冀北坝上地区榆树和樟子松人工林降雨再分配特征研究

朱占军,李玉雯,王子怡,王雨晴,高云昌,马增旺,刘海翔,李玉灵,3,李晓刚,3

(1河北农业大学 林学院,河北 保定071000;2河北省林业和草原科学研究院,河北 石家庄050067;3河北丰宁 沙地生态系统国家定位观测研究站,河北 丰宁068357;4张家口市塞北林场(市国有林场管理处),河北 张家口075031)

降水是森林生态系统水分的主要来源,降雨是其主要形式[1]。降雨经过植物冠层后被再次分配,部分雨滴降落在植物枝叶上,在枝叶表面张力和吸附力的作用下被截留,这其中一部分通过蒸发又回到大气,另一部分相互聚集,形成更大的雨滴,在其重力超过枝叶表面张力和吸附力的时候,一部分会自然地或由风吹动而从树上滴下,形成林冠滴下雨或间接穿透雨,另一部分会从叶转移到枝、再从枝转移到树干形成树干茎流;在降雨过程中,还有一部分雨滴会直接穿过林冠间隙到达林地表面形成直接穿透雨,间接穿透雨和直接穿透雨共同被称为林内降雨[2-5]。林冠层对降水的再分配改变了水分输入的时空间分布格局,影响林地的水土流失及养分循环,进而影响植物生长及生物多样性,是维持森林生态系统稳定的重要环节[6-12]。

林冠对降雨的再分配过程较为复杂,受气象等环境因素和林冠特征等多重影响[13],多数研究表明,降雨再分配的水文分量为穿透雨最多,林冠截留量次之,树干茎流量最少[14-15]。然而,也有研究发现,林冠截留量大于穿透雨量[11]。刘建立等在对六盘山叠叠沟小流域华北落叶松人工林冠层降水再分配特征的研究中发现,穿透雨、树干茎流和林冠截留的数量与降雨量呈正相关关系,并且在高的雨量(>20 mm)和雨强(>5 mm/h)下逐渐趋于稳定[15]。陈妍等在对南方水土流失区马尾松林降雨截留再分配特征的研究中发现,林外降雨量与穿透雨、树干茎流呈线性正相关关系,与林冠截留呈对数关系[16]。徐丽娜等在对长白山白桦和云杉林的降雨截留再分配特征的研究中发现,白桦林的穿透雨量、树干径流量均高于云冷杉林,林冠截留量低于云冷杉林[17]。由于研究地、树种、林冠结构的不同,各研究的结果存在一定差异。

冀北坝上地区属于典型的半干旱地区,该地区的原生植被大部分为温带半干旱干草原,水是该地区植被生长的主要限制因子[18-19]。随着人口的增加,长期盲目的垦荒与放牧使该地区原生草原遭到了严重破坏[20]。20 世纪 70 年代以来,冀北地区实施了三北防护林、京津风沙源治理与退耕还林还草等一系列生态恢复工程[20-21]。经过多年的植树造林,林地已经成为该地区一个主要的土地利用类型,占该地区土地面积的15%左右[22]。樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)为该地区主要的外来造林树种之一,而榆树(Ulmuspumila)为当地主要的天然树种之一,两者对冀北坝上地区的生态环境都具有重要影响。然而,冀北坝上地区有关樟子松和榆树人工林对降水再分配特征的研究较少,因此本研究在该地区以胸径、树高、密度、郁闭度等条件相似的榆树和樟子松人工林为研究对象,测定不同降雨量情况下两种人工林降雨再分配各分量,分析两种人工林在降雨再分配上的区别及主要影响因素,明确人工造林对坝上地区生态系统水分循环的影响。

