泰山典型林分的林冠截留特征

張永濤,杜強,陳凱,趙乾坤,陳志成

(山東農(nóng)業(yè)大學水土保持系,山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復重點實驗室,271018,山東泰安)

泰山典型林分的林冠截留特征

張永濤,杜強,陳凱,趙乾坤,陳志成

(山東農(nóng)業(yè)大學水土保持系,山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復重點實驗室,271018,山東泰安)

應用相關分析方法對泰山羅漢崖林場 9個典型林分類型的林冠截留特征進行研究。結(jié)果表明：林內(nèi)降雨量與林外降雨量呈很好的線性關系,林冠截留量與林外降雨量呈較好的對數(shù)關系;9個典型林分類型對降雨的截留能力為五角楓＞麻櫟 +黑松＞15a麻櫟 ＞刺槐 ＞50a麻櫟 ＞黃連木 ＞黃連木 +刺槐 ＞側(cè)柏 ＞黑松;7個典型林分類型形成樹干徑流的能力為15a麻櫟 ＞50a麻櫟 ＞黃連木 ＞五角楓 ＞黑松 ＞刺槐 ＞側(cè)柏;各林分類型總體產(chǎn)生林內(nèi)降雨的林外降雨量臨界值為 6.28mm。

林內(nèi)降雨;林冠截留;樹干徑流;泰山

隨著水資源的不斷減少,森林在涵養(yǎng)水源和保持水土中起到的作用也越來越引起人們的重視。林冠對降雨的截留作用作為森林保持水土、涵養(yǎng)水源的一個重要方面,也吸引著越來越多的學者[1-3]。目前,國內(nèi)外對林冠截留機制和影響因素的研究比較多[4-12],但對同一地區(qū)不同林分類型的林冠截留研究有待進一步的深入。林冠截留降雨的能力受降雨量、降雨強度、降雨歷時、前期環(huán)境狀況及林分因子等多種因素的共同影響和制約,加之不同林分類型的林分特征差異很大,增加了這方面的研究難度[13-14]。筆者選擇了在泰山具有代表性的 9個典型林分類型,通過各個林分類型對大氣降水的截留作用及林冠截留與降雨量之間的關系,研究泰山典型林分的林冠截留特征,以期為泰山不同林分類型的水文規(guī)律研究以及生態(tài)效能評價提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點選在具有代表性的泰山羅漢崖林場,該林場位于泰山羅漢崖,海拔 400～700m,總面積127.6 hm2,其中有林地面積 125.9 hm2,占總面積的98.67%,無林地面積 1.7 hm2。巖石為花崗片麻巖,土壤為粗骨棕壤,坡位為山坡中部,土層厚度 30～40 cm,坡度 15°～25°,屬半濕潤大陸性季風氣候,多年平均氣溫 12.1℃,極端最低氣溫 -28℃,極端最高氣溫 40.3℃,多年平均降雨量 690.3mm,多年平均蒸散量 414.18mm,徑流系數(shù) 0.1,≥10℃積溫4300℃,無霜期 198 d。樹種以麻櫟(Quercusacutissima Carruth.)為主,其次是油松(Pinus tabulaeforms Carr.)、赤松 (Pinus densiflora Sieb.et Zucc.)、側(cè)柏(Platycladus orientalis Linn.)、刺槐 (Robinia pseudoacacia Linn.)、黃連木 (Pistacia chinensis Bunge.)、五角楓(Acermonomaxim.)、栓皮櫟(Quercus variabilis Blume.)、黑松(Pinus thunbergii Parl.)等。

2 研究方法

2.1 典型林分的選擇

在羅漢崖林場選取的 9個具有代表性的典型林分是五角楓純林、側(cè)柏純林、50 a麻櫟純林、15 a麻櫟純林、黃連木純林、黑松純林、刺槐純林、麻櫟 +黑松林和黃連木 +刺槐林。

2.2 標準地的選取與調(diào)查

針對每個林分類型選取一個標準地,標準地面積 20m×20m。對 9個標準地進行樹高、胸徑、郁閉度、冠幅等常規(guī)的林業(yè)調(diào)查,調(diào)查概況見表 1。在每個林分類型中,利用 H-D曲線,根據(jù)求得的平均胸徑和平均樹高選定 3株標準木。標準木的垂直投影面積在方格紙上現(xiàn)場畫出。

表1 各標準地的概況Tab.1 General situation of sample plots

2.3 林外降雨的測定

在羅漢崖林場的空地上,布設 WatchDog 400自計雨量計獲取林外降雨量數(shù)據(jù)。布設高度 1.5m,精度 0.1mm,每 1min記錄 1個數(shù)據(jù),存儲器 1次最多可以記錄 7 000個數(shù)據(jù),每次雨后導出觀測數(shù)據(jù)。觀測時間從 2007年 8月到 2009年 7月,共采集到有效數(shù)據(jù) 23次。

