青海大通白樺林冠層降雨再分配與冠層結(jié)構關系研究

黃團沖，賀康寧，王先棒

(北京林業(yè)大學 水土保持學院，國家林業(yè)局水土保持重點實驗室，北京市水土保持工程技術研究中心，林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心，北京 100083)

冠層是森林與外界接觸最為活躍的界面，是森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮其水文生態(tài)功能的主要執(zhí)行者[1-2]，大氣降雨經(jīng)過冠層后重新分配為穿透雨、樹干莖流和冠層截留[3]，研究降雨在林冠的作用下再分配具有重要的意義。冠層通過對降雨的截留與緩沖減弱了雨滴侵蝕動能，通過遮蔭減少地表蒸發(fā)，調(diào)節(jié)河川徑流，維持生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)和水量平衡[4]。林冠對降水的再分配是水分輸入森林的第一個環(huán)節(jié)，國內(nèi)外很多學者對森林對降雨再分配進行了大量的研究[5-11]，其中對白樺林降雨再分配的研究主要集中在東部低海拔地區(qū)[12-17]，而在西北部高海拔地區(qū)研究較少，且在林冠結(jié)構特征對降雨再分配方面的影響很少深入探討，所以本研究以青海大通寶庫林場的白樺林為研究對象，在分析其林冠結(jié)構特征的基礎上，對穿透雨、樹干流、林冠截留進行分析與研究，為青海大通白樺林地的水量平衡及森林生態(tài)系統(tǒng)水文功能機理研究提供理論指導和科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于青海省東部的大通縣寶庫林場，地處青藏高原和黃土高原過渡地帶，100°28′-101°38′E，36°11′-37°19′N，總面積3 114 hm2，年均氣溫2.9℃，最暖月平均氣溫16℃，最冷月平均氣溫-11.7℃。最大凍土深度114 cm，最大積雪厚度18 cm。年降水量556 mm，年平均蒸發(fā)量1 290 mm，降水主要集中在6-9月，降雨季節(jié)分配不均，年平均相對濕度56%。年內(nèi)無霜期47 d，地勢西北高東南低，屬高原大陸性氣候。土壤發(fā)育脆弱，熟化程度較低，保肥性能差。海拔2 610～4 235 m，平均森林覆蓋率為79.0%，主要喬木樹種有白樺(Betulaplatyphylla)、青海云杉(Piceacrassifolia)、華北落葉松 (Larixprincipis-rupprechtii) 等，主要灌木種有峨嵋薔薇(Rosaomeiensis)、山生柳(Salixoritrepha)、金露梅(Potentillafruticosa)、秦嶺小檗(Berberiscircumserrata)等，主要草本物種有問荊(Equisetumarvense)、東方草莓(Fragariaorientalis)、苔草(Carexsp.)等。

2 研究方法

2.1 樣地設置

在研究區(qū)白樺林地內(nèi)選擇位于陽坡，林齡近似，具有不同密度的12個標準地(10 m×10 m)，并調(diào)查其密度、胸徑、樹高、冠幅等指標(表1)。利用冠層分析儀的魚眼鏡頭進行定點拍照提取林冠層的冠層孔隙度、葉面積指數(shù)(LAI)、郁閉度等參數(shù)。

表1 青海大通白樺林樣地基本情況Table 1 Basic situation of B.platyphylla forest plots in Qinghai Datong

2.2 林外降雨量的測定

在標準地旁邊的空地上布置2個直徑為200 mm的標準雨量筒，離地面約70 cm，雨量筒上緣高于附近地被植物，實時觀測研究區(qū)的林外降雨量。

2.3 林內(nèi)穿透雨的測定與計算

在樣地內(nèi)每隔2 m沿等高線平行布設4個雨量槽(100 cm×20 cm×25 cm)，雨量槽用木樁固定在地面上，槽身稍微傾斜，下端用塑料管連接一加蓋塑料桶以收集雨水，每場降雨后收集的雨水倒入標準雨量筒中即可得穿透雨深，樣方內(nèi)4個觀測點的穿透雨深平均值作為該樣方穿透雨深。

2.4 樹干徑流的觀測與計算

在不同樣地內(nèi)分別選取樹干徑級具有代表性的標準木5株，在標準木樹干離地約1.3 m處用聚乙烯橡膠管呈30°角纏繞，用釘子固定，橡膠管延中縫剪開做成集水槽，用密封膠將樹干與橡膠管之間縫隙密封，將橡膠管下端伸入加蓋塑料桶中，每次降雨后立即測量桶中雨水體積。用各徑階的樹干莖流體積與相應各徑階株數(shù)相乘之和除以樣地面積即可得到林分的樹干徑流量。

