張建國(guó),閆美杰,杜 盛

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

?

連續(xù)降雨條件下黃土丘陵區(qū)兩典型林分降雨分配特征研究

張建國(guó)1,3,閆美杰1,2,杜 盛1,2

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

植被的降雨分配是重要的水文過(guò)程和生態(tài)功能?；谶B續(xù)降雨條件下，采用雨量筒收集法，實(shí)地觀測(cè)了黃土丘陵區(qū)兩典型森林群落——遼東櫟次生林和刺槐人工林的樹(shù)干流和穿透雨。結(jié)果表明：連續(xù)降雨條件下，兩典型森林群落穿透雨與降雨量之間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系，遼東櫟林分穿透雨占降雨量的86%，刺槐林分穿透雨占降雨量的89%；遼東櫟單株樹(shù)干流與胸徑之間呈顯著正相關(guān)線性關(guān)系;遼東櫟林分樹(shù)干流和刺槐林分樹(shù)干流與降雨量之間均存在極顯著線性相關(guān)，兩林分樹(shù)干流分別占降雨量的14%和6%，遼東櫟林樹(shù)干流和穿透雨之和與降雨量相等，表明該林分在連續(xù)降雨條件下，該林分樹(shù)冠截流等于0；刺槐樹(shù)干流和穿透雨之和與降雨量相比，相差5%，這可能與該林分灌木層的二次分配有關(guān)。

連續(xù)降雨; 樹(shù)干流; 穿透雨; 冠層截留; 遼東櫟; 刺槐

林分冠層截留一直以來(lái)是森林水文研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。林冠層在森林生態(tài)系統(tǒng)的水分循環(huán)和水量平衡中起了很重要的作用[1]。在森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，林冠層是影響其水量平衡的第一作用層。不同的森林植被類型具有不同的截留功能，降雨通過(guò)林冠層后，林冠截留率為10%～40%，林內(nèi)降水透過(guò)率為60%～90%，樹(shù)干流率為較小，在0.5%～14%[2]。

通常情況下，樹(shù)冠截留的研究是通過(guò)降雨量減去林分樹(shù)干流和穿透雨量算得的。以往冠層截留的研究基于長(zhǎng)期間斷測(cè)量，即單次降雨條件下的監(jiān)測(cè)研究，對(duì)于連續(xù)降雨條件下對(duì)林冠層的研究較少。研究表明，降雨的時(shí)間分布影響著冠層的干濕循環(huán)[3]，非連續(xù)降雨事件條件下，測(cè)得的冠層截留比較大[4-5]；然而，在連續(xù)降雨情況下，冠層截留與降雨量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[6]，冠層截留為負(fù)值[7]，換言之，連續(xù)降雨條件下，可以忽略總降雨和凈降雨的差異，即冠層截留為零或負(fù)值[8]?；诓煌涤隀C(jī)制對(duì)林冠截留的影響，本文以2013年7月延安極端連續(xù)降雨事件為背景，研究連續(xù)降雨條件下，黃土丘陵區(qū)兩典型森林植被類型——遼東櫟(Quercus liaotungensis)天然次生林和刺槐(Robinia pseudoacacia)人工林樹(shù)干流、穿透雨和冠層截留的變化規(guī)律，為連續(xù)降雨條件下樹(shù)干流、穿透雨和樹(shù)冠截留的研究提供一定的數(shù)據(jù)和理論支持，為該地區(qū)不同植被覆蓋下減少水土流失、抵御洪澇災(zāi)害提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況和試驗(yàn)方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市南郊公路山，36°25.40′N，109°31.53′E，海拔1 353 m。該地區(qū)在生態(tài)景觀的水平地帶性上位于森林區(qū)與森林草原區(qū)的過(guò)渡地帶，氣候?yàn)闇貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候。據(jù)延安市氣象臺(tái)資料，近20年(1988—2007年)平均年降水量為498 mm，平均氣溫為10.6℃，雨季集中于7—9月份，4—6月份為干旱季節(jié)(圖1)。

