太行山石质山区不同植被林冠截留降水的研究

庞新博

（河北省林业示范场，河北 易县 074200）

太行山石质山区不同植被林冠截留降水的研究

庞新博

（河北省林业示范场，河北 易县 074200）

通过穿透降雨和树干径流自动采集系统，对油松、侧柏、刺槐3种植被截留试验数据的分析，比较了3种典型人工林在天然降雨条件下林内穿透降雨和树干径流的差异。结果表明：3种植被林内穿透降雨与林外天然降雨都具极显著的正相关线性关系，林冠截留量与林外降雨量呈幂函数关系，平均截留率大小关系为油松>侧柏>刺槐。相同林外降雨量下产生的树干径流量大小关系为刺槐>侧柏>油松。此外，使用洒水称重法研究了灌木和草本植被的最大截留量，发现每千克灌草所截留的水量，油松林下为0.322kg/kg，侧柏林下为0.609kg/kg，刺槐林下0.316kg/kg，荒坡灌草地为0.453kg/kg，即侧柏>荒坡>油松>刺槐。

穿透降雨量；林外降雨量；林冠截留；灌草截留

林冠截留是森林水文学研究的热点之一，也是径流过程中的重要环节。林冠截留的作用包括林冠和树干对降雨的拦截、储水，还有对降水的蒸散和再分配作用。由于林冠截留作用的复杂和重要性，许多专家对此进行了大量研究，国外的研究结果表明，温带针叶林林冠截持率在20%～40%（Bosch等，1982）。国内学者对我国南北不同气候带及其相应的森林植被类型林冠截留率进行了分析，表明截留率变动范围在11.4%～34.3%（马雪华，1987）。

此外，刘曙光等（1988）对林冠的降雨位移作用、林内降雨的分布、林内雨点动能进行了研究。周国逸（1997）在研究杉木林冠截留的影响因子时发现，在90%的可靠性条件下，降水量和降水间隔时间是两个最大的影响因子，但在95%的可靠条件下，降水量是唯一影响重要的因子。

虽然国内外针对林冠截留开展了大量试验研究，但对太行山石质山区不同植被林冠截留试验研究尚少，有待于进一步开展太行山不同植被林冠截留试验研究，为太行山石质山区生态环境保护提供技术支撑。

1 试验区概况

试验地位于太行山脉北端河北省易县境内（东经115°21′，北纬 39°23′） 的片麻岩低山丘陵区，海拔高程90m左右，地形坡度12℃左右，沙壤土厚度15～30cm。该地属温带大陆性季风区气候，多年平均降水量为560mm，年平均气温11.6℃，年平均蒸发量1906mm，年平均日照时数2745.1h，无霜期约 210d。

植被类型主要有油松（Pinus tabulaeformis）、侧柏（Biota orientalis）、刺槐（Robinia pseudoacacia）等成片的人工林以及荆条（Vitex negundo）、酸枣（Ziziphus jujube var.spinosa）等小灌木和羊胡子草（Carex humilis）、披针叶苔草（Carex lanceolata）、白草（Bothriochloa ischaemum）等草本植物群落。

2005年分别选取了油松林下、侧柏林下和刺槐林下3种典型的自然坡面，林龄油松、侧柏为50a，刺槐46a，郁闭度油松林0.7，侧柏0.75，刺槐0.6，各选取标准木3株，圈定10m×10m标准样区，进行乔木林状况调查。调查的结果见表1所示。

表1 标准样区乔木调查

2 研究方法

2.1 林外降雨量的测定

在所选标准木上游附近的空地上布设口径200mm的遥测雨量计，作为林外降雨量测定设备，测定每次的降雨量、降雨强度及降雨过程。

2.2 树干径流

在标准木的树干上安设截流装置，采用胶皮+铁丝的方法截取树干径流。用剖开的聚丙烯管作为凹槽，导水槽环绕树干，接入导水管连到量水装置。量水装置采用标准雨量桶+HOBO实时记录（翻斗每翻一次代表的水量事先经过测定），观测树干径流的过程。

2.3 穿透降雨

分别在标准地内放置用白铁皮定制的2个承雨箱，规格为100cm×100cm×20cm，底端设出水管，上端保持水平，并加滤网防止堵塞。雨水经导水管引至量水装置，量水装置采用自制翻斗+HOBO实时记录。根据承雨箱的承雨面积计算林内降雨量。

