太行山區(qū)不同植被降雨再分配特征*

孫天妙,陽(yáng)輝,曹建生**

(1.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022;

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

森林生態(tài)系統(tǒng)以其復(fù)雜的功能層次結(jié)構(gòu)對(duì)大氣降水進(jìn)行再分配,改變降水?dāng)?shù)量以及時(shí)空分布格局,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)森林水文涵養(yǎng)效應(yīng)[1]。植被冠層的降雨再分配過(guò)程是植被與水文相互作用的重要環(huán)節(jié)[2-5],包括冠層截留、穿透雨、樹(shù)干徑流[6-7]。冠層截留是指在降雨過(guò)程中以及降雨結(jié)束后以蒸散發(fā)的形式返回大氣中的雨水,是降雨過(guò)程中的凈損失項(xiàng)[8];穿透雨包括穿過(guò)林冠層直接到達(dá)地面的雨水和從冠層枝葉滴落到地面的雨水[9];樹(shù)干徑流是指沿樹(shù)枝樹(shù)干以點(diǎn)源形式匯集到深層土壤的雨水,對(duì)植物水分和養(yǎng)分輸入具有重要意義[10]。通過(guò)對(duì)降雨再分配的研究,可以更深入了解森林水文過(guò)程及作用,是生態(tài)水文學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題和前沿問(wèn)題[11-14]。

太行山區(qū)位于海河流域上游,是華北平原和京津冀地區(qū)重要的生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)和水源涵養(yǎng)功能區(qū),同時(shí)也是海河流域下游眾多城市生產(chǎn)和服務(wù)用水的保障區(qū)。長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)土地的不合理利用導(dǎo)致該區(qū)水土流失嚴(yán)重,為恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng),自1986 年我國(guó)實(shí)施太行山綠化工程以來(lái),森林覆蓋面積快速增加,但不適宜的造林方式導(dǎo)致該區(qū)水資源短缺,水位下降問(wèn)題嚴(yán)重[15-16],因此確認(rèn)不同植被對(duì)天然降水的利用效率,研究林冠層截留量及其影響因素,對(duì)科學(xué)合理地改善和修復(fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境,提高下游地區(qū)的生態(tài)安全,緩解區(qū)域水資源短缺,減輕流域洪澇災(zāi)害威脅都具有極其重要的意義,可為華北地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

早在20 世紀(jì)90 年代初期,國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)提出了核心內(nèi)容“水文循環(huán)的生物圈方面(BAHC)”,此后全球范圍內(nèi)開(kāi)展了大量有關(guān)降雨再分配等方面的研究,國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)我國(guó)南北不同氣候區(qū)不同森林植被類(lèi)型的降雨再分配過(guò)程做了大量研究。目前,關(guān)于降雨再分配的研究范圍較廣,包括北美德克薩斯州、亞馬孫河流域、地中海地區(qū)以及國(guó)內(nèi)的大興安嶺區(qū)、岷江上游、祁連山等區(qū)域;不同類(lèi)型植被對(duì)降雨再分配作用存在很大差異,總體而言,對(duì)喬木林的研究相對(duì)較多,主要包括杉木(Cunninghamia lanceolata)林、油松(Pinus tabuliformis)林、山楊(Populus davidiana)林、華北落葉松(Larix principis-rupprechtii)林、杜仲(Eucommia ulmoides)林和馬尾松(Pinus massoniana)林等針闊葉林。已有學(xué)者在太行山區(qū)開(kāi)展降雨再分配相關(guān)研究,但多以單一林分為研究對(duì)象,而以多種林分為研究對(duì)象進(jìn)行對(duì)比分析的研究相對(duì)較少,且對(duì)降雨再分配的研究多集中在林外降雨量、穿透雨量、樹(shù)干徑流量、冠層截留量總量和比例的分析,而對(duì)于降雨過(guò)程中隨降雨量變化趨勢(shì)以及閾值分析較少[17-18]。河北太行山區(qū)植被類(lèi)型較多,降雨再分配的研究大多集中在關(guān)于蘋(píng)果(Malus pumila)、核桃(Juglans regia)等人工經(jīng)濟(jì)林,對(duì)天然灌木和次生林研究較少[19],對(duì)其他植被類(lèi)型少有系統(tǒng)研究,不利于對(duì)太行山低山丘陵區(qū)降雨再分配規(guī)律、特征、影響機(jī)制的探索。因此,本研究選擇河北太行山典型自然林[荊條(Vitex negundo)灌叢]以及人工林[刺槐(Robinia pseudoacacia)林、白皮松(Pinus bungeana)林、黃連木(Pistacia chinensis)林、杜仲林、櫻桃(Cerasus pseudocerasus)林、竹(Garcinia multiflora)林、白蠟(Fraxinus chinensis)林],分析其降雨再分配過(guò)程,對(duì)其林冠層水文效應(yīng)做定量分析,為人們探索太行山區(qū)植被生態(tài)水文動(dòng)態(tài)提供基礎(chǔ),以揭示不同林分的水源涵養(yǎng)功能。

