重庆市四面山不同森林类型林冠的截留作用

马惠,张洪江†,王伟,杜仕才,李根平

(1.北京林业大学水土保持学院,100083,北京;2.重庆市林业局,401147,重庆3.江津区林业局,402260,重庆)

重庆市四面山不同森林类型林冠的截留作用

马惠1,张洪江1†,王伟1,杜仕才2,李根平3

(1.北京林业大学水土保持学院,100083,北京;2.重庆市林业局,401147,重庆3.江津区林业局,402260,重庆)

通过对重庆市四面山 6种不同森林类型(温性针叶林、暖性针叶林、落叶阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、常绿阔叶林、暖性竹林)最大容水量和林冠截留率的测定,研究了不同森林类型林冠截留作用的差异。结果表明：1)温性针叶林和暖性针叶林较其他 4种森林类型具有更高的单位面积林冠最大容水量及林冠平均截留率,表现出较强的林冠截留功能;2)影响植物群落林冠最大容水量的主要因素为郁闭度及单位面积枝叶质量,呈正相关关系;3)影响各森林类型林冠截留率的主要因素为降水量、降水强度以及林冠枝叶干燥程度,随降水量或降水强度的增加,不同森林类型的林冠截留能力表现出不同程度的降低;枝叶干燥程度对不同森林类型截留能力的影响也有明显的区别。

森林群落;最大容水量;林冠截留率

森林植物对降水的再分配过程一般包括 2部分,即乔木层林冠枝叶对降水的截留过程和地表灌木层、草本层对林冠穿透降水的截留过程,这种过程使林内的降水量、降水强度和降水分布等发生显著变化,对森林水文过程产生重要的影响[1-3]。相对而言,乔木层林冠的截留功能较灌木层和草本层对森林水文过程的影响更大[4],已成为森林水文研究的热点之一。

国外对林冠截留作用的研究开展较早且较系统,林冠截留量的多少受气象条件和森林条件的共同支配[5]。20世纪 80年代至今,我国林冠截留研究在区域和深度上也有了很大的发展,主要针对我国南北不同的气候条件,研究了不同森林植被类型的林冠截留能力。研究[6]结果发现植物群落林冠截留能力与群落内乔木树种林冠枝叶的容水量、林冠结构,降水的强度、过程、降雨量大小等因素关系密切。

笔者在前人研究的基础上,以重庆市四面山 6种森林类型(温性针叶林、暖性针叶林、落叶阔叶林、常绿阔叶林、落叶阔叶、常绿落叶阔叶混交林及暖性竹林)及不同森林类型内典型植物群落林冠截留作用为研究对象,分析比较不同森林类型林冠截留能力的差异,为进一步研究我国西南地区森林水文作用、水土流失特性提供参考。

1 研究区概况

研究区位于重庆江津市南端的四面山,E 106°17′～ 106°30′,N 28°30′～ 28°46′,属云贵高原娄山山脉向北延伸的余脉,是云贵高原至四川盆地的梯级过渡地带。其气候属北半球亚热带季风性湿润区,温暖湿润,雨量充沛,四季分明,无霜期 285d。多年平均气温 13.7℃,平均降雨量 1 522.3mm,日最大降雨量 160.5mm,雨季集中在 5—9月,占年平均降雨量的 62.17%。降雨量变化较大,海拔每上升 100m,降雨量递增 43.3mm。年均日照时间1 082.7 h[7]。成土母质主要有长石石英砂岩[8]。主要土壤类型为黄棕壤、黄壤等。该区地势较陡,土层厚度一般在 10～70 cm之间,多呈微酸性至酸性[9]。

该区植被具有典型的亚热带常绿阔叶林特征,常见乔木植物有：杉木(Cunninghamia lanceolata)、柳杉 (Cryptomeria fortunei)、南酸枣(Choerospondias axillaria)、槲栎 (Quercus aliena)、枫香 (Liquidambar formosana)、石栎 (Liquidambar formosana)、扁刺锥(Castanopsis platyacantha)、栲树 (Castanopsis fargesii)、城口桤叶树 (Clethra fargesii)、毛竹 (Phyllostachys heterocycla)等。

2 研究方法

通过对四面山地区森林植被较为详尽的生态学调查,并依据吴征镒[10]《中国植被》中的分类原则,可将四面山森林植被归纳划分为 6种森林类型,即温性针叶林、暖性针叶林、落叶阔叶林、常绿阔叶林、落叶阔叶、常绿落叶阔叶混交林及暖性竹林。在不同森林类型的森林植物群落内设置试验样地,其环境因子及群落特征见表 1。在 6种森林类型下,分别选择常见的乔木树种,对其林冠层枝叶最大容水量进行测定,研究四面山地区不同森林类型的林冠截留能力。

