青海高寒地區(qū)典型針葉林的降雨分配特征及Gash修正模型的應(yīng)用

左亞凡，賀康寧?，王帥軍，俞國峰，柴世秀，李遠(yuǎn)航

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，水土保持國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；北京市水土保持工程技術(shù)研究中心；林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心，100083，北京；2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，310000，杭州； 3.青海省西寧市大通縣氣象局，810100，西寧)

森林作為最大的陸地類生態(tài)系統(tǒng)，能夠涵養(yǎng)水源、攔洪蓄洪、減少地表徑流中的泥沙含量、改變局部地區(qū)小氣候以及改善水質(zhì)，并且在水文過程中發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用[1-3]。林冠層位于森林的最頂層，是與降水直接接觸的第一個(gè)部分，在對降水的分配過程中具有先導(dǎo)作用。降雨通過林冠層后將被分為穿透雨、樹干莖流以及冠層截留3部分，降雨強(qiáng)度及分布狀況均發(fā)生改變，最終體現(xiàn)在對降雨的“能”和“量”的調(diào)節(jié)上，從而對森林生態(tài)水文過程產(chǎn)生重要影響[4]。

冠層截留是評價(jià)森林水源涵養(yǎng)功能的一個(gè)重要指標(biāo)，但由于不同立地的林分結(jié)構(gòu)和氣候條件差異較大，影響因素眾多，如何準(zhǔn)確測量冠層截留成為近年來國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一。自1919年Horton提出了冠層截留的概念后[5]，除實(shí)際測量外，很多學(xué)者也競相建立起不同的模型對冠層截留進(jìn)行模擬和預(yù)測，主要分為理論模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃桶肜碚摪虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?大類，比如Horton模型[5]；Rutter模型[6-8]；Gash模型[9]；以及我國學(xué)者建立的劉家岡模型等[10]。其中被應(yīng)用最廣泛的模型為半經(jīng)驗(yàn)半理論的Gash模型，半經(jīng)驗(yàn)半理論模型相較于理論模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?yōu)點(diǎn)在于簡化理論模型中過于繁瑣的推導(dǎo)和計(jì)算過程并增加經(jīng)驗(yàn)公式中所沒有涉及到的截留過程，同時(shí)又保留二者的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的適用性[11-12]。Gash模型是在Rutter模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而來的，Rutter模型在實(shí)際應(yīng)用中由于測量和計(jì)算的氣象要素多而雜，極不方便，Gash于1979年在Rutter模型的微氣候原理的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行簡化，之后經(jīng)過Gash及多位學(xué)者的修正，最終形成了現(xiàn)在流行的Gash修正模型。Gash修正模型在國內(nèi)外已經(jīng)有大量的應(yīng)用，徐麗娜等[13]應(yīng)用修正Gash模型對長白山地區(qū)的白樺林和云冷杉針葉混交林的冠層截留進(jìn)行模擬以評價(jià)模型的適用性；何常清等[14]在岷江上游亞高山川滇對高山櫟林的林冠截留量進(jìn)行模擬，并定量化該種森林類型在應(yīng)用Gash模型時(shí)的參數(shù)值；曹光秀等[15]基于修正后的Gash模型模擬亞熱帶常綠闊葉林的截留過程，為當(dāng)?shù)厣稚鷳B(tài)水文研究提供科學(xué)依據(jù)。一些國外學(xué)者譬如Murakami[16]、Fathizadeh等[17]和Motahari等[18]也應(yīng)用Gash修正模型分別對日本柏樹幼林、伊朗半干旱地區(qū)扎格羅斯森林中的布蘭特櫟以及半干旱氣候區(qū)松柏人工林的截留過程進(jìn)行模擬。

