杏树林冠降水截留效应及其模拟研究*

任亮,任树梅,杨培岭,李仙岳,3

(1.中国农业大学水利与土木工程学院,北京100083;2.水利部 综合事业局,北京100053;3.内蒙古农业大学,呼和浩特 010018)

京郊果林不仅是北京农村经济的重要组成部分,而且对北京生态建设的重要性不可忽视。果林的水文生态功能是北京市生态系统功能的一个重要方面,水在果林生态系统中的循环与分配整合了能量流动和养分循环等生态过程[1],其中水源涵养和水土保持是果林生态系统作用中人们最为关注的服务功能,果林对大气降雨的再分配是其水文效应中的重要环节。降雨进入果林后进行了一连串的再分配过程:形成穿透降雨、树干径流、树冠截留,降雨的分配过程受到降雨量、降雨强度、降雨历时、树冠情况及树种、树龄、林分密度等多种因素的影响和制约[2-3]。

近30年来,国内很多学者采用数学方法对林冠降雨截留进行了模拟研究,主要集中在热带季节雨林、温带油松人工林、江河上游人工林等,通过经验、半理论和理论模型[4-8]对针叶林、落叶阔叶林和混交林的降雨截留规律已作较深入的研究,但对温带半干旱地区果林截留特征报道甚罕。在我国北方半干旱地区,果林树冠的截留耗水是果园耗水中不可忽略的部分,它影响果园土壤水分的运移和分配规律。本文通过研究杏树果林对不同雨量单场降雨的截留分配效应,探讨不同降水事件下杏树果林对降水的拦截能力及差异,尝试建立盛果期杏树林冠截留的统计模型和Horton概念模型,就林冠对降水的分配机理与林冠截留之间的关系展开系统研究,以期对降雨高效利用的节水灌溉提供有关的指导。

1 研究地概况和研究方法

1.1 研究地概况

北京市属北温带大陆性半干旱季风气候,春天干旱多风,夏季炎热多雨,秋季多风少雨,冬季寒冷干燥。多年平均降雨量为595 mm,80%的降雨集中在 6-8月,7-8月常有暴雨,年平均气温11.8℃,年日照时数2 684 h,年平均积温4 600℃,全年无霜期210 d左右,多年平均风速2.6 m/s。

研究所选的杏树(Apricot)林样地设在北京市海淀区四季青经济果树种植园内(39°54′N,116°23′E,海拔43.5 m),1996年定植于果园中,采用定行距密株的种植方式(行距4 m,株距3.5 m),杏树的平均高度为(3.11±0.20)m,平均胸径为(13.10±1.22)cm,同行林冠郁闭度达到0.7,在行间没有种植其他作物。

1.2 研究方法

在单场降雨情况下,林冠水量平衡关系为[3]:

式中 :P ——林外降雨 ;Ic——林冠截留量 ;T f——穿透降雨;St——树干径流。

本研究中观测项目为林外降雨、穿透降雨和树干径流,观测时间从2008年6月1日到2008年9月30日,这一时期是北京的雨季,降雨非常密集,并且杏树枝叶茂盛,有一定的截留能力。

1.2.1 林外降雨测定 在林地边缘的空旷地上,布设自动气象站,连续记录观测期内的降雨及其他气象资料,同时在空旷林地用标准雨量筒观测降雨,作为对照以便进行对比分析。

1.2.2 穿透降雨测定 根据公式n=N/(1+Nα2/σ2),N=A/A′计算出试验区需要的雨量计个数,式中:n——所需的雨量计个数;N——抽取样本所代表的区域大小;α——精度;σ——变异系数;A——试验区面积(m2);A′——雨量计受雨口面积(m2),随机布置雨量计位置[9],每次降雨后及时测量,并清除落入的叶片和杂物。

1.2.3 树干径流测定 杏树长势均匀,通过大量调查,树干胸径为12.41～14.32 cm,所以在试验区选取6株样树,在距树干基部30 cm安装铁皮环状收集槽,用导水管将截持的降水收集在雨量筒中,降雨后及时测定树干截持雨量。取得总量后,用树冠投影面积计算单位面积林冠的树干径流量。

1.2.4 树冠截留量的计算 根据测定得林外降雨、穿透降雨、树干径流,由公式(1)得:

