滇中高原不同林齡華山松林冠層對(duì)天然降雨雨滴能量特征的影響

涂曉云, 王克勤,2, 趙洋毅,2, 王嘉維, 段 旭,2, 朱夢雪

(1.西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院， 云南 昆明 650224;2.國家林業(yè)和草原局 云南玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站， 云南 昆明 650224)

土壤侵蝕是發(fā)生在地表水文循環(huán)過程中伴隨能量變化與物質(zhì)分散的復(fù)雜的位移過程，是一個(gè)全球性的環(huán)境災(zāi)害，目前已成為世界關(guān)注的環(huán)境問題之一[1]。中國西南土石山區(qū)是典型水力侵蝕區(qū)，區(qū)域侵蝕的主要?jiǎng)恿碓从谔烊唤涤暧甑蝿?dòng)能對(duì)土壤表層的濺蝕作用[2-3]。雨滴下落破壞土壤結(jié)構(gòu)，使得土粒飛濺，形成土壤板結(jié)，降低土地利用率[4-5]。研究已證實(shí)森林植被對(duì)雨滴能量具削減性，當(dāng)降雨雨滴經(jīng)森林植被林冠層后，其雨滴的大小、數(shù)量、動(dòng)能及空間分布等形態(tài)特征均發(fā)生改變[6-7]，且能量在降水輸入過程中進(jìn)行了再分配，進(jìn)而削弱下降雨滴的動(dòng)能，減緩雨滴擊濺作用[8-9]。因此，研究森林植被林冠對(duì)降雨特征和雨滴動(dòng)能的削減作用是深入探析森林生態(tài)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和水文效益的基礎(chǔ)工作。

森林林冠層作為陸地生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)的重要場所，其與天然降雨雨滴能量的關(guān)系是當(dāng)前森林生態(tài)水文過程研究的熱點(diǎn)[10-12]。許多學(xué)者對(duì)林冠層與降雨能量的關(guān)系進(jìn)行了多方面的研究。例如，20世紀(jì)后期Brandt J[13]探析了熱帶雨林冠層降雨能量轉(zhuǎn)換與土壤侵蝕的關(guān)系；余新曉[14]通過森林植被減弱降雨侵蝕能量的數(shù)理分析，得出不同林分對(duì)降雨勢能的減弱作用；周躍等[15]研究發(fā)現(xiàn)云南松林冠層可有效減少降雨對(duì)地表的滴濺能量等。目前，相關(guān)研究主要圍繞雨滴物理特性的研究方法[16]、降雨特征[17-18]、林冠結(jié)構(gòu)[8, 19-20]、降雨與土壤侵蝕的關(guān)系[21-22]等開展。例如，展小云等[23]采用粒子成像瞬態(tài)粒子測量可視化技術(shù)觀測自然降雨雨滴，利用雨滴降落到地面的瞬時(shí)末速度結(jié)合外包絡(luò)線提取算法V(D)=10-3(L-D)/(t1-t2)計(jì)算雨滴終點(diǎn)速度，建立了EK(t)=26.82I0.34的降雨動(dòng)能與降雨強(qiáng)度之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，該模型通過實(shí)測的雨滴直徑估算雨滴動(dòng)能具有較高的準(zhǔn)確性和適用性，很大程度上彌補(bǔ)了降雨動(dòng)能統(tǒng)計(jì)模型區(qū)域局限性中的不足。Song等[24]以亞熱帶早期演替階段的人工喬木林為研究對(duì)象，分別從林冠的垂直與水平方向上觀測3種不同樹的葉面積特征，得出垂直方向上林冠層的葉面積指數(shù)越大，穿透雨滴動(dòng)能越大，水平方向則與之相反的結(jié)論。已有研究闡明不同地區(qū)由于雨滴特性差異可引起不同程度的土壤侵蝕，該現(xiàn)象主要與區(qū)域的氣象變化、雨滴性質(zhì)、植被類型等因素相關(guān)[21,25-26]。同時(shí)，也有通過人工模擬降雨的方法分析降雨能量轉(zhuǎn)化及林下產(chǎn)流產(chǎn)沙過程[27]。相關(guān)研究主要以人工林為主[6,18]，少數(shù)為天然林[8,17]，而對(duì)于作為森林演替狀態(tài)指標(biāo)的林分林齡與天然降雨能量轉(zhuǎn)換之間關(guān)系的研究鮮有報(bào)道。