2.5 林冠截留量的計算

根據(jù)水量平衡的原理，通過觀測的林外降雨量、穿透降雨量和樹干莖流量計算求出林冠截留量：

I=P-(T+S)

(1)

式中，P為林外降雨量，T為穿透降雨量，S為樹干莖流量，I為林冠截留量。

2.6 葉面積指數(shù)、郁閉度和冠層孔隙度提取

利用WinSCanopy 2006軟件配備的冠層分析儀在多云或者晴朗天氣的7:00-9:00對冠層進行拍照，避免直射光照射產(chǎn)生的光斑，相機支架約離地面1.3 m，去除曝光過度的照片再進行分析，獲得林冠層葉面積指數(shù)和冠層孔隙度，冠層郁閉度=(1-冠層開闊度)×100%。觀測期提取冠層孔隙度、葉面積指數(shù)和郁閉度(表2)。

表2 各樣地葉面積指數(shù)、郁閉度、冠層孔隙度Table 2 The leaf area index,canopy density and canopy porosity of plots

3 結(jié)果與分析

3.1 白樺林外降雨特征

觀測時間從2016年5月15日-8月18日，共記錄25場降雨(圖1)，總降雨量為243.24 mm，平均每次降雨量為9.7 mm，其中小雨15次(日降雨量≤10 mm)，中雨8次(日降雨量10.0～24.9 mm)，大雨1次(日降雨量25.0～49.9 mm)，暴雨1次(日降雨量50.0～99.9 mm)，各占總降雨次數(shù)的60%、32%、4%、4%，降雨主要集中在7-8月，7月份最多。

3.2 白樺林內(nèi)穿透雨特征

研究期間觀測到的林內(nèi)穿透雨總量為185.61 mm，占整個研究期間降雨總量的76.31%，穿透雨量與林外降雨有著較好的冪函數(shù)關系(圖2)，擬合方程為y=0.370 4x1.248 4，R2= 0.995 2，穿透雨隨著林外降雨的增大而增大。而穿透雨率隨著林外降雨量的增大先增大后趨于平穩(wěn)，降雨量與穿透雨率有著很好的對數(shù)關系，其方程式為y=14.359ln(x)+34.898，R2= 0.882 8。穿透雨率在降雨量較小時誤差較大，為了研究白樺林內(nèi)穿透雨的空間異質(zhì)性，采用變異系數(shù)(C)來衡量不同降雨特征條件下穿透雨的變異程度:

(2)

圖1 研究區(qū)林外降雨季節(jié)動態(tài)Fig.1 Seasonal dynamics of forest rainfall outside the study area

圖2 穿透雨量、穿透雨比例與降雨量關系Fig.2 The relationship between rainfall and throughfall and throughfall ratio

由圖3可以看出，穿透雨變異系數(shù)隨著降雨量的增大先急劇減小后趨于平穩(wěn)，當降雨量為1 mm時，變異系數(shù)達59%，此時各樣地觀測點穿透雨空間變化最大，由此推測，當降雨量更小時，其變異系數(shù)將超過59%；當降雨量達到10 mm時，變異系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，在10%上下波動。這是由于在降雨剛開始時，由于雨量較小，降雨小部分直接穿過林窗，大部分被冠層所截留，采用簡易雨量筒觀測會產(chǎn)生較大誤差，隨著降雨的緩緩增大，冠層逐漸被雨滴所潤濕，透過林冠層的雨滴越來越多，穿透雨率與隨之增大，待冠層達到飽和時，穿透雨率達到平穩(wěn)，且此時穿透雨量占大氣降雨總量比例較大。

為了更好研究穿透雨與冠層結(jié)構特征關系，圖4顯示了林內(nèi)穿透雨量與葉面積指數(shù)、冠層孔隙度和郁閉度的關系，可以看出，在不同林外降雨量條件下，穿透雨量隨葉面積指數(shù)的變化趨勢也有不同，當降雨在0～10 mm時，穿透雨量與葉面積指數(shù)、冠層孔隙度、郁閉度關系都不明顯，當降雨>10 mm時，穿透雨量隨著葉面積指數(shù)、郁閉度的增大而緩慢減小，隨著冠層孔隙度的增大而有所增大。雨量較小時，降雨大部分被冠層所截留，冠層結(jié)構特征對穿透雨影響較小，降雨增大后，隨著葉面積指數(shù)和郁閉度的增大，單位林地面積上葉片、枝干越多，對降雨的攔擋越大，從而導致穿透雨越小。相反冠層孔隙度越大，對降雨遮擋物越少，直接穿過冠層的降雨越多。

圖3 穿透雨變異系數(shù)與降雨量關系Fig.3 Relationship between rainfall variation coefficient and rainfall

