南方水土流失區(qū)馬尾松對降雨再分配的影響

汪水前

(福建省水土保持監(jiān)測站，350003，福州)

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，具有水源涵養(yǎng)、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等功能。水是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，森林與水二者相互作用、相互影響，在水土保持、涵養(yǎng)水源方面發(fā)揮重要生態(tài)環(huán)境效益。降雨是森林生態(tài)系統(tǒng)輸入水分及養(yǎng)分的重要形式[1]，降雨接觸林木冠層后路徑發(fā)生的過程稱為降雨再分配。降雨再分配可分為冠層截留、穿透雨、樹干莖流3部分[2]。冠層截留是降雨再分配的首要過程[3]，占降雨量的20%～40%[4]。冠層的攔截作用能有效減少雨量、雨滴能量，延長降雨歷時，較大地減小降雨對土壤的直接沖蝕力[5]。穿透雨由直接通過冠層孔隙到達(dá)地面的雨水和與冠層或枝干接觸后到達(dá)地面的雨水2部分組成，占降雨量的比例較大[6]，穿透雨對土壤的水分空間分布、土壤養(yǎng)分輸入、水土流失等生態(tài)水文過程有重要影響。樹干莖流是植物根部土壤養(yǎng)分及水分的重要來源[7]。在以往的研究中，大多數(shù)水文研究往往忽略樹干莖流。樹干莖流會改變降水空間分布，影響周圍地表徑流，對林下植被覆蓋稀少處土壤產(chǎn)生二次侵蝕。影響降雨再分配的因子可分為氣象因子及林分因子[8]。氣象因子包含降雨量、降雨強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向等因子[9]；林分特征包含葉面積指數(shù)、冠層厚度等[10]。由于不同地區(qū)不同林分差異，降雨再分配存在時間及空間異質(zhì)性，探究降雨再分配特征以及林分特征對其影響效應(yīng)，在水資源管理、水文生態(tài)等方面具有重要理論意義。

福建省長汀縣是我國南方花崗巖紅壤侵蝕區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重的縣份之一，該區(qū)域土壤侵蝕面積廣，侵蝕程度大，且侵蝕類型多樣，土壤貧瘠、生產(chǎn)力低下，生態(tài)環(huán)境惡化，自然災(zāi)害頻繁。降雨動能是產(chǎn)生土壤侵蝕的直接動力，也是目前南方紅壤區(qū)水力侵蝕的主要原因，探討馬尾松林降雨再分配特征，可為治理林下水土流失提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省長汀縣河田鎮(zhèn)(E 116°16′～116°30′,N 25°35′～25°46′)(圖1)，是我國典型水土流失區(qū)，東鄰南山，南與涂坊、濯田接壤，北與新橋相連，西與策武交界。研究區(qū)為亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，氣候溫和，年均氣溫18.3 ℃，降雨集中于夏季，雨量充沛，年均降雨量為1 730.4 mm。地形破碎，嶺谷相間，土壤類型以紅壤土和沙壤土為主，土壤抵抗侵蝕能力低，林地多為馬尾松(Pinusmassoniana)及芒萁(Dicranopterisdichotoma)覆蓋，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。

圖1 河田鎮(zhèn)地理位置Fig.1 Geographical location of Hetian town

河田鎮(zhèn)主要樹種為馬尾松，中齡林比例較大。試驗(yàn)區(qū)林地為馬尾松林地，林齡20 a，平均胸徑8 cm，平均樹高7.4 m，平均冠幅3.6 m。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

對河田鎮(zhèn)進(jìn)行踏查，了解馬尾松分布情況，選取能代表河田鎮(zhèn)馬尾松林整體情況的試驗(yàn)區(qū)，在試驗(yàn)區(qū)設(shè)置18個20 m×20 m的馬尾松林標(biāo)準(zhǔn)地。以典型取樣為原則，在每個標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)選取2株標(biāo)準(zhǔn)木，共選取36棵馬尾松為目標(biāo)樹。測量目標(biāo)樹冠幅、胸徑、葉面積指數(shù)等因子，并布設(shè)集雨器，測量2018年5—11月降雨量、穿透雨、樹干莖流及各林分參數(shù)。

2.1.1 林木參數(shù) 葉面積指數(shù)采用LAI-2200型冠層分析儀(LI-COR，美國)測量得到。為避免天氣因素對測量結(jié)果造成影響，在陰天進(jìn)行測量。測量時采用90°遮蓋帽，以“1上4下”的方式測量[11]。測量結(jié)束后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入儀器配套軟件FV-2200中，經(jīng)重計(jì)算后得到馬尾松單木葉面積指數(shù)。

