伏牛山三種天然林的樹(shù)干莖流季節(jié)差異及胸徑影響

摘要：[目的]探討伏牛山三種森林類(lèi)型的樹(shù)干莖流差異及與林木胸徑的關(guān)系，分析相同量級(jí)降雨的樹(shù)干莖流季節(jié)差異。[方法]在伏牛山寶天曼地區(qū)選擇三種典型天然林（華山松針葉林、銳齒櫟闊葉林、華山松．鵝耳櫪針闊混交林）的標(biāo)準(zhǔn)木，實(shí)測(cè)并收集樹(shù)干莖流量后分析比較。[結(jié)果]生長(zhǎng)季內(nèi)的高降雨量事件（58.2 mm）導(dǎo)致的樹(shù)干莖流體積與林木胸徑呈正相關(guān)，然而在低降雨量事件（10.8 mm）下二者呈負(fù)相關(guān)。在單次降雨量相同或相近條件下，冬季的樹(shù)干莖流體積（17 770～35 590 mL）和莖流率（0.106）顯著高于春、夏和秋季，而樹(shù)干莖流體積在前三個(gè)季節(jié)之間并無(wú)顯著差異，針闊混交林在秋季和冬季的莖流率更高，這主要?dú)w因于冬季落葉闊葉樹(shù)的林冠葉片截持作用消失。相比針葉林和闊葉林，針闊混交林的林分密度更高且胸徑更小，導(dǎo)致其林分樹(shù)干莖流量最高。[結(jié)論]不同森林類(lèi)型的樹(shù)干莖流量因降雨量和林木胸徑大小而異，林木胸徑和葉片形態(tài)是決定樹(shù)干莖流季節(jié)差異的重要因素。

關(guān)鍵詞：樹(shù)干莖流；伏牛山；胸徑；季節(jié)變異

中圖分類(lèi)號(hào)：S718.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-1498（2024）03-0169-06

水循環(huán)是維系陸地生態(tài)系統(tǒng)功能及維持人類(lèi)生產(chǎn)生活的重要生態(tài)過(guò)程。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)面積最大的植物群落，森林在調(diào)節(jié)水循環(huán)方面發(fā)揮著重要作用。森林植被對(duì)降雨的截留及再分配是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。林內(nèi)穿透雨、林冠截留及樹(shù)干莖流是森林參與降雨再分配的3種主要形式。相比林冠截留和穿透雨，全球森林平均樹(shù)干莖流量通常小于降雨總量的10%，在降雨再分配的量級(jí)上并不占優(yōu)勢(shì)。然而，樹(shù)干莖流匯集的水可沿樹(shù)干流至根系區(qū)域，一方面可以改變林地土壤水分空間分布格局；另一方面伴隨著葉片及枝干表面礦質(zhì)元素的淋洗，樹(shù)干莖流中的元素含量高出大氣降水幾倍，是植物生長(zhǎng)及土壤生物生命活動(dòng)的重要保障。因此，樹(shù)干莖流在森林生態(tài)系統(tǒng)水及養(yǎng)分循環(huán)中的作用不容忽視。樹(shù)干莖流形成過(guò)程和變化規(guī)律受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，在莖流量、水溶性元素含量及其影響因素等方面開(kāi)展大量研究。但是，不同天然林類(lèi)型樹(shù)干莖流對(duì)同一量級(jí)降雨的響應(yīng)是否存在季節(jié)差異目前尚不明晰。

