龐新博

（河北省林業(yè)示范場，河北 易縣 074200）

太行山石質(zhì)山區(qū)不同植被林冠截留降水的研究

龐新博

（河北省林業(yè)示范場，河北 易縣 074200）

通過穿透降雨和樹干徑流自動采集系統(tǒng)，對油松、側(cè)柏、刺槐3種植被截留試驗數(shù)據(jù)的分析，比較了3種典型人工林在天然降雨條件下林內(nèi)穿透降雨和樹干徑流的差異。結(jié)果表明：3種植被林內(nèi)穿透降雨與林外天然降雨都具極顯著的正相關(guān)線性關(guān)系，林冠截留量與林外降雨量呈冪函數(shù)關(guān)系，平均截留率大小關(guān)系為油松>側(cè)柏>刺槐。相同林外降雨量下產(chǎn)生的樹干徑流量大小關(guān)系為刺槐>側(cè)柏>油松。此外，使用灑水稱重法研究了灌木和草本植被的最大截留量，發(fā)現(xiàn)每千克灌草所截留的水量，油松林下為0.322kg/kg，側(cè)柏林下為0.609kg/kg，刺槐林下0.316kg/kg，荒坡灌草地為0.453kg/kg，即側(cè)柏>荒坡>油松>刺槐。

穿透降雨量；林外降雨量；林冠截留；灌草截留

林冠截留是森林水文學(xué)研究的熱點之一，也是徑流過程中的重要環(huán)節(jié)。林冠截留的作用包括林冠和樹干對降雨的攔截、儲水，還有對降水的蒸散和再分配作用。由于林冠截留作用的復(fù)雜和重要性，許多專家對此進行了大量研究，國外的研究結(jié)果表明，溫帶針葉林林冠截持率在20%～40%（Bosch等，1982）。國內(nèi)學(xué)者對我國南北不同氣候帶及其相應(yīng)的森林植被類型林冠截留率進行了分析，表明截留率變動范圍在11.4%～34.3%（馬雪華，1987）。

此外，劉曙光等（1988）對林冠的降雨位移作用、林內(nèi)降雨的分布、林內(nèi)雨點動能進行了研究。周國逸（1997）在研究杉木林冠截留的影響因子時發(fā)現(xiàn)，在90%的可靠性條件下，降水量和降水間隔時間是兩個最大的影響因子，但在95%的可靠條件下，降水量是唯一影響重要的因子。

雖然國內(nèi)外針對林冠截留開展了大量試驗研究，但對太行山石質(zhì)山區(qū)不同植被林冠截留試驗研究尚少，有待于進一步開展太行山不同植被林冠截留試驗研究，為太行山石質(zhì)山區(qū)生態(tài)環(huán)境保護提供技術(shù)支撐。

1 試驗區(qū)概況

試驗地位于太行山脈北端河北省易縣境內(nèi)（東經(jīng)115°21′，北緯 39°23′） 的片麻巖低山丘陵區(qū)，海拔高程90m左右，地形坡度12℃左右，沙壤土厚度15～30cm。該地屬溫帶大陸性季風(fēng)區(qū)氣候，多年平均降水量為560mm，年平均氣溫11.6℃，年平均蒸發(fā)量1906mm，年平均日照時數(shù)2745.1h，無霜期約 210d。

植被類型主要有油松（Pinus tabulaeformis）、側(cè)柏（Biota orientalis）、刺槐（Robinia pseudoacacia）等成片的人工林以及荊條（Vitex negundo）、酸棗（Ziziphus jujube var.spinosa）等小灌木和羊胡子草（Carex humilis）、披針葉苔草（Carex lanceolata）、白草（Bothriochloa ischaemum）等草本植物群落。

2005年分別選取了油松林下、側(cè)柏林下和刺槐林下3種典型的自然坡面，林齡油松、側(cè)柏為50a，刺槐46a，郁閉度油松林0.7，側(cè)柏0.75，刺槐0.6，各選取標(biāo)準(zhǔn)木3株，圈定10m×10m標(biāo)準(zhǔn)樣區(qū)，進行喬木林狀況調(diào)查。調(diào)查的結(jié)果見表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)樣區(qū)喬木調(diào)查

