间伐强度对华北落叶松林穿透雨和树干茎流的影响

曹恭祥，王云霓，王彦辉，徐丽宏，季 蒙†

(1.内蒙古自治区林业科学研究院,010010,呼和浩特；2.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,国家林业局森林生态环境重点实验室,100091,北京)

我国人工林面积居世界第一,对改善生态环境、促进经济发展发挥着巨大作用；但目前国内人工林普遍存在林分密度高、生产力低、蒸散量大等问题,尤其在干旱半干旱地区,人工林耗水问题更成为人们关注的焦点[1]。已有研究表明,干旱地区森林耗水量很大,有时几乎相当于年降水量[2]。冠层截留作为森林水文循环的重要环节,与降水的关系复杂,受林分结构、气象条件等差异的影响,冠层截留占年降水量比例变化很大,可达8% ～60%[3],在大多数干旱半干旱地区约为30%[4],冠层截留对降雨的再分配作用,直接影响落到林内地面降雨的质和量[5]。而林分密度是人工林影响冠层截留的重要结构因子,林分密度过高使冠层截留量显著增大,可能使干旱半干旱地区土壤水分无法得到有效补充[6],甚至导致林地水土保持功能减弱,区域径流减少[7]。

间伐作为一种重要的营林技术措施,通过调控林分密度、优化林分结构[8]、促进林分生长[9]、提高生物多样性[10],使森林生态功能达到稳定和持续[11],同时也直接影响森林水文循环过程[3]。已有一些研究观测了间伐后的冠层截留变化,描述了间伐强度与冠层截留的相关关系[3],这对制订森林间伐强度具有一定指导意义；然而,对西北地区林水关系的量化研究,很少有人注意到人为调控对降雨分配的影响,尤其缺乏六盘山地区华北落叶松人工管理的相关报道。为保障林地水土保持功能持续发挥和区域用水安全,笔者在作为西部山地重要水源区的宁夏六盘山区,以20世纪70—80年代主要造林树种华北落叶松为研究对象,在2007年经过不同强度间伐处理的人工林内,选择地形均一、林龄相同的林分设置观测样地,观测生长季的冠层截留数据,研究分析了不同间伐强度林分对降雨分配的影响,推出华北落叶松穿透雨与林分特征的简单模型工具,提出基于水文学的华北落叶松人工林经营管理依据。

1 研究区概况

研究区位于宁夏六盘山自然保护区(E 35°15′～35°41′,N 106°09′～106°30′) 南部核心地带的香水河小流域,海拔2 040～2 942 m。年均气温5.2℃,年均降水量710 mm,降雨多集中于7—9月,无霜期100～130 d。土壤类型主要为山地灰褐土。植被以天然次生林为主,如华山松(Pinus armandi)、白桦(Betula platyphylla)、红桦(Betula albo-sinensis)、辽东栎(Quercus liaotungensis)等,人工林主要为华北落叶松和油松(Pinus tabulaeformis),灌丛主要有华西箭竹(Fargesia nitida)、翅刺峨嵋蔷薇(Rosa acicu-laris)、甘肃山楂(Crataegus Kansuensis)等,草本主要有华北苔草(Carex hancokiana)、蕨(Pteridium aquilum)等。

2 研究方法

2.1 标准地设置

2012年在经过不同强度间伐后的华北落叶松林内,选择坡向、坡位等立地特征基本一致的林分,设置5个密度梯度观测样地。样地大小30 m×30 m。调查样地的海拔、坡度、土壤厚度等立地因子,样地进行每木检尺,样地基本信息见表1。

表1 华北落叶松人工林间伐样地的基本信息Tab.1 Basic information of the thinned plots of Larix principis-rupprechtii plantation

2.2 冠层叶面积指数测定

在2012年5—10月,利用LAI-2000冠层分析仪(LI-Cor Co.,USA)监测样地的(leaf area index,叶面积指数)特征值。每个样地沿蛇形曲线在30个随机布置的固定测点测定,其平均值为LAI测定值。

2.3 穿透雨量、树干茎流量观测和截留量计算

对2012年生长季内17场次降雨进行观测。

林冠截留测定:1)林外降水,在样地附近的空地上利用标准雨量筒测定；2)穿透雨,在样地内机械布设20个标准雨量筒测定；3)树干茎流,每个径级(按2 cm划分)选1～2株标准木,用塑胶管做成蛇形管收集树干茎流。树干茎流量(C/mm)和截留量(I/mm)计算公式为:

式中:n为树干径级数；Cn为每一径级的树干茎流量,mL；Mn为每径级树木株数；S为样地面积,m2；R为林外降水,mm；T为穿透雨量,mm。

2.4 数据分析

不同间伐强度林分穿透降雨量之间使用Levene检验进行方差同质性分析,检验通过后进行方差分析(One-way ANOVA),采用最小显著差数法(LSD)进行多重比较(α=0.05)。