表1 四面山 6种森林类型特征Tab.1 Community feature of six forest types in Sim ianmountain

2.1 最大容水量

根据林分结构和植物组成的差异,采用浸水法对四面山 6种森林类型的林冠最大容水量进行测定。具体方法为：首先在样地内选定优势种乔木的标准木(一般选取 3株作为重复),然后在每株样木树冠的阴、阳面的上、中、下 3层,分别随机选取 1m左右长的枝条作为标准枝称量,将标准枝放入溪水中浸泡 30min取出控水约 1m in后待无水滴滴落时再称量,计算出单位面积标准木的林冠最大容水量,再根据所研究的各样地内植物群落的结构组成及植物密度,推算出主要植物群落单位面积林冠最大容水量。

2.2 林冠截留率

在各试验样地内植物冠层下放置 3个雨量筒,样地外空旷地内放置 1个雨量筒,在每场降雨后分别记录林内穿透降雨量和林外降水量。降雨在植物冠层中的分配遵从以下水量平衡规律：

式中：P为林外降水量,mm;P′为林内穿透水量,mm;I为林冠截留量,mm;G为树干径流量,mm。其中,树干径流量 G较小,可以忽略不计[11-12]。截留率为林冠截留量与林外降水量的比值。

3 结果与分析

3.1 森林植物冠层最大容水量

森林植物群落林冠层对降水的截留能力与林冠的最大容水量存在密切的关系,林冠最大容水量越大,在相同降水条件下,林冠的截留能力越强[13]。林冠最大容水量与郁闭度及各组成树种的枝叶质量有关,郁闭度越高,组成树种的枝叶质量越高,则林冠容水能力越强。

3.1.1 乔木冠层最大容水量 表 2为浸水法测定的6种森林类型中优势种的最大容水量,可以看出,乔木林冠层枝叶均能截留枝叶干质量 15%～25%的水分,说明乔木林冠对降水具有重要的再分配作用。

由于不同植物种具有不同的生物学特性,其最大容水能力表现出一定的差异。采用单因素方差分析的方法对乔木冠层最大容水量进行比较,根据邓肯(Duncan)多重比较结果发现,在 95%置信水平下,针叶乔木与阔叶乔木冠层最大容水量具有显著的差异。综合考虑不同乔木植物种的生物学差异,可将所研究的植物归并为 3大类：第 1类为柳杉、杉木和马尾松,属温性和暖性针叶林 2个森林类型,其林冠最大容水量最高,在 5.13～8.65 t/hm2之间,单位面积枝叶质量也最高,在 29.74～42.39 t/hm2之间;第 2类包括扁刺锥、栲树和城口桤叶树 3种阔叶植物,它们均属于常绿阔叶林,其林冠最大容水量居中;第 3类包括南酸枣、毛竹、槲栎、枫香、木姜叶柯和石栎,其最大容水量最小。

表 2 四面山常见乔木冠层枝叶最大容水量Tab.2maximum water holding capacity ofbranches and leaves of canopy of the common trees in Simianmountain

柳杉、杉木和马尾松 3种针叶树种具有较大的最大容水量,一方面可能受针叶乔木自身生物学特性的影响。针叶植物的枝叶空间分布状况较为复杂,可容纳水分的空间较大,尤其是针叶间狭小的空隙有益于降水在表面张力和重力的均衡作用下被植物截留。另一方面针叶林具有较大的单位面积枝叶质量。通过相关分析发现单位面积枝叶质量与最大容水量之间存在较显著的线性正相关关系。单位面积枝叶质量大,森林群落的郁闭度较高,林冠结构一般会更复杂,立体的冠层结构可能容纳更多的水分。

3.1.2 植物群落冠层最大容水量 根据表 2中常见乔木的林冠层最大容水量,结合植物群落的乔木密度和郁闭度,计算出四面山 6种主要森林类型乔木冠层的最大容水量见表 3。

四面山不同森林类型林冠的最大容水量因受到森林植物组成、郁闭度、林冠大小、形状和枝叶吸水能力等因素影响,表现出较大的差异。由表 3可以看出,温性针叶林和暖性针叶林的郁闭度分别为0.75和 0.79,单位面积枝叶质量分别为 39.46和31.70 t/hm2,具有更高的单位面积林冠最大容水量,分别为 5.90和 4.40 t/hm2,在 95%置信水平与其他 4种植被具有显著的差异。常绿阔叶林和常绿落叶阔叶混交林的单位面积林冠最大容水量其次,落叶阔叶林与暖性竹林单位面积最大容水量相对最小。郁闭度与单位面积枝叶质量均表现出相同的规律。

