沿壩地區(qū)天然次生林對降雨再分配的影響

張 寧，郭賓良，張國強，張春茹，張 楠，張建華，谷建才

（1.河北農(nóng)業(yè)大學，河北 保定071000；2.保定市林木種苗管理站，河北 保定071000；3.河北木蘭圍場國有林場管理局，河北 圍場068450）

森林是人類賴于生存的物質(zhì)基礎，它對降雨的再分配作用是多方面的［1－3］。首先表現(xiàn)在樹冠截留上，樹冠的截留作用與降水具體情況有關(guān)，正是林冠層對降雨的截留，既保護了地表被降雨沖刷，又截蓄了部分降雨，這樣在減少地表徑流上起到了很大的作用，體現(xiàn)了森林防洪和涵養(yǎng)水源的功能［4－5］。國內(nèi)外學者在這方面開展了廣泛的研究，掌握了大量的實測數(shù)據(jù)，但不同森林類型和氣候條件下林冠對降水的再分配格局差異較大，隨著我國生態(tài)建設的加快及森林覆被率的逐步提高，在水資源日趨緊張的當今，而天然次生林是木蘭圍場的主要林分之一，因此進一步探討天然次生林對降雨再分配的問題是必要的［6－7］。

森林對降雨的再分配過程對也可以稱作第二次降雨，即森林次降雨。與次降雨損失量密切相關(guān)的就是森林的蒸散，由于其在對林外降雨起不到?jīng)Q定了作用，因此林外大氣降雨與林冠截留、穿透雨和樹干徑流之間的比值關(guān)系沒有什么變化［8－10］。研究降雨再分配過程，能夠更深入地理解森林水文過程和作用，本研究旨在為木蘭圍場地區(qū)森林生態(tài)發(fā)展提供一定的理論依據(jù)［10－12］。

1 研究區(qū)概況

河北省木蘭圍場國有林場管理局（41°47′—42°06′N，116°51′—117°45′E）地處沿壩地區(qū)，燕山山脈、陰山山脈和大興安嶺山脈余脈向西南延伸的結(jié)合部。該區(qū)域?qū)僦袦貛蚝疁貛н^渡、半干早向半濕潤過渡、大陸性季風型的高原山地氣候。年平均氣溫－1.4～4.7℃，極端最高氣溫38.9℃，極端最低氣溫－42.9℃，≥0℃的年積溫2 180℃，無霜期67～128d。年均降水量380～560 mm，主要集中在6—8月。土壤主要為天然次生林下發(fā)育的山地棕壤，土層深厚，海拔750～1 829m。植被區(qū)系屬溫帶草原地帶高原東部森林草原區(qū)與暖溫帶落葉闊葉林地帶燕山山地落葉闊葉林溫性針葉林區(qū)的交接帶［10－11］。主要喬木樹種：華北落葉松、白樺（Betulaplatyphylla）、山楊（Populusdavidiana）、油松（Pinustabulaeformis）、蒙古櫟（Quercusmongolica）云杉（Piceaasperata）等；主要灌木樹種：迎紅杜鵑（Rhododendronmucronulatum）、土莊繡線菊（Spiraeapubescens）、毛 榛 （Corylusmandshuria）等；主要草本植物：東亞唐松草（Thalictrumminus）、披針薹草（Carexlancifolia）等。

2 研究方法

2.1 樣地的設置與測定

本文挑選林分密度為1 250株/hm2的天然白樺林，在林分內(nèi)選取50m×50m作為標準地，然后將樣地分成10m×10m的小樣方并對林分的坡向、坡度、郁閉度等因素進行調(diào)查，用全站儀來定位樣地內(nèi)的林木位置（x，y），與此同時進行每木檢尺，對每棵樹進行掛牌編號，測量喬木的胸徑、樹高、冠幅、樹干質(zhì)量、枝下高等因子，根據(jù)數(shù)據(jù)來確定標準木（表1）；對于灌木的測定，選取5m×5m的小樣方來對灌木的數(shù)量、高度、蓋度進行調(diào)查記錄；草本的測定需要在每個灌木小樣方里的四角和中心設置1m×1m的樣方進行調(diào)查，需要記錄其種類、數(shù)量、高度、蓋度。

