城市樟子松人工林对大气降雨的截留分配1)

2021-09-07薛婷李奕郭娜盛后财

东北林业大学学报 2021年8期

薛婷李奕郭娜盛后财

(东北石油大学，大庆，163318) (萍乡学院) (黑龙江东方学院) (东北林业大学)

全世界沙漠面积约为4.5×107km2，占地球陆地面积30%[1]，且由于过度放牧和乱砍滥伐导致土地沙漠化[2]，每年干旱和半干旱地区有6×104km2土地变成沙漠[3]。在被侵蚀土地上，适宜树种的系统造林能够增加薪材量，降低天然植被遭破坏的压力，缓解沙漠化。由于水是干旱半干旱地区植被生长限制因素，因此，确定大规模造林对区域水量平衡的影响十分重要[1]。

森林对降雨的截留能够影响渗透、侵蚀、土壤水分分布、地下径流、洪水等水文过程[4]，是流域水量平衡的重要过程[5]，量化森林冠层对降雨的截留对森林流域水文预测非常重要。然而，由于受到冠层结构、树间距、风、降雨强度、蒸发等诸多因素影响，降雨截留很难实现精确测量[6]。虽然降雨截留在一定程度上已经被模拟，但为了实现这些模型，许多冠层特征和气象因素是必要条件，而模型得来的数据往往需要进行修正后才能在实际中应用[3]。因此，为了确定冠层截留损失量，降水量、穿透水量、树干径流量的测定十分必要。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)是欧洲赤松(Pinussylvestris)的一个变种，具有耐干旱、贫瘠和适应性强的特点，是我国北方沙区种植范围最广的树种[7]；其形成的群落防风固沙效益和土壤水分与养分的改良效益显著[8-9]，对控制沙地扩张起到重要作用[10]。作为固碳[11]、治沙[8]的主要植被，樟子松的苗木培育及造林技术研究较多，但对其生态水文过程的研究不多，且仅限于蒸腾耗水[12]、水源涵养方面[13]，对降雨截留分配方面的研究很少。目前仅对大兴安岭地区[3，14]、科尔沁沙地[15]、黑龙江省东部地区[16-18]进行了少量研究，但对樟子松林降雨分配各分量产生需要降雨阈值及其影响因素等方面的研究，业内没有取得共识。本研究选择降雨集中且冠层稳定时期(6—8月份)，在哈尔滨市城市林业示范基地(126°37′15″E，45°43′10″N)，以樟子松人工林为研究对象，对哈尔滨城区樟子松人工林降雨截留分配进行定位观测；通过量化樟子松林降雨截留分配，确定各分量产生的降雨阈值，分析各分量变化与降雨的关系，了解樟子松人工林生态系统的水循环过程；旨在为城市森林的经营管理以及干旱、半干旱地区森林生态系统水资源管理提供参考。

1 研究区域概况

试验地为哈尔滨市城市林业示范基地(126°37′15″E，45°43′10″N)，哈尔滨市气候特征和研究区概况见文献[19]。樟子松人工林是1957年定植，1960年补植一次，1965年间伐抚育透光形成。樟子松人工林郁闭度为0.8，林下分布有水曲柳(Fraxinusmandshurica)、黄檗(Phellodendronamurense)幼苗以及金银忍冬(Loniceramaackii)、乌苏里鼠李(Rhamnusussuriensis)等灌木，高度在1.7～2.5 m之间，盖度为60%～70%；草本植物主要为苦荬菜(Ixerispolycephala)，平均高度20 cm，盖度为10%～20%。在人工林中心区域设置10 m×10 m观测样地，基本特征：森林类型为樟子松林、林龄为59 a、平均树高17.5 m、平均胸径20.1 cm、林分密度为1 140株·hm-2、蓄积量为159.2 m3·hm-2。