3.1.3 最大容水量影响因素 不同森林类型的郁闭度与单位面积枝叶质量较直观地说明了植物冠层枝叶的水平空间分布状态和垂直空间分布状况,研究二者与最大容水量间的关系有利于说明植物林冠截留能力的主要影响因素。图 1显示了郁闭度及单位面积枝叶质量分别与最大容水量的线性关系。线性回归分析结果表明,单位面积枝叶质量与最大水容量的线性相关性高于郁闭度与最大容水量的线性相关性,其决定系数为 0.62,说明植物冠层的垂直空间分布状况较其水平空间分布状态对最大持水量的影响更强。

表 3 不同森林类型林冠最大容水量Tab.3maximum water holding capacity of canopy in different forest types

图 1 林冠郁闭度及枝叶质量与最大容水量的线性关系Fig.1 Linear relationship between the canopy density,mass of branches and leaves and themaximum water holding capacity

枝叶质量对最大容水量的影响主要是单位空间内生物量密度对最大容水量的影响,单位面积内枝叶质量越大,单位面积内垂直空间的生物量越多,垂直结构越复杂,因此植物群落最大容水量就越大。

从郁闭度与最大容水量的线性关系可以看出,＞0.8或 ＜0.5的郁闭度均对最大容水量有所限制,当郁闭度在 0.6～0.8之间时最大容水量能够达到最大值,这主要是由于过高或过低的郁闭度对植物群落的演替发展有所影响,在合理的植物密度条件下,群落内植物的生长状况才能达到最优水平。

为了进一步解释郁闭度和枝叶质量对最大容水量的影响,将郁闭度与单位面积枝叶质量作为自变量,采用二元线性回归方法对最大容水量进行回归分析,得到

式中：Y为单位面积最大容水量,t/hm2;X1为郁闭度;X2为单位面积枝叶质量,t/hm2。R2=0.762。二元回归分析的结果说明,林冠层的最大容水量受植被林冠枝叶水平和垂直分布状况的共同影响。

表 3中表现出针叶林较其他森林类型具有更大最大容水量的趋势,正是由于其单位面积枝叶质量存在较显著的差异。这主要与植物的生物学性质有关,针叶植物的枝叶生长一般沿树干成柱形或锥形,这样的林冠垂直结构能够容纳更多的水分,形成立体的截留体系,加之针叶植物叶片间的空隙小、数量多,也增加了其截留降水的能力。同时,由于阔叶植物叶片较针叶植物更加光滑,阔叶叶片间的容水空隙较少,分布较为分散,降低其容纳水分的能力。

3.2 森林植物的林冠截留率

林冠截留过程是动态的变化过程,用林冠截留率分析在实际降水过程中,降水量、降水强度、林冠干燥程度等对不同植物群落林冠截留能力的影响。

3.2.1 林冠截留率差异 根据林外 24 h累积降水量,将 2009年雨季四面山观测到的 23场降水分为小雨(降水量≤10mm),中雨(降水量为 11～25mm),大雨(降水量为 26～50mm)和暴雨(降水量＞50mm),其中小雨 4场,中雨 9场,大雨 6场,暴雨 4场。分别统计不同雨量级下不同森林类型林冠截留率(图 2)。

图 2 不同雨量级下不同森林类型的林冠截留率Fig.2 Interception rate of canopy under the different rainfall amount of different forest types

采用方差分析的方法,在 95%置信水平下对相同雨量级下森林植物林冠截留率进行比较。结果显示,相同雨量级时不同森林类型林冠层对降水截持能力存在差异：当降雨为小雨时,6种森林类型的林冠截留率无显著差异,平均截留率超过 70%,能够截留大部分降水;当降水为中雨时,温性针叶林和暖性针叶林较其他 4种森林类型林冠截留率具有明显的差异,针叶林的平均截留率约为 50%,而其他 4种森林类型截留率仅为 30%左右;当降水为大雨时,2种针叶林的平均截留率约为 30%,仍显著高于其他 4种森林类型。当降水为暴雨时,6种森林类型的林冠截留率又表现出无显著差异,平均截留率在 15%以下。

