太岳山不同郁闭度油松人工林降水分配特征

2013-12-16韩海荣康峰峰程小琴宋娅丽

生态学报 2013年5期

周彬，韩海荣，康峰峰，程小琴，宋娅丽，刘可，李勇

(北京林业大学林学院，北京 100083)

森林降水分为林冠截留、穿透雨和树干茎流三部分［1］。其中，林冠截留能够削弱雨滴对地表的打击力，减轻地表侵蚀危险，同时，也截蓄了一部分降雨量，减少了地表产流量，起到了削减洪峰流量和涵养水源的生态功效，是评价森林保持水土效益的关键指标之一。因此，林冠截留一直是森林水文和水土保持研究的重点［2-3］。

影响林冠截留的因素很多，主要受林分本身特点(林木种类、林冠结构、林分年龄、郁闭度等)和环境因素(降雨特征、风速、温度等)等的共同影响［4］。而在这些因素中，对于相同环境下起源相同、林龄相同的同一植被型组的林分而言，林冠截留主要由林分郁闭度和降雨特征决定。

油松是华北地区的主要造林树种。关于油松人工林的森林水文特性和水量平衡，已有学者作过研究，但多是对一种郁闭度、一种林龄林分的研究或者不同林龄之间的差异性进行探讨［5-8］，而不同郁闭度油松人工林林冠对降水的分配规律及差异性研究尚少。本文以暖温带山西太岳山油松人工林为研究对象，分析了不同郁闭度条件下林冠对降水的分配规律和差异性，以及林冠截留过程的特点，用以评价该地区油松人工林的水文生态作用，为水源涵养林体系建设提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于山西省太岳山林区中部、沁源县东部的马泉林场(36°31'—36°44'N，112°15'—112°33'E)。该区气候属暖温带半干旱大陆性季风气候。年平均气温为8.6℃。该林区四季分明，年平均降水量662mm，雨量集中在7、8、9三个月，占全年降雨量的60%以上。土壤主要是棕壤、褐土。

马泉林场现有森林面积3719.4hm2，其中有林地2774.6hm2，未成林造林地33.1hm2。有林地覆盖率为74.6%。全场森林总蓄积12.79万m3，油松人工林占森林面积得95.2%，以中、幼龄林为主。优势树种为油松(Pinus tabulaeformis)，灌木主要有酸枣(Ziziphus jujuba)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、杠柳(Periploca sepium)、沙棘(Hippophae rhamnoi des)、黄刺梅(Rosa xanthina)等，草本层的主要代表植物有苔草(Carex tristachya)、羊胡子草(Carex rigescena)、小红菊(Dendranthema chanetii)等。

2 研究方法

2.1 样地设置

在对试验区全面踏查的基础上，依据林分郁闭度、林龄、坡度等主要因子，共选择具有代表性的油松人工林标准样地4块，每块的面积均为20 m×30 m，样地概况见表1。

表1 样地概况Table 1 General situation of plots

2.2 总降雨量测定

在林外约50 m的空旷地上放置CR2型翻斗式自记数字雨量仪，用以测定大气总降水量，并记录降雨时间和降雨历时。

2.3 林内穿透雨量测定

在各标准地内，随机布设3个自制雨量槽(尺寸为200cm×10cm×20cm)，每个雨量槽一端开口连接一个10L塑料桶，在每次雨后用1L的标准量筒测定塑料桶内雨量，以3个雨量槽的雨量平均数作为林内穿透雨体积(ml)，最后根据雨量槽承雨面积再换算成本次降雨的林内穿透雨量(mm)。

2.4 树干茎流量测定

在各标准地内，分别根据胸径的径级分布(每隔2cm为1径级)，选择5株标准木(胸径在3—5cm、7—9cm各1株，5—7cm 3株)，将直径为3cm大小的聚乙烯塑料管沿中缝剪开，取其一段呈螺旋状从树干1.2m处开始缠绕(用小钉固定在刮过粗皮的树干上)1.5周左右，聚乙烯塑料管与树干间空隙接缝处用油漆封严以防漏水，环绕树干的聚乙烯管与水平面间有30°左右的倾角，使树干茎流能沿聚乙烯塑料管流下，管的下端接10L的塑料桶(加盖)，每次降雨后利用树冠投影面积公式(1)［9］计算树干茎流量:

式中，S为树干茎流量(mm)，M为单位面积上的树木株数，Si为每个径级树干茎流量，Mi为每个径级的树木株数，Ki为各径级的树冠平均投影面积，n总各径级数。

2.5 林冠截留的计算

通过实测得到的林外降雨、穿透雨和树干茎流，根据水量平衡原理［10-11］，林冠截留量计算公式(2)如下:

式中，I指林冠截留量(mm)，P、T、S分别指林外总降雨量(mm)、穿透雨量(mm)、树干茎流量(mm)。

林冠截留率计算公式(3)如下:

式中，I0指林冠截留率(%)。

3 结果与分析

3.1 降雨特征

试验期间(2011年5月—9月)，共观测到30次降雨事件，降雨总量为634.79mm，单次平均降雨量为21.16mm，单次最大降雨量为58.15mm，单次最小降雨量为0.54mm。如图1所示，在整个生长季期间，8月份的降雨总量最大，为190.77mm，6月份的降雨总量最小，为41.81mm。

图1 观测期间太岳山林外降雨事件Fig.1 Rainfall events outside the forest during observation period in Taiyue Mountain

根据我国气象部门一般采用的降雨强度标准可知，试验期间小雨、中雨、大雨、暴雨的累积降雨量分别为8.37、79.96、180.19、365.24mm(图 2)，降雨发生频率分别为 20%、23.33%、23.33%、33.34%。

3.2 降雨量对林冠截留的影响

3.2.1 降雨量大小与林冠截留的关系

在观测期间，郁闭度为 0.8、0.7、0.6、0.5 的油松人工林林冠截留总量分别为 188.81、125.20、113.76、93.58mm，截留率分别为 29.74%、19.60%、17.71%、14.50%。

图2 降雨强度分布图Fig.2 Distribution of precipitation in rainfall intensity

图3为降雨量和对应林冠截留量的散点图。从图3看出，郁闭度为0.8油松人工林林冠截留量随降雨量的增加一直增加，而其他郁闭度林分截留量开始随着降雨量的增加而增加，增加到一定程度之后达到饱和，截留量增加很小或不再增加。对林冠截留量和总降雨量进行回归分析，根据最大R2值选择最佳的拟合模型。结果表明，郁闭度为0.8林冠截留量(I)与总降雨量(P)呈一元线性关系，0.7、0.6、0.5林分林冠截留量(I)与总降雨量(P)呈幂函数关系。

图3 不同郁闭度油松人工林林冠截留量与总降雨量关系Fig.3 Relationship between canopy interception and total rainfall under different canopy coverage in Pinus tabulaeformis plantations

将降雨量和对应林冠截留率绘成散点图(图4)，从图4看出，当降雨量小于2 mm时，林冠截留效果十分显著，各郁闭度截留率均在70%以上，降雨全部或大部分被截留。当降雨量小于10 mm时，截留率随降水量的增加而下降的幅度较大，林冠对降水截留的效果最为明显，之后随着降水量增加，截留率缓慢下降。对林冠截留率和总降雨量进行回归分析，根据最大R2值选择最佳的拟合模型。结果表明，郁闭度为0.8、0.7、0.6、0.5林分林冠截留率(I0)与总降雨量(P)呈对数函数关系。

3.2.2 降雨特征与林冠截留关系

林冠截留不仅与降雨量大小有关，还受降雨特征影响［12］。同样降雨量，因降雨强度和降雨历时不同，林冠截留量表现差异明显，特别是降雨强度，对林冠截留量的影响尤为明显。随着降雨强度的增加，林冠截留率逐渐降低，一般来说降雨强度越大，对枝叶的冲击较大，截留的雨水滴落下来转化成穿透雨的可能性越大，因而林冠截留较小。

图4 不同郁闭度油松人工林林冠截留率与总降雨量关系Fig.4 Relationship between canopy interception rate and total rainfall under different canopy coverage in Pinus tabulaeformis plantations

表2为郁闭度为0.8林分因降雨强度不同林冠截留的变化。在累积6次小雨事件中，林冠截留量很小，仅为5.59 mm，但截留率很大，为66.78%。随着降雨强度增加，林冠截留量逐渐增加，但截留率反而减小。当降雨强度为暴雨时，截留率到达最小，为25.63%。可见，林冠对降雨的截留作用在雨强较小时十分显著，但随着降雨强度的增加，林冠截留率减小。

