冀北山地不同林分類型林冠層降水分配研究

李淑春，張 偉，姚衛(wèi)星，剪文灝，楊新兵

（1．河北木蘭圍場 國有林場管理局，河北 圍場068450；2．河北農(nóng)業(yè)大學 林學院 國家北方山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河北 保定071000）

森林水文過程中，林冠對大氣降雨的再分配具有重要的水文生態(tài)意義，尤其是林冠層對雨水的截持和緩沖，減少了進入林地的水量，降低了降雨的動能和勢能，從而起到削減洪峰流量、防止土壤侵蝕、涵養(yǎng)水源等生態(tài)功效［1］。1965年Leyton等研究了林冠截留的特征，發(fā)現(xiàn)截留量與林外降雨量之間呈正相關［2］。1978年George研究穿透雨和樹干徑流的關系為徑流量與枝葉的分枝角度關系密切［3］。Gash于1979年對林冠截留模型進行研究［4］，2007年Pilar等研究集水區(qū)徑流的動態(tài)變化［5］。20世紀80年代初黃秉維教授提出“森林的作用”這一爭論性問題，進一步推動了森林水文研究工作的開展。90年代，劉世榮等系統(tǒng)總結(jié)了我國10多個森林生態(tài)定位站及水文觀測點數(shù)十年的科研成果，在大尺度、高層次水平上使我國森林水文研究跨入了新的高度。冀北山地處于干旱半干旱地帶，水資源較匱乏，對冀北山地主要林分水資源的利用規(guī)律研究較少，因此對該區(qū)森林水文效應的研究較為重要。選取冀北山地北溝林場三種典型林分為研究對象，通過對所選林分林外降雨、穿透雨、徑流的定位觀測，探討該林分對降雨分配的影響，對林分林冠截留進行模型化研究，為指導森林的建設、合理調(diào)整森林結(jié)構(gòu)布局、保護和健康管理工作提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究地區(qū)位于河北省面積最大的木蘭圍場國有林場管理局（41°35′－42°06′N，116°51′－117°45′E）。海拔750～1 829 m，該地區(qū)水熱同季，冬長夏短、四季分明，晝夜溫差大，無霜期67～128 d，年平均氣溫－1．4～4．7℃，年均降水量380～560 mm，主要集中在6－9月，占全年降水量的69%；年均蒸發(fā)量1 462．9～1 556．8 mm；土壤主要為棕壤。

三塊不同森林類型的標準地概況見表1。落葉松樺木混交林為人工引入針闊林，主要灌木種類為毛榛 （Cor yl us mandshurica）、金 花 忍 冬 （Lonicer a chr ysantha）、紅瑞木（Swida al ba）等。山楊樺木闊葉混交林和油松蒙古櫟混交林為天然林，山楊樺木混交林林下植被多為毛榛、錦帶花（Weigel a f l orida）、金花忍冬。油松蒙古櫟混交林林下灌木種類較少，主要是照山白（Rhododendron micranthum）、華北繡線菊（Spiraea f ritschiana）、胡枝子（Lespedeza bicolor）。

表1 樣地基本情況

2 研究方法

在試驗地周圍的空曠地上安置兩個標準雨量筒，結(jié)合小型氣象站數(shù)據(jù)，測量林外降雨量的平均值，作為林外降雨量。

在3個標準地內(nèi)各放置6個承雨器，均勻的布設在樣地內(nèi)，觀測林內(nèi)的透過雨水的總?cè)萘?，根?jù)承雨器的面積計算林內(nèi)降雨量。

根據(jù)對各林分每木檢尺等林分因子的調(diào)查結(jié)果，胸徑按5 c m間隔劃分徑級（＜5 c m，5－10 c m，10－15 c m）等，每個徑級選取2個標準木，在標準木樹干上距地面1 m處的地方，用縱向切開的聚乙烯管，與水平面傾角30°繞樹干2周，用竹簽固定好，用玻璃膠密封聚乙烯管和樹干間的空隙，以防漏水，下端連接塑料桶收集降雨，獲得標準木的單株樹干徑流量。然后將標準木徑流量按林木徑階及權(quán)重進行統(tǒng)計，利用加權(quán)平均法推算出單位面積徑流量。