6种森林类型在相同降雨量条件下,温性针叶林和暖性针叶林均表现出高于阔叶林和竹林的林冠截留率,这主要是由于杉木、柳杉等针叶乔木具有较大的冠层厚度,相对阔叶林和竹林具有相对足够的截留空间。同时,由于针叶林最大容水量相对较高,植物自身枝叶容水空间较大,因此较阔叶林和竹林具有较高的林冠截留率。暖性竹林的林冠截留率最低,这主要是由于毛竹的植株高度和枝下高度基本接近,枝叶密度较为稀疏;同时,由于毛竹的叶片蜡质含量较高,表面较为光滑且容水空隙较少,因此,林冠截留能力最低。

3.2.2 降水条件对林冠截留率的影响 各森林类型的林冠层截留率与群落中植物枝叶的容水特性紧密相关,且受到外界降水条件(主要是降水量和降水强度)的影响。降水量较低,降雨强度较小时,森林植物的林冠截留率较高,而随着降水量的增加或降雨强度的加强,林冠截留率会明显下降[14]。

对表 4列出的 23场降水过程中,林外降水量及对应的林冠截留率进行归回分析,结果发现,林外降水量(P)与林冠截留率(M)之间存在显著的负幂函数关系(表 5)。说明随着降水量的增加,林冠截留量也将会有所提高,但是截留量随降水量增加的速度较慢,且如果林冠截留量达到饱和状态后,林冠层由于无法容纳更多的水分,在接下来的降水过程中,受到黏滞力和重力作用从林冠下落,林冠截留量还可能会有所减少;因此,森林植物对于降雨量较小的降水具有更好的截留作用,而对于降雨量较大的降水,虽然不能有效截留,林冠还是能够有效地减小雨滴下落速度,以降低暴雨对地表土壤的侵蚀力。

降水强度也影响着森林植物的林冠截留率,这种影响随降水量的增加表现的更加明显。根据图 2中不同雨量级下不同森林类型林冠截留率的差异可见,在降水量相当时,暴雨条件下各森林类型的林冠截留具有较大的变化率,变异系数为 0.5左右,而其他雨量条件下截留率的变异系数仅在 0.2左右。降雨强度对林冠截留率的影响一是因为较大的降水强度下,林冠枝叶截留的水分稳定性较差,由于此时雨滴具有更大的动能,致使林冠枝叶无法截留水分;另外,较大的降水强度使得雨滴与林冠的接触时间减少,林冠枝叶无法吸附水分,也降低了林冠的截留水分能力。

3.2.3 枝叶干燥程度对林冠截留率的影响 林冠枝叶的干燥程度直接影响林冠的容水能力。在最大容水量一定的情况下,枝叶越干燥,其实际能够容纳水分的能力就越高,对下次降水过程的林冠截留能力就越大。枝叶的干燥程度一方面受林冠截留水分蒸发速率的影响,这与林冠层温度、湿度、风速等气象因素有关,另一方面,在气象条件较为稳定时,由于蒸发速率一定,2次降水过程的间隔时间就成为影响林冠干燥度的又一重要因素。

根据表 4中对 6种森林类型林冠降水截留率的观测结果发现,降水的时间间隔对林冠截留率的大小具有一定影响。以06-11与06-29降雨为例,2次降水的降雨量分别为 102.6与 101.4mm,2次降雨量与降雨过程相近;但由于06-29降雨前 2 d曾出现过48.6mm降雨,使得06-29降雨期间各森林类型的林冠截留率较06-11降水截留率下降了 20%～50%。尤其是针叶林,其截留水分面与空气的接触面积较阔叶林较小,林冠水分的蒸发速率较慢,大量水分保留在枝叶上,严重影响其对下次降水的截留能力。受前期降水的影响,暖性针叶林在06-29降水期间截留率仅为06-11降水的 50%。

表 4 不同森林类型典型样地的林冠降雨截留率(2009年 5—8月)Tab.4 Intercep tion rate of canopy of typical sample plots in different forest communities frommay to August 2009

表 5 不同森林类型林冠截留率与降水量的关系Tab.5 Relationship between interception rate of canopy and rainfallamount in different forest communities

为了进一步解释前期降雨对林冠截留率的影响,将降水前 5 d的前期降水量之和与林冠截留率进行相关性分析,在降水量一定的前提下,前期降水量与林冠截留率之间存在一定的负相关关系,相关系数为 -0.239,说明前期降水量越高,林冠截留率受其影响会有所降低,但降低程度不显著。出现这种结果,可能是降水量、降水强度、蒸发速率等其他因素也会影响截留率的变化所致。

4 结论

1)随着不同森林类型的郁闭度和单位面积枝叶质量的增大,其林冠最大容水量响应增大,表现出较好的截留能力。即温性针叶林与暖性针叶林的林冠表现出较好的截留能力,常绿阔叶林和常绿落叶阔叶混交林次之,落叶阔叶林与暖性竹林林冠截留能力较弱。