圖1　1988-2007年延安市氣候特征

遼東櫟天然次生林固定監(jiān)測(cè)樣地：面積0.04 hm2，海拔1 360 m，坡向西南，坡度22°，植被覆蓋率約為75%。該林分以遼東櫟和山杏(Arrmeniaca sibirica L.)為主要建群種的落葉闊葉混交林，其中伴生樹(shù)種有：側(cè)柏[Platycladus orientalis (L.)Franco]、桃葉衛(wèi)矛(Euonymus bungeanus Maxim.)、大果榆(Ulmusmacrocarpa Hance)和三裂槭(Acer stenolobum Rehd.)。林分平均年齡約為60 a；樹(shù)木密度為1 350株/hm2；林分樹(shù)干基面積為20.5 m2/hm2，林分平均樹(shù)高為(5.8±2.2)m，平均胸徑為(10.2±6.1)cm。刺槐人工林固定監(jiān)測(cè)樣地：面積為0.04 hm2，海拔1 350 m，坡向?yàn)闁|南坡，坡度26°，植被覆蓋率約為90%。林分為刺槐人工純林，林下植物稀疏雜生，主要包括：黃薔薇(Rosa hugonis Hemsl.)、三裂槭(Acer stenolobum Rehd.)幼苗、白羊草[Bothriochloa ischcemum (L.)Keng]、水栒子(Cotoneaster multiflorus Bunge.)及鐵桿蒿(Artemisia sacrorum Ledeb.)等。林分平均林齡為30 a，林分樹(shù)木密度為3 100株/hm2，平均胸徑為(9.8±0.26)cm，平均樹(shù)高為8.6 m，林分樹(shù)干基徑面積為24.9 m2/hm2。兩樣地距離約為150 m，在距離遼東櫟樣地約為150 m的空白處設(shè)置有微型氣象站，主要用于監(jiān)測(cè)降雨量、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射、空氣溫濕度等環(huán)境因子，考慮到不同監(jiān)測(cè)設(shè)備可能引起的測(cè)量誤差以及樣地距離，因此降雨量數(shù)據(jù)采用同一套監(jiān)測(cè)設(shè)備。本試驗(yàn)測(cè)定時(shí)間為2013年7月，該月降雨情況見(jiàn)圖2。

圖2　研究期間樣地的降雨特征

1.2測(cè)定方法

1.2.1降雨量在林外一處4 m×4 m的空白地，利用翻斗式自計(jì)雨量計(jì)(Davis Rain collector Ⅱ model 7852，Davis Instruments，USA)測(cè)量降水量(mm)。雨量筒距離地面約1 m的高度。

1.2.2穿透雨與樹(shù)干流穿透雨的測(cè)定采用不銹鋼集雨漏斗(內(nèi)徑約為20 mm，邊緣厚度約為1 mm)，降雨被收集在一個(gè)容積約為10 L的塑料桶內(nèi)。穿透雨具有的空間差異性，在遼東櫟次生林林內(nèi)隨機(jī)分布有17個(gè)穿透雨收集器。刺槐人工林由于林分布局相對(duì)整齊，為減少雨量收集任務(wù)，刺槐林內(nèi)只隨機(jī)分布有10個(gè)雨量收集器。采用量筒測(cè)量收集的穿透雨，精度為10 ml。林分穿透雨為該林分內(nèi)所有穿透雨收集器測(cè)量值的均值。

根據(jù)兩樣地內(nèi)各樹(shù)種樹(shù)木的徑級(jí)分布，遼東櫟林內(nèi)選擇8株遼東櫟，2株山杏和其他伴生樹(shù)種(側(cè)柏、大果榆、三裂槭、桃葉衛(wèi)矛)各1株，刺槐樣地選取7株刺槐樣樹(shù)分別測(cè)定其樹(shù)干流。樹(shù)干流監(jiān)測(cè)具體操作方法如下：首先選取一根直徑為25 mm的，長(zhǎng)度略微小于樹(shù)干胸徑的橡膠管，將其用細(xì)鐵絲固定在樹(shù)干胸高處；再次，選取長(zhǎng)度約為1.2 m長(zhǎng)的同材質(zhì)橡膠管，將其一端與固定在胸高處的橡皮管兩端重合處；其次選用長(zhǎng)度比樹(shù)干胸徑長(zhǎng)的同材質(zhì)橡膠管，將其剖開(kāi)，纏繞在剛剛固定在胸高處的橡膠管上；最后采用玻璃膠將橡膠管接觸的部位密封，僅保留一處出水口。樹(shù)干收集的降雨量被儲(chǔ)存在容積約為100 L的塑料桶內(nèi)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，樹(shù)干流容積較大，因此在100 L塑料桶的上端鑿出3個(gè)等高度直徑約為25 mm的圓孔，其中一個(gè)圓孔采用塑料管與容積約為50 L的塑料桶相連。樹(shù)干流的測(cè)量只測(cè)量塑料桶中水的深度，根據(jù)建立的塑料桶深度與容積之間的線性方程推算樹(shù)干流的容積量(L)，林分樹(shù)干流(SF)的測(cè)定方法如下：

