廬山日本柳杉林下穿透雨時空分布特征

鄧文平,郭錦榮,鄒 芹,陳 琦,黃家輝,盧妍潔, 劉苑秋

1 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 南昌 330045 2 珠海市自然資源局, 珠海 519015 3 江西廬山國家級自然保護區(qū)管理局, 九江 332000 4 鄱陽湖流域森林生態(tài)系統(tǒng)保護與修復(fù)國家林業(yè)和草原局重點實驗室, 南昌 330045

森林與水的關(guān)系一直以來都是生態(tài)水文學(xué)的重要問題之一。森林冠層作為降水到達(dá)地面過程中的第一作用層,對降水進行第一次再分配,具有重要的水文功能和生態(tài)水文意義。而穿透雨作為降水再分配中最主要的組成部分,林冠層的作用將會對其時空分布格局產(chǎn)生重要影響,并進而影響林地土壤水分分布、養(yǎng)分循環(huán)利用、以及穿透雨中元素濃度和沉積、根系生長和徑流形成等[1]。因此其在樣地尺度水文、生物地球化學(xué)和生態(tài)過程中占有極其重要的地位[2]。

穿透雨的形成及空間分布受到降雨特性(降雨量和降雨強度)和林分結(jié)構(gòu)(林分分布和葉面積指數(shù)(Leaf area index, LAI)的影響[3]。大量的研究認(rèn)為降雨量是林內(nèi)穿透雨量的決定因素,隨著林外降雨量的增加林內(nèi)穿透雨量也逐漸增加,兩者呈線性關(guān)系[4]。對林內(nèi)穿透雨率來說,其隨著林外降雨量的增加前期迅速增加而后達(dá)到穩(wěn)定,大部分研究經(jīng)統(tǒng)計后認(rèn)為二者之間呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系[4- 7]。林分結(jié)構(gòu)因素中對葉面積指數(shù)的分析較多,穿透雨率與葉面積指數(shù)之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,且隨降雨量增大相關(guān)性減弱。因此在穿透雨量及其主要影響因素間的關(guān)系是有一定結(jié)論的。

但是,穿透雨的輸入隨著空間和時間具有很高的變化,即隨著降雨的進行,從林冠到林下,形成穿透雨和溶質(zhì)輸入的“熱點”和“熱時刻”[8- 10]。目前,關(guān)于穿透雨時空異質(zhì)性及其影響因素的研究也在逐漸增多,但無論是從林分尺度[11- 12]還是在單株尺度的分析[13- 15],并未形成統(tǒng)一的結(jié)論。尤其是在林分尺度的分析,不同樹種結(jié)論各異。李振新等[16]對岷江流域冷杉針葉林穿透雨研究發(fā)現(xiàn),林下不同觀測點穿透雨率具有顯著的差異,且各觀測點正上方的冠層及枝葉性質(zhì)對穿透雨的空間分布也有一定影響。盛后財?shù)萚17]研究發(fā)現(xiàn)興安落葉松林下穿透雨空間異質(zhì)性變異程度隨降雨量的增加而減小,以對數(shù)方程擬合較好(P<0.01);冠層結(jié)構(gòu)特征是影響穿透雨空間變異的重要因素,冠層復(fù)雜程度與穿透雨量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；在冠層結(jié)構(gòu)因子中,冠層厚度是決定穿透雨空間分布的最主要因素。 曹云等[18]對中亞熱帶杜仲(Eucommiaulmoides)人工林水文特征研究發(fā)現(xiàn),距樹干距離和降雨量能夠影響穿透雨的空間異質(zhì)性,即穿透雨率隨著與樹主干距離的增加而提高,但隨著降雨量的增加,穿透雨的空間變化減少,異質(zhì)性降低。Sinun等[19]在熱帶雨林中的研究認(rèn)為林冠密度和樹種差異與穿透降水的空間分布沒明顯關(guān)系,起主導(dǎo)作用的可能是葉尖滴水。時忠杰等[20]分析六盤山華山松林下穿透雨空間變異影響因素發(fā)現(xiàn),冠層對穿透雨具有一定的聚集效應(yīng),且葉面積指數(shù)對穿透雨的空間分布影響最大。Pérez-Suárez等[21]研究也表明,隨著LAI增大穿透雨量降低。曹光秀等[22]基于Kriging插值法分析磨盤山常綠闊葉林穿透雨的空間分布發(fā)現(xiàn),大氣降雨量與穿透雨量呈正相關(guān)關(guān)系,葉面積指數(shù)與其呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。雨量較小時各觀測點林內(nèi)穿透雨的大小分布與觀測點上方的林木結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系,雨量較大時穿透雨的分布更隨機,規(guī)律性較小,受其他隨機因素影響更多。但是也有研究認(rèn)為葉片對降雨有聚集效應(yīng),葉面積指數(shù)大的地方,穿透雨率也大；而Teale等[23]認(rèn)為降雨分配模式與LAI無顯著關(guān)系。不同地區(qū)無論是從樹種還是單一林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)分析穿透雨的時空變異性得到不同的結(jié)論。

