三峽庫區(qū)天竺桂不同郁閉度下的截留效應(yīng)

運劍葦，劉淑婧，張衛(wèi)華，靳軍英，王大可，常 寶，曾鳳鈴

1.西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；2.天津市中水科技咨詢有限責任公司，天津 300170；3.重慶兩江源環(huán)境影響評價有限公司，重慶 401120；4.中冶賽迪重慶環(huán)境咨詢有限公司，重慶 400014；5.重慶市涪陵區(qū)水利局，重慶 涪陵 408000

植被林冠層影響降雨在森林生態(tài)系統(tǒng)中的分配．近年來，人們對林冠截留的研究大都集中在野外條件下通過實測林外雨量與林內(nèi)穿透雨及枝干徑流等方法來研究林冠截留特征[1-3]．在林冠層的作用下，森林降雨先被樹體表面截留，再到達土壤表面，在此過程中降雨部分蒸發(fā)[4]．雨水落至林冠層，其動能被枝葉削減，地表水流速度降低，土壤下滲能力得到提高[5-6]．影響林冠截留的因素有很多，如降雨特征、郁閉度、林冠結(jié)構(gòu)、雨前枝葉干燥程度和樹木種類等，為了反映這些因子對截留量的影響規(guī)律，很多專家學(xué)者嘗試建立截留量與若干影響因子的回歸方程，但研究結(jié)果不盡相同[7-9]．此外，亦有研究將林冠截留與水土保持相聯(lián)系，探究林冠郁閉度、降雨量等對徑流產(chǎn)生與土壤侵蝕的影響[10-11]．截至目前，關(guān)于林冠截留的研究對象也各有不同，如油松林[12-13]、樟子松林[14]、灌木[15]、草本植物[16]等，都具有很強的地域特色．

天竺桂(CinnamomumjaponicumSieb.)為樟科樟屬亞熱帶常綠喬木，幼年期耐陰，喜溫暖濕潤氣候，在排水良好的微酸性土壤上生長最好，中性土壤亦能適應(yīng)．具有長勢強、主根發(fā)達、耐水濕、根深固沙、抗風(fēng)保土、抗煙塵、抗二氧化硫等特性，加上樹姿優(yōu)美，常被用作綠化樹種，也是良好的用材林和防護林造林樹種[17]．

三峽庫區(qū)屬太平洋季風(fēng)氣候，雨量豐富但時空分布不均，夏季降雨最多，春秋次之．當?shù)刈仙练植紡V泛，多丘陵山地，容易發(fā)生水土流失．近年來大規(guī)模人工種植天竺桂，因此探究該樹種對降雨的截留效應(yīng)很有必要．但迄今為止，人們主要是研究天竺桂的造林、管護及其利用技術(shù)，包括育苗、病害防治和生物成分提取等，對天竺桂的降雨截留作用研究甚少．本研究以紫色土模擬下墊面，通過人工模擬降雨，研究天竺桂不同林冠郁閉度對產(chǎn)流以及截留的影響，為防治紫色土區(qū)的坡面侵蝕提供科學(xué)依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤：三峽庫區(qū)具有代表性的中性紫色土，采自重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)紫色土試驗基地，其成土母質(zhì)為中生代侏羅系沙溪廟組(J2S)灰棕紫色沙泥巖，在國際土壤系統(tǒng)分類中歸屬于雛形土[18-19]．pH值6.50，容質(zhì)量1.35 g/cm3，飽和含水量396.7 g/kg，按照國際制土壤質(zhì)地劃分標準屬于粉砂質(zhì)壤土，粘粒、粉粒和砂粒質(zhì)量分數(shù)依次為73.7，461.5，464.8 g/kg．土樣采集深度30 cm，揀去雜物，自然風(fēng)干，過10 mm篩備用．

供試植被：不同部位天竺桂樹枝，采自重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)林學(xué)試驗基地，枝葉生長良好，分布均勻，植株高度0.4 m，葉面積各不相同，具有代表性．

