三峡库区马尾松林穿透雨和树干茎流空间变异特征*

袁秀锦 肖文发 雷静品 潘 磊 王晓荣1, 崔鸿侠 胡文杰

(1. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 国家林业和草原局森林生态环境重点实验室 北京 100091； 2. 南京林业大学南方现代林业协同创新中心 南京 210037； 3. 中国林业科学研究院林业研究所 国家林业和草原局林木培育重点实验室 北京 100091; 4. 湖北省林业科学研究院 武汉 430075)

森林水文过程是指森林生态系统中水分受森林的影响而表现出来的在生态系统各个功能层次的水分分配和运动过程，包括降雨、降雨截持、干流、蒸散和地表径流等(高甲荣等, 2001)。穿透雨和树干茎流不仅对土壤水文和生物地球化学循环产生重要影响(Mcclainetal., 2003)，而且对植物水分利用、养分含量和循环具有重要作用(Bouilletetal., 2002； O’Gradyetal., 2005； Zimmermannetal., 2007)，此外，穿透雨和树干茎流的空间异质性影响冠层截留的评估(Shinoharaetal., 2010)。总之，穿透雨和树干茎流是森林水文和生物化学循环重要的控制因素(Leviaetal., 2011； Coendersgerritsetal., 2013)。

森林结构(林分密度、冠层盖度、胸高断面积等)及气象因子(风向、降雨强度、水分蒸发等)差异造成穿透雨和树干茎流空间变异(Nankoetal., 2011; Sunetal., 2016; 2017; Wullaertetal., 2009; Leviaetal., 2017; Fanetal., 2015; Hondaetal., 2015)，这对于树冠截留的准确评估带来困难，因此关于穿透雨和树干茎流空间异质性及其影响因子研究对于研究森林水文过程及森林生态水量平衡具有重要作用。国内外关于穿透雨和树干茎流特征及其影响因子已做了大量研究(时忠杰等, 2009; Zhangetal., 2015)，穿透雨和树干茎流的时空变化及其影响因子也有不少研究(Fangetal., 2016; Fanetal., 2015)，如盛后财等(2016)研究认为离树干的距离对穿透雨的空间分布影响最大，时忠杰等(2009)研究认为叶面积指数是穿透雨空间分布的最重要影响因子，Dietz等(2006)研究认为穿透雨与胸径、树高和冠幅显著相关，Honda等(2015)研究得出大树、多年生叶、单轴生长树木产生较多的树干茎流量，曹云等(2006)研究认为树干茎流量与胸径和冠幅显著正相关(P<0.05)。

马尾松(Pinusmassoniana)为我国南方山地主要速生针叶树种，其人工林面积为135.79万hm2，占三峡库区主要森林面积的37.1%(雷静品, 2009)，是三峡库区非常重要的防护林类型之一，其对三峡库区的水分循环过程，特别是在净化水质、防洪、防止土壤侵蚀和涵养水源方面发挥着重大作用(张卓文等, 2006)。目前关于马尾松林的冠层截留特征(张卓文等, 2006; 王鸣远等, 1995)及降雨再分配已有不少研究(张捷等, 2014; 曹云等, 2006)，但尚未有研究涉及马尾松树干茎流和穿透雨的空间变异特征及其影响因子，以及如何确定马尾松林下穿透雨收集器数量。因此，本研究以三峡库区马尾松人工林为研究对象，探讨马尾松人工林穿透雨和树干茎流的空间分布特征及其影响因素，探讨合理的穿透雨收集器数量，以期为准确量化马尾松林下降水分配过程及水源涵养功能评价提供科学依据。

1 研究区概况

研究地区位于湖北省秭归县(110°00′14″—111°18′41″E，30°38′14″—31°11′31″N)，海拔40～2 057 m，年均气温16.9 ℃，年降水量1 000～1 250 mm，多集中在4—9月份，属于亚热带大陆性季风气候。九岭头林场属于大巴山山系荆山余脉，位于山脉西坡，山脉南北走向，平均坡度31°，土壤类型主要为黄壤和黄棕壤，样地森林类型主要是20世纪70年代马尾松飞播林，样地内林木分布均匀，马尾松为主要优势树种，并伴有少数的光皮桦(Betulaluminifera)、香椿(Toonasinensis)和漆树(Toxicodendronvernicifluum)等，林下灌木主要有宜昌荚蒾(Viburnumerosum)、高粱泡(Rubuslambertianus)和木姜子(Litseapungens)等，林下草本植物主要有珠芽狗脊(Woodwardiaprolifera)、紫花堇菜(Violagrypoceras)和鸡矢藤(Paederiascandens)等。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