1 研究地概况

研究地位于河北省承德市丰宁满族自治县大滩镇(E 116.02,N 41.58),该地区地势东南高西北低,海拔1 430～2 206.5 m;多年平均气温0.5 ℃,1月平均气温-19.4 ℃,极端最低气温-43.2 ℃,7月平均气温17.4 ℃,极端最高气温32.4 ℃;无霜期年平均83 d;年平均降水量430 mm;境内最大的河流为滦河源头,流域面积9.8 km2。该地区属于典型的半干旱地区,植被类型主要有旱地作物、草地、原生林和人工防护林,目前,大滩镇有农业耕地面积120.53 hm2,可利用草地面积203.64 hm2,林地面积254.5 hm2[23]。植被以多年生草本植被为主,优势种主要有羊草、冰草、野豌豆等,杂草比重较大[24]。樟子松目前为冀北坝上地区应用最多的外来造林树种,榆树则为该地区主要的天然树种,两种人工林在坝上地区生态建设种都发挥着重要的作用。畜牧业以饲养肉牛、生猪、羊、家禽为主[23]。

2 材料与方法

2.1 样地设置

2022年7-8月,在前期踏查的基础上,分别在大滩镇胸径、郁闭度等相似的樟子松和榆树人工林中各随机设置3个面积不小于10 m×10 m的标准地,对标准地中的樟子松和榆树每木检尺,两种林分概况如表1。

表1 样地概况Table 1 General situation of plots

2.2 测定方法

2.2.1 林外降雨量测定 在林外天然草地随机设置3个雨量桶,测定林外降雨量,计算公式如下：

(1)

式中：P—林外降雨量(mm);

VP—收集到雨水体积(mL);

A—雨量桶的横截面积(cm2)。

2.2.2 林内降雨量测定 在每个样地内各选择1株标准株(每种林分共3株标准株),在林冠边缘到树干的中心位置各设置1个雨量桶,测定林冠下降雨量。根据每木检尺的数据分别计算出空地和林冠的面积,再根据林外降雨和林冠下降雨加权平均数算出林内降雨量,计算公式如下：

(2)

(3)

式中：T—林下降雨量(mm);

VT—收集到的雨水体积(mL);

A—雨量桶的横截面积(cm2);

P—林内降雨量(mm);

P—林外降雨量(mm);

fP—样地内空地面积占样地总面积的比例;

fT—样地内林冠面积占样地总面积的比例。

2.2.3 树干茎流量测定 在每个样地内再各选择1株标准株(每种林分共3棵标准株),用钉子将剪开的蛇皮管固定缠绕在每棵标准株1.5 m以下的树干上,使用密封胶密封蛇皮管和树木之间的缝隙防止漏水,蛇皮管下方接雨量桶用于测定树干茎流量,计算公式如下：

(4)

式中：G—树干茎流量(mm);

Gn—标准株的径流体积(L);

Kn—标准株树冠的投影面积(m2);

GT—样地内所有树木树冠的投影面积(m2);

S—样地的面积(m2)。

2.2.4 林冠截留量计算 根据水量平衡原理,林冠截留量的计算公式为：

I=P-P′-G

(5)

式中：I—林冠截留量(mm);

P—林外降雨量(mm);

P′—林内降雨量(mm);

G—树干径流量(mm)。

2.3 统计分析

用回归分析法分析榆树和樟子松人工林林冠截留各水文分量随林外降雨量的变化;用单因素方差分析法分析榆树和樟子松人工林之间各水文分量与同一林分不同水文分量之间的差异(α=0.05)。所有数据用Excel 2016处理,用SPSS 26进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 研究期间降雨量分布

研究期间降雨量的分布见图1。由该图可知,研究期间共发生13次降雨,平均每4.1 d发生1次,最小降雨量为1.04 mm,发生在8月1日,最大降雨量为51.74 mm,发生在8月23日至26日。由于8月1日、8月8日、8月14日、8月21日和8月29日的林冠下降雨量或树干茎流量数据缺失,本研究采用除此之外其他日期的降雨量进行分析。

