南方水土流失區(qū)馬尾松林降雨截留再分配特征與修正的Gash模型模擬

陳 妍，余坤勇，姚 雄，鄧洋波，林靈辰，吳南錕，劉 健*

(1.福建農(nóng)林大學 林學院，福建 福州 350002；2.3S技術與資源優(yōu)化利用福建省高校重點實驗室，福建 福州 350002)

降雨是森林水文過程中水分輸入的主要方式[1-3]，冠層將降雨分為穿透雨、樹干莖流和林冠截留3部分[4]。其中林冠截留不僅改變降雨空間分布格局[5]，還減緩雨水對土壤體表的侵蝕作用，能夠有效改善水土流失現(xiàn)象[6]。研究降雨再分配特征，探討林冠截留規(guī)律，能夠為森林涵養(yǎng)水源、改善水土流失提供理論依據(jù)。

林冠截留模型主要分為經(jīng)驗模型、理論模型及半經(jīng)驗半理論模型[7]。經(jīng)驗模型忽略了林冠截留過程，且模型適用性及推廣性較差[8-9]；理論模型計算困難，缺少實際數(shù)據(jù)支撐等問題，不適用于實際情況；半經(jīng)驗半理論模型結合了經(jīng)驗模型和理論模型的優(yōu)勢[8]，能夠描述影響林冠截留的各種因子和截留量的關系[9]，代表為Gash模型[10]。Valente等[11]引入郁閉度修正Gash模型，修正后的Gash模型適用于模擬天然林降雨截留過程[12-13]。我國學者分析了修正的Gash模型對麻櫟人工林[14]、白樺林[15]、云冷杉針葉混交林[15]、元寶槭林[16]、亞熱帶常綠闊葉林[17]和南亞熱帶季風常綠闊葉林[18]等林分的適用性，并模擬其林冠截留，且結果較好。目前該模型應用于馬尾松林的研究較少，而馬尾松作為我國南方水土流失區(qū)的主要樹種[21]，其林冠減輕了雨水對土壤的直接沖蝕。且水土流失地區(qū)土壤肥力低下，導致馬尾松植株矮小、枝葉稀疏，與其他地區(qū)生長的馬尾松存在形態(tài)上的差異。因此本研究以南方典型水土流失區(qū)長汀縣河田鎮(zhèn)的馬尾松為研究對象，探討降雨再分配特征，并以修正的Gash模型模擬，為治理水土流失提供理論基礎及經(jīng)驗。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省長汀縣河田鎮(zhèn)(25°35′-25°46′ N，116°16′-116°30′ E)，是我國南方典型水土流失區(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(圖1)。研究區(qū)為亞熱帶季風性濕潤氣候，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，土壤抵抗侵蝕能力低，林地多被馬尾松(Pinusmassoniana)及芒萁(Dicranopterisdichotoma)覆蓋，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

于2018年4月在河田鎮(zhèn)選取研究區(qū)，研究區(qū)馬尾松平均胸徑為12.00 cm，平均冠幅為10.34 m，以LAI-2200型冠層分析儀(LI-COR)測量得到研究區(qū)郁閉度為0.32。

在研究區(qū)外無冠層覆蓋的空地處設置路格L99-YLWS翻斗式雨量記錄儀，其精度為0.4 mm，獲取降雨時間、降雨量及溫濕度因子，設置記錄間隔為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。為獲取林內(nèi)降雨數(shù)據(jù)，選取36棵標準樹，測量樹干莖流量。

1.2.1 樹干莖流 在距離地面1.3～1.5 m處，將縱向切開的軟性聚乙烯管以螺旋方式纏繞在標準木樹干上，并用硅膠密封聚乙烯管與樹干間的空隙，聚乙烯管另一端與樹下雨量收集桶相連接，并密封進水口，每次降雨后24 h內(nèi)進行人工收集測量。為避枯落的枝葉堵塞聚乙烯管，影響樹干莖流的測定，定期清理掉落在聚乙烯管上的枝葉并檢查聚乙烯管與樹干間是否存在孔隙，若存在孔隙則用硅膠及時補充。

1.2.2 穿透雨 在研究區(qū)內(nèi)隨機布設72個自制雨量筒，每次降雨后24 h內(nèi)進行人工收集測量。其中，為滿足次降雨量的完全收集，自制雨量筒高度為0.8 m，口徑為20 cm。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 降雨強度 通過加權平均每小時降雨強度計算平均雨強，其公式為

