赤水河上游柏木林冠层持水特征比较研究

姚伦芳

(1.贵州省环境与工程评估中心；2.贵州绿兴清源环保有限责任公司，贵阳 550002)

林冠是森林与外界环境相互作用最直接和最活跃的界面层，通过遮荫、截留降水和蒸腾蒸发等作用参与森林生态系统水分循环[1]。大气降水输入森林生态系统时，受林冠影响被分配为截留量、透流量和干流量三部分[2]。林冠截留主要指植被树干、枝条、叶片对降水的截留、存储及随后的林冠蒸发干燥[3]，它是生态系统水分再分配的起点，是森林水文循环的一个重要环节，影响着地表—大气能量循环过程和水量平衡[4]。林冠层持水能力是影响林冠截留过程的重要因素之一，是研究林冠截留的主要内容[5]，它的定义以Horton[6]的定义和Rutter[7]的定义为代表。林冠对降水的截留及持水能力主要受降水特征(降雨强度、持续时间、雨滴大小分布、方向、角度等)[7]、林冠结构(叶面积指数、叶倾角、叶方位角、枝角及排列方位等)[8]和天气状况等因素的影响。对于高大林冠，降雨截留法和标准枝法都是比较常见的树冠持水能力直接测量方法，其中降雨截留法运用较多，标准枝法是对林冠单位生物量的持水性能进行测试，相关研究报道较为鲜见。

柏木为柏科柏木属常绿乔木，耐瘠薄能力强，成为赤水河上游退耕还林以及生态恢复建设中常见的树种之一，具有较高的生态效益、环境效益和经济效益。因此本研究对柏木林的穿透雨、树干流和截留量等林冠水文特征进行观测，研究其林冠降雨再分配特征，并采用标准枝法测定林冠层持水能力。同时探讨两种方法测定的林冠水文效应间的差异，揭示柏木林林冠水文效应的机制，为水文过程研究提供基础数据和理论支撑。

1 研究区概况

本研究位于赤水河上游茅台水源功能区内的仁怀市茅台镇(E105°18′35″～106°19′22″，N27°47′ 05″～27°48′24″)，距国酒茅台主产区一期约6 km、二期约0.3 km，是茅台酒厂等酱香型白酒生产基地的水源涵养的核心区，其植被状况的优劣不仅直接影响下游河流生态系统，还制约着茅台酒等酱香酒的产量和品质。该区属川黔湘鄂山地丘陵立地区的西部立地亚区，为亚热带季风湿润气候，多年平均气温为15 ℃，≥10 ℃的年积温为5000～5500 ℃，年日照时数1400 h，无霜期约340 d，年均降水量>1000 mm，最大降雨量主要出现在6-8月份。地带性土壤主要有黄壤、黄棕壤，岩成土壤有石灰土和紫色土。植被为亚热带湿润性常绿阔叶林向半湿润性阔叶林过渡地带，受生境、立地和人类活动的影响，区域性分异非常明显，主要植被类型有暖性针叶林、常绿落叶林、常绿落叶阔叶混交林和灌木林等，主要森林类型有马尾松林、柏木林、杉木林、白栎林、丝栗栲林等，涵养水源能力较低[9]。

2 材料与方法

2.1 林冠截留量的测定

柏木树干茎流率为0.4%[9]，因此数理统计时该部分忽略不计。在每个观测样地(设置20m×20m的样地8个，各样地的间距大于20 m，在每个样地内选取5株树高、胸径和冠幅近似的柏木)内以对角线设置3～5个直径为15 cm的塑料桶作为简易雨量收集器，桶底铺垫柔性塑料袋以避免雨水溅出，单场降雨结束后测定收集器内的穿透雨量，计算林冠截留率和穿透率。林冠截留量=林外降雨量-穿透雨量，林冠截留率=林冠截留量/林外降雨量。

2.2 标准枝法测定持水量

在上述样地内共选取40棵柏木，测定其树高、胸径、枝下高和冠幅等指标后，选取标准枝并测定其鲜重及枝、叶鲜重，同时取部分枝、叶样品测定自然含水率，计算生物量。再取标准枝或近似标准枝，称鲜质量后完全浸入清水中浸泡2～3 min，取出按照枝条自然生长方式悬置待重力水滴净后测定持水量。林冠截留法和标准枝法的样地设置一致。

2.3 林冠体积和表面积的计算

2.4 数据处理

用Excel 2010进行数据整理，指标间的相关性用Pearson相关系数评价，由SPSS 20.0软件完成，图件制作用Origin科学制图软件完成。

3 结果与分析

3.1 柏木林冠截留特征

3.1.1 柏木林冠截留量与截留率

不同降雨强度下，林冠截留量和截留率不一样[9](表1)。赤水河上游降雨集中在6-9月，其余月份为干季，本次降雨截留实验共监测到22场降雨，监测时间为5-10月(林外降雨848.9 mm，林内穿透雨304.4 mm，林冠平均截留率为43.29%)，因此认为其平均值可代表全年林冠截留率的近似值。

