Gash模型對冀北山地人工油松林樹干徑流特征的模擬

梁文俊，魏曦，朱寶才

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西 太谷　030801；2.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院交通信息中心，北京　100029)

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Gash模型對冀北山地人工油松林樹干徑流特征的模擬

梁文俊1，魏曦2，朱寶才1

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西 太谷030801；2.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院交通信息中心，北京100029)

摘要：【目的】 為了更好地研究冀北地區(qū)水文特征，驗證Gash模型對該地區(qū)樹干徑流的模擬效果.【方法】 通過長期野外樣地監(jiān)測和室內(nèi)數(shù)據(jù)處理，對油松人工林林外降雨與林內(nèi)穿透雨、林冠截留、樹干徑流進(jìn)行擬合，運(yùn)用Gash模型對該林分樹干徑流進(jìn)行模擬.【結(jié)果】 2013年圍場油松人工林林內(nèi)降雨量、樹干截留和樹干徑流分別占降水量的69.75%，26.87%，3.38%，樹干徑流比例不大.模型對該林分樹干徑流模擬的整體效果一般，實測值和模擬值分別為0.73 mm和0.55 mm，相對誤差為24.5%.【結(jié)論】 Gash修正模型基本上能夠反映該地區(qū)的樹干徑流實際情況，在該地區(qū)具有較好的適用性.

關(guān)鍵詞：油松人工林；樹干徑流；Gash模型；冀北山地

林冠截留是大氣降雨再分配和森林水循環(huán)的一個重要過程.林冠截留、穿透雨和樹干徑流是森林降水再分配的主要組成部分，這一過程國內(nèi)外研究較多[1],樹種從針葉到闊葉[2-6]，地區(qū)從溫帶到熱帶[7-8]都有研究.樹干徑流主要是降雨通過枝條、樹干最終滲入地下的一個過程[9-10]，雖然樹干徑流所占比例很小，但這部分水可以高度集中于根部土壤[11-12]，在這個過程中徑流沖刷樹干會攜帶大量的營養(yǎng)物質(zhì)，對土壤養(yǎng)分是一個很好的補(bǔ)充.對徑流模擬的模型較多，主要有經(jīng)驗、半經(jīng)驗和理論模型[13-15]，3種模型各有利弊.經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃唵蚊鞔_，但不能反應(yīng)截留具體過程；理論模型解決了經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷谋锥耍问綇?fù)雜、求解困難和較難普遍運(yùn)用在實際過程中.相比較半理論模型更加實用，像Rutter的微氣象模型、Calder的隨機(jī)模型和Gash的解析模型在熱帶許多地區(qū)得到了驗證和運(yùn)用，Gash修正模型很好地模擬了實際觀測值[16-18].

油松是華北地區(qū)低、中山的地帶性喬木樹種，這些地區(qū)現(xiàn)存的天然次生油松林已經(jīng)很少，大部分都是人工純林.本研究的目的在于研究河北圍場地區(qū)人工油松林樹干徑流的特征，分析不同情況下樹干徑流的差異，評價Gash修正模型在該地區(qū)樹干徑流的模擬效果，以期能為該地區(qū)樹干徑流提供一種合理的估算方法.

1研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)置在河北承德圍場界內(nèi)，地理坐標(biāo)為E 116°32′～118°14′，N 41°35′～ 42°40′，該地區(qū)是北京生態(tài)保護(hù)的一道重要屏障，是灤河的發(fā)源地.具有晝夜溫差大，冬長夏短、四季分明等氣候特征.平均氣溫在-1.4～4.7 ℃，夏季有暴雨、冰雹等惡劣氣候，日照較為充足.土壤主要有7類，以棕壤、褐土、風(fēng)砂土、草甸土為主，植物種類豐富，林區(qū)分布有油松、落葉松(Larixgmelinii)、山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)等人工林；沙棘(Hippophaerhamnoides)、山杏(Armeniacasibirica)、繡線菊(Spiraeasalicifolia)等灌木林[19].