伏牛山是秦嶺山脈向東延伸至河南地區(qū)的余脈，呈西北-東南走向，跨越近400公里，是中國(guó)黃河、淮河和長(zhǎng)江三大水系的分水嶺，同時(shí)也是我國(guó)南水北調(diào)中線工程渠首一丹江口水庫(kù)的水源涵養(yǎng)區(qū)。伏牛山地區(qū)植物種類(lèi)繁多，森林資源豐富，是河南省植物多樣性的分布和發(fā)育中心。類(lèi)型多樣且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的森林植被成為區(qū)域水量調(diào)節(jié)和水質(zhì)改善的重要因素。本研究以伏牛山南麓的寶天曼自然保護(hù)區(qū)為例，分析該區(qū)域主要天然林的樹(shù)干莖流規(guī)律，旨在揭示不同森林類(lèi)型的樹(shù)干莖流季節(jié)差異，闡明樹(shù)干胸徑與樹(shù)干莖流量的關(guān)系，為評(píng)價(jià)伏牛山森林資源的水源涵養(yǎng)功能提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河南寶天曼森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站（簡(jiǎn)稱(chēng)寶天曼站）（33°25＇～33°33＇N，111°53＇～112°01＇E）位于河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣內(nèi)。內(nèi)鄉(xiāng)地處北亞熱帶向暖溫帶的過(guò)渡區(qū)，以亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)橹?。該地年均氣?5.1℃，年均降水量885.6 mm，年均相對(duì)濕度68%。依據(jù)寶天曼站的自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)，生態(tài)站所在位置（海拔1 270 m）的年均氣溫9.8℃，年均降水量1 011.2 mm，相對(duì)濕度72.7%。該地區(qū)的代表性植被群落為不同的櫟類(lèi)天然林，優(yōu)勢(shì)樹(shù)種是銳齒櫟（Quercus aliena var.acutiserrata Maximowicz ex Wenzig）、栓皮櫟（Quercus variabilis Blume）和短柄袍（Quercusserrata Murray），其它伴生樹(shù)種包括華山松（Pinus armandi Franch．）、鵝耳櫪（Carpinusturczaninowii Hance）、漆樹(shù)（Toxicodendronvernicifluum （Stokes）F．A．Barkl.）和化香（Platycarya strobilacea Sieb.et Zucc.）等。本研究野外調(diào)查時(shí)間為2015年，期間寶天曼站年均氣溫10.6℃，年降水量為901.2 mm，生長(zhǎng)季5-9月份降水量占62%（圖1）。

1.2 樣地布置

在寶天曼站區(qū)域內(nèi)選擇華山松針葉林、銳齒櫟闊葉林、以華山松和鵝耳櫪為主的針闊混交林作為研究林分，每個(gè)森林類(lèi)型設(shè)立3個(gè)20 m×20m樣地，樣地間隔在500 m以上。首先對(duì)每個(gè)樣地初步調(diào)查，確定林分胸徑分布結(jié)構(gòu)。調(diào)查顯示針葉林、闊葉林、針闊混交林的平均密度為1 400.1、1 575.2、2 325.5株hm-2；針葉林的平均胸徑和樹(shù)高最高；針闊混交林的平均胸徑和樹(shù)高最低，但密度最高（表1）。

在每個(gè)樣地內(nèi)，按胸徑大小分布將樹(shù)木分為4個(gè)徑級(jí)，每個(gè)徑級(jí)選擇2株標(biāo)準(zhǔn)木。在每株標(biāo)準(zhǔn)木的樹(shù)干約1.3 m高處，用內(nèi)徑2.5 cm、長(zhǎng)約150 cm的聚氯乙烯膠管螺旋狀環(huán)繞樹(shù)干1周，將管子的末端連接到密封的水桶內(nèi)。每次降雨結(jié)束后，用量桶測(cè)定水桶內(nèi)收集的雨水體積，即為每株林木的莖流體積/mL。林分水平的樹(shù)干莖流量（Stemflow，SF） /mm用下列公式計(jì)算：

式中，n代表徑級(jí)數(shù)，Ci和Mi代表第i徑級(jí)的樹(shù)干莖流水量體積/mL和林木株數(shù)，S。代表樣地面積（400m2）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析檢驗(yàn)森林類(lèi)型之間的林分樹(shù)干莖流量差異，并采用對(duì)數(shù)回歸模型分析林分樹(shù)干莖流量與大氣降雨量的關(guān)系。選擇生長(zhǎng)季中期兩次不同量級(jí)的降雨事件（7月30日降雨10.8mm，9月11日降雨58.2 mm），分析不同量級(jí)降雨下樹(shù)干莖流量與林木胸徑的關(guān)系。此外，進(jìn)一步選擇降雨量接近的4次降雨事件（5月12日9.4mm、7月27日9.6 mm、9月25日10.1 mm和11月21日9.6 mm），比較相同降雨量下的林分樹(shù)干莖流體積的季節(jié)（月份）差異，采用單因素方差分析比較森林類(lèi)型之間的林木莖流體積差異。運(yùn)用簡(jiǎn)單線性回歸分析，研究11月份9.6 mm降雨后不同林型樹(shù)干莖流與胸徑的關(guān)系（5月、7月和9月回歸關(guān)系均不顯著，故未展示）。

