冀北山地阔叶林对降雨再分配的影响

王 昱 程

(河北省阜平县水利局, 河北 保定 071000)

森林是生态系统的重要组成部分，森林的林冠层对大气的降水在二次分配的过程中有着非常重要的水文生态意义，特别是在对降雨的截留和减小降雨冲刷力上，降低了降雨的动能和势能，减少了降雨对土壤的直接冲刷，从而有效的减少了洪峰的强度、削弱了对土壤的侵蚀力度和提高了森林涵养水源的能力等生态功能[1-3]。森林在对降雨进行二次分配主要从3个方面进行体现，分别为：林冠截留、穿透雨和树干径流，国内外对这一过程研究较多，林分类型较多，有温带落叶松、杉木林和亚热带阔叶林等林分，研究结果表明，森林对降雨的截留率达到了10%～40%，林内的穿透雨率为60%～90%，树干径流较小，为0.5%～14%。

冀北山地位于干旱半干旱地带，该地区的水资源是比较匮乏的，而冀北山地针对阔叶林利用水资源的过程和规律研究相对较少，因此对该地区森林进行水文生态研究是非常有必要的，也是很有意义的。本文拟选取冀北山地的木兰围场的阔叶林作为研究对象，通过对阔叶林的林外降雨、林内穿透雨和树干径流进行测定，进一步探讨阔叶林对降雨二次分配的影响，为了能够更加深入的了解林冠层的水文效应，利用数学模型对这一过程进行模拟研究，以期为该地区的森林建设、森林结构调整和森林健康发展提供理论依据和技术支撑。

1 研究区概况

河北省木兰围场国有林场管理局(41°47′—42°06′N，116°51′—117°45′E)地处冀北山地，是燕山山脉、阴山山脉和大兴安岭山脉余脉向西南延伸的结合部。该区域属中温带向寒温带过渡、半干早向半湿润过渡、大陆性季风型的高原山地气候。年平均气温-1.4～4.7 ℃，极端最高气温38.9 ℃，极端最低气温-42.9 ℃，≥0 ℃的年积温2 180 ℃，无霜期67～128 d。年均降水量380～560 mm，主要集中在6—8月。土壤主要为山地棕壤，土层深厚，海拔750～1 829 m。植被区系属温带草原地带高原东部森林草原区与暖温带落叶阔叶林地带燕山山地落叶阔叶林温性针叶林区的交接带。主要乔木树种：华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)、白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)、油松(Pinustabulaeformis)、蒙古栎(Quercusmongolica)云杉(Piceaasperata)等；主要灌木树种：迎红杜鹃(Rhododendronmucronulatum)、土庄绣线菊(Spiraeapubescens)、毛榛(Corylusmandshurica)等；主要草本植物：东亚唐松草(Thalictrumminus)、披针薹草(Carexlanceolata)等。

2 研究方法

2.1 样地的设置与测定

本文选择阔叶林，在林分内选取30 m×30 m作为标准样地，在林分郁闭度调查中，机械的设置100个样点，在各样点位置上进行抬头垂直昂视，判断该样点是否被树冠覆盖，统计被覆盖的样点数，经过测定郁闭度达到了0.65，树种主要为白桦、黑桦和五角枫，平均胸径为19.1 cm，平均树高14.3 m，坡向为西南，坡度为16°，海拔1 123 m，利用全站仪来定位样地内的林木位置(x，y)，并且对林木进行每木检尺和挂牌编号，根据对各林分每木检尺等林分因子的调查结果，胸径按5 cm 间隔划分径级，分为小于5，5～10，10～15，15～20 cm等胸径阶段，经过测量在各径级中选择与平均数最接近的林木作为标准木，每个径阶选择2棵标准木。