云南省干濕季節(jié)分明，降雨多集中于5—9月，雨量較大，每逢雨季各地區(qū)均會(huì)發(fā)生不同程度的水土流失等自然災(zāi)害。華山松人工林群落是滇中高原中亞熱帶山地季風(fēng)氣候區(qū)較為典型的地帶性植被，具有較高的土壤改良與水土保持作用，是當(dāng)?shù)乩硭Ｍ列б孑^高的樹種之一。此外，不同林齡的林分對(duì)森林生態(tài)水文功能可能存在不同程度的影響。因此，本研究以不同林齡華山松人工林為研究對(duì)象，分析華山松3個(gè)演替階段林冠層對(duì)天然降雨雨滴能量的影響。以期為區(qū)域水土資源保護(hù)、森林結(jié)構(gòu)調(diào)整等提供一定的理論參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省中部的玉溪市新平彝族傣族自治縣磨盤山國家森林公園內(nèi)，是云貴高原、橫斷山地和青藏高原南緣地理結(jié)合部，地理坐標(biāo)為101°55′13″—102°04′00″E，23°54′00″—24°02′30″N，海拔1 260～2 614.4 m，相對(duì)高差1 354.4 m。磨盤山地處北回歸線以北，是云南亞熱帶北部與亞熱帶南部的氣候過渡區(qū)，具典型的山地氣候。降水多集中在5—10月，年降水量均>1 000 mm；年均氣溫17～20 ℃，極端低溫-8.6 ℃，積溫為4 800 ℃；土壤發(fā)育主要以第三紀(jì)古紅土的山地紅壤和玄武巖紅壤為主，較高海拔地區(qū)有黃棕壤分布；森林植被類型主要有亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶針闊混交林、針葉林和高山矮林等，共有98科137屬324種。監(jiān)測樣地平均海拔為2 258 m，樹種為典型人工針葉林華山松(Pinusarmandii)，土壤均為紅壤。具體的華山松人工林樣地基本概況如表1所示。

表1 華山松林樣地基本概況

2 研究方法

2.1 降雨觀測

樣地依托云南玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測站內(nèi)的華山松人工林地，在林地內(nèi)選擇地理位置相近、近似自然生長長勢良好的華山松林，確定其林齡并參照國家森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查技術(shù)規(guī)程與主要樹種齡級(jí)與齡組劃分標(biāo)準(zhǔn)[28-29]，以10 a為一齡級(jí)劃分為中齡林(15 a)、成熟林(40 a)、過熟林(60 a) 3個(gè)齡組。在此基礎(chǔ)上，分別布設(shè)一個(gè)面積為50 m×50 m的永久性試驗(yàn)樣地，四周加以鐵絲網(wǎng)保護(hù)，減少動(dòng)物與人為破壞。同時(shí)，在布設(shè)樣地內(nèi)對(duì)華山松林林分密度、胸徑、樹高、葉面積指數(shù)、覆蓋度等指標(biāo)進(jìn)行林業(yè)調(diào)查與記錄，并觀測2019年5月至10月的林內(nèi)外降雨特征。

2.1.1 林外大氣降雨觀測 樣地不遠(yuǎn)處已設(shè)有Envidata-thies全自動(dòng)野外固定氣象站，可長歷時(shí)監(jiān)測與建立降雨量相對(duì)濕度風(fēng)向風(fēng)速氣溫氣壓輻射等氣象因子的云端數(shù)據(jù)庫。同時(shí)，在樣地觀測場外距離適中、人類及動(dòng)物活動(dòng)影響小的空曠地帶設(shè)置一臺(tái)激光雨滴譜儀和RG-3自記雨量計(jì)，并在樣地內(nèi)的空曠區(qū)域設(shè)置2個(gè)普通雨量桶，進(jìn)行對(duì)比參考，以確保研究區(qū)大氣降雨數(shù)據(jù)的真實(shí)性與可靠性。根據(jù)2019年5—10月觀測的林外降雨數(shù)據(jù)經(jīng)整理分析(表2)可知，磨盤山降雨多集中于6—9月，共74場。年降雨總量為635.2 mm，年平均降雨強(qiáng)度為4.66 mm/h，是典型的半濕潤區(qū)。在6月平均降雨強(qiáng)度達(dá)最大值為6.89 mm/h，屬于小降雨強(qiáng)度。此外，降雨次數(shù)最多月份是8月，降雨量貢獻(xiàn)較多月份是7月和9月且年降雨貢獻(xiàn)率分別為38.73%，22.67%。