2.4 灌草植被

在具有代表性的林下和灌草坡面，选取若干个1m×1m大小的样方，将地上部分全部割下后，平铺到面积同样为1m×1m的纱网上进行充分的洒水。根据洒水前后植被质量的差异推算出滞留的水量，以此作为该样方内灌草植被的最大截留量。

3 试验结果分析

3.1 林冠截留作用的试验结果分析

3.1.1 穿透降雨 穿透降雨是直接到达林地或从树叶和枝条上滴下的那部分降雨。根据2005～2007年油松、侧柏、刺槐林内穿透降雨试验观测结果表2、3、4，绘制林外降雨同林内降雨关系，如图1所示：

从图1中可以看出，油松、侧柏、刺槐3种不同林地林内降水量与林外降水量具有明显的线性相关关系，各回归方程如下：

油松林：

侧柏林：

表2 油松林地林内降雨树冠截留情况

表3 侧柏林地林内降雨树冠截留情况

表4 刺槐林地林内降雨树冠截留情况

刺槐林：

从油松、侧柏和刺槐林次降雨中林外降雨、林内降雨和林冠截留量的对比关系图中能够看出，3种人工林在次降雨中截留量的大小随林外降雨量的上下波动而变化，呈现显著的正相关关系（图2～图5）。

从图5中可以看出，油松林地的透流率（林内穿透降雨量占林外降雨量的百分比）与林外降雨量呈对数增加的关系，即降雨量在0～20mm时，随着降雨量的增加，透流率迅速增加，在20mm之后由于受到附加截留作用的制约，增加速度逐渐变缓，并趋向于最大透流率。侧柏林透流率的变化趋势基本与油松林地相同。而刺槐林透流率的变化与前两者不同，没有较明显的趋势。单次降水的林内透流率，油松林为65.33%～83.46%，侧柏林为54.13%～92.46%，刺槐林为72.30%～85.42%。在观测期内，油松林地的平均透流率为74.07%，侧柏林的平均透流率为76.95%，刺槐林的平均透流率为78.88%。

对油松、侧柏和刺槐3种乔木林林冠截留量与林外降雨量进行相关分析，如图6：

如图6所示，经过回归分析，油松、侧柏和刺槐林地林冠截留量与林外降雨量呈幂函数关系，回归方程如下：

式中：y为林冠截留量（mm）；x为林外降雨量（mm）。

由以上分析可知，林冠截留量在降雨量较低时随降雨量的增加而增大，但其增加幅度有限，逐渐趋近于饱和截留量。之后，随着降水量的增加，截留率迅速降低，并趋向于最小截留率。对于单次降雨的林冠截留量来说，油松的截留量为1.93～17.74mm、侧柏的截留量为0.77～17.49mm、刺槐的截留量为0.96～14.32mm。在观测期内，油松样地、侧柏样地和刺槐样地林冠层的平均截留率分别为25.93%、23.05%和21.12%。油松林平均截留率最高，侧柏林次之，刺槐林地最低。这主要与3种不同树种的林冠和结构特征有关，针叶林具有较大的雨水附着面积，而阔叶林与针叶林相比雨水附着面积较小，因此，林冠截留率相应较低，透流率较高。

典型次降雨中的林内外降雨特征如图7所示。由图7可见，林内降雨基本上随林外降雨的变化而变化。在070718降雨中，林冠截留的降雨量油松>侧柏>刺槐见表5。

表5 乔木林冠截留试验数据

表6 油松林树干径流量观测

4.2 树干径流作用的试验分析

4.2.1 油松林树干径流 径流观测结果见表6。

从图8、图9能够看出，树干径流量与林外降雨量有明显的线性关系，其表达式为：

油松A、B、C胸径分别为8.5cm、11.26cm和9.3cm，分别位于一个坡面的下游、中游和上游，从树干径流量与林外降雨量的关系看，单位林外降雨量增加的树干径流量A>B>C，因此，在油松林地，胸径对树干径流量的影响并不显著，与林分的郁闭度有关（有待进一步研究）。

取上述各组切片，常规HE染色：二甲苯脱水2次，30 min/次；1 000 mL/L无水乙醇脱水2次，依次为30 min和10 min，然后依次用950、900、800、700 mL/L乙醇至水各3 min，蒸馏水3 min；最后用苏木精染色5 min，流水冲洗20 min；5 g/L伊红染色10 s，流水冲洗20 min，依次用700、800、900、950、1 000 mL/L乙醇分别脱水2 min，然后再用1 000 mL/L乙醇脱水2 min， 二甲苯透明，中性树胶封片；最后在光学显微镜下观察HE染色情况并拍照。

