周秋文, 馬龍生, 顏 紅, 蔡明勇, 戴 麗

(1.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550001; 2.環(huán)境保護(hù)部 衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心, 北京 100094)

貴州省喀斯特闊葉林降雨截留分配特征

周秋文1, 馬龍生1, 顏 紅1, 蔡明勇2, 戴 麗1

(1.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550001; 2.環(huán)境保護(hù)部 衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心, 北京 100094)

[目的] 對(duì)貴州省喀斯特闊葉林降雨截留分配特征進(jìn)行研究，為喀斯特地區(qū)水土保持和森林生態(tài)功能分析提供參考。 [方法] 以貴州喀斯特闊葉林的降雨分配特征為研究對(duì)象，利用2015年9月至2016年3月間野外實(shí)測(cè)的25場(chǎng)降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)森林林冠層、灌木層的降雨截留分配特征進(jìn)行研究。[結(jié)果] 觀測(cè)期內(nèi)降雨以小雨和中雨為主，降雨總量為208.25 mm；樹(shù)干流總量為21.83 mm，占降雨總量的10.48%，變化范圍為0～14.3%；林間穿透雨總量為186.89 mm，占降雨總量的89.7%。灌木層截留總量為34.86 mm，占降雨總量的16.74%；林冠截留的總量為22.58 mm，占同期降雨的10.84%。當(dāng)林外降雨量大于1.15 mm時(shí)，研究區(qū)內(nèi)開(kāi)始產(chǎn)生樹(shù)干流，且樹(shù)干流與林外降雨量呈線性正相關(guān)關(guān)系；灌木截留量隨著降雨量的增大而增大，但林冠層截留率與降雨量之間沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系。 [結(jié)論] 喀斯特闊葉林對(duì)降雨具有較強(qiáng)的截留和再分配作用，對(duì)區(qū)域水量平衡和水土保持具有重要影響。

森林降雨; 截留; 闊葉林; 喀斯特

森林與水的關(guān)系是當(dāng)今森林生態(tài)學(xué)研究的核心問(wèn)題之一[1]。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其面積占陸地總面積的33%，具有良好的水土保持功能[2]。研究森林截留與降水的關(guān)系，有助于刻畫(huà)生態(tài)系統(tǒng)中降水的傳輸過(guò)程與機(jī)制，進(jìn)而揭示其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、能量代謝和生產(chǎn)力的影響。森林不僅能夠提供凝結(jié)核，影響降水的產(chǎn)生，并且森林冠層作為降水后第一個(gè)作用層，對(duì)大氣降水的重新分配具有重要意義[3-4]。因此，研究林區(qū)植被與降雨分配之間的關(guān)系，降水發(fā)生后的林冠層截留、樹(shù)干流和穿透雨的比例構(gòu)成，對(duì)掌握區(qū)域水文循環(huán)過(guò)程和水量平衡具有極其重要的作用[5]?？λ固氐貐^(qū)是典型的生態(tài)脆弱區(qū)，其土壤貧薄，保水保肥能力差，成土速度十分緩慢，植被生長(zhǎng)受制于惡劣的自然環(huán)境[6-7]，因此研究該區(qū)域森林與降水的作用關(guān)系更有現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前，已有學(xué)者[8-12]對(duì)森林與降雨的關(guān)系展開(kāi)了研究并取得了相應(yīng)的成果。其中對(duì)森林降雨研究主要從大氣降雨，林冠截留，樹(shù)干流等幾個(gè)方面進(jìn)行。如周佳寧等[13]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)典型森林植被對(duì)降雨再分配的影響的研究；李道寧等[14]對(duì)江西省大崗山主要森林類(lèi)型降雨再分配特征的研究。但對(duì)喀斯特闊葉林降雨分配研究報(bào)道較少。雖然喀斯特地區(qū)植被長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)較差，森林面積小，但是喀斯特森林的存在，仍然在涵養(yǎng)水源、防止水土流失方面具有重要的生態(tài)意義。因此，本研究以貴州省典型喀斯特闊葉林為例，通過(guò)野外試驗(yàn)觀測(cè)的方法，結(jié)合室內(nèi)分析，對(duì)喀斯特闊葉林的林冠層和灌木層降雨截留分配特征進(jìn)行分析，以豐富喀斯特森林生態(tài)水文過(guò)程研究的內(nèi)容，為喀斯特地區(qū)水土保持和森林生態(tài)功能分析提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)為位于貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)的貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境生態(tài)試驗(yàn)站(106°27′E，26°21′N(xiāo))，平均海拔1 200 m。該地區(qū)具有高原季風(fēng)濕潤(rùn)氣候的特點(diǎn)，根據(jù)花溪?dú)庀笳?961—2015年的觀測(cè)資料，年平均氣溫為15 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.7 ℃，年均雨量1 124 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為198 mm。試驗(yàn)站內(nèi)土壤主要為石灰土，植被類(lèi)型豐富，以喬木為主，主要喬木樹(shù)種為冬青、麻櫟、女貞、楓香等，區(qū)內(nèi)零星分布有馬尾松。喬木平均胸徑為15 cm，平均樹(shù)高12 m，郁閉度為0.85。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