1 研究區(qū)概況

該研究在中國(guó)科學(xué)院太行山山地生態(tài)試驗(yàn)站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)太行山站)內(nèi)完成,太行山站位于海河流域,雄安新區(qū)上游,行政區(qū)劃屬于河北省石家莊市。地處37°52′44″N、114°15′50″E,海拔350 m 左右,為低山丘陵區(qū)[20]。氣候?qū)儆诎敫珊蛋霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候,雨熱同期,夏季炎熱多雨,冬季干旱少雨,多年平均氣溫13 ℃,無(wú)霜期150～210 d,多年平均降水量513.2 mm[21],多集中于7-9 月,占全年降雨的67.8%[22];在全球變暖背景下,50 年來(lái)出現(xiàn)溫度升高、降水減少的趨勢(shì)[18-19]。土壤貧瘠,以粗骨性風(fēng)化物上的褐土為主,兼有壤土、砂壤土、片麻巖和頁(yè)巖石質(zhì)土壤,土層厚度約0.5～2.5 m。該區(qū)植被類(lèi)型以暖溫帶闊葉林被破壞后發(fā)育的次生灌草叢和低矮喬木以及人工栽培植被為主,主要包括灌木荊條、酸棗(Zizyphus jujuba),次生低矮喬木刺槐,草本黃背草(Themeda japonica)、白羊草(Bothriochloa ischaemum),人工經(jīng)濟(jì)林櫻桃林、核桃林等。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇

于2022 年6 月在太行山站試區(qū)選取有代表性的天然林荊條灌叢以及人工林刺槐林、櫻桃林、黃連木林、白皮松林、杜仲林、白蠟林、竹林為研究對(duì)象,分別在林內(nèi)設(shè)置20 m×20 m 的樣地,以場(chǎng)外空地作為對(duì)照。調(diào)查并記錄每個(gè)林分的特征(表1)。在2022 年7-9 月開(kāi)展野外試驗(yàn),在每個(gè)樣地內(nèi)選取5個(gè)隨機(jī)點(diǎn)測(cè)定穿透雨,選取5 株植被測(cè)定樹(shù)干徑流。

表1 研究區(qū)不同林分的特征Table 1 Characteristics of different types of vegetation in the study area

2.2 林外降雨觀測(cè)

林外降雨測(cè)量地點(diǎn)為太行山站內(nèi),距離各樣地之間直線距離最遠(yuǎn)不超過(guò)2 km,故該點(diǎn)測(cè)量的降雨量可代表樣地的林外降雨量。林外降雨量采用人工和自動(dòng)測(cè)定相結(jié)合的方法,在太行山站試區(qū)空曠處安裝兩個(gè)半徑10 cm 的圓筒,每場(chǎng)降雨后稱(chēng)重,換算成降雨量,并用太行山站長(zhǎng)期氣象站自動(dòng)觀測(cè)的降雨數(shù)據(jù)作為校正,以確保林外降雨的準(zhǔn)確性。雨水收集以次降雨事件為基礎(chǔ),白天以間隔6 h 為一次降雨事件[12],于結(jié)束后30 min 內(nèi)立刻進(jìn)行降雨量測(cè)定,由于受氣象條件的影響,夜間降雨均按照1 次降雨計(jì)算,第二天日出前完成測(cè)定[23]。