日本柳杉(Cryptomoriajaponica)在廬山主要分布在700 m海拔以上的地區(qū),是該地的主要造林樹種,發(fā)揮著重要的水源涵養(yǎng)、凈化大氣環(huán)境、森林游憩等生態(tài)功能。目前對該樹種的研究主要集中于水分生理生態(tài)[24- 26]、毛竹入侵及其水分關(guān)系[27]的影響方面,因此,有必要對日本柳杉林的水循環(huán)過程進行研究,從而為其水源涵養(yǎng)服務(wù)功能效益評價提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本研究將對日本柳杉林降雨再分配的時空異質(zhì)性及其主要影響因素進行初步的分析和探索,以期能促進對日本柳杉林冠層水分傳輸?shù)睦斫?并為其水文調(diào)節(jié)功能評價提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西廬山國家級自然保護區(qū)內(nèi)(廬山森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站),地理位置為115°52′38″—116°05′25″ E,29°25′18″—29°39′57″ N。處于北亞熱帶向中亞熱帶過渡的季風(fēng)濕潤氣候區(qū)。多年平均溫度11.6℃,最低月平均溫度為一月-4.1℃,最高月平均溫度為七月22.3℃,年平均降水量為2068.1 mm,年日照時數(shù)1715 h。特殊的氣候特征和復(fù)雜地形,形成了多樣的生境,具有豐富的生物多樣性,植被沿海拔梯度呈明顯的垂直分布規(guī)律,自下而上分布有常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、落葉闊葉林、針闊混交林、針葉林、山頂矮林、人工柳杉林、毛竹林等,其中天然常綠落葉闊葉混交林森林生態(tài)系統(tǒng)具有典型性和代表性,而人工林以針葉林為主,其中最具代表性的樹種為20世紀(jì)中葉營造的日本柳杉林,面積約為330 hm2,平均蓄積297.3 m3/hm2,主要分布海拔在500—1300 m。

本實驗在海拔960 m處選擇長勢良好、林相整齊且胸徑大小變化豐富的日本柳杉林分,設(shè)置一塊30 m×30 m面積的長期固定觀測樣地,通過每木檢尺確定樣地內(nèi)林木的基本特征。利用機械布點的方法,布設(shè)穿透雨和樹干徑流觀測設(shè)施。觀測樣地的具體信息詳見表1和圖1。

表1 觀測樣地主要林分特征

1.2 降雨、穿透雨、樹干徑流觀測方法

1.2.1大氣降雨的觀測

在所選樣地的林分邊緣200 m處的林外開闊地上布設(shè)自計式翻斗雨量計(由美國 Onset HOBO公司生產(chǎn),型號為RG3-M),對林外降雨量和降雨強度進行實時的觀測,觀測頻度為5 min,降雨量觀測精度為0.2 mm。

