王 昱 程

(河北省阜平縣水利局, 河北 保定 071000)

森林是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，森林的林冠層對(duì)大氣的降水在二次分配的過(guò)程中有著非常重要的水文生態(tài)意義，特別是在對(duì)降雨的截留和減小降雨沖刷力上，降低了降雨的動(dòng)能和勢(shì)能，減少了降雨對(duì)土壤的直接沖刷，從而有效的減少了洪峰的強(qiáng)度、削弱了對(duì)土壤的侵蝕力度和提高了森林涵養(yǎng)水源的能力等生態(tài)功能[1-3]。森林在對(duì)降雨進(jìn)行二次分配主要從3個(gè)方面進(jìn)行體現(xiàn)，分別為：林冠截留、穿透雨和樹(shù)干徑流，國(guó)內(nèi)外對(duì)這一過(guò)程研究較多，林分類型較多，有溫帶落葉松、杉木林和亞熱帶闊葉林等林分，研究結(jié)果表明，森林對(duì)降雨的截留率達(dá)到了10%～40%，林內(nèi)的穿透雨率為60%～90%，樹(shù)干徑流較小，為0.5%～14%。

冀北山地位于干旱半干旱地帶，該地區(qū)的水資源是比較匱乏的，而冀北山地針對(duì)闊葉林利用水資源的過(guò)程和規(guī)律研究相對(duì)較少，因此對(duì)該地區(qū)森林進(jìn)行水文生態(tài)研究是非常有必要的，也是很有意義的。本文擬選取冀北山地的木蘭圍場(chǎng)的闊葉林作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)闊葉林的林外降雨、林內(nèi)穿透雨和樹(shù)干徑流進(jìn)行測(cè)定，進(jìn)一步探討闊葉林對(duì)降雨二次分配的影響，為了能夠更加深入的了解林冠層的水文效應(yīng)，利用數(shù)學(xué)模型對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行模擬研究，以期為該地區(qū)的森林建設(shè)、森林結(jié)構(gòu)調(diào)整和森林健康發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)管理局(41°47′—42°06′N，116°51′—117°45′E)地處冀北山地，是燕山山脈、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^(guò)渡、半干早向半濕潤(rùn)過(guò)渡、大陸性季風(fēng)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(wú)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。主要喬木樹(shù)種：華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)、油松(Pinustabulaeformis)、蒙古櫟(Quercusmongolica)云杉(Piceaasperata)等；主要灌木樹(shù)種：迎紅杜鵑(Rhododendronmucronulatum)、土莊繡線菊(Spiraeapubescens)、毛榛(Corylusmandshurica)等；主要草本植物：東亞唐松草(Thalictrumminus)、披針薹草(Carexlanceolata)等。

2 研究方法

2.1 樣地的設(shè)置與測(cè)定

本文選擇闊葉林，在林分內(nèi)選取30 m×30 m作為標(biāo)準(zhǔn)樣地，在林分郁閉度調(diào)查中，機(jī)械的設(shè)置100個(gè)樣點(diǎn)，在各樣點(diǎn)位置上進(jìn)行抬頭垂直昂視，判斷該樣點(diǎn)是否被樹(shù)冠覆蓋，統(tǒng)計(jì)被覆蓋的樣點(diǎn)數(shù)，經(jīng)過(guò)測(cè)定郁閉度達(dá)到了0.65，樹(shù)種主要為白樺、黑樺和五角楓，平均胸徑為19.1 cm，平均樹(shù)高14.3 m，坡向?yàn)槲髂?，坡度?6°，海拔1 123 m，利用全站儀來(lái)定位樣地內(nèi)的林木位置(x，y)，并且對(duì)林木進(jìn)行每木檢尺和掛牌編號(hào)，根據(jù)對(duì)各林分每木檢尺等林分因子的調(diào)查結(jié)果，胸徑按5 cm 間隔劃分徑級(jí)，分為小于5，5～10，10～15，15～20 cm等胸徑階段，經(jīng)過(guò)測(cè)量在各徑級(jí)中選擇與平均數(shù)最接近的林木作為標(biāo)準(zhǔn)木，每個(gè)徑階選擇2棵標(biāo)準(zhǔn)木。

