雨量的規(guī)律不顯著，本文重點分析不同雨量級、雨強(qiáng)下樹干徑流量、樹干徑流率的關(guān)系，結(jié)果如圖5所示，在降雨量≥50 mm階段，樹干徑流量和樹干徑流率達(dá)到最大值，為63.39 mm，樹干徑流率為6.67%；≤1 mm階段，最小樹干徑流量和樹干徑流率分別為0.12 mm和1.27%。隨著降雨等級的增大，毛竹林的樹干徑流率呈現(xiàn)上升趨勢，樹干徑流增長速率隨著變快，在15～25 mm階段，由于毛竹林胸徑較小，增長速度趨于穩(wěn)定。毛竹林樹干徑流率隨降雨強(qiáng)度的增大而增大。研究期內(nèi)毛竹林在0.3～0.5 mm/h階段，樹干徑流量和樹干徑流率處于最低水平，為2.83 mm，樹干徑流率是3.27%。在≥50 mm/h階段，樹干徑流量和樹干徑流率最高，為70.58 mm，樹干徑流率是6.83%。這是由于毛竹樹干較光滑，產(chǎn)生徑流的摩擦力較小驅(qū)動力較大，容易形成樹干徑流。

3.5 林冠截留變化特征

將研究期間內(nèi)林冠截留量和林外降雨量進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖6所示，由圖可知：隨著林外降雨量的增加林冠截留也隨之增加，毛竹林林冠截留量占降雨總量為23.02%，分析原因為毛竹樹干光滑，樹皮不易吸附，產(chǎn)生的阻擋較小，所以容易產(chǎn)生較高的樹干徑流率。林冠截留率隨著降雨量的增加而減小，到達(dá)某一臨界值趨于平緩，采用指數(shù)函數(shù)擬合降雨量與林冠截留率的關(guān)系。

圖5 不同降雨等級、降雨強(qiáng)度的樹干徑流和樹干徑流率

圖6 林冠截留量、林冠截留率與降雨量的關(guān)系

如圖7所示，研究期內(nèi)毛竹林在≤1 mm階段最小，最小林冠截留為6.9 mm，最大林冠截留率為71.64%。

林冠截留量在≥50 mm階段最大，為314.2 mm，對應(yīng)林冠截留率為33.04%。林冠截留量隨著降雨強(qiáng)度等級的增加呈現(xiàn)減小趨勢，在降雨強(qiáng)度最大的等級≥2 mm/h階段林冠截留量最大，最大截留量為349.8 mm，占此強(qiáng)度等級下降雨量的33.85%。

圖7 不同降雨等級、降雨強(qiáng)度的林冠截留量和林冠截留率

3.6 林冠截留的影響因子

林冠截留過程中環(huán)境因子、氣象因子隨降雨特征時刻變化，變化過程較為復(fù)雜，其中林冠結(jié)構(gòu)主要有冠層面積特征、葉片特征、枝葉角度等，將林冠截留量和葉面積指數(shù)進(jìn)行曲線方程擬合，結(jié)果如圖8所示，林冠截留量隨著葉面積指數(shù)呈現(xiàn)線性增加趨勢，相反的，由于研究期內(nèi)葉面積指數(shù)較大的月份，對應(yīng)的降雨量強(qiáng)度較高，出現(xiàn)林冠截留率隨葉面積指數(shù)增加而降低的現(xiàn)象。

對毛竹林林冠截留與各個氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，降雨量、相對濕度和降雨強(qiáng)度與林冠截留呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)，林冠截留與風(fēng)向、空氣溫度、相對濕度相關(guān)性并不顯著，降雨量和降雨強(qiáng)度是影響毛竹林林冠截留主要因子。將研究區(qū)第一年夏秋兩個季度的葉面積指數(shù)與林冠截留進(jìn)行回歸分析，降雨量劃分為3個等級，小雨(≤10 mm)，中雨(10～25 mm)，大雨(≥25 mm)，結(jié)果如圖9所示，小雨條件下，隨著葉面積指數(shù)的增加林冠截留率呈現(xiàn)上升趨勢；中雨量級下，規(guī)律并不顯著；大雨量級下，林冠截留率隨葉面積指數(shù)增加而呈現(xiàn)下降趨勢。