建立穿透雨(因变量)和林分结构(自变量)之间线性和指数模型关系后,对模型进行常数和自变量显著性检验,显著水平P＜0.05。数据通过SPSS 19.0进行处理。

3 结果与分析

3.1 不同处理的降雨分配

2012年生长季对六盘山林外总降雨量和观测样地穿透雨量、树干茎流量进行观测(表2)。17场次的总降雨量为507.2 mm。

不同间伐处理之间存在差异,与对照林分Ⅰ相比,穿透雨量分别高 5.5%、4.4%、12.0%和17.9%。间伐强度较低时(Ⅱ、Ⅲ与Ⅰ之间)穿透雨量的累计值差异较小,而间伐强度较高时(Ⅳ、Ⅴ与Ⅰ之间)穿透雨量差异较大。与穿透雨量相反,树干茎流量随着间伐强度的增加而减少,但差量较小,高间伐强度Ⅴ与对照林分Ⅰ相差仅0.5%(2.8 mm)。

表2 不同间伐强度林分累积穿透雨量、树干茎流量和冠层截留所占总降雨的比例Tab.2 Percentages of cumulative throughfall,stemflow,and canopy interception in bulk rainfall in the stands with different thinning intensities

由图1可知:不同间伐处理之间穿透雨量不同,观测值变化趋势基本表现为:Ⅴ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ,高间伐强度林分Ⅴ的穿透雨量最高。5—9月不同间伐强度穿透雨量差异性基本表现为:低间伐强度林分Ⅱ、Ⅲ与Ⅰ的穿透雨量差异不显著(P＞0.05),高间伐强度林分Ⅳ、Ⅴ与Ⅰ的穿透雨量差异显著(P＜0.05)。10月华北落叶松进入生长末期,树叶迅速凋落,使得林冠对降雨截持能力下降,造成所有样地之间穿透雨量无显著差异。可以看出,间伐强度大于43.0%时(林分密度小于1 033株/hm2)可引起林分穿透雨的显著差异。

图1 不同间伐强度林分穿透雨量和总降雨量的月变化Fig.1 Monthly pattern of throughfall and rainfall inthe stands with different thinning intensities

图2 不同间伐强度林分累积树干茎流量Fig.2 Cumulative stemflow in the stands with different thinning intensities

不同间伐强度林分之间树干茎流量差异较大。由图2可以看出,随间伐强度增加树干茎流量逐渐降低,在前6个降雨观测期内,不同间伐强度林分之间树干茎流量差异不明显,随着累积降雨量的增加,树干茎流量差异逐渐增大,其中Ⅳ与Ⅴ之间差异较小。与Ⅰ相比,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ树干茎流量分别降低19.4% 、40.0% 、58.8% 、60.0% 。

由式(2)计算得出,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ冠层截留量分别为 215.6、188.6、195.3、157.3 和 127.6 mm,与Ⅰ相比,冠层截留率分别减少5.3%、4.0%、11.5%和17.3%。可见,随着间伐强度增加冠层截留量减少,间伐强度大于43.0%时可引起截留率的显著降低。

3.2 穿透雨量与林分结构指标的关系

通过对不同间伐强度华北落叶松样地进行穿透雨量的观测,将各样地穿透雨量分别与叶面积指数(LAI)、郁闭度(CD)、林分密度(D)、胸高断面积(BA)进行线性回归(图3),结果显示,各回归方程都呈极显著相关(P＜0.001)。穿透雨量与LAI、CD、BA、D 之间决定系数(R2)分别为 0.96、0.87、0.62和0.76。

穿透雨量(占总降雨量的比例)和林分结构变量之间存在显著的线性回归关系。所有回归方程保持相似的斜率,并随着林分结构变量的增加,穿透雨量减少。

林分结构是穿透雨量的影响因素,大气降雨量是穿透雨量的决定因素。不同间伐强度林分穿透降雨量与大气降雨之间呈显著线性相关(R2为0.84～0.93,P＜0.01)；因此,考虑决定因素和影响因素的共同作用,可利用由总降雨量和林分结构指标为自变量,穿透雨量为因变量的函数关系进行穿透降雨量的估算。

图3 穿透雨量与林分结构变量之间的线性回归Fig.3 Linear regressions between the throughfall and the stand-structure variables

通过对穿透雨量与总降雨量、林分结构变量的指数关系表达式T=ReaX(式中:T为穿透雨量,mm；R为总降雨量,mm；a为指数常数；X为林分结构变量)[3]进行拟合,得到的函数关系式可以较好地估算不同林分结构六盘山华北落叶松林穿透雨量。

