六盤山半濕潤區(qū)華北落葉松林內(nèi)降雨的空間異質(zhì)性及合理取樣數(shù)

晁陽　于松平　劉澤彬等

關(guān)鍵詞：華北落葉松林；林內(nèi)降雨量；空間異質(zhì)性；合理取樣數(shù)

中圖分類號：S715 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-1498（2023）04-0020-11

林內(nèi)降雨（穿透雨和滴下雨）是降雨再分配的主要組分，約81%的降雨以林內(nèi)降雨的形式進(jìn)入林內(nèi)，因而林內(nèi)降雨對土壤有機(jī)質(zhì)累積、植被根系生長以及化學(xué)微量元素的遷移與轉(zhuǎn)化等方面有重要影響。受冠層結(jié)構(gòu)和降雨特征等影響，林內(nèi)降雨在林內(nèi)有明顯的空間異質(zhì)性，這將影響森林水文效應(yīng)的準(zhǔn)確評價。探索林內(nèi)降雨時空格局將有助于理解森林水文過程的時空變化和準(zhǔn)確評價森林水文效應(yīng)。

森林植被林內(nèi)降雨的空間變異系數(shù)在3%～54%，且針葉林林內(nèi)降雨的空間結(jié)構(gòu)比落葉林的復(fù)雜。林內(nèi)降雨空間變異主要受降雨量特征（如雨量大小、雨強(qiáng)、風(fēng)速等）和林分結(jié)構(gòu)（如林分密度、冠層覆蓋度、距離最近樹的距離等）的影響，如Liu等相關(guān)研究得到，橡膠樹（Hevea brasiliensis （Willd.ex A.Juss.） Muell.Arg.）林內(nèi)降雨空間異質(zhì)性受降雨量的影響，隨降雨量的增加，林內(nèi)降雨空間異質(zhì)性先降低后趨于穩(wěn)定。劉澤彬等研究表明，當(dāng)降雨量<10 mm時，華北落葉松（Larix gmelinii var. principis-rupprechtii（Mayr）Pilg.）林內(nèi)降雨空間變異與冠層葉面積指數(shù)顯著相關(guān)。Vacac等研究發(fā)現(xiàn)，天然花旗松（Pseudotsuga menziesii（Mirb.） Franco）林內(nèi)降雨的空間自相關(guān)范圍在春季要明顯高于夏季。受林內(nèi)降雨空間變異影響，量化林內(nèi)降雨合理取樣數(shù)成為研究學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)，如相關(guān)研究得到，冬青櫟（Quercus ilex L.）林應(yīng)至少布設(shè)22個以上的林內(nèi)降雨收集器；在0～10、10～20和20～40 mm雨量級下，柳杉（Cryptomeria japonicavar.sinensis Miq，）林內(nèi)降雨收集器的布設(shè)數(shù)量分別為25、10和7個。總體上，目前研究還多集中在整個生長季或某一時期林內(nèi)降雨空間變異或合理取樣數(shù)的確定，在生長季的不同時期（如展葉和落葉期），受降雨量和冠層結(jié)構(gòu)差異影響，林內(nèi)降雨也可能存在較大差異，但還缺乏較為系統(tǒng)的研究。

華北落葉松是六盤山區(qū)主要造林樹種，對當(dāng)?shù)氐乃帘３?、水源涵養(yǎng)和生態(tài)環(huán)境改善有重要作用。但該區(qū)降雨的月份分配不均，降雨量在華北落葉松林的展葉和落葉期存在較大差異，加之華北落葉松林冠層結(jié)構(gòu)有較大空間異質(zhì)性且有季節(jié)變化，勢必會導(dǎo)致不同時期林內(nèi)降雨空間變異的差異，因而探索華北落葉松林生長季內(nèi)不同時期林內(nèi)降雨空間變異將有助于深入理解華北落葉松林的水文效應(yīng)。本研究以六盤山半濕潤區(qū)華北落葉松人工純林為對象，監(jiān)測了2021年生長季（6-10月）不同時期（展葉和落葉期）林內(nèi)降雨量，利用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)方法分析林內(nèi)降雨的空間變異特征，并量化不同時期林內(nèi)降雨的合理取樣數(shù)，為該區(qū)森林生態(tài)水文觀測設(shè)計及林水綜合管理提供參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域