2.1.2 降雨數(shù)據(jù) 本研究在內(nèi)無枝干、葉片遮擋的空地處設(shè)置路格L99-YLWS翻斗式雨量記錄儀，其精度為0.4 mm，獲取降雨時間、降雨量及溫濕度等因子設(shè)置記錄間隔為15 min。降雨事件的劃分依據(jù)為前后6 h無降雨，且降雨量>0.2 mm。

穿透雨采用內(nèi)徑為20 cm，高度0.8 m左右的自制雨量收集桶收集測定。自制雨量桶分別布設(shè)在選取的標(biāo)準(zhǔn)木東、南、西和北4個方向樹冠邊緣點(diǎn)，每棵標(biāo)準(zhǔn)木統(tǒng)一設(shè)置，共需布設(shè)36棵標(biāo)準(zhǔn)木。每次降雨事件發(fā)生后及時測定收集桶內(nèi)的雨量體積。

樹干莖流的測定是在距離地面1.3～1.5 m處，將直徑為2 cm的軟性聚乙烯管從中縫縱向切開，以螺旋方式纏繞在樹干上，并用硅膠密封聚乙烯管與樹干間的空隙，在塑料管出口布置1個雨量收集桶。樹干莖流是在每次降雨事件發(fā)生后立即進(jìn)行人工收集測量。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 降雨強(qiáng)度 通過加權(quán)平均每小時降雨強(qiáng)度計(jì)算平均降雨強(qiáng)度，其公式為

(1)

式中：RI為每次降雨平均降雨強(qiáng)度，mm/h；n為降雨中雨量計(jì)記錄的時間，h；Ri為第i時的降雨量，mm；G為總降雨量，mm；RIi為第i時降雨強(qiáng)度，mm/h。

2.2.2 穿透雨及樹干莖流 將每次降雨測量得到的穿透雨量、樹干莖流量分別除以容器內(nèi)徑的水平橫截面積、對應(yīng)目標(biāo)樹的樹冠投影面積，將其轉(zhuǎn)換為等效深度。計(jì)算式分別為

(2)

(3)

式中：TF為林內(nèi)穿透雨量，mm；Vk為第k個量筒收集的雨量體積，mL；r為自制雨量收集桶內(nèi)徑的1/2，r=20 cm；m為每株標(biāo)準(zhǔn)木收集桶的數(shù)量，m=4;SF為實(shí)驗(yàn)區(qū)樹干莖流量，mm；VSF為樹干莖流體積，mL；A為對應(yīng)的樹冠投影面積，m2。

穿透雨率與樹干莖流率的計(jì)算式分別為

(4)

(5)

式中：TFR為穿透雨率，%；SFR為樹干莖流率，%；P為林外降雨量，mm。

2.2.3 冠層截留 林冠截留量和冠層截留率的公式分別為：

I=P-TF-SF；

(6)

(7)

式中：I為林冠截留量，mm；IR為樹干莖流率，%。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征

研究區(qū)觀測期間累計(jì)降雨90次，累計(jì)降雨量1 191.0 mm，單次降雨事件降雨量變化幅度為0.2～93.7 mm，每次平均降雨量為13.2 mm(圖2)。為描述研究區(qū)觀測期間降雨特征，將降雨量根據(jù)氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。由表1可知，觀測期間降雨量為(0，10)的降雨事件比例高達(dá)62.22%，累計(jì)降雨僅占總降雨量14.75%；降雨量為[25，50)的降雨事件發(fā)生頻率較低，但累計(jì)降雨占總降雨量的35.87%。從上述數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)觀測期間以降雨量范圍為(0，10)的降雨事件為主，范圍為[25，50)的降雨事件在累計(jì)降雨量上占主導(dǎo)地位。

表1 降雨等級統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Rainfall level statistics

圖2 研究區(qū)觀測期間降雨事件Fig.2 Rainfall events during observation in the study area

由式(1)計(jì)算得到研究區(qū)觀測期間降雨事件的平均加權(quán)降雨強(qiáng)度，降雨強(qiáng)度的變化范圍為0.4～46.92 mm/h，平均降雨強(qiáng)度為4.21 mm/h。由表2可見，將降雨強(qiáng)度按(0，2)、[2，5)、[5，10)、[10，+∞)進(jìn)行劃分，分別占降雨事件65.56%、12.22%、8.89%和13.33%；占總降雨量的24.53%、11.07%、23.61%和40.79%。

表2 降雨強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistics of rainfall intensity