表2 2019年5-9月華山松樣地林外降雨特征

2.1.2 林內(nèi)穿透降雨觀測 相關(guān)研究表明下落雨滴一部分會(huì)直接沿樹干或枝條緩慢流到地面形成樹干流，最終作為水分補(bǔ)給的重要來源被根部吸收利用，而不具備能量對(duì)地表產(chǎn)生擊濺作用，此部分降雨動(dòng)能可忽略不計(jì)[22,26]。因此，本研究只對(duì)林內(nèi)穿透降雨進(jìn)行觀測。在不同林齡華山松人工林50 m×50 m的樣地內(nèi)，布設(shè)4個(gè)25 m×25 m的標(biāo)準(zhǔn)固定樣地，每個(gè)林齡樣地內(nèi)分別將8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雨量桶和1個(gè)自記雨量計(jì)(編號(hào)為R中，R成，R過)設(shè)置在郁密度適中的典型地段，用于觀測林內(nèi)穿透降雨特征，均距樹干0.79 m。中齡林、成熟林、過熟林的樣地標(biāo)準(zhǔn)雨量桶均編號(hào)均為1，2，3，4，5，6，7，8號(hào)且分別距樹干0.91,1.30,1.25,0.86,1.45,2.16,3.00,1.51 m。

2.1.3 雨滴大小測定 本研究采用傳統(tǒng)濾紙色斑法對(duì)雨滴直徑進(jìn)行測量與分析。試驗(yàn)前將新華造紙廠生產(chǎn)的直徑15 cm的定性中速濾紙，用柔軟細(xì)毛刷均勻涂抹質(zhì)量比為1∶10的曙紅與滑石粉的混合粉末，每次降雨前將處理好的濾紙平鋪于20 cm×50 cm的聚乙烯塑料板，上方進(jìn)行覆蓋，帶入樣地內(nèi)布設(shè)有雨量桶樣樹的附近，進(jìn)行林內(nèi)穿透雨滴取樣。降雨開始后，林內(nèi)外同時(shí)進(jìn)行雨滴取樣，待濾紙布滿色斑后，立即更換，覆蓋保存，每10 min取樣一次，每次重復(fù)3次。若降雨強(qiáng)度突然變化，立即進(jìn)行取樣，最后收好布有色斑的濾紙帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行雨滴直徑大小測量并記錄數(shù)據(jù)。此研究中色斑直徑和雨滴直徑之間的關(guān)系參照曹光秀[20]率定公式，其函數(shù)表達(dá)式為：

d=0.398D0.71(R2=0.970)

(1)

式中：D為色斑直徑(mm)；d為雨滴直接(mm)。

2.2 數(shù)據(jù)選擇

依據(jù)林內(nèi)外降雨試驗(yàn)與觀測數(shù)據(jù)，參照2012年國家標(biāo)準(zhǔn)《降水等級(jí)》(GB/T28592-2012)[30]進(jìn)行降雨量等級(jí)劃分，選取2019年5—10月典型的11場降雨雨滴數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，詳細(xì)取樣情況見表3。

表3 2019年11場降雨雨滴情況和基本特征

2.3 數(shù)據(jù)處理

雨滴下落過程中，在重力、空氣浮力、空阻力3個(gè)力的共同影響下，雨滴做變加速度運(yùn)動(dòng)，當(dāng)加速度為0時(shí)，雨滴轉(zhuǎn)為勻速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的速度稱為雨滴終點(diǎn)速度，是降雨的重要物理參數(shù)之一。雨滴終點(diǎn)速度本質(zhì)上與雨滴質(zhì)量成正相關(guān)，同時(shí)直接決定雨滴動(dòng)能的大小，森林植被林冠層作為天然降雨雨滴最先接觸的下墊面結(jié)構(gòu)，可對(duì)其勢能進(jìn)行重新分配。因此，降雨雨滴的雨滴終點(diǎn)速度、動(dòng)能與勢能均可作為量化雨滴能量變化過程中的特征指標(biāo)。

