羅佳, 田育新,*, 周小玲, 曾掌權, 姚敏

女兒寨小流域3種植被類型林冠層對降水再分配研究

羅佳1,2, 田育新1,2,*, 周小玲1,2, 曾掌權1,2, 姚敏1,2

1. 湖南省林業(yè)科學院, 湖南 長沙 410004 2. 湖南慈利森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 湖南 慈利 427200

對女兒寨小流域3種植被類型林冠層林冠層對降水再分配過程進行了研究。研究結果表明: 觀測期內(nèi)降雨量達到1971.80 mm, 降雨次數(shù)為83次。不同植被類型杜仲林、楓樟混交林和馬尾松林的林冠截留量分別為289.75 mm、358.78 mm和351.46 mm, 林冠截留率分別為14.69%、18.19%和18.79%。隨著降雨量增大, 不同植被類型的林冠截留量也增大, 二者呈正相關關系。混交林的穿透雨量和林冠截留量大于純林, 而純林的樹干莖流量大于混交林; 不同植被類型林冠層對降雨的分配表現(xiàn)為穿透雨最多, 其次是林冠截留, 樹干莖流最小。

植被類型; 降雨再分配; 林冠層; 小流域

0 前言

森林與水作為人類生存與發(fā)展的重要物質條件, 是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要構成部分之一。穿透雨、樹干莖流以及林冠截留在森林生態(tài)系統(tǒng)的水文循環(huán)以及水量平衡中具有十分重要的地位。植被林冠層的水文功能主要體現(xiàn)在林冠穿透雨、降雨的截留和樹干莖流的水文過程[1], 其大小的變化主要與降水量和林冠結構特征有關[2]。相關研究發(fā)現(xiàn)穿透雨量和樹干莖流呈顯著的線性關系[3]。也有發(fā)現(xiàn)雨強和降雨時間以及溫濕度等均對林冠層降雨再分配產(chǎn)生影響[4]。同時, 植被因子如葉面積指數(shù)、葉片特性等也影響著冠層降雨的分配特征; 此外, 林分類型、林分特征等也是重要影響因素[5–14]。以往的研究對湘西武陵山區(qū)為代表的女兒寨小流域不同植被類型林冠水文研究鮮有報道。因此, 本研究選取3個不同植被類型分析林冠降雨分配特征, 為進一步研討該區(qū)域森林植被的水文效應提供了數(shù)據(jù)基礎, 對于科學評估小流域森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)功能具有重要作用。

1 研究區(qū)概況

試驗地位于湘西武陵山區(qū)女兒寨小流域(E111° 12′42.836″, N29°25′27.582″), 地處湖南省張家界市慈利縣零陽鎮(zhèn)兩溪村, 距慈利縣城西北大約7 km。該流域封閉相對良好, 屬澧水二級小支流, 大致呈南北向, 屬武陵山脈低山區(qū), 流域總面積3.15 km2, 最低海拔(主溝出口處)210 m, 最高海拔917.4 m, 主溝長約為1.2 km, 主溝縱比降約為28.4‰。該區(qū)域森林覆蓋率達80%以上, 植被類型以退耕還林和次生林為主, 是退耕還林集中連片區(qū)。該區(qū)成土母巖以砂頁巖為主, 土壤主要為黃紅壤, 酸性土。流域主要植被類型有馬尾松()林、杜仲()林、柑桔()及雜灌林。本研究試驗樣地均位于湖南慈利森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站。

2 研究方法

2.1 林外降水測定

在2015年6月10日—2016年9月10日采用HOBO U30自動氣象站連續(xù)地觀測降水量與降水過程; 同時配用一臺虹吸式自計雨量計與一個標準雨量筒, 配合測定林外降雨量及降雨過程。

2.2 穿透水量測定

在3種樣地中, 依據(jù)林冠(以及高大灌木)的遮蔽程度, 選擇具有代表性地點, 在距離地面20 cm的高度分別布設12個雨量筒, 用于收集穿透水, 每次雨后測定水量, 計算其算術平均值, 進行日動態(tài)監(jiān)測, 每日記錄數(shù)據(jù), 作為樣地冠層下的穿透水量。

