黄土高原南部人工林林冠对降雨特征的影响分析

吴光艳，成 婧，祝振华，吴发启，于小玲

(西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100)

降雨能量的大小直接影响土壤侵蚀的强弱，是水力侵蚀研究中的重点问题，也是水土保持研究中的热点问题。早在20世纪50年代，自从Best[1]研究了天然降雨雨滴分布特征，提出了著名的Best雨滴大小分布式开始，天然降雨雨滴特性的研究进入了一个新的阶段，受到国内外广大学者的关注。近年来，植被与土壤侵蚀的研究也越来越受到重视。天然降雨通过林冠层时，林冠对其阻挡、滞留和削能，以穿透降雨、二次降雨和干流的形式到达地表[2-4]，使得其降雨特征和林外降雨显著不同。因此，了解植被冠层对降雨特征的影响，是深入研究森林水文作用机制的重要环节，也是研究植被水土保持作用的重要内容之一。目前，国内对于林冠降雨特征的研究并不多[5-7]，且观测降雨的次数少。笔者以色斑法为基础，观测了黄土高原南部的杨凌地区天然降雨15场，采集了不同树种林下降雨雨滴谱各200份，较为深入地研究了林冠降雨特征。

1 研究区概况

杨凌地处黄土高原南部，陕西省关中平原中西部，渭河以北，三面环水，东以漆水河与武功县接界，南依渭河同周至相望，北有沛水和武功，西与扶风接壤。位于东经 107°59′-108°09′，北纬 34°14′-34°24′，海拔418.0～540.1 m，地势北高南低，由南向北依次形成一、二、三级阶地，整体分为 5种地貌，即渭河滩地、一级阶地、二级阶地、三级阶地以及沟坡地。气候类型属暖温带半湿润气候区，四季分明，年平均气温 12.9℃，极端最高气温 42℃，最低气温-19.4℃，全年无霜期 221 d。年均降水量 637.6 mm，多集中在7-10月，占多年平均降水量的60%，年平均蒸发量884 mm。植被多为落叶阔叶林树种。

2 试验设计

本实验选取黄土地区主要造林树种刺槐(Robinia pseudoacacia Linn)、桉树(Eucalyptus exserta)、元宝枫(Acer truncatum Bunge)单株为研究对象，3种乔木特征见表1。场降雨的观测时间主要集中于降水集中的6-9月，降雨强度分布范围选定为0.6～60 mm/h之间。在充分观测天然降雨的基础上，利用色斑法进行雨滴的采集和测定，应用Image-J、Excel和SPSS软件进行数据处理，对各树种林冠下降雨特征进行对比分析。

表1 三种乔木测树指标

3 研究方法

3.1 降雨观测

本试验采用上海仪器厂生产的SJ型虹吸式自记雨量计记录降雨全过程。雨量计主要包括承水器、记录笔和自记钟筒，自记钟筒上有记录纸。此雨量计可以较完整地记录降雨随时间的变化、次降雨量、降雨历时，雨量计24 h时间误差为5 min。

将雨量计布设在开阔无遮挡物区域，避免降雨受建筑物和高大树木的影响。当降雨开始时，在记录纸上记下降雨开始的具体时间，在降雨的过程中，只需要检查记录笔是否正常即可，待降雨结束后取下记录纸，进行降雨强度的计算。

3.2 雨滴取样及测量

我国目前研究雨滴大小所采用较普遍的方法是滤纸色斑法[8]，本研究同样采用此方法观测雨滴直径。滤纸使用新华造纸厂出品的直径为15 cm的定性中速滤纸;涂料用天津登峰化学试剂厂生产的曙红和滑石粉的混合粉末，按其重量比为1∶10混合均匀，用刷子将曙红和滑石粉混合粉末均匀地涂抹在滤纸上备用。在干燥的情况下，滤纸不显色，当雨滴降落在滤纸上时，每个雨滴就产生近似圆形的色斑。

降雨开始后，对应自记纸上的时间取雨滴样，取样高度距地面20 cm，并记下对应的时间，取样间隔10 min一次，同一时间取样重复3次。取样结束后，将雨滴谱放置实验室自然风干。