(1)

式中：SF為林分總樹(shù)干流(mm)；SF0為各樣樹(shù)測(cè)得的樹(shù)干流(L)；BC0和BC分別為所選樣樹(shù)的胸高橫斷面積和林分總胸高橫斷面積；AG為樣地的投影面積。

1.2.3林冠截留量樹(shù)冠截留量的計(jì)算公式[9-10]如下：

(2)

式中：I為林冠截留量(mm)；P為林外降雨量(mm)；PT為穿透雨量(mm)；SF為樹(shù)干流(mm)；(PT+SF)為凈降雨量，即林內(nèi)降雨量(mm)。

2　結(jié)果與分析

2.1總降雨

據(jù)新華網(wǎng)報(bào)道[11]，2013年7月3—26日是延安市自1945年有氣象記錄以來(lái)過(guò)程最長(zhǎng)、強(qiáng)度最大、暴雨日最多且間隔日最短的一次持續(xù)強(qiáng)降雨，超過(guò)百年一遇標(biāo)準(zhǔn)。如圖1—2所示，該月份總降雨為504.4 mm，與該地區(qū)多年平均降雨量(498 mm)相比，高1.29%。本研究監(jiān)測(cè)時(shí)間從7月3—25日，遼東櫟次生林共記錄11次降雨事件，刺槐人工林共記錄10次降雨事件，記錄總降雨量為466.4 mm，各降雨事件具體時(shí)間及降雨量情況見(jiàn)表1—2。某些情況下，當(dāng)降雨持續(xù)超過(guò)1天以上時(shí)，連續(xù)降雨記為1次降雨事件，降雨事件的記錄根據(jù)實(shí)際情況決定，原則是為了保證樹(shù)干流和穿透雨的準(zhǔn)確性，例如監(jiān)測(cè)期間最大降雨事件出現(xiàn)在7月24日，降雨量為112.2 mm，該降雨量實(shí)際為7月21日(6.4 mm)、7月22日(105.6 mm)和7月24日(0.2 mm)降雨量之和。監(jiān)測(cè)期間，各降雨事件中，小于5 mm降雨為2次，大于5 mm小于20 mm為2次，其余均大于20 mm。

