Gash模型对冀北山地人工油松林树干径流特征的模拟

梁文俊，魏曦，朱宝才

(1.山西农业大学林学院，山西 太谷　030801；2.交通运输部科学研究院交通信息中心，北京　100029)



Gash模型对冀北山地人工油松林树干径流特征的模拟

梁文俊1，魏曦2，朱宝才1

(1.山西农业大学林学院，山西 太谷030801；2.交通运输部科学研究院交通信息中心，北京100029)

摘要：【目的】 为了更好地研究冀北地区水文特征，验证Gash模型对该地区树干径流的模拟效果.【方法】 通过长期野外样地监测和室内数据处理，对油松人工林林外降雨与林内穿透雨、林冠截留、树干径流进行拟合，运用Gash模型对该林分树干径流进行模拟.【结果】 2013年围场油松人工林林内降雨量、树干截留和树干径流分别占降水量的69.75%，26.87%，3.38%，树干径流比例不大.模型对该林分树干径流模拟的整体效果一般，实测值和模拟值分别为0.73 mm和0.55 mm，相对误差为24.5%.【结论】 Gash修正模型基本上能够反映该地区的树干径流实际情况，在该地区具有较好的适用性.

关键词：油松人工林；树干径流；Gash模型；冀北山地

林冠截留是大气降雨再分配和森林水循环的一个重要过程.林冠截留、穿透雨和树干径流是森林降水再分配的主要组成部分，这一过程国内外研究较多[1],树种从针叶到阔叶[2-6]，地区从温带到热带[7-8]都有研究.树干径流主要是降雨通过枝条、树干最终渗入地下的一个过程[9-10]，虽然树干径流所占比例很小，但这部分水可以高度集中于根部土壤[11-12]，在这个过程中径流冲刷树干会携带大量的营养物质，对土壤养分是一个很好的补充.对径流模拟的模型较多，主要有经验、半经验和理论模型[13-15]，3种模型各有利弊.经验模型简单明确，但不能反应截留具体过程；理论模型解决了经验模型的弊端，但形式复杂、求解困难和较难普遍运用在实际过程中.相比较半理论模型更加实用，像Rutter的微气象模型、Calder的随机模型和Gash的解析模型在热带许多地区得到了验证和运用，Gash修正模型很好地模拟了实际观测值[16-18].

油松是华北地区低、中山的地带性乔木树种，这些地区现存的天然次生油松林已经很少，大部分都是人工纯林.本研究的目的在于研究河北围场地区人工油松林树干径流的特征，分析不同情况下树干径流的差异，评价Gash修正模型在该地区树干径流的模拟效果，以期能为该地区树干径流提供一种合理的估算方法.

1研究区概况

研究区设置在河北承德围场界内，地理坐标为E 116°32′～118°14′，N 41°35′～ 42°40′，该地区是北京生态保护的一道重要屏障，是滦河的发源地.具有昼夜温差大，冬长夏短、四季分明等气候特征.平均气温在-1.4～4.7 ℃，夏季有暴雨、冰雹等恶劣气候，日照较为充足.土壤主要有7类，以棕壤、褐土、风砂土、草甸土为主，植物种类丰富，林区分布有油松、落叶松(Larixgmelinii)、山杨(Populusdavidiana)、白桦(Betulaplatyphylla)等人工林；沙棘(Hippophaerhamnoides)、山杏(Armeniacasibirica)、绣线菊(Spiraeasalicifolia)等灌木林[19].

2材料与方法

2.1观测试验

观测样地设置在河北木兰国营林场的北沟林场，实验时间在2013年5～10月，以油松人工林为研究对象，样地面积为50 m×50 m，冠层覆盖度为80%，叶面积指数为1.59，以5 cm为间距对树木进行分级并测量林木各项指标 (表1).

表1　样地树木基本情况

气象数据：通过研究区设置的小型气象站测量实验所需的基本数据，包括降雨量、时间、风速、温度等.

林内降雨量测定：通过自制集雨器测量林内降雨量，集雨器大小规格为0.78 m×0.2 m的长方形铁皮收集装置,在样地内选取不同径级标准木下放置降水收集器,每次降雨结束后及时测量降雨量.

树干径流测量：在样地中选取标准木(每个径级3株)后用塑料管剪开，螺旋缠绕在树干上，在塑料管与树皮接触的地方使用玻璃胶进行粘合，在塑料管的下端接一个10 L塑料桶收集树干流，每次降雨结束后，人工进行测量塑料桶内的干流量.