2 分析與結(jié)果

2.1 不同森林類(lèi)型林分樹(shù)干莖流差異

該研究監(jiān)測(cè)自5月開(kāi)始至11月結(jié)束，涵蓋研究區(qū)森林的整個(gè)生長(zhǎng)季。數(shù)據(jù)分析顯示，針闊混交林的林分樹(shù)干莖流量最高，為14.99 mm，顯著高于針葉林（8.89 mm）和闊葉林（5.43 mm）（P＜0.05，圖2），比二者分別高出68.7%和176.0%。然而，針葉林與闊葉林并無(wú)顯著差異（pgt; 0.05，圖2）。

2.2 林分樹(shù)干莖流量與降水量和林木胸徑的關(guān)系

分析發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)期間內(nèi)不同森林類(lèi)型的林分樹(shù)干莖流量均與次降水量呈顯著的對(duì)數(shù)關(guān)系（P＜0.05，圖3）。樹(shù)干莖流量隨降水量增加而逐漸上升，但上升速率逐漸變小。在不同降雨量級(jí)下，針闊混交林的林分樹(shù)干莖流量最高，而針葉林與闊葉林的樹(shù)干莖流量較接近。隨著降雨量增加，針葉林和闊葉林更早趨于樹(shù)干莖流量的平穩(wěn)狀態(tài)，而針闊混交林更晚達(dá)到樹(shù)干莖流的平穩(wěn)狀態(tài)且量級(jí)更高（圖3）。

選取降雨量差別較大的兩次降雨事件，分析不同量級(jí)降雨時(shí)單株林木莖流體積與胸徑的關(guān)系。結(jié)果表明，在58.2 mm次降雨事件中，3種森林類(lèi)型的樹(shù)干莖流體積均與林木胸徑呈正相關(guān)（圖4），針葉林（R2= 0.44）和闊葉林（R2= 0.60）的相關(guān)性均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。然而，在10.8 mm次降雨事件中，三種森林類(lèi)型的樹(shù)干莖流體積均與林木胸徑呈負(fù)相關(guān)，其中僅闊葉林的相關(guān)性（R2=0.73）達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。在兩次降雨事件中，針闊混交林樹(shù)干莖流體積與林木胸徑的關(guān)系均不顯著（圖4）。

2.3 相同降雨量下樹(shù)干莖流體積與莖流率的季節(jié)差異

對(duì)比春、夏、秋、冬季的林分樹(shù)干莖流體積，發(fā)現(xiàn)在相同次降雨量下，不同森林類(lèi)型的樹(shù)干莖流體積存在顯著的季節(jié)（月份）差異。無(wú)論任何森林類(lèi)型，均是冬季的樹(shù)干莖流體積（17 770～35 590 mL）和莖流率（0.106）顯著高于春、夏和秋季（P＜0.05，圖5），而樹(shù)干莖流體積在前三個(gè)季節(jié)之間并無(wú)顯著差異。具體到每個(gè)季節(jié)而言，3種森林類(lèi)型在春季并無(wú)顯著差異，針闊混交林的莖流體積在夏季和秋季均顯著高于闊葉林（P＜0.05，圖5）；此外，秋季針闊混交林的樹(shù)干莖流體積還顯著高于針葉林（P＜0.05，圖5）。在冬季，針闊混交林和闊葉林的樹(shù)干莖流體積分別是35 590mL和29 230 mL．顯著高于針葉林的樹(shù)干莖流體積（17 770 mL）（P＜0.05，圖5）。此外，針闊混交林在秋季和冬季的莖流率更高（圖5）。

本研究還分析了不同季節(jié)的相同次降雨量下單株樹(shù)木莖流體積與胸徑的關(guān)系，表明在春、夏、秋季，三種森林類(lèi)型的樹(shù)干莖流體積與胸徑均無(wú)顯著的相關(guān)關(guān)系。然而，在冬季，針闊混交林單株樹(shù)干莖流體積與林木胸徑呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；闊葉林單株樹(shù)干莖流體積與林木胸徑呈顯著正相關(guān)（P＜0.05，圖6）；針葉林的單株樹(shù)干徑流體積則與林木胸徑無(wú)顯著相關(guān)（圖6）。