2 研究方法

林外降雨(Hf)：在距观测样地150 m远的楼顶布设雨量计(HOBO RG3-M))测定降雨量。

穿透雨(Hp)：观测样地内十字交叉布设13个自制雨量筒(详见文献[20])，雨后测量13个穿透雨量平均值记为样地穿透雨量(mm)。

树干径流(Ft)：参照文献[21]中方法，选取5株标准木，雨后测量标准木树干径流量，并依据下式计算样地树干径流量，Ft=∑[(FiNi)/(A·104)]，i=1、2、…、n。式中：Ft为样地树干径流量(单位为mm)；n为径阶数；Ni为第i径阶乔木株数；Fi为第i径阶标准木树干径流量(单位为mL)；A为样地面积(单位为m2)。

林冠截留(I)：根据水量平衡方程I=Hf-Hp-Ft算得林冠截留量(mm)。

3 结果与分析

3.1 林外降雨特征

根据间隔4 h以上即划分为2次降雨事件[22]，2015年5—9月份共观测31场降雨(430.2 mm)，为同期多年平均降雨量的99.51%；降雨集中在6—8月份(339.1 mm)，且以低雨强、长历时为主(见表1、文献[20]和[21])。

表1 林外降雨统计

3.2 穿透雨及其变异性

林内总穿透雨量185.7 mm，穿透率为54.76%。不同月份穿透雨量差异显著，其中，8月份最多(71.9 mm)，占总穿透雨量38.72%；7月份最少(47.8 mm)，占总穿透雨量25.74%。统计分析可知(见图1)，穿透雨量与降雨量呈极显著线性关系(P<0.01)，拟合方程为Hp=aHf-b；而穿透雨率与降雨量有显著的幂函数关系(P<0.05)，但拟合不佳(R2=0.217 7)。由线性拟合方程参数b/a可知，产生穿透雨的最小降雨量为3.6 mm。

图1 林外降雨与穿透雨关系的拟合结果

冠层稳定期(6—8月份)的20场降雨事件，樟子松林的穿透雨率在15.93%～80.32%之间，平均值为(53.34±18.82)%，变异系数35.29%。由图2可知，随着降雨量增加，林下不同位置(13个观测点)穿透雨变异减小，二者呈极显著的负相关(P<0.01)。拟合的对数方程：CV=-47.26ln(Hf)+183.62，R2=0.328，n=20，P<0.01；式中,CV为林下13个观测点的穿透雨率变异系数，Hf是降雨量(单位为mm)。

图2 穿透雨变异系数与林外降雨量关系的拟合结果

3.3 树干径流

樟子松林总树干径流量为29.7 mm，树干径流率为8.76%。不同月份间差异显著，其中8月份最大(16.2 mm)，占总树干径流量54.55%；6月份最少(6.1 mm)，占总树干径流量20.54%。统计分析表明(见图3)，树干径流率与降雨量不相关(P>0.05)，而树干径流量与降雨量呈极显著的正相关(P<0.01)，拟合对数方程为Ht=aln(Hf)+b。由方程参数eb/a可知，产生树干径流的最小降雨量为6.7 mm。

图3 树干径流与林外降雨量关系的拟合结果

3.4 林冠截留特征

观测期林冠截留总量123.8 mm，截留率为36.51%。不同月份间差异显著，其中8月份最大(71.3 mm)，占截留总量57.59%；6月份最少(12.3 mm)，占截留总量9.94%。观测期20场降雨的林冠截留量在1.4～11.2 mm之间，平均林冠截留量(6.2±1.4)mm，平均截留率(43.49±8.86)%，变异系数依次为48.60%、61.37%。统计分析表明(见图4)，林冠截留量与降雨量呈显著正相关(P<0.05)，而林冠截留率与降雨量呈极显著负相关(P<0.01)。

图4 林冠截留与降雨关系的拟合结果

4 讨论

穿透雨受降雨特征和林分结构影响。通常穿透雨量和降雨量呈线性关系，当超过某一降雨量时才产生穿透雨，且森林冠层越复杂、郁闭度越大，产生树干径流的最小降雨量越大[22-23]；穿透雨率随降雨量的增加而增加，可用对数方程模拟[14，24]，也可用指数函数模拟[15]。本研究中，穿透雨量随降雨量的增加而增大，二者呈极显著正相关，与已报道的结果一致[14-16，25]；而穿透雨率与降雨量呈显著幂函数关系，与以往的拟合方程不同，但变化趋势一致。