2.3 林內(nèi)穿透雨觀測(cè)

林內(nèi)穿透雨量(TF,mm)觀測(cè): 采用自制降雨收集裝置,在每種林分內(nèi)各隨機(jī)安裝5 組半徑10 cm 的雨量桶,為防止枯落物落入,在雨量桶口安裝尼龍網(wǎng),并在每次降雨后清潔尼龍網(wǎng)[24]。每場(chǎng)降雨后稱(chēng)重?fù)Q算成體積,然后換算成降雨量統(tǒng)一單位(mm)。

式中:RTF為穿透雨率,PTF為穿透雨量(mm),Pout為林外降雨量(mm),VTi為第i個(gè)水桶中收集到的穿透雨的體積(mL),A為雨量桶橫截面積(cm2)。

2.4 樹(shù)干徑流量觀測(cè)

樹(shù)干徑流量(SF,mm)測(cè)定: 每個(gè)樣地分別選擇代表性植株5 棵,在樹(shù)干基部30 cm 以上,以塑料管螺旋纏繞法收集樹(shù)干徑流,采用直徑為3 cm 的聚乙烯塑料管,將其拋開(kāi)后與水平面呈45°角傾斜纏繞至樹(shù)干上2～3 圈,將膠管一側(cè)緊貼樹(shù)干,用大頭釘固定,用防水玻璃膠將塑料管邊緣與樹(shù)干密封,膠管末端為管狀,將水導(dǎo)入下方塑料桶中[25],為防止穿透雨沿管壁進(jìn)入容器,接口處用防水密封膠泥密封。每次降雨后測(cè)量桶內(nèi)水重量,換算成體積,最終換算成降雨量統(tǒng)一單位(mm)[26]。

式中:PST為樹(shù)干徑流量,RST為樹(shù)干徑流率,Vi為第i個(gè)桶中樹(shù)干徑流的體積(mL),n為測(cè)樹(shù)干徑流個(gè)數(shù),Sp為樣地植株平均冠幅面積(m2)。

2.5 冠層截留計(jì)算

冠層截留量(IF,mm)計(jì)算: 冠層的截流量由水量平衡公式計(jì)算所得,為林外降雨與樹(shù)干徑流、穿透雨的差值,表示冠層截留的數(shù)量。冠層截留率為冠層截流量占林外降雨的百分比,表示冠層截留的效率、快慢。

式中:RIF為冠層截留率,PIF為冠層截留量(mm)。

2.6 葉片吸水能力計(jì)算

葉片吸水能力用葉片最大吸水量表示,在每個(gè)樣地采集大、中、小葉片各20 片葉片,將其分別稱(chēng)重后浸泡清水中24 h,取出后懸掛至無(wú)明顯水滴落下,進(jìn)行稱(chēng)重[27]。

式中:W為葉片最大吸水量(g),n為葉片個(gè)數(shù),mi1為浸泡后葉片重量(g),mi2為新鮮葉片重量(g)。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征

研究區(qū)2022 年7-9 月共監(jiān)測(cè)到20 場(chǎng)降雨,人工監(jiān)測(cè)降雨與太行山站長(zhǎng)期氣象站自動(dòng)監(jiān)測(cè)降雨數(shù)據(jù)無(wú)顯著差異(F=0.0028,P=0.9575)(表2)。因試驗(yàn)中穿透雨量和樹(shù)干徑流量均為人工監(jiān)測(cè)測(cè)量值,為減小誤差,本文林外降雨量采用人工監(jiān)測(cè)值,人工監(jiān)測(cè)總降雨量為283.25 mm,平均降雨量為14.16 mm,標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別為20.53 mm 和145%,表明降雨量波動(dòng)性較大,單次最大降雨量為69.39 mm (7 月12 日),單次最小降雨量為0.07 mm (7 月17 日) (圖1)。

圖1 研究時(shí)段內(nèi)逐次降雨特征Fig.1 Characteristics of successive rainfall in the study period

表2 研究區(qū)域降雨特征統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of regional rainfall characteristics