(1)

式中：RI為每次降雨事件的平均雨強(mm/h)；n為降雨中雨量計記錄的時間(h)；Ri為第i時內(nèi)降雨量(mm)；G為總降雨量(mm)；RIi為第i時雨強(mm/h)。

1.3.2 穿透雨和樹干莖流 將每次降雨事件后24 h內(nèi)測量得到的穿透雨量、樹干莖流量分別除以容器的水平橫截面積、對應標準樹的樹冠投影面積，將其轉換為等效深度。計算公式為

(2)

(3)

式中：TF為林內(nèi)穿透雨量(mm)；VTF為穿透雨體積(mL)；r為自制雨量收集桶半徑；SF為樹干莖流量(mm)；VSF為樹干莖流體積(mL)；A為研究區(qū)面積(m2)。

穿透雨率與樹干莖流率的計算公式為

(4)

(5)

式中:TFR為穿透雨率(%)；TF為林內(nèi)穿透雨量(mm)；SFR為樹干莖流率(%)；SF為樹干莖流量(mm)；P為林外降雨量(mm)。

1.3.3 林冠截留 根據(jù)水量平衡公式，可計算得到林冠截留量，其計算公式為

I=P-TF-SF

(6)

式中:I為林冠截留量(mm)；P為林外降雨量(mm)；TF為林內(nèi)穿透雨量(mm)；SF為樹干莖流量(mm)。

冠層截留率計算公式為

(7)

1.4 修正的Gash模型

修正的Gash模型計算林冠截留基本公式為

(8)

修正的Gash模型計算樹干莖流基本公式為

(9)

修正的Gash模型計算穿透雨基本公式為

(10)

林冠達到飽和狀態(tài)的林外降雨量計算公式為

(11)

2 結果與分析

2.1 林外降雨特征

2018年5-11月研究區(qū)累計降雨事件為90次(圖2)，累計降雨量1 191.0 mm。研究區(qū)觀測期間以降雨量0～10 mm的降雨事件為主，25～50 mm的降雨事件在累計降雨量上占主導地位(表1)。

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

表1 降雨等級統(tǒng)計Table 1 Rainfall level statistics

觀測期間降雨強度的變化為0.4～46.92 mm/h，平均降雨強度為4.21 mm/h(圖3)。由表2可見，將降雨強度按0～2、2～5、5～10、≥10 mm/h進行劃分，分別占降雨事件65.56%、12.22%、8.89%、13.33%；占總降雨量的24.53%、11.07%、23.61%、40.79%。

圖3 研究區(qū)觀測期間降雨強度Fig.3 Rainfall intensity during observation period in the study area

表2 降雨強度統(tǒng)計Table 2 Statistical table of rainfall intensity

2.2 林內(nèi)降雨特征

2.2.1 穿透雨 觀測期間累計觀測穿透雨量為1 018.7 mm，穿透雨率為85.53%。繪制觀測期間林外降雨量與穿透雨量散點圖(圖4)發(fā)現(xiàn)，穿透雨隨降雨量的增加，降雨量與穿透雨量呈線性相關(R2=0.98，P<0.01)。由線性方程可知，研究區(qū)馬尾松出現(xiàn)穿透雨的場降雨閾值為1.53 mm。由圖5可見，穿透雨率與降雨量呈對數(shù)關系，穿透雨率隨降雨量的增加而增加，逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 林外降雨量與林內(nèi)穿透雨量關系Fig.4 Relationship between rainfall and throughfall

圖5 林外降雨量與林內(nèi)穿透雨率關系Fig.5 Relationship between rainfall and throughfall rate

2.2.2 樹干莖流 研究區(qū)觀測期間累計樹干莖流量為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(R2=0.94，P<0.01)(圖6)，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呈對數(shù)關系(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。

圖6 林外降雨量與樹干莖流量關系Fig.6 Relationship between rainfall and stemflow

2.2.3 林冠截留 觀測期間累計冠層截留量為156.9 mm，林冠截留率為13.17%。林冠截留量、林冠截留率與林外降雨量的關系如圖8、圖9所示，分別呈對數(shù)關系和冪函數(shù)關系，其中，林冠截留率在降雨量超過40 mm時逐漸穩(wěn)定在13%。

圖8 林外降雨量與林冠截留量關系Fig.8 Relationship between rainfall and canopy interception

圖9 林外降雨量與林冠截留率關系Fig.9 Relationship between rainfall and canopy interception rate

2.3 修正的Gash模型參數(shù)