将采集雨滴的滤纸按1∶1进行计算机扫描，然后用Image-J软件进行处理，具体步骤如下:

(1)进入Image-J界面系统，将扫描文件导入编辑窗口中。

(2)将图片放大到合适大小，用直尺功能测出色斑直径，每个色斑按垂直方向测两次。测量精度为0.001 mm。

(3)将测量结果导入Excel中，计算色斑平均直径，进而推求雨滴实际直径。

利用Image-J软件克服了以往用色斑法量测雨滴直径精度低的缺陷，使测量精度提高了一个数量级，使得林冠降雨雨谱的精确测量成为可能。

3.3 色斑直径和雨滴直径关系率定

用普通医用注射器针管和不同型号的针头充当雨滴发生器，先向针管内注入一定量的水，装上针头，然后将针管内的水通过针头滴在涂有混合粉末的滤纸上，同一针头取10个点，滴时保持水滴滴在滤纸上的距离，距离太近水滴在滤纸上浸润相互间有影响，误差大。用万分之一天平称100滴水重，每种型号的针头各称取一次，并一一对应，计算出每一滴水的质量mi[9]。假定水滴是球体状的，算出水滴直径d(mm)，即:

式中:ρ——水的密度(g/cm3)。计算出色斑直径 Di，这样水滴实际直径和色斑直径形成一一对应关系，用Excel进行回归分析，并得到色斑直径D与水滴直径d的关系式:

运用上述公式可以求得实际雨滴的直径d，进而进行以下分析。

4 结果与分析

天然降雨经过林冠层，林冠截留改变了其雨滴特性，使得林下降雨雨滴直径、雨滴大小分布、雨滴速度和雨滴动能均有所改变[10]。

4.1 雨滴大小分布

雨滴大小和分布是降雨的基本特征。从两次林下降雨2010年7月15日、9月6日和一次林外降雨2009年8月3日的降雨资料中(图1)，可以看出雨滴大小分布呈近似正态分布，雨滴直径主要集中于0.5～2 mm之间，且大于5 mm的雨滴很少。同时，林下雨滴较林外雨滴偏大，且大雨滴数有明显增加的趋势，这说明林冠降雨中，林冠对雨滴的分配和汇集十分明显。从实际取样中，可以观察到林冠下大雨滴数有明显增加的趋势，尤其是在有风的作用下，大雨滴数量明显增加。

图1 三次降雨的雨滴大小分布情况

通过大量的雨滴谱观测和统计，发现林外降雨过程中，雨滴中数直径随着降雨强度的增加而增加，且增加的趋势是减弱的。在林冠降雨过程中，这一现象就显得很微小(图2-4)。从图中可以看出，与林外降雨不同。(1)当降雨强度小于0.1 mm/min时，林冠降雨的雨滴中数直径较林外降雨雨滴中数直径大;而当降雨强度增大时，这种趋势却相反，即林外降雨雨滴中数直径大于林冠下雨滴中数直径。在图1中，取样的降雨强度介于0.02～0.07 mm/min之间，林冠雨滴中数直径明显较林外大，但这种差别随着雨强增大而减少。(2)3种林冠下雨滴中数直径在一个值附近上下波动。例如:图2中元宝枫林冠下雨滴中数直径介于2～6 mm之间;图3中桉树林冠下雨滴中数直径介于1～4.5 mm之间;图4中刺槐林冠下雨滴中数直径介于1～6 mm之间。说明林下降雨中，由于受林冠的作用，尤其是相对林冠郁闭度较大的林分，雨滴中数直径受降雨强度的影响很小，这与林外降雨有显著区别。

图2 元宝枫林冠下雨滴中数直径与降雨强度关系

4.2 降雨动能特征

雨滴动能是根据雨滴大小及其组成计算求得。雨滴的降落速度，根据雨滴大小的不同，分别用不同的公式进行计算[11-12]。

当雨滴直径d＜1.9 mm时，用修正的沙玉清公式计算:

其中:x=〔28.32+6.524lg(0.1d)-(lg0.1d)2〕0.5-3.665

当d≥1.9 mm时，用修正的牛顿公式:

式中:V——雨滴终点速度(m/s);d——雨滴直径(mm)。

图3 桉树林冠下雨滴中数直径与降雨强度关系

图4 刺槐林冠下雨滴中数直径与降雨强度关系

由于林冠降雨高度有限，雨滴难以达到充分降落条件下的雨滴终点速度。忽略雨滴在空气中下落过程中的变形，采用徐锐[13]给出的雨滴降落速度与降落高度的关系式:

式中:Vm——雨滴降落速度(m/s);H——雨滴下落高度(m);g——重力加速度(m/s2)。

对于单个雨滴，其动能可表示为:

将雨滴谱上每个雨滴的动能累加，得到滤纸上全部雨滴的总动能E;再将滤纸上每个雨滴质量累加，除以水的密度和滤纸面积，得降雨深;雨滴的总动能除以降雨深和滤纸面积，即得到该次降雨在单位面积上单位降雨深所具有的能量。这样可以得到降雨动能的计算公式:

其中:E——降雨动能〔J/(m2◦mm)〕

图5 元宝枫林冠下降雨动能与降雨强度关系

图6 桉树林冠下降雨动能与降雨强度关系

图7 刺槐林冠下降雨动能与降雨强度关系

从大量的雨滴谱资料可以得到每个降雨时刻的降雨动能，降雨强度与降雨动能见图5-7。从直观上看，林冠降雨动能与林冠雨滴中数直径类似，在某一个值附近波动，没有明显的相关关系;而林外降雨动能有着较显著的相关关系。从本质来说，这一现象是正常的，通过前面的分析，林冠雨滴中数直径在一定区间波动，而降雨动能最主要的因子就是雨滴直径，虽然有雨滴速度的影响，但是，雨滴速度又直接受到雨滴直径的影响，所以说，雨滴直径的大小与降雨动能有很大的联系，即二者的变化趋势是一致的。

同时，从图5-7中可以看到，3种乔木冠下降雨有一个共同过的特点，即在小雨强下，林冠下降雨动能较林外大，这个雨强在0.1 mm/min左右;而当雨强大于0.1 mm/min时，林外雨滴动能有大于林冠降雨的趋势。这说明在小雨强时，林冠有增大降雨动能的作用，而在大雨强时，林冠有削减降雨动能的作用，这对于植被减少土壤侵蚀有着重要意义。元宝枫林冠下降雨动能介于15～16 J/(m2◦mm)之间;桉树则介于8～16 J/(m2◦mm)，变化相对前者较大;刺槐介于10～15 J/(m2◦mm)。这种差异的原因是3种乔木的叶面积指数不同，叶面积越大汇集雨滴的能力就强，雨滴直径就相对较大，降雨动能就大。对于降雨动能上下波动，而不是跟天然降雨一样，随着降雨强度的增大而增大。在取样的过程中，林冠降雨和林外降雨不同，林冠降雨有更大的随机性，即林冠降雨不均匀。在雨滴谱上，出现的大雨滴数会直接影响着降雨动能的大小，这里大雨滴直径在5 mm以上。如果雨谱上只有一个大雨滴，那么这个大雨滴的体积可以占到总体积的50%或者更多。在取样时，大雨滴数是随机出现的，这就导致了降雨能量时大时小，而不是一个稳定值。

5 结论

天然降雨经过林冠层以后，雨滴特性发生了改变，与林外降雨有明显的区别。林冠下雨谱分布呈近似的正态分布，其中大雨滴数明显多于林外降雨。林冠下雨滴中数直径受降雨强度的影响很小，主要取决于林冠的郁闭度和叶面积指数。林冠下降雨动能与雨滴中数直径有着同样的趋势，其值在一个范围内波动，与降雨强度没有明显的相关关系。

林冠降雨与林外降雨不同，即在小雨强时(小于0.1 mm/min)，林冠有增大降雨动能的作用;而当雨强大于0.1 mm/min时，林冠降雨动能有减小的趋势。同时，从降雨动能计算公式可以看出林冠的高度也是影响林冠降雨动能的一个重要因子。林冠低，雨滴速度降低，降雨动能减少。这就为实际水土保持林建设中，要坚持林、灌、草相结合的方针相吻合。通过林灌草的综合作用，来消除雨滴对地面的击溅侵蚀。

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