筆者應(yīng)用修證后的Gash模型，對青海省高寒地區(qū)的2種典型針葉林(華北落葉松和青海云杉)的截留過程進(jìn)行模擬，旨在了解同一立地條件不同林分的降水分配特征，同時(shí)又能夠?yàn)樯值乃春B(yǎng)綜合能力評價(jià)提供科學(xué)理論依據(jù)，維持林分穩(wěn)定性，以充分發(fā)揮該地區(qū)林分的水土保持功能和水源涵養(yǎng)功能。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)在青海省西寧市大通回族自治區(qū)(E 100°51′～101°56′，N 36°43′～37°23′)闇門灘流域，該地區(qū)位于青藏高原和黃土高原的過度帶，地勢自東南到西北逐漸升高，海拔2 280～4 600 m，屬于大陸性高原氣候；全年降雨量由東南至西北部呈增加趨勢，全年降水量達(dá)450 mm以上且分布極不均勻，5—9月的降雨量占全年降雨量的85%左右，全年日照充足，年蒸發(fā)量在1 750 mm左右。該地區(qū)主要的造林樹種為青海云杉(Piceacrassifolia)和華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)。其中青海云杉為自然更新的頂級群落，而華北落葉松多為人工栽植養(yǎng)護(hù)。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

林分樣方使用手持GPS、指南針和坡度儀測定海拔、坡位、坡度、坡向并記錄。樣方按照20 m×20 m布置，4個(gè)邊角使用噴漆做出標(biāo)記，并用玻璃繩圍起。從樣地左下角作為起點(diǎn)呈S型對樣地內(nèi)樹木進(jìn)行編號，使用測高儀、胸徑尺分別測量樣地內(nèi)每棵編號樹的樹高和胸徑并記錄其平均值；每個(gè)樣地內(nèi)選取5棵標(biāo)準(zhǔn)木，使用生長錐由南北方向鉆入樹干，將獲取的隨心帶回實(shí)驗(yàn)室泡水后數(shù)出其年輪數(shù)量，估算林齡。樣地具體信息見表1。

表1 樣地信息Tab.1 Information of plot

2.2 觀測數(shù)據(jù)的獲取

1)林內(nèi)降水?dāng)?shù)據(jù)獲取。在所選典型植被類型的樣方內(nèi)林下，采取6×6點(diǎn)陣式布設(shè)簡易雨量桶，每個(gè)雨量桶間隔3 m，以觀測林內(nèi)穿透雨量。在每個(gè)樣地內(nèi)選取3株代表不同徑階的標(biāo)準(zhǔn)木，在每個(gè)典型林木的樹干上纏繞一圈中部被剖開的PVC塑料軟管作為導(dǎo)水槽，用U型針固定，并將軟管和樹干之間的縫隙采用玻璃膠進(jìn)行密封，避免樹干流無法全部流入塑料軟管導(dǎo)水槽，下接簡易集水器，以收集樹干莖流。穿透雨和樹干莖流同步觀測，每次觀測結(jié)束均采用量筒測量降水量。要想直接準(zhǔn)確觀測到林冠層截留量是非常困難的，通常采用的方法是使用其他數(shù)據(jù)間接計(jì)算得出，可用水量平衡法[19]進(jìn)行計(jì)算：

I=PG-Sf-Tf。

式中：I為林冠層的截留量；PG為林外降雨量，mm；Sf為林內(nèi)穿透雨量，mm；Tf為樹干莖流量，mm。

2)常規(guī)氣象參數(shù)測定。在林外空闊場地處及護(hù)林房布設(shè)便攜式氣象站(DAVIS公司生產(chǎn)，Vantage Pro2 Plus，美國)，該儀器采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為60 s，每30 min記錄1次平均數(shù)據(jù)，該氣象站測量的主要?dú)庀髷?shù)據(jù)有太陽輻射、風(fēng)速、溫度、大氣濕度、降水量等。

2.3 理論模型

使林冠層達(dá)到飽和狀態(tài)的最小降雨量可用下式計(jì)算：

樹干持水能力達(dá)到飽和狀態(tài)所需的最小降雨量可用下式計(jì)算：

樹干莖流量(Sa)和穿透雨量(Ta)可用下式進(jìn)行計(jì)算[22]：

式中：Saj為第j場降雨產(chǎn)生的樹干莖流量，mm；Taj為第j場降雨產(chǎn)生的穿透雨量，mm。

在應(yīng)用Gash修正模型時(shí)，需要滿足以下幾個(gè)基本假設(shè)條件：1)林冠沒有達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，不會產(chǎn)生穿透雨；2)只有林冠處于飽和狀態(tài)才會產(chǎn)生樹干莖流；3)只有在1次降雨結(jié)束的時(shí)候，才會產(chǎn)生蒸散量。2次降雨之間要有足夠的干燥期，以使林冠完全干燥，本研究采用8 h為1次降雨間隔，即2次降雨間隔時(shí)間<8 h時(shí)，視為一場降雨。