本研究雨滴終點(diǎn)速度分為林外與林內(nèi)的終點(diǎn)速度，采用修正的沙玉清公式與牛頓公式進(jìn)行計(jì)算[18]，就雨滴動(dòng)能而言，先計(jì)算單個(gè)雨滴的動(dòng)能，根據(jù)每次降雨雨滴組成求其和得雨滴總動(dòng)能，最后推求單位面積降雨總動(dòng)能[31]，雨滴勢能計(jì)算過程參考殷暉等[8]的研究成果，具體指標(biāo)計(jì)算公式與適用條件見表4。

表4 雨滴能量指標(biāo)計(jì)算公式

3 結(jié)果與分析

3.1 林內(nèi)外雨滴直徑的分布差異

表5可反映林外與3種林齡林內(nèi)所有樣本中的雨滴徑級(jí)數(shù)目分布情況，可得林內(nèi)外雨滴直徑大多分布在0.25～1.5 mm之間，但林外與不同林齡林內(nèi)各雨滴徑級(jí)的雨滴譜規(guī)律存在極顯著差異(p<0.01)。林外雨滴總數(shù)為3 859個(gè)，中齡林、成熟林、過熟林林內(nèi)雨滴總數(shù)分別為2 431，2 342，2 241個(gè)，林外雨滴數(shù)量比上述3種林齡林內(nèi)降雨的雨滴個(gè)數(shù)分別多58.74%，64.77%，72.20%，3種林齡林內(nèi)>1.5 mm的雨滴直徑無論是數(shù)量還是百分比均高于林外，且林外雨滴徑階在0.5～1.9 mm區(qū)間的雨滴減小幅度最大，可以確定林冠可將體積較小的雨滴匯集成更多的大雨滴，華山松林冠具匯集雨滴的作用。同時(shí)也可看出，林內(nèi)>2 mm的每個(gè)雨滴徑級(jí)的數(shù)量均多于林外且林外幾乎沒有>3.5 mm的雨滴出現(xiàn)，但林內(nèi)卻出現(xiàn)了些許5.5 mm以上的大雨滴。

此外，將3種林齡林內(nèi)雨滴分布相比發(fā)現(xiàn)，中齡林林冠層對(duì)0.125～0.25 mm徑級(jí)小雨滴數(shù)量最多分散作用更明顯，過熟林林冠對(duì)0.5 mm以上雨滴匯集作用較其它林齡更顯著?？偟恼f來，華山松林各林齡內(nèi)雨滴數(shù)量低于林外，且其林冠層對(duì)降雨雨滴即有匯集作用也有分散作用，并且中齡林對(duì)雨滴的分散作用更強(qiáng)，成熟林次之，過熟林則對(duì)雨滴的匯集作用更突出。

3.2 林內(nèi)外雨滴終點(diǎn)速度的差異

據(jù)學(xué)者對(duì)南方地區(qū)降雨研究表明林內(nèi)雨滴終點(diǎn)速度受樹木高度的影響，直徑大于3mm的大雨滴，其所在位置的枝條高度須在12 m以上才能到達(dá)雨滴終點(diǎn)速度[24]。顯然林外降雨已到達(dá)終點(diǎn)速度。然而，本研究中選取固定樣地的3個(gè)不同林齡(中齡林15 a，成熟林40 a，過熟林60 a)平均樹高分別為：12.5，15.2，18.9 m；平均枝下高分別為：6.5，4.8，3.9 m，因此，林下雨滴并未達(dá)到終點(diǎn)速度。