本研究于2017年5月初在秭归县九岭头林场设置1块50 m×50 m 的47年生马尾松人工林标准地，为方便确定集水槽的安装位置和选择标准木，将标准地划分成25块10 m×10 m样地，进行林分特征调查，包括胸径、树高和枝下高，胸径大于5 cm的树木密度为1 244株·hm-2，胸径大于5 cm树木的平均胸径为17.6 cm，平均树高为13.1 m，平均枝下高为7.0 m。

2.2 林外降雨的测定

2017年5月初，在标准地外150 m左右的开阔地安置1台翻斗式雨量计，记录林外降雨和降雨强度，每5 min记录1次，测定日期为2017年6—10月。

2.3 穿透雨及其空间分布观测

为准确反映林内穿透雨的空间分布特征，在标准地内以“米”字形布设自制集水槽16个，于2017年6—10月收集穿透雨。集水槽的横断面积为3 000 cm2(长200 cm，宽15 cm)，集水槽向一端倾斜，水从低端流进下方摆放的容积25 L的水壶中，为避免灌木的影响，集水槽的高度不低于50 cm，同时记录集水槽距树干最近的距离。

2.4 树干茎流的测定

根据样地调查的胸径数据，按林木胸径大小划分径级，以4 cm为径级，即4～8，8～12，……，36～40 cm共9个径级，每个径级选取标准木2～3株；为研究马尾松树干茎流的空间变异特征，在每块样地内选取1～2株马尾松标准木，共选择马尾松标准木27株。将剖开的聚乙烯塑料管缠绕树干1～2周，用钉子钉实，并用玻璃胶填充空隙处，下部用容器收集树干茎流液。林分尺度树干茎流量计算方法如下(Hanchietal.， 1997)：

式中：Fs为林分尺度上树干茎流量(mm)；n为径级数，Si为每个径级的平均树干茎流量(mL)；mi为每个径级所包含的树木数量；A为样地面积(m2)。

2.5 叶面积指数和冠层厚度测定

2017年7—9月生长季，利用LAI-2200c冠层分析仪(LI-COR, 美国)，用360°遮盖帽，7°天顶角，每月中旬在集水槽中间测定正上方的叶面积指数(LAI)及空隙度，用1减空隙度计算得到冠层覆盖度。利用VertexⅢ超声波测高测距仪(Haglof, 瑞典)测定每个集水槽上方的冠层厚度。

2.6 数据处理

应用SPSS17.0软件进行穿透雨、树干茎流量与影响因子之间的相关分析。用R3.3.2软件进行Monte Carlo重抽样模拟，具体步骤如下： 将2017年6—10月收集的29场降雨分为4个雨量级(0～10，10～20，20～40和>40 mm)，利用Monte Carlo 模拟重抽样的方法(Rodrigoetal., 2001)，对集水槽(n=2～15)进行不放回抽样1 000次，计算不同组的n个雨量收集器的穿透雨平均值，作为Monte Carlo 模拟的初始值。利用得到的不同数量(n=2～15)集水槽的穿透雨平均值计算95%和90%2种置信区间值。根据一定置信区间下穿透雨量平均值随雨量收集器数量的变化，确定一定误差水平下每个降雨量级所需的雨量收集器最少数量。利用SigmaPlot 12.5软件绘图。

3 结果与分析

3.1 研究期间的降雨特征

研究期间(2017年6—10月)共观测有效降雨29场，累积降雨量1 008.4 mm，平均单次降雨量为34.8 mm，变异系数100.0%。平均次降雨历时15.8 h，变异系数为74.7%，最长的为37.2 h，最短的为0.6 h，降雨历时0～10 h的占41.4%，其中2.1～5 h最少，仅占6.9%。研究期间的平均降雨强度为3.7 mm·h-1，最小的为0.9 mm·h-1，最大的为19.1 mm·h-1，变异系数为119.4%，2.1～3.0 mm·h-1雨强的降雨量最多，降雨量为193.8 mm。从雨量级来看，大于40 mm的占34.5%，研究区域内大降雨事件比较频繁(图1)。

图1 2017年6—10月马尾松林降雨特征Fig.1 Rainfall characteristics of Pinus massoniana plantation from June to October, 2017

3.2 林下穿透雨和树干茎流特征

29场降雨的16个观测点的穿透雨数据分析结果表明，林内总穿透雨量为829.8 mm，占总降雨量的82.3%，平均单场穿透雨量28.6 mm。受降雨特征影响，当林外降雨量小于30 mm时，穿透雨率随着降雨量增加而增加，当次降雨量大于30 mm时，次穿透雨率没有表现出明显增加而在90%左右趋于稳定(图2)。对次穿透雨率和次降雨量的关系进行拟合，两者用“S”曲线拟合的效果较好，FT(%)=EXP(4.501-3.975/FR),R2=0.807，P<0.01，FT为穿透雨率，FR为林外降雨量，n=29。