2.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、誤差分析和敏感性分析，通過計(jì)算模擬值(predicted)和實(shí)測值(observed)的相對誤差(MRE)來確定模型模擬的準(zhǔn)確性，相對誤差計(jì)算公式如下：

3 結(jié)果與分析

3.1 林外降雨及蒸發(fā)特征

在觀測期內(nèi)(5月15日—8月15日)共檢測到29次降雨，單次最大的降雨量為30.38 mm，出現(xiàn)于7月25日，單次最小降雨量為0.4 mm發(fā)生于6月11日；觀測期降雨量共計(jì)255.83 mm；降雨總歷時(shí)大約為155 h；平均降雨強(qiáng)度為1.95 mm/h，降雨強(qiáng)度最大為4.8 mm/h，出現(xiàn)于6月16日；最小降雨強(qiáng)度為0.52 mm/h，發(fā)生在6月8日。單次降雨量較少，強(qiáng)度較高，是該地區(qū)的降水特征。利用Penman-Monteith方程計(jì)算的平均蒸發(fā)速率如圖1所示。

圖1 林外降雨特征及平均蒸發(fā)速率Fig.1 Rainfall characteristics outside forest and average evaporation rate

3.2 林內(nèi)穿透雨特征

華北落葉松與青海云杉的穿透雨與降雨量保持著良好的正相關(guān)關(guān)系，穿透雨量隨著降雨量的增大而不斷增大，分別占總降雨量的74.06%和71.03%，其關(guān)系式如下：

華北落葉松：Sf=0.796 51PG-0.493 34
青海云杉：Sf=0.743 3PG-0.297 04

由圖2可見，華北落葉松在降雨量為0.4 mm的降雨場次中，穿透雨量為0，青海云杉在降雨量為0.4 mm和0.73 mm的降雨場次中穿透雨為0。在相同的降雨條件下，華北落葉松樣地的穿透雨比例要略大于青海云杉樣地。

Sf為穿透雨量，mm；PG為林外降雨量，mm。Sf is throughfall, mm; PG is Rainfall outside forest, mm圖2 穿透雨量和降雨量的回歸關(guān)系Fig.2 Regression relationship between throughfall and rainfall

3.3 林內(nèi)樹干莖流特征

通過建立樹干莖流和降雨量的回歸方程可發(fā)現(xiàn)，兩者基本上呈線性正相關(guān)關(guān)系，可用下式表示：

華北落葉松：Tf=0.002 8PG-0.011
青海云杉：Tf=0.017 5PG-0.049

華北落葉松和青海云杉的樹干莖流占總降雨量的比例分別為0.15%和1.195%，相較于穿透雨量來說要小很多。樹干莖流并不是一開始降雨就會產(chǎn)生的，而是具有一定時(shí)滯性，由圖3可以看出，落葉松在降雨量為8.62 mm左右開始產(chǎn)生樹干莖流，而青海云杉在降雨量5.3 mm時(shí)產(chǎn)生樹干莖流。樹干莖流量和降雨量的擬合關(guān)系相比于穿透雨量較為分散。

Tf為樹干莖流量，mm。Tf is stemflow, mm. 圖3 樹干莖流量和降雨量的回歸關(guān)系Fig.3 Regression relationship between stemflow and rainfall

3.4 林冠層截留特征

筆者利用水量平衡的原理，通過上文中所提到的穿透雨、樹干莖流及降雨量的觀測值，間接推算出林冠截留量，并建立其與林外降雨量的回歸方程，如下：

華北落葉松：I=0.200 74PG+0.504 38
青海云杉：I=0.239 21PG+0.339 77

I為樹冠截留量，mm。I is canopy interception, mm.圖4 冠層截留量與降雨量的回歸關(guān)系Fig.4 Regression relationship between canopy interception and rainfall

