汪水前

(福建省水土保持監(jiān)測站，350003，福州)

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，具有水源涵養(yǎng)、維護生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等功能。水是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的基礎，森林與水二者相互作用、相互影響，在水土保持、涵養(yǎng)水源方面發(fā)揮重要生態(tài)環(huán)境效益。降雨是森林生態(tài)系統(tǒng)輸入水分及養(yǎng)分的重要形式[1]，降雨接觸林木冠層后路徑發(fā)生的過程稱為降雨再分配。降雨再分配可分為冠層截留、穿透雨、樹干莖流3部分[2]。冠層截留是降雨再分配的首要過程[3]，占降雨量的20%～40%[4]。冠層的攔截作用能有效減少雨量、雨滴能量，延長降雨歷時，較大地減小降雨對土壤的直接沖蝕力[5]。穿透雨由直接通過冠層孔隙到達地面的雨水和與冠層或枝干接觸后到達地面的雨水2部分組成，占降雨量的比例較大[6]，穿透雨對土壤的水分空間分布、土壤養(yǎng)分輸入、水土流失等生態(tài)水文過程有重要影響。樹干莖流是植物根部土壤養(yǎng)分及水分的重要來源[7]。在以往的研究中，大多數(shù)水文研究往往忽略樹干莖流。樹干莖流會改變降水空間分布，影響周圍地表徑流，對林下植被覆蓋稀少處土壤產(chǎn)生二次侵蝕。影響降雨再分配的因子可分為氣象因子及林分因子[8]。氣象因子包含降雨量、降雨強度、風速、風向等因子[9]；林分特征包含葉面積指數(shù)、冠層厚度等[10]。由于不同地區(qū)不同林分差異，降雨再分配存在時間及空間異質(zhì)性，探究降雨再分配特征以及林分特征對其影響效應，在水資源管理、水文生態(tài)等方面具有重要理論意義。

福建省長汀縣是我國南方花崗巖紅壤侵蝕區(qū)土壤侵蝕嚴重的縣份之一，該區(qū)域土壤侵蝕面積廣，侵蝕程度大，且侵蝕類型多樣，土壤貧瘠、生產(chǎn)力低下，生態(tài)環(huán)境惡化，自然災害頻繁。降雨動能是產(chǎn)生土壤侵蝕的直接動力，也是目前南方紅壤區(qū)水力侵蝕的主要原因，探討馬尾松林降雨再分配特征，可為治理林下水土流失提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省長汀縣河田鎮(zhèn)(E 116°16′～116°30′,N 25°35′～25°46′)(圖1)，是我國典型水土流失區(qū)，東鄰南山，南與涂坊、濯田接壤，北與新橋相連，西與策武交界。研究區(qū)為亞熱帶季風性濕潤氣候，氣候溫和，年均氣溫18.3 ℃，降雨集中于夏季，雨量充沛，年均降雨量為1 730.4 mm。地形破碎，嶺谷相間，土壤類型以紅壤土和沙壤土為主，土壤抵抗侵蝕能力低，林地多為馬尾松(Pinusmassoniana)及芒萁(Dicranopterisdichotoma)覆蓋，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。

圖1 河田鎮(zhèn)地理位置Fig.1 Geographical location of Hetian town

河田鎮(zhèn)主要樹種為馬尾松，中齡林比例較大。試驗區(qū)林地為馬尾松林地，林齡20 a，平均胸徑8 cm，平均樹高7.4 m，平均冠幅3.6 m。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

對河田鎮(zhèn)進行踏查，了解馬尾松分布情況，選取能代表河田鎮(zhèn)馬尾松林整體情況的試驗區(qū)，在試驗區(qū)設置18個20 m×20 m的馬尾松林標準地。以典型取樣為原則，在每個標準地內(nèi)選取2株標準木，共選取36棵馬尾松為目標樹。測量目標樹冠幅、胸徑、葉面積指數(shù)等因子，并布設集雨器，測量2018年5—11月降雨量、穿透雨、樹干莖流及各林分參數(shù)。

2.1.1 林木參數(shù) 葉面積指數(shù)采用LAI-2200型冠層分析儀(LI-COR，美國)測量得到。為避免天氣因素對測量結(jié)果造成影響，在陰天進行測量。測量時采用90°遮蓋帽，以“1上4下”的方式測量[11]。測量結(jié)束后，將數(shù)據(jù)導入儀器配套軟件FV-2200中，經(jīng)重計算后得到馬尾松單木葉面積指數(shù)。