2.4 林內(nèi)降雨的測定

每個標準地布設 10個自制雨量筒(直徑 10 cm,高 20 cm)。雨量筒的安裝高度 1.5m,分 2行均勻布設,行間距 5m。每次降雨后進行測量。

2.5 樹干徑流的測定

選定五角楓、側(cè)柏、50 a麻櫟、15 a麻櫟、黃連木、黑松和刺槐 7個純林進行觀測。在標準木的1.2m高處用聚氨酯防水泡沫將樹干包裹扎緊,然后用軟管將樹干徑流導入承接桶中,所有連接處用玻璃膠進行密封。降雨結(jié)束后,測量桶中水量。計算方法是：將承接桶雨水體積根據(jù)標準木垂直投影面積換算成水層厚度。

2.6 分析方法

1)林冠截留量計算公式為

式中：I為林冠截留量,mm;P為林外降雨量,mm;P′為林內(nèi)降雨量,mm;G為樹干徑流量,mm。采用相關性分析方法,分析林冠截留相關指標之間的相關性。

2)林冠截留率計算公式為

式中 B為林冠截留率,%。

3)分析降雨強度對林冠截留量的影響時,選取數(shù)據(jù)遵循“林外降雨量相近,降雨強度差別大”的原則。

3 結(jié)果與分析

3.1 林冠截留觀測指標的相關性分析

林冠截留各觀測指標間的相關性分析結(jié)果見表2?？梢钥闯觯合嚓P系數(shù)最高的是林內(nèi)降雨量與林外降雨量,其次是林冠截留量與林外降雨量。降雨強度與林內(nèi)降雨量的相關系數(shù)較低,而降雨強度與林冠截留量的相關系數(shù)僅有 0.175?？梢?相關性最高的是林內(nèi)降雨量與林外降雨量,其次是林冠截留量與林外降雨量。

表 2 各觀測指標間的相關性分析Tab.2 Correlation analysis between observation indexes

不同林分類型間林內(nèi)降雨量的多重比較結(jié)果見表 3?？梢钥闯觯汉谒杉兞峙c五角楓純林、麻櫟 +黑松林、15 a麻櫟純林、刺槐純林、50 a麻櫟純林和黃連木純林之間的差異是極顯著的;側(cè)柏純林和黃連木 +刺槐林與五角楓純林、麻櫟 +黑松林和 15 a麻櫟純林之間的差異極顯著;黃連木純林和 50 a麻櫟純林與麻櫟 +黑松林和五角楓純林之間的差異極顯著。

表 3 不同林分類型間林內(nèi)降雨量的多重比較Tab.3multiple comparison between through rainfall in differentstands

3.2 林內(nèi)降雨量與林外降雨量的關系

由表 3還可以看出,各林分類型林內(nèi)降雨量平均值由小到大排列順序為五角楓純林 ＜麻櫟 +黑松混交林 ＜15 a麻櫟純林 ＜刺槐純林 ＜50 a麻櫟純林＜黃連木純林 ＜黃連木 +刺槐林 ＜側(cè)柏純林 ＜黑松純林;各林分類型的林冠截留能力則與林內(nèi)降雨量的大小相反。

選取降雨強度在 1.3～2.3mm/h之間的各林分類型林內(nèi)降雨數(shù)據(jù)進行線性擬合,得出各個林分的線性擬合方程,見表 4。從表 4中各林分類型的擬合方程來看,各個林分類型的林內(nèi)降雨量和林外降雨量呈正相關關系。通過檢驗可知,林內(nèi)降雨量與林外降雨量之間的相關性比較強,擬合效果較好。同時根據(jù)各個林分類型的擬合方程,可以推算出使各林分類型產(chǎn)生林內(nèi)降雨所需的林外降雨量,即五角楓 5.35mm,側(cè)柏 6.59mm,麻櫟 +黑松林 6.07mm,50 a麻櫟 6.83mm,15 a麻櫟 5.86mm,黃連木 +刺槐林 5.24mm,黃連木 5.88mm,黑松 6.63mm,刺槐 6.81mm,總體 6.28mm。

3.3 林冠截留量與林外降雨量的關系

林冠截留量隨著降雨量的增加會不斷增加,降雨量較小時林冠截留量的增幅較大,截留能力較強,二者之間呈現(xiàn)較好的對數(shù)關系;但是,隨著降雨量的不斷增大,林冠截留量增幅會不斷變小。當林冠層達到飽和時,林冠截留量也達到了該林分類型的最大林冠截留量,此時即使降雨量繼續(xù)增加,林冠截留量也不會再增加,北方樹種的最大林冠截留量一般在 20mm左右[15]。

