木蘭圍場華北落葉松林對降雨再分配的影響

張 寧, 陸貴巧, 郭賓良, 張國強, 楊 超, 馬小欣, 張建華

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河北 保定 071000; 2.保定市林業(yè)局,河北 保定 071000； 3.河北木蘭圍場國有林場管理局, 河北 圍場 068450)

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木蘭圍場華北落葉松林對降雨再分配的影響

張 寧1, 陸貴巧1, 郭賓良2, 張國強3, 楊 超1, 馬小欣1, 張建華3

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河北 保定 071000; 2.保定市林業(yè)局,河北 保定 071000； 3.河北木蘭圍場國有林場管理局, 河北 圍場 068450)

為了探究落葉松林對降雨再分配的過程，通過對木蘭圍場國有林場管理局北溝林場內(nèi)落葉松林進行穿透降雨、冠層截留和樹干徑流3個方面進行了監(jiān)測，結(jié)果表明：(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59.44%，39.20%，1.36%；(2) 穿透雨量和林外降雨呈現(xiàn)線性關(guān)系(R2=0.988 6)，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=0.755 9)，樹干徑流與林外降雨量具有明顯的線性相關(guān)關(guān)系(R2=0.755 9)，并且都達到了極顯著水平(p<0.01)；(3) 根據(jù)穿透雨與林外降雨的方程，當林外降雨量高于1.81 mm時會產(chǎn)生穿透雨。依據(jù)林外降雨與樹干徑流的方程，當林外降雨高于5.18 mm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。

落葉松; 降雨再分配; 林冠截留

森林是人類賴于生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，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)。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，對減少地表徑流起到很大作用，體現(xiàn)了森林防洪和涵養(yǎng)水源的功能[4-5]。落葉松是木蘭圍場的主要樹種之一，因此進一步探討落葉松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，由于其對林外降雨起不到?jīng)Q定作用，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)地處灤河上游，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、半干旱向半濕潤過渡、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67～128 d。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750～1 829 m。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(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)、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 樣地設(shè)置

本文挑選林分密度為1 300株/hm2的落葉松林，在林分內(nèi)選取50 m×50 m作為標準地，然后將樣地分成10 m×10 m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)，與此同時測量胸徑、樹高、冠幅、枝下高等因子；對于灌木的測定，選取5 m×5 m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4角和中心設(shè)置1 m×1 m的樣方進行調(diào)查，需要記錄其種類、數(shù)量、高度、蓋度。

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1.5 m×0.2 m)，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1.5 m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10 L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1.5 cm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10 L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

林冠截留量通過觀測的林外降雨量、穿透雨量、樹干徑流量計算求出：

I=P-(Pt+S)

(1)

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

(2)

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

試驗的時間為2013年6—10月，在試驗過程中總共記錄了15次有效降雨，最大降雨量25.54 mm，最小降雨量2.56 mm，降雨總量165.02 mm，平均每次降雨量為11.00 mm，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59.44%，39.20%，1.36%。

表1 落葉松林內(nèi)降雨再分配

15次降雨過程中，穿透雨量占主要部分(表1)，為了更好地了解林內(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，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=0.7964x-1.4439，在降雨初期不會產(chǎn)生穿透雨，當降雨量達到1.18 mm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=0.988 6)，由圖1可見，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

由表1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=0.755 9)，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，林冠截留率與林外降雨量呈二次冪函數(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

由表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。對于本研究的落葉松林來說，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1 m測量周長和所有樹皮的開裂弧長，弧長與所對應(yīng)的周長之比就是這個圓柱體的粗糙度，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) 15次降雨過程中，穿透雨量要占主要部分，林外降雨和穿透雨呈線性關(guān)系，在降雨初期不會產(chǎn)生穿透雨，當降雨量達到1.18 mm時開始出現(xiàn)穿透雨，用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=0.988 6)，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，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，穿透率與降水量的相關(guān)性也達到極顯著水平(p<0.01)，隨著降雨量或降雨強度的增加，穿透率呈上升趨勢并且逐漸趨于穩(wěn)定。

(2) 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)。而林冠截留率與林外降雨呈二次冪函數(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。

(3) 樹干徑流量占林外降雨總量的比例非常小，樹干徑流與林外降雨量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。

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Study on Effect ofLarixprincipis-rupprechtiiMayr Plantation on Rainfall Redistribution Processes in the Mulan-Weichang

ZHANG Ning1, LU Guiqiao1, GUO Binliang2, ZHANG Guoqiang3,YANG Chao1, MA Xiaoxin1, ZHANG Jianhua3

(1.CollegeofForestry,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071001,China; 2.ForestryBureauofBaoding,Baoding,Hebei071000,China; 3.Mulan-WeichangForestryAdministrationofHebeiProvince,Weichang,Hebei068450,China)

In order to explore the process ofLarixprincipis-rupprechtiiMayr forest on rainfall redistribution, throughfall, canopy interception and stem flow were monitored inLarixprincipis-rupprechtiiMayr forests of the north valley in Mulan-Weichang Forestry Management Bureau. The results showed that: (1) throughfall and interception ratio of rainfall outside of forest volume were larger, the trunk runoff proportion was very little, which was 59.44%, 39.20%, 1.36%, respectively; (2) throughfall and rainfall appeared to be a linear relationship (R2=0.988 6), the canopy interception and rainfall outside the forest also had the obvious power function relationship (R2=0.755 9), trunk diameter flow had remarkable linear relation with the rainfall outside the forest (R2=0.755 9) at the extremely significant level (p<0.01); (3) according to the equation on the throughfall and the rain outside of forest, when the rainfall was higher than 1.81 mm outside the forest, the throughfall would occur, based on the equation on rainfall outside the forest and tree trunk runoff, the trunk runoff would produce when rain outside the forest was greater than 5.18 mm. Canopy played a very important role in the redistribution of rainfall, the formation of a secondary rain.

Larixprincipis-rupprechtiiMayr; rainfall redistribution; canopy interception

2014-10-30

2014-11-10

河北省科技廳自然科學(xué)基金“河北省灤河流域水源林經(jīng)營關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(15227652D);河北省科技廳軟科學(xué)項目“國有林場經(jīng)營管理機制存在問題及改革模式研究”(13457525)

張寧(1989—),女,河北衡水人,在讀碩士研究生,研究方向為森林可持續(xù)經(jīng)營。E-mail:937962206@qq.com

陸貴巧(1963—),女,河北正定人，博士，教授，主要從事森林經(jīng)營研究。E-mail:guiqiaolu@126.com

S715

1005-3409(2015)05-0321-04