冀北壩上地區(qū)榆樹和樟子松人工林降雨再分配特征研究

朱占軍,李玉雯,王子怡,王雨晴,高云昌,馬增旺,劉海翔,李玉靈,3,李曉剛,3

(1河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,河北 保定071000;2河北省林業(yè)和草原科學(xué)研究院,河北 石家莊050067;3河北豐寧 沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,河北 豐寧068357;4張家口市塞北林場(市國有林場管理處),河北 張家口075031)

降水是森林生態(tài)系統(tǒng)水分的主要來源,降雨是其主要形式[1]。降雨經(jīng)過植物冠層后被再次分配,部分雨滴降落在植物枝葉上,在枝葉表面張力和吸附力的作用下被截留,這其中一部分通過蒸發(fā)又回到大氣,另一部分相互聚集,形成更大的雨滴,在其重力超過枝葉表面張力和吸附力的時候,一部分會自然地或由風(fēng)吹動而從樹上滴下,形成林冠滴下雨或間接穿透雨,另一部分會從葉轉(zhuǎn)移到枝、再從枝轉(zhuǎn)移到樹干形成樹干莖流;在降雨過程中,還有一部分雨滴會直接穿過林冠間隙到達(dá)林地表面形成直接穿透雨,間接穿透雨和直接穿透雨共同被稱為林內(nèi)降雨[2-5]。林冠層對降水的再分配改變了水分輸入的時空間分布格局,影響林地的水土流失及養(yǎng)分循環(huán),進(jìn)而影響植物生長及生物多樣性,是維持森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)[6-12]。

林冠對降雨的再分配過程較為復(fù)雜,受氣象等環(huán)境因素和林冠特征等多重影響[13],多數(shù)研究表明,降雨再分配的水文分量為穿透雨最多,林冠截留量次之,樹干莖流量最少[14-15]。然而,也有研究發(fā)現(xiàn),林冠截留量大于穿透雨量[11]。劉建立等在對六盤山疊疊溝小流域華北落葉松人工林冠層降水再分配特征的研究中發(fā)現(xiàn),穿透雨、樹干莖流和林冠截留的數(shù)量與降雨量呈正相關(guān)關(guān)系,并且在高的雨量(>20 mm)和雨強(qiáng)(>5 mm/h)下逐漸趨于穩(wěn)定[15]。陳妍等在對南方水土流失區(qū)馬尾松林降雨截留再分配特征的研究中發(fā)現(xiàn),林外降雨量與穿透雨、樹干莖流呈線性正相關(guān)關(guān)系,與林冠截留呈對數(shù)關(guān)系[16]。徐麗娜等在對長白山白樺和云杉林的降雨截留再分配特征的研究中發(fā)現(xiàn),白樺林的穿透雨量、樹干徑流量均高于云冷杉林,林冠截留量低于云冷杉林[17]。由于研究地、樹種、林冠結(jié)構(gòu)的不同,各研究的結(jié)果存在一定差異。

冀北壩上地區(qū)屬于典型的半干旱地區(qū),該地區(qū)的原生植被大部分為溫帶半干旱干草原,水是該地區(qū)植被生長的主要限制因子[18-19]。隨著人口的增加,長期盲目的墾荒與放牧使該地區(qū)原生草原遭到了嚴(yán)重破壞[20]。20 世紀(jì) 70 年代以來,冀北地區(qū)實(shí)施了三北防護(hù)林、京津風(fēng)沙源治理與退耕還林還草等一系列生態(tài)恢復(fù)工程[20-21]。經(jīng)過多年的植樹造林,林地已經(jīng)成為該地區(qū)一個主要的土地利用類型,占該地區(qū)土地面積的15%左右[22]。樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)為該地區(qū)主要的外來造林樹種之一,而榆樹(Ulmuspumila)為當(dāng)?shù)刂饕奶烊粯浞N之一,兩者對冀北壩上地區(qū)的生態(tài)環(huán)境都具有重要影響。然而,冀北壩上地區(qū)有關(guān)樟子松和榆樹人工林對降水再分配特征的研究較少,因此本研究在該地區(qū)以胸徑、樹高、密度、郁閉度等條件相似的榆樹和樟子松人工林為研究對象,測定不同降雨量情況下兩種人工林降雨再分配各分量,分析兩種人工林在降雨再分配上的區(qū)別及主要影響因素,明確人工造林對壩上地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)的影響。

