女儿寨小流域3种植被类型林冠层对降水再分配研究

罗佳, 田育新,*, 周小玲, 曾掌权, 姚敏

女儿寨小流域3种植被类型林冠层对降水再分配研究

罗佳1,2, 田育新1,2,*, 周小玲1,2, 曾掌权1,2, 姚敏1,2

1. 湖南省林业科学院, 湖南 长沙 410004 2. 湖南慈利森林生态系统国家定位观测研究站, 湖南 慈利 427200

对女儿寨小流域3种植被类型林冠层林冠层对降水再分配过程进行了研究。研究结果表明: 观测期内降雨量达到1971.80 mm, 降雨次数为83次。不同植被类型杜仲林、枫樟混交林和马尾松林的林冠截留量分别为289.75 mm、358.78 mm和351.46 mm, 林冠截留率分别为14.69%、18.19%和18.79%。随着降雨量增大, 不同植被类型的林冠截留量也增大, 二者呈正相关关系。混交林的穿透雨量和林冠截留量大于纯林, 而纯林的树干茎流量大于混交林; 不同植被类型林冠层对降雨的分配表现为穿透雨最多, 其次是林冠截留, 树干茎流最小。

植被类型; 降雨再分配; 林冠层; 小流域

0 前言

森林与水作为人类生存与发展的重要物质条件, 是森林生态系统的重要构成部分之一。穿透雨、树干茎流以及林冠截留在森林生态系统的水文循环以及水量平衡中具有十分重要的地位。植被林冠层的水文功能主要体现在林冠穿透雨、降雨的截留和树干茎流的水文过程[1], 其大小的变化主要与降水量和林冠结构特征有关[2]。相关研究发现穿透雨量和树干茎流呈显著的线性关系[3]。也有发现雨强和降雨时间以及温湿度等均对林冠层降雨再分配产生影响[4]。同时, 植被因子如叶面积指数、叶片特性等也影响着冠层降雨的分配特征; 此外, 林分类型、林分特征等也是重要影响因素[5–14]。以往的研究对湘西武陵山区为代表的女儿寨小流域不同植被类型林冠水文研究鲜有报道。因此, 本研究选取3个不同植被类型分析林冠降雨分配特征, 为进一步研讨该区域森林植被的水文效应提供了数据基础, 对于科学评估小流域森林生态系统水文生态功能具有重要作用。

1 研究区概况

试验地位于湘西武陵山区女儿寨小流域(E111° 12′42.836″, N29°25′27.582″), 地处湖南省张家界市慈利县零阳镇两溪村, 距慈利县城西北大约7 km。该流域封闭相对良好, 属澧水二级小支流, 大致呈南北向, 属武陵山脉低山区, 流域总面积3.15 km2, 最低海拔(主沟出口处)210 m, 最高海拔917.4 m, 主沟长约为1.2 km, 主沟纵比降约为28.4‰。该区域森林覆盖率达80%以上, 植被类型以退耕还林和次生林为主, 是退耕还林集中连片区。该区成土母岩以砂页岩为主, 土壤主要为黄红壤, 酸性土。流域主要植被类型有马尾松()林、杜仲()林、柑桔()及杂灌林。本研究试验样地均位于湖南慈利森林生态系统国家定位观测研究站。

2 研究方法

2.1 林外降水测定

在2015年6月10日—2016年9月10日采用HOBO U30自动气象站连续地观测降水量与降水过程; 同时配用一台虹吸式自计雨量计与一个标准雨量筒, 配合测定林外降雨量及降雨过程。

2.2 穿透水量测定

在3种样地中, 依据林冠(以及高大灌木)的遮蔽程度, 选择具有代表性地点, 在距离地面20 cm的高度分别布设12个雨量筒, 用于收集穿透水, 每次雨后测定水量, 计算其算术平均值, 进行日动态监测, 每日记录数据, 作为样地冠层下的穿透水量。

2.3 树干茎流测定

按照林木径级和树冠标准, 在各样地内分别选择15棵林木, 将直径为2.0 cm聚乙烯塑料的软管沿中缝刨开, 自树干2 m高处从上而下蛇形缠绕于树干上, 塑料管和水平面角度呈30°, 使用玻璃胶密封胶管与树干之间的空隙, 将胶管置入密封口的塑料器皿。每次雨后测量水量, 同时根据林冠投影的面积换算成单株与林分树干茎流量。干流量按以下公式计算[15]:

式中:为干流量(mm),M为每个径阶的样树株数,S为每个径阶单株样树的茎流量(ml),为样地面积(m2)。

表1 样地植被基本特征

2.4 林冠截留量的计算

根据冠层水量平衡, 计算冠层截留量, 即:

=––

式中:为林冠截留量(mm),为林外降水量(mm),为穿透水量(mm),为干流量(mm)。

2.5 数据处理

应用Excel和SPSS17.0统计分析软件进行数据处理和制图。

3 结果与分析

3.1 降水变化特征

研究区域在观测期内降雨量达到1971.80 mm, 降雨次数为83次(表2), 降水强度是指单位时间内的降水量, 单位为mm·h-1或mm·d-1。以国家气象局规定为标准, 按降水强度的大小可将降雨分为小雨(0—10.0 mm·d-1)、中雨(10.1—20.0 mm·d-1)、大雨(20.1—50 mm·d-1)、暴雨(50.1—100 mm·d-1、大暴雨(100.1—200.0 mm·d-1)和特大暴雨(>200.0 mm·d-1)。为了更科学的分析降雨特征, 本研究按降雨强度对研究期降雨进行统计分析。表2为研究区观测期间林外降雨按降雨强度分布情况。从一次性降雨情况来看, 出现了69次一次性降雨量在0.5—50 mm·d-1的降雨, 占总次数的83.13%; 有37次的降雨为小于10 mm·d-1的小雨, 这37次的降雨占总降雨次数的44.58%; 37次小雨的总降雨量为139.87 mm, 占总降雨量的7.09%; 中雨(10—25 mm·d-1)降雨量占总降雨量的20.03%, 大雨(25—50 mm·d-1)降雨量占总降雨量的 27.16%, 但该两类降雨次数分别只占总降雨次数的27.71%和18.07%; 有8次的日降雨量为大于 50 mm的暴雨和大暴雨, 这8次暴雨和大暴雨占总降雨次数的9.64%, 但这两种类型降雨的总降雨量却高达901.4944 mm, 占总降雨量的45.72%。中雨和大雨占总降雨量次数的45.78%, 降雨量共计930.48 mm, 占总降雨量的47.19%, 说明该研究区年降雨量充沛。

3.2 林冠截留特征

大气降雨通过林冠层后, 部分降水会被冠层截留, 林冠截留量与降雨量的比值为林冠截留率。林冠截留量与次降雨量的关系通过曲线拟合的比较如图1, 幂函数关系模拟二者关系最佳, 拟合方程分别为:= 0.5150.6555,² = 0.8333,=83;= 0.37280.776,² = 0.901,=83;= 0.42530.754,² = 0.8927,=83。

观测期内, 杜仲林、枫樟混交林和马尾松林的林冠截留量分别为289.75 mm、358.78 mm和351.46 mm, 林冠截留率分别为14.69%、18.19%和18.79%。可见, 马尾松林的林冠截留量和截留率最大, 杜仲林的最小, 枫樟混交林的林冠截留量和截留率是杜仲林的1.24倍。不同植被类型的林冠截留量随着降雨量的增加而增大, 但这种增加是在一定范围之内的, 当林冠截留量饱和时将不会再增加。当降雨量为最大的206 mm时, 杜仲林和枫樟混交林对应的截留量分别为最大的20.37 mm、41.49 mm, 马尾松林的截留量也为较大的23.72 mm。说明, 随着降雨量增大, 不同植被类型的林冠截留量也增大, 二者呈正相关关系。林冠截留的多少与降雨强度也有关系, 强度大的阵性降雨、暴雨等, 一方面由于雨滴的冲击力较大, 而不能被枝叶表面吸附, 容易下滴形成穿透雨, 削弱了林冠截留的功能; 另一方面, 降雨历时较短, 林冠截留作用的表现时间也较短, 截留的雨量相对较少。另外, 不同植被类型的林冠截留量还与植被的冠幅大小、冠层厚度和叶量的多少有关系; 马尾松林由于冠幅大小、冠幅厚度和叶量均小于杜仲林和枫樟混交林, 所以有大量的降雨可以支持穿过冠层, 有大量的雨穿透而被林冠截留, 也即马尾松林的可用于林冠截留的雨量多于杜仲林和枫樟混交林。

表2 观测期内林外降雨强度分布情况

图1 不同植被类型林冠截流量与降雨量关系

Figure 1 Relationship between canopy closure and rainfall in different vegetation types

3.3 林冠对降雨的分配作用

植被类型不同产生的林冠对降雨的再分配存在差异(表3), 穿透雨量总计为枫樟混交林(1573.09 mm)＞马尾松林(1568.59 mm)＞杜仲林(1526.62 mm), 树干茎流量总计为杜仲林(155.46 mm)＞马尾松林(51.78 mm)＞枫樟混交林(39.98 mm), 林冠截留量总计为枫樟混交林(358.78 mm)＞马尾松林(351.46 mm)＞杜仲林(289.75 mm); 林冠穿透率、树干茎流率和林冠截留率也表现出与之对应的雨量一致的排序。说明混交林的穿透雨量和林冠截留量大于纯林, 而纯林的树干茎流量大于混交林。

从不同植被类型林冠层对降雨的分配来看, 表现为穿透雨最多, 其次是林冠截留, 树干茎流最小。杜仲林表现为穿透雨量(1526.62 mm)＞林冠截留量(289.75 mm)＞树干茎流量(155.46 mm); 枫樟混交林和马尾松林也表现为穿透雨量＞林冠截留量＞树干茎流量; 从三个树种的均值来看穿透雨量(1556.10 mm)＞林冠截留量(333.33 mm)＞树干茎流量(82.41 mm), 穿透雨量是树干茎流量的18.88倍, 说明不同植被类型林冠层主要以穿透雨为主。

