西雙版納不同樹齡橡膠林對(duì)降雨的再分配特征

張勇波，謝 江，陳國云，田耀華，周會(huì)平

（云南省熱帶作物科學(xué)研究所，云南 景洪 666100）

云南西雙版納位于熱帶季風(fēng)區(qū)北緣，氣候高濕多雨，地形以山地為主。近幾十年來，隨著橡膠樹（Hevea brasiliensis）種植面積的迅速擴(kuò)張，西雙版納地區(qū)已成為我國最重要的橡膠樹種植區(qū)之一，橡膠林已成為該地區(qū)最大的人工林生態(tài)系統(tǒng)，與熱帶季節(jié)雨林構(gòu)成了該地區(qū)主要森林植被類型[1]。事實(shí)上，橡膠林與熱帶季節(jié)雨林是截然不同的兩種森林類型。首先在群落結(jié)構(gòu)方面，橡膠林是單層單種、結(jié)構(gòu)簡單的人工群落，而熱帶季節(jié)雨林是多層多種、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的自然群落；同時(shí)二者在生態(tài)功能方面也存在顯著差異，如生物多樣性水平、涵養(yǎng)水分能力、土壤質(zhì)量狀況等[2-5]。其中，單一大面積種植橡膠樹是否會(huì)導(dǎo)致水土流失加劇，已成為近年來被廣泛關(guān)注的問題之一。就此，研究人員對(duì)橡膠林的水土保持功能開展了多方面的觀測(cè)研究工作，包括林冠水文效應(yīng)方面[6-13]。林冠截留是森林水文效應(yīng)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。不同森林類型由于其林分物種組成、群落層次結(jié)構(gòu)以及植物葉、枝、莖持水特性的不同會(huì)導(dǎo)致其林冠水文效應(yīng)有所差異[14-16]。橡膠樹為高大喬木樹種，主干明顯且具較多分枝，三出指狀復(fù)葉為橢圓或倒卵形革質(zhì)小葉[6]。橡膠林是以橡膠樹為唯一優(yōu)勢(shì)樹種的單層林，林下植被覆蓋較少，橡膠樹冠層是發(fā)揮降雨截留作用的主體。大氣降水通過橡膠林冠層時(shí)，部分雨水被樹冠樹葉截留；部分被截留的雨水沿著樹葉轉(zhuǎn)移到樹枝，再從樹枝轉(zhuǎn)移到樹干而流到橡膠林地，這部分雨水即為樹干徑流；還有部分雨水直接穿過冠層進(jìn)入橡膠林地，即為穿透雨。由此，大氣降水就被分配為穿透雨、樹干徑流和樹冠截留3部分，同時(shí)可延長降雨達(dá)到林地的時(shí)間，削弱了雨水對(duì)林地的濺蝕和沖刷，有效減少水土流失[13,17-19]。此外，由于穿透雨可以把大氣漂浮物、林冠截持物和淋溶物洗脫后輸入到橡膠林地，而樹干徑流沖刷樹干后會(huì)攜大量營養(yǎng)物質(zhì)集中到達(dá)橡膠樹根部土壤，從而對(duì)土壤養(yǎng)分起到重要的補(bǔ)充作用[20-23]。除了樹葉、樹枝、樹皮及莖干特性等橡膠樹自身因素之外，橡膠林的林冠截留時(shí)空分布格局也會(huì)受到樹齡、種植方式、區(qū)域位置及氣候氣象等外部因素的顯著影響[24-26]。因此，要全面準(zhǔn)確地了解橡膠林的林冠水文效應(yīng)狀況，需要針對(duì)各種因素影響下的橡膠林開展大量而長期的觀測(cè)研究工作。

本研究以西雙版納地區(qū)32 齡、12 齡、7齡3個(gè)樹齡階段的橡膠林為研究對(duì)象，對(duì)其穿透雨量、樹干徑流量、林冠截留量以及林外降雨量進(jìn)行全年觀測(cè)，并對(duì)影響因素進(jìn)行分析探討，了解隨樹齡增長橡膠林林冠截留能力的變化特征，研究結(jié)果將為評(píng)估橡膠林的水文生態(tài)效應(yīng)和制定科學(xué)種植管理措施提供基礎(chǔ)依據(jù)，對(duì)促進(jìn)天然橡膠產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和維持區(qū)域水文生態(tài)安全也具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與樣地選擇西雙版納傣族自治州（21°09′～22°40′N，99°55′～101°50′E）位于云南省最南端，地處北回歸線以南的熱帶濕潤區(qū)。全州面積19 582.5 km2，海拔470～2 429.5 m，山地面積占95%。終年受西南季風(fēng)影響，干濕季分明而四季不明顯，有霧涼季（11～翌年1月）干熱季（2～4月）和濕熱季（5～10月）之分。年降水量1 138.6～2 431.5 mm，年均氣溫18.9～22.6 ℃，相對(duì)濕度60%～80%，為典型的熱帶季雨林氣候[2,4,6,9]。