2.3 樹干莖流測定

按照林木徑級和樹冠標準, 在各樣地內(nèi)分別選擇15棵林木, 將直徑為2.0 cm聚乙烯塑料的軟管沿中縫刨開, 自樹干2 m高處從上而下蛇形纏繞于樹干上, 塑料管和水平面角度呈30°, 使用玻璃膠密封膠管與樹干之間的空隙, 將膠管置入密封口的塑料器皿。每次雨后測量水量, 同時根據(jù)林冠投影的面積換算成單株與林分樹干莖流量。干流量按以下公式計算[15]:

式中:為干流量(mm),M為每個徑階的樣樹株數(shù),S為每個徑階單株樣樹的莖流量(ml),為樣地面積(m2)。

表1 樣地植被基本特征

2.4 林冠截留量的計算

根據(jù)冠層水量平衡, 計算冠層截留量, 即:

=––

式中:為林冠截留量(mm),為林外降水量(mm),為穿透水量(mm),為干流量(mm)。

2.5 數(shù)據(jù)處理

應用Excel和SPSS17.0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理和制圖。

3 結果與分析

3.1 降水變化特征

研究區(qū)域在觀測期內(nèi)降雨量達到1971.80 mm, 降雨次數(shù)為83次(表2), 降水強度是指單位時間內(nèi)的降水量, 單位為mm·h-1或mm·d-1。以國家氣象局規(guī)定為標準, 按降水強度的大小可將降雨分為小雨(0—10.0 mm·d-1)、中雨(10.1—20.0 mm·d-1)、大雨(20.1—50 mm·d-1)、暴雨(50.1—100 mm·d-1、大暴雨(100.1—200.0 mm·d-1)和特大暴雨(>200.0 mm·d-1)。為了更科學的分析降雨特征, 本研究按降雨強度對研究期降雨進行統(tǒng)計分析。表2為研究區(qū)觀測期間林外降雨按降雨強度分布情況。從一次性降雨情況來看, 出現(xiàn)了69次一次性降雨量在0.5—50 mm·d-1的降雨, 占總次數(shù)的83.13%; 有37次的降雨為小于10 mm·d-1的小雨, 這37次的降雨占總降雨次數(shù)的44.58%; 37次小雨的總降雨量為139.87 mm, 占總降雨量的7.09%; 中雨(10—25 mm·d-1)降雨量占總降雨量的20.03%, 大雨(25—50 mm·d-1)降雨量占總降雨量的 27.16%, 但該兩類降雨次數(shù)分別只占總降雨次數(shù)的27.71%和18.07%; 有8次的日降雨量為大于 50 mm的暴雨和大暴雨, 這8次暴雨和大暴雨占總降雨次數(shù)的9.64%, 但這兩種類型降雨的總降雨量卻高達901.4944 mm, 占總降雨量的45.72%。中雨和大雨占總降雨量次數(shù)的45.78%, 降雨量共計930.48 mm, 占總降雨量的47.19%, 說明該研究區(qū)年降雨量充沛。

3.2 林冠截留特征

大氣降雨通過林冠層后, 部分降水會被冠層截留, 林冠截留量與降雨量的比值為林冠截留率。林冠截留量與次降雨量的關系通過曲線擬合的比較如圖1, 冪函數(shù)關系模擬二者關系最佳, 擬合方程分別為:= 0.5150.6555,2 = 0.8333,=83;= 0.37280.776,2 = 0.901,=83;= 0.42530.754,2 = 0.8927,=83。