2.2Gash模型

Gash解析模型将林冠截留分为3个阶段：加试期、饱和期和干燥期.用1995年修正的Gash模型对林地进行划分，分为有植被覆盖和无植被覆盖林地，并且每次必须至少留8 min的林冠干燥时间.修正的Gash模型计算公式为：

(1)

模型建立在几个基本假设条件上，1)林冠未饱和前没有水滴从林冠滴落；2)只有在林冠饱和以后才发生的树干径流；3)只有降雨结束才会发生蒸散.在这些假设基础上还需设定许多参数.

林冠达到饱和所必需的降雨量为：

(2)

树干径流计算公式为：

(3)

3结果与分析

3.1降雨情况

研究区2013年5～10月共测得有效降雨24次，降雨以中小雨为主，雨强不大.24次总降水量为398.89mm，最大降雨量为40.12mm，最大雨强7.95mm/h.日降雨量小于10mm的降雨量为7次，占降雨总次数的29.2%，大于30mm的大雨以及暴雨所占降雨次数的比例仅为8.3%.降水集中在6～8月份，主要出现在夜间.

采用水量平衡计算林冠截留量：

I=P-T-SFj

(4)

式中：I为林冠截留量(mm)；P为林外降雨量(mm)；T是穿透雨量(mm)；SFj是树干径流量(mm).使用SPSS专业统计分析软件对试验获取的数据进行相关分析和回归分析.24次降雨量、林冠截留、穿透雨和树干径流见图1.

图1显示了试验期间24次降雨量、林冠截留量、穿透雨量和树干径流量.当降雨量(40.12 mm)最大时，林冠截留、穿透雨和树干径流分别为31.44，6.89和1.73 mm.林冠截留、穿透雨和树干径流随降雨量的变化而变化.

图1　降雨量、林冠截留、穿透雨和树干径流Fig.1　Rainfall,canopy interception,throughfall and stemflow

3.2穿透雨

以实测数据为基础，拟合穿透雨和降雨量，选择R2最大值的方程作为它们之间拟合最佳模型.结果表明，穿透雨和降雨量两者之间呈现明显的线性关系，即穿透雨量随降雨量的变化而变化，即降雨量增大，穿透雨随之增大，呈正相关关系，这种规律和国内外的许多研究结果一致[10-12,26].经过相关分析检验得出，穿透雨量与降雨量之间达极显著相关水平(P<0.01)，降雨量与穿透率的相关性也均达到极显著水平(P<0.01)，但随着降雨量不断增大，穿透率在上升一段后最终趋于稳定水平(图2).

图2　穿透雨、穿透率和林外降雨的关系Fig.2　The relationship between rainfall and throughfall，throughfall rate

3.3林冠截留

通过选择R2最大值确定林冠截留和降雨量的关系，发现林冠截留在降雨量分配中占有较大比例.林冠截留量与林外降雨量具有明显的幂函数关系,回归方程为：y=1.117x0.518，R2=0.765，式中,y为林冠截留量(mm);x为降雨量(mm)，其中降雨与截留的相关性也达到了极显著水平(P<0.01).

3.4树干径流

从图3可以看出,树干径流与降雨量也具有明显的线性相关关系,回归方程:y=0.045 4x-0.202 4，R2=0.89，并且林外降雨与树干径流的相关性水平达到了极显著水平(P<0.01)，树干径流随降雨量的增大而增大.干流率随着降雨量的增大刚开始呈增大的趋势，随着雨量不断增大和降雨时间的延续，树干径流率趋于平稳的状态.

图3　油松林外降雨量与树干径流及径流率的关系Fig.3　The relationship between rainfall and steamflow，steamflow rate

修正模型要求在林冠饱和以后才产生树干径流.分析图3可以发现，树干径流有一定的时滞性，大约降雨量达到4.618 mm时才开始有干流出现，这与Gash的要求基本符合；干流率随着降雨的增加逐渐趋于稳定，如果降雨历时足够长的话，干流率将处于平稳状态.

3.5树干径流模拟

3.5.1基础参数结合研究区其他测量数据，依据公式(1～3)进行计算.平均蒸发速率E通过降雨量PGj和林冠截留量Ij之间回归关系可以确定；平均降雨强度通过降雨量和截留量回归关系的斜率可以确定；林冠枝叶部分持水能力(S)通过降雨量和穿透雨量之间的回归关系确定(图2)；树干持水能力(St)和树干径流系数(Pt)由降雨量和干流量关系可以确定(图3)；2013年平均降水强度E为3.52 mm/h，平均蒸发率为1.24×10-1mm/h，林冠枝叶部分持水能力(S)为0.75 mm，树干持水能力(St)和树干径流系数(Pt)为0.2 mm和0.045.