表2 油松人工林林冠截留与降雨强度关系Table 2 Relationship between canopy interception of Pinus tabulaeformis and rainfall intensity

3.3 冠层的干湿状况对林冠截留的影响

林冠截留降水过程可以看作是枝、叶的湿润到饱和的连续过程。截留量由两部分构成:一部分是降雨过程中湿润树木枝叶表面所需的雨量;另一部分是降雨过程中林冠拦蓄雨水的蒸发量［13-14］。因此，当冠层干燥时就可多截留雨水，而冠层比较湿润，截留作用就会减小。

图5为郁闭度为0.8林分单次降雨中林外降雨量以及降雨强度相近时林冠截留率对比。如图所示，7月29日、8月19日林分林冠截留率明显小于降雨量相近的8月17日、8月25日。结合图1可知，这4次降雨事件发生的前一次降雨分别在7月24日、8月4日、8月18 日、8 月19 日，时间间隔分别为 5、13、1、6d，一般一次超过30mm的降雨事件之后，在无风的状态下林冠需要7d才能完全干燥。同时，图中4场降雨事件的历时分别为8、7、14、15h。因此，在8 月份最高温度 25℃，最低温度15℃，温度变化不大，风力同为微风≤3级的气候条件下，7月29日和8月19日发生降雨时林冠冠层与其他两个日期降雨事件相比比较湿润，降雨过程中湿润树木枝叶表面所需的雨量小，林冠截留作用小，因此林冠截留率小。

图5 降雨强度和降雨量相近事件的林冠截留率对比Fig.5 The Comparison of canopy interception rate of similar rainfall intensity and rainfall events

3.4 郁闭度对降水分配的影响

3.4.1 不同郁闭度林冠截留能力分析

为了深刻认识郁闭度作为林分自身的主要因素对林冠截留的影响，综合比较了各郁闭度林冠截留能力，采用单因素方差分析法对林冠截留量进行了分析。

从表3、表4可以看出，不同郁闭度油松人工林林冠截留量、穿透雨量和树干茎流量不同。总的趋势是随着郁闭度的减小，林冠截留量和林冠截留率逐渐减小，穿透雨量和树干茎流量逐渐增大。林冠截留量与郁闭度表现出正相关关系(P＜0.05;r=0.388;n=30)，穿透雨量与郁闭度表现出负相关关系(P＜0.05;r= －0.08;n=30)，树干茎流量与郁闭度亦表现出负相关关系(P＜0.05;r= －0.443;n=30)(表5)。

表3 不同郁闭度油松人工林林冠截留能力Table 3 Capacity of canopy interception of different canopy coverage in Pinus tabulaeformis plantations

表4 不同郁闭度油松人工林林冠截留量平均值Table 4 Average of canopy interception of different canopy coverage in Pinus tabulaeformis plantations

表5 不同郁闭度油松人工林树干茎流量平均值Table 5 Average of stemflow of different canopy coverage in Pinus tabulaeformis plantations

3.4.2 不同郁闭度穿透雨与总降雨量关系

根据30次实测降雨数据得出，郁闭度为 0.8、0.7、0.6、0.5 的油松人工林穿透雨总量分别为 442.19、495.71、503.23、521.11mm，分别占降雨总量的 69.66%、78.09% 、79.02%、82.14%，穿透雨是林冠对降雨再分配后占比例最大的部分。

对穿透雨量和总降雨量数据进行回归分析，根据最大R2值选择最佳的拟合模型，发现各郁闭度林分穿透雨量(T)与总降雨量(P)之间的关系可以用一元线性回归模型表示(图6)，穿透雨量随林外总降雨量的增加而增加。

单因素方差分析表明，在0.05的显著性水平下，各郁闭度林分的穿透雨量之间无显著性差异。

3.4.3 不同郁闭度树干茎流与总降雨量关系

从图7可以看出，总降雨量5mm以下时，各郁闭度林分树干茎流很少，基本不足0.05mm，故认为林外雨量小于 5mm 时，树干径流为 0。郁闭度为 0.8、0.7、0.6、0.5 的油松人工林树干茎流总量分别为 3.78、12.88、17.31、19.75mm，分别占总降雨量的 0.59%、2.03%、2.72%、3.11%。树干茎流量占总降雨量的比例很小［15-16］，很多研究中经常被忽略，然而树干茎流对森林水文的作用不容忽视［17］。

