北京西山油松、栓皮栎及其混交林降雨分配特征

吴文强 李 萍 孙向阳 于 鑫

(北京市土肥工作站，北京，100029) (北京林业大学)

森林对降雨的截留、再分配和贮存等生态过程，是森林生态系统水文循环和水量平衡的一个重要环节，具有减少地表侵蚀、地表径流和涵养水源等作用［1－3］。油松、栓皮栎是北京西山地区分布广泛，具有代表性的建群树种，两者降雨分配此前的研究仅限于林冠截留、树干茎流特征［4－6］，对整体降雨分配特征的研究较少。本文以两者及其混交林为观测对象，系统研究了3种林分的林冠截留、树干茎流和林内透流等降雨分量与降雨量的关系，以及不同林分内降雨各分量的分配，为进一步研究该地区的人工林水量平衡提供理论依据，发挥森林维护北京地区生态平衡、保障水源等方面具有重要的作用。

1 研究区概况

实验地位于北京林业大学妙峰山实验林场，是整个西山最临近平原的部分，海拔60～1 100 m，坡度15°～35°，水土流失严重。暖温带的大陆性季风气候，年均气温11.8℃，年均降水量700 mm左右，7—8月份降水占全年降水量的70%左右。现存的主要植被类型为20世纪五六十年代营造的人工林。主要树种有油松(Pinus tabulaeformis)、栓皮栎(Quercus variabilis)、侧柏(Platycladus orientalis)等。母岩主要有凝灰岩、砂岩、石灰岩、花岗岩和砾岩等，山地母质多为上述岩石风化的残积、坡积物。土壤类型为简育干润雏形土类，处在幼年期，发育不良，层次不明显，缺乏腐殖质，土层浅薄，多石砾，土厚50 cm左右。

2 研究方法

在研究区内选择有代表性的油松林、栓皮栎林及其混交林作为研究对象，在海拔410 m的燕子岭分别设置3块试验林地，面积为30 m×30 m，林龄均为34 a，林下植被较为稀疏，覆盖度较低，试验林地的概况见表1。

表1 试验林地概况

试验时间为2010年4—10月，在测量大气降雨的同时，在3块试验林地内，测定降雨分配的树干茎流、林内透流、林冠截留、枯枝落叶截持、地表径流和土壤贮水量等分量。

大气降雨:采用英国Delta－T仪器设备有限公司生产的便携式WS－GP1自动气象站，为减少干扰，将雨量筒放置在高于林冠的人工搭的铁架上。

树干茎流:在3块试验林地分别按径阶选取5%的树木。用直径为4 cm的塑料管剥开作集水槽，在树干基部螺旋状地绕2～3周，下端管口连接到集水器内，所测的水量体积根据林冠面积换算成水深(mm)。林分每场降雨的茎流按径阶及其权重统计。

林内透流:采用自制雨量槽(200 cm×20 cm×20 cm)，使其位于林冠投影面积上的比率接近试验林的郁闭度。在3块试验地分别设置5个，测定雨量槽内水的体积，根据水槽的承雨面积换算成水深(mm)。

林冠截留:林冠截留=降雨量－树干茎流－林内透流［7］。

地表径流:在试验林地典型自然坡面上设置径流场，在径流场的下端留一排水口，将径流水引入集水器内，测定集水器内的水体积，根据径流场的面积换算成水深(mm)。

枯落物层截持:在每个试验林地的对角线上布设10个雨量筒，取原状的枯落物层置于雨量筒上，每次降雨后测定雨量筒中的集水量。枯落物层截持量=透流量－雨量筒中水量。

土壤贮水=降雨量－林冠截留－枯落物截留－地表径流。

3 结果与分析

3.1 试验期间降雨特征

由表2可知，整个试验期间共降雨53次，降雨总量512.8 mm，低于北京平原地区历年平均水平635.9 mm，据此可以认为2010年的降雨情况相当于该地区中等偏旱年份的水平。

表2 试验期间降雨量的分布情况

试验期间，降雨量1～10 mm的降雨次数最多，占降雨总次数的54.7%;而且降雨量也较多，占降雨总量的23.0%。较大降雨量的降雨次数较少，但降雨量却最多，如≥40 mm的降雨仅为3次，但其降雨量却占降雨总量的38.6%。

3.2 林冠截留、树干茎流、林内透流与降雨量的关系

大气降雨进入林地经过林冠的截留作用，形成林冠截留、树干茎流、林内透流，即形成第1次分配;树干茎流和林内透流到达林地后，形成枯枝落叶截留、地表径流(本试验中未出现壤中流)、土壤贮水增量，即形成第2次分配［8－9］。本试验条件下，大气降雨最终分配为林冠截留、枯枝落叶截持、地表径流和土壤贮水增量。

整个试验期间，油松林和栓皮栎林分别发生了3次地表径流，混交林未发生，故未讨论混交林地表径流和降雨量的关系。

3.2.1 不同林分林冠截留与降雨量的关系

林冠截留的降雨极少部分被枝叶吸收，大部分通过蒸发进入大气，是森林水分损失的途径之一，尤其是干旱半干旱降水相对集中的西山地区，这种损失尤为显著。林冠截留量，主要取决于林分的林龄、郁闭度、树叶的数量、表面积、粗糙度、排列方式和可湿性，并与降雨强度和降雨的间隔时间等有关［10］。