式中：P′——樹干徑流量（mm）；M——單位面積上的樹木株數(shù)；Ci——每個徑級樹干徑流量（ml）；Ki——每個徑級的樹冠平均投影面積（c m2）；Mi——每一徑級樹木株數(shù)；n——總徑級數(shù)。

根據(jù)水量平衡原理，按下式計算林冠截留量：

式中：I——林冠截留量（mm）；P——大氣降雨量（mm）；S——樹干徑流量（mm）；T——穿透雨量（mm）。

3 結(jié)果與分析

3．1 林外降雨特征

研究期間共降雨20次，降雨總量為167．23 mm，最大降雨量為35．00 mm，2010年圍場縣較往年干旱，北溝林場降雨量也少于往年。現(xiàn)以日降雨量的大小分級，分級標準為：＜10 mm為小雨，10～20 mm為中雨，20～40 mm為大雨。從表2可知，研究區(qū)降雨以中小雨為主，占全年降雨日數(shù)的85%，大雨占15%，結(jié)果表明，該區(qū)降雨主要為中小降雨為主，大雨較少。

表2 各級雨量占降雨次數(shù)的百分比

3．2 穿透降雨及其與林外降雨關系

由圖1可以看出，穿透雨隨著林外降雨的增加而逐漸增加，這與其他研究者的研究結(jié)果一致［6－7］。經(jīng)過統(tǒng)計回歸分析，根據(jù)最大R2值選擇最佳的擬合模型，結(jié)果表明：穿透雨（y）和林外降雨（x）以線性回歸方程擬合最好。這表明，線性回歸方程適用于冀北山區(qū)森林穿透雨和林外降雨量之間的關系。由關系式可以推知，三種不同林分類型，當降雨量分別大于2．21，2．72，1．34 mm時，可發(fā)生穿透降雨。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，油松蒙古櫟混交林穿透雨量較多，落葉松樺木混交林和山楊樺木混交林穿透雨量較少，這可能與林分結(jié)構(gòu)、林齡、葉面積有關。

圖1 三種不同林分類型穿透降雨與林外降雨的關系

3．3 樹干徑流及其與林外降雨關系

從圖2可以得出，林外雨量2 mm以下時，各林分樹干徑流很少，基本不足0．10 mm，故認為林外雨量小于2 mm時，樹干徑流為0。經(jīng)過對3種林分20次樹干徑流量和降雨量統(tǒng)計回歸分析，根據(jù)最大R2值選擇最佳的擬合模型，結(jié)果表明：樹干徑流量和降雨量之間以線性回歸方程擬合較好。

3種林分單株樹干徑流總量分別為4．35，5．90，6．24 mm，而同期林外降雨總量為169．94 mm，各林分樹干徑流量分別占降雨總量的2．56%，3．47%，3．67%。研究結(jié)果顯示，樹干徑流量所占降雨量的比例很小，油松蒙古櫟混交林樹干徑流量最大，落葉松樺木混交林樹干徑流量最小。

圖2 三種不同林分類型樹干徑流與林外降雨的關系

3．4 林冠截留及其與林外降雨關系

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，對林冠截留量與林外降雨量作回歸分析，結(jié)果表明冪函數(shù)能相對較好地表現(xiàn)林冠截留量與林外降雨量之間的關系，相關性達到極顯著性水平（圖3）。

低雨量時，截留量隨降雨量的增加而迅速增加；此時的林冠截留率最大（表3），當達到一定降雨量后，截留量增加速度漸趨緩慢，當林外降雨超過23 mm時，林冠截留量只在小范圍內(nèi)增加，超出一定的降雨量范圍林冠截留量就不再增加；此時林冠截留率變化趨緩，逐漸趨向最小截留率。究其原因，林冠截留量主要由填充林冠蓄水所需雨量和降雨過程中林冠的蒸發(fā)量兩部分組成，林冠承載的降雨量有一個飽和值，且降雨時林冠的蒸發(fā)量較小，所以，當林冠蓄水飽和后，林冠截留量只在小范圍內(nèi)增加，超出一定的降雨量范圍，林冠截留量就不再增加。