2材料與方法

2.1觀測試驗

觀測樣地設(shè)置在河北木蘭國營林場的北溝林場，實驗時間在2013年5～10月，以油松人工林為研究對象，樣地面積為50 m×50 m，冠層覆蓋度為80%，葉面積指數(shù)為1.59，以5 cm為間距對樹木進(jìn)行分級并測量林木各項指標(biāo) (表1).

表1　樣地樹木基本情況

氣象數(shù)據(jù)：通過研究區(qū)設(shè)置的小型氣象站測量實驗所需的基本數(shù)據(jù)，包括降雨量、時間、風(fēng)速、溫度等.

林內(nèi)降雨量測定：通過自制集雨器測量林內(nèi)降雨量，集雨器大小規(guī)格為0.78 m×0.2 m的長方形鐵皮收集裝置,在樣地內(nèi)選取不同徑級標(biāo)準(zhǔn)木下放置降水收集器,每次降雨結(jié)束后及時測量降雨量.

樹干徑流測量：在樣地中選取標(biāo)準(zhǔn)木(每個徑級3株)后用塑料管剪開，螺旋纏繞在樹干上，在塑料管與樹皮接觸的地方使用玻璃膠進(jìn)行粘合，在塑料管的下端接一個10 L塑料桶收集樹干流，每次降雨結(jié)束后，人工進(jìn)行測量塑料桶內(nèi)的干流量.

2.2Gash模型

Gash解析模型將林冠截留分為3個階段：加試期、飽和期和干燥期.用1995年修正的Gash模型對林地進(jìn)行劃分，分為有植被覆蓋和無植被覆蓋林地，并且每次必須至少留8 min的林冠干燥時間.修正的Gash模型計算公式為：

(1)

模型建立在幾個基本假設(shè)條件上，1)林冠未飽和前沒有水滴從林冠滴落；2)只有在林冠飽和以后才發(fā)生的樹干徑流；3)只有降雨結(jié)束才會發(fā)生蒸散.在這些假設(shè)基礎(chǔ)上還需設(shè)定許多參數(shù).

林冠達(dá)到飽和所必需的降雨量為：

(2)

樹干徑流計算公式為：

(3)

3結(jié)果與分析

3.1降雨情況

研究區(qū)2013年5～10月共測得有效降雨24次，降雨以中小雨為主，雨強(qiáng)不大.24次總降水量為398.89mm，最大降雨量為40.12mm，最大雨強(qiáng)7.95mm/h.日降雨量小于10mm的降雨量為7次，占降雨總次數(shù)的29.2%，大于30mm的大雨以及暴雨所占降雨次數(shù)的比例僅為8.3%.降水集中在6～8月份，主要出現(xiàn)在夜間.

采用水量平衡計算林冠截留量：

I=P-T-SFj

(4)

式中：I為林冠截留量(mm)；P為林外降雨量(mm)；T是穿透雨量(mm)；SFj是樹干徑流量(mm).使用SPSS專業(yè)統(tǒng)計分析軟件對試驗獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析和回歸分析.24次降雨量、林冠截留、穿透雨和樹干徑流見圖1.

圖1顯示了試驗期間24次降雨量、林冠截留量、穿透雨量和樹干徑流量.當(dāng)降雨量(40.12 mm)最大時，林冠截留、穿透雨和樹干徑流分別為31.44，6.89和1.73 mm.林冠截留、穿透雨和樹干徑流隨降雨量的變化而變化.

