城市樟子松人工林對(duì)大氣降雨的截留分配1)

薛婷 李奕 郭娜 盛后財(cái)

(東北石油大學(xué)，大慶，163318) (萍鄉(xiāng)學(xué)院) (黑龍江東方學(xué)院) (東北林業(yè)大學(xué))

全世界沙漠面積約為4.5×107km2，占地球陸地面積30%[1]，且由于過(guò)度放牧和亂砍濫伐導(dǎo)致土地沙漠化[2]，每年干旱和半干旱地區(qū)有6×104km2土地變成沙漠[3]。在被侵蝕土地上，適宜樹(shù)種的系統(tǒng)造林能夠增加薪材量，降低天然植被遭破壞的壓力，緩解沙漠化。由于水是干旱半干旱地區(qū)植被生長(zhǎng)限制因素，因此，確定大規(guī)模造林對(duì)區(qū)域水量平衡的影響十分重要[1]。

森林對(duì)降雨的截留能夠影響滲透、侵蝕、土壤水分分布、地下徑流、洪水等水文過(guò)程[4]，是流域水量平衡的重要過(guò)程[5]，量化森林冠層對(duì)降雨的截留對(duì)森林流域水文預(yù)測(cè)非常重要。然而，由于受到冠層結(jié)構(gòu)、樹(shù)間距、風(fēng)、降雨強(qiáng)度、蒸發(fā)等諸多因素影響，降雨截留很難實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量[6]。雖然降雨截留在一定程度上已經(jīng)被模擬，但為了實(shí)現(xiàn)這些模型，許多冠層特征和氣象因素是必要條件，而模型得來(lái)的數(shù)據(jù)往往需要進(jìn)行修正后才能在實(shí)際中應(yīng)用[3]。因此，為了確定冠層截留損失量，降水量、穿透水量、樹(shù)干徑流量的測(cè)定十分必要。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)是歐洲赤松(Pinussylvestris)的一個(gè)變種，具有耐干旱、貧瘠和適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，是我國(guó)北方沙區(qū)種植范圍最廣的樹(shù)種[7]；其形成的群落防風(fēng)固沙效益和土壤水分與養(yǎng)分的改良效益顯著[8-9]，對(duì)控制沙地?cái)U(kuò)張起到重要作用[10]。作為固碳[11]、治沙[8]的主要植被，樟子松的苗木培育及造林技術(shù)研究較多，但對(duì)其生態(tài)水文過(guò)程的研究不多，且僅限于蒸騰耗水[12]、水源涵養(yǎng)方面[13]，對(duì)降雨截留分配方面的研究很少。目前僅對(duì)大興安嶺地區(qū)[3，14]、科爾沁沙地[15]、黑龍江省東部地區(qū)[16-18]進(jìn)行了少量研究，但對(duì)樟子松林降雨分配各分量產(chǎn)生需要降雨閾值及其影響因素等方面的研究，業(yè)內(nèi)沒(méi)有取得共識(shí)。本研究選擇降雨集中且冠層穩(wěn)定時(shí)期(6—8月份)，在哈爾濱市城市林業(yè)示范基地(126°37′15″E，45°43′10″N)，以樟子松人工林為研究對(duì)象，對(duì)哈爾濱城區(qū)樟子松人工林降雨截留分配進(jìn)行定位觀(guān)測(cè)；通過(guò)量化樟子松林降雨截留分配，確定各分量產(chǎn)生的降雨閾值，分析各分量變化與降雨的關(guān)系，了解樟子松人工林生態(tài)系統(tǒng)的水循環(huán)過(guò)程；旨在為城市森林的經(jīng)營(yíng)管理以及干旱、半干旱地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)水資源管理提供參考。

1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)地為哈爾濱市城市林業(yè)示范基地(126°37′15″E，45°43′10″N)，哈爾濱市氣候特征和研究區(qū)概況見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。樟子松人工林是1957年定植，1960年補(bǔ)植一次，1965年間伐撫育透光形成。樟子松人工林郁閉度為0.8，林下分布有水曲柳(Fraxinusmandshurica)、黃檗(Phellodendronamurense)幼苗以及金銀忍冬(Loniceramaackii)、烏蘇里鼠李(Rhamnusussuriensis)等灌木，高度在1.7～2.5 m之間，蓋度為60%～70%；草本植物主要為苦荬菜(Ixerispolycephala)，平均高度20 cm，蓋度為10%～20%。在人工林中心區(qū)域設(shè)置10 m×10 m觀(guān)測(cè)樣地，基本特征：森林類(lèi)型為樟子松林、林齡為59 a、平均樹(shù)高17.5 m、平均胸徑20.1 cm、林分密度為1 140株·hm-2、蓄積量為159.2 m3·hm-2。