林冠截留量與林外降雨量的關系見圖 1。由表4和圖 1的相關性檢驗結(jié)果可以看出,林冠截留量與林外降雨量呈一定的線性關系,但是,除黑松純林出現(xiàn)了較穩(wěn)定的截留極限值之外,其余林分類型未能出現(xiàn)預想中的最大截留量。從林內(nèi)降雨量與林外降雨量和林冠截留量與林外降雨量的擬合方程可以看出,闊葉林的擬合程度較好,針葉林中黑松的擬合程度最差。

表 4 林內(nèi)降雨量與林外降雨量和林冠截留量與林外降雨量的擬合方程Tab.4 Fitting equation of through rainfall in stand and open field rain fall and interception

圖 1 林冠截留量與林外降雨量的關系Fig.1 Relationship between canopy interception and open field rainfall

3.4 林冠截留量與降雨強度的關系

不同降雨強度下的林冠截留量見表 5,其中的 4組數(shù)據(jù)表明,即使降雨量相近的情況下,降雨強度不同,林冠截留量也不同。

可知：在降雨量相近的情況下,第 1組數(shù)據(jù)中降雨強度與林冠截留量的關系不明顯,這可能是因為降雨量偏小造成的;第 2、3、4組數(shù)據(jù)中降雨強度越大時林冠截留量越小,呈現(xiàn)一定的負相關關系,而且,隨著降雨量的不斷增大,降雨強度對林冠截留量的影響作用逐漸地削弱;相反,林內(nèi)降雨量與降雨量強度呈正相關關系。

表 5 不同降雨強度下的林冠截留量Tab.5 Canopy interception under different rainfall intensities

3.5 相同林外降雨量條件下樹干徑流的差異

由于樹干徑流量數(shù)值比較小,因此,將 18次總降雨量為 544mm的樹干徑流數(shù)據(jù)相加進行比較,結(jié)果見圖 2?？梢钥闯觯翰煌址诸愋蜆涓蓮搅髁繌拇蟮叫∫来问?15a麻櫟 ＞50a麻櫟 ＞黃連木 ＞五角楓 ＞黑松 ＞刺槐 ＞側(cè)柏。影響不同林分類型樹干徑流量的主要因素是各個林分類型中樹木的林冠特性[16],側(cè)柏和黑松葉片面積較小且不容易在葉片上產(chǎn)生匯流,而且側(cè)柏和黑松的分支角度較大(表 1),不利于雨滴沿樹干匯流;麻櫟的葉片面積相對較大,且麻櫟葉片的吸水能力較差,較容易在葉片上形成匯流,產(chǎn)生較多的樹干徑流;造成 15 a麻櫟和 50 a麻櫟樹干徑流差異的主要因素是年齡,50 a麻櫟的樹干較粗,枝條也相對多,但是單位面積上的葉片數(shù)量要比 15a麻櫟少,而且較粗的樹干會吸收大量的樹干徑流,從而減少到達地面的樹干徑流量[17-18]。

圖 2 相同降雨量條件下不同林分類型的樹干徑流量Fig.2 Stemflow of different stands under same rainfall

4 結(jié)論

1)林外降雨量、降雨強度與林冠截留量之間的差異性是顯著的。林內(nèi)降雨量與林外降雨量的相關性最高,其次是林冠截留量與林外降雨量。

2)林冠截留量與林外降雨量之間呈正相關關系。羅漢崖 9個典型林分類型對降雨的林冠截留能力從大到小的順序是：五角楓 ＞麻櫟 +黑松 ＞15 a麻櫟 ＞刺槐 ＞50a麻櫟 ＞黃連木 ＞黃連木 +刺槐 ＞側(cè)柏 ＞黑松。在林冠截留量和林外降雨量方程擬合過程中,針葉林的擬合程度不如闊葉林理想。

3)林冠截留量與降雨強度在一定程度上呈現(xiàn)負相關關系。降雨強度對截留量的影響會隨著降雨量的不斷增大而減小。

4)樹干徑流在各個林分類型之間的大小差別明顯,各個林分類型形成樹干徑流的能力從大到小的順序是：15a麻櫟 ＞50a麻櫟 ＞黃連木 ＞五角楓 ＞黑松 ＞刺槐 ＞側(cè)柏。