圖1　降雨量、林冠截留、穿透雨和樹干徑流Fig.1　Rainfall,canopy interception,throughfall and stemflow

3.2穿透雨

以實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，擬合穿透雨和降雨量，選擇R2最大值的方程作為它們之間擬合最佳模型.結(jié)果表明，穿透雨和降雨量兩者之間呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，即穿透雨量隨降雨量的變化而變化，即降雨量增大，穿透雨隨之增大，呈正相關(guān)關(guān)系，這種規(guī)律和國內(nèi)外的許多研究結(jié)果一致[10-12,26].經(jīng)過相關(guān)分析檢驗得出，穿透雨量與降雨量之間達(dá)極顯著相關(guān)水平(P<0.01)，降雨量與穿透率的相關(guān)性也均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，但隨著降雨量不斷增大，穿透率在上升一段后最終趨于穩(wěn)定水平(圖2).

圖2　穿透雨、穿透率和林外降雨的關(guān)系Fig.2　The relationship between rainfall and throughfall，throughfall rate

3.3林冠截留

通過選擇R2最大值確定林冠截留和降雨量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)林冠截留在降雨量分配中占有較大比例.林冠截留量與林外降雨量具有明顯的冪函數(shù)關(guān)系,回歸方程為：y=1.117x0.518，R2=0.765，式中,y為林冠截留量(mm);x為降雨量(mm)，其中降雨與截留的相關(guān)性也達(dá)到了極顯著水平(P<0.01).

3.4樹干徑流

從圖3可以看出,樹干徑流與降雨量也具有明顯的線性相關(guān)關(guān)系,回歸方程:y=0.045 4x-0.202 4，R2=0.89，并且林外降雨與樹干徑流的相關(guān)性水平達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)，樹干徑流隨降雨量的增大而增大.干流率隨著降雨量的增大剛開始呈增大的趨勢，隨著雨量不斷增大和降雨時間的延續(xù)，樹干徑流率趨于平穩(wěn)的狀態(tài).

圖3　油松林外降雨量與樹干徑流及徑流率的關(guān)系Fig.3　The relationship between rainfall and steamflow，steamflow rate

修正模型要求在林冠飽和以后才產(chǎn)生樹干徑流.分析圖3可以發(fā)現(xiàn)，樹干徑流有一定的時滯性，大約降雨量達(dá)到4.618 mm時才開始有干流出現(xiàn)，這與Gash的要求基本符合；干流率隨著降雨的增加逐漸趨于穩(wěn)定，如果降雨歷時足夠長的話，干流率將處于平穩(wěn)狀態(tài).

3.5樹干徑流模擬

3.5.1基礎(chǔ)參數(shù)結(jié)合研究區(qū)其他測量數(shù)據(jù)，依據(jù)公式(1～3)進(jìn)行計算.平均蒸發(fā)速率E通過降雨量PGj和林冠截留量Ij之間回歸關(guān)系可以確定；平均降雨強(qiáng)度通過降雨量和截留量回歸關(guān)系的斜率可以確定；林冠枝葉部分持水能力(S)通過降雨量和穿透雨量之間的回歸關(guān)系確定(圖2)；樹干持水能力(St)和樹干徑流系數(shù)(Pt)由降雨量和干流量關(guān)系可以確定(圖3)；2013年平均降水強(qiáng)度E為3.52 mm/h，平均蒸發(fā)率為1.24×10-1mm/h，林冠枝葉部分持水能力(S)為0.75 mm，樹干持水能力(St)和樹干徑流系數(shù)(Pt)為0.2 mm和0.045.

通過計算在研究區(qū)林冠達(dá)到飽和的降雨量為4.65 mm，產(chǎn)生樹干徑流林外降雨為7.04 mm，即林外降雨大于7.04 mm時，才可能有徑流產(chǎn)生，可以用Gash模型進(jìn)行模擬.據(jù)此可以排除4次干流較小的數(shù)據(jù)，這些干流可能是由于雨滴方向或風(fēng)向使降水未流經(jīng)樹干直接進(jìn)入PVC管內(nèi)形成的，也可能由于樹干潮濕等因素造成的，也是實測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生差異的原因.