2.2 穿透雨和樹(shù)干徑流的測(cè)定方法

在林外空地處設(shè)置直徑為20 cm的標(biāo)準(zhǔn)雨量筒，每次降雨后立即觀測(cè)，并與設(shè)置的小型氣象站的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，得出的平均降雨量為林外降雨量；為使觀測(cè)更具代表性，將6個(gè)直徑大小為20 cm承雨桶隨機(jī)布設(shè)于樣地內(nèi)，每次雨后觀測(cè)，以6個(gè)承雨桶的雨量平均數(shù)作為林內(nèi)穿透水量；在調(diào)查出的標(biāo)準(zhǔn)木上進(jìn)行測(cè)定，在樹(shù)干離地1 m處用縱向切開(kāi)的半圓蛇形管纏樹(shù)2圈，用竹簽將其釘在樹(shù)干上，用玻璃膠填補(bǔ)其縫隙，樹(shù)干粗糙的樹(shù)皮進(jìn)行適當(dāng)處理，蛇形管下端接到塑料桶中，每次降雨后，對(duì)塑料桶中的水量進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)每次測(cè)量得出的莖流量，再乘以該徑級(jí)樹(shù)木的株數(shù)，計(jì)算所有徑級(jí)的總和作為該森林群落的總樹(shù)干莖流量[4-7]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)林外降雨量、穿透雨量和樹(shù)干徑流量的測(cè)定數(shù)據(jù)，利用公式進(jìn)行計(jì)算，求出林冠截留量：

I=P-(Pt+S)

(1)

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(shù)干徑流量(mm)。下同。

樹(shù)干徑流的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：N——樹(shù)干徑級(jí)數(shù)；SN——每一徑級(jí)的單株樹(shù)干徑流量(ml)；MN——每個(gè)徑級(jí)的樹(shù)木株數(shù)；A——樣地面積(m2)。

使用SPSS專業(yè)統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析和回歸分析[8-10]。

3 結(jié)果與分析

3.1 林外降雨與穿透雨的關(guān)系

試驗(yàn)在2016年6月至2016年9月進(jìn)行，在進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集過(guò)程中，共出現(xiàn)了17次降雨，其中有6場(chǎng)是無(wú)效雨。在表1中可以看出，雨量最大的為26.33 mm，最小的為3.02 mm，降雨總量為125.57 mm，平均每次降雨量為11.42 mm，本地區(qū)大部分為小雨和中雨，出現(xiàn)了一次短歷時(shí)的大雨，林分的穿透雨量占得比例是最大，平均值70.22%，林冠截留其次，為28.20%，而樹(shù)干徑流占得比例最小，為1.58%。

在這11次降雨觀測(cè)中，穿透雨量較大，比例較高，與闊葉林的葉面結(jié)構(gòu)、樹(shù)干粗糙度以及林分的郁閉度都有關(guān)系；林冠截留量隨著降雨量的增加而增加，達(dá)到飽和后趨于穩(wěn)定；林冠截留率在降雨非常小的時(shí)候會(huì)特別大，但是隨著降雨量的增大而逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定；樹(shù)干徑流在降雨特別小的時(shí)候是形成不了的，但是隨著降雨量的增加從而形成樹(shù)干徑流。在對(duì)林外降雨與穿透雨之間關(guān)系進(jìn)行研究時(shí)，選擇合適的模擬模型進(jìn)行模擬，利用R2值進(jìn)行回歸如圖1所示。

表1 闊葉樹(shù)林內(nèi)降雨再分配

圖1 林外降雨量與穿透雨量、穿透率的關(guān)系

從圖1可以，穿透雨量與林外降雨量有比較好的線性關(guān)系，方程為y=0.780 2x-0.600 2，林分在降雨比較小的時(shí)候是不會(huì)有穿透雨的，當(dāng)林外降雨量達(dá)到0.78 mm時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)穿透雨，穿透雨臨界點(diǎn)比較小是因?yàn)殚熑~林的林間空隙比較大，在降雨增加時(shí)，穿透雨也是不斷的增加，2個(gè)是正相關(guān)的關(guān)系，R2達(dá)到了0.997 9，所以，林內(nèi)穿透雨量與林外降雨量達(dá)到了極顯著的水平。而穿透率則是與穿透量不同，在初期穿透率比較低，但是隨著降雨量的增加而增加，但是增加到一定程度以后，趨于穩(wěn)定。

3.2 林外降雨與林冠截留的關(guān)系

從表1可以看出，林冠截留占林外降雨量的比例還是比較大的，在降雨的再分配過(guò)程中占有很重要的作用，在進(jìn)行擬合的過(guò)程中，在表1中可以看出林冠截留量在降雨再分配過(guò)程中占有一定的比例，進(jìn)行擬合以后林冠截留量的R2值達(dá)到了0.962 2，而林冠截留率的R2值達(dá)到了0.871。林冠截留量與林外降雨量的關(guān)系達(dá)到了極顯著水平(p<0.01)，而林冠截留率與林外降雨量的關(guān)系也是比較明顯的(圖2)。

