李奕 宋墩福 魏蕭蕭 王盼

摘要為驗(yàn)證修正的Gash模型在大興安嶺北部山地樟子松林林冠截留中的適用性，基于2011年和2012年的氣象、林分和降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用修正的Gash模型對(duì)林冠的截留效應(yīng)進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果表明，研究期內(nèi)大氣降雨總量為493.12 mm，林冠截留總量為122.65 mm，穿透雨總量為368.34 mm，樹(shù)干莖流總量為2.13 mm。運(yùn)用模型模擬的穿透雨量、樹(shù)干莖流量和林冠截留量分別為378.07、4.02和111.03 mm，林冠截留模擬值低于實(shí)測(cè)值11.62 mm，相對(duì)誤差為9.48%，實(shí)測(cè)值與模擬值有著較好的一致性，說(shuō)明修正的Gash模型適用于對(duì)大興安嶺山地樟子松林林冠截留的模擬。

關(guān)鍵詞修正的Gash模型;大興安嶺北部;樟子松;林冠截留

中圖分類號(hào)S715文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611（2019）03-0101-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.03.032

林冠截留作為森林生態(tài)系統(tǒng)降水輸入的第一接觸層，一直是森林水文學(xué)研究的重點(diǎn)，同時(shí)，也影響著地表-大氣能量的循環(huán)過(guò)程和水量平衡。林冠截留的大小受多種因素的影響，主要可概括為氣象因素[1-2]和林分自身特征[3-6]。用模型來(lái)估算和預(yù)測(cè)林冠截留的大小目前被廣泛應(yīng)用。研究早期的模型忽略了氣象和林分特征，只適用于試驗(yàn)地，因而沒(méi)有得到較好的推廣和應(yīng)用。Gash[7]模型是以Rutter模型等早期研究模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行簡(jiǎn)化推導(dǎo)而建立的較為完善的模擬林冠截留的解析模型。之后，針對(duì)Gash模型在實(shí)際應(yīng)用中存在的一些缺點(diǎn)，Gash等[8]進(jìn)行了修正，提高了模型的適用性。修正的Gash模型結(jié)合了早期研究模型的長(zhǎng)處，更為簡(jiǎn)單和實(shí)用，目前在全世界被廣泛應(yīng)用[9-16]，但該模型在我國(guó)森林中的應(yīng)用較少，特別是在我國(guó)大興安嶺地區(qū)應(yīng)用更為稀少。樟子松是松屬植物中最耐寒的樹(shù)種之一，其擁有常綠、抗旱、耐貧瘠以及適應(yīng)性強(qiáng)等生物學(xué)特性，是目前我國(guó)沙地、東北地區(qū)農(nóng)田防護(hù)林和城市綠化的首選，有著重要的地位和作用[17]。筆者通過(guò)對(duì)大興安嶺北部漠河縣境內(nèi)山地樟子松林林冠截留的觀測(cè)，分析樟子松林對(duì)降雨的再分配特征，結(jié)合氣象站氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，推導(dǎo)和計(jì)算出修正的Gash模型的相關(guān)參數(shù)值，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比分析來(lái)探討修正的Gash模型在大興安嶺北部地區(qū)山地樟子松林的適用性，以期為評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)大興安嶺北部山地樟子松林林冠截留作用及評(píng)估其生態(tài)水文效應(yīng)提供一種可靠的方法。

1數(shù)據(jù)采集與研究方法

1.1研究區(qū)概況

該研究在黑龍江漠河國(guó)家級(jí)森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站進(jìn)行，其地理坐標(biāo)為121°07′～124°20′E、52°10′～53°33′N，屬寒溫帶大陸性氣候，有較為明顯的山地氣候特征，年平均氣溫為-4.8 ℃，年平均降水量為431.2 mm，降雨多集中在7—8月，日照時(shí)數(shù)為2 377～2 625 h?！?0 ℃的積溫為1 436～2 062 ℃，霜期為當(dāng)年9月初至次年5月中下旬，年平均無(wú)霜期僅89 d。森林植被以北方明亮針葉林為主，喬木樹(shù)種有興安落葉松（Larix gmelinii），樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）、白樺（Betula platyphylla）、山楊（Populus davidiana）等，主要灌木種為興安杜鵑（Rhododendron dauricum）、杜香（Ledum palustre）和越橘（Vaccinium vitisdaea）等。該地區(qū)土壤主要為棕色針葉林土，局部有草甸和沼澤，并有永凍層存在[18]。