圖4 林內(nèi)穿透雨量與葉面積指數(shù)、冠層孔隙度和郁閉度的關系Fig.4 Relationship between throughfall and leaf area index,canopy porosity and canopy density in forest

冠層孔隙度、葉面積系數(shù)、郁閉度與穿透雨量的回歸方程：

y=0.032 6x1-1.111 4x1+21.264，R2=0.859 1

y=2.351 7x2-16.982x2+42.359，R2=0.968 4

y=-16.73ln(x3)+10.308，R2=0.927 0

式中，x1代表冠層孔隙度，x2代表葉面積指數(shù)，x3代表郁閉度，y代表穿透雨量。為研究不同的葉面積指數(shù)、郁閉度和冠層孔隙度共同對穿透雨量的影響，本研究采用多元線性回歸的方法，建立穿透雨量與葉面積指數(shù)、郁閉度和冠層孔隙度的回歸方程，運用SPSS軟件、線性回歸得到不同結(jié)構指數(shù)與穿透雨量的關系為：

y=31.722-0.151x1-1.906x2-13.06x3

將上述模型系數(shù)標準化為:

y=-0.528x1-0.771x2-0.627x3

由標準化偏回歸系數(shù)可見，葉面積指數(shù)對穿透雨量影響最大。

3.3 白樺林樹干莖流特征

干流主要由降雨落在葉面或者小枝上匯流至主干流到林地[18]，樹干莖流雖然在冠層水分再分配中占據(jù)較小比例，但對于植被生長及養(yǎng)分循環(huán)具有重要作用[19]。研究期間觀測到的樹干莖流總量為2.49 mm，占降雨總量的1.02%，單次降雨樹干徑流量變化范圍為0.00～0.85 mm，由圖5可以看出樹干莖流量與林外降雨量有著極顯著相關關系，樹干莖流量隨著林外降雨量的增大而增大，擬合關系式為y=0.014 1x-0.037 6，R2=0.945 3，當降雨量較小時，樹干莖流增加緩慢，當降雨量>18 mm時開始快速增加，觀測到產(chǎn)生樹干莖流的降雨有13場，且只有降雨量>3.32 mm才開始產(chǎn)生樹干徑流。樹干莖流率與林外降雨量有著顯著性的對數(shù)函數(shù)關系，其方程式為y=0.347ln(x)-0.111 7，R2=0.870 6，樹干莖流率隨著降雨量的增大而增大。

3.4 白樺林冠截留特征

通常采用林冠截留率(林冠截留量與降雨量的比值)表示(圖6)，觀測期內(nèi)林木冠層截留總量為56.55 mm，占同期降雨總量的23.25%，單次降雨林冠截留率7.51%～66.61%，截留量范圍為0.66～4.68 mm。由圖6可知，林冠截留率隨著降雨量的增大先急劇減小后逐漸趨于穩(wěn)定，降雨量<14 mm時，林冠截留率最大可達66.61%，當降雨量>14 mm后林冠截留率變趨于穩(wěn)定。林冠截留量則隨著降雨量的增加而增加，且增長速度逐漸減緩。

圖5 樹干莖流量、樹干莖流率與降雨量關系Fig.5 Relationship between stem flow,trunk stem flow rate and rainfall

圖6 冠層截留量、冠層截留率與降雨量關系Fig.6 The relationship between canopy interception,canopy interception and rainfall

林冠截留除了降雨量對其有影響外，冠層結(jié)構指標也有著重要影響，由圖7可以看出，葉面積指數(shù)、冠層孔隙度、郁閉度都與林冠截留有著較好的線性關系，林冠截留率隨著葉面積指數(shù)和郁閉度的增大而增大，郁閉度和葉面積指數(shù)越大，單位林地面積上樹木枝、葉、干吸收和欄截了更多的降雨，增加了林冠截留量。冠層孔隙度越大，更多的降雨直接穿過冠層，導致林冠截留得越少。

林冠特征與冠層截留率的回歸方程：

y=-0.125 2x12+3.853 3x1+3.449，R2=0.597 4

y=-6.820 1x22+56.435x2-80.792，R2=0.789 8

y=114.82x3-72.029，R2=0.766 2

式中，y代表冠層截留率。

為研究不同的葉面積指數(shù)、郁閉度和冠層孔隙度共同對林冠截留率的影響，本研究采用多元線性回歸的方法，建立林冠截留率與葉面積指數(shù)、郁閉度和冠層孔隙度的回歸方程，運用SPSS19.0軟件，線性回歸得到不同結(jié)構指數(shù)與林冠截留率的關系為：

y=-102.612+0.975x1+12.052x2+83.276x3

將上述模型系數(shù)標準化為:

y=0.541x1+0.774x2+0.635x3

由標準化偏回歸系數(shù)可見，葉面積指數(shù)對冠層截留率影響最大。

圖7 林冠截留率與葉面積指數(shù)、冠層孔隙度、郁閉度關系Fig.7 The relationship between leaf interception rate and leaf area index,canopy porosity and canopy closure