1.2.2林內(nèi)穿透雨的收集及觀測方法

林內(nèi)穿透雨的收集采用自制的雨量筒,它是由內(nèi)徑為20 cm的漏斗(截面積為314.16 cm2/筒)通過塑料管與2.5 L的收集瓶連接組成的,漏斗放置在同樣直徑大小的硬質(zhì)PVC管(打入土壤20 cm)上以保持收集面水平和穩(wěn)定。在30 m×30 m的日本柳杉林樣地內(nèi)依據(jù)機械布點的方式(遇到布設(shè)點位處有樹木和巖石時,略微進行了垂向偏移),布點時先利用50 m皮卷尺將樣地劃分為6行6列的方格,再取第一行中間位置處放點,由于布點位置可能與樣地內(nèi)的喬木位置重疊,或者布點位置不便于放置收集桶,采取根據(jù)現(xiàn)場情況進行平移或上下移動,最終布設(shè)完成時縱坐標(biāo)均值分別為3.5、9.5、14.5、18.5、23.5、27.5,行方向上按照5 m的點位間隔,不同行交叉排列,最后4個雨量筒隨機插入第一行和第二行之間。共布設(shè)自制收集桶37處。在樣地中心以及四角(10 m×10 m)中心點處布設(shè)自計式雨量計5處,對穿透雨量及其變化過程進行觀測(圖1)。

圖1 林木及雨量筒空間分布Fig.1 The spatial distribution of forest and rain gauge

1.2.3葉面積指數(shù)觀測與分析

自2017年4—9月,利用Li-Cor公司(USA)生產(chǎn)的LAI- 2200植物冠層分析儀,在穿透雨采集點正上方測定其葉面積指數(shù)。觀測頻度約為每月觀測一次,共觀測6次,具體時間點分別為2017-04-16,2017-05-12,2017-06-06,2017-07-04,2017-08-18,2017-09-13；各月葉面積指數(shù)平均值為4.14,3.86,3.87,4.27,4.08,4.22,不同月份之間差異不顯著,因此在進行葉面積指數(shù)的處理時選擇不同月份的平均值。采用FV2200軟件分析確定在不同天頂角度下(53°、 38°、 23°、7°)采集點處的葉面積指數(shù),分析了不同天頂角度下葉面積指數(shù)與穿透雨率的相關(guān)性發(fā)現(xiàn),天頂角度7°時的葉面積指數(shù)與穿透雨率關(guān)系顯著的場次最多為6場,其余天頂角度23°、38°、53°分別為2場、0場、0場。因此選擇天頂角度7°時的葉面積指數(shù)進行分析。

1.2.4穿透雨時空變異系數(shù)計算

穿透雨的空間變異系數(shù)表示為單次降雨事件下不同觀測點穿透雨率的空間變異性,而時間變異系數(shù)指示為某一固定監(jiān)測點在不同場次降雨事件中穿透雨率的時間變異系數(shù),其計算方法參考裴成敏等[28]。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究期間降雨特征

依據(jù)距離樣地1 km處的林外空地氣象站記錄的降雨信息,將時間間隔超過4 h的降雨事件劃分為不同兩場場次降雨[17]。研究區(qū)降雨集中分布在4—9月,該時段內(nèi)多年平均降水量占降水總量的76.4%。研究期間(2017年4月—2017年9月)共記錄61場有效降雨事件,總累計降雨量1356.8 mm,最大降雨量為147.66 mm,最小降雨量為0.6 mm。

將場次降雨按照降雨量范圍0—10、10—25、25—50、>50 mm進行等級劃分(圖2),不同等級場次降雨發(fā)生頻數(shù)分別為33次、12次、7次、9次。觀測期內(nèi)降雨量主要集中在0—10 mm范圍內(nèi),隨著次降雨量的增大,林外降雨事件發(fā)生頻數(shù)下降。

從降雨強度分析(圖2),觀測期間內(nèi)平均降雨強度為4.5 mm/h,最大降雨強度為27.2 mm/h,最小降雨強度為0.1 mm/h,不同降雨強度范圍(<2、2—5、5—10、10—20、>20 mm/h)下的降雨事件數(shù)占比分別為44.26%、22.95%、21.31%、9.84%、1.64%。說明觀測期內(nèi)降雨強度集中在低強度<2 mm/h,且隨降雨強度增加林外降雨事件發(fā)生越少。

