黃土高原南部人工林林冠對降雨特征的影響分析

吳光艷，成 婧，祝振華，吳發(fā)啟，于小玲

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌712100)

降雨能量的大小直接影響土壤侵蝕的強(qiáng)弱，是水力侵蝕研究中的重點(diǎn)問題，也是水土保持研究中的熱點(diǎn)問題。早在20世紀(jì)50年代，自從Best[1]研究了天然降雨雨滴分布特征，提出了著名的Best雨滴大小分布式開始，天然降雨雨滴特性的研究進(jìn)入了一個新的階段，受到國內(nèi)外廣大學(xué)者的關(guān)注。近年來，植被與土壤侵蝕的研究也越來越受到重視。天然降雨通過林冠層時，林冠對其阻擋、滯留和削能，以穿透降雨、二次降雨和干流的形式到達(dá)地表[2-4]，使得其降雨特征和林外降雨顯著不同。因此，了解植被冠層對降雨特征的影響，是深入研究森林水文作用機(jī)制的重要環(huán)節(jié)，也是研究植被水土保持作用的重要內(nèi)容之一。目前，國內(nèi)對于林冠降雨特征的研究并不多[5-7]，且觀測降雨的次數(shù)少。筆者以色斑法為基礎(chǔ)，觀測了黃土高原南部的楊凌地區(qū)天然降雨15場，采集了不同樹種林下降雨雨滴譜各200份，較為深入地研究了林冠降雨特征。

1 研究區(qū)概況

楊凌地處黃土高原南部，陜西省關(guān)中平原中西部，渭河以北，三面環(huán)水，東以漆水河與武功縣接界，南依渭河同周至相望，北有沛水和武功，西與扶風(fēng)接壤。位于東經(jīng) 107°59′-108°09′，北緯 34°14′-34°24′，海拔418.0～540.1 m，地勢北高南低，由南向北依次形成一、二、三級階地，整體分為 5種地貌，即渭河灘地、一級階地、二級階地、三級階地以及溝坡地。氣候類型屬暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，四季分明，年平均氣溫 12.9℃，極端最高氣溫 42℃，最低氣溫-19.4℃，全年無霜期 221 d。年均降水量 637.6 mm，多集中在7-10月，占多年平均降水量的60%，年平均蒸發(fā)量884 mm。植被多為落葉闊葉林樹種。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)選取黃土地區(qū)主要造林樹種刺槐(Robinia pseudoacacia Linn)、桉樹(Eucalyptus exserta)、元寶楓(Acer truncatum Bunge)單株為研究對象，3種喬木特征見表1。場降雨的觀測時間主要集中于降水集中的6-9月，降雨強(qiáng)度分布范圍選定為0.6～60 mm/h之間。在充分觀測天然降雨的基礎(chǔ)上，利用色斑法進(jìn)行雨滴的采集和測定，應(yīng)用Image-J、Excel和SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對各樹種林冠下降雨特征進(jìn)行對比分析。

表1 三種喬木測樹指標(biāo)

3 研究方法

3.1 降雨觀測

本試驗(yàn)采用上海儀器廠生產(chǎn)的SJ型虹吸式自記雨量計(jì)記錄降雨全過程。雨量計(jì)主要包括承水器、記錄筆和自記鐘筒，自記鐘筒上有記錄紙。此雨量計(jì)可以較完整地記錄降雨隨時間的變化、次降雨量、降雨歷時，雨量計(jì)24 h時間誤差為5 min。

將雨量計(jì)布設(shè)在開闊無遮擋物區(qū)域，避免降雨受建筑物和高大樹木的影響。當(dāng)降雨開始時，在記錄紙上記下降雨開始的具體時間，在降雨的過程中，只需要檢查記錄筆是否正常即可，待降雨結(jié)束后取下記錄紙，進(jìn)行降雨強(qiáng)度的計(jì)算。

3.2 雨滴取樣及測量

我國目前研究雨滴大小所采用較普遍的方法是濾紙色斑法[8]，本研究同樣采用此方法觀測雨滴直徑。濾紙使用新華造紙廠出品的直徑為15 cm的定性中速濾紙;涂料用天津登峰化學(xué)試劑廠生產(chǎn)的曙紅和滑石粉的混合粉末，按其重量比為1∶10混合均勻，用刷子將曙紅和滑石粉混合粉末均勻地涂抹在濾紙上備用。在干燥的情況下，濾紙不顯色，當(dāng)雨滴降落在濾紙上時，每個雨滴就產(chǎn)生近似圓形的色斑。

降雨開始后，對應(yīng)自記紙上的時間取雨滴樣，取樣高度距地面20 cm，并記下對應(yīng)的時間，取樣間隔10 min一次，同一時間取樣重復(fù)3次。取樣結(jié)束后，將雨滴譜放置實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干。

將采集雨滴的濾紙按1∶1進(jìn)行計(jì)算機(jī)掃描，然后用Image-J軟件進(jìn)行處理，具體步驟如下:

(1)進(jìn)入Image-J界面系統(tǒng)，將掃描文件導(dǎo)入編輯窗口中。

(2)將圖片放大到合適大小，用直尺功能測出色斑直徑，每個色斑按垂直方向測兩次。測量精度為0.001 mm。

(3)將測量結(jié)果導(dǎo)入Excel中，計(jì)算色斑平均直徑，進(jìn)而推求雨滴實(shí)際直徑。

利用Image-J軟件克服了以往用色斑法量測雨滴直徑精度低的缺陷，使測量精度提高了一個數(shù)量級，使得林冠降雨雨譜的精確測量成為可能。

3.3 色斑直徑和雨滴直徑關(guān)系率定

用普通醫(yī)用注射器針管和不同型號的針頭充當(dāng)雨滴發(fā)生器，先向針管內(nèi)注入一定量的水，裝上針頭，然后將針管內(nèi)的水通過針頭滴在涂有混合粉末的濾紙上，同一針頭取10個點(diǎn)，滴時保持水滴滴在濾紙上的距離，距離太近水滴在濾紙上浸潤相互間有影響，誤差大。用萬分之一天平稱100滴水重，每種型號的針頭各稱取一次，并一一對應(yīng)，計(jì)算出每一滴水的質(zhì)量mi[9]。假定水滴是球體狀的，算出水滴直徑d(mm)，即:

式中:ρ——水的密度(g/cm3)。計(jì)算出色斑直徑 Di，這樣水滴實(shí)際直徑和色斑直徑形成一一對應(yīng)關(guān)系，用Excel進(jìn)行回歸分析，并得到色斑直徑D與水滴直徑d的關(guān)系式:

運(yùn)用上述公式可以求得實(shí)際雨滴的直徑d，進(jìn)而進(jìn)行以下分析。

4 結(jié)果與分析

天然降雨經(jīng)過林冠層，林冠截留改變了其雨滴特性，使得林下降雨雨滴直徑、雨滴大小分布、雨滴速度和雨滴動能均有所改變[10]。

4.1 雨滴大小分布

雨滴大小和分布是降雨的基本特征。從兩次林下降雨2010年7月15日、9月6日和一次林外降雨2009年8月3日的降雨資料中(圖1)，可以看出雨滴大小分布呈近似正態(tài)分布，雨滴直徑主要集中于0.5～2 mm之間，且大于5 mm的雨滴很少。同時，林下雨滴較林外雨滴偏大，且大雨滴數(shù)有明顯增加的趨勢，這說明林冠降雨中，林冠對雨滴的分配和匯集十分明顯。從實(shí)際取樣中，可以觀察到林冠下大雨滴數(shù)有明顯增加的趨勢，尤其是在有風(fēng)的作用下，大雨滴數(shù)量明顯增加。

圖1 三次降雨的雨滴大小分布情況

通過大量的雨滴譜觀測和統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)林外降雨過程中，雨滴中數(shù)直徑隨著降雨強(qiáng)度的增加而增加，且增加的趨勢是減弱的。在林冠降雨過程中，這一現(xiàn)象就顯得很微小(圖2-4)。從圖中可以看出，與林外降雨不同。(1)當(dāng)降雨強(qiáng)度小于0.1 mm/min時，林冠降雨的雨滴中數(shù)直徑較林外降雨雨滴中數(shù)直徑大;而當(dāng)降雨強(qiáng)度增大時，這種趨勢卻相反，即林外降雨雨滴中數(shù)直徑大于林冠下雨滴中數(shù)直徑。在圖1中，取樣的降雨強(qiáng)度介于0.02～0.07 mm/min之間，林冠雨滴中數(shù)直徑明顯較林外大，但這種差別隨著雨強(qiáng)增大而減少。(2)3種林冠下雨滴中數(shù)直徑在一個值附近上下波動。例如:圖2中元寶楓林冠下雨滴中數(shù)直徑介于2～6 mm之間;圖3中桉樹林冠下雨滴中數(shù)直徑介于1～4.5 mm之間;圖4中刺槐林冠下雨滴中數(shù)直徑介于1～6 mm之間。說明林下降雨中，由于受林冠的作用，尤其是相對林冠郁閉度較大的林分，雨滴中數(shù)直徑受降雨強(qiáng)度的影響很小，這與林外降雨有顯著區(qū)別。

圖2 元寶楓林冠下雨滴中數(shù)直徑與降雨強(qiáng)度關(guān)系

4.2 降雨動能特征

雨滴動能是根據(jù)雨滴大小及其組成計(jì)算求得。雨滴的降落速度，根據(jù)雨滴大小的不同，分別用不同的公式進(jìn)行計(jì)算[11-12]。

當(dāng)雨滴直徑d＜1.9 mm時，用修正的沙玉清公式計(jì)算:

其中:x=〔28.32+6.524lg(0.1d)-(lg0.1d)2〕0.5-3.665

當(dāng)d≥1.9 mm時，用修正的牛頓公式:

式中:V——雨滴終點(diǎn)速度(m/s);d——雨滴直徑(mm)。

圖3 桉樹林冠下雨滴中數(shù)直徑與降雨強(qiáng)度關(guān)系

圖4 刺槐林冠下雨滴中數(shù)直徑與降雨強(qiáng)度關(guān)系

由于林冠降雨高度有限，雨滴難以達(dá)到充分降落條件下的雨滴終點(diǎn)速度。忽略雨滴在空氣中下落過程中的變形，采用徐銳[13]給出的雨滴降落速度與降落高度的關(guān)系式:

式中:Vm——雨滴降落速度(m/s);H——雨滴下落高度(m);g——重力加速度(m/s2)。

對于單個雨滴，其動能可表示為:

將雨滴譜上每個雨滴的動能累加，得到濾紙上全部雨滴的總動能E;再將濾紙上每個雨滴質(zhì)量累加，除以水的密度和濾紙面積，得降雨深;雨滴的總動能除以降雨深和濾紙面積，即得到該次降雨在單位面積上單位降雨深所具有的能量。這樣可以得到降雨動能的計(jì)算公式:

其中:E——降雨動能〔J/(m2?mm)〕

圖5 元寶楓林冠下降雨動能與降雨強(qiáng)度關(guān)系

圖6 桉樹林冠下降雨動能與降雨強(qiáng)度關(guān)系

圖7 刺槐林冠下降雨動能與降雨強(qiáng)度關(guān)系

從大量的雨滴譜資料可以得到每個降雨時刻的降雨動能，降雨強(qiáng)度與降雨動能見圖5-7。從直觀上看，林冠降雨動能與林冠雨滴中數(shù)直徑類似，在某一個值附近波動，沒有明顯的相關(guān)關(guān)系;而林外降雨動能有著較顯著的相關(guān)關(guān)系。從本質(zhì)來說，這一現(xiàn)象是正常的，通過前面的分析，林冠雨滴中數(shù)直徑在一定區(qū)間波動，而降雨動能最主要的因子就是雨滴直徑，雖然有雨滴速度的影響，但是，雨滴速度又直接受到雨滴直徑的影響，所以說，雨滴直徑的大小與降雨動能有很大的聯(lián)系，即二者的變化趨勢是一致的。

同時，從圖5-7中可以看到，3種喬木冠下降雨有一個共同過的特點(diǎn)，即在小雨強(qiáng)下，林冠下降雨動能較林外大，這個雨強(qiáng)在0.1 mm/min左右;而當(dāng)雨強(qiáng)大于0.1 mm/min時，林外雨滴動能有大于林冠降雨的趨勢。這說明在小雨強(qiáng)時，林冠有增大降雨動能的作用，而在大雨強(qiáng)時，林冠有削減降雨動能的作用，這對于植被減少土壤侵蝕有著重要意義。元寶楓林冠下降雨動能介于15～16 J/(m2?mm)之間;桉樹則介于8～16 J/(m2?mm)，變化相對前者較大;刺槐介于10～15 J/(m2?mm)。這種差異的原因是3種喬木的葉面積指數(shù)不同，葉面積越大匯集雨滴的能力就強(qiáng)，雨滴直徑就相對較大，降雨動能就大。對于降雨動能上下波動，而不是跟天然降雨一樣，隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大。在取樣的過程中，林冠降雨和林外降雨不同，林冠降雨有更大的隨機(jī)性，即林冠降雨不均勻。在雨滴譜上，出現(xiàn)的大雨滴數(shù)會直接影響著降雨動能的大小，這里大雨滴直徑在5 mm以上。如果雨譜上只有一個大雨滴，那么這個大雨滴的體積可以占到總體積的50%或者更多。在取樣時，大雨滴數(shù)是隨機(jī)出現(xiàn)的，這就導(dǎo)致了降雨能量時大時小，而不是一個穩(wěn)定值。

5 結(jié)論

天然降雨經(jīng)過林冠層以后，雨滴特性發(fā)生了改變，與林外降雨有明顯的區(qū)別。林冠下雨譜分布呈近似的正態(tài)分布，其中大雨滴數(shù)明顯多于林外降雨。林冠下雨滴中數(shù)直徑受降雨強(qiáng)度的影響很小，主要取決于林冠的郁閉度和葉面積指數(shù)。林冠下降雨動能與雨滴中數(shù)直徑有著同樣的趨勢，其值在一個范圍內(nèi)波動，與降雨強(qiáng)度沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。

林冠降雨與林外降雨不同，即在小雨強(qiáng)時(小于0.1 mm/min)，林冠有增大降雨動能的作用;而當(dāng)雨強(qiáng)大于0.1 mm/min時，林冠降雨動能有減小的趨勢。同時，從降雨動能計(jì)算公式可以看出林冠的高度也是影響林冠降雨動能的一個重要因子。林冠低，雨滴速度降低，降雨動能減少。這就為實(shí)際水土保持林建設(shè)中，要堅(jiān)持林、灌、草相結(jié)合的方針相吻合。通過林灌草的綜合作用，來消除雨滴對地面的擊濺侵蝕。

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