3.5 白樺林對降雨的再分配

研究期間，25場降雨的總穿透雨量、樹干莖流量、截留量分別為166.22、2.06、74.97 mm，從白樺林對降雨的再分配可以看出(表3)，隨著雨量級的不同，穿透雨、樹干莖流、林冠截留也發(fā)生著較大的變化，雨量級較小時，干流量、干流率、穿透雨量、穿透雨率均為最小值，但截留率為最大值，雨量級較大時，干流量、干流率、穿透雨量、穿透雨率均為最大值，但截留率為最小值。

表3 白樺林降雨再分配Table 3 Rainfall redistribution table of B.platyphylla forest mm,%

4 結(jié)論與討論

分析發(fā)現(xiàn)，研究期間穿透雨總量為185.61 mm，占降雨總量的76.31%，且穿透雨量隨著降雨量的增大而增大，穿透雨量與林冠結(jié)構特征的關系隨著降雨量大小而有所不同，雨量較小時，由于觀測設備精確度較小，因此穿透雨量隨冠層結(jié)構特征的變化不明顯，隨著降雨量的增大，發(fā)現(xiàn)穿透雨量隨著葉面積指數(shù)和郁閉度的增大而減小，隨著冠層孔隙度的增大而增大。與其他地區(qū)對白樺林的研究相比，田野宏[14]等發(fā)現(xiàn)大興安嶺北部白樺次生林穿透雨率為84.27%，段旭[16]等發(fā)現(xiàn)六盤山白樺林穿透雨率為85.91%，鞏合德[4]等在川西亞高山研究白樺林穿透雨率為80.9%，本研究的穿透雨率要小于這幾者，其原因是因為穿透雨除了受林外降雨量的影響外還受冠層結(jié)構特征的影響，本研究區(qū)林分密度要遠大于前兩者，因此其葉面積指數(shù)和郁閉度等冠層結(jié)構指數(shù)也相應更加大，導致穿透雨率的減小。

整個研究期間，樹干莖流總量為2.49 mm，占降雨總量的1.02%，樹干莖流率要高于鞏合德[4]等(0.3%)、段旭[16]等(0.33%)研究結(jié)果，低于田野宏[14]等、蔡體久[17]等的研究結(jié)果，降雨量>3.32 mm時才開始產(chǎn)生干流。樹干莖流量和樹干莖流率都隨著降雨量的增大而增大，但徑流量先緩慢增加后急劇增加，而徑流率增速漸漸減小。樹干莖流量占林外降雨量比例較小，但在增加林分養(yǎng)分促進林木生長方面起著重要的作用。樹干莖流除了受降雨量影響外，還受降雨強度、枝下高、冠層厚度、枝角、樹皮粗糙度等因素的影響，這在以后的研究中需要進一步改善。

研究期間林冠截留總量和截留率分別為56.55 mm、23.24%，降雨量對林冠截留有較大影響[20]，方程式為y=1.118 9ln(x)+0.487 1，R2=0.829 5，隨降雨量的增加先增加后趨于穩(wěn)定，截留率與降雨量呈冪函數(shù)相關關系，回歸方程為y=74.333x-0.445，R2=0.826 9，隨降雨的增加逐漸下降最后穩(wěn)定趨于最低值。林冠截留與冠層結(jié)構有著密切的關系，通過回歸發(fā)現(xiàn)截留率隨著葉面積指數(shù)和郁閉度的增加而增大，隨著冠層孔隙度的增大而減小，進一步通過回歸發(fā)現(xiàn)葉面積指數(shù)對林冠截留影響最大，本研究得出的林冠截留率要小于段旭[16]等、鞏合德[4]等、田野宏[14]等、蔡體久[17]等國內(nèi)不同地區(qū)所得出的結(jié)果，這是由于本次試驗樣地密度較大，所測得葉面積指數(shù)較大，而葉面積指數(shù)與林冠截留率呈負相關關系。A.I.J.M.V.Dijk[21]等發(fā)現(xiàn)，林冠截留和穿透雨均與葉面積指數(shù)有著顯著的關系，這與本研究結(jié)果一致，在本研究冠層孔隙度、葉面積指數(shù)、郁閉度與穿透雨量和林冠截留率的關系時發(fā)現(xiàn)葉面積指數(shù)對兩者的影響最大。

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