將選取的11場典型林內(nèi)外降雨雨滴速度終點(diǎn)速度隨雨滴直徑的變化繪制成帶直線與數(shù)據(jù)標(biāo)記的散點(diǎn)圖(圖1)，從圖1中可以看出林內(nèi)雨滴的終點(diǎn)速度隨雨滴直徑的增加而增大，當(dāng)雨滴直徑到達(dá)一定值時(shí)，其終點(diǎn)速度趨于穩(wěn)定。同時(shí)，隨華山松林齡的增大，雨滴終點(diǎn)速度相應(yīng)減小。當(dāng)雨滴直徑d小于2 mm時(shí)，林內(nèi)3種林齡林內(nèi)與林外雨滴速度無顯著差異(p>0.05)；當(dāng)d等于2 mm時(shí)，林內(nèi)外同一直徑的雨滴終點(diǎn)速度開始出現(xiàn)差異，此時(shí)，雨滴終點(diǎn)速度在6～7 m/s范圍；當(dāng)d大于2 mm時(shí)，林內(nèi)外雨滴終點(diǎn)速度具極顯著差異(p<0.01)且增長趨勢明顯，呈現(xiàn)出林外(9.45 m/s)>中齡林(8.24 m/s)>成熟林(7.63 m/s)>過熟林(7.17 m/s)的態(tài)勢，雨滴在6.9 mm時(shí)，林內(nèi)外雨滴速度均達(dá)最大值。當(dāng)雨滴直徑在7 mm以上時(shí)，林內(nèi)外雨滴終點(diǎn)速度均呈略微減小趨勢，這一方面可能與大雨滴匯集所需時(shí)間長但下落距離短，雨滴勢能減弱，動(dòng)能減小，從而到達(dá)地面的雨滴終點(diǎn)速度減小。另一方面，當(dāng)雨滴直徑達(dá)到一定值后，最終雨滴終點(diǎn)速度數(shù)值略微降低但總體趨于穩(wěn)定。同時(shí)，由于風(fēng)速、風(fēng)向的影響，實(shí)際上雨滴終點(diǎn)速度結(jié)果仍存在一定的誤差。

圖1 林內(nèi)外雨滴終點(diǎn)速度與雨滴直徑的關(guān)系

總之，雨滴終點(diǎn)速度與雨滴直徑呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.01，R2=0.80)，雨滴直徑在0.125～1.9 mm范圍林內(nèi)外雨滴終點(diǎn)速度差異不顯著(p>0.05)；當(dāng)直徑在2 mm以上時(shí)，同一直徑的3種林齡雨滴終點(diǎn)速度均小于林外雨滴終點(diǎn)速度，在直徑等于6.9 mm時(shí)雨滴終點(diǎn)速度均達(dá)到最大值。

3.3 不同降雨強(qiáng)度下林內(nèi)外雨滴動(dòng)能特征

圖2 不同降雨強(qiáng)度下林外雨滴動(dòng)能與直徑的關(guān)系

3.3.2 不同林齡華山松林內(nèi)降雨動(dòng)能特征差異 圖3表示華山松中齡林(15 a)、成熟林(40 a)、過熟林(60 a)3個(gè)林齡在不同強(qiáng)度降雨條件下，林內(nèi)降雨動(dòng)能隨雨滴徑階變化的關(guān)系。從圖3中可以看出，林內(nèi)降雨動(dòng)能隨雨滴直徑的增加而增大，達(dá)到峰值后，總體呈下降趨勢。在0.25～4.0 mm區(qū)間內(nèi)，隨雨滴直徑的增大3種林齡林內(nèi)雨滴動(dòng)能均表現(xiàn)出顯著上升的形態(tài)，兩者極顯著正相關(guān)(p<0.01，R2=0.80)。由此擬合不同強(qiáng)度降雨情況下，林內(nèi)降水動(dòng)能與雨滴直徑的關(guān)系(表6)，二者呈冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.9。