图1 研究期间降雨量的分布Figure 1 Rainfall distribution during the study period

3.2 榆树和樟子松人工林林冠截留各水文分量随林外降雨量的变化

3.2.1 榆树和樟子松人工林林冠截留量随林外降雨量的变化 榆树和樟子松人工林林冠截留量与林外降雨量的关系见图2。

(a)榆树人工林

由图2可知,榆树和樟子松人工林的林冠截留量均随林外降雨量的增加而增加,榆树人工林的林冠截留量与林外降雨量的关系以指数曲线拟合最佳,拟合方程为y=0.276 8e0.043 6x,R2=0.747 9;樟子松人工林的林冠截留量与林外降雨量的关系以对数曲线拟合最佳,拟合方程为y=0.989 ln(x)-0.015 4,R2=0.434 7。

3.2.2 榆树和樟子松人工林林内降雨量随林外降雨量的变化 榆树和樟子松人工林林内降雨量与林外降雨量的关系见图3。

(a)榆树人工林

由图3可知,榆树和樟子松人工林的林内降雨量随林外降雨量的增加均呈线性增加关系,其中榆树人工林的林内降雨量与林外降雨量的拟合方程为y=0.925 2x+0.355 3,R2=0.996 1;樟子松人工林的林内降雨量与林外降雨量的拟合方程为y=0.923 5x-1.784 3,R2=0.988 6。

3.2.3 樟子松人工林林冠截留各特征量随林外降雨量的变化 榆树和樟子松人工林树干茎流量与林外降雨量的关系见图4。

(a)榆树人工林

由图4可知,榆树和樟子松人工林的林内降雨量随林外降雨量的增加均呈线性增加关系,其中榆树人工林的树干茎流量与林外降雨量的拟合方程为y=0.007 9x-0.002,R2=0.852 4;樟子松人工林的树干茎流量与林外降雨量的拟合方程为y=0.030 4x-0.139 1,R2=0.948 6。根据拟合方程,理论上榆树和樟子松人工林分别在林外降雨量为0.25 mm和4.58 mm时才开始产生树干茎流。

3.3 榆树和樟子松人工林之间降水分配的差异

3.3.1 榆树和樟子松人工林之间林冠截留量的差异 不同降雨量情况下2种林分林冠截留量之间的差异见图5。

图5 不同降雨量榆树和樟子松人工林林冠截留量的差异Figure 5 Differences in canopy interception with different rainfall of U.pumila and P.sylvestris var. mongolica plantations 注：“*”表示差异显著,P<0.05,下同。

由图5可知,在降雨量为19.91 mm时,2种人工林的林冠截留量差异不显著(P>0.05);在降雨量为1.43、11.66、13.62、19.78、26.53、34.71 mm时,樟子松人工林的林冠截留量显著大于榆树人工林(P<0.05);在降雨量为51.74 mm时,榆树人工林的林冠截留量显著大于樟子松人工林(P<0.05)。

3.3.2 榆树和樟子松人工林之间林内降雨量的差异 不同降雨量情况下榆树和樟子松人工林之间林内降雨量的差异见图6。

图6 榆树和樟子松人工林之间林内降雨量的差异随林外降雨量的变化Figure 6 Differences in rainfall inside with rainfall outside the forest of U.pumila and P.sylvestris var. mongolica plantations

由图6可知,2种人工林之间林内降雨量的差异并无明显规律,降雨量为11.66 mm时榆树人工林林内降雨量显著大于樟子松人工林(P<0.05),其他降雨量2种人工林之间林内降雨量差异均不显著(P>0.05)。

3.3.3 榆树和樟子松人工林之间树干茎流量的差异 不同降雨量情况下2种林分树干茎流量的差异见图7。

图7 不同降雨量榆树和樟子松人工林之间树干茎流量的差异Figure 7 Differences in stem flow with different rainfall of U.pumila and P.sylvestris var. mongolica plantations

由图7可知,在降雨量为11.66、13.62、19.91 mm等小雨量级时,2种人工林之间树干茎流量的差异不显著(P>0.05);当降雨量为19.78、26.53、34.7、51.74 mm等大雨量级时,樟子松人工林树干茎流量显著大于榆树人工林(P<0.05)。