2.1.2 降雨數(shù)據(jù) 本研究在內(nèi)無枝干、葉片遮擋的空地處設置路格L99-YLWS翻斗式雨量記錄儀，其精度為0.4 mm，獲取降雨時間、降雨量及溫濕度等因子設置記錄間隔為15 min。降雨事件的劃分依據(jù)為前后6 h無降雨，且降雨量>0.2 mm。

穿透雨采用內(nèi)徑為20 cm，高度0.8 m左右的自制雨量收集桶收集測定。自制雨量桶分別布設在選取的標準木東、南、西和北4個方向樹冠邊緣點，每棵標準木統(tǒng)一設置，共需布設36棵標準木。每次降雨事件發(fā)生后及時測定收集桶內(nèi)的雨量體積。

樹干莖流的測定是在距離地面1.3～1.5 m處，將直徑為2 cm的軟性聚乙烯管從中縫縱向切開，以螺旋方式纏繞在樹干上，并用硅膠密封聚乙烯管與樹干間的空隙，在塑料管出口布置1個雨量收集桶。樹干莖流是在每次降雨事件發(fā)生后立即進行人工收集測量。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 降雨強度 通過加權(quán)平均每小時降雨強度計算平均降雨強度，其公式為

(1)

式中：RI為每次降雨平均降雨強度，mm/h；n為降雨中雨量計記錄的時間，h；Ri為第i時的降雨量，mm；G為總降雨量，mm；RIi為第i時降雨強度，mm/h。

2.2.2 穿透雨及樹干莖流 將每次降雨測量得到的穿透雨量、樹干莖流量分別除以容器內(nèi)徑的水平橫截面積、對應目標樹的樹冠投影面積，將其轉(zhuǎn)換為等效深度。計算式分別為

(2)

(3)

式中：TF為林內(nèi)穿透雨量，mm；Vk為第k個量筒收集的雨量體積，mL；r為自制雨量收集桶內(nèi)徑的1/2，r=20 cm；m為每株標準木收集桶的數(shù)量，m=4;SF為實驗區(qū)樹干莖流量，mm；VSF為樹干莖流體積，mL；A為對應的樹冠投影面積，m2。

穿透雨率與樹干莖流率的計算式分別為

(4)

(5)

式中：TFR為穿透雨率，%；SFR為樹干莖流率，%；P為林外降雨量，mm。

2.2.3 冠層截留 林冠截留量和冠層截留率的公式分別為：

I=P-TF-SF；

(6)

(7)

式中：I為林冠截留量，mm；IR為樹干莖流率，%。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征

研究區(qū)觀測期間累計降雨90次，累計降雨量1 191.0 mm，單次降雨事件降雨量變化幅度為0.2～93.7 mm，每次平均降雨量為13.2 mm(圖2)。為描述研究區(qū)觀測期間降雨特征，將降雨量根據(jù)氣象學標準進行劃分。由表1可知，觀測期間降雨量為(0，10)的降雨事件比例高達62.22%，累計降雨僅占總降雨量14.75%；降雨量為[25，50)的降雨事件發(fā)生頻率較低，但累計降雨占總降雨量的35.87%。從上述數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)觀測期間以降雨量范圍為(0，10)的降雨事件為主，范圍為[25，50)的降雨事件在累計降雨量上占主導地位。

表1 降雨等級統(tǒng)計表Tab.1 Rainfall level statistics

圖2 研究區(qū)觀測期間降雨事件Fig.2 Rainfall events during observation in the study area

由式(1)計算得到研究區(qū)觀測期間降雨事件的平均加權(quán)降雨強度，降雨強度的變化范圍為0.4～46.92 mm/h，平均降雨強度為4.21 mm/h。由表2可見，將降雨強度按(0，2)、[2，5)、[5，10)、[10，+∞)進行劃分，分別占降雨事件65.56%、12.22%、8.89%和13.33%；占總降雨量的24.53%、11.07%、23.61%和40.79%。

表2 降雨強度統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of rainfall intensity