1 研究地概況

研究地位于河北省承德市豐寧滿族自治縣大灘鎮(zhèn)(E 116.02,N 41.58),該地區(qū)地勢東南高西北低,海拔1 430～2 206.5 m;多年平均氣溫0.5 ℃,1月平均氣溫-19.4 ℃,極端最低氣溫-43.2 ℃,7月平均氣溫17.4 ℃,極端最高氣溫32.4 ℃;無霜期年平均83 d;年平均降水量430 mm;境內(nèi)最大的河流為灤河源頭,流域面積9.8 km2。該地區(qū)屬于典型的半干旱地區(qū),植被類型主要有旱地作物、草地、原生林和人工防護(hù)林,目前,大灘鎮(zhèn)有農(nóng)業(yè)耕地面積120.53 hm2,可利用草地面積203.64 hm2,林地面積254.5 hm2[23]。植被以多年生草本植被為主,優(yōu)勢種主要有羊草、冰草、野豌豆等,雜草比重較大[24]。樟子松目前為冀北壩上地區(qū)應(yīng)用最多的外來造林樹種,榆樹則為該地區(qū)主要的天然樹種,兩種人工林在壩上地區(qū)生態(tài)建設(shè)種都發(fā)揮著重要的作用。畜牧業(yè)以飼養(yǎng)肉牛、生豬、羊、家禽為主[23]。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

2022年7-8月,在前期踏查的基礎(chǔ)上,分別在大灘鎮(zhèn)胸徑、郁閉度等相似的樟子松和榆樹人工林中各隨機(jī)設(shè)置3個面積不小于10 m×10 m的標(biāo)準(zhǔn)地,對標(biāo)準(zhǔn)地中的樟子松和榆樹每木檢尺,兩種林分概況如表1。

表1 樣地概況Table 1 General situation of plots

2.2 測定方法

2.2.1 林外降雨量測定 在林外天然草地隨機(jī)設(shè)置3個雨量桶,測定林外降雨量,計算公式如下：

(1)

式中：P—林外降雨量(mm);

VP—收集到雨水體積(mL);

A—雨量桶的橫截面積(cm2)。

2.2.2 林內(nèi)降雨量測定 在每個樣地內(nèi)各選擇1株標(biāo)準(zhǔn)株(每種林分共3株標(biāo)準(zhǔn)株),在林冠邊緣到樹干的中心位置各設(shè)置1個雨量桶,測定林冠下降雨量。根據(jù)每木檢尺的數(shù)據(jù)分別計算出空地和林冠的面積,再根據(jù)林外降雨和林冠下降雨加權(quán)平均數(shù)算出林內(nèi)降雨量,計算公式如下：

(2)

(3)

式中：T—林下降雨量(mm);

VT—收集到的雨水體積(mL);

A—雨量桶的橫截面積(cm2);

P—林內(nèi)降雨量(mm);

P—林外降雨量(mm);

fP—樣地內(nèi)空地面積占樣地總面積的比例;

fT—樣地內(nèi)林冠面積占樣地總面積的比例。

2.2.3 樹干莖流量測定 在每個樣地內(nèi)再各選擇1株標(biāo)準(zhǔn)株(每種林分共3棵標(biāo)準(zhǔn)株),用釘子將剪開的蛇皮管固定纏繞在每棵標(biāo)準(zhǔn)株1.5 m以下的樹干上,使用密封膠密封蛇皮管和樹木之間的縫隙防止漏水,蛇皮管下方接雨量桶用于測定樹干莖流量,計算公式如下：