該試驗(yàn)區(qū)樣地面積為10 m×10 m，樣地內(nèi)喬木樹(shù)種有香葉(Linderacommunis)、麻櫟(Quercusacutissima)、白櫟(Quercusfabri)、冬青(Ilexchinensis)、女貞(Ligustrumlucidum)、鹽膚木(Rhuschinensis)、云南樟(Cinnamomumglanduliferum)、棕櫚(Trachycarpusfortunei)等。為確保植被截留分配觀測(cè)的整體性和代表性，灌木層和喬木層的觀測(cè)，均在該樣地內(nèi)進(jìn)行。在其中選擇典型的地段設(shè)置降雨收集裝置，用以觀測(cè)大氣降雨、樹(shù)干流、林間穿透雨、灌木層截留、林冠截留。在離樣地30 m外架設(shè)自動(dòng)氣象站1臺(tái)，設(shè)置雨量筒1個(gè)，用于監(jiān)測(cè)大氣降雨。樣地內(nèi)放置樹(shù)干流收集桶3個(gè)，林間穿透雨收集桶4個(gè)，灌木層截留收集桶5組(灌木上與灌木下收集桶為1組)，共放置19個(gè)收集降雨的裝置。

2.2 測(cè)定方法

(1) 大氣降水(林外降雨)測(cè)量方法。在距樣地30 m的空曠地架設(shè)ONSET公司生產(chǎn)的WatchDog 2 900 ET 小型自動(dòng)氣象站，以測(cè)定大氣降雨。該小型自動(dòng)氣象站降雨觀測(cè)高度為距地面1.5 m，分辨率為0.25 mm ±2%。同時(shí)在附近放置1個(gè)PVC材料制作，直徑為20 cm，高度為40 cm的自制雨量筒作為備用和參考。

(2) 樹(shù)干流的測(cè)量方法。選擇具有代表性的樹(shù)干，在其樹(shù)干1.5 m處，用軟管纏繞在樹(shù)干四周，固定好軟管的位置，并用玻璃膠密封接口處，以確保樹(shù)干流能全部進(jìn)入下端放置的降雨收集桶內(nèi)。

(3) 林間穿透雨測(cè)量方法。在林間選擇一塊相對(duì)空曠的地點(diǎn)，架設(shè)規(guī)格為20 cm×100 cm的集水槽來(lái)收集降雨，集水槽角度為5°，較高一端高度為1.3 m，集水槽較低的一端通過(guò)軟管與收集桶連接。穿透雨率等于林間穿透雨量除以林外降雨量；林冠層截留量等于林外降雨量減去穿透雨量；林冠層截留率等于林冠層截留量除以林外降雨量。

(4) 灌木層截留量測(cè)定方法。在樣地內(nèi)隨機(jī)選擇4處灌木叢，在每處灌木下方放置一個(gè)雨量筒，在灌木層上方對(duì)應(yīng)位置放置1個(gè)同規(guī)格的雨量筒，用于監(jiān)測(cè)灌木截留。灌木層截留量等于灌木層上方降雨量減灌木層下方降雨量；灌木層截留率等于灌木層截留量除以灌木層上方降雨量。

3 結(jié)果與分析

3.1 大氣降雨特征

在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)共記錄到大氣降雨25次(期間部分場(chǎng)次降雨由于試驗(yàn)條件限制未采集到)，林外降雨總量為208.25 mm，降雨量最小值為0.8 mm，最大值為58.6 mm，平均降雨量為8.33 mm。雨量級(jí)以小雨(p≤10 mm)居多，達(dá)到18場(chǎng)，占降雨總次數(shù)的75.2%，占降雨總量的25.8%；中雨(10 mm50 mm)1場(chǎng)，占降雨總場(chǎng)數(shù)的4%，降雨量占降雨總量的28.1%；觀測(cè)期內(nèi)未記錄到大雨(25 mm