2)在相同降雨量条件下,6种森林类型中,温性针叶林和暖性针叶林均表现出高于其他几种森林类型的林冠截留率,而暖性竹林的林冠截留率最低。降水量在不同森林类型中均与林冠截留率表现出负幂函数关系。

3)在最大容水量一定的情况下,枝叶越干燥,其能够容纳水分的能力就越高,下次降水过程中林冠截留能力就越大。温性针叶林和暖性针叶林对枝叶干燥程度的响应较其他几种森林类型更为显著,即 2次降水间隔的越短,针叶林表现出越弱的林冠截留能力。

5 参考文献

[1]刘向东,吴钦孝,赵鸿雁.森林植被垂直截留作用与水土保持.水土保持研究,1994,1(3)：8-13

[2]周光益,曾庆波,黄全,等.热带山地雨林林冠对降雨的影响分析.植物生态学报,1995,19(3)：201-207

[3]张志强,王礼先,王盛萍.中国森林水文研究进展.中国水土保持科学,2004,2(2)：69-73

[4]Calder IR.Dependence of rainfall intercep tion on drop sizeⅠ：Development of the two-layer stochasticmodel.Journal of Hydrology,1996,185：363-378

[5]中野秀章.森林水文学.北京：中国林业出版社,1983：58-71

[6]张志强,余新晓,赵玉涛,等.森林对水文过程影响研究进展.应用生态学报,2003,14(1)：113-116

[7]王伟,张洪江,李猛,等.重庆市四面山林地土壤水分入渗特性研究与评价.水土保持学报,2008,22(4)：95-99

[8]杨瑞武.四面山大窝铺常绿阔叶林特征研究.四川农业大学学报,1994,12(4)：490-495

[9]王伟,张洪江,杜士才,等.重庆市四面山人工林土壤持水与入渗特性.水土保持通报,2009,29(3)：113-117

[10]吴征镒.中国植被.北京：科学出版社,1980：340-400

[11]王彦辉.几个树种的林冠降雨特征.林业科学,2001,37(4)：2-9

[12]杨茂瑞.亚热带杉木、马尾松人工林的林内降雨、林冠截留和树干茎流.林业科学研究,1992,5(2)：158-162

[13]邓世宗,韦炳贰.不同森林类型林冠对大气降雨量再分配的研究.林业科学,1990,26(3)：271-276

[14]温远光,刘世荣.我国主要森林生态类型降水截持规律的数量分析.林业科学,1995,31(4)：289-298

Effects of rainfall intercep tion of different forest comm unities in the Sim ianmountain,Chongqing

Ma Hui1,Zhang Hongjiang1,WangWei1,Du Shicai2,LiGenping3

(1.College of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University 100083,Beijing;2.Chongqingmunicipal Forestry Bureau,401147,Chongqing;3.Jiangjin Areamunicipal Forestry Bureau,402260,Chongqing：China)

This paper studies the difference of canopy interception of different forest types by surveying themaximum water holding capacity,interception rate of canopy of 6 different vegetation types,(temperate coniferous forest,warm coniferous forest,deciduous broadleaved forest,evergreen and deciduous broad-leavedmixed forest,evergreen broadleaved forest and warm bamboo forest)in Sim ianmountain of Chongqing.Results can be concluded as follows：1)compared with thatof other 4 types of vegetation types,themaximum water holding capacity,interception rate of canopy of temperate coniferous forestand warm coniferous forest is higher,which presents strong function of canopy interception.2)main factors impacting themaximum water holding capacity are canopy density andmass of leaf and branch per unit area,and there is a significant positive correlation between them.3)themain factors that impacts the canopy interception rate are amountand intensity of rainfall and drying degree of leafand branch of canopy.Dryness of leaf and branch of canopy has obvious effect on canopy interception of different forest types.

forest community;themaximum water holding capacity;interception rate of canopy

2010-04-25

2010-10-16

国家自然科学基金项目“长江三峡花岗岩地区优先流运动机理研究”(40771042);国家林业科技支撑计划课题“三峡库区低山丘陵区水土保持型植被建设技术试验示范”(2006BAD03A 1304);国家林业局“948”项目“森林系统水文生态效益监测与模拟技术”(200624226)

马惠(1986—),女,硕士研究生。主要研究方向：土壤侵蚀、植被分类。E-mail：irene6327@126.com

†责任作者简介：张洪江(1954—),男,教授。主要研究方向：土壤侵蚀与流域管理。E-mail：zhanghj@bjfu.edu.cn

(责任编辑：程 云)