(4)

式中：G—樹干莖流量(mm);

Gn—標(biāo)準(zhǔn)株的徑流體積(L);

Kn—標(biāo)準(zhǔn)株樹冠的投影面積(m2);

GT—樣地內(nèi)所有樹木樹冠的投影面積(m2);

S—樣地的面積(m2)。

2.2.4 林冠截留量計算 根據(jù)水量平衡原理,林冠截留量的計算公式為：

I=P-P′-G

(5)

式中：I—林冠截留量(mm);

P—林外降雨量(mm);

P′—林內(nèi)降雨量(mm);

G—樹干徑流量(mm)。

2.3 統(tǒng)計分析

用回歸分析法分析榆樹和樟子松人工林林冠截留各水文分量隨林外降雨量的變化;用單因素方差分析法分析榆樹和樟子松人工林之間各水文分量與同一林分不同水文分量之間的差異(α=0.05)。所有數(shù)據(jù)用Excel 2016處理,用SPSS 26進(jìn)行統(tǒng)計分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究期間降雨量分布

研究期間降雨量的分布見圖1。由該圖可知,研究期間共發(fā)生13次降雨,平均每4.1 d發(fā)生1次,最小降雨量為1.04 mm,發(fā)生在8月1日,最大降雨量為51.74 mm,發(fā)生在8月23日至26日。由于8月1日、8月8日、8月14日、8月21日和8月29日的林冠下降雨量或樹干莖流量數(shù)據(jù)缺失,本研究采用除此之外其他日期的降雨量進(jìn)行分析。

圖1 研究期間降雨量的分布Figure 1 Rainfall distribution during the study period

3.2 榆樹和樟子松人工林林冠截留各水文分量隨林外降雨量的變化

3.2.1 榆樹和樟子松人工林林冠截留量隨林外降雨量的變化 榆樹和樟子松人工林林冠截留量與林外降雨量的關(guān)系見圖2。

(a)榆樹人工林

由圖2可知,榆樹和樟子松人工林的林冠截留量均隨林外降雨量的增加而增加,榆樹人工林的林冠截留量與林外降雨量的關(guān)系以指數(shù)曲線擬合最佳,擬合方程為y=0.276 8e0.043 6x,R2=0.747 9;樟子松人工林的林冠截留量與林外降雨量的關(guān)系以對數(shù)曲線擬合最佳,擬合方程為y=0.989 ln(x)-0.015 4,R2=0.434 7。

3.2.2 榆樹和樟子松人工林林內(nèi)降雨量隨林外降雨量的變化 榆樹和樟子松人工林林內(nèi)降雨量與林外降雨量的關(guān)系見圖3。

(a)榆樹人工林

由圖3可知,榆樹和樟子松人工林的林內(nèi)降雨量隨林外降雨量的增加均呈線性增加關(guān)系,其中榆樹人工林的林內(nèi)降雨量與林外降雨量的擬合方程為y=0.925 2x+0.355 3,R2=0.996 1;樟子松人工林的林內(nèi)降雨量與林外降雨量的擬合方程為y=0.923 5x-1.784 3,R2=0.988 6。

3.2.3 樟子松人工林林冠截留各特征量隨林外降雨量的變化 榆樹和樟子松人工林樹干莖流量與林外降雨量的關(guān)系見圖4。

(a)榆樹人工林

由圖4可知,榆樹和樟子松人工林的林內(nèi)降雨量隨林外降雨量的增加均呈線性增加關(guān)系,其中榆樹人工林的樹干莖流量與林外降雨量的擬合方程為y=0.007 9x-0.002,R2=0.852 4;樟子松人工林的樹干莖流量與林外降雨量的擬合方程為y=0.030 4x-0.139 1,R2=0.948 6。根據(jù)擬合方程,理論上榆樹和樟子松人工林分別在林外降雨量為0.25 mm和4.58 mm時才開始產(chǎn)生樹干莖流。