本研究穿透雨率为54.76%，低于以往的研究结果(67.95%～94.25%，见表2)。其原因在于：首先，本研究中樟子松林郁闭度(0.8以上)高于其他研究，郁闭度大，对降雨的阻力大，不利于穿透雨形成和增加；其次，本研究在降雨集中的6—8月份开展观测，冠层郁闭最好，且天气条件有利于水汽蒸发，提高了林冠截留的效率，不利于穿透雨的形成，而其他时间(4、5、9、10月份)冠层处于展叶和落叶期，有利于穿透雨的形成，综合整体(4—10月份)数据则6—8月份穿透雨率值相对提高；第三，垂直结构复杂，能够有效阻止雨水下落，本研究中灌木植物发达，高度1.7～2.5 m，盖度60%～70%，而其他研究中没有明确说明。这些因素导致了本研究中穿透雨率较低。

已有研究表明，除降雨特征外，树木胸径、树皮吸水能力、树皮粗糙程度、树枝分角、冠形结构，均能够影响树干径流量[23，26]。樟子松树叶细长；树枝分角大；树干上部及树枝树皮光滑，少量裂成薄片，不易吸水；树干下部(3～4 m)树皮厚而开裂，成鳞状块片结构，容易吸水，不利于树干径流的产生。本研究中樟子松树干径流率为8.76%，高于李奕等[14]对天然樟子松林的研究结果(1.38%)，这是由于人工林长势均匀，林冠垂直结构比天然林简单，有利于降雨量小时产生树干径流；8.76%的树干径流率也高于刘亚、姜海燕、韩辉等[15，25，31]对人工樟子松林的研究结果(见表2)，与辛颖、韩春华、刘强等[16-18]在同区域的研究结果相近(9.45%、10.33%、5.08%)。这是由于本研究中小降雨量事件发生频率较低，多为5～20 mm的降雨事件，这是导致树干径流率较大的原因之一；林分密度差异也是树干径流差异的另一个原因；并且研究表明，相同降雨条件时，在一定胸径范围内，树干径流随着胸径的增加而增加[3]，因此，以上综合因素导致了本研究树干径流率的结果。

表2 不同地区樟子松林降雨再分配格局

Ⅰ为黑龙江漠河森林生态站(53°28′1.5″N，122°20′26.6″E)，Ⅱ为加格达奇市区西南15 km(50°21′N，123°58′E)，Ⅲ为哈尔滨市城市林业示范基地(45°43′10″N，126°37′15″E)，Ⅳ、Ⅴ为东北林业大学帽儿山实验林场(45°23′～26′N，127°36′～39′E)，Ⅵ为东北林业大学老山实验站(45°20′N，127°30′E)，Ⅶ为乌兰敖都荒漠化试验站(43°2′N，119°39′E)，Ⅷ为辽宁省固沙造林研究所实验林场(42°43′N，122°22′E)。

已有研究表明，我国主要森林的冠层截留率介于14.7%～31.8%之间[27]，有些地区林冠截留也会超过50%[28]，欧洲赤松的林冠截留率一般在13%～37%范围内[29]，而樟子松截留率一般在5.60%～30.95%范围内(见表2)。本研究中，樟子松林冠层截留率为36.51%，处于樟子松截留的正常范围内，高于全国主要森林冠层截留率最大值。且研究发现，不同区域樟子松人工林，其林冠截留率差异也较大(见表2)。其原因在于：首先，本研究中林分郁闭度高于其他研究，郁闭度大能够增加森林冠层对降雨的阻力，有利于林冠对降雨的截留；其次，本研究在降雨集中的6—8月份开展，天气条件有利于林冠截留的降雨快速蒸发，森林冠层能够快速恢复截留能力，有利于对降雨的截留；第三，本研究中灌木植物茂盛，林内垂直结构复杂，部分高大灌木的截留也计入了林冠截留，一定程度的夸大了樟子松冠层的截留能力，而其他研究中没有对林分垂直结构的说明。这些因素综合作用导致本研究林冠截留较高。