青海大通白桦林冠层降雨再分配与冠层结构关系研究

黄团冲，贺康宁，王先棒

(北京林业大学 水土保持学院，国家林业局水土保持重点实验室，北京市水土保持工程技术研究中心，林业生态工程教育部工程研究中心，北京 100083)

冠层是森林与外界接触最为活跃的界面，是森林生态系统发挥其水文生态功能的主要执行者[1-2]，大气降雨经过冠层后重新分配为穿透雨、树干茎流和冠层截留[3]，研究降雨在林冠的作用下再分配具有重要的意义。冠层通过对降雨的截留与缓冲减弱了雨滴侵蚀动能，通过遮荫减少地表蒸发，调节河川径流，维持生态系统水循环和水量平衡[4]。林冠对降水的再分配是水分输入森林的第一个环节，国内外很多学者对森林对降雨再分配进行了大量的研究[5-11]，其中对白桦林降雨再分配的研究主要集中在东部低海拔地区[12-17]，而在西北部高海拔地区研究较少，且在林冠结构特征对降雨再分配方面的影响很少深入探讨，所以本研究以青海大通宝库林场的白桦林为研究对象，在分析其林冠结构特征的基础上，对穿透雨、树干流、林冠截留进行分析与研究，为青海大通白桦林地的水量平衡及森林生态系统水文功能机理研究提供理论指导和科学依据。

1 研究区概况

本研究区位于青海省东部的大通县宝库林场，地处青藏高原和黄土高原过渡地带，100°28′-101°38′E，36°11′-37°19′N，总面积3 114 hm2，年均气温2.9℃，最暖月平均气温16℃，最冷月平均气温-11.7℃。最大冻土深度114 cm，最大积雪厚度18 cm。年降水量556 mm，年平均蒸发量1 290 mm，降水主要集中在6-9月，降雨季节分配不均，年平均相对湿度56%。年内无霜期47 d，地势西北高东南低，属高原大陆性气候。土壤发育脆弱，熟化程度较低，保肥性能差。海拔2 610～4 235 m，平均森林覆盖率为79.0%，主要乔木树种有白桦(Betulaplatyphylla)、青海云杉(Piceacrassifolia)、华北落叶松 (Larixprincipis-rupprechtii) 等，主要灌木种有峨嵋蔷薇(Rosaomeiensis)、山生柳(Salixoritrepha)、金露梅(Potentillafruticosa)、秦岭小檗(Berberiscircumserrata)等，主要草本物种有问荆(Equisetumarvense)、东方草莓(Fragariaorientalis)、苔草(Carexsp.)等。

2 研究方法

2.1 样地设置

在研究区白桦林地内选择位于阳坡，林龄近似，具有不同密度的12个标准地(10 m×10 m)，并调查其密度、胸径、树高、冠幅等指标(表1)。利用冠层分析仪的鱼眼镜头进行定点拍照提取林冠层的冠层孔隙度、叶面积指数(LAI)、郁闭度等参数。

表1 青海大通白桦林样地基本情况Table 1 Basic situation of B.platyphylla forest plots in Qinghai Datong

2.2 林外降雨量的测定

在标准地旁边的空地上布置2个直径为200 mm的标准雨量筒，离地面约70 cm，雨量筒上缘高于附近地被植物，实时观测研究区的林外降雨量。

2.3 林内穿透雨的测定与计算

在样地内每隔2 m沿等高线平行布设4个雨量槽(100 cm×20 cm×25 cm)，雨量槽用木桩固定在地面上，槽身稍微倾斜，下端用塑料管连接一加盖塑料桶以收集雨水，每场降雨后收集的雨水倒入标准雨量筒中即可得穿透雨深，样方内4个观测点的穿透雨深平均值作为该样方穿透雨深。

2.4 树干径流的观测与计算

在不同样地内分别选取树干径级具有代表性的标准木5株，在标准木树干离地约1.3 m处用聚乙烯橡胶管呈30°角缠绕，用钉子固定，橡胶管延中缝剪开做成集水槽，用密封胶将树干与橡胶管之间缝隙密封，将橡胶管下端伸入加盖塑料桶中，每次降雨后立即测量桶中雨水体积。用各径阶的树干茎流体积与相应各径阶株数相乘之和除以样地面积即可得到林分的树干径流量。