圖7 林外降雨量與樹干莖流率關系Fig.7 Relationship between rainfall and stemflow rate

表3 修正的Gash模型中氣候參數(shù)及冠層參數(shù)Table 3 Climate and canopy parameters in modified Gash model

2.4 修正的Gash模型模擬分析

以修正的Gash模型模擬研究區(qū)觀測期間林冠截留量、樹干莖流量、穿透雨量，結果如表4所示。

表4 修正的Gash模型模擬結果與實測值對比Table 4 Comparison of the modified Gash model simulation results with the measured values

研究以均方根誤差(RMSE)、均值估測精度(RM)驗證修正的Gash模型模擬精度。觀測期間總林冠截留量為156.9 mm，模擬值相較實測值高出24.31 mm，RMSE為1.38 mm，RM為84.53%；觀測期間總樹干莖流量高于模擬值3.32 mm，RMSE為0.15 mm，RM為78.46%；由于基于修正的Gash模型模擬的總穿透雨量通過水平衡原理計算得到，相較實測值低估了19.99 mm，RMSE為1.34 mm，RM為98.04%。

2.5 模型敏感性分析

圖10 修正的Gash模型參數(shù)敏感性分析Fig.10 Parameter sensitivity analysis of modified Gash model

3 結論與討論

研究區(qū)觀測期間觀測降雨事件90次，累計林外降雨量1 191.0 mm。降雨事件以小雨為主，且低強度降雨事件的發(fā)生頻率遠高于高強度降雨事件。觀測期間，穿透雨、樹干莖流、林冠截留分別為1 017.7、15.4、156.9 mm，穿透雨率、樹干莖流率、林冠截留率分別為85.53%、1.29%、13.17%。其中，降雨量與穿透雨呈極顯著線性相關，方程斜率為0.882 3，其他學者研究中方程斜率為0.675[22]、0.7471[23]、0.841 5[24]，均小于本研究結果。本研究觀測期間樹干莖流率高于其他學者研究結果[24-26]，林冠截留率遠小于其他學者研究結果[27-29]。究其原因，研究區(qū)馬尾松冠層稀疏、長勢欠佳，被稱為“小老頭松”，因此林冠截留能力較差，穿透雨量較大。且研究觀測時間為5-11月，包含降雨較多的夏季，平均降雨水量較高，觀測期間雖以低強度降雨事件為主，但高強度降雨在降雨量上占優(yōu)勢，因此樹干莖流偏高。由于穿透雨與林外降雨在時間上存在不同步現(xiàn)象[30]，導致連續(xù)降雨期間測量得到的穿透雨量接近或大于林外降雨量，因此存在部分穿透雨率≥100%。

以修正的Gash模型模擬研究區(qū)觀測期間總林冠截留量相較實測值高出24.31 mm，RMSE為1.38 mm，RM為84.53%；總樹干莖流量高于模擬值3.32 mm，RMSE為0.15 mm，RM為78.46%；模擬的總穿透雨量相較實測值低估了19.99 mm，RMSE為1.34 mm，RM為98.04%，模擬結果較好。研究中林冠飽和狀態(tài)下平均蒸發(fā)速率并未采用常用的Penman-Monteith方程計算，而采用Gash等學者提出的方法計算。Penman-Monteith方程需要飽和水氣壓梯度、溫度、大氣凈輻射、空氣密度、常壓下空氣比熱值、飽和水氣壓差、相對空氣濕度、空氣動力學阻力、飽和林冠持水能力、干濕計常數(shù)及林分冠層上方2 m處風速，需要參數(shù)較多，且該方法是基于復雜地形上采用Thom動能傳遞方法推導得到的，適用于復雜地形，在平坦地區(qū)使用可能存在不穩(wěn)定性[31]。Gash等假設觀測期間所有降雨事件中林冠飽和狀態(tài)下平均蒸發(fā)速率、平均降雨強度均為常數(shù)的前提下，通過林冠截留與林外降雨量的斜率計算得到林冠飽和狀態(tài)下平均蒸發(fā)速率適用于地形平坦的地區(qū)。本研究研究區(qū)地勢平坦，地形簡單，以Penman-Monteith方程計算得到的林冠飽和狀態(tài)下平均蒸發(fā)速不適用于本研究，因此本研究以Gash等提出計算林冠飽和狀態(tài)下平均蒸發(fā)速率，且模擬結果較好。