從降雨歷時來看(圖2),觀測期間內(nèi)平均降雨歷時10.38 h,最長降雨歷時43.18 h,不同降雨歷時(<1、2—6、6—12、12—24、>24 h)對應(yīng)的降雨事件發(fā)生頻數(shù)分別為8次、18次、15次、13次、7次。60%以上的降雨在12 h以內(nèi)結(jié)束,還有11.5%的降雨歷時超過24 h。

圖2 研究期間降雨特征Fig.2 Characteristics of gross rainfall during the study period

2.2 林下穿透雨特征及其空間變異性

對樣地內(nèi)37個穿透雨采樣點在21次降雨事件后的穿透雨量進行分析后,發(fā)現(xiàn)林下穿透雨率最大為222%,最小僅為2%,平均穿透雨率為80%,林下穿透雨率具有很大的空間變異性,不同次降雨事件下,穿透雨率空間變異系數(shù)最大為114%,最小僅為15%,因此林下穿透雨率及穿透雨的空間變異性與林外降雨特征關(guān)系密切。

圖3 穿透雨率、穿透雨變異系數(shù)與降雨量的關(guān)系 Fig.3 Relationship of gross rainfall versus throughfall percentage and CV of throughfall

通過對降雨量、降雨強度與穿透雨率、穿透雨空間變異系數(shù)的Person相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),日本柳杉林內(nèi)穿透雨率、標(biāo)準(zhǔn)偏差及其空間變異系數(shù)與林外降雨強度的相關(guān)性不顯著,而與降雨量的相關(guān)性極顯著(相關(guān)系數(shù)分別為r=0.699、-0.593、-0.693,P<0.01),即穿透雨率隨林外降雨量的增加呈增加的趨勢,空間變異系數(shù)和穿透雨率的標(biāo)準(zhǔn)偏差隨林外降雨量的增加而減小。通過回歸分析發(fā)現(xiàn),穿透雨率、空間變異系數(shù)與降雨量之間用對數(shù)函數(shù)、二次多項式、冪函數(shù)以及邏輯斯蒂方程進行模擬,回歸方程和回歸系數(shù)都能通過顯著性檢驗,但根據(jù)決定系數(shù)R2大小,本研究中穿透雨率與降雨量之間以二次多項式模擬效果最好(圖3),擬合方程為：

TF(%)=-0.0006P2+0.033P+0.520,R2=0.673,

P<0.01,n=21

(1)

式中,TF為穿透雨率(%),P為降雨量(mm)。

這與之前研究中普遍采用的冪函數(shù)[17,29]和對數(shù)函數(shù)[18,28]有不同之處。根據(jù)穿透雨的形成規(guī)律,從降雨開始至林冠層趨于飽和前,隨降雨量的增加穿透雨率逐漸增加,由于水分在冠層的運動過程中,其截留的部分雨水也會與后續(xù)的降雨混合后進入林地內(nèi),因此,會出現(xiàn)穿透雨率的后續(xù)一段時間的波動起伏。同時由于本研究觀測的林外降雨量最大為44 mm,未能呈現(xiàn)出降雨量繼續(xù)增大后的波動穩(wěn)定狀態(tài)。由此以二次多項式擬合方程效果最佳,由方程可知,日本柳杉林的林下穿透雨率趨于漸進值時的最小降雨量約為28mm。

穿透雨的空間變異系數(shù)與林外降雨量之間以冪函數(shù)模擬效果最好,擬合方程為：

CV(TF)=0.739P-0.368,R2=0.795,P<0.01,n=21

(2)

式中,CV為單次降水事件下林下穿透雨率的空間變異系數(shù),TF為穿透雨率(%),P為降雨量(mm)。許多前人對不同樹種的研究中也得出相同的結(jié)果[28]。由擬合曲線分析可知,在降雨量逐漸接近20 mm時,林內(nèi)穿透雨率的空間變異系數(shù)變化范圍為20%—114%,平均值為46%；降水量大于20 mm后其變化范圍15%—26%,平均穿透雨率為22%。此時,可推測當(dāng)降雨量大于20 mm時林冠層對穿透雨的空間變異性影響減弱。