圖2 林外降雨量與林冠截留量、截留率的關(guān)系

從圖2看出，林冠截留量隨著林外降雨量的增加而不斷增加，但是達(dá)到一定值以后趨于飽和，則不再增加，在林外降雨量比較小的時(shí)候，林冠截留了極大部分的降雨；林冠截留率在降雨比較低時(shí)是非常大的，但是隨著降雨的增加而減小，與降雨量呈現(xiàn)了反相關(guān)的趨勢(shì)，在林外降雨量達(dá)到一定值以后，林冠截留率則趨于穩(wěn)定，影響林冠截留飽和的因素有很多，比如林分的樹(shù)種組成、林冠的密度、冠幅和當(dāng)天風(fēng)力等。

3.3 林外降雨與樹(shù)干徑流的關(guān)系

從表1可以看出，樹(shù)干徑流量是非常小的，所占比例也是比較小的，樹(shù)干徑流量與降雨量是呈正相關(guān)的關(guān)系，且達(dá)到了顯著水平(p<0.01)，見(jiàn)圖3。

圖3 林外降雨量與樹(shù)干徑流量、徑流率的關(guān)系

從圖3可以看出，樹(shù)干徑流量與林外降雨量呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，隨著林外降雨的增加而增加，但是雨量小的時(shí)候是沒(méi)有樹(shù)干徑流的，闊葉樹(shù)林在降雨達(dá)到4.88 mm時(shí)才會(huì)出現(xiàn)樹(shù)干徑流，但是樹(shù)干徑流具有一定的時(shí)滯性，而時(shí)滯性的大小和林木本身及雨量的強(qiáng)弱都有很大的關(guān)系，當(dāng)葉面積指數(shù)較小，并且枝干夾角成45%，林木表面光滑則形成比較容易，反之，則不易形成。

4 結(jié) 論

(1) 林分的穿透雨占得比例是最大，占到總比例的70.22%，林冠截留其次，為28.20%，而樹(shù)干徑流占得比例最小，為1.58%；穿透雨量與林外降雨量有比較好的線性關(guān)系(R2=0.997 9)，方程為y=0.780 2x-0.600 2，林分在降雨比較小的時(shí)候是不會(huì)有穿透雨的，當(dāng)林外降雨量達(dá)到0.78 mm時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)穿透雨。

(2) 林冠截留在降雨的再分配過(guò)程中占有很重要的作用，林冠截留量與林外降雨量具有明顯的冪函數(shù)關(guān)系，達(dá)到了極顯著水平(p<0.01)。

(3) 樹(shù)干徑流量與林外降雨量呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系(R2=0.970 3)，闊葉樹(shù)林在降雨達(dá)到4.88 mm時(shí)才會(huì)出現(xiàn)樹(shù)干徑流，但是樹(shù)干徑流具有一定的時(shí)滯性，而時(shí)滯性的大小和林木本身及雨量的強(qiáng)弱都有很大的關(guān)系，當(dāng)葉面積指數(shù)較小，并且枝干夾角成45%，林木表面光滑則形成比較容易，反之，則不易形成。

[1] 姜海燕,趙雨森,信小娟,等.大興安嶺幾種典型林分林冠層降水分配研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2008,22(6):197-201.

[2] 常志勇,包維楷,何丙輝,等.岷江上游油松與華山松人工混交林對(duì)降雨的截留分配效應(yīng)[J].水土保持學(xué)報(bào),2006,20(6):37-40.

[3] 何常清,薛建輝,吳永波,等.岷江上游亞高山川滇高山櫟林的降雨再分配[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2008,19(9):1871-1876.

[4] 時(shí)忠杰,王彥輝,徐麗宏,等.六盤(pán)山華山松林降雨再分配及其空間變異特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2009,29(1):76-85.

[5] 殷暉,關(guān)文斌,薛肖肖,等.貢嘎山暗針葉林林冠對(duì)降雨能量再分配的影響研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(2):2-5.

[6] 黨宏忠,周澤福,趙雨森.青海云杉林冠截留特征研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2005,19(4):61-64.

[7] 黨宏忠,董鐵獅,趙雨森.水曲柳林冠的降水截留特征[J].林業(yè)科學(xué)研究,2008,21(5):657-661.

[8] 鞏合德,張一平,劉玉洪,等.哀牢山常綠闊葉林林冠的截留特征[J].浙江林學(xué)院學(xué)報(bào),2008,25(4):469-474.

[9] 孫忠林,王傳寬,王興昌,等.兩種溫帶落葉闊葉林降雨再分配格局及其影響因子[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(14):3918-3986.

[10] 張寧,郭賓良,張國(guó)強(qiáng),等.沿壩地區(qū)天然次生林對(duì)降雨再分配的影響[J].水土保持研究,2015,22(6):99-102.