表6 不同降雨強(qiáng)度下單位面積雨滴動(dòng)能與雨滴徑級(jí)的關(guān)系方程

同時(shí)，圖3還反映出，隨降雨強(qiáng)度的增加林內(nèi)動(dòng)能也隨之增大，兩者呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01，R2=0.38)。小降雨強(qiáng)度下，3種不同林齡華山松的林下雨滴動(dòng)能達(dá)最大值后均表現(xiàn)出下降趨勢，這說明3種不同年齡華山松的林冠層均對(duì)小降雨下的雨滴動(dòng)能具有減緩作用。暴雨強(qiáng)度下3個(gè)林齡林內(nèi)的降雨動(dòng)能最大，相同雨滴直徑下過熟林林內(nèi)單位面積雨滴動(dòng)能峰值為43.70 J/(m2·mm)，分別是中齡林的1.87倍，成熟林的1.57倍。此外，中雨、大雨和暴雨條件下，林冠層對(duì)雨滴動(dòng)能削減效果不明顯，但3種不同林齡林內(nèi)動(dòng)能相比，不同降雨強(qiáng)度下，隨林齡增加單位面積雨滴動(dòng)能均表現(xiàn)為：中齡林<成熟林<過熟林，大雨和暴雨條件下中齡林對(duì)雨滴動(dòng)能削弱現(xiàn)象更明顯，且該階段對(duì)4.5～6.5 mm的雨滴動(dòng)能消減作用更為凸顯。中齡林的林下平均單位面積雨滴動(dòng)能，在大雨條件下分別比成熟林、過熟林低28.47%，44.27%，在暴雨條件下，成熟林與過熟林分別比中齡林高32.39%和45.71%。造成這一現(xiàn)象的主要原因可能是隨著華山松樹齡的增加，樹高和樹木的平均葉片角度、開放度、間隙分?jǐn)?shù)降低致使相同降雨條件下雨滴數(shù)量、大小及雨滴終點(diǎn)速度不同?？偟恼f來，中齡林、成熟林、過熟林3個(gè)林分階段，除小強(qiáng)度降雨外，林冠層對(duì)單位面積雨滴動(dòng)能的削弱作用較小，但3者相比，中齡林削弱雨滴動(dòng)能的能力更強(qiáng)。

圖3 不同降雨強(qiáng)度下3種林齡華山松林內(nèi)單位面積雨滴動(dòng)能與直徑的關(guān)系

對(duì)比圖2與圖3可知，不同林齡華山松林內(nèi)的降雨雨滴動(dòng)能均低于林外的累積雨滴動(dòng)能，這說明林冠層具有減弱降雨雨滴能量的作用。在小雨條件下，林外累計(jì)雨滴動(dòng)能就達(dá)到了林內(nèi)中雨條件下的降雨雨滴動(dòng)能的水平，且暴雨條件下過熟林、成熟林、中齡林的林內(nèi)累計(jì)降雨動(dòng)能峰值分別僅是相同條件下林外雨滴動(dòng)能的22.94%，19.04%，12.13%，這些主要與林內(nèi)外雨滴數(shù)量和是否達(dá)到雨滴終點(diǎn)速度相關(guān)。同時(shí)，受林冠層與樹高的影響，林內(nèi)到達(dá)地面的終點(diǎn)速度小于林外雨滴實(shí)際的終點(diǎn)速度，使得3個(gè)林齡的林內(nèi)雨滴動(dòng)能呈現(xiàn)：過熟林>成熟林>中齡林?？偟恼f來，不同林齡林內(nèi)與林外的雨滴動(dòng)能均隨降雨強(qiáng)度與雨滴徑級(jí)的增大而增強(qiáng)，林冠層可削弱雨滴的動(dòng)能。