因此,綜合穿透雨率、空間變異系數(shù)與林外降雨的關(guān)系,我們推測日本柳杉林樣地冠層達(dá)到飽和時的林外降水量在20—28 mm之間。

2.3 穿透雨時空分布特征及其與葉面積指數(shù)的關(guān)系

穿透雨的空間差異與許多因素有關(guān),但主要影響因素為冠層結(jié)構(gòu)特征和氣象因子。本研究中我們將觀測期內(nèi)不同位置處觀測點上的降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等氣象因子處理為一致的,主要探討冠層結(jié)構(gòu)特征的差異引起的空間變化。采用天頂角度為7°時,不同觀測點處的葉面指數(shù)平均值變化范圍在1.99—6.34,將37個觀測點依據(jù)葉面積指數(shù)劃分為1.99—3(3個), 3—4(13個), 4—5(10個), 5—6(7個), 6—7(4個)共5種情景,進一步分析不同觀測點位的空間差異。

圖4 不同葉面積指數(shù)下觀測點平均穿透雨率與降雨量關(guān)系 Fig.4 Relationship of mean throughfall rate and gross rainfall at different LAILAI: 葉面積指數(shù)Leaf area index

對觀測期內(nèi)21次次降雨事件穿透雨的觀測,分析可知,在5種葉面積指數(shù)條件下,通過配對樣本T檢驗發(fā)現(xiàn),除LAI(1.99—3)與LAI(3—4)以及LAI(4—5)與LAI(6—7)配對之間差異不顯著外,其他配對之間差異均顯著,說明這種葉面積指數(shù)劃分是有意義的。葉面積指數(shù)處于1.99—3時,平均穿透雨率最大,平均值為94.6%,標(biāo)準(zhǔn)差為24.5%,變異系數(shù)為25.9%；而葉面積指數(shù)處于5—6時,平均穿透雨率最小,平均值為62.2%,標(biāo)準(zhǔn)差為28.7%,變異系數(shù)為46.1%。在21次次降雨事件下,葉面積指數(shù)(1.99—3)的觀測點平均穿透雨率≥100%的降雨事件數(shù)達(dá)到9次,占到所有降雨事件數(shù)的42.9%,說明在葉面積指數(shù)(1.99—3)的觀測點位處更易發(fā)生降雨聚集效應(yīng)。

對5種葉面積指數(shù)條件下,觀測點平均穿透雨率與林外降雨量進行回歸分析和顯著性檢驗(圖4),發(fā)現(xiàn)LAI(1.99—3)條件下,穿透雨率與林外降雨量的關(guān)系不明顯,而其他葉面積指數(shù)條件下均呈現(xiàn)了顯著的相關(guān)性,且回歸方程以二次多項式擬合效果最好(表2),隨著林外降雨量的增加,穿透雨率均呈現(xiàn)增加的趨勢,且葉面積指數(shù)>4的觀測點,穿透雨率均在林外降雨量為30 mm時達(dá)到最大,而LAI(3—4)的觀測點在林外降雨量為24.3 mm時達(dá)到最大,進一步說明了冠層結(jié)構(gòu)對降水?dāng)r蓄截留作用的重要性。

對5種葉面積指數(shù)條件下,觀測點穿透雨率變異系數(shù)與林外降雨量進行回歸分析和顯著性檢驗(圖5),在LAI(1.99—3)條件下,穿透雨率變異系數(shù)與林外降雨量的關(guān)系不明顯,而其他葉面積指數(shù)條件下,觀測點空間變異系數(shù)均呈現(xiàn)出極顯著的相關(guān)性,回歸方程都以對數(shù)函數(shù)的擬合效果為最好(表3)。葉面積指數(shù)在4—5時,擬合方程的決定系數(shù)最大,葉面積指數(shù)為6—7之間時,決定系數(shù)最小,而葉面積指數(shù)在1.99—3之間時不呈現(xiàn)相關(guān)性?？芍?隨冠層葉面積指數(shù)的增加,林外降雨量對空間異質(zhì)性變化的解釋度降低。

