泰山典型林分的林冠截留特征

张永涛,杜强,陈凯,赵乾坤,陈志成

(山东农业大学水土保持系,山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室,271018,山东泰安)

泰山典型林分的林冠截留特征

张永涛,杜强,陈凯,赵乾坤,陈志成

(山东农业大学水土保持系,山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室,271018,山东泰安)

应用相关分析方法对泰山罗汉崖林场 9个典型林分类型的林冠截留特征进行研究。结果表明：林内降雨量与林外降雨量呈很好的线性关系,林冠截留量与林外降雨量呈较好的对数关系;9个典型林分类型对降雨的截留能力为五角枫＞麻栎 +黑松＞15a麻栎 ＞刺槐 ＞50a麻栎 ＞黄连木 ＞黄连木 +刺槐 ＞侧柏 ＞黑松;7个典型林分类型形成树干径流的能力为15a麻栎 ＞50a麻栎 ＞黄连木 ＞五角枫 ＞黑松 ＞刺槐 ＞侧柏;各林分类型总体产生林内降雨的林外降雨量临界值为 6.28mm。

林内降雨;林冠截留;树干径流;泰山

随着水资源的不断减少,森林在涵养水源和保持水土中起到的作用也越来越引起人们的重视。林冠对降雨的截留作用作为森林保持水土、涵养水源的一个重要方面,也吸引着越来越多的学者[1-3]。目前,国内外对林冠截留机制和影响因素的研究比较多[4-12],但对同一地区不同林分类型的林冠截留研究有待进一步的深入。林冠截留降雨的能力受降雨量、降雨强度、降雨历时、前期环境状况及林分因子等多种因素的共同影响和制约,加之不同林分类型的林分特征差异很大,增加了这方面的研究难度[13-14]。笔者选择了在泰山具有代表性的 9个典型林分类型,通过各个林分类型对大气降水的截留作用及林冠截留与降雨量之间的关系,研究泰山典型林分的林冠截留特征,以期为泰山不同林分类型的水文规律研究以及生态效能评价提供依据。

1 研究区概况

研究地点选在具有代表性的泰山罗汉崖林场,该林场位于泰山罗汉崖,海拔 400～700m,总面积127.6 hm2,其中有林地面积 125.9 hm2,占总面积的98.67%,无林地面积 1.7 hm2。岩石为花岗片麻岩,土壤为粗骨棕壤,坡位为山坡中部,土层厚度 30～40 cm,坡度 15°～25°,属半湿润大陆性季风气候,多年平均气温 12.1℃,极端最低气温 -28℃,极端最高气温 40.3℃,多年平均降雨量 690.3mm,多年平均蒸散量 414.18mm,径流系数 0.1,≥10℃积温4300℃,无霜期 198 d。树种以麻栎(Quercusacutissima Carruth.)为主,其次是油松(Pinus tabulaeforms Carr.)、赤松 (Pinus densiflora Sieb.et Zucc.)、侧柏(Platycladus orientalis Linn.)、刺槐 (Robinia pseudoacacia Linn.)、黄连木 (Pistacia chinensis Bunge.)、五角枫(Acermonomaxim.)、栓皮栎(Quercus variabilis Blume.)、黑松(Pinus thunbergii Parl.)等。

2 研究方法

2.1 典型林分的选择

在罗汉崖林场选取的 9个具有代表性的典型林分是五角枫纯林、侧柏纯林、50 a麻栎纯林、15 a麻栎纯林、黄连木纯林、黑松纯林、刺槐纯林、麻栎 +黑松林和黄连木 +刺槐林。

2.2 标准地的选取与调查

针对每个林分类型选取一个标准地,标准地面积 20m×20m。对 9个标准地进行树高、胸径、郁闭度、冠幅等常规的林业调查,调查概况见表 1。在每个林分类型中,利用 H-D曲线,根据求得的平均胸径和平均树高选定 3株标准木。标准木的垂直投影面积在方格纸上现场画出。

表1 各标准地的概况Tab.1 General situation of sample plots

2.3 林外降雨的测定

在罗汉崖林场的空地上,布设 WatchDog 400自计雨量计获取林外降雨量数据。布设高度 1.5m,精度 0.1mm,每 1min记录 1个数据,存储器 1次最多可以记录 7 000个数据,每次雨后导出观测数据。观测时间从 2007年 8月到 2009年 7月,共采集到有效数据 23次。