研究期间共收集到树干茎流量14.4 mm，仅占林外降雨量的1.4%。树干茎流量随着降雨量的增加而增加，两者呈现显著的线性关系(P<0.01)； 树干茎流率随着林外降雨量的增加先快速增加，当林外降雨量大于40 mm时，树干茎流率的变化范围为1.3%～2.4%(图2)。

图2 马尾松林穿透雨和树干茎流特征随单次降雨量的变化Fig.2 Characteristics of throughfall and stemflow in Pinus massoniana plantation with the depth of individual rainfall events

3.3 穿透雨量空间变异特征及其影响因子分析

由29场不同的林外降雨量与马尾松人工林下穿透雨量的空间变异系数CV(n=16)绘制散点图(图3)，当林外单次降雨量小于5 mm时，穿透雨量的空间变异系数最大，而后急剧下降； 大于20 mm时，穿透雨量空间变异系数值稳定在12.0%左右。林外降雨量与林内穿透雨量空间变异系数显著负相关(P<0.05)，两者用倒数函数拟合效果较好(CV=7.657+FR/157.424,R2=0.878,P<0.01, CV为变异系数,n=29)。

图3 马尾松林穿透雨变异系数随单次降雨量的变化Fig.3 Coefficient of variation of throughfallin Pinusmassoniana plantation with the depth of individual rainfall events

由于16个观测点的环境因子(降雨特征、气温、空气相对湿度等)基本一致，因此冠层结构是影响穿透雨量空间变异的重要因素。本研究选取叶面积指数(LAI)、冠层覆盖度(CC)、测点上方冠层厚度(CT)和测点离树干距离(D)4个树木特征因子，进行穿透雨量影响因子研究。16个测点29场穿透雨量平均值与树木特征因子(LAI、CT、D和CC)进行相关分析和回归分析，结果表明穿透雨量与LAI、CC、和CT呈显著负相关(P<0.05)，与D呈显著正相关(P<0.05)，其中以LAI用二次函数拟合效果最好(FT=29.637-0.446LAI-0.093LAI2,R2=0.554,P<0.01,n=16)，CC用倒数函数拟合效果较好(FT=18.751+4.745/CC,R2=0.554,P<0.01,CC为冠层覆盖度，n=16)(图4)。

冠层特征对穿透雨量的影响因林外降雨量的大小而不同。将林外降雨划分为4个雨量级，即0～10，10～20，20～40和>40 mm，将穿透雨量与林外降雨量进行Pearson相关分析，在雨量级0～10 mm内，LAI对穿透雨量的影响最大，两者显著负相关(P<0.05)； 在10～20和20～40 mm雨量级内，都以CC影响最大，除D外，其他冠层结构因子与穿透雨量均显著负相关(P<0.05)； 当降雨量大于40 mm时，以D影响最大，与穿透雨量显著正相关(P<0.05)，而LAI、CT与穿透雨量显著负相关(P<0.05)(表1)。

3.4 树干茎流量变异特征及影响因子分析

27株不同径级马尾松标准木树干茎流量空间变异系数为50.6%～96.2%，其与林外降雨量密切相关，在降雨量小于20 mm时，随着降雨量的增加显著降低，最后稳定在60.0%左右，高于马尾松林下穿透雨的变异系数(图5)。

为研究树干径流量产生空间变异的原因，对27株马尾松林的单次降雨量下的树干茎流量与对应胸径、冠幅进行相关分析，结果表明胸径(R2=0.877,P<0.01)和冠幅面积(R2=0.461,P<0.01)与树干茎流量显著正相关，以胸径与树干茎流量的拟合效果较好(图6)。

3.5 雨量收集器数量分析

为了确定穿透雨收集器数量，用Monte Carlo 模拟穿透雨平均值随降雨量收集器数量的变化(图7)。不同雨量级在相同置信区间达到相同的误差水平，所用集水槽数量不同。随着雨量级增大，用较少雨量收集器就可以达到相同的误差水平，当雨量级在0～10 mm时，所用集水槽数量最多，即95%置信区间下，5%误差范围内所需最少的集水槽数量为13个，10%误差范围内所需最少集水槽数量为7个； 雨量级在大于40 mm时，达到相同误差水平所用集水槽数量最少，即95%置信区间下，在5%和10%误差范围内，所需最少的集水槽数量分别为6和2个。