圖1 研究區(qū)降雨分布特征

3.2 樹(shù)干流特征

在觀測(cè)的25場(chǎng)降雨中，測(cè)得樹(shù)干流總量為21.83 mm，占降雨總量的10.5%。單次降雨的樹(shù)干流變化范圍為0～5.99 mm，變化率為0%～14.3%。采集的25場(chǎng)降雨中，產(chǎn)生樹(shù)干流的降雨有23場(chǎng)，當(dāng)林外降雨p≥1.15 mm時(shí)，樣地內(nèi)云南樟?xí)a(chǎn)生樹(shù)干流，這與常學(xué)向等[15]的研究結(jié)果有所差異。由于樹(shù)干流受到多方面因素的影響，如降雨量的大小、雨強(qiáng)、樹(shù)種以及樹(shù)干的生長(zhǎng)形態(tài)等，本文與其研究結(jié)果的差異可能是研究區(qū)氣候條件和植被生長(zhǎng)狀態(tài)等方面的不同所導(dǎo)致。通過(guò)對(duì)不同月份的樹(shù)干流觀測(cè)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，10月測(cè)得的樹(shù)干流流量最大，12月流量最小。分析原因是由于10月的降雨量相對(duì)其他月份較

大，導(dǎo)致了樹(shù)干流相應(yīng)增大，充分說(shuō)明樹(shù)干流大小主要受降雨量大小影響。此外，9月的樹(shù)干流測(cè)得流量比3月大，但9月的林外降雨小于3月，可能的原因是，9月雖然總降水量少，但是單場(chǎng)降雨量大，消耗于冠層吸附的降雨比例較少，更多比例降雨得以形成樹(shù)干流；而3月發(fā)生的8場(chǎng)降雨中，只有1場(chǎng)降雨量超過(guò)10 mm，在小雨情況下，大部分降雨消耗于冠層截留，因此樹(shù)干流較小。此外，9月是樹(shù)木生長(zhǎng)期，林冠層比3月茂盛，林冠截留效果較好，也是造成9月樹(shù)干流小于3月的原因之一。從圖2可以看出，喀斯特闊葉林中，樹(shù)干流量總體隨降雨量增大而增大，但當(dāng)降雨量增加到一定程度后，樹(shù)干流量增加的趨勢(shì)減緩(圖2)?；貧w分析結(jié)果表明，樹(shù)干流量與林外降雨量存在一定函數(shù)關(guān)系：y=5.82exp(-14.57/x)，顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明(p<0.000 1)，置信度達(dá)到99.99%以上。隨著降雨量增大，樹(shù)干流率呈先增大后減小趨勢(shì)(表1)。主要原因可能是由于當(dāng)降雨量總體較小時(shí)(小雨、中雨)，隨著降雨量增加，更多的降雨得以被林冠層攔截，并通過(guò)闊葉林的枝、葉到達(dá)樹(shù)干，形成較大的樹(shù)干流率。當(dāng)降雨量增加到一定程度后(大雨、暴雨)，闊葉林葉面的承載能力接近飽和，經(jīng)葉面導(dǎo)流到樹(shù)干的雨水接近穩(wěn)定值，若降雨量繼續(xù)增大(樹(shù)干流量無(wú)明顯增加)，則導(dǎo)致樹(shù)干流率減小。

圖2 樹(shù)干流量與林外降雨的關(guān)系

場(chǎng)次降雨量/mm測(cè)定次數(shù)林冠截留樹(shù)干流林間穿透雨 灌木層截留 截留量/mm截留率/%樹(shù)干流量/mm樹(shù)干流率/%穿透雨量/mm穿透雨率/%截留量/mm截留率/%<102068378600000010357670482679115～1464198374700917039875322053880223～31854783400103700109777004813400350～44654202100153800182192004782400510～7642260200014311001144900038931001115～14013713190045412003081810096225001656～181520000005171500312890002106002293～58602121148804100079059696739906合計(jì)25225810842183104818677866934861674