2 研究方法

2.1 林外降雨量的測定

在所選標(biāo)準(zhǔn)木上游附近的空地上布設(shè)口徑200mm的遙測雨量計，作為林外降雨量測定設(shè)備，測定每次的降雨量、降雨強度及降雨過程。

2.2 樹干徑流

在標(biāo)準(zhǔn)木的樹干上安設(shè)截流裝置，采用膠皮+鐵絲的方法截取樹干徑流。用剖開的聚丙烯管作為凹槽，導(dǎo)水槽環(huán)繞樹干，接入導(dǎo)水管連到量水裝置。量水裝置采用標(biāo)準(zhǔn)雨量桶+HOBO實時記錄（翻斗每翻一次代表的水量事先經(jīng)過測定），觀測樹干徑流的過程。

2.3 穿透降雨

分別在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)放置用白鐵皮定制的2個承雨箱，規(guī)格為100cm×100cm×20cm，底端設(shè)出水管，上端保持水平，并加濾網(wǎng)防止堵塞。雨水經(jīng)導(dǎo)水管引至量水裝置，量水裝置采用自制翻斗+HOBO實時記錄。根據(jù)承雨箱的承雨面積計算林內(nèi)降雨量。

2.4 灌草植被

在具有代表性的林下和灌草坡面，選取若干個1m×1m大小的樣方，將地上部分全部割下后，平鋪到面積同樣為1m×1m的紗網(wǎng)上進行充分的灑水。根據(jù)灑水前后植被質(zhì)量的差異推算出滯留的水量，以此作為該樣方內(nèi)灌草植被的最大截留量。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 林冠截留作用的試驗結(jié)果分析

3.1.1 穿透降雨 穿透降雨是直接到達林地或從樹葉和枝條上滴下的那部分降雨。根據(jù)2005～2007年油松、側(cè)柏、刺槐林內(nèi)穿透降雨試驗觀測結(jié)果表2、3、4，繪制林外降雨同林內(nèi)降雨關(guān)系，如圖1所示：

從圖1中可以看出，油松、側(cè)柏、刺槐3種不同林地林內(nèi)降水量與林外降水量具有明顯的線性相關(guān)關(guān)系，各回歸方程如下：

油松林：

側(cè)柏林：

表2 油松林地林內(nèi)降雨樹冠截留情況

表3 側(cè)柏林地林內(nèi)降雨樹冠截留情況

表4 刺槐林地林內(nèi)降雨樹冠截留情況

刺槐林：

從油松、側(cè)柏和刺槐林次降雨中林外降雨、林內(nèi)降雨和林冠截留量的對比關(guān)系圖中能夠看出，3種人工林在次降雨中截留量的大小隨林外降雨量的上下波動而變化，呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系（圖2～圖5）。

從圖5中可以看出，油松林地的透流率（林內(nèi)穿透降雨量占林外降雨量的百分比）與林外降雨量呈對數(shù)增加的關(guān)系，即降雨量在0～20mm時，隨著降雨量的增加，透流率迅速增加，在20mm之后由于受到附加截留作用的制約，增加速度逐漸變緩，并趨向于最大透流率。側(cè)柏林透流率的變化趨勢基本與油松林地相同。而刺槐林透流率的變化與前兩者不同，沒有較明顯的趨勢。單次降水的林內(nèi)透流率，油松林為65.33%～83.46%，側(cè)柏林為54.13%～92.46%，刺槐林為72.30%～85.42%。在觀測期內(nèi)，油松林地的平均透流率為74.07%，側(cè)柏林的平均透流率為76.95%，刺槐林的平均透流率為78.88%。

