王曉燕，畢華興，高路博，朱悅，劉李霞

(北京林業(yè)大學水土保持學院;水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室;山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站:100083，北京)

黃土高原嚴重缺水，且水資源年內(nèi)分布不均勻，生態(tài)環(huán)境惡化，是世界上水土流失嚴重地區(qū)之一。為改善其生態(tài)環(huán)境，緩解人口、資源、環(huán)境的矛盾，新中國成立以來，國家投入了大量的人力、物力、財力，實施了各種林業(yè)生態(tài)工程。林冠截留作為森林水文過程中的一環(huán)，是降雨到達地面過程中發(fā)生的第1次水量分配，這一過程可以對降雨產(chǎn)生滯留作用，緩解雨滴對地表土壤的沖擊力，并且還影響營養(yǎng)元素的輸入，在森林水文循環(huán)過程中占據(jù)重要地位。林冠截留模型是估算和預測林冠截留的有效工具，根據(jù)影響林冠截留的各個因子與林冠截留的關系，國內(nèi)外學者推出了許多林冠截留模型。以A.J.Rutter等［1］為代表的概念模型，由于考慮了林分結構和氣象因子對降雨的影響，能夠估算降雨期間和降雨停止后的截留損失，可以在一定程度上應用到其他林分;但此模型需要大量具有物理意義的參數(shù)，仍然導致模型在應用上受到一定的限制。在Rutter 模型的基礎上，J.H.C.Gash 等［2－3］借助簡單的經(jīng)驗公式，形成了便于使用的Gash 解析模型，并于1995 年引入冠層覆蓋度參數(shù)對原模型進行了改進。改進后的模型能更好地模擬實際的林冠特征，更適應于不同森林類型林冠截留模擬的研究［3－6］。刺槐(Robinia pseudoacacia) 是晉西黃土區(qū)的主要造林樹種之一。筆者通過應用修正的Gash 模型，模擬蔡家川流域刺槐人工林林冠截留的特征，以期為晉西黃土區(qū)刺槐人工林生態(tài)水文過程和影響機制研究提供理論基礎，并為刺槐人工林的經(jīng)營和管理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點位于山西省吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測站蔡家川流域，E110°39'45″～110°47'45″，N36°14'27″～36°18'23″，海拔904 ～1 592 m，溫帶大陸性氣候，年均溫10.3 ℃，年均降水量489.10 mm，降雨最大月份出現(xiàn)在7、8 月份。全年日照時間2 564.10 h，無霜期172 d。土壤以褐土為主。

2 研究方法

2.1 試驗樣地的設置

在蔡家川流域人工刺槐林林地選擇具有代表性地段設立1 個20 m×20 m 的人工刺槐林標準樣地，樣地坡度20°，坡向南偏東34°。樹齡為15 年生同齡林，林木密度為1 800 株/hm2，郁閉度0.8，平均樹高5.71 m，胸徑6.35 cm，林下灌木較少，零星分布有黃刺玫(Rosa xanthina Lindl.)、胡頹子(Elaeagnus)等，林下主要草本有鐵桿篙(Tripolium vulgare Nees)、蘿摩(Metaplexis japonica(Thunb.) Mak.)、羊胡子(Eriophorum)等。

2.2 修正的Gash 模型

修正的Gash 模型［2－3］將降雨描述為一系列彼此分離的事件，在假定2 次降雨事件之間有足夠的時間讓林冠干燥到降雨前程度的前提下，每個降雨事件包含林冠加濕過程、林冠達到飽和并維持飽和狀態(tài)的過程及降雨停止后林冠干燥過程3 個階段，總的林冠截留量由林冠在整個降雨過程中各個階段的截留損失量相加得到。

修正的Gash 模型有以下幾個基本假設［2－3］條件:1)雨滴在林冠飽和后從林冠滴落;2)林冠飽和之后方有樹干莖流發(fā)生;3)樹干蒸發(fā)發(fā)生在降雨停止后;4)將林地劃分為有植被覆蓋區(qū)域和無植被覆蓋區(qū)域，蒸發(fā)只發(fā)生在有植被覆蓋區(qū)域，且蒸發(fā)只發(fā)生在一維垂直空間上。