1.2 試驗設(shè)計

在室內(nèi)微型試驗小區(qū)環(huán)境下，采用人工模擬降雨裝置進行試驗，根據(jù)中國科學(xué)院水利部西北水土保持研究所建立的土壤侵蝕人工模擬降雨系統(tǒng)技術(shù)指標，設(shè)置下噴式噴頭，距地面高度為2.5 m，由計算機控制降雨歷時，由管道泵、緩沖罐、電磁閥、遠傳壓力表控制供水壓力、降雨強度，可模擬雨強范圍0.2～2.23 mm/min．根據(jù)三峽庫區(qū)降雨豐沛，且多短歷時、高強度暴雨的特點，確定試驗雨強為0.75 mm/min[20]．試驗前率定兩次相鄰雨強誤差不超過5%、降雨均勻度達到90%以上．正式降雨前，先設(shè)置雨強0.38 mm/min的裸坡預(yù)降雨，至坡面開始產(chǎn)流停止，以保證每次試驗前期土壤含水率一致．靜置24 h后插上樹枝，再進行正式降雨試驗．

用長×寬×高=2 m×1 m×0.32 m的鋼制土槽裝填土壤模擬下墊面，土槽底部密封，側(cè)面帶有地表徑流出水口．采用分層裝填法控制模擬槽內(nèi)土壤容質(zhì)量為1.35 g/cm3，將土壤均勻填裝進土槽，每5 cm一層，邊填邊壓實，以減小邊壁對入滲、產(chǎn)流、產(chǎn)沙過程及坡面侵蝕的微形態(tài)發(fā)育等諸多方面的影響，并使下墊面土壤條件的變異性最?。敛燮露炔捎萌龒{庫區(qū)坡耕地較常見的15°．試驗裝置如圖1所示．

圖1 試驗裝置圖

試驗于2018年3月15日至4月13日在西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院水文與水資源實驗室內(nèi)進行．采用5枝不同的天竺桂樹枝模擬5種林冠郁閉度，CK為對照試驗(裸坡地)，共6個處理，3次重復(fù)．記錄各場次降雨產(chǎn)生的徑流量以及林冠截留量，建立不同郁閉度條件下林冠截留量隨降雨量變化的截留模型，再引入郁閉度因子，對模型進行改進．

1.3 測定項目及方法

穩(wěn)定徑流強度：徑流樣品穩(wěn)定后，用量筒測得的每分鐘采集的徑流量．

林冠郁閉度與葉面積指數(shù)(LAI)：采用樹冠投影法，樹冠在坡面上的投影面積與坡面面積比值即為林冠郁閉度；測定葉面積指數(shù)時，將樹枝樹葉摘下計算葉片數(shù)，選取一片具有代表性的標準葉片，采用質(zhì)量比例法計算樹葉總面積，樹冠葉片總面積與樹冠投影面積之比即為葉面積指數(shù)[21]．

林冠截留量：采用稱質(zhì)量法(利用泡沫板對水吸附能力弱的特點，移動樹枝前將其小心放在樹冠下，接住移動過程中不慎掉落的雨水)，通過樹枝降雨前后的質(zhì)量差值來確定截留量．計算公式如下：

(1)

式中：I為樹冠截留量(mm)；M1為降雨后樹枝的總質(zhì)量(g)；M2為降雨前樹枝的總質(zhì)量(g)；M3為降雨后泡沫板的總質(zhì)量(g)；M4為降雨前泡沫板的總質(zhì)量(g)；ρ為水的密度(1.0 g/cm3)；T為樹冠投影面積(cm2)．

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel(2013)，OriginPro(8.0)和MATLAB(2015b)對試驗數(shù)據(jù)進行計算及模型擬合．

2 結(jié)果與分析

2.1 林冠郁閉度與葉面積指數(shù)

在人工模擬降雨截留試驗中，6種處理下的樹冠投影面積、相對應(yīng)葉面積指數(shù)和林冠郁閉度如表1所示．

表1 6種覆蓋模式下的投影面積及葉面積指數(shù)和林冠郁閉度

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，林冠郁閉度和葉面積指數(shù)呈正相關(guān)，兩者符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系：

y=0.291 6lnx+0.463 2

(2)