3.3 榆樹和樟子松人工林之間降水分配的差異

3.3.1 榆樹和樟子松人工林之間林冠截留量的差異 不同降雨量情況下2種林分林冠截留量之間的差異見圖5。

圖5 不同降雨量榆樹和樟子松人工林林冠截留量的差異Figure 5 Differences in canopy interception with different rainfall of U.pumila and P.sylvestris var. mongolica plantations 注：“*”表示差異顯著,P<0.05,下同。

由圖5可知,在降雨量為19.91 mm時,2種人工林的林冠截留量差異不顯著(P>0.05);在降雨量為1.43、11.66、13.62、19.78、26.53、34.71 mm時,樟子松人工林的林冠截留量顯著大于榆樹人工林(P<0.05);在降雨量為51.74 mm時,榆樹人工林的林冠截留量顯著大于樟子松人工林(P<0.05)。

3.3.2 榆樹和樟子松人工林之間林內(nèi)降雨量的差異 不同降雨量情況下榆樹和樟子松人工林之間林內(nèi)降雨量的差異見圖6。

圖6 榆樹和樟子松人工林之間林內(nèi)降雨量的差異隨林外降雨量的變化Figure 6 Differences in rainfall inside with rainfall outside the forest of U.pumila and P.sylvestris var. mongolica plantations

由圖6可知,2種人工林之間林內(nèi)降雨量的差異并無明顯規(guī)律,降雨量為11.66 mm時榆樹人工林林內(nèi)降雨量顯著大于樟子松人工林(P<0.05),其他降雨量2種人工林之間林內(nèi)降雨量差異均不顯著(P>0.05)。

3.3.3 榆樹和樟子松人工林之間樹干莖流量的差異 不同降雨量情況下2種林分樹干莖流量的差異見圖7。

圖7 不同降雨量榆樹和樟子松人工林之間樹干莖流量的差異Figure 7 Differences in stem flow with different rainfall of U.pumila and P.sylvestris var. mongolica plantations

由圖7可知,在降雨量為11.66、13.62、19.91 mm等小雨量級時,2種人工林之間樹干莖流量的差異不顯著(P>0.05);當(dāng)降雨量為19.78、26.53、34.7、51.74 mm等大雨量級時,樟子松人工林樹干莖流量顯著大于榆樹人工林(P<0.05)。

3.4 榆樹和樟子松人工林降水分配隨降雨量的變化

3.4.1 榆樹人工林林冠截留各水文分量的分布隨降雨量的變化 榆樹人工林林冠截留各水文分量的分布隨降雨量的變化見表2。

表2 榆樹人工林林冠截留各水文分量的分布隨降雨量的變化Table 2 Changes of the distribution of canopy interception hydrological components of U.pumila plantation with rainfall

由表2可知,各雨量級情況下,榆樹人工林的林內(nèi)降雨量均顯著大于樹干莖流量和林冠截留量(P<0.05);在林外降雨量為1.43、19.9和51.74 mm時,林冠截留量顯著大于樹干莖流量(P<0.05),其他降雨量二指標(biāo)差異不顯著(P>0.05)。

3.4.2 樟子松人工林林冠截留各水文分量的分布隨降雨量的變化 樟子松人工林林冠截留各水文分量的分布隨降雨量的變化見表3。

表3 樟子松人工林林冠截留各水文分量的分布隨降雨量的變化Table 3 Changes of the distribution of canopy interception hydrological components of P. sylvestris var. mongolica plantation with rainfall

由表3可知,在研究期間各雨量級情況下,樟子松人工林的林內(nèi)降雨量均顯著大于樹干莖流量和林冠截留量(P<0.05);降雨量為51.74 mm時,林冠截留量與樹干徑流量的差異不顯著(P>0.05),其他降雨量均為林冠截留量顯著大于樹干莖流量(P<0.05)。