2.5 林冠截留量的计算

根据水量平衡的原理，通过观测的林外降雨量、穿透降雨量和树干茎流量计算求出林冠截留量：

I=P-(T+S)

(1)

式中，P为林外降雨量，T为穿透降雨量，S为树干茎流量，I为林冠截留量。

2.6 叶面积指数、郁闭度和冠层孔隙度提取

利用WinSCanopy 2006软件配备的冠层分析仪在多云或者晴朗天气的7:00-9:00对冠层进行拍照，避免直射光照射产生的光斑，相机支架约离地面1.3 m，去除曝光过度的照片再进行分析，获得林冠层叶面积指数和冠层孔隙度，冠层郁闭度=(1-冠层开阔度)×100%。观测期提取冠层孔隙度、叶面积指数和郁闭度(表2)。

表2 各样地叶面积指数、郁闭度、冠层孔隙度Table 2 The leaf area index,canopy density and canopy porosity of plots

3 结果与分析

3.1 白桦林外降雨特征

观测时间从2016年5月15日-8月18日，共记录25场降雨(图1)，总降雨量为243.24 mm，平均每次降雨量为9.7 mm，其中小雨15次(日降雨量≤10 mm)，中雨8次(日降雨量10.0～24.9 mm)，大雨1次(日降雨量25.0～49.9 mm)，暴雨1次(日降雨量50.0～99.9 mm)，各占总降雨次数的60%、32%、4%、4%，降雨主要集中在7-8月，7月份最多。

3.2 白桦林内穿透雨特征

研究期间观测到的林内穿透雨总量为185.61 mm，占整个研究期间降雨总量的76.31%，穿透雨量与林外降雨有着较好的幂函数关系(图2)，拟合方程为y=0.370 4x1.248 4，R2= 0.995 2，穿透雨随着林外降雨的增大而增大。而穿透雨率随着林外降雨量的增大先增大后趋于平稳，降雨量与穿透雨率有着很好的对数关系，其方程式为y=14.359ln(x)+34.898，R2= 0.882 8。穿透雨率在降雨量较小时误差较大，为了研究白桦林内穿透雨的空间异质性，采用变异系数(C)来衡量不同降雨特征条件下穿透雨的变异程度:

(2)

图1 研究区林外降雨季节动态Fig.1 Seasonal dynamics of forest rainfall outside the study area

图2 穿透雨量、穿透雨比例与降雨量关系Fig.2 The relationship between rainfall and throughfall and throughfall ratio

由图3可以看出，穿透雨变异系数随着降雨量的增大先急剧减小后趋于平稳，当降雨量为1 mm时，变异系数达59%，此时各样地观测点穿透雨空间变化最大，由此推测，当降雨量更小时，其变异系数将超过59%；当降雨量达到10 mm时，变异系数逐渐趋于稳定，在10%上下波动。这是由于在降雨刚开始时，由于雨量较小，降雨小部分直接穿过林窗，大部分被冠层所截留，采用简易雨量筒观测会产生较大误差，随着降雨的缓缓增大，冠层逐渐被雨滴所润湿，透过林冠层的雨滴越来越多，穿透雨率与随之增大，待冠层达到饱和时，穿透雨率达到平稳，且此时穿透雨量占大气降雨总量比例较大。

为了更好研究穿透雨与冠层结构特征关系，图4显示了林内穿透雨量与叶面积指数、冠层孔隙度和郁闭度的关系，可以看出，在不同林外降雨量条件下，穿透雨量随叶面积指数的变化趋势也有不同，当降雨在0～10 mm时，穿透雨量与叶面积指数、冠层孔隙度、郁闭度关系都不明显，当降雨>10 mm时，穿透雨量随着叶面积指数、郁闭度的增大而缓慢减小，随着冠层孔隙度的增大而有所增大。雨量较小时，降雨大部分被冠层所截留，冠层结构特征对穿透雨影响较小，降雨增大后，随着叶面积指数和郁闭度的增大，单位林地面积上叶片、枝干越多，对降雨的拦挡越大，从而导致穿透雨越小。相反冠层孔隙度越大，对降雨遮挡物越少，直接穿过冠层的降雨越多。