2 研究方法

林外降雨(Hf)：在距觀(guān)測(cè)樣地150 m遠(yuǎn)的樓頂布設(shè)雨量計(jì)(HOBO RG3-M))測(cè)定降雨量。

穿透雨(Hp)：觀(guān)測(cè)樣地內(nèi)十字交叉布設(shè)13個(gè)自制雨量筒(詳見(jiàn)文獻(xiàn)[20])，雨后測(cè)量13個(gè)穿透雨量平均值記為樣地穿透雨量(mm)。

樹(shù)干徑流(Ft)：參照文獻(xiàn)[21]中方法，選取5株標(biāo)準(zhǔn)木，雨后測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)木樹(shù)干徑流量，并依據(jù)下式計(jì)算樣地樹(shù)干徑流量，F(xiàn)t=∑[(FiNi)/(A·104)]，i=1、2、…、n。式中：Ft為樣地樹(shù)干徑流量(單位為mm)；n為徑階數(shù)；Ni為第i徑階喬木株數(shù)；Fi為第i徑階標(biāo)準(zhǔn)木樹(shù)干徑流量(單位為mL)；A為樣地面積(單位為m2)。

林冠截留(I)：根據(jù)水量平衡方程I=Hf-Hp-Ft算得林冠截留量(mm)。

3 結(jié)果與分析

3.1 林外降雨特征

根據(jù)間隔4 h以上即劃分為2次降雨事件[22]，2015年5—9月份共觀(guān)測(cè)31場(chǎng)降雨(430.2 mm)，為同期多年平均降雨量的99.51%；降雨集中在6—8月份(339.1 mm)，且以低雨強(qiáng)、長(zhǎng)歷時(shí)為主(見(jiàn)表1、文獻(xiàn)[20]和[21])。

表1 林外降雨統(tǒng)計(jì)

3.2 穿透雨及其變異性

林內(nèi)總穿透雨量185.7 mm，穿透率為54.76%。不同月份穿透雨量差異顯著，其中，8月份最多(71.9 mm)，占總穿透雨量38.72%；7月份最少(47.8 mm)，占總穿透雨量25.74%。統(tǒng)計(jì)分析可知(見(jiàn)圖1)，穿透雨量與降雨量呈極顯著線(xiàn)性關(guān)系(P<0.01)，擬合方程為Hp=aHf-b；而穿透雨率與降雨量有顯著的冪函數(shù)關(guān)系(P<0.05)，但擬合不佳(R2=0.217 7)。由線(xiàn)性擬合方程參數(shù)b/a可知，產(chǎn)生穿透雨的最小降雨量為3.6 mm。

圖1 林外降雨與穿透雨關(guān)系的擬合結(jié)果

冠層穩(wěn)定期(6—8月份)的20場(chǎng)降雨事件，樟子松林的穿透雨率在15.93%～80.32%之間，平均值為(53.34±18.82)%，變異系數(shù)35.29%。由圖2可知，隨著降雨量增加，林下不同位置(13個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn))穿透雨變異減小，二者呈極顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.01)。擬合的對(duì)數(shù)方程：CV=-47.26ln(Hf)+183.62，R2=0.328，n=20，P<0.01；式中,CV為林下13個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)的穿透雨率變異系數(shù)，Hf是降雨量(單位為mm)。

圖2 穿透雨變異系數(shù)與林外降雨量關(guān)系的擬合結(jié)果

3.3 樹(shù)干徑流

樟子松林總樹(shù)干徑流量為29.7 mm，樹(shù)干徑流率為8.76%。不同月份間差異顯著，其中8月份最大(16.2 mm)，占總樹(shù)干徑流量54.55%；6月份最少(6.1 mm)，占總樹(shù)干徑流量20.54%。統(tǒng)計(jì)分析表明(見(jiàn)圖3)，樹(shù)干徑流率與降雨量不相關(guān)(P>0.05)，而樹(shù)干徑流量與降雨量呈極顯著的正相關(guān)(P<0.01)，擬合對(duì)數(shù)方程為Ht=aln(Hf)+b。由方程參數(shù)eb/a可知，產(chǎn)生樹(shù)干徑流的最小降雨量為6.7 mm。

