下层修枝对树种水分截留特性的影响

朱志俊，牛健植†，徐 军

(1.北京林业大学水土保持学院, 北京市水土保持工程技术研究中心, 100083, 北京;2.北京林果业生态环境功能提升协同创新中心, 102206, 北京)

林冠截留是指在部分降水被地表植被接收并直接蒸发，未进入土壤的过程，一般可以截留全年降雨的15%～30%[1]，这个过程推迟了降雨到达林下和产流时间，使得植被具有减缓水土流失的作用[2]。影响林冠截留量的植被特征因素包括了树木叶片类型[3-4]，叶面积和叶面积指数[5]，枝干类型[6]和枯落物单位面积质量[7]。叶面积的大小直接影响降雨与林冠接触程度[8]。叶面积指数和林冠截留量有高度的正相关性[9]。高林冠产生穿透雨的雨滴动能会大于自然降水，幼树树冠下穿透雨动能小于林外自然降水动能[10]。幼树林的水土保持效益研究对于水土保持林的营造过程具有非常特殊的意义。为了全面反映植被的水文和防蚀功能，Savenije提出最大截流量Cmax、最小截流量Cmin、Cmax与Cmin的差值ΔC描述截留过程[11]。反映植被延后降雨，调节入渗、径流和土壤侵蚀等的过程；在实际研究中，由于观测难度等原因，过程量很少被应用。

树木抚育修枝是中幼林抚育管理的重要措施，可以提高林木的林分生长量，发挥其水土保持和水源涵养能力。树木的修枝高度可达到树高的1/2[12]，从短期的结果上来看，修枝能够明显降低中幼林树木的叶面积，降低树木降水截留量，而林下就地铺设使之成为枯落物能够增加林地截留能力，从而影响其水土保持效益。

笔者在人工降雨的基础上，通过自制的实验装置，较为精确地对植物降雨截留过程量进行测定，描述6种树种的林冠截留量对于修枝抚育的响应，分析针阔树种不同的响应结果，以及下层林下枯落物对于修枝产生的截留量减少的抑制作用，为中幼林修枝之后的水土保持效益评估提供借鉴，为水土保持林在中幼林龄的管理上提供理论的依据。

1 研究区概况

研究区域位于鹫峰国家森林公园内的首都圈森林生态系统定位研究站，地属我国的华北土石山区，坐标为N 39°54′，E 116°28′，海拔在100～1 153 m之间[13]。年平均气温12.5 ℃。该区域的降水时空分布特征十分不均匀，一年中平均降水量为628.9 mm，夏季降水大约占整年降水量的70%，而冬季降水量占全年的1%左右[14]。

研究区植物群落属暖温带落叶阔叶林，主要树种包括侧柏(Platycladusorientalis)、白皮松(PinusbungeanaZucc.)、油松(PinustabuliformisCarr.)、黄栌(CotinuscoggygriaScop.)、栓皮栎(QuercusvariabilisBlume)和五角枫(AcerelegantulumBunge),此外还有槲栎(Quercusaliena)和鹅耳栎(Carpinusturczaninowii)等植物。

2 实验材料与研究方法

2.1 实验树木的选择

本实验于2017年7月进行，实验前选取6年生的侧柏、油松、栓皮栎、五角枫(AcerelegantulumBunge)、白皮松和黄栌各1株，分别代表了该地区的阔叶树种和针叶树种。所选的树木树型具有一定的显著性，能够代表此生长阶段该树木的主要树型，且生长状况良好，长势大致相同。树种基本情况见表1。

表1 单株苗木基本情况Tab.1 Basic situation of single plant seedling

2.2 人工模拟降雨

笔者采用定位研究站内的QYJY-503C人工模拟降雨系统进行实验，该系统降雨强度稳定，均匀度高，与野外自然降雨相似度高[15]。根据北京市气象观测台近30年的观测数据，北京市一年中1 h的最大雨量值范围为20～90 mm[16]，结合人工模拟降雨系统提供的降雨强度和山区降雨特征，设置实验的典型降雨强度为60 mm/h。

2.3 室内降雨实验过程

将实验树木固定在花盆中并置于电子台秤(YP30K-1)上，在花盆上部设置铁皮防雨罩，并在其上方设置设铺枯落物的铁丝网，该实验用质量表征林冠截留量，用台秤称量测定人工模拟降雨条件下的截留量(M)[17]。下方台秤示数清零后将整个装置放置于降雨设备下，降雨历时为30～60 min，每隔30 s记录一次台秤的读数，读数即为树木的截留量，即M=C。降雨结束瞬间记录台秤读数(M1)，即为稳定截留时最大截留量Cmax，待3～5 min滴水结束后记录台秤读数(M2)，即为该树种的有效截留量Cmin，两者差值为ΔC。所有降雨实验均重复1次。降雨实验装置如图1所示。