图3 穿透雨变异系数与降雨量关系Fig.3 Relationship between rainfall variation coefficient and rainfall

图4 林内穿透雨量与叶面积指数、冠层孔隙度和郁闭度的关系Fig.4 Relationship between throughfall and leaf area index,canopy porosity and canopy density in forest

冠层孔隙度、叶面积系数、郁闭度与穿透雨量的回归方程：

y=0.032 6x1-1.111 4x1+21.264，R2=0.859 1

y=2.351 7x2-16.982x2+42.359，R2=0.968 4

y=-16.73ln(x3)+10.308，R2=0.927 0

式中，x1代表冠层孔隙度，x2代表叶面积指数，x3代表郁闭度，y代表穿透雨量。为研究不同的叶面积指数、郁闭度和冠层孔隙度共同对穿透雨量的影响，本研究采用多元线性回归的方法，建立穿透雨量与叶面积指数、郁闭度和冠层孔隙度的回归方程，运用SPSS软件、线性回归得到不同结构指数与穿透雨量的关系为：

y=31.722-0.151x1-1.906x2-13.06x3

将上述模型系数标准化为:

y=-0.528x1-0.771x2-0.627x3

由标准化偏回归系数可见，叶面积指数对穿透雨量影响最大。

3.3 白桦林树干茎流特征

干流主要由降雨落在叶面或者小枝上汇流至主干流到林地[18]，树干茎流虽然在冠层水分再分配中占据较小比例，但对于植被生长及养分循环具有重要作用[19]。研究期间观测到的树干茎流总量为2.49 mm，占降雨总量的1.02%，单次降雨树干径流量变化范围为0.00～0.85 mm，由图5可以看出树干茎流量与林外降雨量有着极显著相关关系，树干茎流量随着林外降雨量的增大而增大，拟合关系式为y=0.014 1x-0.037 6，R2=0.945 3，当降雨量较小时，树干茎流增加缓慢，当降雨量>18 mm时开始快速增加，观测到产生树干茎流的降雨有13场，且只有降雨量>3.32 mm才开始产生树干径流。树干茎流率与林外降雨量有着显著性的对数函数关系，其方程式为y=0.347ln(x)-0.111 7，R2=0.870 6，树干茎流率随着降雨量的增大而增大。

3.4 白桦林冠截留特征

通常采用林冠截留率(林冠截留量与降雨量的比值)表示(图6)，观测期内林木冠层截留总量为56.55 mm，占同期降雨总量的23.25%，单次降雨林冠截留率7.51%～66.61%，截留量范围为0.66～4.68 mm。由图6可知，林冠截留率随着降雨量的增大先急剧减小后逐渐趋于稳定，降雨量<14 mm时，林冠截留率最大可达66.61%，当降雨量>14 mm后林冠截留率变趋于稳定。林冠截留量则随着降雨量的增加而增加，且增长速度逐渐减缓。

图5 树干茎流量、树干茎流率与降雨量关系Fig.5 Relationship between stem flow,trunk stem flow rate and rainfall

图6 冠层截留量、冠层截留率与降雨量关系Fig.6 The relationship between canopy interception,canopy interception and rainfall

林冠截留除了降雨量对其有影响外，冠层结构指标也有着重要影响，由图7可以看出，叶面积指数、冠层孔隙度、郁闭度都与林冠截留有着较好的线性关系，林冠截留率随着叶面积指数和郁闭度的增大而增大，郁闭度和叶面积指数越大，单位林地面积上树木枝、叶、干吸收和栏截了更多的降雨，增加了林冠截留量。冠层孔隙度越大，更多的降雨直接穿过冠层，导致林冠截留得越少。