2 结果与分析

2.1 降雨特征

2008年6月1日到9月30日期间,共观测到26次大气降水,平均每4.6 d就有1次降雨,降水总量为528.9 mm,平均每次降雨量为20.3 mm。降水事件按大小的分布频率(表1)中,雨量级为20～30 mm的降雨量最多,占总降雨次数的23.1%。观测期间小雨(24 h降雨量≤9.9 mm)的次数为11次,中雨(24 h降雨量10.0～24.9 mm)为6次,大雨(24 h降雨量≥25.0 mm)为9次,大雨降雨量占到这一时期总雨量的72.2%。6-9月降雨量(见表2)分别为114.0 mm 、134.6 mm 、209.2 mm 、71.1 mm,其中 7-8 月份24 h降雨量≥20.3 mm(次降雨均值)为7次,6、9月只有4次。可以见,7、8月份次降雨量较大,也符合北京7、8月多大暴雨的气候规律。

表1 各级降雨的分配

2.2 林内降雨

林内降雨包括穿透降雨和树干径流。观测时段内,实测穿透降雨总量为440.0 mm,树干径流总量为4.2 mm,分别占观测降雨总量的83.2%、0.8%。林冠穿透率在不同的雨量级差异明显,当林外降雨＜1 mm时没有产生穿透降雨,林冠几乎截留所有的降雨,当雨量级逐渐增大时,穿透率随之直线上升,雨量级＜5 mm时,穿透率保持在 50%以下,雨量级＞5 mm时,穿透率有跳跃式增加,达到77.1%。根据26次实测资料分析,穿透雨量、穿透率与林外降雨量的关系,分别如图1-2。

图1 穿透量与林外降雨关系

可见林内穿透降雨与林外降雨具有显著的正相关关系。由公式可看出,当林外降雨量达到1.63 mm时,才能产生穿透降雨,这与实际观测的结果基本符合。穿透率与林外降雨的关系,呈显著的对数关系,当林外降雨＜15 mm时,穿透率随着林外降雨量的增大而急剧增大,当林外降雨＞15 mm时,穿透率基本保持在80%左右,见图2。

由表1可知,树干径流占林外降雨量的比例非常小,为0～0.8%,当林外降雨＜1 mm 时,没有产生树干径流。实测的数据显示,当林外降雨达到1.3 mm时,就能观测到树干径流,较其他树种的研究,杏树树干易于产生径流,这与杏树树干的结构和树皮的性质有一定的关系。树干径流与林外降雨也有密切的关系,径流率随着雨量级的增大而增大,雨量级＜5 mm时,树干径流率保持0.3%以下,雨量级＞5 mm时,径流率基本保持在0.8%左右。由此可见,树干径流在整个降雨过程中占的比率很小,就对果树生理需要而言作用甚微,所以一般情况下,可以忽略树干径流的影响。

2.3 林冠截留

林冠对大气降雨的截留缓冲是水分输入森林进行的第一次分配,通过这次分配,降雨到达地面的数量、速度、时间均发生了变化[10]。林冠的截留能力是有限的,林冠截留量也受到林冠结构、前期降水、雨量及雨强等因素的影响。观测时段内,通过水量平衡计算的截留总量为85.1 mm,占观测降雨总量的16.0%。分析截留资料,发现林冠截留量与林外降雨量可以由幂函数关系式表征(如图3):

图2 穿透率与林外降雨关系

图3 林冠截留量与林外降雨关系

在林冠截留降雨达到饱和以前,林冠截留量随着降雨量的增加而不断增加,但增加的比率越来越小,直到趋近于林冠最大持水量,并最终达到饱和。所以,林冠截留量与林外降雨量呈幂函数关系。杏树林冠的饱和持水量为7～8 mm,反映了林冠截留降雨的有限性。由表1可见,当雨量级＜5 mm时,一半以上的降雨被林冠截留,并最终蒸发损失;当雨量级在5.0～20.0 mm时,林冠截留了25%左右的降雨,实际到达地面的降雨为3.75～15 mm,有较大损失,对于大面积果园的节水灌溉,这部分的林冠截留不能忽略;当雨量级＞20 mm时,林冠截留率在18%以内,并随着雨量级的增大而逐渐减小,而这一级别的降雨可以有效缓解旱情,少量的林冠截留显得并不十分重要。由表2可以看出,7-8月的截留率比6月、9月小,这是因为研究区6月、9月降水以小雨为主,很少有大暴雨发生,能够充分发挥冠层的截留作用。由上述分析可见,林冠截留不能轻易忽略,尤其雨量级较小但能起到一定缓解旱情作用时,由于截留损失,降雨将不能及时补充果林所需水分,这就需要结合人工灌溉。深入研究截留量与降雨量之间的关系,并建立适于杏树林冠截留的模型,对于果林节水灌溉具有一定的指导意义。

