赤水河上游柏木林冠層持水特征比較研究

姚倫芳

(1.貴州省環(huán)境與工程評估中心；2.貴州綠興清源環(huán)保有限責(zé)任公司，貴陽 550002)

林冠是森林與外界環(huán)境相互作用最直接和最活躍的界面層，通過遮蔭、截留降水和蒸騰蒸發(fā)等作用參與森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)[1]。大氣降水輸入森林生態(tài)系統(tǒng)時，受林冠影響被分配為截留量、透流量和干流量三部分[2]。林冠截留主要指植被樹干、枝條、葉片對降水的截留、存儲及隨后的林冠蒸發(fā)干燥[3]，它是生態(tài)系統(tǒng)水分再分配的起點，是森林水文循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)，影響著地表—大氣能量循環(huán)過程和水量平衡[4]。林冠層持水能力是影響林冠截留過程的重要因素之一，是研究林冠截留的主要內(nèi)容[5]，它的定義以Horton[6]的定義和Rutter[7]的定義為代表。林冠對降水的截留及持水能力主要受降水特征(降雨強度、持續(xù)時間、雨滴大小分布、方向、角度等)[7]、林冠結(jié)構(gòu)(葉面積指數(shù)、葉傾角、葉方位角、枝角及排列方位等)[8]和天氣狀況等因素的影響。對于高大林冠，降雨截留法和標準枝法都是比較常見的樹冠持水能力直接測量方法，其中降雨截留法運用較多，標準枝法是對林冠單位生物量的持水性能進行測試，相關(guān)研究報道較為鮮見。

柏木為柏科柏木屬常綠喬木，耐瘠薄能力強，成為赤水河上游退耕還林以及生態(tài)恢復(fù)建設(shè)中常見的樹種之一，具有較高的生態(tài)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。因此本研究對柏木林的穿透雨、樹干流和截留量等林冠水文特征進行觀測，研究其林冠降雨再分配特征，并采用標準枝法測定林冠層持水能力。同時探討兩種方法測定的林冠水文效應(yīng)間的差異，揭示柏木林林冠水文效應(yīng)的機制，為水文過程研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 研究區(qū)概況

本研究位于赤水河上游茅臺水源功能區(qū)內(nèi)的仁懷市茅臺鎮(zhèn)(E105°18′35″～106°19′22″，N27°47′ 05″～27°48′24″)，距國酒茅臺主產(chǎn)區(qū)一期約6 km、二期約0.3 km，是茅臺酒廠等醬香型白酒生產(chǎn)基地的水源涵養(yǎng)的核心區(qū)，其植被狀況的優(yōu)劣不僅直接影響下游河流生態(tài)系統(tǒng)，還制約著茅臺酒等醬香酒的產(chǎn)量和品質(zhì)。該區(qū)屬川黔湘鄂山地丘陵立地區(qū)的西部立地亞區(qū)，為亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，多年平均氣溫為15 ℃，≥10 ℃的年積溫為5000～5500 ℃，年日照時數(shù)1400 h，無霜期約340 d，年均降水量>1000 mm，最大降雨量主要出現(xiàn)在6-8月份。地帶性土壤主要有黃壤、黃棕壤，巖成土壤有石灰土和紫色土。植被為亞熱帶濕潤性常綠闊葉林向半濕潤性闊葉林過渡地帶，受生境、立地和人類活動的影響，區(qū)域性分異非常明顯，主要植被類型有暖性針葉林、常綠落葉林、常綠落葉闊葉混交林和灌木林等，主要森林類型有馬尾松林、柏木林、杉木林、白櫟林、絲栗栲林等，涵養(yǎng)水源能力較低[9]。