如圖4所示，兩樹種林分的林冠截留量與降雨量均呈正相關(guān)關(guān)系，隨著降雨量的增大，截留量也在不斷增大；但其離散程度較穿透雨量—降雨量的回歸方程較大。在整個(gè)觀測期內(nèi)，華北落葉松的總截留量為65.98 mm，單場次降雨的截留率在13.12%～100%，觀測期內(nèi)總的截留率為25.79%；青海云杉的截留量為71.05 mm，略大于華北落葉松，單次降雨的截留率為15.95%-100%，總截留率為27.78%。

3.5 模型參數(shù)確定

1)使用Leyton[23]提出的殘差回歸法進(jìn)行計(jì)算。最終得出華北落葉松的冠層飽和持水量為1.342 6 mm，青海云杉為1.576 3 mm(表2)，大于使用浸水法測得的華北落葉松(1.28 mm)和青海云杉(1.37 mm)的冠層飽和持水量。該現(xiàn)象與蘆新建等[20]和王軍帥[24]的研究結(jié)果相同，即利用回歸法模擬出的林冠枝葉部分的持水能力會被高估。

表2 大于拐點(diǎn)且殘差大于0的降雨量與對應(yīng)穿透雨量的回歸方程Tab.2 Regression equation of rainfall and corresponding throughfall when PG>P0 and Sδ>0

2)樹干最大持水量和樹干莖流系數(shù)一般采用回歸法得出[25-26]。華北落葉松和青海云杉的樹干最大持水量分別為0.011 mm和0.049 mm；樹干莖流系數(shù)分別為0.002 8和0.017 5。

3.6 模型模擬

筆者應(yīng)用修正后的Gash模型分別對華北落葉松和青海云杉2個(gè)林分進(jìn)行了截留模擬，具體如表3所示。在整個(gè)觀測期內(nèi)，兩種林分的模擬值均為穿透雨量>冠層截留量>樹干流，與實(shí)測值有相同的趨勢。其中，華北落葉松的模擬冠層截留量為59.02 mm，低于實(shí)測值6.96 mm，相對誤差為10.55%；模擬樹干莖流量為0.27 mm，低于實(shí)測值0.11 mm，相對誤差為28.95%；而穿透雨量的模擬值則略大于實(shí)測值，相對誤差為3.73%。青海云杉的冠層截流量為61.36 mm，比實(shí)測值小9.69 mm，相對誤差為13.64%；樹干莖流量的模擬值為2.41 mm，比實(shí)測值小0.64 mm；穿透雨模擬值(192.05 mm)比實(shí)測值(181.73 mm)高10.32 mm，相對誤差為5.68%。Gash修正模型對于華北落葉松的林冠截留量的模擬效果要優(yōu)于青海云杉。

表3 Gash修正模型的模擬結(jié)果與實(shí)測值對比Tab.3 Comparison of simulated results by the revised Gash model and measured ones

3.7 敏感性分析

is average rainfall intensity, mm/h; S is water holding capacity of canopy saturation, mm; St is maximum water holding of trunk, mm; Pt is coefficient of stem flow. 圖5 敏感性分析Fig.5 Sensitivity analysis

4 討論

4.1 林分的降雨分配特征

相關(guān)文獻(xiàn)表明，我國主要的林分類型的截留率大約在11.4%～36.5%之間[27]，蘆新建等[20]對高寒地區(qū)25次降雨中的華北落葉松截留率的測量結(jié)果為23.34%；高嬋嬋等[12]對祁連山東部地區(qū)28次降雨中的青海云杉截留率的實(shí)測值為25.30%，與本研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近。筆者發(fā)現(xiàn)，青海云杉的截留量略高于華北落葉松，但是前者產(chǎn)生的樹干流(3.05 mm)卻遠(yuǎn)大于后者(0.38 mm)，魏曦等[26]在河北圍場縣林場的研究中測得華北落葉松的樹干莖流為0.17～0.51 mm遠(yuǎn)小于油松的樹干流0.64～2.81 mm，這說明華北落葉松樹皮的形態(tài)特征不易產(chǎn)生樹干莖流。筆者發(fā)現(xiàn)，華北落葉松的林分密度和郁閉度均小于青海云杉樣地，這可能是造成前者樹干莖流小于后者的原因。