在云南省熱帶作物科學(xué)研究所江北橡膠林試驗(yàn)基地，選取32齡、12齡、7齡橡膠林樣地，分別代表老齡林、中齡林、幼齡林3個(gè)不同年齡階段的橡膠林，開展林冠截留特征研究。橡膠樹均采用株行距3 m × 8 m的常規(guī)種植方式。由于云南省熱帶作物科學(xué)研究所橡膠林試驗(yàn)基地禁止使用除草劑；7齡和12齡橡膠林需在每年7月和11月各進(jìn)行1次人工除草，控草高度在50 cm以下；32齡林無需進(jìn)行除草管理。各樣地基本情況見表1。

表1 橡膠林研究樣地概況

1.2 林外降雨量（P）的測(cè)定以安裝在研究區(qū)域內(nèi)高于林冠層的通量觀測(cè)鐵塔和小型自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄的降雨量數(shù)據(jù)作為該研究的林外降雨量數(shù)據(jù)，并收集空氣溫度、太陽輻射、陣風(fēng)風(fēng)速、空氣濕度、大氣壓等氣象因子數(shù)據(jù)。同時(shí)以西雙版納傣族自治州景洪市氣象局所提供的在研究區(qū)域內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)作為參考。

1.3 林內(nèi)穿透雨量（T）的測(cè)定在3個(gè)林齡的橡膠林內(nèi)各選擇1塊20 m × 20 m的樣地，在樣地內(nèi)選取3株胸徑、高度、冠幅中等的標(biāo)準(zhǔn)樹，緊挨每株樹沿順坡向安裝自制的“V”型穿透雨承接槽（上接面寬0.3 m，長4.5 m），槽離地高1 m。在承接槽上面鋪1層防水材料防止銹蝕漏水，在出水口處墊一塊紗網(wǎng)過濾枯枝落葉。用塑料軟管將出水口與PVC集水桶連接，將承接槽收集到的穿透雨導(dǎo)入桶中。每次降雨后及時(shí)測(cè)量記錄集水桶內(nèi)的水量（Vt），根據(jù)承接槽的面積和集水桶收集到的穿透雨量換算出林內(nèi)穿透雨量（mm）。

1.4 樹干徑流量（S）的測(cè)定在以上3株標(biāo)準(zhǔn)樹的樹干距離地面1.3 m處，將聚乙烯薄板合圍固定并密封嚴(yán)實(shí)，形成導(dǎo)流槽，在接口處剪一開口并連接一根軟塑料管，將樹干徑流引入PVC集水桶中。每次降雨后及時(shí)測(cè)量記錄集水桶內(nèi)的水量（Vs），根據(jù)樣地內(nèi)橡膠株數(shù)和收集到的樹干徑流量換算出林分的樹干徑流量（mm）。

1.5 林冠截留量（I）的測(cè)定根據(jù)水平衡法計(jì)算不同林齡橡膠林的林冠截留量，計(jì)算公式如下：

式中，I為林冠截留量（mm），P為降雨量（mm），T為穿透雨量（mm），S為樹干徑流量（mm）。

橡膠林水平衡示意圖見圖1。

1.6 數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和繪圖利用SPSS 17.0 和Microsoft Excel 2007完成。對(duì)各月及全年的林外降雨量、穿透雨量、樹干徑流量和林冠截留量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)繪圖，采用回歸分析和Spearman相關(guān)性分析探討穿透雨量、樹干徑流量和林冠截留量與葉面積指數(shù)及氣象因子的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 林外降雨量特征2017年觀測(cè)的總林外降雨量為1 773.7 mm，1～4月和12月降雨較少，月平均林外降雨量＜100 mm；5～11月為雨季，降雨強(qiáng)度大，降雨量占當(dāng)年總林外降雨量的87.48%（圖2）。

2.2 林內(nèi)穿透雨量特征幼林、中齡林、老林的年穿透雨量分別為1 087.90、846.27、730.55 mm，分別占當(dāng)年總林外降雨量的61.34%、47.71%和41.19%。不同月份間穿透雨量變化較大，以7月份的穿透雨量最大，幼林、中齡林、老林分別為314.11、190.32和159.47 mm，分別占其年穿透雨量的28.87%、22.48%和21.82%（圖3）。從林齡角度看，穿透雨量呈現(xiàn)幼林＞中齡林＞老林的趨勢(shì)。穿透雨量隨著月降雨量的增大而增大，二者具有明顯的線性相關(guān)關(guān)系，其回歸方程分別為：幼林穿透雨（T）=11.789（P）+14.027，R2=0.160 2、中齡林穿透雨（T）=6.761（P）+26.571，R2=0.146 6、老林穿透雨（T）=4.636（P）+30.745，R2=0.087 9。