觀測期內(nèi), 杜仲林、楓樟混交林和馬尾松林的林冠截留量分別為289.75 mm、358.78 mm和351.46 mm, 林冠截留率分別為14.69%、18.19%和18.79%?？梢? 馬尾松林的林冠截留量和截留率最大, 杜仲林的最小, 楓樟混交林的林冠截留量和截留率是杜仲林的1.24倍。不同植被類型的林冠截留量隨著降雨量的增加而增大, 但這種增加是在一定范圍之內(nèi)的, 當林冠截留量飽和時將不會再增加。當降雨量為最大的206 mm時, 杜仲林和楓樟混交林對應的截留量分別為最大的20.37 mm、41.49 mm, 馬尾松林的截留量也為較大的23.72 mm。說明, 隨著降雨量增大, 不同植被類型的林冠截留量也增大, 二者呈正相關關系。林冠截留的多少與降雨強度也有關系, 強度大的陣性降雨、暴雨等, 一方面由于雨滴的沖擊力較大, 而不能被枝葉表面吸附, 容易下滴形成穿透雨, 削弱了林冠截留的功能; 另一方面, 降雨歷時較短, 林冠截留作用的表現(xiàn)時間也較短, 截留的雨量相對較少。另外, 不同植被類型的林冠截留量還與植被的冠幅大小、冠層厚度和葉量的多少有關系; 馬尾松林由于冠幅大小、冠幅厚度和葉量均小于杜仲林和楓樟混交林, 所以有大量的降雨可以支持穿過冠層, 有大量的雨穿透而被林冠截留, 也即馬尾松林的可用于林冠截留的雨量多于杜仲林和楓樟混交林。

表2 觀測期內(nèi)林外降雨強度分布情況

圖1 不同植被類型林冠截流量與降雨量關系

Figure 1 Relationship between canopy closure and rainfall in different vegetation types

3.3 林冠對降雨的分配作用

植被類型不同產(chǎn)生的林冠對降雨的再分配存在差異(表3), 穿透雨量總計為楓樟混交林(1573.09 mm)＞馬尾松林(1568.59 mm)＞杜仲林(1526.62 mm), 樹干莖流量總計為杜仲林(155.46 mm)＞馬尾松林(51.78 mm)＞楓樟混交林(39.98 mm), 林冠截留量總計為楓樟混交林(358.78 mm)＞馬尾松林(351.46 mm)＞杜仲林(289.75 mm); 林冠穿透率、樹干莖流率和林冠截留率也表現(xiàn)出與之對應的雨量一致的排序。說明混交林的穿透雨量和林冠截留量大于純林, 而純林的樹干莖流量大于混交林。

從不同植被類型林冠層對降雨的分配來看, 表現(xiàn)為穿透雨最多, 其次是林冠截留, 樹干莖流最小。杜仲林表現(xiàn)為穿透雨量(1526.62 mm)＞林冠截留量(289.75 mm)＞樹干莖流量(155.46 mm); 楓樟混交林和馬尾松林也表現(xiàn)為穿透雨量＞林冠截留量＞樹干莖流量; 從三個樹種的均值來看穿透雨量(1556.10 mm)＞林冠截留量(333.33 mm)＞樹干莖流量(82.41 mm), 穿透雨量是樹干莖流量的18.88倍, 說明不同植被類型林冠層主要以穿透雨為主。

4 結論與討論

從一次性降雨情況來看, 出現(xiàn)了69次一次性降雨量在0.5－50 mm·d-1的降雨, 占總次數(shù)的83.13%; 有37次的降雨為小于10 mm·d-1的小雨, 這37次的降雨占總降雨次數(shù)的44.58%; 37次小雨的總降雨量為139.87 mm, 占總降雨量的7.09%; 中雨(10－25 mm·d-1)降雨量占總降雨量的20.03%, 大雨(25－50 mm·d-1)降雨量占總降雨量的 27.16%, 中雨和大雨占總降雨量次數(shù)的45.78%, 降雨量共計930.48 mm, 占總降雨量的47.19%, 說明該研究區(qū)年降雨量充沛。

杜仲林、楓樟混交林和馬尾松林的林冠截留量分別為289.75 mm、358.78 mm和351.46 mm, 林冠截留率分別為14.69%、18.19%和18.79%?？梢? 馬尾松林的林冠截留量和截留率最大, 杜仲林的最小, 這與大多研究[16]結果一致, 表現(xiàn)為針葉林的截留率通常大于闊葉林, 主要是因為簇壯的針葉更容易吸持雨水。我國主要森林的冠層截留率介于 14.7%—31.8%之間[17], 也有超過50%, 本文中3種植被類型林冠截留率介于14.69%-18.79%之間, 說明湘西武陵山區(qū)的植被林冠截留率處于中下水平。同時, 研究結果表明隨著降雨量增大, 不同植被類型的林冠截留量也增大, 二者呈正相關關系。