圖3 樹(shù)干徑流與林外降雨量關(guān)系的擬合結(jié)果

3.4 林冠截留特征

觀(guān)測(cè)期林冠截留總量123.8 mm，截留率為36.51%。不同月份間差異顯著，其中8月份最大(71.3 mm)，占截留總量57.59%；6月份最少(12.3 mm)，占截留總量9.94%。觀(guān)測(cè)期20場(chǎng)降雨的林冠截留量在1.4～11.2 mm之間，平均林冠截留量(6.2±1.4)mm，平均截留率(43.49±8.86)%，變異系數(shù)依次為48.60%、61.37%。統(tǒng)計(jì)分析表明(見(jiàn)圖4)，林冠截留量與降雨量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，而林冠截留率與降雨量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

圖4 林冠截留與降雨關(guān)系的擬合結(jié)果

4 討論

穿透雨受降雨特征和林分結(jié)構(gòu)影響。通常穿透雨量和降雨量呈線(xiàn)性關(guān)系，當(dāng)超過(guò)某一降雨量時(shí)才產(chǎn)生穿透雨，且森林冠層越復(fù)雜、郁閉度越大，產(chǎn)生樹(shù)干徑流的最小降雨量越大[22-23]；穿透雨率隨降雨量的增加而增加，可用對(duì)數(shù)方程模擬[14，24]，也可用指數(shù)函數(shù)模擬[15]。本研究中，穿透雨量隨降雨量的增加而增大，二者呈極顯著正相關(guān)，與已報(bào)道的結(jié)果一致[14-16，25]；而穿透雨率與降雨量呈顯著冪函數(shù)關(guān)系，與以往的擬合方程不同，但變化趨勢(shì)一致。

本研究穿透雨率為54.76%，低于以往的研究結(jié)果(67.95%～94.25%，見(jiàn)表2)。其原因在于：首先，本研究中樟子松林郁閉度(0.8以上)高于其他研究，郁閉度大，對(duì)降雨的阻力大，不利于穿透雨形成和增加；其次，本研究在降雨集中的6—8月份開(kāi)展觀(guān)測(cè)，冠層郁閉最好，且天氣條件有利于水汽蒸發(fā)，提高了林冠截留的效率，不利于穿透雨的形成，而其他時(shí)間(4、5、9、10月份)冠層處于展葉和落葉期，有利于穿透雨的形成，綜合整體(4—10月份)數(shù)據(jù)則6—8月份穿透雨率值相對(duì)提高；第三，垂直結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能夠有效阻止雨水下落，本研究中灌木植物發(fā)達(dá)，高度1.7～2.5 m，蓋度60%～70%，而其他研究中沒(méi)有明確說(shuō)明。這些因素導(dǎo)致了本研究中穿透雨率較低。

已有研究表明，除降雨特征外，樹(shù)木胸徑、樹(shù)皮吸水能力、樹(shù)皮粗糙程度、樹(shù)枝分角、冠形結(jié)構(gòu)，均能夠影響樹(shù)干徑流量[23，26]。樟子松樹(shù)葉細(xì)長(zhǎng)；樹(shù)枝分角大；樹(shù)干上部及樹(shù)枝樹(shù)皮光滑，少量裂成薄片，不易吸水；樹(shù)干下部(3～4 m)樹(shù)皮厚而開(kāi)裂，成鱗狀塊片結(jié)構(gòu)，容易吸水，不利于樹(shù)干徑流的產(chǎn)生。本研究中樟子松樹(shù)干徑流率為8.76%，高于李奕等[14]對(duì)天然樟子松林的研究結(jié)果(1.38%)，這是由于人工林長(zhǎng)勢(shì)均勻，林冠垂直結(jié)構(gòu)比天然林簡(jiǎn)單，有利于降雨量小時(shí)產(chǎn)生樹(shù)干徑流；8.76%的樹(shù)干徑流率也高于劉亞、姜海燕、韓輝等[15，25，31]對(duì)人工樟子松林的研究結(jié)果(見(jiàn)表2)，與辛穎、韓春華、劉強(qiáng)等[16-18]在同區(qū)域的研究結(jié)果相近(9.45%、10.33%、5.08%)。這是由于本研究中小降雨量事件發(fā)生頻率較低，多為5～20 mm的降雨事件，這是導(dǎo)致樹(shù)干徑流率較大的原因之一；林分密度差異也是樹(shù)干徑流差異的另一個(gè)原因；并且研究表明，相同降雨條件時(shí)，在一定胸徑范圍內(nèi)，樹(shù)干徑流隨著胸徑的增加而增加[3]，因此，以上綜合因素導(dǎo)致了本研究樹(shù)干徑流率的結(jié)果。