對于冠層未飽和的m 次降雨

對于冠層達到飽和的n 次降雨

式中:Ij為林冠截留量，mm;c 為林分郁閉度;m 為降雨量使林冠未達到飽和的降雨次數(shù);PG，j為第j 次降雨事件的林外降雨量，mm;n 為降雨量使林冠達到飽和的降雨次數(shù); P'G為使林冠達到飽和的降雨量，mm;S 為林冠持水能力為降雨期間林冠達到飽和后的平均蒸發(fā)速率，mm/h;為降雨期間平均降雨強度，mm/h;q 為降雨量使樹干達到飽和產(chǎn)生樹干莖流的降雨次數(shù);St為樹干持水能力，mm;Pt為樹干莖流系數(shù)。

2.3 修正的Gash 模型各參數(shù)的計算方法

1)St和Pt由樹干莖流量與林外降雨量的關系方程確定，樹干莖流量與林外降雨量關系方程在y 軸截距的負值為St，Pt為斜率［7］。

2)林冠持水能力S 的確定是根據(jù)林內(nèi)穿透雨量與林外降雨量關系方程，求得穿透雨量的殘差，之后根據(jù)林外降雨量(PG)與穿透雨量殘差的關系，推求方程穿透雨量殘差大于0 所對應的最小林外降雨量值，用大于此值且殘差穿透雨量殘差大于0 的降雨量與對應的林內(nèi)穿透雨量做回歸方程，林冠持水能力(S)即為方程在x 軸截距的負值［7-8］。

3)降雨期間林冠達到飽和后的平均蒸發(fā)速率E的計算公式［2］為

式中:F 為飽和水汽壓梯度，hPa/℃，F(xiàn)=40 980Ps/(237.3+θ)2，其中Ps為飽和水汽壓，hPa，θ 為溫度，℃; Rn為大氣凈輻射，W/m2;ρ 為空氣密度，g/m3，ρ=1.276×273pa/(θ+273)，其中pa為大氣壓強，hPa;cp為空氣在常壓下的比熱容，1.004 8 J/(g·℃);D 為飽和水汽壓差，hPa，即氣溫(θ)對應的飽和水汽壓(ps)與同溫度對應的實際水汽壓(pT)之差(D= ps－pT);ra為空氣動力學阻力，s/m;λ 為 水 的 汽 化 潛 熱，J/g，λ = (2.51 －0.002 361θ)×1 000;γ 為空氣濕度常數(shù)，hPa/℃，γ=1.614 52P/λ。

飽和水汽壓ps由馬格努斯飽和水汽壓公式計算，即

實際水汽壓pT為空氣相對濕度與飽和水汽壓的乘積。

空氣動力學阻力ra的計算公式［9］為

式中u 為樹冠上方2 m 處的風速，m/s。u 的計算公式［9］為

式中:u0為測定點風速，m/s;z 為觀測點距離地面的高度，m。

4)使林冠達到飽和所必需的降雨量P'G由下式［3］確定:

5)為求得使樹干達到飽和產(chǎn)生樹干莖流的降雨次數(shù)q，需得知使樹干達到飽和所必需的降雨量P″G。P″G 的計算公式［7］為

式中: Stc=St/c;Ptc=Pt/c。

2.4 林分參數(shù)的測定方法

1)林內(nèi)穿透雨量:于2007 與2008 年7—10 月份，通過在研究區(qū)20 m×20 m 的刺槐試驗林標準地內(nèi)隨機布設的100 cm×20 cm 的10 個承雨槽收集林內(nèi)穿透雨量，承雨槽高出地面約10 cm，且與地面保持約有1°的傾角，較低的一端用膠管與10 L 塑料桶相連。每次降雨前將承雨槽內(nèi)的枯枝樹葉清除掉，雨后用量筒測量塑料桶內(nèi)的雨水體積(mL)，然后換算成mm。

2)在刺槐林標準地內(nèi)，按照4 ～8 cm 的徑級分布，按2 cm1 個徑級(其中6 cm 徑級選擇2 株標準木，其他選擇1 株)選擇標準木4 株，測量其樹干莖流量。

在距離樹干基部1 m 處，將直徑1.8 cm 的聚乙烯塑料軟管剖開后用鐵釘固定在樹干上，然后在樹干上(樹皮被修整光滑)圍繞2 ～3 周，用玻璃膠將塑料軟管與樹干的接縫處封嚴，塑料軟管下端接入塑料桶，每次降雨后用量桶量測桶內(nèi)的水量(mL)。樹干莖流量的計算公式為