表3 不同植被類型林冠層對降雨的分配規(guī)律

穿透雨量、林冠截留量總計均表現(xiàn)為楓樟混交林＞馬尾松林＞杜仲林, 樹干莖流量總計為杜仲林＞馬尾松林＞楓樟混交林; 林冠穿透率、樹干莖流率和林冠截留率也表現(xiàn)出與之對應的雨量一致的排序。說明混交林的穿透雨量和林冠截留量大于純林, 而純林的樹干莖流量大于混交林。從不同植被類型林冠層對降雨的分配來看, 表現(xiàn)為穿透雨最多, 其次是林冠截留, 樹干莖流最小; 從三種植被類型的均值來看穿透雨量(1556.10 mm)＞林冠截留量(333.33 mm)＞樹干莖流量(82.41 mm), 穿透雨量是樹干莖流量的18.88倍, 說明不同植被類型林冠層主要以穿透雨為主, 這與黃團沖[7]等研究結果一致。

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Study on rainfall redistribution of canopy layer of three vegetation types in the small watershed of Nver Zhai

LUO Jia1, 2, TIAN Yuxin1, 2,*, ZHOU Xiaoling1, 2, ZENG Zhangquan1, 2, YAO Min1, 2

1. Hunan Academy of Forestry, Hunan Changsha 410004, China 2. Hunan Cili Forest Ecosystem State Research Station, Hunan Cili 427200, China

The rainfall redistribution process of canopy layer of three vegetation types in the small watershed of Nver Zhai was studied. During the observation period, the precipitation was up to 1971.80 mm, and the times of rainfalls were 83. The canopy interception offorest,mixed forest andforest were 289.75 mm, 358.78 mm and 351.46 mm, respectively. In addition, the canopy interception rates of these three vegetation types were 14.69%, 18.19% and 18.79%, respectively. There was a significant positive correlation between the two factors. The throughfall and canopy interception of mixed forests were greater than those of pure forests, while the trunk stem flow of pure forests was greater than mixed forests. The distribution of rainfall in canopy layer was the highest for different vegetation types following by canopy interception, and the trunk runoff was the minimum.

vegetation type; rainfall redistribution; canopy layer; small watershed.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.05.019

S715.2

A

1008-8873(2019)05-145-06

2018-08-08;

2018-10-10

湖南省重點研發(fā)計劃(2017NK2223); 湖南省林業(yè)科技計劃項目(XLKPT201710); “十二五”農(nóng)村領域國家科技計劃課題(2015BAD07B04); 國家重點研發(fā)計劃“典型脆弱生態(tài)修復與保護研究”重點專項項目(2017YFC0505506); 國家國際科技合作專項資助項目(2015DFA90450); 湖南省林業(yè)科技項目(2012-HNLYKY-01); 2017年森林生態(tài)效益補償公共管護項目: 基于生態(tài)連清的慈利縣公益林生態(tài)效益監(jiān)測評價。

羅佳(1983—), 女, 湖南省長沙市人, 助理研究員, 博士, 主要從事生態(tài)學、水土保持學、生物學研究, E-mail: luojia993@sina.com

田育新(1968—), 男, 湖南常德人, 研究員, 主要從事生態(tài)學研究

羅佳, 田育新, 周小玲, 等. 女兒寨小流域3種植被類型林冠層對降水再分配研究[J]. 生態(tài)科學, 2019, 38(5): 145-150.

LUO Jia, TIAN Yuxin, ZHOU Xiaoling, et al. Study on rainfall redistribution of canopy layer of three vegetation types in the small watershed of Nver Zhai[J]. Ecological Science, 2019, 38(5): 145-150.