1.2數(shù)據(jù)采集

2011年7月和2012年7—9月，在距離漠河森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站5 km處的樟子松林內(nèi)布設(shè)樣地，面積為20 m×30 m，陽(yáng)坡，坡度為35°～40°，密度約662株/hm2，林分的平均樹(shù)高17.36 m，平均胸徑23.64 cm，郁閉度為0.7，標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機(jī)布置10個(gè)由外徑為20 cm的PVC管自制成的雨量桶，每場(chǎng)降雨后及時(shí)測(cè)定林內(nèi)穿透降雨量TF（mm）。根據(jù)徑級(jí)分布，在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)共選擇5株標(biāo)準(zhǔn)木以觀測(cè)樹(shù)干莖流量，計(jì)算公式為：

SF=ni=1Sn·NA·104

式中，Sn為每株標(biāo)準(zhǔn)木的樹(shù)干莖流量（mL）;N為單位面積上標(biāo)準(zhǔn)木的株數(shù);A為標(biāo)準(zhǔn)地的面積（m2）。

根據(jù)穿透雨和樹(shù)干莖流實(shí)測(cè)值來(lái)計(jì)算林冠截留量（mm）：I=PG-TF-SF。

該試驗(yàn)所需氣象數(shù)據(jù)由國(guó)家氣象局北極村氣象站提供。

1.3研究方法

修正的Gash模型被用來(lái)模擬單獨(dú)的降雨事件是目前被眾多學(xué)者認(rèn)可的較為科學(xué)的方法，在實(shí)際降雨中林冠加濕、林冠飽和以及降雨停止后林冠干燥的過(guò)程都存在于降雨的過(guò)程中，該模型的假設(shè)條件為相鄰2次降雨之間有充足的時(shí)間使林冠完全恢復(fù)到降雨前的干燥程度。模型采用分項(xiàng)求和的形式，將整個(gè)林冠在降雨過(guò)程中各個(gè)階段的截留損失相加得到總的林冠截留量。該模型計(jì)算林冠截留量的基本公式為[19]：

m+nj=1Ij=cmj=1PGj+nj=1（cc/）（PG-P′G）+cnj=1P′G+qcSt+cPt（1-C/）n-qj=1（PGj-P′G）

式中，Ij為林冠截留量（mm）;n為林冠達(dá)到飽和的降雨次數(shù);m為林冠未達(dá)到飽和的降雨次數(shù);j為總的降雨次數(shù);St為樹(shù)干持水能力（mm）;q為樹(shù)干達(dá)到飽和產(chǎn)生樹(shù)干莖流的降雨次數(shù);為平均降雨強(qiáng)度（mm/h）;c為林分郁閉度;c為單位覆蓋面積平均林冠蒸發(fā)速率（mm/h）;c=/c，為飽和林冠的平均蒸發(fā)速率（mm/h）;PGj為總的降雨量（mm）;Pt為樹(shù)干莖流系數(shù);P′G為使林冠達(dá)到飽和的降雨量（mm）;PG為單次降雨的降雨量（mm）。

模型5個(gè)組成部分分別代表的是cmj=1PGj：m次未能飽和冠層的降雨量（PG

2結(jié)果與分析

2.1研究期林外雨特征

在整個(gè)研究期內(nèi)共計(jì)觀測(cè)到26場(chǎng)降雨，林外降雨總量493.12 mm，平均每次降雨18.97 mm。26場(chǎng)降雨中，單次降雨量最大值78.24 mm，最小值0.93 mm，降雨以小雨（PG<10 mm）居多，達(dá)16次，占降雨總次數(shù)的6154%，觀測(cè)期內(nèi)共觀測(cè)到2場(chǎng)暴雨（PG>50 mm），其降雨總量占觀測(cè)期總降雨量的28.05%。平均降雨強(qiáng)度為1.9 mm/h，單次降雨強(qiáng)度介于0.1～12.0 mm/h，雨強(qiáng)大于5.0 mm/h的頻度為7.69%，雨強(qiáng)小于1.0 mm/h的頻度為5385%（圖1A）。單次降雨最小持續(xù)時(shí)間為0.5 h，最大持續(xù)時(shí)間達(dá)21.5 h，平均每次降雨歷時(shí)4.3 h。由圖1B可知，頻數(shù)最大的降雨歷時(shí)4.1～6.0 h。由觀測(cè)結(jié)果可知，降雨以雨強(qiáng)較小、雨量較少的小雨為主，大雨、暴雨等極端降雨現(xiàn)象較少，降雨量分布不均衡，降雨雨前干燥期較長(zhǎng)。