由表2 可知,研究時(shí)段降雨主要以0 mm＜J＜10 mm 的降雨事件為主,降雨頻率最大,共降雨13 次,占總降雨場(chǎng)次的65.00%,但其累計(jì)降雨量占總降雨量比例較小,對(duì)總降雨量影響較小;50 mm≤J＜100 mm 降雨發(fā)生頻率較小,但累計(jì)降雨量占總降雨量的比例最大(47.06%),對(duì)總降雨量影響較大。從降雨強(qiáng)度來(lái)看,本研究中降雨強(qiáng)度變化范圍為0.05～7.2 mm·h-1,主要以＜5 mm·h-1的降雨事件為主,包括小雨、中雨、大雨和暴雨。

本研究采用干燥指數(shù)(DI)來(lái)劃分年型: DI=(P-M)/σ,P為當(dāng)年降雨量(mm),M為多年平均降雨量(mm),σ為標(biāo)準(zhǔn)差,DI＜-0.35 為枯水年,-0.35≤DI≤0.35 為平水年,DI＞0.35 為豐水年。1997-2021 年雨季平均降雨量為332.31 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為143.81,2022年雨季降雨量為283.25 mm,計(jì)算可得DI=-0.34,因此2022 年雨季降雨量屬于平水年份,具有較好的代表性。

3.2 不同林分降雨再分配特征

監(jiān)測(cè)期間共得到20 場(chǎng)降雨再分配事件,整體上均表現(xiàn)為穿透雨量＞冠層截留量＞樹(shù)干徑流量,與之前研究結(jié)果一致[28-30],不同林分之間降雨再分配比例差別較大。

研究期間,8 種林分均有超過(guò)一半的降雨以穿透雨的形式降落,總穿透雨量占總降雨量的比例從大到小依次為: 白皮松林＞刺槐林＞竹林＞荊條灌叢＞黃連木林＞杜仲林＞櫻桃林＞白蠟林,白皮松林總穿透雨量占總降雨量比例最大,白蠟林最小,二者相差26.57%。平均穿透雨量表現(xiàn)為白皮松林＞刺槐林＞荊條灌叢＞竹林＞黃連木林＞杜仲林＞櫻桃林＞白蠟林,與總穿透雨量分別占總降雨量比例排序基本一致(表3)。人工林總穿透雨量占總降雨量比例平均為74.45%,自然林為73.62%,自然林略小于人工林但相差不大。

表3 不同林分降雨再分配統(tǒng)計(jì)分析Table 3 Statistical analysis of rainfall redistribution in different types of vegetation

由表3 可知,整體上樹(shù)干徑流量占總降雨量比例較小,表現(xiàn)為杜仲林＞竹林＞刺槐林＞荊條灌叢＞櫻桃林＞白蠟林＞黃連木林＞白皮松林,杜仲林總樹(shù)干徑流量占總降雨量比例最大,其次為竹林,其余林分均小于5%,白皮松林最小(僅為1.02%),此結(jié)果與單層針葉林樹(shù)干徑流量明顯小于其他植被類(lèi)型的研究結(jié)果一致[31-32]。平均次樹(shù)干徑流量表現(xiàn)為杜仲林＞竹林＞刺槐林＞荊條灌叢＞櫻桃林＞白蠟林＞黃連木林＞白皮松林,與總樹(shù)干徑流量分別占總降雨量比例排序一致。人工林總樹(shù)干徑流量占總降雨量比例平均為4.62%,大于自然林(3.06%),產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是人工林平均樹(shù)高和胸徑較大,匯集雨水的能力較強(qiáng)。

不同林分冠層截留率表現(xiàn)為白蠟林＞櫻桃林＞黃連木林＞荊條灌叢＞杜仲林＞竹林＞刺槐林＞白皮松林,白蠟林的總截留量占總降雨量比例為所有樹(shù)種中最大值,櫻桃林略低,使接近1/3 的降雨成為無(wú)效降雨,白皮松林總冠層截留量占總降雨量比例最低,此現(xiàn)象可能與白皮松林的林隙最大有關(guān)[33]。平均次冠層截留量表現(xiàn)白蠟林＞櫻桃林＞黃連木林＞荊條灌叢＞杜仲林＞竹林＞刺槐林＞白皮松林,與總冠層截留量分別占總降雨量比例排序一致(表3)。人工林總冠層截留量占總降雨量的比例小于自然林,產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是人工林穿透雨率和樹(shù)干徑流率較高,經(jīng)水量平衡計(jì)算后冠層截留率小于自然林。