3.2 相關(guān)性分析

為探究林木特征對降雨再分配的影響，通過SPSS Statistics 21對林木因子與穿透雨量、樹干莖流量、冠層截留量進(jìn)行相關(guān)性分析。由表3可見，冠層截留量與胸徑、冠幅、葉面積指數(shù)(leaf area index，LAI)呈極顯著相關(guān)；樹干莖流量與樹高、冠幅極顯著相關(guān)，與胸徑(diameter at breast height，DBH)、LAI顯著相關(guān)；穿透雨量與冠幅、LAI 呈極顯著相關(guān)，與胸徑顯著相關(guān)。

表3 相關(guān)性系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient

3.3 穿透雨特征

觀測期間累計(jì)觀測穿透雨量為1 018.7 mm，穿透雨率為85.53%。將林外降雨量與穿透雨量和穿透雨率進(jìn)行擬合分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：穿透雨量隨降雨量的增加，降雨量與穿透雨量呈線性相關(guān)(R2=0.98，P<0.01)，擬合線性方程的斜率為0.882 3；當(dāng)發(fā)生林外降雨且穿透雨為0時，說明降雨被冠層所截留，根據(jù)穿透雨量與降雨量的線性關(guān)系計(jì)算得到產(chǎn)生穿透雨的閾值為1.53 mm；穿透雨率與降雨量呈對數(shù)關(guān)系，且擬合效果較好(R2=0.83，P<0.01)，穿透雨率隨降雨量的增加而增加，逐漸趨于穩(wěn)定。從降雨強(qiáng)度與穿透雨量、穿透雨率的擬合方程可知，降雨強(qiáng)度<5.0 mm/h時，穿透雨量增長較快，隨后，增長率逐漸減緩，并趨于平緩；穿透雨率在降雨強(qiáng)度<10.0 mm/h時，增長速度較快，隨后增長速度減緩(表4)。

表4 穿透雨量與降雨量及強(qiáng)度擬合關(guān)系Tab.4 Fitting relationship between throughfall,rainfall and intensity

將穿透雨量與LAI、冠幅、胸徑進(jìn)行擬合，穿透雨量與冠幅、胸徑進(jìn)行擬合時R2均低于0.27，穿透雨量與LAI擬合時效果較好(R2=0.44)(圖3)。

圖3 葉面積指數(shù)與穿透雨量關(guān)系Fig.3 Relationship between LAI and throughfall

3.4 樹干莖流特征

研究區(qū)觀測期間累計(jì)樹干莖流量為15.4 mm，樹干莖流率為1.29%。樹干莖流量與林外降雨量呈線性正相關(guān)(R2=0.94，P<0.01)，擬合線性方程斜率為0.01；由擬合的線性方程可知，產(chǎn)生樹干莖流的林外降雨閾值為2.82 mm。林外降雨量與樹干莖流率擬合后發(fā)現(xiàn)呈對數(shù)關(guān)系(R2=0.48，P<0.01)，樹干莖流率隨著降雨量的增加而增加，在降雨量超過20 mm后趨于穩(wěn)定。將降雨強(qiáng)度與樹干莖流量、樹干莖流率分別進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)均呈對數(shù)關(guān)系，其整體變化規(guī)律與穿透雨同降雨強(qiáng)度間一致(表5)。

表5 樹干莖流與降雨量及降雨強(qiáng)度擬合關(guān)系Tab.5 Fitting relationship between stem flow and rainfall and intensity

樹干莖流量與各林木因子進(jìn)行擬合，僅冠幅擬合效果較好(R2=0.41)(圖4)，其他參數(shù)擬合結(jié)果R2均<0.22。

圖4 冠幅與樹干莖流量關(guān)系Fig.4 Relationship between crown width and stem flow

3.5 冠層截留特征

觀測期間累計(jì)冠層截留量為156.9 mm，林冠截留率為13.17%。冠層截留量、冠層截留率與林外降雨量的關(guān)系如表所示，分別呈對數(shù)關(guān)系和冪函數(shù)關(guān)系，且擬合效果較好。其中，林冠截留率在降雨量超過40 mm時逐漸穩(wěn)定在13%左右。冠層截留量、冠層截留率與降雨強(qiáng)度間關(guān)系同林外降雨量相一致(表6)。

表6 冠層截留與降雨量及降雨強(qiáng)度擬合關(guān)系Tab.6 Fitting relationship between canopy interception and rainfall and intensity

各林木因子與冠層截留量進(jìn)行擬合，與葉面積指數(shù)呈線性相關(guān)(圖5)，擬合R2為0.52。

圖5 葉面積指數(shù)與冠層截留量關(guān)系Fig.5 Relationship between LAI and canopy interception