圖8 葉面積指數(shù)和林冠截留的關(guān)系 圖9 不同雨量級下葉面積指數(shù)和林冠截留率的關(guān)系

4 討 論

(1) 研究期內(nèi)，蘇南丘陵區(qū)毛竹林穿透雨量為1 420 mm，穿透雨率為58.70%。毛竹林穿透雨的變化明顯受到降水量的影響,穿透雨量與林外降雨量呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，這與多數(shù)研究結(jié)果相似[13-15],孫忠林等[15]研究兩種溫帶落葉闊葉林對降雨的分配時得出，當(dāng)降雨量超過一定閾值時產(chǎn)生穿透雨，閾值的大小取決于森林層次和郁閉度，兩者越高，閾值越大。劉章文等[16]通過研究祁連山4種灌叢，得出穿透雨率為52.3%～63.5%，降雨量與穿透雨量呈顯著的線性和穿透雨率呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。胡珊珊等[17]研究不同林分，得出穿透雨占總降雨量的60%～90%，較其他兩個組分更高。穿透雨量和穿透雨率隨著降雨量的增加而增加，到某一臨界值趨勢變緩；與多數(shù)研究結(jié)果相似，Zhang等[18]通過研究沙蒿和檸條的穿透雨特征，得出穿透雨量和降雨量呈線性上升趨勢，和降雨強(qiáng)度呈指數(shù)增加，并存在理論上的極大值，穿透雨率和降雨量、降雨強(qiáng)度呈指數(shù)上升趨勢。隨著林外降雨量的增多，毛竹林冠截留量逐漸達(dá)到飽和,穿透雨也相對穩(wěn)定。穿透雨率隨著降雨等級和降雨強(qiáng)度的變化呈現(xiàn)遞增趨勢，但是穿透雨率增加趨勢不明顯，在相似雨強(qiáng)下變化幅度較大。形成穿透雨的最小降雨量(林冠枝葉部分的持水能力)為0.38 mm，王曉燕等[19]研究結(jié)果范圍處于0.35～1.45 mm，受林型、林齡、林分密度、林冠層特征等因素影響產(chǎn)生了此差異。穿透雨的空間分布差異會受到林冠結(jié)構(gòu)空間差異影響[20]，直接關(guān)系著徑流形成的空間分布、根系生長、林地土壤水分補(bǔ)充和養(yǎng)分循環(huán)[21]。

(2) 研究期內(nèi)，毛竹林的樹干徑流率為6.1%，研究期內(nèi)降水相對豐富，中到大雨相對集中，易產(chǎn)生樹干徑流，由于降雨強(qiáng)度的影響以及樹冠、樹皮等對降雨的截留等因素，大雨，暴雨等出現(xiàn)頻率較高，易產(chǎn)生樹干徑流；樹皮越粗糙，樹冠持水能力越強(qiáng)，越難產(chǎn)生樹干徑流，毛竹林相對較光滑，形成樹干徑流最小降雨量為1.30 mm。

(3) 降水到達(dá)地面的首次水量分配即為林冠層截留，一方面影響到達(dá)地表水分[22]，一方面能削減部分雨滴產(chǎn)生的動能，對減緩林地土壤侵蝕起到很好的效果[23]。林冠截留大部分被蒸發(fā)，小部分被植物根系等吸收利用，植物可利用水的多少受到林冠截留大小影響，對林下更新、水分的補(bǔ)給與養(yǎng)分的循環(huán)有很大影響[24]。研究期內(nèi)，林冠截留率為35.16%，處于不同林分林冠截留能力中的高水平(10%～40%)[17]，林冠截留率隨著降雨量級和降雨強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)遞減趨勢。與張一平等[14]對林冠截留的研究一致，林冠降雨再分配不僅受到降雨量大小的影響,也被降雨強(qiáng)度所制約。毛竹林平均截留率為28.11%，由于研究區(qū)小雨事件較為集中，降雨強(qiáng)度較低的場降雨事件所占比較高，林冠能截留了大部分雨水，且毛竹林葉面積指數(shù)、郁閉度(0.89)較高，相比于胡珊珊等[17]對油松林(16.75%)，李道寧等[25]對江西大崗山毛竹林(19.2%)的研究結(jié)果較高,。林冠截留受林冠結(jié)構(gòu)、降雨特征、林分種類和密度、氣象等多種因素的影響[26]。通過研究葉面積指數(shù)與林冠截留的關(guān)系，針對林冠截留量，McJannet等[27]國外學(xué)者和Bulcock[28]得出隨著葉面積指數(shù)增加而增加的結(jié)論，相反的，由于研究期內(nèi)葉面積指數(shù)較大的月份，對應(yīng)的降雨量也較強(qiáng)，出現(xiàn)林冠截留率隨葉面積指數(shù)增加而降低的情況。本文仍有不足之處，葉面積指數(shù)采用平均值而非每場降雨同期數(shù)值，需長期定位觀測，進(jìn)一步研究溫度、風(fēng)速風(fēng)向等氣象因子對林冠截留過程的影響，以期得到更加準(zhǔn)確的結(jié)論。

5 結(jié) 論

毛竹林穿透雨量與林外降雨量呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，穿透雨率和降雨量、降雨強(qiáng)度呈指數(shù)上升趨勢，形成穿透雨的最小降雨量(林冠枝葉部分的持水能力)為0.38 mm。毛竹林樹干徑流量、樹干徑流率均隨著林外降雨量的增大呈上升趨勢，形成樹干徑流最小降雨量為1.30 mm。毛竹林林冠截留量與降雨量呈較好的線性關(guān)系，林冠截留率隨著降雨量級和降雨強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)遞減趨。林冠截留量隨著葉面積指數(shù)呈現(xiàn)線性增加趨勢，與之相反，林冠截留率出現(xiàn)隨葉面積指數(shù)增加而降低的現(xiàn)象。

降雨強(qiáng)度與降雨量是影響毛竹林林冠截留最強(qiáng)的因子，風(fēng)速與空氣溫濕度次之，空氣溫度與風(fēng)向是影響林冠截留率最強(qiáng)的因子，降雨量、降雨強(qiáng)度與空氣濕度次之。本文僅分析研究區(qū)兩年的觀測數(shù)據(jù)，日后還需長期定位觀測，為毛竹林水文生態(tài)過程及其機(jī)理得到更加完善科學(xué)的理論與數(shù)據(jù)支撐。