表1　遼東櫟林各降雨事件中各分量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及比例

2.2穿透雨

穿透雨具有很強(qiáng)的空間差異性，不同位點(diǎn)測(cè)得的穿透雨的量差異很大，同時(shí)雨量收集器的尺寸也影響最少穿透雨收集器數(shù)量的重要因素之一，Rodrigo和Avila研究表明，采用9～11個(gè)直徑為20 mm的收集器，平均1周穿透雨的誤差約為10%[12]；10～12個(gè)直徑為20 mm的收集器可以代表林分穿透雨量[13]。因此，本文認(rèn)為遼東櫟林和刺槐林穿透雨收集器的數(shù)量合理。在連續(xù)降雨條件下，降雨量和降雨強(qiáng)度越大，穿透雨量越大，且穿透雨率也在增加(圖3，表1—2)，與以往研究結(jié)果相同[14-15,9-10]。從表1—2中可以看出，穿透雨在降雨中所占的比例最高，各別降雨事件中，穿透雨要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨量，如7月16日，兩林分穿透雨量均大于降雨量。圖3中可以看出，穿透雨與降雨量之間存在很好的線性相關(guān)關(guān)系(y=ax+b)，從線性方程擬合系數(shù)a值來(lái)看，遼東櫟林穿透雨占降雨量的86%，刺槐林穿透雨占降雨量的89%，兩樣地穿透雨與降雨量的線性方程具體可表達(dá)為，遼東櫟：PTQ=0.86P+1.42(R2=0.99，p<0.0001)，刺槐：PTR=0.86P+1.42(R2=0.9986，p<0.0001)。表明，在連續(xù)降雨條件下，線性方程同樣適用于該地區(qū)兩典型林分穿透雨與總降雨之間的關(guān)系。鞏合德等[14]在監(jiān)測(cè)了穿透雨與降雨量之間的幾何回歸模型后發(fā)現(xiàn)，線性回歸方程適用于川西亞高山冷云杉林穿透雨與總降雨量之間的關(guān)系。李振新等[16]對(duì)岷江流域冷杉針葉林的穿透降雨空間分布特征研究發(fā)現(xiàn)，穿透降雨與林外降雨量之間的關(guān)系符合Logistic曲線。本文由于是連續(xù)降雨條件下進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)定期間樹(shù)皮和林冠層基本處于充分潤(rùn)濕狀態(tài)，因而，穿透雨與降雨量之間存在線性方程，但也不排除單個(gè)穿透雨收集器獲得的穿透雨量與降雨量之間存在指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系的可能。

表2　刺槐林各降雨事件中各分量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及比例

圖3　兩典型林分穿透雨與降雨量關(guān)系

2.3樹(shù)干流

對(duì)于單次降雨事件來(lái)說(shuō)，由于森林生態(tài)系統(tǒng)林冠層對(duì)大氣降水的重新分配作用，當(dāng)大氣降水發(fā)生時(shí)，降水首先會(huì)被樹(shù)冠的枝葉、枝皮和樹(shù)干所截留(林冠截留降水)，其次一部分降雨通過(guò)樹(shù)枝、葉尖滴落或由林間空隙(林窗)直接降落到林地上，形成林內(nèi)降雨(林內(nèi)穿透雨)，最后一部分降雨沿著樹(shù)干到達(dá)地面，才形成樹(shù)干流。

相對(duì)于穿透雨，莖流出現(xiàn)的時(shí)間更滯后，幾乎是穿透雨所需時(shí)間的2倍[17]。因而在林冠的降雨分配中樹(shù)干流一般所占的比重很小，在有的研究中樹(shù)干流甚至被忽略不計(jì)。然而連續(xù)降雨條件下，樹(shù)冠截留和樹(shù)皮均處于飽和狀態(tài)，此時(shí)樹(shù)干流占降雨量的比例會(huì)顯著增加。由表1—2可以看出，連續(xù)降雨條件下，樹(shù)干流在降雨中所占的比例比較穩(wěn)定，遼東櫟林實(shí)測(cè)樹(shù)干流占降雨量的比例為15%左右，刺槐林實(shí)測(cè)樹(shù)干流占降雨量的比例為7%左右，本文樹(shù)干流所占降雨量比例在王佑民[18]研究范圍之內(nèi)，他通過(guò)總結(jié)了我國(guó)主要林區(qū)的樹(shù)干流特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，樹(shù)干流占林冠層截留量的比例多則至15%，少則至1%。這主要是由于樹(shù)干流的大小受樹(shù)種、降雨量、樹(shù)皮粗糙度、樹(shù)枝分枝特點(diǎn)及胸徑大小等影響[19]。

將每次降雨事件之后樹(shù)干流的均值與胸徑進(jìn)行線性回歸，由圖4可以看出，遼東櫟樹(shù)干流與胸徑之間存在極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系。從遼東櫟和刺槐樹(shù)干流誤差來(lái)看，樹(shù)干流誤差隨著遼東櫟胸徑的增大而變大；隨刺槐胸徑的增大，誤差變小。這與兩種樹(shù)種的林冠冠幅和分枝有關(guān)，遼東櫟生長(zhǎng)良好，冠層豐富，分枝較多；而刺槐林內(nèi)大部分樹(shù)木普遍出現(xiàn)枯稍現(xiàn)象[20]，尤其是胸徑較大的樣樹(shù)，胸徑較小的刺槐冠層發(fā)育良好。通常認(rèn)為樹(shù)干流隨徑級(jí)和冠幅的增大而增大。Pressland等研究表明，在不同降雨強(qiáng)度下，樹(shù)干胸徑與樹(shù)干流之間存在正相關(guān)關(guān)系。萬(wàn)師強(qiáng)等[22]研究也表明，樹(shù)木的平均樹(shù)干流隨徑級(jí)和冠幅的增大而增大。胸徑和樹(shù)干流的相關(guān)性為基礎(chǔ)的方法是計(jì)算林地徑流的最好的方法[19]。也有研究表明，由于樹(shù)冠結(jié)構(gòu)的不同，有些胸徑和冠幅較大的樹(shù)木，樹(shù)干流反而較小[17-19,22-23]。