3.3 林間穿透雨特征

研究期間觀測(cè)到的林間穿透雨總量為186.77 mm,占整個(gè)研究期間記錄降雨總量的89.7%。2015年9，10，11，12月和2016年3月，穿透雨總量分別為32.53，110.56，5.45 mm，2.84和35.38 mm，穿透率分別為84%，93%，74%，81%，90%。可以看出，2015年10月穿透雨量最高，穿透率也最大，2015年9和12月穿透率相近。10月降水量大，降雨強(qiáng)度大，故穿透雨量相應(yīng)較大，所以穿透雨率較大。11月穿透雨率最小，10月穿透雨率最大，因?yàn)?0月的降雨量比較大，雨強(qiáng)比較大，所以穿透雨率比較大。12月的降雨量小于11月的降雨量，而其穿透雨率則大于11月的穿透雨率，原因可能是，進(jìn)入12月后，林冠層樹(shù)葉凋落比11月更明顯，林冠截留效果較11月差，更多的降雨穿過(guò)樹(shù)葉間空隙直接進(jìn)入林內(nèi)，因此其穿透雨率比11月大。穿透雨量(P)與林外降雨量(X)具有較好的線性關(guān)系，呈正相關(guān)的關(guān)系，穿透雨量隨著降雨量的增大而逐漸增大。穿透雨率與林外降雨量總體呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，但由于受到穿透雨量、降雨大小和植被的生長(zhǎng)狀態(tài)等因素的影響，與林外降雨的線性相關(guān)性減弱。

3.4 灌木層截留特征

觀測(cè)期內(nèi)，灌木層截留總量為34.86 mm，占降雨總量的16.74%。單場(chǎng)降雨的灌木層截留量在0～4.27 mm，截留率在0%～67%。當(dāng)降雨量>0.99 mm時(shí)，灌木層開(kāi)始產(chǎn)生穿透雨。10月截留量最大，為16.64 mm，12月截留量最小，為1.47 mm。這是因?yàn)?2月的時(shí)候大多數(shù)灌木枝葉已經(jīng)凋落，導(dǎo)致了截留能力減弱，截留量最小，但是12月截留率最大，為42%，9月截留率最小，為19%。當(dāng)降雨量由0.08 mm增加至3.50 mm時(shí)，灌木層截留率從52%下降至11%，隨著降雨量繼續(xù)增加，截留率在0%～40%上下波動(dòng)。降雨量較大時(shí)截留率比較小的原因可能是，灌木的葉片比較小且光滑，能吸附水的表面積不大，能承接的雨量很小?？傮w而言，灌木層截留量隨降雨的增大而增大(圖3)表現(xiàn)為：y=ln(0.61+0.72x)的函數(shù)關(guān)系，顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明(p<0.000 1)，置信度達(dá)到99.99%以上。但截留率與降雨量之間沒(méi)有明顯的線性相關(guān)關(guān)系。

3.5 喬木林冠截留特征

觀測(cè)期內(nèi)林冠截留總量為22.58 mm，占同期降雨量的10.84%，單次降雨的林冠截留率在0%～63%，林冠截留量在0～2.61 mm。其中10月的截留量最大，達(dá)10.47 mm，12月截留量最小，為1.10 mm。林冠截留量隨著降雨的增大而發(fā)生一定波動(dòng)(表1)。當(dāng)降雨量為0.08～2.23 mm時(shí)，林冠截留量從0.5 mm增加至0.73 mm；當(dāng)降雨為2.23～3.50 mm時(shí)，林冠截留量從0.73 mm減少至0 mm；當(dāng)降雨量為3.50～13.06 mm時(shí)，林冠截留量增加至最大值2.61 mm；當(dāng)降雨量為13.06～22.93 mm時(shí)，林冠截留增量為0 mm；當(dāng)降雨量超過(guò)50 mm后，林冠截留量又增加至1.21 mm。總體而言，在降雨量較小的時(shí)候，林冠截留量隨降雨量增大，但是當(dāng)降雨量到達(dá)一定程度后，截留量相應(yīng)減小。造成這種波動(dòng)的主要原因可能是，當(dāng)降雨量到達(dá)一定程度后，冠層葉片充分濕潤(rùn)，形成不利于雨滴附著的光滑面，導(dǎo)致截留能力減弱；此外，由于觀測(cè)時(shí)間較短，降雨場(chǎng)次較少，此現(xiàn)象也有可能是觀測(cè)誤差導(dǎo)致。林冠截留率大致隨林外降雨量增加而較少，但是相關(guān)性不高。林外降雨與林冠截留率呈負(fù)相關(guān)的原因是，林冠層截留能力是有限的，林外降雨達(dá)到一定程度后，林冠層截留能力趨于飽和，林外降雨量持續(xù)增加的情況下，截留量趨于穩(wěn)定，相比之下，截留率減小。