冠層截留量與葉片吸水能力整體上呈正相關(guān)關(guān)系(表4),葉片最大吸水量表現(xiàn)為白蠟林＞荊條林＞櫻桃林、黃連木林＞竹林＞杜仲林＞刺槐林＞白皮松林,可以看出葉片最大吸水量由低到高對(duì)應(yīng)植被類(lèi)型與冠層截留率基本相同,即葉片最大吸水量越大,冠層截留能力越強(qiáng)。

表4 不同林分葉片吸水能力和冠層截留統(tǒng)計(jì)分析Table 4 Statistics and analysis of leaf water absorption capacity and canopy interception of different types of vegetation

綜上所述,白蠟林冠層截留率最高,白皮松林冠層截留率最低,產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是白蠟林葉片面積大且葉片吸水能力強(qiáng),而白皮松林葉片面積最小且吸水能力最弱,因此可攔截的降雨最少;杜仲林樹(shù)干徑流率最高,猜測(cè)產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是杜仲樹(shù)干有縱向紋路,且樹(shù)干較高大筆直,有利于樹(shù)干徑流的匯集和運(yùn)輸。

3.3 不同林分降雨再分配與降雨量的關(guān)系

3.3.1 穿透雨與降雨量的關(guān)系

為研究降雨量對(duì)穿透雨量的影響,將林外降雨量與穿透雨量進(jìn)行擬合,擬合方程如表5 所示。分析結(jié)果顯示: 1)穿透雨量與林外降雨量呈極顯著一次線性函數(shù)關(guān)系,隨降雨量增加而增加,且R2均大于0.95,說(shuō)明穿透雨量主要由降雨量決定。斜率表示穿透雨量隨降雨量增加的變化速率,由表5 可知白皮松林、荊條灌叢、刺槐林的變化速率較大,而黃連木林、杜仲林次之,櫻桃林、竹林和白蠟林穿透雨量隨降雨量變化速率較低。2)林外降雨量超過(guò)一定閾值會(huì)觸發(fā)產(chǎn)生穿透雨,測(cè)量結(jié)果表明,在林外降雨量為0.28 mm 時(shí)即可觸發(fā)刺槐林、竹林和櫻桃林產(chǎn)生穿透雨,在林外降雨為0.77 mm 時(shí)可觸發(fā)其他林分產(chǎn)生穿透雨,8 種林分均表現(xiàn)為較小的降雨量即可觸發(fā)產(chǎn)生穿透雨。3)白皮松林穿透雨量最高,隨林外降雨量增加的增長(zhǎng)速率最大,白蠟林、櫻桃林、杜仲林穿透雨量隨林外降雨量變化基本相同,產(chǎn)生的穿透雨量較低,增長(zhǎng)速率較慢。

表5 不同林分降雨量與穿透雨量及穿透雨率擬合關(guān)系Table 5 Fitting relationships between rainfall and throughfall and throughfall rate of different types of vegetation

為研究降雨量對(duì)穿透雨率的影響,將林外降雨量與穿透雨率進(jìn)行擬合(表5)。分析結(jié)果顯示: 穿透雨率與林外降雨量呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系,且R2均大于0.6,隨著降雨量的增加,穿透雨率升高,當(dāng)降雨量較小(0～5 mm)時(shí),穿透雨率隨降雨量增加而增加的幅度最大,穿透雨率隨降雨量變化敏感,而隨著林外降雨量增加(5～20 mm)時(shí),穿透雨率增長(zhǎng)速率減小,當(dāng)降雨量較大(＞20 mm)時(shí),穿透雨率隨降雨量增加的速率逐漸趨于穩(wěn)定。