4 討論

4.1 冀北壩上地區(qū)樟子松和榆樹人工林林冠截留特征及其影響因素

在降雨初期或雨量級較小的情況下,降雨全部被林冠吸收,此時林冠截留量增加較快,在雨量級較大時,林冠吸水飽和后截留量趨于穩(wěn)定,因此,林冠截留量與林外降雨量應(yīng)該呈對數(shù)關(guān)系[15]。本研究中,樟子松人工林林冠截留量隨林外降雨量的變化符合這一規(guī)律,但榆樹人工林在研究期間以指數(shù)關(guān)系擬合最佳。林外降雨量在小于34.71 mm時,除降雨量為19.91 mm時2種人工林林冠截留量差異不顯著外,其他降雨量時的林冠截留量均為樟子松人工林顯著大于榆樹人工林,這可能是因?yàn)檎磷铀傻娜~為針葉,兩針一束,且在枝條上密集著生;榆樹的葉為闊葉,單片稀疏著生,樟子松的樹冠對雨水的吸附力比榆樹更強(qiáng),同時降雨量為19.91 mm以外的降雨可能伴有強(qiáng)風(fēng),被榆樹林冠截留的雨水在風(fēng)的作用下大量滴落,而被樟子松林冠截留的雨水受到的影響并不顯著,從而導(dǎo)致榆樹人工林的林冠截留量顯著小于樟子松人工林。降雨量為51.74 mm時,榆樹人工林的林冠截留量超過了樟子松人工林,這可能是在相同直徑、樹高、密度和郁閉度的情況下,榆樹有比樟子松更大的樹冠體積(表1),從而使其擁有更大的葉面積指數(shù)所致。

4.2 冀北壩上地區(qū)樟子松和榆樹人工林林內(nèi)降雨特征及其影響因素

林內(nèi)降雨量隨林外降雨量的增加而增加,但在林外降雨量非常小時,由于降雨幾乎全部被林冠吸附,林內(nèi)降雨近似等于零,且最初增加緩慢,而后隨林外降雨量的增加而激增,大致呈直線上升,因此在整個降雨過程中,林內(nèi)降雨量隨林外降雨量的增加會呈指數(shù)關(guān)系增加[26]。本研究中,2種人工林的林內(nèi)降雨量隨林外降雨量的增加并沒有呈指數(shù)關(guān)系增加,而是都呈線性關(guān)系,這可能是研究地2種人工林的郁閉度都比較小(表1),林冠截留效應(yīng)太小,林內(nèi)降雨中直接穿透雨占的比重過大所致。本研究結(jié)果顯示,在大部分降雨量情況下,2種林分的林內(nèi)降雨量沒有顯著差異,但在降雨量為11.66 mm時,榆樹人工林的林內(nèi)降雨量顯著大于樟子松人工林(圖6),如上所述,出現(xiàn)這種情況的原因這也可能是風(fēng)增加了榆樹林冠吸附的雨水的滴落量。