2.4 林内降雨的测定

每个标准地布设 10个自制雨量筒(直径 10 cm,高 20 cm)。雨量筒的安装高度 1.5m,分 2行均匀布设,行间距 5m。每次降雨后进行测量。

2.5 树干径流的测定

选定五角枫、侧柏、50 a麻栎、15 a麻栎、黄连木、黑松和刺槐 7个纯林进行观测。在标准木的1.2m高处用聚氨酯防水泡沫将树干包裹扎紧,然后用软管将树干径流导入承接桶中,所有连接处用玻璃胶进行密封。降雨结束后,测量桶中水量。计算方法是：将承接桶雨水体积根据标准木垂直投影面积换算成水层厚度。

2.6 分析方法

1)林冠截留量计算公式为

式中：I为林冠截留量,mm;P为林外降雨量,mm;P′为林内降雨量,mm;G为树干径流量,mm。采用相关性分析方法,分析林冠截留相关指标之间的相关性。

2)林冠截留率计算公式为

式中 B为林冠截留率,%。

3)分析降雨强度对林冠截留量的影响时,选取数据遵循“林外降雨量相近,降雨强度差别大”的原则。

3 结果与分析

3.1 林冠截留观测指标的相关性分析

林冠截留各观测指标间的相关性分析结果见表2。可以看出：相关系数最高的是林内降雨量与林外降雨量,其次是林冠截留量与林外降雨量。降雨强度与林内降雨量的相关系数较低,而降雨强度与林冠截留量的相关系数仅有 0.175。可见,相关性最高的是林内降雨量与林外降雨量,其次是林冠截留量与林外降雨量。

表 2 各观测指标间的相关性分析Tab.2 Correlation analysis between observation indexes

不同林分类型间林内降雨量的多重比较结果见表 3。可以看出：黑松纯林与五角枫纯林、麻栎 +黑松林、15 a麻栎纯林、刺槐纯林、50 a麻栎纯林和黄连木纯林之间的差异是极显著的;侧柏纯林和黄连木 +刺槐林与五角枫纯林、麻栎 +黑松林和 15 a麻栎纯林之间的差异极显著;黄连木纯林和 50 a麻栎纯林与麻栎 +黑松林和五角枫纯林之间的差异极显著。

表 3 不同林分类型间林内降雨量的多重比较Tab.3multiple comparison between through rainfall in differentstands

3.2 林内降雨量与林外降雨量的关系

由表 3还可以看出,各林分类型林内降雨量平均值由小到大排列顺序为五角枫纯林 ＜麻栎 +黑松混交林 ＜15 a麻栎纯林 ＜刺槐纯林 ＜50 a麻栎纯林＜黄连木纯林 ＜黄连木 +刺槐林 ＜侧柏纯林 ＜黑松纯林;各林分类型的林冠截留能力则与林内降雨量的大小相反。

选取降雨强度在 1.3～2.3mm/h之间的各林分类型林内降雨数据进行线性拟合,得出各个林分的线性拟合方程,见表 4。从表 4中各林分类型的拟合方程来看,各个林分类型的林内降雨量和林外降雨量呈正相关关系。通过检验可知,林内降雨量与林外降雨量之间的相关性比较强,拟合效果较好。同时根据各个林分类型的拟合方程,可以推算出使各林分类型产生林内降雨所需的林外降雨量,即五角枫 5.35mm,侧柏 6.59mm,麻栎 +黑松林 6.07mm,50 a麻栎 6.83mm,15 a麻栎 5.86mm,黄连木 +刺槐林 5.24mm,黄连木 5.88mm,黑松 6.63mm,刺槐 6.81mm,总体 6.28mm。

3.3 林冠截留量与林外降雨量的关系

林冠截留量随着降雨量的增加会不断增加,降雨量较小时林冠截留量的增幅较大,截留能力较强,二者之间呈现较好的对数关系;但是,随着降雨量的不断增大,林冠截留量增幅会不断变小。当林冠层达到饱和时,林冠截留量也达到了该林分类型的最大林冠截留量,此时即使降雨量继续增加,林冠截留量也不会再增加,北方树种的最大林冠截留量一般在 20mm左右[15]。

林冠截留量与林外降雨量的关系见图 1。由表4和图 1的相关性检验结果可以看出,林冠截留量与林外降雨量呈一定的线性关系,但是,除黑松纯林出现了较稳定的截留极限值之外,其余林分类型未能出现预想中的最大截留量。从林内降雨量与林外降雨量和林冠截留量与林外降雨量的拟合方程可以看出,阔叶林的拟合程度较好,针叶林中黑松的拟合程度最差。

表 4 林内降雨量与林外降雨量和林冠截留量与林外降雨量的拟合方程Tab.4 Fitting equation of through rainfall in stand and open field rain fall and interception

图 1 林冠截留量与林外降雨量的关系Fig.1 Relationship between canopy interception and open field rainfall