研究區(qū)位于寧夏六盤山國家級自然保護(hù)區(qū)南部東側(cè)的香水河小流域（106°12′10″～106°16′30″E，35°27′22″～35°33′29″N），流域總面積為43.7 km²，海拔2040～2931 m。屬于溫暖帶半濕潤區(qū)，年均氣溫5.9℃，年均降雨量618 mm，主要集中于夏秋季，約占全年總降雨量的71.8%。土壤類型以灰褐土為主。次生林和人工林為該區(qū)主要植被類型，分別占流域總面積的58%和24%。次生林主要樹種有遼東櫟（Quercus wutaishanica Mayr）、白樺（Betula platyphyHa Suk.）和華山松（Pinusarmandii Franch.）等。人工林主要樹種為華北落葉松和油松（Pinus tabu/iformis Carriere），其中華北落葉松林約占90%。

在研究區(qū)內(nèi)選擇1個900m²（30 m×30 m）的華北落葉松人工純樣地，林分密度622株·hm^-1，郁閉度0.80，其他林分信息詳見表1。林下灌木分布稀疏，覆蓋度約為5%，主要有華西箭竹（Fargesia nitida （Mitford） Keng f.ex Yi）、刺五加（Eleutherococcus senticosus （Rupr.et Maxim.）Maxim.）、灰栒子（Cotoneaster acutifolius Turcz.）等。草本覆蓋度為40%，以點(diǎn)葉薹草（Carex hancockiana Maxim.）為主。試驗(yàn)開展于2021年6—10月。

1.2林外、林內(nèi)降雨量觀測

在距樣地約100 m的林外空曠區(qū)放置兩個相同規(guī)格的林內(nèi)降雨收集器收集林外降雨量。為研究林內(nèi)降雨量的空間變異性，在樣地內(nèi)布設(shè)了40個雨量收集器，其中36個雨量收集器布設(shè)在36個等分的網(wǎng)格（5m×5m）內(nèi)，剩余4個雨量收集器隨機(jī)布設(shè)（圖1）。雨量收集器由聚氯乙烯漏斗和聚氯乙烯瓶兩部分組成，截面積為235.58 cm²。每次降雨結(jié)束后，利用量筒測定每個雨量收集器的雨量體積/mL，然后基于截面積換算得到雨量深／mm。

1.3林冠葉面積指數(shù)

在2021年的生長季（6—10月），利用LAI-2200C植物冠層分析儀每隔7～10天，測定每個雨量收集器上方的冠層葉面積指數(shù)（LAI）。結(jié)合研究區(qū)華北落葉松物候特征（大量落葉一般開始于8月25日-9月1日，停止于10月24日-10月31日）和觀測樣地葉面積指數(shù)的變化動態(tài)，將生長季進(jìn)一步劃分為展葉期（6月1日至8月31日）和落葉期（9月1日至10月31日）2個時期，且葉面積指數(shù)的空間變異在2個時期存有明顯差異（圖2）。

1.4空間異質(zhì)性分析

采用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)的變異系數(shù)和地統(tǒng)計學(xué)的半方差函數(shù)描述林內(nèi)降雨的空間變異特征。

變異系數(shù)（CV）是經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)中衡量數(shù)據(jù)離散程度的重要參數(shù)，CV≤0.1、0.1