表1 柏木林林冠截留量与截留率

3.1.2 林外降雨量和林冠截留量的关系

图1表明了林外降雨量与林冠截留量之间显著正相关关系的存在：一方面，低雨量级时，林冠截留量随着林外降雨量的增加而增大，但增加幅度有限；高雨量级时，林冠截留量不随林外降雨量的增大而增加，这与孙庆艳等人[11]的研究结论一致；另一方面，可用林外降雨量预估林冠截留量，但应考虑到林冠对降雨截留作用的极限值。

图1 林外降雨量与林冠截留量的关系

3.1.3 林外降雨量和林冠截留率的关系

林冠截留率在冠层持水量未达到饱和时，随林外降雨量的增大而增大[12]，但随着降雨强度的增大，这种变化趋势并不明显。柏木林林冠截留率与降雨量之间的关系符合幂函数模型，表达式为：y=64.53x-0.18(相关系数R2=0.208，P<0.05)，式中y为林冠截留率，x为林外降雨量，见图2。

图2 林外降雨量与林冠截留率的关系

3.2 标准枝法测定的柏木林冠最大持水量

标准枝法是直接测量的林冠持水量，为理想状况下柏木林的最大持水量，假设是林冠完全浸湿，即降雨量或降雨强度足够大，林冠持水量由林分组成与林冠结构所决定的[5]。在本次实验中，测量了40组数据。

选取2017年1月～2018年1月我院收治的食管癌患者50例作为研究对象，其中，男29例，女21例，年龄36～80岁，平均年龄（51.17±6.24）岁；鳞癌49例，腺癌1例。患者均经胃镜及病理检查确诊，卡氏评分＞70分，未合并心、肝、肾等功能障碍，无放疗禁忌症。

3.2.1 林冠体积和持水量的关系

由图3可知，柏木林冠体积与持水量之间呈极显著正相关关系，能够用一元三次方程较好地描述(R2=0.724，P=0.000)。总体来看，树冠体积越大，其持水能力越强。研究结果表明可用林冠体积估测其持水能力。

图3 柏木树冠体积与持水量的关系

3.2.2 林冠表面积和持水量的关系

林冠表面积可以反映有效光合叶面积，因而是评价林冠生产力及林冠活力的重要指标[13]。在对林冠表面积和持水量的关系进行拟合，发现二者呈显著正相关关系(图4)，林冠持水量随着表面积的增加而增大，决定系数达0.724，理论模型和实验采样数据的拟合程度较好，说明林冠表面积显著影响其持水能力。

图4 柏木林冠表面积与持水量的关系

3.2.3 林冠生物量和持水量的关系

生物量是描述林分结构、功能和生产力水平的重要指标。通过测定40株柏木林冠持水量，并与相应的生物量建立关系(图5)，可以看出：林冠持水量y随着生物量x的增大而增大，统计分析表明二者之间的关系呈极显著一元三次函数关系(P<0.01)，表达式为y=0.002x3- 0.07x2+1.62x-1.23(R2=0.859)。结果表明提高林木生物量积累，是提高赤水河上游水源涵养能力的重要措施之一。

图5 柏木树冠生物量与持水量的关系

3.2.4 树高与树冠持水量的关系

根据测定的结果，建立柏木树高与持水量的关系式如下：y=0.012x3-0.58x2+ 9.65x-43.56，R2=0.579，式中：y为持水量，x为树高。由上式可以看出，树高与林冠持水量呈明显一元三次函数关系，见图6，因此，用树高推算林冠持水量是可行的。

图6 柏木树高与林冠持水量的关系

3.2.5 胸径与树冠持水量的关系

为更多地探索测树因子与冠层持水量的动态关系，对植株胸径(x)和林冠持水量(y)进行回归分析。结果表明(图7)，一元三次模型可以较好地描述二者的关系，决定系数R2为0.755，且随着胸径增加，持水量增大。这与林冠体积、表面积、生物量、树高的拟合模型和变化规律一致。在这些指标中，采用林木胸径预测林冠持水量方法较为简单。

图7 柏木胸径与树冠持水量的关系

3.3 两种方法测定结果的比较

通过计算40株柏木的林冠平均持水率，结果为54.08%；而林冠平均截留率为43.29%，二者的误差约10%，林冠平均持水率偏高，是持水过程中饱和度较高造成的，采用截留率更代表实际情况。

4 结论与讨论

(1)林冠截留量、林冠截留率与林外降雨量的关系均符合幂函数曲线，低降雨强度下的规律较高降雨强度下更明显。该方法获得了一种预测林冠截留数据的方法，但植物—大气间水分传输的研究还较为缺乏，应对林冠截留进行模型化的研究，包括经验模型、半理论模型和理论模型。

(2)林冠体积、表面积、生物量及树高、胸径与林冠持水量之间均存在显著的正相关关系，用这些指标预测林冠持水量是较为简便快捷的途径。该方法对研究物种水平的持水能力是一个有益探索，但如何应用尺度转换上推法计算林分的冠层持水能力及与实测结果进行检验还有待进一步深入研究。

(3)采取标准枝法获得的林冠持水率为54.08%，用截留法获得的截留率为43.29%。标准枝法直接测定，不受天气条件的限制，更容易操作，但结果偏高，这与彭焕华等[5]所得的研究结果一致。此外，持水率和截留率之间的相互关系还需要继续研究。