3.3.2 樹(shù)干徑流與降雨量的關(guān)系

為研究降雨量對(duì)樹(shù)干徑流量的影響,將林外降雨量與樹(shù)干徑流量進(jìn)行擬合,樹(shù)干徑流量與穿透雨量呈一次線性函數(shù)關(guān)系,R2均大于0.7 (表6),擬合方程y=ax+b的斜率(a)表示樹(shù)干徑流量隨林外降雨量增加而增加的幅度。從方程的參數(shù)可以推斷,8 條擬合線的斜率具有較大差異,不同林分樹(shù)干徑流隨降雨量增加的變化速率不同,杜仲林的擬合線斜率明顯大于其他林分,說(shuō)明杜仲林樹(shù)干徑流量隨降雨量增大的速率更快。測(cè)量結(jié)果表明,刺槐林、荊條灌叢、杜仲林、竹林在林外降雨量0.77 mm 時(shí)即可觸發(fā)產(chǎn)生樹(shù)干徑流,而其他林分則在林外降雨量較大(＞3.35 mm)時(shí)才可觸發(fā)產(chǎn)生樹(shù)干徑流。

表6 不同林分降雨量與樹(shù)干徑流量及樹(shù)干徑流率擬合關(guān)系Table 6 Fitting relationship between rainfall and stemflow and stemflow rate of different types of vegetation

為研究降雨量對(duì)樹(shù)干徑流率的影響,將林外降雨量與樹(shù)干徑流率進(jìn)行擬合,樹(shù)干徑流率與穿透雨量呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系(表6),在降雨量＜5 mm 時(shí)隨著林外降雨量的增加,樹(shù)干徑流率增長(zhǎng)速度較快,在林外降雨量為5～15 mm 時(shí),隨降雨量增加樹(shù)干徑流率增長(zhǎng)速率減慢,降雨量＞15 mm 后,樹(shù)干徑流率變化趨于穩(wěn)定。

3.3.3 冠層截留與降雨量的關(guān)系

在森林生態(tài)系統(tǒng)中,冠層截留受林外降雨特征影響較大,冠層截留量與林外降雨量的關(guān)系用冪函數(shù)擬合效果最好(表7),在降雨量小于20 mm 時(shí),冠層截留量隨降雨量增加速率較快,但隨著降雨量的增加,冠層截流量增加速率降低。不同傾斜程度表示不同植被類(lèi)型冠層截留量隨降雨量增加的變化幅度,不同林分的冠層截留量隨降雨量的增加差距逐漸增大,荊條灌叢白蠟林、櫻桃林、黃連木林的冠層截留量隨降雨量增加變化明顯,竹林冠層截留量隨降雨量的增長(zhǎng)幅度最小。通過(guò)對(duì)冠層截留率與降雨量之間進(jìn)行曲線擬合(表7),發(fā)現(xiàn)8 種林分冠層截留率與降雨量均呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。測(cè)量結(jié)果表明,當(dāng)降雨量較小時(shí)(＜20 mm),冠層截留率隨降雨量的增加顯著減小,刺槐林、白皮松林、竹林變化幅度較小,杜仲林居中,荊條灌叢、櫻桃林、黃連木林、白蠟林變化幅度較大;降雨量較大時(shí)(＞20 mm),冠層截留率隨降雨量增加緩慢減小并逐漸趨于穩(wěn)定。

表7 不同林分降雨量與冠層截留量及冠層截留率擬合關(guān)系Table 7 The fitting relationship between rainfall and interception and interception rate of different types of vegetation

4 討論和結(jié)論

本研究從森林水文過(guò)程角度研究不同植被降雨再分配過(guò)程并分析其影響因素,不僅為太行山植樹(shù)造林樹(shù)種選擇提供數(shù)據(jù)支撐,還可為有效緩解太行山區(qū)水資源短缺問(wèn)題提供重要數(shù)據(jù)支撐及科學(xué)依據(jù),對(duì)京津冀地區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