半方差函數(shù)是描述變量空間結(jié)構(gòu)的重要工具，函數(shù)形式如下：

基于該函數(shù)可得到塊金值（C₀）、基臺值（Co+C）和變程（a）等指示空間結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。塊金值（C₀）是指在最小抽樣尺度下變量的變異性及測量誤差；基臺值（Co+C）是指區(qū)域化變量變化幅度的大小；塊基比[C₀/（C₀+C）]判斷變量空間自相關(guān)的程度，塊基比<25%，表示變量強(qiáng)空間自相關(guān)，25%～75%表示變量中等空間自相關(guān)，>75%，表示變量弱空間自相關(guān)。變程（a）指示變量空間自相關(guān)范圍的大小。兩點(diǎn)空間距離越大，表明兩點(diǎn)的空間自相關(guān)性越弱，當(dāng)兩點(diǎn)空間距離超過變程，表明兩點(diǎn)的空間自相關(guān)性不存在。

1.5合理取樣數(shù)的確定

利用R3.6.1軟件，進(jìn)行Monte Carlo模擬重抽樣，步驟如下：將林內(nèi)40個雨量收集器收集的27場降雨事件的林內(nèi)降雨量按整個生長季及展葉和落葉期3個時期取平均作為Monte Carlo模擬抽樣的初始值，然后分別對各時期40個林內(nèi)降雨量平均值進(jìn)行門（2～39）次不放回抽樣，并重復(fù)1000次，得到不同取樣數(shù)量（n=2～39）下的林內(nèi)降雨量平均值及其置信區(qū)間的變化，最后確定在5%誤差下雨量收集器的最少布設(shè)數(shù)量。

1.6數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2019對生長季及展葉和落葉期林內(nèi)降雨進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計分析（最大、最小和平均值，變異系數(shù)等）；利用Origin2021擬合林內(nèi)降雨變異系數(shù)與降雨量、雨強(qiáng)和降雨歷時的關(guān)系；利用GS+9.0軟件對生長季及展葉和落葉期林內(nèi)降雨進(jìn)行半方差函數(shù)分析并確定最優(yōu)函數(shù)模型；利用ArcGis10.6軟件進(jìn)行Kriging插值，并繪制不同時期林內(nèi)降雨空間分布圖。

2結(jié)果分析

2.1研究期降雨特征

研究期間（2021年6月1日—10月31日）共觀測到27次降雨事件，累積降雨量572.6 mm，次降雨量變化范圍0.6～60.7 mm，平均值21.2 mm。在展葉期（6-8月），累積降雨量210.8 mm，平均次降雨量14.1 mm，次降雨事件以<10 mm的小雨為主；在落葉期（9—10月），累積降雨量361.8 mm，平均次降雨量32.9 mm，次降雨事件以>20 mm的中大雨為主（圖3a，b）。

2.2生長季內(nèi)不同時期林內(nèi)降雨特征

研究期間累積觀測到林內(nèi)降雨量444.0 mm，占同期林外降雨量的77.5%。單場降雨事件的林內(nèi)降雨量平均值（變化范圍）16.4（0.2～50.0）mm，在展葉和落葉期，單場降雨事件的林內(nèi)降雨量平均值（變化范圍）分別為10.3（ 0.2～50.0）和24.2（5.5～48.2）mm（表2）。林內(nèi)降雨量占林外降雨量的比重受降雨量影響明顯，隨次降雨量增加，先快速增加，當(dāng)次降雨量達(dá)到10 mm后，逐漸趨于穩(wěn)定（圖4a）。林冠葉面積指數(shù)對林內(nèi)降雨量占林外降雨量的比重的影響受降雨量的影響，當(dāng)降雨量級在0～10 mm時，該比重隨林冠葉面積指數(shù)的增加呈現(xiàn)降低變化；當(dāng)降雨量級>10 mm時，該比重基本不受林冠葉面積指數(shù)的影響（圖5）。

林內(nèi)降雨量在林內(nèi)有明顯的空間變異，空間變異系數(shù)平均值（變化范圍）為28.23% （11.10%～97.71%），展葉期平均次降雨事件的林內(nèi)降雨空間變異系數(shù)（36.02%）大于落葉期的（18.45%）。林內(nèi)降雨量的空間變異受降雨特征的明顯影響，隨次降雨量、雨強(qiáng)和降雨歷時增加，均表現(xiàn)為先降低后趨于平穩(wěn)。其接近平穩(wěn)的次降雨量、雨強(qiáng)和降雨歷時閾值分別為10 mm、2 mm·h^-1和300 min。