4 討論

研究在福建省長汀縣布設(shè)穿透雨、樹干莖流收集裝置，連續(xù)觀測2018年5—11月期間降雨事件。以相關(guān)性分析，選擇林木因子，分析林木因子、降雨量、降雨強(qiáng)度對穿透雨、樹干莖流、冠層截留的影響。

觀測期間，累計(jì)觀測馬尾松穿透雨量為1 018.7 mm，占降雨量的85.53%，降雨量與穿透雨量呈極顯著線性相關(guān)，擬合方程斜率為0.882 3。與其他學(xué)者研究結(jié)果相比，其他地區(qū)馬尾松穿透雨量與林外降雨量均呈線性極顯著相關(guān)，方程斜率分別為0.747 1[12]和0.841 5[13]，均小于本文研究斜率。究其原因，本研究區(qū)水土流失嚴(yán)重，馬尾松冠層稀疏、長勢欠佳，冠層截留能力較差，穿透雨量較大。由擬合的線性方程可計(jì)算出，形成穿透雨的降雨量閾值為1.53 mm，相較其他學(xué)者的研究結(jié)果偏低[13]，說明研究區(qū)馬尾松冠層截留力低。從穿透雨率與林外降雨量擬合方程發(fā)現(xiàn)部分穿透雨率接近或大于100%，這是由于穿透雨與林外降雨在時間上存在不同步現(xiàn)象[14]，導(dǎo)致連續(xù)降雨期間測量得到的穿透雨量接近或大于林外降雨量。根據(jù)LAI與穿透雨的函數(shù)關(guān)系式計(jì)算得出，產(chǎn)生穿透雨LAI的閾值為0.87。研究中，穿透雨量隨LAI的增加而增加，穿透雨尚未得到穩(wěn)定值，可能是研究區(qū)LAI偏低的原因。

累計(jì)觀測馬尾松樹干莖流量為15.4 mm，占降雨量的1.29%，高于其他學(xué)者研究結(jié)果[15]，推測原因觀測時間為2018年5—11月，包含了降雨較多的夏季，平均降水量較高，觀測期間雖以低強(qiáng)度降雨事件為主，但高強(qiáng)度降雨在降雨量上占優(yōu)勢，因此樹干莖流偏高。

冠層截留累計(jì)量為156.9 mm，占總降雨量的13.17%，遠(yuǎn)小于其他學(xué)者研究結(jié)果[16]，其原因是研究區(qū)馬尾松冠層稀疏，冠層截留能力差。研究中冠層截留量隨著降雨量、降雨強(qiáng)度的增加而增加，逐漸趨于穩(wěn)定；而冠層截留率隨相反，隨著降雨量、降雨強(qiáng)度的增加而減小。該變化規(guī)律是由于冠層截留受降雨強(qiáng)度影響小，且冠層蒸發(fā)量大，故冠層截留量增大；當(dāng)發(fā)生高強(qiáng)度降雨事件時，雨水對冠層的沖擊力較強(qiáng)，雨水落入地面變?yōu)榇┩赣?，因此冠層截留率降低。冠層截留量與胸徑、冠幅、LAI均極顯著相關(guān)，僅與LAI擬合效果較好，為對數(shù)函數(shù)關(guān)系，符合一般規(guī)律。

5 結(jié)論

1)研究觀測福建省長汀縣2018年5—11月降雨事件，觀測降雨事件90次，累計(jì)林外降雨量1 191.0 mm，穿透雨量1 017.7 mm，樹干莖流量15.4 mm，冠層截留量為156.9 mm，穿透雨率、樹干莖流率、冠層截留率分別為85.53%、1.29%和13.17%。

2)降雨量與穿透雨量呈線性正相關(guān)，降雨量與穿透雨率呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，降雨強(qiáng)度與穿透雨量(率)均呈對數(shù)關(guān)系。樹干莖流量、樹干莖流率與降雨量、降雨強(qiáng)度的關(guān)系與穿透雨特征一致。冠層截留量與降雨量、降雨強(qiáng)度呈對數(shù)函數(shù)擬合；冠層截留率與降雨量、降雨強(qiáng)度呈冪函數(shù)擬合。

3)由穿透雨量、樹干莖流與林外降雨量擬合的線性方程得到，當(dāng)降雨量超過1.53 mm時產(chǎn)生穿透雨，降雨量超過2.82 mm時產(chǎn)生樹干莖流。

4)將林木參數(shù)與穿透雨、樹干莖流、冠層截留進(jìn)行相關(guān)性分析并擬合，發(fā)現(xiàn)，LAI與穿透雨量、冠層截留呈對數(shù)函數(shù)擬合，樹干莖流量與冠幅呈指數(shù)函數(shù)擬合。