测定完毕后，将树木避光风干之后在铁丝网上铺上对应树种的枯枝落叶，枯落物厚度统一为2 cm。处理完毕后保证降雨前枝叶湿润程度应大致相同，重复进行相同的降雨操作，降雨结束瞬间记录台秤读数(M1)为树木林冠最大截留量与枯落物水分蓄持量的总和，实验中称为树木最大水分蓄持量Hmax，待3～5 min滴水结束后记录台秤读数(M2)为树木林冠有效截留量与枯落物水分蓄持量的总和，实验中称为树木有效水分蓄持量Hmin。绘制过程曲线即为在树种在林下存在枯枝落叶时的降雨截留特征。

图1 降雨实验装置示意图Fig.1 The schematic diagram of a rainfall experiment device

如上操作进行之后去除合拢丝网上的枯枝落叶，之后将树木进行抚育修枝，剪去各树木下层叶，修剪高度为树冠总高度的1/3，实验中将修剪的树叶称为下层叶，记录下层叶质量(表2)与叶面积。避光风干之后重复进行同上相同的降雨操作，记录读数，得到树种去下层叶片的截留特征。

降雨结束后，将实验树木避光风干后剪去下层枝，修剪高度为树冠总高度的1/3，实验中将修剪的枝条称为下层枝，记录下层枝质量与枝表面积，重复进行同上相同的降雨操作，记录读数，得到树种去下层枝叶的截留特征。

将合拢丝网上铺上对应树种枯枝落叶，铺设半径为0.5 m，密度为0.35 kg/m2。避光风干后重复进行同上的降雨操作，记录读数。得到下层修枝后铺设枯落物处理的树种水分蓄持特征。

2.4 数据处理

使用SPASS进行数据分析，Excel 2016进行图表绘制。

3 结果与分析

3.1 单株树木修枝前后林冠截留特征比较

6种不同的实验树种在经过人工降雨截留过程后，分别绘制各种树种在修枝前后的林冠截留过程(图2)。6种树种在下层修枝处理前后的截留过程包括了截留量迅速增加、截留量趋于稳定和降雨结束的冠滴雨3个过程。

表2 6种树种下层枝叶质量特征Tab.2 Characteristic table of lower branch and leaf weight of 6 tree species g

图2 6种树种修枝前后截留量过程曲线图Fig.2 Process curves of 6 tree species’ interception characteristics before and after lower pruning

对比处理前后同种树种最大截留量和有效截留量的差值ΔC，ΔC值的大小能在一定程度上影响降雨结束之后林冠滴雨对于后续水文过程的影响程度。五角枫和黄栌2树种经过修枝处理前后ΔC值变化不大，分别减少5.98%和14.4%，这可能与这2树种的ΔC主要由树干径流贡献，枝叶滴水对于ΔC的影响小。其余4树种在进过修枝处理后ΔC值都有较大的减小，栓皮栎ΔC值减少53.50%，油松减少43.78%，侧柏减少88.41%，白皮松减少79.06%。下层修枝处理减小了这4树种树冠滴雨量。修枝处理后Cmax的减少量呈现的规律为针叶树种大于阔叶树种，针叶树种的截留减少率都在50%以上，其中白皮松的减少率最大为67.74%，其次是侧柏64.14%和油松50.81%；而3种阔叶树种的最大截留量减少率都在20%以下，其中五角枫和黄栌的最大截留量减少率都在10%以下，分别为8.79%和9.80%，栓皮栎的减少率为16.80%。再对比各个树种处理前后Cmin的变化量，也呈现出针叶树种的截留减少率显著大于阔叶树种的规律，油松和侧柏的截留减少率分别为55.53%和42.11%，白皮松则有27.46%；阔叶的3种树种截留减少率都在10%以下，五角枫、黄栌和栓皮栎分别减少了9.47%、8.20%和6.59%。各个树种的截留量减少与该树种下层生物量之间存在一定的正相关关系，但是黄栌和侧柏这2种树正相关关系不显著，可能与不同树种的下层枝和下层叶的截留特性不同造成。

3.2 不同树木下层枝叶量与截留特征变化

表3分别列出了各个树种下层枝和叶截留情况，针叶树种下层生物量大于阔叶树种，下层枝和下层叶的截留量均大于阔叶树种。其中五角枫、栓皮栎和黄栌下层叶片起到主要的截留作用。黄栌的下层枝质量虽然占整株树超过60%的比例，但是对于截留量的影响不显著，可见该树种主要是叶片参与截留过程而非枝条。3种针叶树种呈现出下层叶片和下层枝条协同截留降雨的特征。其中侧柏下层枝叶所占比例均小于最大截留量和有效截留量的减少量，在侧柏上层叶型相差不大的情况下，造成这种现象的原因可能是侧柏下层枝的单位质量或单位表面积截留能力强于上层枝。而白皮松的最大截留量叶出现相同的情况，原因与侧柏类似。