表2 不同葉面積指數(shù)(LAI)下觀測點平均穿透雨率與降雨量回歸擬合及顯著性

表3 不同葉面積指數(shù)下觀測點空間變異系數(shù)與降雨量回歸擬合及顯著性

圖5 不同葉面積指數(shù)下觀測點空間變異系數(shù)與降雨量關(guān)系 Fig.5 Relationship between CV of throughfall and gross rainfall at different LAI

基于上述分析結(jié)果,我們進一步對21場降雨下不同觀測點處的平均穿透雨率和時間變異系數(shù)與冠層結(jié)構(gòu)特征(葉面積指數(shù)LAI)進行相關(guān)和回歸分析(圖6和圖7)。發(fā)現(xiàn)不同觀測點葉面積指數(shù)與平均穿透雨率呈極顯著負(fù)相關(guān)性(r=-0.605),而與時間變異系數(shù)呈極顯著的正相關(guān)(r=0.639)；而回歸擬合效果皆以三次多項式的效果為最好；說明空間結(jié)構(gòu)特征對穿透雨分布影響的復(fù)雜性。森林冠層葉面積指數(shù)只有在某一范圍時,才能發(fā)揮最優(yōu)的截持和分配降雨能力。因此,我們根據(jù)穿透雨率的變化進行了分段擬合,發(fā)現(xiàn)葉面積指數(shù)以4.5為分界點,在LAI 3—4.5之間變化時,隨著葉面積指數(shù)的增加穿透雨率近似呈線性減小,而當(dāng)葉面積指數(shù)在4.5—7之間時,它們之間以二次多項式擬合為最優(yōu)。而依據(jù)降雨量等級0—10 mm(小雨),10—25 mm(中雨)和25—50 mm(大雨),將穿透雨率按照葉面積指數(shù)進行多重比較(Tukey)也發(fā)現(xiàn),降雨量級為0—10 mm時,不同葉面積指數(shù)等級之間差異顯著,而降雨量級大于10 mm后,葉面積指數(shù)大于4的觀測點穿透雨率差異不顯著。因此不考慮降雨量影響條件下以4.5作為葉面積指數(shù)影響的分界點是合理。隨著葉面積指數(shù)的增加穿透雨觀測點位的時間變異系數(shù)在逐漸增加。

圖6 平均穿透雨率與葉面積指數(shù)的關(guān)系 Fig.6 Relationship between mean throughfall percentage and LAI

圖7 時間變異系數(shù)與葉面積指數(shù)的關(guān)系 Fig.7 Relationship between time coefficient of variation and LAI

3 討論

對2017年生長季4—9月21場降雨下日本柳杉林內(nèi)37個穿透雨觀測點數(shù)據(jù)分析,日本柳杉林下平均穿透雨率為80%,與許多前人對針葉樹種穿透雨研究結(jié)果相比處于中間值,如祁連山青海云杉林(75.04%)[6]、側(cè)柏林(60%—78.8%)[30]、亞熱帶馬尾松林(72.51%—76.45%)[31]、六盤山華北落葉松林(74.94%—85.3%)[3,32]、興安落葉松林(80.62—81.39%)[29]、六盤山華山松林(84.34%)[20],不同樹種的這種差異是由許多生物和非生物因素共同作用導(dǎo)致的,如林分密度[13,32]、林齡[33]、郁閉度[34]、冠層厚度[30]、葉面積指數(shù)[3]等生物因素。本文對降雨量和葉面積指數(shù)的分析發(fā)現(xiàn),降雨量大于28 mm時,穿透雨率趨于穩(wěn)定；而降雨量級在中雨和大雨時,穿透雨率差異不顯著；將觀測點處的葉面積指數(shù)分為五種情形分析降雨量與穿透雨率關(guān)系時發(fā)現(xiàn),葉面積指數(shù)在1.9—3之間時,穿透雨率與林外降雨量沒有相關(guān)性,而在其他四種情形下,降雨量和穿透雨率都以二次多項式擬合最優(yōu),當(dāng)LAI在4—5、5—6、6—7這幾種情景時,擬合函數(shù)的決定系數(shù)R2≥ 0.70,而LAI處在3—4之間時,降雨量對穿透雨的解釋程度R2只有0.41。由此可以推論,林分冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)LAI在3—4.5時,對穿透雨率的影響最大,降雨量此時的解釋程度低,而當(dāng)LAI繼續(xù)增加,冠層結(jié)構(gòu)特征對穿透雨率的影響穩(wěn)定。對不同降雨量級下,不同水平葉面積指數(shù)下穿透雨率的多重比較結(jié)果,也證明不考慮降雨量影響,葉面積指數(shù)超過4以后穿透雨率變化不顯著,因此可以將葉面積指數(shù)4.5作為該地區(qū)今后日本柳杉水源涵養(yǎng)林最優(yōu)結(jié)構(gòu)的參考指標(biāo)。