图4 马尾松林平均穿透雨量随着叶面积指数、冠层厚度、离树干距离和冠层覆盖度的变化Fig.4 Variation of the mean throughfall in Pinus massoniana plantation with the above leaf area index, canopy thickness, the distance to nearest stem and canopy coverage

表1 不同雨量级下马尾松林穿透雨量与叶面积指数、冠层厚度、离树干距离和冠层覆盖度的相关性①Tab.1 Correlation of throughfall in Pinus massoniana forest with leaf area index, the distance to the nearest stem， canopy thickness, and canopy coverage under different rainfall ranges

①*：P<0.05；**：P<0.01

图5 马尾松林树干茎流量变异系数随单次降雨量的变化Fig.5 Coefficient of variation of stemflow in Pinus massoniana forest with the depth of individual rainfall events

用Monte Carlo 模拟重抽样计算集水槽数量所对应的穿透雨量空间变异系数(图8)，当集水槽数量小于11时，穿透雨量空间变异系数随着集水槽数量增加呈现急剧下降趋势，集水槽数量大于11时，穿透雨量的变异系数基本趋于稳定，这说明为准确测量穿透雨值，集水槽的数量不能低于11个。在0～10和10～20 mm降雨量级，16个集水槽穿透雨量的空间变异系数稳定值在3%左右，在20～40和>40 mm降雨量级，穿透雨量空间变异系数稳定在1.0%左右。

图6 马尾松林单株树干茎流量随着胸径和冠幅面积的变化Fig.6 Variation of the stemflow in Pinus massoniana plantation with DBH and crown area

图7 Monte Carlo 模拟穿透雨平均值和置信区间随降雨量收集器数量的变化Fig.7 Variation of the mean value and confidence intervals of throughfall with collector number based on Monte Carlo sampling

4 讨论

4.1 穿透雨量空间变异特征

根据29场16个观测点的穿透雨数据分析，林内穿透雨量共829.8 mm，占总降雨量的82.3%，比张捷等(2014)研究的18年生(76.5%)和32年生(77.5%)马尾松林穿透雨率要高，和潘磊等(2011)研究的中龄林(80.4%)和莫江明等(2002)研究的平均年龄30年(82.7%)的马尾松林穿透雨率大致相同，比凯旋(2016)研究的50～60年(87.4%)马尾松穿透雨率要低，这可能与各个研究对象的林龄有关。林龄较小的马尾松，树冠一般成塔形，树冠层较厚(王鸣远等, 1995)，降雨多被林冠截留，穿透雨量较小，随着林龄的增长和森林的生长，出现自然稀疏现象(陈大珂等, 1993)，密度减小，穿透雨量增加。

图8 Monte Carlo 模拟不同降雨条件下穿透雨量的变异系数与集水槽数量之间的关系Fig.8 Relationship between the coefficients of variation in throughfall by Monte Carlo sampling and collector number with different gross rainfall amounts

林内穿透雨量空间变异系数与降雨量存在显著负相关(P<0.05)，这与刘泽彬等(2017)、盛后财等(2016)和石磊等(2017)研究结果一致。当林外次降雨量<5 mm时，穿透雨量的空间变异系数最大，而后急剧下降，>20 mm时，穿透雨量空间变异系数基本趋于稳定，稳定值约为12.0%，比Fan等(2015)研究的加勒比松(Pinuscaribaea)和湿地松(Pinuselliotti)混交林(穿透雨量空间变异系数为16.5%)和战伟庆等(2006)研究的华北油松(Pinustabulaeformis)林(穿透雨量空间变异系数为17%.0～19.0%)要小。有研究表明： 穿透雨量空间变异系数与冠层结构空间异质性和雨量收集器截面大小有关(Staelensetal., 2006)，本研究得出穿透雨量空间变异系数较小可能与本研究使用的穿透雨收集器面积(3 000 cm2)均大于上述研究(117.0 和706.5 cm2)有关。

对冠层结构(D、CT、LAI和CC)与穿透雨量进行相关性分析，结果表明穿透雨量与LAI、CT和CC呈显著负相关(P<0.05)，与D呈显著正相关(P<0.05)，与国内外许多学者研究结果一致(盛后财等, 2016; 王鸣远等, 1995; Deguchietal., 2006; Llorensetal., 2007)，但是Aisah等(2012)研究表明穿透雨量与冠层结构参数(H、DHB、CT)不相关，归因于树比较小，导致气象因子影响最大，Fan等(2015)则得出与本研究相反的结论，即加勒比松和湿地松混交林的穿透雨量与CC、LAI正相关，也是气象因子作用较大的原因。