4.3 冀北壩上地區(qū)樟子松和榆樹人工林樹干莖流特征及其影響因素

由于林冠截留效應(yīng)的存在,樹干莖流的發(fā)生存在一定的滯后性,并且樹干莖流量隨林外降雨量的增加線性增加[27-30]。本研究結(jié)果顯示,榆樹和樟子松人工林分別在林外降雨量為0.25 mm和4.58 mm時才開始產(chǎn)生樹干莖流,且二者與林外降雨量呈顯著線性關(guān)系,這與前人研究結(jié)果一致。樟子松人工林樹干莖流的臨界值大于榆樹人工林,這也可能是樟子松葉的特征使其對雨水的吸附能力比榆樹更強(qiáng)所致。一般來說,在相同降雨條件下,闊葉樹的樹干莖流大于針葉樹[31]。本研究結(jié)果顯示,林外降雨量小于13.62 mm時,2種人工林樹干莖流量沒有顯著差異(圖7),這可能是小雨量級時,2樹種的枝葉和樹皮都比較干燥,能吸附大部分雨水,2個樹種產(chǎn)生的樹干莖流量都較少所致[22];降雨量為19.78、26.53 mm和34.71 mm時,榆樹的樹干莖流量顯著小于樟子松(圖7),如上所述,降雨量為1.43～19.78 mm和26.53～34.74 mm時可能伴有強(qiáng)風(fēng),使大量榆樹的林冠截留以間接降雨的形式滴下,從而增大了林內(nèi)降雨量,減小了林冠截留量和樹干莖流量,在此過程中,樟子松的葉因?qū)τ晁奈侥芰?qiáng)而受到的影響不顯著,因此造成上述結(jié)果。降雨量為19.91 mm時天氣條件比較穩(wěn)定,沒有強(qiáng)風(fēng)發(fā)生,榆樹林冠因此會吸附更多的雨水,經(jīng)林冠匯聚成樹干莖流的雨水增多,使2種人工林樹干莖流量差異變得不顯著。降雨量為51.74 mm時,也沒有強(qiáng)風(fēng)的發(fā)生,而樟子松人工林的樹干莖流量顯著大于榆樹人工林,這可能是樟子松樹皮光滑且吸水能力弱,榆樹樹皮粗糙且吸水能力強(qiáng),使榆樹對樹干莖流的阻攔和吸收作用比樟子松更強(qiáng)更持久所致。

4.4 冀北壩上地區(qū)樟子松和榆樹人工林林冠截留各水文分量的分布特征及其影響因素

研究表明,不同植被類型林冠層對降雨的分配表現(xiàn)為穿透雨最多,林冠截留次之,樹干莖流最小[32]。本研究中,榆樹和樟子松人工林的林內(nèi)降雨量在所有雨量級均顯著大于樹干莖流量和林冠截留量,這與多數(shù)研究結(jié)果一致。在降雨初期和小雨量級情況下,所有降落到樹冠上的雨水都被吸附,此時林冠截留量通常大于樹干莖流量,隨著降雨量的增大,林冠截留量趨于穩(wěn)定,但林內(nèi)降雨量和樹干莖流量繼續(xù)增大,當(dāng)降雨量達(dá)到一定程度時,樹干莖流量會超過林冠截留量[15]。本研究中,樟子松人工林的林冠截留量在林外降雨量為1.43～34.71 mm時均顯著大于樹干莖流量,在林外降雨量為51.74 mm時二者無顯著差異(圖9)說明了這一點(diǎn)。而榆樹人工林在林外降雨量為1.43、19.91 mm和51.74 mm時林冠截留量顯著大于樹干莖流量,其他降雨量二者均無顯著差異(圖8),如前文所述,這可能是降雨量為19.91 mm和51.74 mm之外的降雨伴有強(qiáng)風(fēng),使榆樹人工林林冠截留量減小所致。

5 結(jié)論

樟子松的樹冠對雨水的吸附能力強(qiáng)于榆樹,但在相同胸徑、樹高、密度和郁閉度情況下,榆樹人工林林冠截留容量比樟子松人工林大。在郁閉度較小的情況下,2種人工林林內(nèi)降雨量隨林外降雨量的增加線性增加。2種人工林樹干莖流的發(fā)生均有明顯的滯后性,且樟子松人工林產(chǎn)生樹干莖流的臨界值大于榆樹人工林;榆樹樹干對樹干莖流的吸收和阻攔作用比樟子松強(qiáng)。在胸徑、樹高、密度、郁閉度相似的情況下,2種人工林均為林內(nèi)降雨量最大,在雨量級較小時林冠截留量大于樹干莖流量,隨著雨量級的增加,樹干莖流量會超過林冠截留量。風(fēng)降低了榆樹人工林的林冠截留量和樹干莖流量,增加了林內(nèi)降雨量,但對樟子松人工林林冠截留各水文分量沒有產(chǎn)生明顯影響。