式中：x為葉面積指數(shù)；y為林冠郁閉度；R2=0.968 9．

2.2 林冠郁閉度對徑流與下滲的影響

植被對降雨產(chǎn)流的影響十分復(fù)雜，不同植物的生長過程、不同土地利用情況以及不同土質(zhì)的降雨產(chǎn)流規(guī)律均有很大差異[22-23]．本試驗以裸露坡面為對照，進行降雨產(chǎn)流試驗．徑流強度達到穩(wěn)定時，不同郁閉度條件下的截留量已達到最大值，此時降雨只分為地表徑流和下滲兩部分，由試驗得出不同郁閉度條件下的穩(wěn)定徑流強度，結(jié)果如表2所示．

表2 不同郁閉度條件下的穩(wěn)定徑流強度

用OriginPro (8.0)對試驗結(jié)果進行處理，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定地表徑流強度與郁閉度呈拋物線關(guān)系：

y=-5.0110-5x2-6.4810-5x+0.402 4

(3)

式中：x為郁閉度；y為穩(wěn)定地表徑流強度；R2=0.973 8．

由于截留量達到最大值時，降雨只轉(zhuǎn)化為地表徑流和下滲兩部分，由表2可知穩(wěn)定地表徑流強度隨林冠郁閉度的增加而降低，所以穩(wěn)定下滲率隨郁閉度的增大而增加．5種林冠層覆蓋條件下的穩(wěn)定地表徑流強度比對照分別減少了7.29%，17.09%，25.13%，47.53%和52.76%．

2.3 林冠郁閉度對截留的影響

影響植物截留的因素比較復(fù)雜，植物的實際截留量應(yīng)包括冠層枝葉對雨水的吸附量和雨期蒸發(fā)引起的附加截留量．本試驗是在室內(nèi)無風(fēng)條件下進行的，空氣濕度較大，降雨歷時較短，故可不考慮林冠截留水分的蒸發(fā)．

2.3.1 林冠截留量與降雨量

林冠截留能力是指在理想條件下林冠枝葉對任意降雨量的最大吸附量，隨降雨量的增加而增加．當降雨量足夠大時，林冠截留能力就等于林冠截留容量．所以，林冠截留容量是林冠截留能力的最大值，也是理想狀態(tài)下的林冠截留量[24-25]．每次降雨結(jié)束后計算截留量，其截留量隨降雨量的變化如圖2所示．截留量隨降雨量的變化大致分為3個階段：快速增長階段、緩慢增長階段和穩(wěn)定階段．從降雨開始至0.75 mm左右，即降雨時長1 min左右時，5種郁閉度條件下的截留量均呈快速增長趨勢；對于處理C4和C5，降雨量達到0.75 mm之前，林冠層截留量急劇增長；之后，降雨量從0.75 mm增大到3 mm時，截留量增長速度較為緩慢；當降雨量超過3 mm后，截留量逐漸趨于穩(wěn)定，該2種處理的截留容量分別為0.13 mm和0.20 mm．處理C1，C2和C3的郁閉度條件下，其變化規(guī)律基本相同，在降雨量為1.8 mm左右時，截留量均達到最大值(0.06，0.08和0.09 mm)；此后均在較小的范圍內(nèi)波動．

圖2 5種郁閉度下林冠截留量隨降雨量的變化

截留容量隨林冠郁閉度變化的趨勢如圖3所示．由圖3可知，林冠截留容量隨著郁閉度的增加而增大，且決定系數(shù)較高．在郁閉度從28.28%變化至45.19%時，坡面郁閉度增加了16.19%，截留容量增加了0.02 mm；郁閉度從45.19%增大至56.72%時，郁閉度增幅11.35%，截留量增大了0.04 mm；郁閉度從56.72%增大至66.09%時，坡面郁閉度增加了9.93%，而截留容量增大了0.07 mm．由此可見，高郁閉度條件下的截留容量的增幅較大，低郁閉度條件下截留容量的增幅較小．