對油松、側(cè)柏和刺槐3種喬木林林冠截留量與林外降雨量進行相關(guān)分析，如圖6：

如圖6所示，經(jīng)過回歸分析，油松、側(cè)柏和刺槐林地林冠截留量與林外降雨量呈冪函數(shù)關(guān)系，回歸方程如下：

式中：y為林冠截留量（mm）；x為林外降雨量（mm）。

由以上分析可知，林冠截留量在降雨量較低時隨降雨量的增加而增大，但其增加幅度有限，逐漸趨近于飽和截留量。之后，隨著降水量的增加，截留率迅速降低，并趨向于最小截留率。對于單次降雨的林冠截留量來說，油松的截留量為1.93～17.74mm、側(cè)柏的截留量為0.77～17.49mm、刺槐的截留量為0.96～14.32mm。在觀測期內(nèi)，油松樣地、側(cè)柏樣地和刺槐樣地林冠層的平均截留率分別為25.93%、23.05%和21.12%。油松林平均截留率最高，側(cè)柏林次之，刺槐林地最低。這主要與3種不同樹種的林冠和結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，針葉林具有較大的雨水附著面積，而闊葉林與針葉林相比雨水附著面積較小，因此，林冠截留率相應(yīng)較低，透流率較高。

典型次降雨中的林內(nèi)外降雨特征如圖7所示。由圖7可見，林內(nèi)降雨基本上隨林外降雨的變化而變化。在070718降雨中，林冠截留的降雨量油松>側(cè)柏>刺槐見表5。

表5 喬木林冠截留試驗數(shù)據(jù)

表6 油松林樹干徑流量觀測

4.2 樹干徑流作用的試驗分析

4.2.1 油松林樹干徑流 徑流觀測結(jié)果見表6。

從圖8、圖9能夠看出，樹干徑流量與林外降雨量有明顯的線性關(guān)系，其表達式為：

油松A、B、C胸徑分別為8.5cm、11.26cm和9.3cm，分別位于一個坡面的下游、中游和上游，從樹干徑流量與林外降雨量的關(guān)系看，單位林外降雨量增加的樹干徑流量A>B>C，因此，在油松林地，胸徑對樹干徑流量的影響并不顯著，與林分的郁閉度有關(guān)（有待進一步研究）。

取上述各組切片，常規(guī)HE染色：二甲苯脫水2次，30 min/次；1 000 mL/L無水乙醇脫水2次，依次為30 min和10 min，然后依次用950、900、800、700 mL/L乙醇至水各3 min，蒸餾水3 min；最后用蘇木精染色5 min，流水沖洗20 min；5 g/L伊紅染色10 s，流水沖洗20 min，依次用700、800、900、950、1 000 mL/L乙醇分別脫水2 min，然后再用1 000 mL/L乙醇脫水2 min， 二甲苯透明，中性樹膠封片；最后在光學(xué)顯微鏡下觀察HE染色情況并拍照。

表7 側(cè)柏林樹干徑流量

4.2.2 側(cè)柏林樹干徑流 側(cè)柏樹干徑流調(diào)查數(shù)據(jù)見表7。從圖10中能夠看出，側(cè)柏林地樹干徑流量與林外降雨量間呈線性關(guān)系變化，其線性方程為：

圖11中，A、B、C3棵側(cè)柏樹的胸徑分別為12.2cm、16.8cm和14.95cm，分別位于同一坡面地下、中、上游。對于單位林外降雨量對樹干徑流量的影響，側(cè)柏樹A和B較為接近，兩者都大于C。因此，胸徑對樹干徑流量的影響在側(cè)柏林地表現(xiàn)的也不顯著。

4.2.3 刺槐林地樹干徑流 刺槐林地樹干徑流調(diào)查結(jié)果見表8。

從圖12可看出，刺槐林地樹干徑流與林外降雨量之間存在著顯著的線性關(guān)系，其線性方程為：

刺槐A、B、C胸徑分別為5.75cm、16cm和8.47cm，從

表8 刺槐林樹干徑流量觀測

圖13可以看出，對于單位林外降雨對樹干徑流量的影響，刺槐A>B>C。

4.2.4 3種喬木樹干徑流量對比 對于油松、側(cè)柏和刺槐在次降雨中產(chǎn)生的樹干徑流量占降雨量的比例分別為0.84%、1.49%、2.25%，因此，對于林外降雨量相等的情況下，產(chǎn)生的樹干徑流量刺槐>側(cè)柏>油松（圖14）。這與其樹干表面結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。