表1 樣地基本概況

2.2 穿透雨和樹干徑流的測定方法

（1）在進行進一步調(diào)查的時候，要先根據(jù)原來的調(diào)查的數(shù)據(jù)，找出每塊樣地的標準木（以平均冠幅為標準）并在其下放置5個集水槽（由不銹鋼材料制成，收集面積為1.5m×0.2m），同時在林外空曠地上安置1個集水槽作為對照，并且每個集水槽的位置在距離樹干1.5m處。為了讓所調(diào)查的因子數(shù)據(jù)更加全面，在每塊樣地內(nèi)選出5棵標準木（以平均冠幅為標準）；在放置集水槽的時候要考慮到灌木和草本植物的影響，因此集水槽的位置要高于周圍灌木與草本的高度，在集水槽比較低的一端開口并用塑料管連接一個體積為10L的塑料桶，為了避免枯枝落葉等凋落物對測量結(jié)果的影響，每次降雨前把集水槽內(nèi)的凋落物等雜物清理干凈［13－15］。

（2）根據(jù)調(diào)查的胸徑數(shù)據(jù)，選取5株標準木來觀測樹干徑流［16］。先取直徑1.5cm的聚乙烯塑料管，沿著中縫剪開一段，然后用釘子將塑料管開口處固定在樹干上，再將剪開的塑料管從兩邊螺旋上升纏繞樹干一圈，用玻璃膠將接縫處封嚴，在塑料管的下端接一個10L塑料桶，用于收集樹干莖流。每次降雨結(jié)束后及時用標準雨量筒測量塑料桶內(nèi)水的體積。在距離試驗地不遠的空地安置小型氣象站，以便獲得林外降雨量、降雨時間、歷時、溫度、濕度、風速等一系列數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

林冠截留量根據(jù)公式（1），通過觀測的林外降雨量、穿透雨量和樹干徑流量計算求出：

式中：P——林外大氣降水量（mm）；Pt——穿透降雨量（mm）；I——林冠截留雨量（mm）；S——樹干徑流量（mm）。

樹干徑流的計算公式如下：

式中：S——樹干徑流量（mm）；N——樹干徑級數(shù)；SN——每一徑級的單株樹干徑流量（ml）；MN——每個徑級的樹木株數(shù)；A——樣地面積（m2）。使用SPSS專業(yè)統(tǒng)計分析軟件對獲取的試驗數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析和回歸分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 林外降雨與穿透雨的關(guān)系

試驗的時間從2013年6月—2013年10月，在試驗過程中總共有21次降雨，但是形成有效雨的為15次，最大降雨量23.78mm，最小時為0.34mm，降雨總量128.87mm，平均每次降雨量為8.59mm，本地區(qū)大部分為小雨和中雨，出現(xiàn)了一次短歷時的大雨。表1是標準地森林對降雨再分配過程的調(diào)查數(shù)據(jù)，其中穿透雨量、林冠截留和樹干徑流分別占林外降雨的59.46%，37.33%，3.21%。

表2 白樺天然林內(nèi)降雨再分配

通過觀察在這15次降雨過程中，穿透雨量要占主要部分（表2），為了更好的了解林內(nèi)穿透雨與林外降雨之間的關(guān)系，選取合適的模擬模型來表示出來，并顯示R2值與回歸方程。結(jié)果顯示，根據(jù)穿透雨與林外降雨的方程y＝0.8034x－1.7939，在降雨初期不會產(chǎn)生穿透雨，當降雨量達到2.23mm時開始出現(xiàn)穿透雨，線性回歸方程來模擬林內(nèi)穿透雨量與林外降雨量的關(guān)系時R2＝0.980 4，從圖1很明顯可以看出隨著林外降雨量的增加，穿透雨量呈線性增加，呈現(xiàn)出很明顯的正相關(guān)關(guān)系，這種規(guī)律和國內(nèi)外的許多研究結(jié)果一致。通過檢驗得知林內(nèi)穿透水量與林外降雨量的相關(guān)性達到極顯著水平（p＜0.01）。