3.4 榆树和樟子松人工林降水分配随降雨量的变化

3.4.1 榆树人工林林冠截留各水文分量的分布随降雨量的变化 榆树人工林林冠截留各水文分量的分布随降雨量的变化见表2。

表2 榆树人工林林冠截留各水文分量的分布随降雨量的变化Table 2 Changes of the distribution of canopy interception hydrological components of U.pumila plantation with rainfall

由表2可知,各雨量级情况下,榆树人工林的林内降雨量均显著大于树干茎流量和林冠截留量(P<0.05);在林外降雨量为1.43、19.9和51.74 mm时,林冠截留量显著大于树干茎流量(P<0.05),其他降雨量二指标差异不显著(P>0.05)。

3.4.2 樟子松人工林林冠截留各水文分量的分布随降雨量的变化 樟子松人工林林冠截留各水文分量的分布随降雨量的变化见表3。

表3 樟子松人工林林冠截留各水文分量的分布随降雨量的变化Table 3 Changes of the distribution of canopy interception hydrological components of P. sylvestris var. mongolica plantation with rainfall

由表3可知,在研究期间各雨量级情况下,樟子松人工林的林内降雨量均显著大于树干茎流量和林冠截留量(P<0.05);降雨量为51.74 mm时,林冠截留量与树干径流量的差异不显著(P>0.05),其他降雨量均为林冠截留量显著大于树干茎流量(P<0.05)。

4 讨论

4.1 冀北坝上地区樟子松和榆树人工林林冠截留特征及其影响因素

在降雨初期或雨量级较小的情况下,降雨全部被林冠吸收,此时林冠截留量增加较快,在雨量级较大时,林冠吸水饱和后截留量趋于稳定,因此,林冠截留量与林外降雨量应该呈对数关系[15]。本研究中,樟子松人工林林冠截留量随林外降雨量的变化符合这一规律,但榆树人工林在研究期间以指数关系拟合最佳。林外降雨量在小于34.71 mm时,除降雨量为19.91 mm时2种人工林林冠截留量差异不显著外,其他降雨量时的林冠截留量均为樟子松人工林显著大于榆树人工林,这可能是因为樟子松的叶为针叶,两针一束,且在枝条上密集着生;榆树的叶为阔叶,单片稀疏着生,樟子松的树冠对雨水的吸附力比榆树更强,同时降雨量为19.91 mm以外的降雨可能伴有强风,被榆树林冠截留的雨水在风的作用下大量滴落,而被樟子松林冠截留的雨水受到的影响并不显著,从而导致榆树人工林的林冠截留量显著小于樟子松人工林。降雨量为51.74 mm时,榆树人工林的林冠截留量超过了樟子松人工林,这可能是在相同直径、树高、密度和郁闭度的情况下,榆树有比樟子松更大的树冠体积(表1),从而使其拥有更大的叶面积指数所致。

4.2 冀北坝上地区樟子松和榆树人工林林内降雨特征及其影响因素

林内降雨量随林外降雨量的增加而增加,但在林外降雨量非常小时,由于降雨几乎全部被林冠吸附,林内降雨近似等于零,且最初增加缓慢,而后随林外降雨量的增加而激增,大致呈直线上升,因此在整个降雨过程中,林内降雨量随林外降雨量的增加会呈指数关系增加[26]。本研究中,2种人工林的林内降雨量随林外降雨量的增加并没有呈指数关系增加,而是都呈线性关系,这可能是研究地2种人工林的郁闭度都比较小(表1),林冠截留效应太小,林内降雨中直接穿透雨占的比重过大所致。本研究结果显示,在大部分降雨量情况下,2种林分的林内降雨量没有显著差异,但在降雨量为11.66 mm时,榆树人工林的林内降雨量显著大于樟子松人工林(图6),如上所述,出现这种情况的原因这也可能是风增加了榆树林冠吸附的雨水的滴落量。