幾乎所有的研究都認(rèn)為林外降雨量(非生物因素)才是林內(nèi)穿透雨量的決定性因素,穿透雨率隨著林外降雨量的增加先顯著增大后緩慢增大并漸趨穩(wěn)定,穿透雨率很大程度上取決于林外降雨量的大小[17]；目前大多數(shù)研究是以對數(shù)函數(shù)來對穿透雨率和降雨量進行模擬[4,6- 7,35],也有一些研究選擇用指數(shù)函數(shù)[3,36]、冪函數(shù)[17,29]和邏輯斯蒂函數(shù)[20],這些擬合結(jié)果的整體趨勢也基本符合穿透雨率的變化規(guī)律。本研究中的穿透雨率與林外降雨量的回歸擬合表明,二次多項式的擬合效果最好(R2= 0.67),顯示林外降雨超過28 mm后穿透雨率會有波動下降的趨勢。這結(jié)果與盛后財?shù)萚17]所得出的20 mm后穿透雨率漸趨穩(wěn)定有一定的差異,主要原因有以下幾個方面,第一,本研究中所觀測的林外降雨事件中最大降雨量為44 mm,沒有更大次降雨事件的觀測,可能影響了整體曲線的擬合；第二,綜合分析前人有關(guān)針葉林的研究發(fā)現(xiàn),多數(shù)研究所觀測的最大次降雨量小于25 mm[16- 17,29,36- 37,],因此,導(dǎo)致擬合曲線末端趨穩(wěn)的結(jié)果,第三,對部分觀測到30—45 mm降雨事件的研究進行分析,發(fā)現(xiàn)他們的研究結(jié)果與本研究結(jié)果相似,即在林外降雨大于28 mm后穿透雨率有向下波動的趨勢[3,7]?？梢?大降雨量時段其穿透雨率變化是復(fù)雜的。但在更大降雨事件下(>50 mm),其穿透雨率更趨于臨界閾值,其變化規(guī)律更難于預(yù)測。由此我們認(rèn)為本研究的擬合曲線是可以接受的,并推論,在林冠層達(dá)到飽和后,隨著降雨量的繼續(xù)增加,穿透雨率會呈現(xiàn)一種分段波動趨穩(wěn)的狀態(tài),即先增加(約在20—30 mm)后下降(約在30—45 mm)而后再上升至穩(wěn)定期(>45 mm)。

圖8 Monte Carlo 模擬的穿透雨率平均值和置信區(qū)間隨雨量收集器數(shù)量的變化Fig.8 Variation of the average and confidence intervals of throughfall rate with collector number based on the Monte Carlo resampling5%、 10%誤差水平指占 37 個收集器測穿透雨量平均值的 5%、 10%