穿透率在前期與降雨量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，在降雨達到一定量和時間的時候處于平衡狀態(tài)，這時林冠充分滲透，截留達到飽和狀態(tài)，此時降雨大多直接形成了穿透雨，穿透率趨于穩(wěn)定。

圖1 林外降雨量與穿透雨量、穿透率的關(guān)系

3.2 林外降雨與林冠截留的關(guān)系

在表1中可以看出林冠截留量在降雨再分配過程中占有一定的比例，在進行擬合過程中R2＝0.823 4，擬合15次降雨和林冠截留量之間的關(guān)系，選擇R2值最大的擬合關(guān)系式，發(fā)現(xiàn)林冠截留量與林外降雨量也具有明顯的冪函數(shù)關(guān)系，達到了極顯著水平（p＜0.01）。

林冠截留率與林外降雨量之間的關(guān)系如圖2所示，林冠截留率隨林外降雨呈2次減函數(shù)關(guān)系。在雨量很小時，林冠幾乎截留了大部分降水，此時可能不會出現(xiàn)穿透雨，截留率最大；隨著林外降雨量的不斷增加，林冠截留率不斷降低，隨著時間的推移，林外降雨量進一步增大時，林冠截留率變化趨緩，逐漸趨向最小截留率，最后趨于平衡，這時林冠截留達到飽和，但是影響林冠的飽和點的因素有很多，包括樹種、冠幅、林冠厚度、當日濕度、溫度和風速。

3.3 林外降雨與樹干徑流的關(guān)系

通過表1可以看出樹干徑流量占林外降雨總量的比例非常小，根據(jù)林外降雨與樹干徑流的關(guān)系（圖3）可以看出樹干徑流與林外降雨量也具有明顯的線性相關(guān)關(guān)系，且達到了極顯著水平（p＜0.01）。

樹干徑流具有一定的時滯性，時滯大小依賴于雨強和林木自身特征，雨強大，葉面積指數(shù)小，枝干夾角成45%，樹皮光滑且濕潤時時滯就小，反之亦然。對于本研究的天然次生林來說，考慮葉面積指數(shù)、樹干夾角和樹皮粗糙度，將樹干看作圓柱體，沿樹干每隔1m測量周長和所有樹皮的開裂弧長，用弧長和與所對應的周長之比就是這個圓處的粗糙度，共測量3次取其平均值。

圖2 林外降雨量與林冠截留量、截留率的關(guān)系

圖3 林外降雨量與樹干徑流量、徑流率的關(guān)系

4 結(jié) 論

（1）穿透雨量和林冠截留占林外降雨量的比例比較大，樹干徑流量的比例則非常小，分別為59.46%，37.33%，3.21%。

（2）穿透雨量和林外降雨呈現(xiàn)線性關(guān)系（R2＝0.980 4），林冠截留量與林外降雨量也具有明顯的冪函數(shù)關(guān)系（R2＝0.823 4），樹干徑流與林外降雨量具有明顯的線性相關(guān)關(guān)系（R2＝0.909 8），并且都達到了極顯著水平（p＜0.01），樹干徑流具有一定的時滯性，時滯大小依賴于雨強和林木自身特征，雨強大，葉面積指數(shù)小，枝干夾角成45%，樹皮光滑且濕潤時時滯就小，反之亦然。

（3）根據(jù)穿透雨與林外降雨的方程y＝0.8034x－1.7939，當林外降雨量高于2.23mm時會產(chǎn)生穿透雨；依據(jù)林外降雨與樹干徑流的方程y＝0.0552x－0.1981，當林外降雨高于3.58mm時會產(chǎn)生樹干徑流；林冠在降雨再分配過程中起到了很重要的作用，形成了二次降雨。

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