4.3 冀北坝上地区樟子松和榆树人工林树干茎流特征及其影响因素

由于林冠截留效应的存在,树干茎流的发生存在一定的滞后性,并且树干茎流量随林外降雨量的增加线性增加[27-30]。本研究结果显示,榆树和樟子松人工林分别在林外降雨量为0.25 mm和4.58 mm时才开始产生树干茎流,且二者与林外降雨量呈显著线性关系,这与前人研究结果一致。樟子松人工林树干茎流的临界值大于榆树人工林,这也可能是樟子松叶的特征使其对雨水的吸附能力比榆树更强所致。一般来说,在相同降雨条件下,阔叶树的树干茎流大于针叶树[31]。本研究结果显示,林外降雨量小于13.62 mm时,2种人工林树干茎流量没有显著差异(图7),这可能是小雨量级时,2树种的枝叶和树皮都比较干燥,能吸附大部分雨水,2个树种产生的树干茎流量都较少所致[22];降雨量为19.78、26.53 mm和34.71 mm时,榆树的树干茎流量显著小于樟子松(图7),如上所述,降雨量为1.43～19.78 mm和26.53～34.74 mm时可能伴有强风,使大量榆树的林冠截留以间接降雨的形式滴下,从而增大了林内降雨量,减小了林冠截留量和树干茎流量,在此过程中,樟子松的叶因对雨水的吸附能力强而受到的影响不显著,因此造成上述结果。降雨量为19.91 mm时天气条件比较稳定,没有强风发生,榆树林冠因此会吸附更多的雨水,经林冠汇聚成树干茎流的雨水增多,使2种人工林树干茎流量差异变得不显著。降雨量为51.74 mm时,也没有强风的发生,而樟子松人工林的树干茎流量显著大于榆树人工林,这可能是樟子松树皮光滑且吸水能力弱,榆树树皮粗糙且吸水能力强,使榆树对树干茎流的阻拦和吸收作用比樟子松更强更持久所致。

4.4 冀北坝上地区樟子松和榆树人工林林冠截留各水文分量的分布特征及其影响因素

研究表明,不同植被类型林冠层对降雨的分配表现为穿透雨最多,林冠截留次之,树干茎流最小[32]。本研究中,榆树和樟子松人工林的林内降雨量在所有雨量级均显著大于树干茎流量和林冠截留量,这与多数研究结果一致。在降雨初期和小雨量级情况下,所有降落到树冠上的雨水都被吸附,此时林冠截留量通常大于树干茎流量,随着降雨量的增大,林冠截留量趋于稳定,但林内降雨量和树干茎流量继续增大,当降雨量达到一定程度时,树干茎流量会超过林冠截留量[15]。本研究中,樟子松人工林的林冠截留量在林外降雨量为1.43～34.71 mm时均显著大于树干茎流量,在林外降雨量为51.74 mm时二者无显著差异(图9)说明了这一点。而榆树人工林在林外降雨量为1.43、19.91 mm和51.74 mm时林冠截留量显著大于树干茎流量,其他降雨量二者均无显著差异(图8),如前文所述,这可能是降雨量为19.91 mm和51.74 mm之外的降雨伴有强风,使榆树人工林林冠截留量减小所致。

5 结论

樟子松的树冠对雨水的吸附能力强于榆树,但在相同胸径、树高、密度和郁闭度情况下,榆树人工林林冠截留容量比樟子松人工林大。在郁闭度较小的情况下,2种人工林林内降雨量随林外降雨量的增加线性增加。2种人工林树干茎流的发生均有明显的滞后性,且樟子松人工林产生树干茎流的临界值大于榆树人工林;榆树树干对树干茎流的吸收和阻拦作用比樟子松强。在胸径、树高、密度、郁闭度相似的情况下,2种人工林均为林内降雨量最大,在雨量级较小时林冠截留量大于树干茎流量,随着雨量级的增加,树干茎流量会超过林冠截留量。风降低了榆树人工林的林冠截留量和树干茎流量,增加了林内降雨量,但对樟子松人工林林冠截留各水文分量没有产生明显影响。