4.3 林下灌草對降雨的截留作用

同林冠的截留相比，林下灌草對林下雨也起到了截留作用。但是目前對于灌草植物的截留作用沒有很好的評測方法。本文采用灑水稱重法，分別測定油松林、側(cè)柏林、刺槐林及荒坡（只有灌草），4種不同樣地內(nèi)灌草的截留作用（見表9）。

從表9中能夠看出，由于不同喬木林下灌草結(jié)構(gòu)和覆蓋度不同，對于單位面積的灌草截流量，油松林下為0.316mm/m2，側(cè)柏林下為 0.275mm/m2，刺槐林下為0.200mm/m2，荒坡灌草地為0.550mm/m2，存在荒坡>油松>側(cè)柏>刺槐的數(shù)量關(guān)系。但是從生物量的角度去分析，即換算成每千克灌草所截留的水量，則油松林下為0.322kg/kg，側(cè)柏林下為 0.609kg/kg，刺槐林下 0.316kg/kg，荒坡灌草地為0.453kg/kg，即側(cè)柏>荒坡>油松>刺槐。因此，植被豐度高的草本+灌木植被的截留量要大于單一灌木植被的作用。但是對于豐度低的草本+灌木植被，這個作用并不明顯。所以在應(yīng)用中，可以根據(jù)灌草植被的生物量或占地面積來估算其截留量。

表9 灌草截留試驗結(jié)果

5 結(jié)論與討論

（1）通過崇陵流域油松、側(cè)柏和刺槐林地植被截留觀測實驗發(fā)現(xiàn)林內(nèi)穿透降雨與林外天然降雨都具極顯著的線性關(guān)系。

（2）油松、側(cè)柏和刺槐林地林冠截留量與林外降雨量呈冪函數(shù)關(guān)系。

（3）單次降水的林內(nèi)透流率，油松林為65.33%～83.46%，側(cè)柏林為54.13%～92.46%，刺槐林為72.30%～85.42%。在觀測期內(nèi)，油松樣地、側(cè)柏樣地和刺槐樣地林冠層的平均截留率分別為25.93%、23.05%和21.12%，平均截留率大小關(guān)系為油松>側(cè)柏>刺槐。

（4）對3種不同喬木林樹干徑流進行比較、分析，得出3種喬木林的樹干徑流量并非隨著樹木本身胸徑的增大而增大，可能與林分的郁閉度有關(guān)（有待進一步研究）。油松、側(cè)柏和刺槐在次降雨中產(chǎn)生的樹干徑流量占降雨量的比例分別為0.84%、1.49%、2.25%。相同林外降雨量下產(chǎn)生的樹干徑流量大小關(guān)系為刺槐>側(cè)柏>油松。

（5）單位面積的灌草截流量，存在荒坡>油松>側(cè)柏>刺槐的數(shù)量關(guān)系。每千克灌草所截留的水量，存在側(cè)柏>荒坡>油松>刺槐。植被豐度高的草本+灌木植被的截留量要大于單一灌木植被的作用。

［1］Bosch J.M.，Hewlett J.D.1982.A review of catchment experiments to determine the effect of vegetation changes on water yield and evapotranspiration［J］.Journal of Hydrology，（103）:323–333.

［2］馬雪華.四川米亞羅地區(qū)高山冷杉林水文作用的研究［J］.林業(yè)科學(xué)，1987，19（3）:97-113.

［3］劉曙光，郭景唐.華北油松人工林林下降雨空間分布的研究［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，1988，10（4）:1-10.

［4］周國逸.生態(tài)系統(tǒng)水熱原理及其應(yīng)用［M］.北京:氣象出版社，1997.

S715.2

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1002-3356（2010）04-0001-08

2010-06-12