2.3生長季內(nèi)不同時期林內(nèi)降雨的空間結(jié)構(gòu)特征

2.3.1不同時期平均林內(nèi)降雨量的半方差函數(shù)分析整個生長季及展葉和落葉期林內(nèi)降雨量平均值的半方差函數(shù)均可用高斯模型表示（表3）。整個生長季林內(nèi)降雨量的塊基比為0.042，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的空間自相關(guān)；展葉和落葉期林內(nèi)降雨量的塊基比為0.012和0.275，前者表現(xiàn)為強(qiáng)烈空間自相關(guān)，后者為中等強(qiáng)度自相關(guān)。從空間自相關(guān)范圍來看，整個生長季及展葉和落葉期的變程分別為4.82、3.95和6.53 m，表明落葉期林內(nèi)降雨的空間自相關(guān)范圍較大。

2.3.2生長季內(nèi)不同時期平均林內(nèi)降雨量的空間分布

圖6為整個生長季及展葉和落葉期平均林內(nèi)降雨量的空間分布。整個生長季平均林內(nèi)降雨量呈點(diǎn)狀和帶狀分布，但總體表現(xiàn)為上部低、下部高的空間格局。在展葉期，平均林內(nèi)降雨量空間分布連續(xù)性較差，點(diǎn)帶狀分布復(fù)雜，點(diǎn)狀區(qū)域小而多，鄰近區(qū)域差異性明顯，部分點(diǎn)位與周圍區(qū)域相比較孤立，樣地下部平均林內(nèi)降雨量明顯大于樣地上部。在落葉期，平均林內(nèi)降雨量空間差異減小，林內(nèi)降雨在樣地中部右側(cè)呈明顯的聚集效應(yīng)，并向樣地上下兩側(cè)減弱。

2.4生長季內(nèi)不同時期林內(nèi)降雨的合理布設(shè)數(shù)量

利用Monte Carlo模擬抽樣法量化在5%誤差下生長季不同時期所需雨量收集器的合理布設(shè)數(shù)量（圖7）。隨雨量收集器數(shù)量的增加，各時期平均林內(nèi)降雨量的置信區(qū)間均逐漸趨于平緩。在95%置信區(qū)間下，當(dāng)雨量收集器數(shù)量≥16、≥17和≥14個時，平均林內(nèi)降雨量的誤差在整個生長季、展葉和落葉期可分別控制在5%內(nèi)。雨量收集器的最少布設(shè)數(shù)量和林內(nèi)降雨變異系數(shù)在不同時期的變化一致，表明雨量收集器的最少布設(shè)數(shù)量與林內(nèi)降雨空間變異密切相關(guān)。

3討論

3.1林內(nèi)降雨特征及其空間變異

研究期間（2021年6月1日-10月31日）共觀測到林內(nèi)降雨量444.0 mm，占同期林外總降雨量的77.5%，略低于興安落葉松（Larix dahurica Turcz.ex Trautv.）林的81.30%、六盤山華山松林的84.3%，高于大興安嶺樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica Litv.）林的73.60%、祁連山青海云杉（Picea crassifolia Kom.）林的75.0%。除樹種特征、植被結(jié)構(gòu)等生物因素的影響外，非生物因素也對林內(nèi)降雨占林外降雨的比重有重要影響，如降雨強(qiáng)度、雨滴的數(shù)量、速度和直徑等。本研究中，展葉和落葉期林內(nèi)降雨占林外降雨的比重有差異，可能與冠層結(jié)構(gòu)和降雨量在兩個時期有不同有關(guān)，落葉期冠層葉面積指數(shù)小且降雨量大，因而林內(nèi)降雨占林外降雨的比重高。