圖4　兩樹(shù)種樹(shù)干流與相應(yīng)胸徑之間的關(guān)系

林分樹(shù)干流與降雨量之間的關(guān)系見(jiàn)圖5，林分樹(shù)干流與降雨量之間存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系。本文的研究與多數(shù)研究一致，即樹(shù)干流與降雨量的關(guān)系為直線相關(guān)。王彥輝[24]研究毛竹樹(shù)干流與降雨量之間可以表達(dá)為SF=-0.07P+0.049。Huber等[9]對(duì)針葉樹(shù)和闊葉樹(shù)樹(shù)干流的研究表明，針葉樹(shù)和闊葉樹(shù)林分樹(shù)干流與總降雨量之間存在顯著的線性相關(guān)。Staelens等[25]對(duì)山毛櫸林樹(shù)干流研究表明，樹(shù)干流與降雨量之間存在極顯著線性相關(guān)。Marin等[26]對(duì)4個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)降雨分配研究表明，盡管樹(shù)干流占總降雨量的比例較小，但與降雨量之間存在指數(shù)關(guān)系。線性方程擬合系數(shù)來(lái)看，遼東櫟林樹(shù)干流總量占到降雨量的14%，而刺槐林樹(shù)干流僅占到降雨量的6%；線性方程常數(shù)項(xiàng)來(lái)看，遼東櫟常數(shù)為正，刺槐常數(shù)為負(fù)，表明遼東櫟林樹(shù)干流出現(xiàn)的臨界降雨量要小于刺槐樹(shù)干流出現(xiàn)的降雨量，這可能與兩樹(shù)種樹(shù)冠冠幅和分枝數(shù)量以及樹(shù)干高度、樹(shù)皮吸水性有關(guān)。

圖5　兩典型林分樹(shù)干流與降雨量之間的關(guān)系

2.4林冠截留

林冠截留在森林生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)和水量平衡中占有極其重要的地位，主要受到降雨特征、樹(shù)冠特征、樹(shù)種組成、林冠特征、雨前林冠的濕潤(rùn)程度、風(fēng)速等多種因素的影響。劉世榮等[27]總結(jié)了地跨我國(guó)南北不同氣候帶的各種森林類型的林冠截留率，表明，截留率變動(dòng)范圍在11.4%～34.3%，變動(dòng)系數(shù)為6.68%～55.05%，其中以亞熱帶西部高山常綠針葉林最大，亞熱帶山地常綠落葉闊葉混交林最小[28]。以上研究結(jié)論均基于長(zhǎng)期非連續(xù)降雨條件下的觀測(cè)結(jié)果。然而，在連續(xù)降雨情況下，冠層截留與降雨量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[6]。Rutter等[7]研究表明，在連續(xù)降雨事件中，總降雨量與凈降雨量(林內(nèi)降雨，即樹(shù)干流和穿透雨之和)的線性關(guān)系截距為負(fù)值，即冠層截留為負(fù)值。這與本研究連續(xù)降雨條件下，兩林分林冠截留均出現(xiàn)負(fù)值相符(表1—2)。遼東櫟林冠截留在連續(xù)降雨事件，如降雨事件2和降雨事件24之后，林冠截留均為負(fù)值，同時(shí)由穿透雨和樹(shù)干流所占降雨量的比例來(lái)看(圖3、圖5)，遼東櫟林兩者所占比例為100%(86%+14%)，也就是說(shuō)，在連續(xù)降雨條件下，林分冠層截留基本為零；刺槐人工林林冠截留量的變化情況則變異較大，無(wú)明顯規(guī)律，刺槐人工林穿透雨(圖3)和樹(shù)干流(圖5)占降雨量的比例為95%(89%+6%)，由表2也可以看出，刺槐冠層截留大部分情況下出現(xiàn)正值情況，但這并不是真正的刺槐林冠截留，可能與穿透雨測(cè)定值偏小有關(guān)。由于該地區(qū)刺槐人工林經(jīng)常受到土壤干旱脅迫的影響，出現(xiàn)嚴(yán)重的枯梢現(xiàn)象[29-31]，為該地區(qū)林下灌木提供了足夠的生長(zhǎng)空間，該區(qū)灌木長(zhǎng)勢(shì)較好，且普遍較高。測(cè)定刺槐林地的穿透雨可能經(jīng)過(guò)灌木冠層的二次分配作用，也就是說(shuō)，監(jiān)測(cè)的刺槐林分穿透雨變成了降雨經(jīng)過(guò)兩次冠層分配作用后的穿透雨，因而數(shù)值變小。陳云明等[32]研究表明，7～10 a沙棘灌木林冠截留率變化為6.9%～9.8%，平均為8.5%?；糁竦萚33]研究表明，沙柳灌木林冠截留率平均為13.2%，檸條林冠截留率平均為14.3%。