圖3 截留容量與郁閉度的關(guān)系

葉面積指數(shù)與截留容量的關(guān)系如圖4所示．截留容量隨著LAI的增大而增大，兩者呈線性正相關(guān)，且相關(guān)性很高．

圖4 截留容量與葉面積指數(shù)的關(guān)系

2.3.2 不同郁閉度條件下截留率隨降雨量的變化

林冠截留率是林冠截留量與降雨量的比值，各處理郁閉度條件下截留率隨降雨量的變化如圖5所示．由圖可以看出，林冠截留率隨降雨量的增加先是快速降低，然后緩慢降低．降雨量為1.5 mm時的5種郁閉度條件下的截留率較0.13 mm時分別減少了5.57%，7.02%，11.06%，25.67%和33.12%；而降雨量從1.5 mm增加至3.8 mm時，5種郁閉度條件下的截留率分別比1.5 mm時減少了2.6%，2.84%，3.44%，4.38%和6.81%．降雨量相同時，郁閉度越高，截留率越大，在降雨初期，5種郁閉度條件下的截留率差別較為明顯，當降雨量為0.13 mm時，各處理郁閉度的截留率分別為9.6%，12%，16.8%，34.4%和44.8%．隨著降雨量的增大，5條曲線的走勢越來越重合，截留率的值趨于相同且趨近于0．

圖5 林冠截留率隨降雨量的變化

2.4 截留模型擬合

根據(jù)本試驗所得數(shù)據(jù)，運用MATLAB(2015b)對試驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合，發(fā)現(xiàn)5種郁閉度條件下的截留量與降雨量的關(guān)系符合模型：

Ic=a·exp(-b·P)+c

(4)

式中：Ic為林冠截流量；P為試驗降雨量；a，b，c為模型參數(shù)，具體結(jié)果如表3所示．

表3 各郁閉度條件下的截留模型

上述截留模型只是反映了某個郁閉度條件下截留量隨降雨量的變化趨勢，雖然精度較高，但是沒有把林冠郁閉度對截留的影響反映在模型中，所以對于這5種郁閉度條件以外的情況不能進行較好估算．因此，在得到5種郁閉度條件下的截流模型之后，借鑒黨宏忠等[26]在青海云杉林冠截留與降水、林分郁閉度間的關(guān)系研究中構(gòu)建包含林分郁閉度因子的改進模型方法，引進林冠郁閉度因子，在不改變原模型結(jié)構(gòu)的前提下構(gòu)建新的模型：

(5)

表4 包含郁閉度因子的改進模型

圖6 改進模型的擬合效果圖

由表4可得，改進后的模型決定系數(shù)為0.864 8，標準差為0.017 9，擬合精度仍然較高；從圖6也可以看出，試驗數(shù)據(jù)較為均勻地分布在改進模型擬合的數(shù)據(jù)面上下．所以，該模型在保證精度的前提下，能更全面地反映不同郁閉度和降雨量條件下天竺桂林冠層的截留效應(yīng)．

3 結(jié) 論

5種郁閉度條件下，穩(wěn)定地表徑流強度分別為0.37，0.33，0.30，0.22，0.19 mm/min，較空白對照分別減少了7.29%，17.09%，25.13%，47.53%和52.76%．林冠層的截留作用有助于雨水下滲，減少徑流，降低森林水土流失．郁閉度越高，其減流效果越好，越有助于防治降雨引起的土壤侵蝕．

林冠截留量隨降雨量的增大，其變化分為3個階段：快速增加-緩慢增加-穩(wěn)定階段；截留容量與郁閉度和葉面積指數(shù)分別呈指數(shù)正相關(guān)和線性正相關(guān)；5種郁閉度條件下，截留率與降雨量呈冪函數(shù)關(guān)系．

5種郁閉度條件下建立的截留模型擬合效果很好，而包含郁閉度因子C的改進模型(Ic=-a·exp(-b·PC)+c·C)決定系數(shù)為0.864 8，標準差為0.017 9，擬合精度仍然較高，能更全面地反映三峽庫區(qū)天竺桂不同郁閉度和降雨量下冠層的截留效應(yīng)．