不同树种下层枝和下层叶对截留的贡献不同。从最大截留量来看，6树种中五角枫、栓皮栎、黄栌和油松的下层叶截留量大于下层枝的截留量，而侧柏和白皮松下层叶和下层枝对最大截留量的贡献几乎相同。各个树种下层枝叶对有效截留量的贡献呈现出不同的规律。栓皮栎、五角枫和黄栌下层叶的有效截留量大于下层枝，油松下层枝和叶有效截留量持平，侧柏和白皮松下层枝的有效截留量大于下层叶。对比针阔叶树种，3种针叶树种的下层叶的截留量占最大截留量和最小截留量减少量的比均显著小于(P<0.05)阔叶树种，可见下层叶对阔叶树种截留量的影响大于针叶树种，而下层枝对针叶树种截留量的影响大于阔叶树种。

表3 不同树种下层枝、叶截留特征Tab.3 Interception characteristics of 6 tree species’ lower leaves and branches

3.3 有枯落物情况下修枝抚育前后截留特征变化

五角枫、栓皮栎、侧柏和白皮松4树种进行了下层修枝后林下铺设枯落物的实验，表4列出了修枝前后树木最大水分蓄持量Hmax和有效水分蓄持量Hmin的变化对比。各个树种Hmax和Hmin大小规律均表现为五角枫>白皮松>侧柏>栓皮栎，下层修枝后2种阔叶树种的Hmax变化小，Hmin在下层修枝之后减小显著，其中五角枫Hmin减少6.98%，栓皮栎Hmin减少17.39%。2种针叶树种在经过下层修枝的处理后Hmax小幅度地减少，侧柏和白皮松的Hmax减少比例分别为6.52%和6.80%，而经过下层修枝处理之后，2种针叶树种的Hmin减少量都在2%以下。针叶树种和阔叶树种截留特性的响应特征为：针叶树种最大水分蓄持量对下层修枝处理的响应强于有效水分蓄持量；阔叶树种则是有效水分蓄持量对下层修枝处理的响应强于最大水分蓄持量。

表4 有枯落物情况下各修枝后树种Hmax、Hmin变化对比Tab.4 Changes ofHmaxandHminafter lower pruning with litters

4 结论与讨论

通过以上的对比研究发现，下层修枝处理会减小最大截留量Cmax和有效截留量Cmin，改变最大截留量与有效截留量差值ΔC。针叶树种下层枝叶生物量占比高，下层修枝对于针叶树种的影响大于阔叶树种。树种下层叶与下层枝的截留能力不同，阔叶树种下层叶的截留能力强于下层枝。针叶树种下层枝和下层叶的截留量小，下层叶最大截留量大于下层枝，而下层枝有效截留量大于下层叶，可以推断针叶树种下层枝在截留中起到了重要的作用，特别是树种经历了冠滴雨之后的有效截留量。树木的截留量与枝叶密度、冠幅大小、LAI、冠层厚度等因子相关[18-19]，本实验中研究下层修枝对树种林冠截留特性的影响。铺设枯落物将下层修枝造成的截留量减小值控制在了10%以下。在水土保持林营造的过程中，下层修枝能带来长期的效益，增加了林木的生长量，但在短期内造成的林分水分蓄持能力的降低，然而林下枯落物的铺设使这种副作用显著降低。本实验并未深入研究枯落物对水分蓄持的影响，还需更多的研究来证明林下枯落物的存在对于林分水文过程影响的机制，包括了枯落物厚度、种类产生截留效益的研究等。由于该实验细致程度较高，加大了实验难度，这个局限性造成了实验样本数量相对不足，在之后的研究中需要补充完善。将实验结果拓展到林分尺度的应用还需更深入的研究和讨论，最终实现水文功能变化的模拟，应用于流域功能的研究。实验得出了以下结论：

1)对比最大截留量Cmax和有效截流量Cmin的减少量，针叶树种下层生物量较大的特性，表现出的普遍规律为下层修枝对于针叶树种的林冠截留特性影响大于阔叶树种。6种树种中下层修枝对于侧柏和油松这2树种影响最大，对白皮松的最大截留量的影响远大于有效截留量，五角枫和黄栌的林冠截留量对于下层修枝的反应是最不敏感的。

2)下层修枝处理后，对比各树种下层枝和下层叶的截留能力。3种阔叶树种的下层叶的截留能力显著强于下层枝，在截留过程中下层枝的截留功能不显著。而3种针叶树种下层叶和下层枝的截留能力相当，都在截留过程中发挥重要的功能。

3)铺设枯落物后，除栓皮栎外，其余5树种的截留能力都显著增强。在下层修枝处理后铺设枯落物，6树种的截留特性相比未处理的状态下变化不明显，除了栓皮栎的有效截留量减少了17.39%，其余各种树种的最大截留量和有效截留量的减少率均在10%以下。林下铺设枯落物能够显著地改善下层修枝给树种带来的截留特性的改变。