2.3 樹干徑流量特征幼林、中齡林、老林的樹干徑流量分別為524、809.16、912.80 mm，分別占同期降雨量的29.54%、45.61%和51.46%。不同月份間樹干徑流量變化較大，以7月樹干徑流最大，幼林、中齡林、老林分別為127.46 mm、199.12 mm和226.58 mm，分別占其年樹干徑流量的24.32%、24.61%和24.82%（圖4）。樹干徑流量隨降雨量的增大而增大，具有明顯的線性相關(guān)關(guān)系，其回歸方程分別為：幼林樹干徑流量（S）=3.639（P）+20.05，R2=0.050 8；中齡林樹干徑流量（S）=8.669 7（P）+11.076，R2=0.216 1；老林樹干徑流量（S）=9.607 3（P）+13.619，R2=0.201 8。從林齡角度看，樹干徑流量呈現(xiàn)老林＞中齡林＞幼林的趨勢(shì)。

2.4 林冠截留量特征幼林、中齡林、老林的年林冠截留量分別為54.37、147.57、123.04 mm，分別占林外降雨量的3.06%、8.32%、6.94%。不同月份間林冠截留量差異顯著，以7月份截留量最大，幼林、中齡林、老林分別為18.57、31.14和27.12 mm、分別占其年截留量的34.15%、21.10%和22.04%。林冠截留量隨降雨量的增大而增大，二者具有明顯的線性相關(guān)關(guān)系，其回歸方程分別為：幼林林冠截留量（S）=0.341 1（P）+2.313，R2=0.051；中齡林林冠截留量（S）=1.804（P）+0.567，R2=0.263；老林林冠截留留（S）=1.042（P）+3.480，R2=0.124。從林齡角度看，林冠截留量呈現(xiàn)中林＞老林＞幼林的趨勢(shì)（圖5）。

2.5 橡膠林內(nèi)雨影響因素分析對(duì)不同樹齡橡膠林年穿透雨量、樹干徑流量及林冠截留量與其葉面積指數(shù)進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果表明，隨著葉面積指數(shù)增大，穿透雨量呈減小趨勢(shì)，樹干徑流量呈先升后降趨勢(shì)，而林冠截留量呈增加趨勢(shì)（圖6）。

對(duì)橡膠林的月林冠截留量與月平均空氣溫度、太陽輻射量、風(fēng)速、空氣濕度、大氣壓和大氣降水等氣象因子進(jìn)行非參數(shù)相關(guān)性檢驗(yàn)分析表明，各林齡林地的林冠截留量與大氣降水量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），幼林的林冠截留量與空氣溫度也有一定相關(guān)性（P＜0.05）（表1）。

表2 橡膠樹月林冠截留量與各氣象因子的相關(guān)性

3 討 論

穿透雨是大氣降水穿過橡膠林冠層直接輸入林地內(nèi)的水分，是橡膠林生態(tài)系統(tǒng)最主要的土壤水分來源。本研究結(jié)果表明，橡膠林的年穿透雨量為730.55～1 087.9 mm，占同期總降雨量的41.19%～61.34%；穿透雨量隨降雨量的增大而增大，其全年變化趨勢(shì)與當(dāng)?shù)亟涤甑募鞠嗵卣飨嘁恢拢@也再次驗(yàn)證了已有研究表明的二者之間的線性正相關(guān)關(guān)系[25,27-28]。很多研究表明葉面積指數(shù)是影響橡膠林穿透雨量的一個(gè)重要因素[26,29-31]，但也有研究認(rèn)為葉面積指數(shù)對(duì)穿透雨分布的影響不明顯[13]。該研究結(jié)果顯示穿透雨量與葉面積指數(shù)總體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨著林齡的增長，橡膠林的林冠郁閉度和葉面積指數(shù)增大，林冠截留能力增加，導(dǎo)致穿透雨量減少。同時(shí)，橡膠樹種植方式不同，也會(huì)造成林冠郁閉度和冠層厚度的差異，進(jìn)而導(dǎo)致穿透雨量的差異。本研究中30齡以上橡膠林的年穿透雨量小于張一平等的研究結(jié)果[29]，可能與本研究采用的是常規(guī)種植方式（株行距3 m×8 m）而后者采用的是寬窄行密株的種植方式（株距3.1 m，窄行距2.5 m，寬行距19.0 m）有關(guān)。另外，穿透雨收集承接槽的表面積、風(fēng)速、空氣溫度及濕度等因素，也可能影響穿透雨的收集。