表3为不同林分结构变量对应的a值。LAI,CD,BA,D结果非常相似,标准误差异可忽略不计。林分密度指数衰减常数接近零值,因此林分密度不适合预测穿透雨量。图4提供了LAI为变量估算的穿透雨量模拟值和穿透雨量测量值的相关关系,两者接近1∶1的直线,R2=0.95。通过对方程的方差分析(ANOVA)显示:方程置信水平P＜0.001,可认为变量X和Y之间有直线关系。在回归分析系数检验结果中,回归系数的标准误=0.02,回归系数t检验的t值为78.3,P＜0.001(与方差分析一致),回归系数有显著意义。穿透雨量(5个样地的累积值)的观测值和模拟值分别是1 600.2和1 626.3 mm,表明估计值高1.6%。可以认为,该模型精度范围是可以接受的。

表3 不同林分结构变量的参数拟合值Tab.3 Fitted results of the different stand-structure variables

图4 穿透雨量模拟值与实测值的比较Fig.4 Comparison between the throughfall measuredand modelled

4 讨论

六盘山地区造林后的华北落叶松林很少进行抚育管理,造成林分结构单一,抗灾害能力低,也直接影响其森林水文功能[12]。森林的间伐管理作为营林技术的重要措施,也是改善森林水分循环的有效途径[13]。

在本研究观测期内,间伐后华北落叶松林分的穿透雨量增加而冠层截留量减少,这与J.R.Aboal等[14]提出间伐可减少截留量的观点相一致。对树干茎流量的研究结果显示,随着林分密度降低树干茎流量均呈不同程度的减少,这与A.J.Molina等[3]的结果一致。但最高密度林分Ⅰ树干茎流量(占总降雨的0.9%)和最低密度林分Ⅴ之间相差仅2.8 mm(占总降雨量的0.5%),在计算冠层截留量时,甚至可忽略不计(A.C.Oishi等[15]认为树干茎流量占降雨量的比例＜1%时可忽略不计)。对穿透雨已有研究报道显示,间伐减少栎树林分断面积50%以上,穿透雨增加量小于10%[16]。而本研究结果显示,华北落叶松林分断面积减少36.8%(间伐强度43.0%),穿透雨量增加13.1%,这要明显高于上述研究结果,而与A.J.Molina等[3]得出地中海白松(Pinus halepensisMill)人工林间伐减少林分断面积41%,穿透雨量增加12%的研究结果较为接近。可见,间伐对不同树种穿透雨影响存在明显差异,开展间伐对不同树种水文过程的影响研究是十分必要的。

另外,本文通过量化不同间伐强度林分之间的截留差异,可以认为,高密度华北落叶松纯林进行间伐后可以有效增加穿透雨量,间伐强度为43.0% ～53.4%(林分密度844～1 033株/hm2)是增加六盘山地区华北落叶松穿透雨量(13.1%～18.4%)的最优范围,这与基于最优生长指标提出21年华北落叶松合理密度应为1 200株/hm2[17]和基于土壤水分植被承载力估算30年华北落叶松合理密度应为850株/hm2[18]的结果较为接近。

目前,对华北落叶松林截留模型已有较多的研究[19-20],但模型的模拟结果和模型参数的准确性仍需通过大量的实测数据进行检验。本研究拟合的华北落叶松林穿透雨量与总降雨量、林分结构变量的指数关系,估算精度较高,穿透雨量的观测值和模拟值相差仅1.6%,虽然模拟结果还有待进一步提高,但对林业生产指导来说,较详细的分析和模型精度范围是可以接受的。此外,从森林管理者的角度来看,该模型也更加简单实用(涉及林业常用结构指标,如CD,LAI,BA,D),因此,该模型用于预测间伐对华北落叶松人工林穿透雨影响的分析,将更有助于林业工作人员的实际操作。总的来说,该模型可为基于水文学基础的华北落叶松人工林调控提供可靠的数据支持。

5 结论

六盘山地区高密度林分和气候特征造成冠层截持损失较大,间伐对穿透雨量有显著影响,而对树干茎流量影响较小。随着间伐强度的增加,截留量分别减少5.3%、4.0%、11.5%、17.3%。本文研究结果显示华北落叶松林分间伐强度小于37.4%时,林分穿透雨量无明显差异,间伐强度大于43.0%时,林分穿透雨量差异显著。基于区域的森林可持续发展,以及生态用水和生产用水的平衡,应对高密度林分进行必要的管理,因此林龄30年左右的华北落叶松林,合理密度应为844～1 033株/hm2。本文量化了间伐后不同密度林分对穿透雨量的影响,在获得林分结构变量参数后,利用穿透雨量模型T=ReaX可较好的估算华北落叶松林穿透雨量,研究结果和模型的预测精度可为林业工作人员对森林的管理提供科学依据。

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