連續(xù)降雨條件下，由于林冠截留量的容量基本接近于零或?yàn)樨?fù)值，也就意味著近乎全部的降雨以穿透雨和樹(shù)干流的形式進(jìn)入林內(nèi)，對(duì)于特定樣地來(lái)說(shuō)，林內(nèi)的枯落物和土壤的含水量成為減少地表徑流量的關(guān)鍵因素。相同雨強(qiáng)條件下，人工刺槐林地表徑流是遼東櫟次生林地表徑流的4～6倍(未發(fā)表數(shù)據(jù))，這主要是由于兩林分的枯落物差異所致。另一方面，由于土壤含水量達(dá)到飽和，加之黃土高原土壤土質(zhì)疏松，在邊坡時(shí)常有塌方的出現(xiàn)。因此在以后的植被修復(fù)措施和工程施工措施的建設(shè)中，要采取工程措施穩(wěn)固坡面結(jié)構(gòu)和植被措施恢復(fù)生態(tài)相結(jié)合的方法，尤其是公路邊坡的防護(hù)方面。

3　結(jié) 論

連續(xù)降雨條件下，兩典型森林群落穿透雨和樹(shù)干流與降雨量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。遼東櫟林分穿透雨占降雨量的86%，刺槐林分穿透雨占降雨量的89%。遼東櫟單株樹(shù)干流與胸徑之間存在顯著正相關(guān)線性關(guān)系。遼東櫟林分樹(shù)干流占降雨量的14%，刺槐林分樹(shù)干流占降雨量的6%。遼東櫟林樹(shù)干流所占比例和穿透雨所占比例之和與降雨量相等，表明該林分在連續(xù)降雨條件下，樹(shù)冠截流為零或負(fù)值；刺槐樹(shù)干流和穿透雨所占比例之和略小于降雨量，這可能與該林分灌木的冠層截留和樹(shù)干流有關(guān)。本文降雨分配的研究是基于連續(xù)降雨情況下，林冠截留、樹(shù)皮吸水基本處于充分潤(rùn)濕狀態(tài)，是一種較為理想狀態(tài)，然而對(duì)于年內(nèi)或年際非連續(xù)降雨情況下的分配，尤其是林冠層截留的研究有待進(jìn)一步解決，同時(shí)為進(jìn)一步分析比較連續(xù)降雨和間隔降雨條件下，不同森林生態(tài)系統(tǒng)森林水文過(guò)程提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

[1]王愛(ài)娟,章文波.林冠截留降雨研究綜述[J].水土保持研究,2009,16(4):55-59.

[2]胡珊珊,于靜潔,胡堃,等.華北石質(zhì)山區(qū)油松林對(duì)降水再分配過(guò)程的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2010,30(7):1751-1757.

[3]Link T E,Unsworth M,Marks D.The dynamics of rainfall interception by a seasonal temperate rainforest[J].Agricultural and Forest Meteorology,2004,124(3):171-191.