樹干徑流是經(jīng)過樹葉、樹枝、樹干直接匯集到橡膠樹根部土壤的水分，是橡膠樹能夠直接吸收利用的重要水分來源。已有研究表明，樹種的葉片形狀、樹冠結(jié)構(gòu)、枝條大小和數(shù)量、莖干高度和粗度、樹皮吸水能力等樹體特征均會(huì)對(duì)樹干徑流的形成產(chǎn)生明顯影響。橡膠林的年平均樹干徑流量及其分配率（104.1 mm，6.18%）高于熱帶季節(jié)雨林（79.2 mm，5.15%）[29]。正是由于熱帶季節(jié)雨林有多物種多層次阻截降水，不易形成較大的樹干徑流；而橡膠林為單屬種單冠層降水，且橡膠樹葉片革質(zhì)、葉柄長，樹枝多，莖干長而粗，樹皮光滑細(xì)膩不易吸水，較易形成樹干徑流。單就橡膠林來說，樹齡不同，其樹體大小和林冠截留能力存在差異，進(jìn)而也會(huì)影響到樹干徑流的形成。該研究中，從橡膠樹幼林到中齡林再到老林，年樹干徑流量呈現(xiàn)先增大后減小的拋物線形。分析認(rèn)為，由于幼林葉面積指數(shù)和樹冠較小，穿透雨多而樹冠水分較少，從而形成的樹干徑流較??；中齡林的葉面積指數(shù)和樹冠較大，樹冠阻截水分增多，因此樹干徑流量變大；而老林的橡膠樹莖干長而粗，徑流到達(dá)根部土壤歷時(shí)久歷面寬，導(dǎo)致水分蒸發(fā)增多而收集到的樹干徑流量有所減少。此外，氣象因素對(duì)樹干徑流量影響顯著。樹干徑流量會(huì)隨著降雨量的增大而增大，其全年變化特征與當(dāng)?shù)亟涤甑募鞠嗵卣髅芮邢嚓P(guān)。

林冠截留是一個(gè)重要的水文影響過程，它不僅改變了輸入輸出橡膠林的雨量、時(shí)間和空間格局，也減弱了雨水對(duì)林地土壤的侵蝕，而林冠截留量與林冠特征、樹體特性及氣象因素等密切相關(guān)[8,26,30]。研究發(fā)現(xiàn)，熱帶季節(jié)雨林與橡膠林對(duì)降雨的林冠截留率（41.43%和24.68%）存在很大差異[29]，這顯然是由于二者的群落組成和林冠結(jié)構(gòu)截然不同造成的。該研究和秦鐘的研究[31]表明，7齡、12齡、21齡、32齡橡膠林對(duì)降雨的林冠截留率（分別為7.01%、13.27%、18.38%、30.49%）呈現(xiàn)逐漸增長趨勢(shì)，說明林齡不同，橡膠林在林冠大小與厚度、葉片數(shù)量及葉面積指數(shù)大小等方面也有所不同，也會(huì)造成林冠截留率的顯著差異。林冠截留還與降雨量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，此外還會(huì)受空氣溫度和空氣濕度等氣象的影響。但也有研究表明，一定范圍內(nèi)林冠截留量隨降雨強(qiáng)度增大而增加，但降雨強(qiáng)度過大反而不利于雨水在枝葉表面停留[32]?？傊?，林冠截留是一個(gè)極為復(fù)雜的生態(tài)過程，多種因素可能均可能造成林冠截留的空間和時(shí)間特異性，因此需視不同情況具體分析。在不同地區(qū)、以不同角度或不同研究方法對(duì)橡膠林的林冠截留特征及其影響因素的進(jìn)行研究，可不斷豐富人們對(duì)橡膠林生態(tài)系統(tǒng)水文過程和水文效應(yīng)的了解和認(rèn)知，也可為橡膠林的科學(xué)種植管理提供重要的基礎(chǔ)依據(jù)。

4 結(jié) 論

云南地形多以山地為主，做好水土保持是山地膠園種植管理工作的重中之重。橡膠林的林冠發(fā)揮著再分配降雨以及減緩水土流失的功能。該研究通過對(duì)西雙版納地區(qū)不同樹齡橡膠林的穿透雨量、樹干徑流量、林冠截留量進(jìn)行實(shí)際觀測(cè)，了解了山地膠園的降雨再分配特征及其影響因素。研究結(jié)果說明，橡膠幼林樹冠較小或未形成林冠，降雨會(huì)直接落到地面，沖刷地表，易產(chǎn)生水土流失；而隨著林齡增長，橡膠樹樹冠逐漸增大，林冠截留水分能力增強(qiáng)，對(duì)降雨進(jìn)行再分配的同時(shí)，也減緩了雨水對(duì)橡膠林地的濺蝕和沖刷。由此可見，亟需加強(qiáng)山地膠園的科學(xué)種植管理，針對(duì)不同地勢(shì)和不同林齡階段制定相應(yīng)的水土保持措施。