2.2 穿透雨和树干径流的测定方法

在林外空地处设置直径为20 cm的标准雨量筒，每次降雨后立即观测，并与设置的小型气象站的数据进行综合，得出的平均降雨量为林外降雨量；为使观测更具代表性，将6个直径大小为20 cm承雨桶随机布设于样地内，每次雨后观测，以6个承雨桶的雨量平均数作为林内穿透水量；在调查出的标准木上进行测定，在树干离地1 m处用纵向切开的半圆蛇形管缠树2圈，用竹签将其钉在树干上，用玻璃胶填补其缝隙，树干粗糙的树皮进行适当处理，蛇形管下端接到塑料桶中，每次降雨后，对塑料桶中的水量进行测量，根据每次测量得出的茎流量，再乘以该径级树木的株数，计算所有径级的总和作为该森林群落的总树干茎流量[4-7]。

2.3 数据处理

根据林外降雨量、穿透雨量和树干径流量的测定数据，利用公式进行计算，求出林冠截留量：

I=P-(Pt+S)

(1)

式中：P——林外大气降水量(mm)；Pt——穿透降雨量(mm)；I——林冠截留雨量(mm)；S———树干径流量(mm)。下同。

树干径流的计算公式如下：

(2)

式中：N——树干径级数；SN——每一径级的单株树干径流量(ml)；MN——每个径级的树木株数；A——样地面积(m2)。

使用SPSS专业统计分析软件对获取的试验数据进行相关性分析和回归分析[8-10]。

3 结果与分析

3.1 林外降雨与穿透雨的关系

试验在2016年6月至2016年9月进行，在进行试验数据收集过程中，共出现了17次降雨，其中有6场是无效雨。在表1中可以看出，雨量最大的为26.33 mm，最小的为3.02 mm，降雨总量为125.57 mm，平均每次降雨量为11.42 mm，本地区大部分为小雨和中雨，出现了一次短历时的大雨，林分的穿透雨量占得比例是最大，平均值70.22%，林冠截留其次，为28.20%，而树干径流占得比例最小，为1.58%。

在这11次降雨观测中，穿透雨量较大，比例较高，与阔叶林的叶面结构、树干粗糙度以及林分的郁闭度都有关系；林冠截留量随着降雨量的增加而增加，达到饱和后趋于稳定；林冠截留率在降雨非常小的时候会特别大，但是随着降雨量的增大而逐渐减小，最后趋于稳定；树干径流在降雨特别小的时候是形成不了的，但是随着降雨量的增加从而形成树干径流。在对林外降雨与穿透雨之间关系进行研究时，选择合适的模拟模型进行模拟，利用R2值进行回归如图1所示。

表1 阔叶树林内降雨再分配

图1 林外降雨量与穿透雨量、穿透率的关系

从图1可以，穿透雨量与林外降雨量有比较好的线性关系，方程为y=0.780 2x-0.600 2，林分在降雨比较小的时候是不会有穿透雨的，当林外降雨量达到0.78 mm时开始出现穿透雨，穿透雨临界点比较小是因为阔叶林的林间空隙比较大，在降雨增加时，穿透雨也是不断的增加，2个是正相关的关系，R2达到了0.997 9，所以，林内穿透雨量与林外降雨量达到了极显著的水平。而穿透率则是与穿透量不同，在初期穿透率比较低，但是随着降雨量的增加而增加，但是增加到一定程度以后，趋于稳定。

3.2 林外降雨与林冠截留的关系

从表1可以看出，林冠截留占林外降雨量的比例还是比较大的，在降雨的再分配过程中占有很重要的作用，在进行拟合的过程中，在表1中可以看出林冠截留量在降雨再分配过程中占有一定的比例，进行拟合以后林冠截留量的R2值达到了0.962 2，而林冠截留率的R2值达到了0.871。林冠截留量与林外降雨量的关系达到了极显著水平(p<0.01)，而林冠截留率与林外降雨量的关系也是比较明显的(图2)。