[4]Rutter A J,Morton A J.A predictive model of rainfall interception in forests.III.Sensitivity of the model to stand parameters and meteorological variables[J].Journal of Applied Ecology,1977,14(2):567-588.

[5]Zeng N,Shuttleworth J W,Gash J H C.Influence of temporal variability of rainfall on interception loss.Part I.Point analysis[J].Journal of Hydrology,2000,228(3):228-241.

[6]Leyton L,Reynolds E R C,Thompson F B.Rainfall interception in forest and moorland[C]∥International Symposium on Forest Hydrology.New York,USA: Pergamon Press,1967.

[7]Rutter A J,Kershaw K A,Robins P C,et al.A predictive model of rainfall interception in forests,1.Derivation of the model from observations in a plantation of Corsican pine[J].Agricultural Meteorology,1972,9(71):367-384.

[8]Crockford R H,Richardson D P.Partitioning of rainfall in a eucalypt forest and pine plantation in southeastern Australia:IV The relationship of interception and canopy storage capacity,the interception of these forests,and the effect on interception of thinning the pine plantation[J].Hydrological Processes,1990,4(2):169-188.

[9]Huber A,Iroumé A.Variability of annual rainfall partitioning for different sites and forest covers in Chile[J].Journal of Hydrology,2001,248(1):78-92.

[10]Siles P,Vaast P,Dreyer E,et al.Rainfall partitioning into throughfall,stemflow and interception loss in a coffee(Coffea arabica L.)monoculture compared to an agroforestry system with Inga densiflora[J].Journal of Hydrology,2010,395(1):39-48.

[11]華夏.延安遭遇百年一遇強(qiáng)降雨,聚焦救災(zāi)一線[N/OL].新華網(wǎng),2013-07-16.http://news.xinhuanet.com/photo/2013-07/16/c_125015130.htm

[12]Rodrigo A,Avila A.Influence of sampling size in the estimation of mean throughfall in two Mediterranean holm oak forests[J].Journal of Hydrology,2001,243(3):216-227.

[13]He Z B,Yang J J,Du J,et al.Spatial variability of canopy interception in a spruce forest of the semiarid mountain regions of China[J].Agricultural & Forest Meteorology,2014,188(2):58-63.

[14]鞏合德,王開(kāi)運(yùn),楊萬(wàn)勤,等.川西亞高山原始云杉林內(nèi)降雨分配研究[J].林業(yè)科學(xué),2005,41(1):198-201.

[15]曾杰,郭景唐.太岳山油松人工林生態(tài)系統(tǒng)降雨的第一次分配[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1997,19(3):21-27.

[16]李振新,鄭華,歐陽(yáng)志云,等.岷江冷杉針葉林下穿透雨空間分布特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2004,24(5):1015-1021.

[17]陳書(shū)軍,陳存根,張碩新,等.秦嶺天然次生油松林冠層對(duì)降雨的截留特征及延滯效應(yīng)[J]生態(tài)學(xué)報(bào),2011,32(4):1-9.[18]王佑民.中國(guó)林地水土保持功能研究概況[J].水土保持學(xué)報(bào),2000,14(4):109-113.

[19]Hanchi A,Rapp M.Stemflow determination in forest stands[J].Forest Ecology and Management,1997,97(3):231-235.

[20]Wang Y L,Liu G B,Kume T,et al.Estimating water use of a black locust plantation by the thermal dissipation probe method in the semiarid region of Loess Plateau,China[J].Journal of Forest Research,2010,15(4):241-251.

[21]Pressland A J.Rainfall partitioning by an arid woodland(Acacia aneura F.Muell.)in south-western Queensland[J].Australian Journal of Botany,1973,21(2):235-245.

[22]萬(wàn)師強(qiáng),陳靈芝.東靈山地區(qū)大氣降水特征及森林樹(shù)干莖流[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2000,20(1):61-67.

[23]董世仁,郭景.華北油松人工林的透流、干流和樹(shù)冠截留[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1987,9(1):58-68.

[24]王彥輝.隴東黃土地區(qū)刺槐林水土保持效益的定量研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1986,8(1):35-52.