研究表明試驗(yàn)區(qū)降雨年內(nèi)分布不均,2022 年降雨量為480.00 mm,其中雨季(研究期)降雨量為283.25 mm,占年降雨量的59.01%,年降雨和雨季降雨均以小雨為主。7-9 月平均次降雨量為14.16 mm;單次降雨量小于10 mm 的降雨次數(shù)最多,但累計(jì)降雨量占總降雨量比例較小,對(duì)總降雨量影響較小;而單次降雨量大于50 mm 的降雨次數(shù)較少,但累計(jì)降雨量占總降雨量比例大,對(duì)總降雨量影響較大。整體上降雨次數(shù)較少但降雨量較大,降雨量時(shí)間分布不均,主要集中在7 月、8 月。2022 年雨季降雨量與多年雨季降雨量相差較小,屬于平水年份(-0.35＜DI＜0.35),具有較好的代表性。

降雨經(jīng)植被冠層再分配后,占比最大的是穿透雨,其次是冠層截留,占比最小的是樹(shù)干徑流。其中自然林穿透雨率和樹(shù)干徑流率均小于人工林,冠層截留率高于人工林。8 種林分均有超過(guò)60%的降雨以穿透雨的形式降落,穿透雨量與降雨量呈一次線性函數(shù)關(guān)系,穿透雨率均隨降雨量呈對(duì)數(shù)函數(shù)增加。降雨再分配中,樹(shù)干徑流量占比最小,樹(shù)干徑流量隨降雨量增加呈線性增加趨勢(shì),樹(shù)干徑流率與降雨量呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。8 種林分總冠層截留量占總降雨量比例為7.53%～32.97%,不同林分間存在較大差異,冠層截留量與降雨量呈冪函數(shù)關(guān)系,冠層截留率隨降雨量呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系,隨降雨量的增加先迅速減少后逐漸趨于穩(wěn)定,且冠層截留量與葉片最大吸水量基本呈正相關(guān)關(guān)系。綜上所述,穿透雨率、樹(shù)干徑流率及冠層截留率隨降雨量增加均表現(xiàn)為先快速變化后逐漸穩(wěn)定,產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是冠層的截留及匯集雨水的能力存在一個(gè)閾值,到達(dá)此閾值后變化逐漸減小。降雨強(qiáng)度對(duì)降雨再分配影響較為復(fù)雜,通常認(rèn)為穿透雨率與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系,在暴雨及特大暴雨時(shí)穿透雨率達(dá)最大值且逐漸趨于穩(wěn)定,樹(shù)干徑流率與降雨強(qiáng)度的關(guān)系存在爭(zhēng)議,有學(xué)者認(rèn)為樹(shù)干徑流率在暴雨及特大暴雨時(shí)會(huì)降低,也有學(xué)者認(rèn)為樹(shù)干徑流率隨降雨強(qiáng)度增加而增加,達(dá)到某一閾值后隨降雨強(qiáng)度增加而減小,通常認(rèn)為冠層截留率在暴雨及特大暴雨時(shí)可以完全忽略[34-35]。

本研究中,8 種林分均產(chǎn)生穿透雨的最小降雨量為0.77 mm,此結(jié)果與凡國(guó)華等[29]研究結(jié)論杉木(Cunninghamia lanceolata)林形成穿透雨的最小雨量為0.9 mm、王昱程[36]研究結(jié)論冀北山地闊葉林形成穿透雨的最小降雨量為0.78 mm、以及雷麗群等[35]研究結(jié)論紅錐(Castanopsis hystrix)人工林產(chǎn)生穿透雨的最小降雨量為0.6 mm 等基本一致。本研究中8種林分產(chǎn)生樹(shù)干徑流的最小降雨量為3.35 mm,此結(jié)論與李成等[37]在山東泰山麻櫟(Quercus acutissima)人工林得出的產(chǎn)生樹(shù)干徑流最小降雨量3.7 mm、杜妍等[38]在蘇南丘陵區(qū)毛竹林(Phyllostachys edulis)得出的產(chǎn)生樹(shù)干徑流最小降雨量1.3 mm 的結(jié)論基本一致。因此,本研究認(rèn)為林外降雨較小時(shí)即可產(chǎn)生穿透雨,而產(chǎn)生樹(shù)干徑流的最小林外降雨量大于產(chǎn)生穿透雨的最小林外降雨量。