表2 不同地區(qū)樟子松林降雨再分配格局

Ⅰ為黑龍江漠河森林生態(tài)站(53°28′1.5″N，122°20′26.6″E)，Ⅱ?yàn)榧痈襁_(dá)奇市區(qū)西南15 km(50°21′N(xiāo)，123°58′E)，Ⅲ為哈爾濱市城市林業(yè)示范基地(45°43′10″N，126°37′15″E)，Ⅳ、Ⅴ為東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)(45°23′～26′N(xiāo)，127°36′～39′E)，Ⅵ為東北林業(yè)大學(xué)老山實(shí)驗(yàn)站(45°20′N(xiāo)，127°30′E)，Ⅶ為烏蘭敖都荒漠化試驗(yàn)站(43°2′N(xiāo)，119°39′E)，Ⅷ為遼寧省固沙造林研究所實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)(42°43′N(xiāo)，122°22′E)。

已有研究表明，我國(guó)主要森林的冠層截留率介于14.7%～31.8%之間[27]，有些地區(qū)林冠截留也會(huì)超過(guò)50%[28]，歐洲赤松的林冠截留率一般在13%～37%范圍內(nèi)[29]，而樟子松截留率一般在5.60%～30.95%范圍內(nèi)(見(jiàn)表2)。本研究中，樟子松林冠層截留率為36.51%，處于樟子松截留的正常范圍內(nèi)，高于全國(guó)主要森林冠層截留率最大值。且研究發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)域樟子松人工林，其林冠截留率差異也較大(見(jiàn)表2)。其原因在于：首先，本研究中林分郁閉度高于其他研究，郁閉度大能夠增加森林冠層對(duì)降雨的阻力，有利于林冠對(duì)降雨的截留；其次，本研究在降雨集中的6—8月份開(kāi)展，天氣條件有利于林冠截留的降雨快速蒸發(fā)，森林冠層能夠快速恢復(fù)截留能力，有利于對(duì)降雨的截留；第三，本研究中灌木植物茂盛，林內(nèi)垂直結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分高大灌木的截留也計(jì)入了林冠截留，一定程度的夸大了樟子松冠層的截留能力，而其他研究中沒(méi)有對(duì)林分垂直結(jié)構(gòu)的說(shuō)明。這些因素綜合作用導(dǎo)致本研究林冠截留較高。

5 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)哈爾濱樟子松人工林降雨分配的研究，明晰了其穿透雨、樹(shù)干徑流和林冠截留的變化規(guī)律，確定了穿透雨和樹(shù)干徑流產(chǎn)生的閾值，對(duì)樟子松人工林的經(jīng)理管理具有參考意義。

樟子松林穿透雨、樹(shù)干徑流和林冠截留量，均與降雨量呈正相關(guān)關(guān)系。

降雨量超過(guò)3.6 mm時(shí)樟子松林出現(xiàn)穿透雨，降雨量超過(guò)6.7 mm時(shí)產(chǎn)生樹(shù)干徑流。

受降雨量的影響，樟子松林穿透雨率具有較大變異性(變異系數(shù)在15.93%～80.32%之間)，且降雨量與穿透雨率變異系數(shù)呈極顯著的對(duì)數(shù)關(guān)系(P<0.01)。

本研究中，樟子松林冠層截留率為36.51%，高于已有研究中樟子松林冠截留率(5.60%～30.95%)，也高于全國(guó)主要森林平均林冠截留上限值(31.8%)。