本试验林地的林冠截留量和降雨量的回归方程见表3。从表3可知，3种林分的林冠截留和降雨量之间具有显著乘幂函数关系，即在较小的降雨量级，随着降雨量的增大，截留量增加较快;而在较大的降雨量级，随着降雨量的增大，林冠截留递增变缓，截留率却急剧减少。在此乘幂函数中，参数A和B表示林冠截留量随降雨量变化的快慢与大小，参数A、B值越大，表明林冠截留量随降雨量变化的幅度越大;反之，则越小。在相同的降雨条件下，油松因为具有茂密的枝叶，表面粗糙，可拦截较多的降雨，所以林冠截留量最大，栓皮栎最小，混交林居于两者之间。

表3 试验林地林冠截留和降雨量的关系

3.2.2 不同林分树干茎流和降雨量的关系

树干茎流属于林内降雨，这部分降雨占总降雨量的比例很小，但是树干茎流为深根性树种的水分供应创造良好条件。树干茎流大小不仅主要取决于单次降雨量的大小，而且还取决于树皮的粗糙度、湿润程度和枝条固定在树干的角度，以及树冠的结构等［11］。3个林分的树干茎流与降雨量的关系见图1。从图1可知，油松林、栓皮栎林及其混交林的树干茎流量和降雨量具有显著线性相关性，由于林分特点不同，各林分出现树干茎流时的降雨量也不同。由树干茎流量和降雨量的相关方程计算得出:当降雨量大于1.2 mm时，栓皮栎林出现树干茎流;当降雨量大于6.0 mm时，油松林才出现树干茎流;当降雨量大于1.4 mm时，混交林出现树干茎流。这是因为:栓皮栎的枝条呈锐角生长在树干上，其树皮光滑，所以栓皮栎出现树干茎流时的降雨量最小;而油松的枝条虽然也呈锐角生长在树干上，但其树皮为鳞片状剥裂，较疏松，吸水性强，所以油松林出现树干茎流时的降雨量较大;混交林出现树干茎流时的降雨量介于两者之间，且较接近栓皮栎林出现树干茎流时的降雨量，是因为混交林中的栓皮栎长势良好，是混交林中的优势木，且栓皮栎树干茎流量比较大的缘故。

图1 不同林分树干茎流量和降雨量的关系

3.2.3 不同林分的林内透流和降雨量的关系

林内透流是林地土壤水分的主要来源，受降雨强度、持续时间、林分类型和密度等多种因素的影响。

从图2可知，各林分的林内透流量和降雨量也具有显著线性相关性，这与各林分的树干茎流量和降雨量的关系相似。根据林内透流量和降雨量的相关方程计算得出:当降雨量大于0.4 mm时，栓皮栎林出现林内透流;当降雨量大于0.6 mm时，油松林和混交林出现林内透流。在相同的降雨条件下，林内透流主要取决于林分的郁闭度［12］，由表1可知，3块林地郁闭度相互接近，所以出现上述这种情况。

图2 不同林分的林内透流量和降雨量的关系

3.3 降雨量各分量的分配

树种和林分组成的不同，决定了不同林地降雨各分量的不同。由表4可知，在3块林地的降雨各分量中，栓皮栎林的土壤贮水量最多，为371.6 mm;土壤贮水量油松林最少，为269.3 mm。

在降雨的第1次分配中，林内透流量和树干茎流量由大到下顺序为栓皮栎林、混交林、油松林;林冠截留量由大到下顺序为油松林、混交林、栓皮栎林;混交林的各分量介于两者之间，其数值更接近于油松林。这是因为混交林中虽然栓皮栎是优势木，但栓皮栎的数量约是油松的四分之一。

本试验透流量较小，而林冠截留量较大，主要是由于试验期间降雨特点决定的。小于10 mm的降雨次数是总降雨次数的77.4%，降雨量只有总降雨量的24.0%，降雨在林分内形成不完全运动形式的次数比较多;再加上降雨偏少，间隔时间长;这都是造成上述现象的原因。

在降雨的第2次分配中，3种林分中土壤贮水量最大，枯枝落叶截持量次之，地表径流量最小。3种林分，枯枝落叶截持量相差不多;地表径流很小，整个试验期间油松林和栓皮栎林只发生了3次径流，而混交林则没有形成地表径流。这是因为森林土壤的枯枝落叶层是森林土壤最为活跃和最起作用的表面层，使林地土壤具有良好的渗透性，从而大大减少了林地的地表径流，对防止水土流失，增加土壤水分含量有重要作用。

4 结论

在相同的降雨条件下，树种和林分组成的不同，决定了不同林地的降雨分配特征。油松林冠截留量大于栓皮栎林;栓皮栎林出现树干茎流时间早于油松林;混交林的林冠截留和树干茎流介于两者之间，且取决于栓皮栎在混交林中的数量。

油松林、栓皮栎林及其混交林的林冠截留量与降雨量呈显著乘幂函数关系，3种林分的干流量、透流量与降雨量呈显著线性关系。

在降雨的第1次分配中，林分的透流量和干流量由高到低的顺序为栓皮栎林、混交林、油松林，而林冠截留量由大到小的顺序为油松林、混交林、栓皮栎林;在降雨的第2次分配中，3种林分中土壤贮水量最大，枯枝落叶截持量次之，地表径流量最小;在3种林分中，土壤贮水量由高到底的顺序为栓皮栎林、混交林、油松林，枯落物的截持量相差不多，栓皮栎林比其他两者略大。

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