2 材料與方法

2.1 林冠截留量的測定

柏木樹干莖流率為0.4%[9]，因此數(shù)理統(tǒng)計時該部分忽略不計。在每個觀測樣地(設(shè)置20m×20m的樣地8個，各樣地的間距大于20 m，在每個樣地內(nèi)選取5株樹高、胸徑和冠幅近似的柏木)內(nèi)以對角線設(shè)置3～5個直徑為15 cm的塑料桶作為簡易雨量收集器，桶底鋪墊柔性塑料袋以避免雨水濺出，單場降雨結(jié)束后測定收集器內(nèi)的穿透雨量，計算林冠截留率和穿透率。林冠截留量=林外降雨量-穿透雨量，林冠截留率=林冠截留量/林外降雨量。

2.2 標準枝法測定持水量

在上述樣地內(nèi)共選取40棵柏木，測定其樹高、胸徑、枝下高和冠幅等指標后，選取標準枝并測定其鮮重及枝、葉鮮重，同時取部分枝、葉樣品測定自然含水率，計算生物量。再取標準枝或近似標準枝，稱鮮質(zhì)量后完全浸入清水中浸泡2～3 min，取出按照枝條自然生長方式懸置待重力水滴凈后測定持水量。林冠截留法和標準枝法的樣地設(shè)置一致。

2.3 林冠體積和表面積的計算

2.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理，指標間的相關(guān)性用Pearson相關(guān)系數(shù)評價，由SPSS 20.0軟件完成，圖件制作用Origin科學(xué)制圖軟件完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 柏木林冠截留特征

3.1.1 柏木林冠截留量與截留率

不同降雨強度下，林冠截留量和截留率不一樣[9](表1)。赤水河上游降雨集中在6-9月，其余月份為干季，本次降雨截留實驗共監(jiān)測到22場降雨，監(jiān)測時間為5-10月(林外降雨848.9 mm，林內(nèi)穿透雨304.4 mm，林冠平均截留率為43.29%)，因此認為其平均值可代表全年林冠截留率的近似值。

表1 柏木林林冠截留量與截留率

3.1.2 林外降雨量和林冠截留量的關(guān)系

圖1表明了林外降雨量與林冠截留量之間顯著正相關(guān)關(guān)系的存在：一方面，低雨量級時，林冠截留量隨著林外降雨量的增加而增大，但增加幅度有限；高雨量級時，林冠截留量不隨林外降雨量的增大而增加，這與孫慶艷等人[11]的研究結(jié)論一致；另一方面，可用林外降雨量預(yù)估林冠截留量，但應(yīng)考慮到林冠對降雨截留作用的極限值。

圖1 林外降雨量與林冠截留量的關(guān)系

3.1.3 林外降雨量和林冠截留率的關(guān)系

林冠截留率在冠層持水量未達到飽和時，隨林外降雨量的增大而增大[12]，但隨著降雨強度的增大，這種變化趨勢并不明顯。柏木林林冠截留率與降雨量之間的關(guān)系符合冪函數(shù)模型，表達式為：y=64.53x-0.18(相關(guān)系數(shù)R2=0.208，P<0.05)，式中y為林冠截留率，x為林外降雨量，見圖2。

圖2 林外降雨量與林冠截留率的關(guān)系

3.2 標準枝法測定的柏木林冠最大持水量

標準枝法是直接測量的林冠持水量，為理想狀況下柏木林的最大持水量，假設(shè)是林冠完全浸濕，即降雨量或降雨強度足夠大，林冠持水量由林分組成與林冠結(jié)構(gòu)所決定的[5]。在本次實驗中，測量了40組數(shù)據(jù)。

選取2017年1月～2018年1月我院收治的食管癌患者50例作為研究對象，其中，男29例，女21例，年齡36～80歲，平均年齡（51.17±6.24）歲；鱗癌49例，腺癌1例?；颊呔?jīng)胃鏡及病理檢查確診，卡氏評分＞70分，未合并心、肝、腎等功能障礙，無放療禁忌癥。

3.2.1 林冠體積和持水量的關(guān)系

由圖3可知，柏木林冠體積與持水量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，能夠用一元三次方程較好地描述(R2=0.724，P=0.000)?？傮w來看，樹冠體積越大，其持水能力越強。研究結(jié)果表明可用林冠體積估測其持水能力。