圖4　樹干徑流模擬值與實測值Fig.4　The simulation and measured values of stemflow

從圖4還可看出，整體上實測值大于模擬值，降雨量越大，模擬誤差越大，主要是雨量較大時有部分雨量直接流入塑料桶；干流量在0.2～0.6 mm時，模擬精度較高.Gash模擬單次干流結(jié)果相對誤差范圍在17.23%～63.03%，單次模擬誤差范圍比較大；模型對該林分干流模擬的整體效果相對較好，實測值和模擬值分別為0.73 mm和0.55 mm，相對誤差范圍為24.5%，對于受多因素影響的干流來說也在合理的范圍內(nèi)，說明Gash模型可以較好地模擬該地區(qū)的樹干徑流量.

4討論與結(jié)論

1)華北土石山區(qū)油松人工林林下降雨、林冠截留與大氣降雨呈直線關(guān)系，樹干徑流雖然較小，但在森林水文循環(huán)中有著非常重要作用.樹干徑流的形成是一個復(fù)雜的過程，受到氣象因素(雨量、雨強(qiáng)、降雨時間等)，樹種特征(胸徑、樹皮粗糙度、冠幅、葉片、樹枝傾角等)以及林內(nèi)植物種的影響.Gash修正模型基本上可以模擬冀北山區(qū)油松的樹干徑流，雖然單次模擬效果一般，但年平均模擬值有一定參考價值.

2)Gash涉及的參數(shù)很多，各參數(shù)之間有著相互的關(guān)聯(lián)，但本研究利用了較為成熟的參數(shù)值使得模擬結(jié)果科學(xué)可靠.但是由于樹干徑流量受樹種、林分郁閉度、胸徑等較多因素影響，從徑流自身來說在截留中所占比例較小.這些因素造成樹干徑流的測量和模擬難免會出現(xiàn)誤差.本研究顯示，單次降雨過程中受到很多因素的影響，模型對單次降雨量的模擬效果較差，誤差較大，但對較長時間的樹干徑流模擬效果很好，說明Gash修正模型對本地區(qū)有著較好的適應(yīng)性.本研究Gash修正模型可以較好的模擬冀北地區(qū)油松干流特征,可為研究河北人工油松林水分循環(huán)提供一定參考.

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(責(zé)任編輯胡文忠)

Study on simulation of Gash model to stemflow of planted pinus forests in mountain of northern of Hebei

LIANG Wen-jun1,WEI Xi2,ZHU Bao-cai1

(1.College of Forestry,Shanxi Agricultural University,Taigu 030801,China;2.Information Centre of Transportation ,China Academy of Transportation Sciences,Beijing 100029,China)

Abstract：【Objective】 In order to study hydrological characteristics in mountain of Northern of Hebei,verified Gash model in the region stemflow simulation effect.【Method】 Used field plots monitoring in a long-term and indoor data analysis,to fit the relationship of rainfall,throughfall,steamflow and canopy interception.In addition,Gash model was used to simulation the steamflow.【Result】 The results showed that the rainfall,canopy interception and stemflow accounted for 69.75%，26.87%,3.38% of gross rainfall,while the stemflow was small.Because of the basic of characteristic stemflow,simulation of stemflow agree well with the measured values for the growing season.The values of simulation and observed were 0.73 mm and 0.55 mm,the relative differences between the Gash modeling results and field measurements were 24.5%.【Conclusion】 It is suggested that the Gash analytic model could be used for estimating stemflow interception in this area.

Key words：artificial Pinus tabulaeformis plantation；stemflow；Gash model；mountain of northern Hebei

通信作者：魏曦，碩士研究生，工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)的研究.E-mail：379795261@qq.com

基金項目：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動項目(2014YJ19).

收稿日期：2015-05-21；修回日期：2015-06-29

中圖分類號：S 715

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-4315(2016)02-0088-05

第一作者：梁文俊(1983-)，男，博士，研究方向為森林水文.E-mail：liangwenjun123@163.com