林冠特征与冠层截留率的回归方程：

y=-0.125 2x12+3.853 3x1+3.449，R2=0.597 4

y=-6.820 1x22+56.435x2-80.792，R2=0.789 8

y=114.82x3-72.029，R2=0.766 2

式中，y代表冠层截留率。

为研究不同的叶面积指数、郁闭度和冠层孔隙度共同对林冠截留率的影响，本研究采用多元线性回归的方法，建立林冠截留率与叶面积指数、郁闭度和冠层孔隙度的回归方程，运用SPSS19.0软件，线性回归得到不同结构指数与林冠截留率的关系为：

y=-102.612+0.975x1+12.052x2+83.276x3

将上述模型系数标准化为:

y=0.541x1+0.774x2+0.635x3

由标准化偏回归系数可见，叶面积指数对冠层截留率影响最大。

图7 林冠截留率与叶面积指数、冠层孔隙度、郁闭度关系Fig.7 The relationship between leaf interception rate and leaf area index,canopy porosity and canopy closure

3.5 白桦林对降雨的再分配

研究期间，25场降雨的总穿透雨量、树干茎流量、截留量分别为166.22、2.06、74.97 mm，从白桦林对降雨的再分配可以看出(表3)，随着雨量级的不同，穿透雨、树干茎流、林冠截留也发生着较大的变化，雨量级较小时，干流量、干流率、穿透雨量、穿透雨率均为最小值，但截留率为最大值，雨量级较大时，干流量、干流率、穿透雨量、穿透雨率均为最大值，但截留率为最小值。

表3 白桦林降雨再分配Table 3 Rainfall redistribution table of B.platyphylla forest mm,%

4 结论与讨论

分析发现，研究期间穿透雨总量为185.61 mm，占降雨总量的76.31%，且穿透雨量随着降雨量的增大而增大，穿透雨量与林冠结构特征的关系随着降雨量大小而有所不同，雨量较小时，由于观测设备精确度较小，因此穿透雨量随冠层结构特征的变化不明显，随着降雨量的增大，发现穿透雨量随着叶面积指数和郁闭度的增大而减小，随着冠层孔隙度的增大而增大。与其他地区对白桦林的研究相比，田野宏[14]等发现大兴安岭北部白桦次生林穿透雨率为84.27%，段旭[16]等发现六盘山白桦林穿透雨率为85.91%，巩合德[4]等在川西亚高山研究白桦林穿透雨率为80.9%，本研究的穿透雨率要小于这几者，其原因是因为穿透雨除了受林外降雨量的影响外还受冠层结构特征的影响，本研究区林分密度要远大于前两者，因此其叶面积指数和郁闭度等冠层结构指数也相应更加大，导致穿透雨率的减小。

整个研究期间，树干茎流总量为2.49 mm，占降雨总量的1.02%，树干茎流率要高于巩合德[4]等(0.3%)、段旭[16]等(0.33%)研究结果，低于田野宏[14]等、蔡体久[17]等的研究结果，降雨量>3.32 mm时才开始产生干流。树干茎流量和树干茎流率都随着降雨量的增大而增大，但径流量先缓慢增加后急剧增加，而径流率增速渐渐减小。树干茎流量占林外降雨量比例较小，但在增加林分养分促进林木生长方面起着重要的作用。树干茎流除了受降雨量影响外，还受降雨强度、枝下高、冠层厚度、枝角、树皮粗糙度等因素的影响，这在以后的研究中需要进一步改善。

研究期间林冠截留总量和截留率分别为56.55 mm、23.24%，降雨量对林冠截留有较大影响[20]，方程式为y=1.118 9ln(x)+0.487 1，R2=0.829 5，随降雨量的增加先增加后趋于稳定，截留率与降雨量呈幂函数相关关系，回归方程为y=74.333x-0.445，R2=0.826 9，随降雨的增加逐渐下降最后稳定趋于最低值。林冠截留与冠层结构有着密切的关系，通过回归发现截留率随着叶面积指数和郁闭度的增加而增大，随着冠层孔隙度的增大而减小，进一步通过回归发现叶面积指数对林冠截留影响最大，本研究得出的林冠截留率要小于段旭[16]等、巩合德[4]等、田野宏[14]等、蔡体久[17]等国内不同地区所得出的结果，这是由于本次试验样地密度较大，所测得叶面积指数较大，而叶面积指数与林冠截留率呈负相关关系。A.I.J.M.V.Dijk[21]等发现，林冠截留和穿透雨均与叶面积指数有着显著的关系，这与本研究结果一致，在本研究冠层孔隙度、叶面积指数、郁闭度与穿透雨量和林冠截留率的关系时发现叶面积指数对两者的影响最大。

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