式中:P2為樣地樹干徑流量，mm;N 為樹干徑級數(shù);Ci為徑級i 的樹干莖流體積，mL;Mi為徑級i 的樹木株數(shù);A 為樣地面積，m2。

3)林外降雨和氣象參數(shù)由布設在林地外的美國產(chǎn)Campell－Scientific 系列全自動氣象站測出，觀測林外降雨量(mm)、空氣溫度(℃)、空氣濕度(%)、風速(m/s)、大氣凈輻射(W/m2)和大氣壓強(hPa)等數(shù)據(jù)，每10 min 記錄1 次，精度可滿足模型的基本要求。

4)林冠截留量由實測大氣降水量減去林內(nèi)穿透雨量和樹干莖流量得到。

3 結果與分析

3.1 降雨分配特征

為滿足模型的假定條件，對2007 和2008 年7—10 月場降雨間隔時間大于8 h［5］的19 場降雨及林內(nèi)穿透雨量、樹干莖流量等進行統(tǒng)計，結果見表1。可以看出:林外總降雨量為455.20 mm，林內(nèi)穿透雨量、樹干莖流量和林冠截留量分別為349.94、9.62和95.64 mm，分別占林外總降雨量的76.88%、2.11%和21.01%;平均穿透率為77.44%，平均干流率為2.16%，平均截留率為20.40%。可知，人工刺槐林地的降雨大部分以穿透雨的形式直接降落到地面，另外極小部分以樹干流的方式沿樹干流向地面，還有一大部分被林冠截留，最后以蒸發(fā)的方式返回到大氣中。研究結果與L.K.Rowe［10］、曹云等［11］、魏天興等［12］研究得到的闊葉林林冠截留量為降水量的10.00%～35.00%相一致。

表1 刺槐人工林降雨分配情況Tab.1 Distribution of rainfall on Robinia pseudoacacia artificial forest

3.2 林冠截留模擬

3.2.1 模型林分參數(shù)的確定 刺槐林林內(nèi)穿透雨量P1(mm)與林外降雨量的關系為

林外降雨量與穿透雨量殘差的關系如圖1 所示。由圖得出，穿透雨量殘差大于0 所對應的最小林外降雨量值為11.60 mm。大于11.60 mm 且穿透雨量殘差大于0 的降雨量與對應的林內(nèi)穿透雨量的回歸方程為

即林冠持水能力S 為0.55 mm。

Gash 模型對林冠截留量模擬的準確性是以正確測出或估算林冠持水能力S 為基礎的［7］。A.Deguchi 等［13］總結出多種喬木林S 值的變化范圍為0.25 ～1.55 mm，何常清等［5］推算出四川臥龍亞高山櫟林(Quercus aquifolioides)的S 為0.23 mm。筆者利用回歸法推算出的林冠持水能力S 為0.55 mm，與前人推算出的S 值相似，因此，認為筆者推算出的S 值是合理的。

圖1 刺槐穿透雨量殘差與林外降雨量的關系Fig.1 Relationship between the residuals of throughfall and rainfall in Robinia pseudoacacia

刺槐林樹干莖流量P2(mm)與林外降雨量的關系為

得出St為0.109 1 mm，Pt為0.016 6 mm。

3.2.2 模型降雨參數(shù)的確定 通過氣象站測定，得到研究期間研究區(qū)林外總降雨量為455.20 mm，最大降雨量為53.00 mm，最小降雨量為3.50 mm，平均降雨強度0.67 mm/h。根據(jù)各氣象參數(shù)的計算公式和式(3)，計算得到降雨期間林冠達到飽和后的平均蒸發(fā)速率為0.10 mm/h，根據(jù)式(7)和(8)，計算得出使林冠達到飽和的降雨量P'G 和使樹干達到飽和所必需的降雨量P″G 分別為0.75 和8.70 mm。

3.2.3 模擬結果分析 修正的Gash 模型最初主要應用于林冠截留周累計量的估算［3］。林冠累計截留量的模擬值和實測值比較結果見圖2 和圖3。由圖2 可以看出，模型可以較好地模擬刺槐人工林的林冠累計截留量，林冠累計截留量模擬值小于實測值，林冠最終累計截留量的模擬值為83.60 mm，占大氣降雨量的18.37%，截流率比實測值低2.64%。由圖3 可以看出，林冠累計截留相對誤差最小值為0.76%，最大值為12.60%，平均為6.40%，相對誤差小于6.60%的占36.80%，7.00%～8.00%之間的占36.80%，9.00%～10.00%之間的占21.10%，大于10.00%的占5.30%。

圖2 林冠累計截留量模擬值與實測值比較Fig.2 Comparison of simulation and measured of cumulative amount of canopy interception