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)在年際尺度上，針闊混交林的林分樹(shù)干莖流量顯著高于針葉林和闊葉林，這一結(jié)果與官司河流域的研究結(jié)果相近，后者也發(fā)現(xiàn)針闊混交林樹(shù)干莖流高于其它林型。這種林分差異主要與林分結(jié)構(gòu)、樹(shù)皮糙度及樹(shù)種葉片形態(tài)及凋落特征密切相關(guān)。首先，本研究中針闊混交林的林分密度最大，是針葉林和闊葉林的1.6倍和1.4倍（表1）；其林分郁閉度也最高，因此能匯集更多的降雨進(jìn)而導(dǎo)致更高的林分樹(shù)干莖流，這與人工林間伐郁閉度下降導(dǎo)致樹(shù)干莖流降低的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。其次，針闊混交林內(nèi)的林木平均胸徑小于針葉林和闊葉林，大徑級(jí)林木的林冠層可截持更多降雨，而小徑級(jí)林木更易產(chǎn)生樹(shù)干莖流。寶天曼地區(qū)降雨豐富，中到小雨的發(fā)生頻率更高（約占全年降雨事件的70%以上），相比于大胸徑林木，小徑級(jí)林木在降雨量級(jí)不大時(shí)，更易產(chǎn)生樹(shù)干莖流。這與本研究發(fā)現(xiàn)的高降雨量級(jí)下樹(shù)干莖流體積與胸徑呈顯著正相關(guān)、小量級(jí)降雨時(shí)樹(shù)干莖流體積與胸徑呈顯著負(fù)相關(guān)的結(jié)果是一致的（圖4）。在丹江口庫(kù)區(qū)周邊的研究證實(shí)，不同樹(shù)種產(chǎn)生樹(shù)干莖流的降雨量閾值不同，與林木冠幅大小及樹(shù)干紋理密切相關(guān)。與亞熱帶地區(qū)研究結(jié)果不同，本研究發(fā)現(xiàn)針葉林的樹(shù)干莖流量高于闊葉林，本研究中的闊葉樹(shù)是銳齒櫟，其樹(shù)皮非常粗糙，對(duì)低量級(jí)降雨及高量級(jí)降雨的早期樹(shù)干莖流有較大吸持作用。

樹(shù)干莖流的季節(jié)間差異廣泛發(fā)生于不同氣候帶的森林。相比其它季節(jié)，在相同降雨量級(jí)下的冬季樹(shù)干莖流體積最高，這種差異與林分結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。首先，針闊混交林4個(gè)季節(jié)均有最高的樹(shù)干莖流，這主要?dú)w因于其較高的林分密度和減小的胸徑，這均有助于樹(shù)干莖流形成。其次，除華山松以外，其他喬木及林下灌木樹(shù)種在冬季均落葉，樹(shù)冠葉片的降雨截持作用消失，使降水有更大機(jī)率降落在枝條上并匯集到樹(shù)干形成樹(shù)干莖流，這與圖6中冬季闊葉林樹(shù)干莖流與胸徑正相關(guān)是吻合的。然而，針闊混交林冬季樹(shù)干莖流量與林木胸徑呈負(fù)相關(guān)，這主要與選擇的標(biāo)準(zhǔn)木胸徑有關(guān)，該林分內(nèi)華山松胸徑相對(duì)大一點(diǎn)，其作為常綠樹(shù)種在冬季仍有較高林冠截留作用，因此形成樹(shù)干莖流相對(duì)較少；而林分中胸徑較小的闊葉樹(shù)（主要是銳齒櫟和鵝耳櫪等）在冬季落葉后形成的樹(shù)干莖流量更大。值得注意的是，本研究選擇的4個(gè)季節(jié)的降雨事件量級(jí)均是在9.6 mm左右，生長(zhǎng)季內(nèi)的林冠樹(shù)葉截留可大幅消減樹(shù)干莖流量。如是更大量級(jí)的降雨，則樹(shù)干莖流的季節(jié)差異可能會(huì)不同。

4 結(jié)論

在伏牛山地區(qū)寶天曼森林生態(tài)站對(duì)3種典型天然林的樹(shù)干莖流研究表明，生長(zhǎng)季內(nèi)高量級(jí)降雨條件下，樹(shù)干莖流體積與林木胸徑呈正相關(guān)，但在低量級(jí)降雨條件下樹(shù)干莖流體積與胸徑呈負(fù)相關(guān)。中低量級(jí)次降雨導(dǎo)致的樹(shù)干莖流體積存在顯著的季節(jié)差異，冬季的樹(shù)干莖流體積更高，這與闊葉樹(shù)落葉后的林冠截留能力減弱有關(guān)；相比針闊混交林和闊葉林，針葉林樹(shù)干莖流的季節(jié)變異更弱。由于針闊混交林的林分密度較大和胸徑較小，其樹(shù)干莖流較高。

（責(zé)任編輯：崔貝）

基金項(xiàng)目：河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目（222102320437）;國(guó)家自然科學(xué)基金（31971454）;河南省青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃（2020）