2.2林冠對(duì)降雨的截留分配特征

觀測(cè)期內(nèi)林內(nèi)穿透雨總量占整個(gè)研究期內(nèi)降雨總量的74.70%，穿透雨率為21.04%～79.23%，平均穿透雨率為65.31%。由圖2A、B可知，不論穿透雨量還是穿透雨率都有隨著降雨量的增加而增大的趨勢(shì)。穿透雨變異系數(shù)為10.25%～64.36%。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降雨量PG<6.5 mm時(shí)，穿透雨變異系數(shù)較大，且隨著降雨量的增大，其減小幅度較大;當(dāng)降雨量PG>6.5 mm時(shí)，穿透雨變異系數(shù)較小，且隨著降雨量的增大，其減小幅度相應(yīng)變小。

由此可知，穿透雨率變異系數(shù)有隨降雨量增大而逐漸減小的趨勢(shì)。

穿透雨量與降雨量的關(guān)系TF為：TF=0.771 2PG-0.613 1，R2=0.998 0，n=26;

穿透雨率與降雨量的關(guān)系RTF為：RTF=9.576 9lnPG+42.633 0，R2=0.445 0，n=26。

觀測(cè)期內(nèi)樹(shù)干莖流總量為2.13 mm，其占比不足研究期間總降雨量的1.0%，單次降雨的平均樹(shù)干莖流量為0.04 mm。觀測(cè)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，只有在降雨量PG>4.0 mm時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生樹(shù)干莖流，分析原因可能樟子松樹(shù)冠較大，樹(shù)皮較厚，吸水量和透水性較大，因此，樟子松需要較大的降雨量才能使林冠和樹(shù)皮達(dá)到飽和。樹(shù)干莖流量與林外降雨存在擬合關(guān)系為SF=0.005 8PG-0.027 8，R2=0.926 9，n=26（圖3）。

根據(jù)林冠截留計(jì)算方程，研究期內(nèi)林冠截留總量為12265 mm，占同期大氣降雨總量的24.87%，單場(chǎng)降雨的截留率為20.62%～78.96%，平均截留率為34.63%，可見(jiàn)，樟子松林冠截留能力較強(qiáng)。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，隨著雨量級(jí)的增加，林冠截留量雖有增加，但其截留率呈減小的趨勢(shì)。通過(guò)數(shù)據(jù)可以知道，林冠截留率在小雨時(shí)最大，達(dá)78.96%，分析原因可能是小雨的降雨量小，降雨歷時(shí)短，降雨強(qiáng)度小，林冠能夠有時(shí)間充分被濕潤(rùn)，截留大部分降雨，從而使得截留率較大。而當(dāng)發(fā)生大暴雨事件時(shí)，林冠截留能力低于其平均水平，也就意味著當(dāng)場(chǎng)降雨的大部分雨水可能是沒(méi)有經(jīng)過(guò)樹(shù)體直接降入林地的。林冠截留量與林外降雨量存在緊密正相關(guān)是許多研究已經(jīng)確定的，只是不同森林類型其擬合曲線不同。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果的比較分析可得：線性回歸方程最能反映林冠截留量與林外降雨量的關(guān)系（圖4A）。林冠截留量隨林外降雨量的增加而增大，但當(dāng)林冠截留降雨的能力接近或達(dá)到飽和的時(shí)候，由于枝葉吸收水分已經(jīng)飽和，截留量則受到蒸發(fā)的影響，可能增加的速度會(huì)相對(duì)緩和，實(shí)際情況下，截留量隨林外降雨量的變化通常呈一條不飽和的曲線。 通過(guò)分析得到，對(duì)數(shù)回歸方程能較好地反映林冠截留率與大氣降雨的關(guān)系（圖4B）。

2.3.1林冠持水能力（S）。該研究采用Wallace等[13]和Limousin等[20]的回歸方法來(lái)確定林冠的持水能力（S），該方法是根據(jù)林內(nèi)穿透雨量與林外降雨量關(guān)系方程，計(jì)算得到穿透雨的殘差TF（σ），然后確定降雨量與穿透雨量殘差的關(guān)系（圖5），求得二者關(guān)系拐點(diǎn)的降雨量值，大于該值并且殘差TF（σ）大于零的降雨量值（TFσ）與其對(duì)應(yīng)的穿透雨量值的回歸線在x軸截距的負(fù)值即為S[19-20]（圖6）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算后可得其回歸方程為T(mén)Fσ=0.758 1PG+0.925 7，R2=0.983 0，即S=0.925 7。由林分調(diào)查數(shù)據(jù)可得林分的平均郁閉度c=0.7，因此，單位面積林冠持水能力由公式Sc=S/c計(jì)算，Sc=1.322。

在該研究中根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算所得S值大于其他研究[14，19]中所得S值，這是由于S值主要取決于樹(shù)種組成，葉枝的表面積，林冠結(jié)構(gòu)和樹(shù)干、枝、葉持水能力等，不同的樹(shù)種和林分組成關(guān)系均會(huì)對(duì)S值產(chǎn)生影響。