3.4 不同林齡華山松林冠對(duì)雨滴勢能的分配作用

根據(jù)雨滴取樣數(shù)據(jù)，計(jì)算中齡林(15 a)、成熟林(40 a)、過熟林(60 a) 3個(gè)林齡的相應(yīng)總勢能，探析華山松的不同林齡林冠對(duì)雨滴勢能的分配規(guī)律(圖4)。結(jié)果表明，不同林齡林內(nèi)的降雨雨滴總勢能、穿透雨滴勢能及林冠緩沖勢能均隨雨滴徑級(jí)的增大呈現(xiàn)上升趨勢，尤其雨滴直徑在4.5mm以上時(shí)，增長趨勢十分明顯。由此得出各勢能與雨滴徑階之間的函數(shù)關(guān)系式為：E緩沖=0.25d3.01；E穿=0.52d2.98；E總=0.80d2.99。式中：E緩沖，E穿，E總分別表示林冠緩沖勢能、穿透雨滴勢能與降雨總勢能〔J/(m2)〕；d為雨滴直徑(mm)，各勢能與雨滴徑階間均呈冪函數(shù)關(guān)系且達(dá)到了極顯著水平(p<0.01)。此外，隨樹木林齡的增長，穿透雨滴勢能增大，林冠緩沖勢能減小，且過熟林的降雨雨滴總勢能與穿透雨滴勢能兩者均表現(xiàn)為：成熟林>中齡林，但中齡林林冠雨滴的緩沖勢能卻高于過熟林，其最大緩沖勢能高出過熟林66.67%，占降雨總勢能的52%，緩沖能力最強(qiáng)，其次是成熟林(31.58%)，緩沖能力最弱的是過熟林(20.63%)。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因主要考慮以下兩方面，一方面從中齡林過渡到成熟林再到過熟林階段，樹木產(chǎn)生自然稀疏現(xiàn)象尤其是過熟林階段表現(xiàn)尤為明顯，從而葉面積指數(shù)降低樹林生物量下降，致使樹木在成熟林后期林冠層截留效果顯著減弱。另一方面，由于中齡林階段林分長勢更佳，受冠層厚度與林木高度影響，林冠層分散雨滴能力更強(qiáng)，影響對(duì)雨滴的緩沖作用更為明顯。此外，華山松針葉有多種組合形式如一束針葉有1枚或2～3枚或4～5枚等，在水表面張力的作用下針葉黏合形成束，極大增加了大雨滴匯集的概率，受重力及風(fēng)力的綜合影響勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，最終增強(qiáng)對(duì)地表的打擊能力。因此，在水土流失嚴(yán)重或荒漠化地區(qū)的林業(yè)生態(tài)工程準(zhǔn)備與撫育期間，應(yīng)選擇林冠層比較茂盛，具較厚枯枝落葉層的樹種，同時(shí)在撫育期間，應(yīng)及時(shí)對(duì)成熟林與過熟林分進(jìn)行采伐與更新，保護(hù)地表植被。

圖4 不同林齡華山松林冠對(duì)雨滴勢能分配的關(guān)系

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

自然降雨雨滴接觸林冠層過程中，一部分雨滴在葉片匯集作用下將小雨滴聚集成直徑更大雨滴的過程稱為雨滴匯集作用，其在重力作用下降落林內(nèi)的雨滴稱為葉片滴落雨；相反，另一部分雨滴降水下落過程中與樹木枝條或葉片碰撞后被分散為直徑更小雨滴的過程成為雨滴分散作用，此時(shí)對(duì)應(yīng)的雨滴稱為飛濺液滴[32]。雨滴的匯集與分散直接決定雨滴質(zhì)量與速度，影響降水雨滴的打擊地表土壤的能力，已有研究表明林冠對(duì)雨滴的匯集作用可增加林內(nèi)降雨動(dòng)能或擊濺侵蝕能力[33]，與之相反分散作用可有效減弱雨滴擊濺侵蝕能力?？偟恼f來，林冠層通過匯集與分散作用改變雨滴特性進(jìn)而影響降雨雨滴能量。

本研究發(fā)現(xiàn)華山松林冠層有匯集與分散雨滴作用，雨滴經(jīng)林冠層后在枝葉的作用下分離為更小或聚集為更大徑階雨滴，此結(jié)果與謝春華[9]、康文星等[34]的研究成果類似。林外雨滴數(shù)量高于林內(nèi)且比中齡林、成熟林、過熟林3種林齡林內(nèi)降雨的雨滴個(gè)數(shù)分別多58.74%，64.77%，72.20%，這和史宇等對(duì)側(cè)柏林冠層研究中的林內(nèi)雨滴數(shù)高于雨林外37.8%[31]這一成果不同，造成這一差異的主要原因可能是與側(cè)柏相比針葉具更高的雨滴截留容量，水滴滯留效果更突出相關(guān)。同時(shí)，此研究成果也與李桂靜等[31]對(duì)南方紅壤地區(qū)馬尾松林林內(nèi)雨滴總數(shù)高于林外19.5%的結(jié)論存在差異，這一差異產(chǎn)生的原因可能是馬尾松林針葉多為2針一束罕見3針一束，而華山松針葉多為5針一束，水滴的表面張力將針葉粘合成一束所需時(shí)間更長，對(duì)雨滴的截持效果更明顯；還可能是由于研究區(qū)氣候條件不同，特別是降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)等因素造成的。