圖3 林冠累計截留相對誤差Fig.3 Relative error of cumulative canopy interception

應用修正的Gash 模型對次降雨的林冠截留量進行嘗試性模擬，對于冠層未飽和的m 次降雨，用式(1)計算其林冠截留量，對于冠層達到飽和的n次降雨，參考式(2)，并將式(2)中降雨期間林冠達到飽和后的平均蒸發(fā)速率和降雨期間平均降雨強度用單場降雨期間的蒸發(fā)速率和降雨強度替代，其他參數(shù)不變。

場降雨的林冠截留量模擬結果見圖4?？梢钥闯觯Ｐ涂梢暂^好地模擬出部分場降雨的林冠截留量，模擬值與實測值最小相差0.02 mm;但個別場降雨的林冠截留量模擬效果較差，第14 和19 場降雨林冠截留量的模擬值和實測值相差最大，分別為4.28 和5.91 mm。

圖4 場降雨林冠截留量模擬值與實測值比較Fig.4 Comparison of simulation and measured of canopy interception of one single rainfall event

4 結論與討論

1)應用修正的Gash 模型可以很好地模擬晉西黃土區(qū)刺槐人工林的林冠累計截留量，平均林冠累計截留相對誤差為6.40%，模擬出的刺槐林林冠累計截留量低于實測值。

刺槐林林冠累計截留量低于實測值的原因，可能是修正的Gash 模型在模擬林冠截留量時忽略了從林冠以滴落的形式到達地表的這部分雨量，且當大氣降雨量PG小于林冠截留量P'G時，林冠截留量表示為冠層覆蓋度乘以大氣降水，在這個過程中，因沒有考慮蒸發(fā)的影響，故與實際情況不符，從而使模擬值低于實測值。何常青等［5］應用修正的Gash 模型對岷江上游亞高山川滇高山櫟林的林冠截留量進行了模擬，模擬值小于實測值。孫向陽等［6］同樣用該模型對貢嘎山高山演替林的林冠截留量進行了模擬，結果顯示2008 年的林冠截留量模擬值比實測值低，2009 年的模擬值與實測值吻合較好。筆者的研究結果與前人的研究結果具有較好的一致性。

2)在模擬場降雨過程中，修正的Gash 模型不能較好地模擬每場降雨的林冠截留量。

由于對于單場降雨的林冠截留量來說，由假設與實際自然條件的差異導致的模型誤差更加明顯。場降雨林冠截留量的模擬值與實測值相比，表現(xiàn)為部分場降雨林冠截留量模擬值大于實測值，部分小于實測值，可能是由于降雨量與降雨強度不同而至。孫向陽等［6］用該模型對次降雨林冠截留量的模擬結果表明，當降雨量較小時，模擬值略高于實測值，當降雨量較大時，模擬值低于實測值。由于修正的Gash 模型不能較好地模擬次降雨的林冠截留量，所以，對于降雨量與降雨強度對該模型模擬結果的影響，筆者不再作進一步研究。如何應用并改進修正的Gash 模型，使其可以對次降雨林冠截留量進行模擬，有待于今后基于大量詳細觀測資料的基礎上進一步研究。陳濤［14］根據(jù)蔡家川流域多年林冠截留試驗研究結果建立了林冠截留量的動態(tài)模擬模型，并對各林分類型的場降雨林冠截留量進行了模擬，結果顯示，刺槐林的模擬林冠截留率比實測值小1.80%～6.10%，模擬效果較好。筆者建議，對晉西黃土區(qū)刺槐人工林場降雨林冠截留量的模擬應選用此林冠截留量動態(tài)模擬模型。研究中第14 和19 場降雨林冠截留量的模擬值與實測值間的差異之大異于其他，除以上原因外，還可能是由于實驗過程中出現(xiàn)的人為失誤等原因造成。

3)場降雨之間間隔的時間不同，模型中涉及的氣象條件會發(fā)生變化，從而影響林冠截留量的蒸發(fā)和降雨強度等因子。

A.Deguchi 等［13］和T.E.Link 等［15］認為，E/R對林冠截留量的變化率的影響最大，可見，2 場降雨之間的時間間隔不同會嚴重影響到模型的模擬精度。借鑒前人的研究成果，選用間隔時間大于8 h的場降雨數(shù)據(jù)進行模型的模擬，結果顯示，所得數(shù)據(jù)可以較好地進行修正的Gash 模型的林冠截留模擬。關于晉西黃土區(qū)刺槐林場降雨間隔時間不同對Gash 模型模擬精度的影響，有待于下一步繼續(xù)研究。

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