2.4修正的Gash模型模擬的截留量與實(shí)測(cè)截留量對(duì)比

根據(jù)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出觀測(cè)期內(nèi)樟子松天然林林冠截留量、穿透雨量和樹(shù)干莖流量分別為122.65、368.34和213 mm。將計(jì)算好的模型參數(shù)值代入模型中可以得到模型各組分的對(duì)應(yīng)數(shù)值及林冠截留總量、穿透雨總量和樹(shù)干莖流總量的模擬值（表1）?？芍?，林冠截留總量的實(shí)測(cè)值比模擬值多11.62 mm，相對(duì)誤差為9.48%。由表1可知，在模型的各項(xiàng)組成中，降雨過(guò)程中的蒸發(fā)量和飽和林冠的降雨量是主要部分，其分別占模擬的林冠截留總量的74.88%和24.16%。分析原因?yàn)檎磷铀闪止诠诜^大，樹(shù)皮較厚，有較強(qiáng)的吸水性能和透水性，加之觀測(cè)期內(nèi)的平均降雨強(qiáng)度較小，僅為1.847 mm/h，而其林冠平均蒸發(fā)速率較大，達(dá)0.338 mm/h，從而使得林冠的蒸發(fā)量和飽和林冠的降雨量較大。

由于修正的Gash模型最初是用于對(duì)林冠截留一周累積量的模擬[8]，因此在該研究中利用2012年7—9月連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬周累積量和實(shí)測(cè)周累積量進(jìn)行了比較分析（圖7），分析發(fā)現(xiàn)積累的周數(shù)越多，林冠截留總量模擬值和實(shí)測(cè)值越接近。當(dāng)?shù)竭_(dá)第12周累積量時(shí)，兩者的相對(duì)誤差僅為3.49%，這也說(shuō)明了修正的Gash模型能夠較好地模擬大興安嶺北部山地樟子松天然林林冠截留量。

如圖8所示，通過(guò)單場(chǎng)降雨的林冠截留模擬值與實(shí)測(cè)值比較分析可知，修正的Gash模型能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)部分場(chǎng)次降雨的林冠截留量，但是還是有個(gè)別場(chǎng)次的林冠截留量有著較大差異，兩者差異的最大值為3.34 mm，最小值僅為0.12 mm。

3結(jié)論與討論

整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)，大興安嶺北部山地樟子松天然林林冠截留總量為122.65 mm，占同期降雨總量的24.87%，說(shuō)明山地樟子松天然林林冠的截留能力屬于中等水平。應(yīng)用修正的Gash模型模擬的林冠截留總量為111.03 mm，占同期降雨總量的22.52%，實(shí)測(cè)值高于模擬值11.62 mm，截留率高于模擬值2.35百分點(diǎn)，兩者相對(duì)誤差9.48%，與其他應(yīng)用修正的Gash模型研究結(jié)果相比[14，19]，該模擬結(jié)果值較低于實(shí)測(cè)值，模擬精度偏低，但仍能夠較好地模擬樟子松天然林的林冠截留。

盡管修正的Gash模型涉及較多的參數(shù)，且有較多因素影響模型的精度，但該研究通過(guò)采用較為成熟的方法獲取參數(shù)，綜合比較了實(shí)測(cè)值和模擬值，所以模擬結(jié)果較為可靠，這也表明了修正的Gash模型可以適用于大興安嶺北部樟子松林的截留模擬，該研究結(jié)果對(duì)于預(yù)測(cè)大興安嶺北部樟子松林冠截留量以及評(píng)估其水文效應(yīng)具有科學(xué)參考價(jià)值。修正的Gash模型在模擬和預(yù)測(cè)林冠截留方面是目前比較常用和有效的降雨截留模型，模型綜合考慮了降雨和空氣動(dòng)力學(xué)的特征，將林冠截留損失合理劃分成幾個(gè)組成部分，對(duì)降雨截留的整個(gè)過(guò)程考慮得較為充分，具有較好的物理學(xué)基礎(chǔ)。即使是在不同的氣候、地理位置或是林分類型的條件下，國(guó)內(nèi)外不少研究也已經(jīng)證明修正的Gash模型在模擬林冠截留時(shí)仍然是最簡(jiǎn)單有效的。該模型對(duì)單次降雨的林冠截留量進(jìn)行模擬，小雨量時(shí)模擬準(zhǔn)確性較高，隨著降雨量增加，模擬精度有所下降。總體來(lái)看，筆者認(rèn)為修正的Gash模型在樟子松天然林林冠截留降雨過(guò)程模擬中具有較好的適用性，能為該地區(qū)森林水文循環(huán)和區(qū)域水資源利用提供可靠的方法。

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