研究發(fā)現(xiàn)華山松林內(nèi)外雨滴直徑大多分布在0.25～1.5 mm范圍，這與曹光秀等對(duì)滇中高原常綠闊葉林的研究中林內(nèi)降雨雨滴直徑0.5～3.5 mm的雨滴數(shù)量最多有所不同[17]，原因可能是常綠闊葉林葉片與華山松林針葉相比，葉片承雨面積更大，匯集雨滴的能力更強(qiáng)導(dǎo)致的，還有可能與常綠闊葉林枝葉之間的重合度、開合度也高于華山松林有關(guān)。

雨滴終點(diǎn)速度是決定降雨初期雨滴動(dòng)能大小的關(guān)鍵物理參數(shù)，本研究發(fā)現(xiàn)林內(nèi)外雨滴終點(diǎn)速度均隨著雨滴直徑的增大而逐漸增加，到達(dá)一定值后趨于穩(wěn)定，此研究結(jié)果與史宇對(duì)北京山區(qū)側(cè)柏林冠層[32]的成果類似。在不同降雨強(qiáng)度條件下，林內(nèi)外雨滴動(dòng)能表現(xiàn)為：林外>過熟林>成熟林>中齡林，這與吳光艷等對(duì)黃土高原南部人工林中低林冠使雨滴速度降低從而雨滴動(dòng)能減少的研究[35]結(jié)果相符合。因此，應(yīng)特別注意林分的管理，及時(shí)采伐更新，發(fā)揮林木的最大經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)保留林下枯落物緩解消散雨滴打擊地表的能力。另外，研究還發(fā)現(xiàn)華山松林冠對(duì)雨滴勢能具有一定的緩沖作用，中齡林的林冠相比于成熟林和過熟林，對(duì)雨滴勢能的緩沖作用更為明顯，此結(jié)論與謝春華對(duì)長江上游暗針葉生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其對(duì)降雨的分配功能的研究結(jié)果一致[10]。所以，對(duì)雨水土流失嚴(yán)重的地區(qū)，經(jīng)濟(jì)允許的情況下，可選擇林木林齡偏大，林冠繁茂的樹種，以降低強(qiáng)降雨下的降雨勢能，同時(shí)考慮樹種凋落的枯枝落葉層厚度，便于對(duì)林下匯集的大雨滴產(chǎn)生的動(dòng)能進(jìn)行削減。

本研究僅針對(duì)滇中高原華山松人工純林對(duì)雨滴動(dòng)能的影響進(jìn)行研究，研究結(jié)果對(duì)于其他緯度差異較大地區(qū)、樹種，其林冠對(duì)雨滴能量的影響可能存在一定的差異。希望今后能夠繼續(xù)深入對(duì)不同樹種的特異性、雨滴空間異質(zhì)性、樹種形態(tài)結(jié)構(gòu)特征、不同氣象條件對(duì)雨滴動(dòng)能的影響的研究，進(jìn)一步對(duì)林冠層對(duì)降雨輸入過程中對(duì)雨滴能量的分配進(jìn)行補(bǔ)充。

4.2 結(jié) 論

(1) 華山松林內(nèi)外雨滴直徑多集中在0.25～1.5 mm范圍，林內(nèi)雨滴數(shù)量：過熟林>成熟林>中齡林。華山松林各林齡階段對(duì)雨滴均有匯集與分散作用，中齡林對(duì)雨滴分散作用更強(qiáng)，成熟林次之，過熟林則表現(xiàn)為較強(qiáng)的匯集作用。

(2) 林內(nèi)外雨滴終點(diǎn)速度隨雨滴徑級(jí)的增加而增大到達(dá)一定值后趨于穩(wěn)定，二者呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01，R2=0.80)，林內(nèi)雨滴終點(diǎn)速度：中齡林>成熟林>過熟。

(4) 降雨雨滴總勢能、穿透雨滴勢能及林冠緩沖勢能均隨雨滴徑級(jí)的增大呈現(xiàn)上升趨勢。同時(shí)，各勢能與雨滴直徑間均呈冪函數(shù)關(guān)系且達(dá)到極顯著水平(p<0.01)，中齡林對(duì)降雨雨滴的緩沖勢能效果最好，成熟林次之，緩沖能力最弱的是過熟林。