圖3 三種不同林分類型林冠截留量與林外降雨的關系

3．5 不同樹種林冠截留比較

根據(jù)測試資料，對林外降雨及林冠截留數(shù)據(jù)作相關分析。7種樹種平均林冠截留率為落葉松35．76%、油松34．88%、黑樺34．35%、白樺33．76%、蒙古櫟32．70%、槺椴28．07%、山楊27．64%。其中落葉松和油松的林冠截留率較大，說明針葉樹種具有較高的林冠截留性能。由觀測期內(nèi)的實測數(shù)據(jù)可以得出，落葉松樺木混交林的平均林冠截留率為31．3%，山楊樺木混交林為25．2%，油松蒙古櫟混交林為32．7%，油松蒙古櫟混交林＞落葉松花木混交林＞山楊樺木混交林。7個樹種的林冠截留與林外降雨都呈很好的線性關系。起初林外降雨全部被樹冠截留，林冠截留率很高，隨林外降雨量的增加，截留率逐漸變小，并逐漸趨于最小截留率（表4）。

表3 不同林分林冠截留率

3．6 林冠截留模擬

林冠截留量與降水量存在著極緊密的正相關關系，受降雨量、降雨強度、降雨歷時、前期環(huán)境狀況以及林種、林齡、林分密度等多種因素的影響和制約［8］。目前，任何一個數(shù)學模型也無法全面囊括以上所有因素，如何導出一個含較少的林冠和降雨參數(shù)，具有清楚物理意義并易于確定，又能客觀地模擬林冠對降水截留效應的數(shù)學模型，本文基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)，對冀北山區(qū)三種林分落葉松樺木混交林、山楊樺木混交林、油松蒙古櫟混交林林冠截留進行模擬。

表4 不同樹種林冠截留率

設研究期間降雨量P大于林冠飽和降雨量的次數(shù)為n，小于林冠飽和降雨量的次數(shù)為m，則：

式中：I——林冠截留量；β——林冠蓄水蒸發(fā)系數(shù)，可以由林內(nèi)降雨與林外降雨的回歸系數(shù)（a）來估計，β＝1－a；Am——由林內(nèi)降雨與林外降雨的回歸直線的截距（b）來估計，Am＝－b；Ps——林冠飽和降雨量；Pi——第i次降雨，i＝，1，2，3…；Pm——第m 次 降雨。

該模型中的各種參數(shù)都很容易確定。利用對冀北山地三種不同林分林內(nèi)外降雨觀測數(shù)據(jù)，模擬結(jié)果見表5。從預測結(jié)果看，該模型對林冠截留量的預測比較準確，誤差在3%左右，基本上可以滿足林冠截留的模擬要求。

表5 不同林分林冠總截留量模擬結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）研究區(qū)降雨主要集中在6－9月4個月，占全年降水量的69%，其中7月份降水量占全年降水量的31%，以中小雨為主，占全年降雨日數(shù)的85%，大雨占15%，該區(qū)降雨主要為中小降雨為主，大雨暴雨較少。

（2）三種林分穿透雨分別為115．31，115．08，25．94 mm，分別占林外降雨量的68．94%，68．81%，75．31%。三種林分單株樹干徑流總量分別為4．35，5．90，6．24 mm，占降雨總量的 2．56%，3．47%，3．67%。7個不同種類的林分中，以落葉松（35．76%）和油松（34．88%）林冠截留率較大，說明針葉樹種相比闊葉樹種具有較高的林冠截留性能。

（3）隨著降雨量的增加，穿透雨量、樹干徑流量和林冠截留量都增加，林冠截留率降低。

（4）用數(shù)學模型來描述降水分配情況，以線性回歸方程來擬合穿透雨（y）和林外降雨（x）、樹干徑流量和林外降雨之間的關系最好；在降雨量小的情況下，林冠截留量和截留率都較高；降雨量較多時，林冠截留量較大但截留率不高。

（5）林冠截留模型能夠準確地模擬林冠對降雨的總體截留能力。本研究僅使用了2010年4個月的數(shù)據(jù)進行模擬，其代表性還有所欠缺，需要利用其他年份的觀測資料來進一步檢驗該模型在我國冀北山地的適用性，這將是下一步需要深入開展的工作。

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