图2 林外降雨量与林冠截留量、截留率的关系

从图2看出，林冠截留量随着林外降雨量的增加而不断增加，但是达到一定值以后趋于饱和，则不再增加，在林外降雨量比较小的时候，林冠截留了极大部分的降雨；林冠截留率在降雨比较低时是非常大的，但是随着降雨的增加而减小，与降雨量呈现了反相关的趋势，在林外降雨量达到一定值以后，林冠截留率则趋于稳定，影响林冠截留饱和的因素有很多，比如林分的树种组成、林冠的密度、冠幅和当天风力等。

3.3 林外降雨与树干径流的关系

从表1可以看出，树干径流量是非常小的，所占比例也是比较小的，树干径流量与降雨量是呈正相关的关系，且达到了显著水平(p<0.01)，见图3。

图3 林外降雨量与树干径流量、径流率的关系

从图3可以看出，树干径流量与林外降雨量呈现正相关的关系，随着林外降雨的增加而增加，但是雨量小的时候是没有树干径流的，阔叶树林在降雨达到4.88 mm时才会出现树干径流，但是树干径流具有一定的时滞性，而时滞性的大小和林木本身及雨量的强弱都有很大的关系，当叶面积指数较小，并且枝干夹角成45%，林木表面光滑则形成比较容易，反之，则不易形成。

4 结 论

(1) 林分的穿透雨占得比例是最大，占到总比例的70.22%，林冠截留其次，为28.20%，而树干径流占得比例最小，为1.58%；穿透雨量与林外降雨量有比较好的线性关系(R2=0.997 9)，方程为y=0.780 2x-0.600 2，林分在降雨比较小的时候是不会有穿透雨的，当林外降雨量达到0.78 mm时开始出现穿透雨。

(2) 林冠截留在降雨的再分配过程中占有很重要的作用，林冠截留量与林外降雨量具有明显的幂函数关系，达到了极显著水平(p<0.01)。

(3) 树干径流量与林外降雨量呈现正相关的关系(R2=0.970 3)，阔叶树林在降雨达到4.88 mm时才会出现树干径流，但是树干径流具有一定的时滞性，而时滞性的大小和林木本身及雨量的强弱都有很大的关系，当叶面积指数较小，并且枝干夹角成45%，林木表面光滑则形成比较容易，反之，则不易形成。

[1] 姜海燕,赵雨森,信小娟,等.大兴安岭几种典型林分林冠层降水分配研究[J].水土保持学报,2008,22(6):197-201.

[2] 常志勇,包维楷,何丙辉,等.岷江上游油松与华山松人工混交林对降雨的截留分配效应[J].水土保持学报,2006,20(6):37-40.

[3] 何常清,薛建辉,吴永波,等.岷江上游亚高山川滇高山栎林的降雨再分配[J].应用生态学报,2008,19(9):1871-1876.

[4] 时忠杰,王彦辉,徐丽宏,等.六盘山华山松林降雨再分配及其空间变异特征[J].生态学报,2009,29(1):76-85.

[5] 殷晖,关文斌,薛肖肖,等.贡嘎山暗针叶林林冠对降雨能量再分配的影响研究[J].北京林业大学学报,2010,32(2):2-5.

[6] 党宏忠,周泽福,赵雨森.青海云杉林冠截留特征研究[J].水土保持学报,2005,19(4):61-64.

[7] 党宏忠,董铁狮,赵雨森.水曲柳林冠的降水截留特征[J].林业科学研究,2008,21(5):657-661.

[8] 巩合德,张一平,刘玉洪,等.哀牢山常绿阔叶林林冠的截留特征[J].浙江林学院学报,2008,25(4):469-474.

[9] 孙忠林,王传宽,王兴昌,等.两种温带落叶阔叶林降雨再分配格局及其影响因子[J].生态学报,2014,34(14):3918-3986.

[10] 张宁,郭宾良,张国强,等.沿坝地区天然次生林对降雨再分配的影响[J].水土保持研究,2015,22(6):99-102.