表7 侧柏林树干径流量

4.2.2 侧柏林树干径流 侧柏树干径流调查数据见表7。从图10中能够看出，侧柏林地树干径流量与林外降雨量间呈线性关系变化，其线性方程为：

图11中，A、B、C3棵侧柏树的胸径分别为12.2cm、16.8cm和14.95cm，分别位于同一坡面地下、中、上游。对于单位林外降雨量对树干径流量的影响，侧柏树A和B较为接近，两者都大于C。因此，胸径对树干径流量的影响在侧柏林地表现的也不显著。

4.2.3 刺槐林地树干径流 刺槐林地树干径流调查结果见表8。

从图12可看出，刺槐林地树干径流与林外降雨量之间存在着显著的线性关系，其线性方程为：

刺槐A、B、C胸径分别为5.75cm、16cm和8.47cm，从

表8 刺槐林树干径流量观测

图13可以看出，对于单位林外降雨对树干径流量的影响，刺槐A>B>C。

4.2.4 3种乔木树干径流量对比 对于油松、侧柏和刺槐在次降雨中产生的树干径流量占降雨量的比例分别为0.84%、1.49%、2.25%，因此，对于林外降雨量相等的情况下，产生的树干径流量刺槐>侧柏>油松（图14）。这与其树干表面结构有着密切的关系。

4.3 林下灌草对降雨的截留作用

同林冠的截留相比，林下灌草对林下雨也起到了截留作用。但是目前对于灌草植物的截留作用没有很好的评测方法。本文采用洒水称重法，分别测定油松林、侧柏林、刺槐林及荒坡（只有灌草），4种不同样地内灌草的截留作用（见表9）。

从表9中能够看出，由于不同乔木林下灌草结构和覆盖度不同，对于单位面积的灌草截流量，油松林下为0.316mm/m2，侧柏林下为 0.275mm/m2，刺槐林下为0.200mm/m2，荒坡灌草地为0.550mm/m2，存在荒坡>油松>侧柏>刺槐的数量关系。但是从生物量的角度去分析，即换算成每千克灌草所截留的水量，则油松林下为0.322kg/kg，侧柏林下为 0.609kg/kg，刺槐林下 0.316kg/kg，荒坡灌草地为0.453kg/kg，即侧柏>荒坡>油松>刺槐。因此，植被丰度高的草本+灌木植被的截留量要大于单一灌木植被的作用。但是对于丰度低的草本+灌木植被，这个作用并不明显。所以在应用中，可以根据灌草植被的生物量或占地面积来估算其截留量。

表9 灌草截留试验结果

5 结论与讨论

（1）通过崇陵流域油松、侧柏和刺槐林地植被截留观测实验发现林内穿透降雨与林外天然降雨都具极显著的线性关系。

（2）油松、侧柏和刺槐林地林冠截留量与林外降雨量呈幂函数关系。

（3）单次降水的林内透流率，油松林为65.33%～83.46%，侧柏林为54.13%～92.46%，刺槐林为72.30%～85.42%。在观测期内，油松样地、侧柏样地和刺槐样地林冠层的平均截留率分别为25.93%、23.05%和21.12%，平均截留率大小关系为油松>侧柏>刺槐。

（4）对3种不同乔木林树干径流进行比较、分析，得出3种乔木林的树干径流量并非随着树木本身胸径的增大而增大，可能与林分的郁闭度有关（有待进一步研究）。油松、侧柏和刺槐在次降雨中产生的树干径流量占降雨量的比例分别为0.84%、1.49%、2.25%。相同林外降雨量下产生的树干径流量大小关系为刺槐>侧柏>油松。

（5）单位面积的灌草截流量，存在荒坡>油松>侧柏>刺槐的数量关系。每千克灌草所截留的水量，存在侧柏>荒坡>油松>刺槐。植被丰度高的草本+灌木植被的截留量要大于单一灌木植被的作用。

［1］Bosch J.M.，Hewlett J.D.1982.A review of catchment experiments to determine the effect of vegetation changes on water yield and evapotranspiration［J］.Journal of Hydrology，（103）:323–333.

［2］马雪华.四川米亚罗地区高山冷杉林水文作用的研究［J］.林业科学，1987，19（3）:97-113.

［3］刘曙光，郭景唐.华北油松人工林林下降雨空间分布的研究［J］.北京林业大学学报，1988，10（4）:1-10.

［4］周国逸.生态系统水热原理及其应用［M］.北京:气象出版社，1997.

S715.2

A

1002-3356（2010）04-0001-08

2010-06-12