[25]Staelens J,De Schrijver A,Verheyen K,et al.Rainfall partitioning into throughfall,stemflow,and interception within a single beech (Fagus sylvatica L.)canopy:influence of foliation,rain event characteristics,and meteorology [J].Hydrological Processes,2008,22(1):33-45.

[26]Marin C T,Bouten W,Sevink J.Gross rainfall and its partitioning into throughfall,stemflow and evaporation of intercepted water in four forest ecosystems in western Amazonia[J].Journal of Hydrology,2000,237(1):40-57.

[27]劉世榮，溫遠(yuǎn)光，王兵，等.中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)功能規(guī)律[M].北京:中國(guó)林業(yè)出版社,1996.

[28]溫遠(yuǎn)光,劉世榮.我國(guó)主要森林生態(tài)系統(tǒng)類型降水截留規(guī)律的數(shù)量分析[J].林業(yè)科學(xué),1995,31(4):289-298.

[29]侯慶春,韓蕊蓮,韓仕鋒.黃土高原人工林草地“土壤干層”問(wèn)題初探[J].中國(guó)水土保持,1999(5):11-14.

[30]王力,邵明安,李裕元.陜北黃土高原人工刺槐林生長(zhǎng)與土壤干化的關(guān)系研究[J].林業(yè)科學(xué),2004,40(1):84-91.

[31]王力,邵明安,侯慶春,等.延安試區(qū)人工刺槐林地的土壤干層分析[J].西北植物學(xué)報(bào),2001,21(1):101-106.

[32]陳云明,陳永勤.人工沙棘林水文水土保持作用機(jī)理研究[J].西北植物學(xué)報(bào),2003,23(8):1357-1361.

[33]霍竹,邵明安.黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶降水及灌木林冠截留特性研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2005,23(5):88-92.

Characteristics of Rainfall Partitioning in Two Typical Forests Under Continuous Rainfall in the Loess Hilly Region

ZHANG Jianguo1,3,Yan Meijie1,2,Du Sheng1,2

(1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau,Institute of Soil and Water Conservation,CAS & MWR,Yangling,Shaanxi 712100,China; 2.Institute of Soil and Water Conservation,Northwest A&F University,Yangling,Shaanxi 712100,China; 3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049， China)

Rainfall partitioning by vegetation is important hydrological process and functions of ecosystems.We investigated the stem flow and throughfall in two typical forests: a natural Quercus liaotungensis dominated forest and a pure Robinia pseudoacacia plantation under continuous rainfall events by field observation using the rainfall collector.The results showed that there was significant linear relation between throughfall and gross precipitation in two typical forests for continuous rainfall events.Throughfall accounted for 86% and 89% of total rainfall in Quercus liaotungensis forest and in Robinia pseudoacacia plantation,respectively.Stem flow of individual trees of Quercus liaotungensis was positively linearly correlated with DBH (Diameter at breast height); stem flow of individuals of Robinia pseudoacacia was negatively linearly correlated with DBH.The proportions of stand stem flows in gross rainfall of two typical forests were 14% and 6%,respectively.The sum of stem flow and throughfall was equal to the gross rainfall in Quercus liaotungensis forest,indicating that there was no canopy interception for continuous rainfall events in this forest.The difference between the sum of stem flow and throughfall with the gross rainfall was 5% in Robinia pseudoacacia plantation,and maybe it was related with the redistribution of throughfall in the shrub layer in this plantation.

continuous rainfall; stem flow; throughfall; canopy interception; Quercus liaotungensis; Robinia pseudoacacia

2014-11-11

2015-11-15

國(guó)家自然科學(xué)基金(41171419,41411140035,41471440);中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程“百人計(jì)劃”項(xiàng)目(kzcx2-yw-BR-02)

張建國(guó)(1986—),男,山東肥城人,博士,主要從事流域生態(tài)與管理研究。E-mail:zhangjidezs@163.com

杜盛(1965—),男,內(nèi)蒙古鄂爾多斯人,博士，研究員，主要從事半干旱地區(qū)植被恢復(fù)生態(tài)學(xué)、群落生態(tài)水文過(guò)程等研究。E-mail:shengdu@ms.iswc.ac.cn

S715.2

A

1005-3409(2016)05-0158-06