3.4 林冠截留量与降雨强度的关系

不同降雨强度下的林冠截留量见表 5,其中的 4组数据表明,即使降雨量相近的情况下,降雨强度不同,林冠截留量也不同。

可知：在降雨量相近的情况下,第 1组数据中降雨强度与林冠截留量的关系不明显,这可能是因为降雨量偏小造成的;第 2、3、4组数据中降雨强度越大时林冠截留量越小,呈现一定的负相关关系,而且,随着降雨量的不断增大,降雨强度对林冠截留量的影响作用逐渐地削弱;相反,林内降雨量与降雨量强度呈正相关关系。

表 5 不同降雨强度下的林冠截留量Tab.5 Canopy interception under different rainfall intensities

3.5 相同林外降雨量条件下树干径流的差异

由于树干径流量数值比较小,因此,将 18次总降雨量为 544mm的树干径流数据相加进行比较,结果见图 2。可以看出：不同林分类型树干径流量从大到小依次是 15a麻栎 ＞50a麻栎 ＞黄连木 ＞五角枫 ＞黑松 ＞刺槐 ＞侧柏。影响不同林分类型树干径流量的主要因素是各个林分类型中树木的林冠特性[16],侧柏和黑松叶片面积较小且不容易在叶片上产生汇流,而且侧柏和黑松的分支角度较大(表 1),不利于雨滴沿树干汇流;麻栎的叶片面积相对较大,且麻栎叶片的吸水能力较差,较容易在叶片上形成汇流,产生较多的树干径流;造成 15 a麻栎和 50 a麻栎树干径流差异的主要因素是年龄,50 a麻栎的树干较粗,枝条也相对多,但是单位面积上的叶片数量要比 15a麻栎少,而且较粗的树干会吸收大量的树干径流,从而减少到达地面的树干径流量[17-18]。

图 2 相同降雨量条件下不同林分类型的树干径流量Fig.2 Stemflow of different stands under same rainfall

4 结论

1)林外降雨量、降雨强度与林冠截留量之间的差异性是显著的。林内降雨量与林外降雨量的相关性最高,其次是林冠截留量与林外降雨量。

2)林冠截留量与林外降雨量之间呈正相关关系。罗汉崖 9个典型林分类型对降雨的林冠截留能力从大到小的顺序是：五角枫 ＞麻栎 +黑松 ＞15 a麻栎 ＞刺槐 ＞50a麻栎 ＞黄连木 ＞黄连木 +刺槐 ＞侧柏 ＞黑松。在林冠截留量和林外降雨量方程拟合过程中,针叶林的拟合程度不如阔叶林理想。

3)林冠截留量与降雨强度在一定程度上呈现负相关关系。降雨强度对截留量的影响会随着降雨量的不断增大而减小。

4)树干径流在各个林分类型之间的大小差别明显,各个林分类型形成树干径流的能力从大到小的顺序是：15a麻栎 ＞50a麻栎 ＞黄连木 ＞五角枫 ＞黑松 ＞刺槐 ＞侧柏。

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Canopy intercep tion characteristics of typical forest stands inmountain Tai

Zhang Yongtao,Du Qiang,Chen Kai,Zhao Qiankun,Chen Zhicheng
(Soil and Water Conservation Department of Shandong Agricultural University,Shandong Provincial,Key Laboratory of Soil Erosion and Ecological Restoration,271018,Tai'an,Shandong,China)

The interception characteristics of nine typical forest stands in Luohanya forest farm ofmountain Taiwere studied.The results showed that very good linear relationship existed between through rainfall in stand and open field rainfall.Therewas a good logarithmic relationship between interception and open field rainfall.The interception capacity of the nine foreststands decreased in the order of Acermono,Quercus acutissima+Pinus thunbergii,15 a Quercus acutissima,50a Quercus acutissima,Pistacia chinensis,Pistacia chinensis+Robinia pseudoacacia,Platycladus orientalis,and Pinus thunbergii.The stemflow capacity dropped in the order of 15 a Quercus acutissima,50 a Quercus acutissima,Pistacia chinensis,Acermono,Pinus thunbergii 15 a Quercus acutissima,50 a Quercus acutissima,Pistacia chinensis,Acermono,Pinus thunbergii,Robinia pseudoacacia,Platycladus orientalis,Robinia pseudoacacia,Platycladus orientalis.In general,critical value of open field rain fall for p roduced through rainfall in stand of various forest stands was 6.28mm.

through rainfall in stand;interception;stem flow;Mountain Tai

2010-01-27

2010-09-23

山东农业大学创新基金“近自然林业在泰山中的应用”(20081220)

张永涛(1972—),男,博士,副教授,硕士生导师。主要研究方向：林业生态工程。E-mail：zyt@sdau.edu.cn

(责任编辑：宋如华)