本研究對日本柳杉林內(nèi)穿透雨空間變異系數(shù)的分析發(fā)現(xiàn),其與林外降雨強度沒有相關(guān)性,與降雨量和葉面積指數(shù)顯著相關(guān)。隨著降雨量的增加變異系數(shù)減小,在降雨量大于20 mm后,趨于穩(wěn)定(15%—26%),與林外降雨量的擬合關(guān)系以冪函數(shù)效果最佳。這與其他針葉樹種的研究結(jié)果一致,如六盤山華北落葉松林空間變異系數(shù)最終穩(wěn)定在15%[3],雜交松(16.5%)[12],油松、興安落葉松、青海云杉基本穩(wěn)定在18%—22%之間,這主要是由于隨著降雨量的增加,冠層結(jié)構(gòu)特征對穿透雨的影響減弱,穿透雨趨向于空間均勻化,變異系數(shù)的大小取決于隨機因素[3,15,29]。從不同葉面積指數(shù)區(qū)間內(nèi)觀測點平均空間變異系數(shù)與降雨量的關(guān)系也可以發(fā)現(xiàn),在觀測點處LAI >6以后,用降雨量對空間變異性的解釋度降低(R2),降雨量的解釋度最高時葉面積指數(shù)處在4—5這個區(qū)間內(nèi)。各觀測點處葉面積指數(shù)及其時間變異系數(shù)的關(guān)系可知,隨著葉面積指數(shù)的增加,觀測點位處的時間變異系數(shù)也增加。這與之前空間變異系數(shù)的分析相符,即在葉面積指數(shù) >5后,降雨量對穿透雨率的空間變異系數(shù)的解釋度降低,因為此時觀測點本身的時間變異系數(shù)較大。

空間變異性影響穿透雨的精確評估,及其收集過程中雨量器的布設(shè)方式和數(shù)量,劉澤彬等[3]在對六盤山華北落葉松穿透雨空間變異性的研究中,得出在30 m×30 m的樣地內(nèi),雨量筒收集口面積為230.58 cm2時,降雨量級為 0—10 mm,在 95%的置信區(qū)間下,華北落葉松林內(nèi)布設(shè) 13 和 26 個以上的穿透雨收集器；當(dāng)降雨量級在 10—20 mm 時,則需布設(shè) 6 和 15 個以上的收集器時,當(dāng)降雨量級大于20 mm 時,則需設(shè)5 和 15 個以上收集器時,能滿足測穿透雨量誤差能控制在 10%和 5%內(nèi)。與之對比可以發(fā)現(xiàn),本研究林分平均葉面積指數(shù)更大,空間變異系數(shù)也更大,在采用相同布局方式和雨量筒規(guī)格時,需要布設(shè)更多數(shù)量的采集器才能滿足穿透雨量誤差的需求,通過Monte Carlo模擬重抽樣的方法(圖8),發(fā)現(xiàn)在降雨量級0—10 mm時,95%置信區(qū)間下,收集器數(shù)量需25和32個以上,在降雨量級10—20 mm時,收集器數(shù)量需10和22個以上,在降雨量級20—40 mm時,95%置信區(qū)間下,收集器數(shù)量7和18個以上。盡管有研究顯示穿透雨變異系數(shù)隨著穿透雨收集器面積增大而減小,本研究使用的穿透雨收集器面積(314.16 cm2)更大,因此,相對于穿透雨收集器面積,葉面積指數(shù)可能是導(dǎo)致本研究穿透雨變異系數(shù)較大的主要原因。

4 結(jié)論

根據(jù)本文對廬山日本柳杉林下穿透雨與葉面積指數(shù)的時空關(guān)系研究,發(fā)現(xiàn)：

(1) 穿透雨率受降雨量和葉面積指數(shù)的影響。其隨著降雨量的增加而增加,降雨量達(dá)到28 mm時穿透雨率趨于最大值,之后變化規(guī)律復(fù)雜未見穩(wěn)定,二者之間關(guān)系以二次多項式擬合最優(yōu)(降雨量0—44mm)。與葉面積指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān),葉面積指數(shù)小于4.5時對穿透雨率的影響顯著。不同葉面積指數(shù)下,穿透雨率達(dá)到最大時的林外降雨量不同。

(2)林下穿透雨率的空間分布受降雨量和葉面積指數(shù)的影響。隨著降雨量的增加先減小,降雨量超過20 mm后逐漸穩(wěn)定,二者之間以對數(shù)函數(shù)關(guān)系式擬合。觀測點位的時間變異系數(shù)隨著葉面積指數(shù)的增加而增大。葉面積指數(shù)小于5,降雨量小于20 mm時,降雨量是影響穿透雨空間變異性的關(guān)鍵因素。