3 林冠截持降雨概念模型的建立

我国地域广阔,地区气候差异较大,转化成林冠截持降雨的模型也有很大不同。林冠截留概念模型是认识林冠截留物理学过程的重要手段。在众多概念模型中,Horton模型及其改进式按照截留机理,把截留量可分解为吸附截留和树体表面蒸发导致的附加截留[11],较好地描述了树冠截留机制和过程,克服了统计模型参数物理意义不明确或与气象数据结合不紧密等缺点,具有较好的应用前景。Horton模型(式3)将吸附容量简化成一个常数,不适用于小雨量降雨事件,后来逐渐发展成了式(4)的形式[3,12-13]。王彦辉等人[14]对式(4)进行了必要的简化,提出了适合我国不同林分的次降雨截留模型式(5):

表2 杏树林分不同月份降雨量和分配率

式中:Ic——次降雨截留量;I*cm——以林冠投影面积上的水层厚度表示的林冠吸附降雨容量;P——次降雨量;e——湿润树体表面蒸发强度;r——树体表面积(包括叶和枝干)与树冠投影面积的比值;T——降雨历时;α——降雨蒸发率。

之所以将式(4)中的附加截留量简化为式(5)中次降雨的比例,是因为不易测得树体表面积动态数据以及常规气象数据中缺乏次降雨历时数据。简化后,可以利用常规的气象数据,进行树冠截留功能的区域模拟和评价。以式(5)作为模型,利用标准的统计程序SPSS进行模型的参数估计。对实测的26次降雨量P和次降雨截留量Ic进行拟合,得到下式:

图4 杏树果林冠层截留模拟值与观测值的比较

4 结论与讨论

林冠截留量不仅受各种气象因子的影响,而且与冠层密度、厚度、雨前冠层干燥度、叶面的持水能力、林冠结构特征等树冠性质的关系紧密[15],因而比较复杂。通过对北京雨季26次观测数据的统计分析表明:

(1)林内降雨与林外降雨具有显著的正相关关系,穿透率随着雨量级的增大而增大,雨量级＞5 mm时,穿透率有跳跃式增加,随后趋于稳定,穿透率和林外降雨量呈显著的对数关系。树干径流的产生和树的分枝角度、冠幅、树皮的储水能力、降雨强度等有关系[16]。杏树容易产生树干径流,但产流较少,这与杏树树皮的储水能力较低和分枝角度较大有直接关系,当雨量级＞5 mm时,径流率基本稳定在0.8%。

(2)林冠截留量与林外降雨量呈显著的幂函数关系,当林冠遇到大雨和暴雨时不能充分发挥林冠的截留能力,所以体现出大暴雨较多的7月、8月截留率明显小于6月、9月截留率。实际的截留过程中,由于受雨强、降雨时长、枝叶表面蒸发等因子的影响,实际截留量随着降雨量的增加而缓慢增加并趋于平稳,当降雨量＞7 mm时,杏树截留率趋于稳定。当降雨量＜20 mm时,林冠截留对降雨产生了较大影响,林内降雨量小于林外降雨量的75%,这对果树实际的水分补给产生了一定影响,即林冠截留不能轻易忽略,节水灌溉中应考虑截留损失。

(3)研究表明,Horton模型在实际截留量＜4 mm时,对单次降雨截留量有较好的模拟,当实际截留量＞4 mm时,模拟值偏小,从阶段总截留量来看,Horton模型做了较好的模拟,模拟总量和实测总量较为接近,能够较准确估算杏树林冠对单次降雨的截留量,指导杏树的节水灌溉。其中Horton模型中附加截留量由于受风速、雨前冠层干燥度、温度等因素的影响,导致部分单次截留量模拟出现较大误差,能否将更多影响单次截留量因素融入模型,从而更精确地反映实际林冠截留的过程和结果,还需要进一步深入的探讨。

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