不同林分降雨再分配特征具有較大差異。白皮松林穿透雨量和穿透雨率明顯高于其他林分,產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是白皮松葉面積明顯小于其他植被,葉片可攔截雨水較少,因而形成的穿透雨率較高,櫻桃林、白蠟林、杜仲林的穿透雨量和穿透雨率明顯低于其他林分,可能原因是其葉面積相對(duì)較大,葉片可攔截雨水能力較強(qiáng),產(chǎn)生的穿透雨較少。相關(guān)研究表明穿透雨與降雨量之間的關(guān)系可能受到植被類(lèi)型和冠層形態(tài)特征的影響。相關(guān)研究表明,林分密度、郁閉度、枝干粗糙程度、枝長(zhǎng)等植被特征也對(duì)降雨再分配產(chǎn)生影響,通常認(rèn)為林分密度和郁閉度主要影響穿透雨和冠層截留,而枝干粗糙程度、枝長(zhǎng)和分枝角度主要影響樹(shù)干徑流[39-40]。

杜仲林樹(shù)干徑流量和樹(shù)干徑流率最大,且隨降雨量變化最明顯,產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是杜仲的樹(shù)枝與樹(shù)干的夾角明顯小于其他林分,且杜仲樹(shù)干較筆直且具有縱向紋路,因而匯集和傳輸雨水的能力較強(qiáng),從而導(dǎo)致其樹(shù)干徑流量最大;竹林的樹(shù)干徑流率次于杜仲林,但高于其他林分,產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是竹子枝干表面光滑,有利于樹(shù)干徑流的傳輸。表明樹(shù)干徑流與降雨量的關(guān)系可能同時(shí)受到冠幅、胸徑以及樹(shù)枝與樹(shù)干夾角的影響,在冠幅和胸徑基本一致時(shí),樹(shù)枝與樹(shù)干的夾角越大,冠層水分不能匯集于樹(shù)干,產(chǎn)生的樹(shù)干徑流越小。白皮松林樹(shù)干徑流量最小,為1.02%,此結(jié)論與凡國(guó)華等[29]、孫姍姍等[25]研究的馬尾松(Pinus massoniana)林和樟子松(Pinus sylvestris)林樹(shù)干徑流量占降雨量的0.94%和2.54%基本一致,可能由于白皮松林和馬尾松林均為針葉林,葉面積較小,匯集雨水能力弱所導(dǎo)致,與黃承標(biāo)等[41]對(duì)廣西亞熱帶地區(qū)不同林地的研究結(jié)論(針葉林樹(shù)干徑流量小于闊葉林)一致。

冠層截留量和冠層截留率表現(xiàn)為白蠟林＞櫻桃林＞黃連木林＞荊條灌叢＞杜仲林＞竹林＞刺槐林＞白皮松林。冠層截留受到葉片吸水能力的影響,葉片最大吸水量越大,葉片越不易達(dá)到飽和,產(chǎn)生的冠層截留量越大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)艾長(zhǎng)江等[42]對(duì)黃土高原檸條(Caragana korshinskii)灌叢研究所得出的“小型短枝收攏型檸條植株比大型長(zhǎng)枝半球型檸條的截留量低”同樣適用于本文植被類(lèi)型,即冠幅較小且樹(shù)枝與樹(shù)干夾角越小的植被類(lèi)型產(chǎn)生的林冠截留相對(duì)較小。綜上所述,不同林分之間的降雨再分配特征具有較大差異,主要受植被特征的影響,包括葉片吸水能力、葉面積、枝干夾角、枝干粗糙程度和冠幅等。

研究發(fā)現(xiàn),白皮松林、刺槐林、杜仲林和竹林的冠層截留率明顯小于自然荊條灌叢,對(duì)于減少降水冠層截留、增加有效降水具有重要作用,因而在水資源短缺區(qū)域可考慮種植這4 種植被。水資源短缺是河北太行山區(qū)面臨的重要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[43],因此該區(qū)域未來(lái)人工林營(yíng)造及撫育過(guò)程中,可合理考慮種植培育刺槐林、杜仲林、竹林和白皮松林,提高對(duì)天然降水的利用效率。