3.2 相關(guān)性分析

為探究林木特征對降雨再分配的影響，通過SPSS Statistics 21對林木因子與穿透雨量、樹干莖流量、冠層截留量進行相關(guān)性分析。由表3可見，冠層截留量與胸徑、冠幅、葉面積指數(shù)(leaf area index，LAI)呈極顯著相關(guān)；樹干莖流量與樹高、冠幅極顯著相關(guān)，與胸徑(diameter at breast height，DBH)、LAI顯著相關(guān)；穿透雨量與冠幅、LAI 呈極顯著相關(guān)，與胸徑顯著相關(guān)。

表3 相關(guān)性系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient

3.3 穿透雨特征

觀測期間累計觀測穿透雨量為1 018.7 mm，穿透雨率為85.53%。將林外降雨量與穿透雨量和穿透雨率進行擬合分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：穿透雨量隨降雨量的增加，降雨量與穿透雨量呈線性相關(guān)(R2=0.98，P<0.01)，擬合線性方程的斜率為0.882 3；當發(fā)生林外降雨且穿透雨為0時，說明降雨被冠層所截留，根據(jù)穿透雨量與降雨量的線性關(guān)系計算得到產(chǎn)生穿透雨的閾值為1.53 mm；穿透雨率與降雨量呈對數(shù)關(guān)系，且擬合效果較好(R2=0.83，P<0.01)，穿透雨率隨降雨量的增加而增加，逐漸趨于穩(wěn)定。從降雨強度與穿透雨量、穿透雨率的擬合方程可知，降雨強度<5.0 mm/h時，穿透雨量增長較快，隨后，增長率逐漸減緩，并趨于平緩；穿透雨率在降雨強度<10.0 mm/h時，增長速度較快，隨后增長速度減緩(表4)。

表4 穿透雨量與降雨量及強度擬合關(guān)系Tab.4 Fitting relationship between throughfall,rainfall and intensity

將穿透雨量與LAI、冠幅、胸徑進行擬合，穿透雨量與冠幅、胸徑進行擬合時R2均低于0.27，穿透雨量與LAI擬合時效果較好(R2=0.44)(圖3)。

圖3 葉面積指數(shù)與穿透雨量關(guān)系Fig.3 Relationship between LAI and throughfall

3.4 樹干莖流特征

研究區(qū)觀測期間累計樹干莖流量為15.4 mm，樹干莖流率為1.29%。樹干莖流量與林外降雨量呈線性正相關(guān)(R2=0.94，P<0.01)，擬合線性方程斜率為0.01；由擬合的線性方程可知，產(chǎn)生樹干莖流的林外降雨閾值為2.82 mm。林外降雨量與樹干莖流率擬合后發(fā)現(xiàn)呈對數(shù)關(guān)系(R2=0.48，P<0.01)，樹干莖流率隨著降雨量的增加而增加，在降雨量超過20 mm后趨于穩(wěn)定。將降雨強度與樹干莖流量、樹干莖流率分別進行擬合，發(fā)現(xiàn)均呈對數(shù)關(guān)系，其整體變化規(guī)律與穿透雨同降雨強度間一致(表5)。

表5 樹干莖流與降雨量及降雨強度擬合關(guān)系Tab.5 Fitting relationship between stem flow and rainfall and intensity

樹干莖流量與各林木因子進行擬合，僅冠幅擬合效果較好(R2=0.41)(圖4)，其他參數(shù)擬合結(jié)果R2均<0.22。

圖4 冠幅與樹干莖流量關(guān)系Fig.4 Relationship between crown width and stem flow

3.5 冠層截留特征

觀測期間累計冠層截留量為156.9 mm，林冠截留率為13.17%。冠層截留量、冠層截留率與林外降雨量的關(guān)系如表所示，分別呈對數(shù)關(guān)系和冪函數(shù)關(guān)系，且擬合效果較好。其中，林冠截留率在降雨量超過40 mm時逐漸穩(wěn)定在13%左右。冠層截留量、冠層截留率與降雨強度間關(guān)系同林外降雨量相一致(表6)。

表6 冠層截留與降雨量及降雨強度擬合關(guān)系Tab.6 Fitting relationship between canopy interception and rainfall and intensity

各林木因子與冠層截留量進行擬合，與葉面積指數(shù)呈線性相關(guān)(圖5)，擬合R2為0.52。

圖5 葉面積指數(shù)與冠層截留量關(guān)系Fig.5 Relationship between LAI and canopy interception