对树干茎流量和总降雨量进行回归分析，根据最大R2值选择最佳的拟合模型，发现树干茎流量(S)和降雨量(P)之间的关系可以用一元线性回归模型表示(图7)，树干茎流量随林外总降雨量的增加而增加。

3.5 林冠截留、穿透雨和树干茎流月份动态变化规律

图6 不同郁闭度油松人工林穿透雨量与总降雨量关系Fig.6 Relationship between throughfall and total rainfall under different canopy coverage in Pinus tabulaeformis plantations

图7 不同郁闭度太岳山油松人工林树干茎流量与总降雨量关系Fig.7 Relationship between stemflow and total rainfall under different canopy coverage in Pinus tabulaeformis plantations

表6反映的是观测期内郁闭度为0.8林分林冠截留量、穿透雨量和树干茎流量月份动态变化。从表中可以看出，7、8、9 月份降雨量分别为 161.24、190.77mm 和172.48mm，明显高于5、6 月份的67.62 mm 和 42.66 mm，说明降雨主要集中在7、8、9月份。林冠截留量、穿透雨量和树干茎流量月份动态变化与总降水量的月变化基本一致，丰水季大于枯水季。而林冠截留率却与此相反，枯水季大于丰水季，这是因为枯水季降雨量小，雨强小，多被林冠截持;丰水季降雨量大，多以大雨和暴雨形式出现，雨强大，历时短，故截持较少。

表6 林冠截留、穿透雨和树干茎流月份动态变化Table 6 Monthly dynamic among canopy interception，throughfall and stemflow

4 结论与讨论

(1)观测期间，试验区总降雨为634.79mm，降雨事件中大部分为大雨、暴雨，分别占总降雨次数的23.33%和30.34%。郁闭度为 0.8，0.7，0.6，0.5 的太岳山油松人工林林冠截留量分别为 188.81、125.20、113.76、93.58mm，截留率分别为 29.74%、19.60%、17.71%、14.50%;穿透雨总量分别为 442.19、495.71、503.23、521.11mm，透流率分别为 69.66%、78.09%、79.02%、82.14%;树干茎流总量分别为 3.78、12.88、17.31、19.75mm，干流率分别为 0.59%、2.03%、2.72%、3.11%。

(2)不同郁闭度之间林冠截留、穿透雨和树干茎流差异性表现在:郁闭度为0.8和0.7、0.6、0.5之间的林冠截留量差异性显著(P＜0.05)，0.7、0.6和0.5三者之间均无显著性差异;各郁闭度之间的穿透雨量均无显著性差异;而树干茎流则不同，郁闭度为0.8和0.7、0.6、0.5之间的树干茎流量差异性显著(P ＜ 0.05)，0.7、0.6和0.5三者相邻郁闭度之间均无显著性差异，0.7和0.5之间的树干茎流量差异性显著(P＜0.05)。

(3)与已有的华北地区油松人工林水文生态效应研究成果比较，赵焕胤等、莎仁图雅等、肖洋等研究的林冠截留率为31.67%—33.04%［5-7］，高于本文研究的郁闭度为0.8的22年生油松林人工林冠平均截留率(29.74%)，主要原因可能在于，内蒙古东部地区22年生油松人工林林外降雨以小雨、中雨为主，大雨、暴雨发生频率小于本试验区的23.33%和33.34%，使得林冠层能够充分截持雨量。此外，本研究油松林为幼龄林，而大青山区和北京密云水库分别为30年生以及33年生中龄林。曾杰所研究的郁闭度为0.9的34年生油松人工林冠截留率为15.9%，郁闭度为0.6的为13.6%［8］，分别小于本实验所研究的郁闭度为0.8油松人工林的29.74%和0.6油松人工林的17.71%。主要原因可能在于，他所研究的郁闭度为0.9的油松林密度为1035株/hm2，郁闭度为0.6的密度为739株/hm2，远小于本研究油松林的6024株/hm2和4238株/hm2。综上可知，影响林冠截留分配效应的主导因素是降水特征(包括降水量、降水过程以及降水形态等)与林分状况(包括林分郁闭度、林龄、林木密度等)。

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