圖3 灌木層截留量與林外降雨的關(guān)系

4 結(jié) 論

(1) 觀測(cè)期降雨以小雨、中雨為主，降雨總量為208.25 mm，最大降雨發(fā)生在2015年10月，降雨量為119.30 mm，占觀測(cè)期內(nèi)降雨總量的57.29%。觀測(cè)期內(nèi)，研究區(qū)林冠截留的總量為22.58 mm，占同期降雨量的10.84%，林冠截留率波動(dòng)范圍在0%～63%，林冠截留量在0～2.61 mm，林間穿透雨總量為186.89 mm，占降雨總量的89.7%；灌木層截留總量為34.86 mm，占降雨總量的16.74%，單場(chǎng)降雨灌木層截留率波動(dòng)范圍在0%～67%，截留量在0～4.27 mm。

(2) 研究區(qū)內(nèi)，當(dāng)樣地林外降雨量p≥1.15 mm時(shí)，喬木開(kāi)始產(chǎn)生樹(shù)干流，且樹(shù)干流與林外降雨量呈線性正相關(guān)；總體上，灌木層截留量隨著降雨量的增大而增大，但灌木、林冠層截留率與降雨量無(wú)顯著線性相關(guān)性。樹(shù)干流量、林間穿透雨量、林間穿透雨率與林外降水呈正相關(guān)關(guān)系。

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Distribution Characteristics of Rainfall Interception by Broad Leaved Forest in Typical Karst Area of Guizhou Province

ZHOU Qiuwen1, MA Longsheng1, YAN Hong1, CAI Mingyong2, DAI Li1

(1.SchoolofGeographyandEnvironmentScience,GuizhouNormalUniversity,Guiyang,Guizhou550001,China; 2.SatelliteEnvironmentCenterofMEP,Beijing100094,China)

[Objective] Rainfall distribution characteristics of broad leaved forest in typical karst area were studied for considering contribution to soil and water conservation and forest ecological function analyze in karst area. [Methods] The rainfall distribution characteristics of broad leaved forest in Guizhou karst area were studied using the method of in situ observation. During the observation period, there were 25 rainfall recorded, and most of them were light or moderate rain. [Results] During the observation period, the total rainfall was 208.25 mm, the total amount of stem flow was 21.83 mm, which accounted for 10.48% of the total rainfall, and the variation range was 0～14.3%. Penetrating rain was 186.89 mm, which accounted for 89.7% of the total rainfall. The total amount of shrub layer interception was 34.86 mm, accounted for 16.74% of total rainfall. Canopy interception amount was 22.58 mm, which accounted for 10.84% of rainfall. When the rainfall was more than 1.15 mm in the study area, the stem flow occured and showed well positive linear correlation with rainfall. The shrub interception amount increased with the rainfall, but there was no significant linear correlation between the canopy interception rates and rainfall. [Conclusion] In general, broad leaved forest in karst area has a strong interception and redistribution effects on the rainfall, which can effectively influence the regional water balance and soil erosion.

forest rainfall; interception; broad-leaved forest; karst area

2016-05-22

2016-08-07

貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目“基于稀疏樣點(diǎn)的喀斯特復(fù)雜地形區(qū)土壤水分空間估算方法研究”(黔科合J字[2015]2118號(hào)); 貴州省科技合作計(jì)劃項(xiàng)目(黔科合LH字[2015]7776號(hào)); 貴州師范大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目

周秋文(1986—)，廣西自治區(qū)桂林市人，博士，副教授，主要從事水資源水環(huán)境遙感研究。E-mail:zouqiuwen@163.com。

蔡明勇(1986—),山東省東明縣人，工程師，主要從事水文水資源遙感、生態(tài)水文建模研究。E-mail:caimingyong@126.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.054

A

1000-288X(2016)06-0321-05

S715.3

文獻(xiàn)參數(shù)： 周秋文, 馬龍生, 顏紅等.貴州省喀斯特闊葉林降雨截留分配特征[J].水土保持通報(bào)，2016,36(6)：321-325.