很多研究表明，采样方法和收集器的数量对于穿透雨准确测量至关重要(Thimonieretal., 1998; CarlyleMosesetal., 2004)。有些学者根据理论预测和试验验证做出假设(Holwerdaetal., 2006; Zimmermannetal., 2010)，即收集器的孔径越大，所拦截的冠层面积越大，收集的穿透雨越有代表性，因此本次研究选用较大面积收集器，为以后采用较少的收集器准确测量穿透雨值提供依据。有研究表明： 所需穿透雨收集器数量的差异主要取决于森林类型。如Rodrigo等(2001)研究表明冬青栎(Quercusilex)在95%置信区间下要满足5%的误差要求时需22个以上的收集器。也有研究学者提出穿透雨收集器数量选择必须考虑降雨模式(Rodrigoetal., 2001)。例如Price等(2003)得出降雨量<2 mm相比降雨量>4 mm所需更多的收集器，本研究得出一致的结论，在相同的置信区间和误差水平，小降雨事件相比大降雨事件需要更多数量集水槽。为了对每场雨都能够准确测量，需要以最小降雨量为准，在95%或90%的置信区间下，若将测定的穿透雨数值控制在10%误差范围内，在50 m×50 m样地内至少需布设7个或6个3 000 cm2的收集器； 若将穿透雨数值控制在5%误差范围内，至少需布设13个或11个这样的收集器。由Monte Carlo 模拟重抽样计算集水槽数量所对应的穿透雨量空间变异系数，当集水槽的数量大于11个时，穿透雨的变异系数基本稳定。

4.2 树干茎流量空间变异特征

研究期间马尾松林的树干茎流量占林外降雨量的1.4%，比崔鸿侠等(2012)和潘磊等(2011)研究得出的马尾松林树干茎流率(0.6%、0.5%)要大，比曹云等(2006)得出的马尾松树干茎流率(2.4%)要小，这种差异可能与研究的树木大小和所收集雨水类型有关。林分尺度上树干茎流率是比较小的，由于茎流量只集中在树干周围的一个较小的区域而不是整个林分尺度上，这有可能低估单位面积实际树干茎流量的输入。树干茎流量空间变异系数稳定在60.0%左右，比Fan等(2015)研究得出的加勒比松和湿地松混交林树干茎流量空间变异系数稳定值(18.0%)要大，可能因为本研究样地内胸径差异大有关。单株树木之间的树干茎流量是不同的，冠层大小和树木的特征是树干茎流量空间变异的主要原因。本研究得出树干茎流量随着胸径和冠幅面积的增加而增加，与曹云等(2006)和Fan等(2015)的研究结果一致。树干茎流量产生的差异可能与分支角(Fordetal., 1978)、树大小(Leviaetal., 2010)和叶生物量(Levia etal., 2015)等有关，在以后的研究中需要选取更多的结构参数讨论树干茎流量产生差异的原因。

5 结论

1) 随降雨量增加，穿透雨率先显著增加(P<0.05)后趋于稳定，且变异程度逐渐减小。穿透雨率和降雨量的关系用“S”函数拟合效果较好。

2) 各冠层结构(LAI、CT、D、CC)对林下穿透雨空间分布的影响因降雨量大小而变。当降雨量在0～10 mm时，LAI对林内穿透雨量影响最大，当降雨量在10～20和20～40 mm时，CC对林内穿透雨量影响最大，大于40 mm时，D对林内穿透雨量影响最大。

3) 在相同的误差范围内，随着降雨量增加，所用的集水槽数量逐渐减少。在本研究的马尾松林分内，要精准测量每一场降雨的穿透雨量，需以雨量级0～10 mm时的情况为基准确定所需的雨量收集器数量。在95%或90%的置信区间下，若将测定的穿透雨数值控制在10%误差范围内，在50 m×50 m样地内至少需布设7或6个本研究所用大小的收集器； 若将穿透雨数测定值控制在5%误差范围内，至少需布设13或11个这样的收集器。由Monte Carlo 模拟重抽样计算集水槽数量所对应的穿透雨量空间变异系数，当集水槽的数量大于11个时，穿透雨量空间变异系数基本稳定。

4) 马尾松树干茎流量和树干茎流率与林外降雨量呈显著正相关(P<0.05)，树干茎流量空间变异系数与林外降雨量呈显著负相关(P<0.05)，马尾松林树干茎流量空间变异与冠幅面积和胸径有关，树干茎流量随着冠幅面积、胸径增加而增加，呈显著正相关(P<0.05)。