本研究華北落葉松林內(nèi)降雨變異系數(shù)（28.23%）高于溫帶主要的落葉針葉林（15.9%～22.0%）。除樹種組成、葉片排列方式、冠層結(jié)構(gòu)和厚度等生物因素影響外，非生物因素對林內(nèi)降雨的空間變異影響也較大，如林內(nèi)降雨收集器截面積的大小會影響林內(nèi)降雨的空間變異，通常，林內(nèi)降雨收集器截面積越大，林內(nèi)降雨的空間變異越小，本研究使用的林內(nèi)降雨收集器截面積（230.58 cm²）較??；另外，林內(nèi)降雨空間變異受降雨量、降雨強(qiáng)度和降雨歷時等降雨特征的影響，本研究中也得到，林內(nèi)降雨空間變異隨降雨量、雨強(qiáng)和降雨歷時增加呈冪函數(shù)下降的變化。而本研究中平均次降雨量、雨強(qiáng)和降雨歷時較小也可能是導(dǎo)致林內(nèi)降雨變異系數(shù)較高的原因。生長季內(nèi)不同時期林內(nèi)降雨空間變異也有差異，本研究中，展葉期林內(nèi)降雨空間變異大于落葉期。已有研究表明，在小雨事件下，冠層葉面積指數(shù)顯著影響林內(nèi)降雨量。冠層葉面積指數(shù)的空間變異在展葉期要高于落葉期，且展葉期以小雨事件為主，因此，展葉和落葉期林內(nèi)降雨空間變異的差異可能是冠層結(jié)構(gòu)和降雨量級共同作用的結(jié)果。

多數(shù)研究顯示，溫帶森林林內(nèi)降雨空間分布的半方差函數(shù)可由高斯模型表示，本研究也得到了相似結(jié)果。不同氣候區(qū)和樹種林內(nèi)降雨空間結(jié)構(gòu)有較大差異。如Bellot等發(fā)現(xiàn)，地中海冬青櫟林的林內(nèi)降雨無明顯的空間結(jié)構(gòu)，而Fathizadeh等發(fā)現(xiàn)，單株波斯櫟（Quercus brant，var.Persica）有葉期林內(nèi)降雨的空間自相關(guān)性距離（1～3 m）小于無葉期的（5m）。本研究中，華北落葉松林內(nèi)降雨有明顯的空間結(jié)構(gòu)，其空間自相關(guān)距離為4.0～6.5 m?？臻g自相關(guān)距離大小主要與林分結(jié)構(gòu)和降雨特征等有關(guān)；另外，也受林內(nèi)降雨收集器的布設(shè)數(shù)量、樣地面積等影響。因而，不同氣候區(qū)（或樹種）林內(nèi)穿透雨的空間結(jié)構(gòu)相差較大。本研究中，華北落葉松林內(nèi)降雨空間分布格局在不同時期也有明顯差異，落葉期林內(nèi)降雨空間異質(zhì)性明顯低于展葉期，但總體上均呈點(diǎn)狀和帶狀分布，這與2hang等的研究結(jié)果相近。降雨特征和冠層結(jié)構(gòu)可能是導(dǎo)致展葉和落葉期林內(nèi)降雨空間變異差異的主要因素。冠層結(jié)構(gòu)空間差異越大，林內(nèi)降雨的空間變異越大，本研究中，展葉期LAI的空間變異高于落葉期（圖2）。但雨量大小也會影響冠層結(jié)構(gòu)對林內(nèi)降雨的影響，降雨量大，冠層結(jié)構(gòu)對林內(nèi)降雨的影響小，進(jìn)而導(dǎo)致林內(nèi)降雨空間異質(zhì)性較弱，如劉澤彬等研究表明，當(dāng)降雨量>20 mm時，冠層葉面積指數(shù)與林內(nèi)降雨量不相關(guān)。本研究中，展葉期以<10 mm的降雨為主，而落葉期以>20 mm降雨為主，表明冠層結(jié)構(gòu)在展葉期對林內(nèi)降雨空間分布的影響要高于落葉期，這也是展葉期林內(nèi)降雨和LAI的空間分布格局較為一致的原因。

3.2林內(nèi)降雨收集器的合理取樣數(shù)