4 討 論

降雨、植被、地形、土壤特性等都會對水土流失造成一定的影響[27]，其中降雨是水土流失的原動力，雨滴打擊地表造成土壤顆粒分離，被降雨形成徑流搬運，最終導(dǎo)致土壤侵蝕，且諸多研究表明地表徑流量與降雨量呈正相關(guān)[28-30]．植被向來是治理水土流失的首要選擇，其林冠層能削減雨滴動能并截留降雨，其莖及落葉對徑流流速起到減緩作用，根系能夠改良土壤結(jié)構(gòu)，改變土壤水分垂直運動通道和過水斷面，增加土壤中的孔隙量[31]，增加水分入滲，這些都能夠直接或間接地減少徑流，從而減少水土流失．樹枝林冠層與根系對水土流失的控制作用是不同方面的，本試驗主要研究的是天竺桂林冠層對截留的影響，降雨過程中，林冠層的作用相當于一層屏障，可緩沖降雨強度，冠層郁閉度越高，就會有越多的雨水被削減動能、被截留及下滲，徑流的產(chǎn)生也越少，對于坡面土壤起到很好的防護作用，對水土流失的控制也有好處．

降雨前期，枝葉比較干燥，在降雨發(fā)生后的一段時間，雨水吸收速度較快，截留量增幅較大，隨著枝葉濕潤程度的增加，吸水速率逐漸變慢，當枝葉達到飽和時，截留量穩(wěn)定，因此，在一定郁閉度條件下，截留量隨著降雨進行，會經(jīng)歷快速增加、緩慢增加、保持穩(wěn)定3個階段，其他專家學(xué)者也有相同的研究結(jié)果[32-33]．截留率是某一時段內(nèi)的截留量與此時段降雨量的比值Ic/P，在降雨強度一定的情況下，降雨量隨降雨歷時線性增長，而截留量的增幅則隨著枝葉濕潤程度的增加而逐漸降低，此種情況下，截留率也逐漸降低．

目前，關(guān)于截留容量的測定方法包括人工降雨法和吸水法，吸水法測定簡單易行，但其是一種理想狀態(tài)下的林冠可吸附水量[34]，而人工降雨法與之相比更能反映真實的截留特征，并且在多次實驗后也能根據(jù)測定的不同降雨量對應(yīng)的截留量來確定截留容量，更具真實性．根據(jù)試驗結(jié)果，對截留容量與郁閉度和葉面積指數(shù)進行相關(guān)性擬合，發(fā)現(xiàn)截留容量與林冠郁閉度呈指數(shù)關(guān)系，與葉面積指數(shù)呈線性正相關(guān)，此結(jié)果與楊中文等[22]、曾德慧等[35]的模擬實驗結(jié)果一致．郁閉度較小時，隨著郁閉度的增加，截留容量的增幅較??；而在郁閉度較大的情況下，隨郁閉度的增加，截留容量的增幅較大．本試驗截留量達到穩(wěn)定狀態(tài)時，并不是一個固定的值，而是在一個范圍內(nèi)變動，這可能是由于在降雨過程中，雨滴對樹枝有一定的打擊作用，使樹葉的角度發(fā)生變化，從而使樹葉的截留作用也發(fā)生改變，所以截留量的波動在雨強和降雨方向不變的情況下，可能與樹葉的承重面走向和承重能力有關(guān)，而對于其具體的影響機理，還需要進一步研究．

本研究的截留模型是在經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上通過試驗數(shù)據(jù)擬合而成的半經(jīng)驗半理論模型，此類模型具有較強的實用性，研究應(yīng)用較多．張焜等[32]、田鳳霞等[36]的研究都表明其他影響因素相近的條件下，截留量與降雨量存在正相關(guān)關(guān)系，本研究結(jié)果與此類研究基本一致．Rutter等[37]利用水量平衡原理考慮了降雨期間蒸發(fā)帶來的附加截留量來建立模型，本研究建立的模型由于降雨歷時短，未考慮附加截留量的影響，對于歷時長的降雨，可采用降雨期間蒸發(fā)強度及降雨歷時資料扣除附加截留量即可．通過試驗數(shù)據(jù)建立的不同郁閉度條件下的天竺桂截留模型擬合效果較好，建立的包含郁閉度因子的改進模型精確度亦較高，對天竺桂的截留情況具有很好的模擬效果．