通过计算在研究区林冠达到饱和的降雨量为4.65 mm，产生树干径流林外降雨为7.04 mm，即林外降雨大于7.04 mm时，才可能有径流产生，可以用Gash模型进行模拟.据此可以排除4次干流较小的数据，这些干流可能是由于雨滴方向或风向使降水未流经树干直接进入PVC管内形成的，也可能由于树干潮湿等因素造成的，也是实测数据和模拟数据产生差异的原因.

图4　树干径流模拟值与实测值Fig.4　The simulation and measured values of stemflow

从图4还可看出，整体上实测值大于模拟值，降雨量越大，模拟误差越大，主要是雨量较大时有部分雨量直接流入塑料桶；干流量在0.2～0.6 mm时，模拟精度较高.Gash模拟单次干流结果相对误差范围在17.23%～63.03%，单次模拟误差范围比较大；模型对该林分干流模拟的整体效果相对较好，实测值和模拟值分别为0.73 mm和0.55 mm，相对误差范围为24.5%，对于受多因素影响的干流来说也在合理的范围内，说明Gash模型可以较好地模拟该地区的树干径流量.

4讨论与结论

1)华北土石山区油松人工林林下降雨、林冠截留与大气降雨呈直线关系，树干径流虽然较小，但在森林水文循环中有着非常重要作用.树干径流的形成是一个复杂的过程，受到气象因素(雨量、雨强、降雨时间等)，树种特征(胸径、树皮粗糙度、冠幅、叶片、树枝倾角等)以及林内植物种的影响.Gash修正模型基本上可以模拟冀北山区油松的树干径流，虽然单次模拟效果一般，但年平均模拟值有一定参考价值.

2)Gash涉及的参数很多，各参数之间有着相互的关联，但本研究利用了较为成熟的参数值使得模拟结果科学可靠.但是由于树干径流量受树种、林分郁闭度、胸径等较多因素影响，从径流自身来说在截留中所占比例较小.这些因素造成树干径流的测量和模拟难免会出现误差.本研究显示，单次降雨过程中受到很多因素的影响，模型对单次降雨量的模拟效果较差，误差较大，但对较长时间的树干径流模拟效果很好，说明Gash修正模型对本地区有着较好的适应性.本研究Gash修正模型可以较好的模拟冀北地区油松干流特征,可为研究河北人工油松林水分循环提供一定参考.

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(责任编辑胡文忠)

Study on simulation of Gash model to stemflow of planted pinus forests in mountain of northern of Hebei

LIANG Wen-jun1,WEI Xi2,ZHU Bao-cai1

(1.College of Forestry,Shanxi Agricultural University,Taigu 030801,China;2.Information Centre of Transportation ,China Academy of Transportation Sciences,Beijing 100029,China)

Abstract：【Objective】 In order to study hydrological characteristics in mountain of Northern of Hebei,verified Gash model in the region stemflow simulation effect.【Method】 Used field plots monitoring in a long-term and indoor data analysis,to fit the relationship of rainfall,throughfall,steamflow and canopy interception.In addition,Gash model was used to simulation the steamflow.【Result】 The results showed that the rainfall,canopy interception and stemflow accounted for 69.75%，26.87%,3.38% of gross rainfall,while the stemflow was small.Because of the basic of characteristic stemflow,simulation of stemflow agree well with the measured values for the growing season.The values of simulation and observed were 0.73 mm and 0.55 mm,the relative differences between the Gash modeling results and field measurements were 24.5%.【Conclusion】 It is suggested that the Gash analytic model could be used for estimating stemflow interception in this area.

Key words：artificial Pinus tabulaeformis plantation；stemflow；Gash model；mountain of northern Hebei

通信作者：魏曦，硕士研究生，工程师，主要从事地理信息系统的研究.E-mail：379795261@qq.com

基金项目：山西农业大学引进人才科研启动项目(2014YJ19).

收稿日期：2015-05-21；修回日期：2015-06-29

中图分类号：S 715

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2016)02-0088-05

第一作者：梁文俊(1983-)，男，博士，研究方向为森林水文.E-mail：liangwenjun123@163.com