圖3 柏木樹冠體積與持水量的關(guān)系

3.2.2 林冠表面積和持水量的關(guān)系

林冠表面積可以反映有效光合葉面積，因而是評價林冠生產(chǎn)力及林冠活力的重要指標[13]。在對林冠表面積和持水量的關(guān)系進行擬合，發(fā)現(xiàn)二者呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖4)，林冠持水量隨著表面積的增加而增大，決定系數(shù)達0.724，理論模型和實驗采樣數(shù)據(jù)的擬合程度較好，說明林冠表面積顯著影響其持水能力。

圖4 柏木林冠表面積與持水量的關(guān)系

3.2.3 林冠生物量和持水量的關(guān)系

生物量是描述林分結(jié)構(gòu)、功能和生產(chǎn)力水平的重要指標。通過測定40株柏木林冠持水量，并與相應(yīng)的生物量建立關(guān)系(圖5)，可以看出：林冠持水量y隨著生物量x的增大而增大，統(tǒng)計分析表明二者之間的關(guān)系呈極顯著一元三次函數(shù)關(guān)系(P<0.01)，表達式為y=0.002x3- 0.07x2+1.62x-1.23(R2=0.859)。結(jié)果表明提高林木生物量積累，是提高赤水河上游水源涵養(yǎng)能力的重要措施之一。

圖5 柏木樹冠生物量與持水量的關(guān)系

3.2.4 樹高與樹冠持水量的關(guān)系

根據(jù)測定的結(jié)果，建立柏木樹高與持水量的關(guān)系式如下：y=0.012x3-0.58x2+ 9.65x-43.56，R2=0.579，式中：y為持水量，x為樹高。由上式可以看出，樹高與林冠持水量呈明顯一元三次函數(shù)關(guān)系，見圖6，因此，用樹高推算林冠持水量是可行的。

圖6 柏木樹高與林冠持水量的關(guān)系

3.2.5 胸徑與樹冠持水量的關(guān)系

為更多地探索測樹因子與冠層持水量的動態(tài)關(guān)系，對植株胸徑(x)和林冠持水量(y)進行回歸分析。結(jié)果表明(圖7)，一元三次模型可以較好地描述二者的關(guān)系，決定系數(shù)R2為0.755，且隨著胸徑增加，持水量增大。這與林冠體積、表面積、生物量、樹高的擬合模型和變化規(guī)律一致。在這些指標中，采用林木胸徑預(yù)測林冠持水量方法較為簡單。

圖7 柏木胸徑與樹冠持水量的關(guān)系

3.3 兩種方法測定結(jié)果的比較

通過計算40株柏木的林冠平均持水率，結(jié)果為54.08%；而林冠平均截留率為43.29%，二者的誤差約10%，林冠平均持水率偏高，是持水過程中飽和度較高造成的，采用截留率更代表實際情況。

4 結(jié)論與討論

(1)林冠截留量、林冠截留率與林外降雨量的關(guān)系均符合冪函數(shù)曲線，低降雨強度下的規(guī)律較高降雨強度下更明顯。該方法獲得了一種預(yù)測林冠截留數(shù)據(jù)的方法，但植物—大氣間水分傳輸?shù)难芯窟€較為缺乏，應(yīng)對林冠截留進行模型化的研究，包括經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、半理論模型和理論模型?/p>

(2)林冠體積、表面積、生物量及樹高、胸徑與林冠持水量之間均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，用這些指標預(yù)測林冠持水量是較為簡便快捷的途徑。該方法對研究物種水平的持水能力是一個有益探索，但如何應(yīng)用尺度轉(zhuǎn)換上推法計算林分的冠層持水能力及與實測結(jié)果進行檢驗還有待進一步深入研究。

(3)采取標準枝法獲得的林冠持水率為54.08%，用截留法獲得的截留率為43.29%。標準枝法直接測定，不受天氣條件的限制，更容易操作，但結(jié)果偏高，這與彭煥華等[5]所得的研究結(jié)果一致。此外，持水率和截留率之間的相互關(guān)系還需要繼續(xù)研究。