5 參考文獻

[1]黨宏忠,董鐵獅,趙雨森.紅松林冠對降水的截留特征.東北林業(yè)大學學報,2007,35(10)：4-6

[2]范世香,高雁,程銀才,等.林冠對降雨截留能力的研究.地理科學,2007,27(2)：200-203

[3]唐金生,張如良.林冠截水作用研究.華東森林經(jīng)理,2005,19(2)：33-35

[4]周國逸.幾種常用造林樹種冠層對降水動能分配及其生態(tài)效應分析.植物生態(tài)學報,1997,21(3)：250-259

[5]趙鳳軍.遼東地區(qū)五種樹種林冠截留問題的研究.丹東紡專學報,2005,12(45)：24-25

[6]劉玉學,李紅君,李光森,等.遼東山區(qū)不同林型降雨截留的研究.沈陽農(nóng)業(yè)大學學報,1993,24(4)：298-301

[7]Calder I R.Dependence of rainfall interception on drop size：1.Development of the two-layer stochasticmodel.Journalof Hydrology,1996,185：363-378

[8]Gash JH C,Lloyd C R,Lachaud G.Estimation sparse forest rain fall interception with an analyticalmodel.Journal of Hydrology,1995,170：79-86

[9]Dykes A P.Rainfall interception from a lowland tropical rainforest in Brunei.Journal of Hydrology,1997,200：260-279

[10]Schellekens J,Scatena F N,Bruijnzeel L A,et al.Modeling rainfall interception by a lowland tropical rain forest in northeastern Puerto Rico.Journal of Hydrology,1999,225：168-184

[11]盧俊峰,馬欽彥,劉世海,等.北京密云油松人工林林冠降水截留特征研究.北京林業(yè)大學學報,2005,27(2)：129-132

[12]成向榮,黃明斌,邵明安,等.黃土高原農(nóng)牧交錯帶人工喬灌木林冠截留.生態(tài)學雜志,2009,28(7)：1213-1217

[13]陳引珍,何凡,張洪江,等.縉云山區(qū)影響林冠截留量因素的初步分析.中國水土保持科學,2005,3(3)：69-72

[14]衛(wèi)三平,王力,吳發(fā)啟.黃土丘陵溝壑區(qū)刺槐林冠的水文特征.南京林業(yè)大學學報：自然科學版,2008,32(1)：43-48

[15]黨宏忠,周澤福,趙雨森.青海云杉林冠截留特征研究.水土保持學報,2005,19(4)：60-64

[16]張虎,馬力,溫婭麗.祁連山青海云杉林降水及其再分配.甘肅林業(yè)科技,2002,25(4)：27-30

[17]劉少沖,段文標,陳立新.蓮花湖庫區(qū)幾種主要林型水文功能的分析和評價.水土保持學報,2007,21(1)：79-83

[18]段文標,劉少沖,陳立新.蓮花湖庫區(qū)水源涵養(yǎng)林水文效應的研究.水土保持學報,2005,19(5)：26-30

Canopy intercep tion characteristics of typical forest stands inmountain Tai

Zhang Yongtao,Du Qiang,Chen Kai,Zhao Qiankun,Chen Zhicheng
(Soil and Water Conservation Department of Shandong Agricultural University,Shandong Provincial,Key Laboratory of Soil Erosion and Ecological Restoration,271018,Tai'an,Shandong,China)

The interception characteristics of nine typical forest stands in Luohanya forest farm ofmountain Taiwere studied.The results showed that very good linear relationship existed between through rainfall in stand and open field rainfall.Therewas a good logarithmic relationship between interception and open field rainfall.The interception capacity of the nine foreststands decreased in the order of Acermono,Quercus acutissima+Pinus thunbergii,15 a Quercus acutissima,50a Quercus acutissima,Pistacia chinensis,Pistacia chinensis+Robinia pseudoacacia,Platycladus orientalis,and Pinus thunbergii.The stemflow capacity dropped in the order of 15 a Quercus acutissima,50 a Quercus acutissima,Pistacia chinensis,Acermono,Pinus thunbergii 15 a Quercus acutissima,50 a Quercus acutissima,Pistacia chinensis,Acermono,Pinus thunbergii,Robinia pseudoacacia,Platycladus orientalis,Robinia pseudoacacia,Platycladus orientalis.In general,critical value of open field rain fall for p roduced through rainfall in stand of various forest stands was 6.28mm.

through rainfall in stand;interception;stem flow;Mountain Tai

2010-01-27

2010-09-23

山東農(nóng)業(yè)大學創(chuàng)新基金“近自然林業(yè)在泰山中的應用”(20081220)

張永濤(1972—),男,博士,副教授,碩士生導師。主要研究方向：林業(yè)生態(tài)工程。E-mail：zyt@sdau.edu.cn

(責任編輯：宋如華)