4.2 模型模擬

在應(yīng)用Gash模型的模擬中，2種林分的模擬值均小于實(shí)測值，這與曹光秀等[15]、柴汝杉等[28]分別對亞熱帶常綠闊葉林和紅松林的研究結(jié)果一致，造成模擬值偏小的原因可能是：Gash模型應(yīng)用的前提是假定每次降雨前林冠都達(dá)到了完全干燥的狀態(tài)，本研究劃分兩次降雨的時(shí)間間隔是>8 h算1次降雨，但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，尤其是在青海省高寒地區(qū)，該地區(qū)晝夜溫差大，平均氣溫較低，在8 h內(nèi)可能無法完全達(dá)到干燥狀態(tài)，這就導(dǎo)致在下次降雨時(shí)，使林冠達(dá)到飽和狀態(tài)的降雨量會一定程度上減小，同時(shí)林冠層內(nèi)的枝葉和其他生物會吸收一定量的水分，但是Gash模型無法模擬這部分水分，從而導(dǎo)致模擬值偏?。涣硪环矫?，林分中一些較高灌木對雨水的截留可能會影響穿透雨的測量，最后導(dǎo)致截留流量實(shí)測值偏高。趙洋毅等[29]在對縉云山毛竹林的研究中，截留量的模擬值比實(shí)測值略高；王艷萍等[30]在黃土區(qū)人工刺槐林的研究中也得出截留量模擬值比實(shí)測值高的結(jié)論，筆者分析，在Gash模型的模擬過程中，其認(rèn)為當(dāng)降雨量大于使林冠層達(dá)到飽和狀態(tài)的最小降雨量時(shí)(PG≥P′G)才會產(chǎn)生穿透雨，然而在實(shí)際情況中，一些長歷時(shí)、雨量小的降雨，在降雨開始時(shí)就會產(chǎn)生少量的穿透雨并伴隨整個(gè)降雨過程，使得截留量的模擬值偏大。

4.3 敏感性分析

綜合來看，Gash修正模型在對華北落葉松和青海云杉的冠層截留模擬中，取得了較為合理的模擬結(jié)果，是否適合該立地條件下的其他樹種有待進(jìn)一步研究。由于本研究是利用Penman-Monteith方程對平均蒸發(fā)速率進(jìn)行估算，模型本身會受到多種環(huán)境因子的影響，勢必會產(chǎn)生一定誤差，該方程的模擬精度在以后的研究中有待進(jìn)一步評估；另外由于實(shí)驗(yàn)中采用的氣象站測量頻率是30 min記錄一次數(shù)據(jù)，對降雨歷時(shí)的測量也有一定偏差，使降雨強(qiáng)度的計(jì)算產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致最終的模擬結(jié)果偏離實(shí)測值。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，渦度協(xié)方差技術(shù)越來越成熟，它能夠直接將原始的觀測數(shù)據(jù)直接處理成科學(xué)研究所需的通量結(jié)果，從而避免模型本身具有的誤差性，未來有望將其應(yīng)用到Gash模型的模擬以及森林水文方面的研究中，使得模擬結(jié)果更加精確。

5 結(jié)論

1) 在觀測期內(nèi)的總降雨量為255.83 mm；該地區(qū)2種典型針葉樹種的降雨分配特征為：華北落葉松的穿透雨率為74.06%，冠層截留率為25.79%，樹干莖流占總降雨量0.15%；青海云杉的穿透雨率為71.03%，冠層截留率為27.78%，樹干莖流占降雨比例為1.195%。華北落葉松林相比青海云杉林更容易匯集雨水。

2)樹干莖流量的產(chǎn)生相對于降雨量具有一定滯后性，華北落葉松和青海云杉分別在降雨量為8.62 mm和5.3 mm時(shí)產(chǎn)生樹干莖流。

3)穿透雨量、冠層截留量和樹干莖流量均隨林外降雨量增大而增大，并保持良好線性正相關(guān)關(guān)系；穿透雨率和降雨量呈正相關(guān)對數(shù)關(guān)系，林冠截留率則和降雨量呈負(fù)相關(guān)對數(shù)關(guān)系，

4) 修正后的Gash模型能夠較好的模擬2種林分的冠層截留量。華北落葉松(林分密度2 700株/hm2，郁閉度0.62)和青海云杉林(林分密度3 125株/hm2，郁閉度0.92)的冠層截留量模擬值相對誤差分別為10.55%和13.64%，華北落葉松的冠層截留模擬效果要優(yōu)于青海云杉。