林內(nèi)降雨量具有高度的空間變異性，因而林內(nèi)降雨收集器的布設(shè)數(shù)量將影響林內(nèi)降雨量的準(zhǔn)確評估。Ziegler等研究發(fā)現(xiàn)，在有限的雨量收集器數(shù)量下，相比固定位置的雨量收集器，定期改變雨量收集器的位置更能反映林分的林內(nèi)降雨量。Crockford等研究發(fā)現(xiàn)，雨量收集器的截面積影響林內(nèi)降雨量的準(zhǔn)確評估，要達(dá)到相同的林內(nèi)降雨評估精度，雨量收集器截面積越小，布設(shè)數(shù)量要求越多。受植被類型、冠層結(jié)構(gòu)等影響，不同研究得到的林內(nèi)降雨收集器合理布設(shè)數(shù)量有較大差異，如在95%置信區(qū)間下，若要將林內(nèi)降雨評估誤差控制在10%內(nèi)，F(xiàn)athizadehc等研究的波斯櫟樹林需布設(shè)29個雨量收集器，而Rodirgoc等研究的冬青櫟林則需布設(shè)9個雨量收集器。即使同一林分，不同降雨量級下雨量收集器的合理布設(shè)數(shù)量也有差異，如劉澤彬等得到，在95%置信水平下，當(dāng)降雨量級在0～10 mm和>10 mm時，分別至少布設(shè)26和15個雨量收集器才能夠?qū)⒘謨?nèi)降雨評估誤差控制在5%以內(nèi)。雨量收集器的合理布設(shè)數(shù)量與林內(nèi)降雨的空間變異密切相關(guān)，受降雨特征和冠層葉面積指數(shù)空間差異等影響，不同時期華北落葉松林內(nèi)降雨的空間變異不同，導(dǎo)致其雨量收集器的合理取樣數(shù)量不同；在展葉期（95%置信水平下），若要將林內(nèi)降雨評估誤差控制在5%以內(nèi)，至少需要17個雨量收集器；而在落葉期，若要將林內(nèi)降雨評估誤差控制在5%以內(nèi)，至少需要14個雨量收集器。因此，生長季內(nèi)雨量收集器合理布設(shè)數(shù)量需考慮不同時期林內(nèi)降雨的空間變異差異引起的雨量收集器合理布設(shè)數(shù)量的變化。本研究中，若要將林內(nèi)降雨評估誤差控制在5%以內(nèi)，至少需布設(shè)17個以上的雨量收集器，而不是基于整個生長季平均林內(nèi)降雨量得到的16個雨量收集器。盡管雨量收集器的合理布設(shè)數(shù)量也與其截面積大小有關(guān)，但由于林內(nèi)降雨具有空間自相關(guān)性（本研究林內(nèi)降雨的空間自相關(guān)距離在4.0～6.5 m），因此，雨量收集器截面積小范圍內(nèi)的變化不會對林內(nèi)降雨評估精度產(chǎn)生較大影響，本研究中量化生長季雨量收集器數(shù)量的方法和結(jié)果可供本研究區(qū)及相似地區(qū)林分提供參考。

4結(jié)論

（1）降雨特征影響華北落葉松林內(nèi)降雨的空間變異，隨次降雨量、雨強(qiáng)和降雨歷時的增加，林內(nèi)降雨空間變異呈下降的冪函數(shù)變化。

（2）受降雨特征和冠層結(jié)構(gòu)的影響，展葉期林內(nèi)降雨空間變異大于落葉期的，其中，在展葉期為強(qiáng)烈空間自相關(guān)，在落葉期為中等強(qiáng)度自相關(guān)。

（3）生長季內(nèi)不同時期林內(nèi)降雨空間變異的不同導(dǎo)致雨量收集器合理布設(shè)數(shù)量有差異，要確保整個生長季林內(nèi)降雨評估的準(zhǔn)確性，應(yīng)考慮雨量收集合理布設(shè)數(shù)量在不同時期的差異。