4 结论与讨论

从一次性降雨情况来看, 出现了69次一次性降雨量在0.5－50 mm·d-1的降雨, 占总次数的83.13%; 有37次的降雨为小于10 mm·d-1的小雨, 这37次的降雨占总降雨次数的44.58%; 37次小雨的总降雨量为139.87 mm, 占总降雨量的7.09%; 中雨(10－25 mm·d-1)降雨量占总降雨量的20.03%, 大雨(25－50 mm·d-1)降雨量占总降雨量的 27.16%, 中雨和大雨占总降雨量次数的45.78%, 降雨量共计930.48 mm, 占总降雨量的47.19%, 说明该研究区年降雨量充沛。

杜仲林、枫樟混交林和马尾松林的林冠截留量分别为289.75 mm、358.78 mm和351.46 mm, 林冠截留率分别为14.69%、18.19%和18.79%。可见, 马尾松林的林冠截留量和截留率最大, 杜仲林的最小, 这与大多研究[16]结果一致, 表现为针叶林的截留率通常大于阔叶林, 主要是因为簇壮的针叶更容易吸持雨水。我国主要森林的冠层截留率介于 14.7%—31.8%之间[17], 也有超过50%, 本文中3种植被类型林冠截留率介于14.69%-18.79%之间, 说明湘西武陵山区的植被林冠截留率处于中下水平。同时, 研究结果表明随着降雨量增大, 不同植被类型的林冠截留量也增大, 二者呈正相关关系。

表3 不同植被类型林冠层对降雨的分配规律

穿透雨量、林冠截留量总计均表现为枫樟混交林＞马尾松林＞杜仲林, 树干茎流量总计为杜仲林＞马尾松林＞枫樟混交林; 林冠穿透率、树干茎流率和林冠截留率也表现出与之对应的雨量一致的排序。说明混交林的穿透雨量和林冠截留量大于纯林, 而纯林的树干茎流量大于混交林。从不同植被类型林冠层对降雨的分配来看, 表现为穿透雨最多, 其次是林冠截留, 树干茎流最小; 从三种植被类型的均值来看穿透雨量(1556.10 mm)＞林冠截留量(333.33 mm)＞树干茎流量(82.41 mm), 穿透雨量是树干茎流量的18.88倍, 说明不同植被类型林冠层主要以穿透雨为主, 这与黄团冲[7]等研究结果一致。

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Study on rainfall redistribution of canopy layer of three vegetation types in the small watershed of Nver Zhai

LUO Jia1, 2, TIAN Yuxin1, 2,*, ZHOU Xiaoling1, 2, ZENG Zhangquan1, 2, YAO Min1, 2

1. Hunan Academy of Forestry, Hunan Changsha 410004, China 2. Hunan Cili Forest Ecosystem State Research Station, Hunan Cili 427200, China

The rainfall redistribution process of canopy layer of three vegetation types in the small watershed of Nver Zhai was studied. During the observation period, the precipitation was up to 1971.80 mm, and the times of rainfalls were 83. The canopy interception offorest,mixed forest andforest were 289.75 mm, 358.78 mm and 351.46 mm, respectively. In addition, the canopy interception rates of these three vegetation types were 14.69%, 18.19% and 18.79%, respectively. There was a significant positive correlation between the two factors. The throughfall and canopy interception of mixed forests were greater than those of pure forests, while the trunk stem flow of pure forests was greater than mixed forests. The distribution of rainfall in canopy layer was the highest for different vegetation types following by canopy interception, and the trunk runoff was the minimum.

vegetation type; rainfall redistribution; canopy layer; small watershed.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.05.019

S715.2

A

1008-8873(2019)05-145-06

2018-08-08;

2018-10-10

湖南省重点研发计划(2017NK2223); 湖南省林业科技计划项目(XLKPT201710); “十二五”农村领域国家科技计划课题(2015BAD07B04); 国家重点研发计划“典型脆弱生态修复与保护研究”重点专项项目(2017YFC0505506); 国家国际科技合作专项资助项目(2015DFA90450); 湖南省林业科技项目(2012-HNLYKY-01); 2017年森林生态效益补偿公共管护项目: 基于生态连清的慈利县公益林生态效益监测评价。

罗佳(1983—), 女, 湖南省长沙市人, 助理研究员, 博士, 主要从事生态学、水土保持学、生物学研究, E-mail: luojia993@sina.com

田育新(1968—), 男, 湖南常德人, 研究员, 主要从事生态学研究

罗佳, 田育新, 周小玲, 等. 女儿寨小流域3种植被类型林冠层对降水再分配研究[J]. 生态科学, 2019, 38(5): 145-150.

LUO Jia, TIAN Yuxin, ZHOU Xiaoling, et al. Study on rainfall redistribution of canopy layer of three vegetation types in the small watershed of Nver Zhai[J]. Ecological Science, 2019, 38(5): 145-150.