4 討論

研究在福建省長汀縣布設穿透雨、樹干莖流收集裝置，連續(xù)觀測2018年5—11月期間降雨事件。以相關(guān)性分析，選擇林木因子，分析林木因子、降雨量、降雨強度對穿透雨、樹干莖流、冠層截留的影響。

觀測期間，累計觀測馬尾松穿透雨量為1 018.7 mm，占降雨量的85.53%，降雨量與穿透雨量呈極顯著線性相關(guān)，擬合方程斜率為0.882 3。與其他學者研究結(jié)果相比，其他地區(qū)馬尾松穿透雨量與林外降雨量均呈線性極顯著相關(guān)，方程斜率分別為0.747 1[12]和0.841 5[13]，均小于本文研究斜率。究其原因，本研究區(qū)水土流失嚴重，馬尾松冠層稀疏、長勢欠佳，冠層截留能力較差，穿透雨量較大。由擬合的線性方程可計算出，形成穿透雨的降雨量閾值為1.53 mm，相較其他學者的研究結(jié)果偏低[13]，說明研究區(qū)馬尾松冠層截留力低。從穿透雨率與林外降雨量擬合方程發(fā)現(xiàn)部分穿透雨率接近或大于100%，這是由于穿透雨與林外降雨在時間上存在不同步現(xiàn)象[14]，導致連續(xù)降雨期間測量得到的穿透雨量接近或大于林外降雨量。根據(jù)LAI與穿透雨的函數(shù)關(guān)系式計算得出，產(chǎn)生穿透雨LAI的閾值為0.87。研究中，穿透雨量隨LAI的增加而增加，穿透雨尚未得到穩(wěn)定值，可能是研究區(qū)LAI偏低的原因。

累計觀測馬尾松樹干莖流量為15.4 mm，占降雨量的1.29%，高于其他學者研究結(jié)果[15]，推測原因觀測時間為2018年5—11月，包含了降雨較多的夏季，平均降水量較高，觀測期間雖以低強度降雨事件為主，但高強度降雨在降雨量上占優(yōu)勢，因此樹干莖流偏高。

冠層截留累計量為156.9 mm，占總降雨量的13.17%，遠小于其他學者研究結(jié)果[16]，其原因是研究區(qū)馬尾松冠層稀疏，冠層截留能力差。研究中冠層截留量隨著降雨量、降雨強度的增加而增加，逐漸趨于穩(wěn)定；而冠層截留率隨相反，隨著降雨量、降雨強度的增加而減小。該變化規(guī)律是由于冠層截留受降雨強度影響小，且冠層蒸發(fā)量大，故冠層截留量增大；當發(fā)生高強度降雨事件時，雨水對冠層的沖擊力較強，雨水落入地面變?yōu)榇┩赣?，因此冠層截留率降低。冠層截留量與胸徑、冠幅、LAI均極顯著相關(guān)，僅與LAI擬合效果較好，為對數(shù)函數(shù)關(guān)系，符合一般規(guī)律。

5 結(jié)論

1)研究觀測福建省長汀縣2018年5—11月降雨事件，觀測降雨事件90次，累計林外降雨量1 191.0 mm，穿透雨量1 017.7 mm，樹干莖流量15.4 mm，冠層截留量為156.9 mm，穿透雨率、樹干莖流率、冠層截留率分別為85.53%、1.29%和13.17%。

2)降雨量與穿透雨量呈線性正相關(guān)，降雨量與穿透雨率呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，降雨強度與穿透雨量(率)均呈對數(shù)關(guān)系。樹干莖流量、樹干莖流率與降雨量、降雨強度的關(guān)系與穿透雨特征一致。冠層截留量與降雨量、降雨強度呈對數(shù)函數(shù)擬合；冠層截留率與降雨量、降雨強度呈冪函數(shù)擬合。

3)由穿透雨量、樹干莖流與林外降雨量擬合的線性方程得到，當降雨量超過1.53 mm時產(chǎn)生穿透雨，降雨量超過2.82 mm時產(chǎn)生樹干莖流。

4)將林木參數(shù)與穿透雨、樹干莖流、冠層截留進行相關(guān)性分析并擬合，發(fā)現(xiàn)，LAI與穿透雨量、冠層截留呈對數(shù)函數(shù)擬合，樹干莖流量與冠幅呈指數(shù)函數(shù)擬合。