曹光秀，趙洋毅*，段 旭，曹向文

(1.西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與水土保持學(xué)院，云南 昆明 650224；2.國家林業(yè)局 云南玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究所，云南 昆明 650224)

森林覆蓋面積占全球土地面積的30%以上，森林在對二氧化碳?xì)怏w的吸收、動植物群落、水文調(diào)節(jié)、防風(fēng)固沙和鞏固土壤方面都起著不可替代的作用,對于構(gòu)成地球生態(tài)系統(tǒng)來說是一個最重要的因素[1]。森林與水的關(guān)系長期以來都是森林生態(tài)系統(tǒng)研究的關(guān)鍵性課題之一，也是研究水文循環(huán)的必經(jīng)問題。森林與水的關(guān)系受到諸多自然因素的影響，例如植物群落、土壤類型、地下巖層等空間異質(zhì)性，以及氣象因素如降雨量、蒸發(fā)量等時空因素[2]。植被林冠對降水的再分配作用也體現(xiàn)了森林生態(tài)水文其中的功能之一，具有重要的生態(tài)水文意義[3]。在林冠下穿透雨的空間分布模式的研究上，具有諸多研究結(jié)論。有的結(jié)論為林冠下穿透降雨的空間分布模式是系統(tǒng)性變化的[4-5]；而有的結(jié)論認(rèn)為森林的林分結(jié)構(gòu)是生長過程中的驅(qū)動因子，必然會影響到林內(nèi)降水的再分配。有研究表明,合理的林分密度顯著提高了林冠截留的能力[6]。近年來，關(guān)于森林水文問題的研究主要集中在植被林冠層對降水量的分配效應(yīng)以及影響因素較多[7-9]，而目前單獨對林冠下穿透降雨的空間異質(zhì)性的詳細(xì)分析研究還不夠深入。

目前，地統(tǒng)計學(xué)和應(yīng)用學(xué)科兩門學(xué)科的緊密結(jié)合，在探礦等其他應(yīng)用行業(yè)已取得諸多成就。特別是最近幾年，它的應(yīng)用越來越廣泛，深入滲透到了諸如土壤、環(huán)境、生態(tài)、氣象、經(jīng)濟和人文等科研領(lǐng)域，隨之而來的應(yīng)用前景越來越開闊[10]。本研究嘗試?yán)玫亟y(tǒng)計學(xué)中的克里金插值法對常綠闊葉林林冠穿透降雨進行空間異質(zhì)性分析。

在常綠闊葉林內(nèi)林地表面具有豐富的凋落物，能有效地保持地表水分和抑制土壤蒸發(fā)，對林地的水源涵養(yǎng)具有重要作用。因此在常綠闊葉林地區(qū)擁有充足的地下水儲存剛好能彌補所在地區(qū)降雨量少的季節(jié)，特別是原生林在地區(qū)的水源涵養(yǎng)中起著不可替代的作用[11]。因此，本研究依托國家林業(yè)局云南玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站，通過野外定位監(jiān)測，分析磨盤山常綠闊葉林的林冠穿透雨水文生態(tài)效應(yīng)，揭示森林冠層結(jié)構(gòu)特征及降雨特性對穿透雨的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)磨盤山位于云貴高原、橫斷山地和青藏高原3大自然地理區(qū)域的結(jié)合部，坐落于云南省玉溪市新平縣境內(nèi)。其山體形如磨盤，海拔約1 260～2 614 m，年平均氣溫15℃，年平均雨量1 050 mm，全年日照時數(shù)約2 380 h，具有典型的山地氣候特點，屬云南亞熱帶北部與南部的氣候過渡帶。區(qū)域內(nèi)土壤發(fā)育以山地紅壤和玄武巖紅壤為主，部分高海拔地區(qū)分布有黃棕壤，大部分地區(qū)為中厚土壤層，局部為薄土層。主要樹種有云南松(Pinusyunnanensis)、華山松(P.armandii)、楠木(Phoebezhennan)、油杉(Keteleeriafortunei)、木蘭科(Magnoliaceae)及樟科(Lauraceae)植物等98科137屬324種。森林植被隨著海拔的升高，具有垂直地帶分布特性，由低到高分布著亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶中山針闊混交林、針葉林和高山矮林。

1.2 試驗布設(shè)與數(shù)據(jù)采集

1.2.1 試驗布設(shè) 在磨盤山上選取滇中高原地區(qū)典型常綠闊葉林為研究對象，在20 m×20 m典型樣地內(nèi)選擇不同胸徑、樹高、冠層厚度及郁閉度的樣樹下布設(shè)9個標(biāo)準(zhǔn)雨量筒，用于接林內(nèi)穿透降雨。樣地調(diào)查的指標(biāo)主要包括樣地海拔、坡位、坡向、植被胸徑、樹高、樹齡、密度等。樣地和植被概況(表1)。

表1 磨盤山常綠闊葉林典型林分樣地和植被總體概況

1.2.2 數(shù)據(jù)的采集

1) 葉面積指數(shù)的采集 2016年7月6日于植被生長季后期運用LAI-2000儀器測定樣地每個雨量筒上方的葉面積指數(shù)，將測定的數(shù)據(jù)通過LAI計算程按7°光圈范圍進行計算，所得結(jié)果見表2。

2) 林外降雨 在距離常綠闊葉林植被樣地100 m的林外空曠地設(shè)有氣象觀測場，用于采集每次林外降雨量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括每場降雨的開始和結(jié)束時間，能計算出降雨歷時長短及強度。

3) 林內(nèi)穿透降雨觀測及冠層參數(shù)測定 2016年6-9月份在每次大氣降雨后到林地內(nèi)對布設(shè)好的9個雨量筒進行讀數(shù)記錄，測定其穿透降雨量。對布設(shè)好的雨量筒周圍樣地情況進行數(shù)據(jù)采集，采集指標(biāo)包括：經(jīng)緯度、葉面積指數(shù)、蓋度、離干距離、冠層厚度(表2)。

1.3 分析方法

研究中處理數(shù)據(jù)主要運用的是地統(tǒng)計法：

1)本研究先將數(shù)據(jù)利用SPSS 19.0軟件進行單樣本的Kolomogorov-Smironoy(K-S)正態(tài)分布檢驗及基本的統(tǒng)計分析，結(jié)果表明研究區(qū)林內(nèi)穿透降雨量數(shù)據(jù)基本屬于正態(tài)分布，可以直接進行地統(tǒng)計學(xué)分析。

2)半方差函數(shù)分析，用于半方差分析的公式為：

(1)

式中：r(h)—半方差函數(shù)值；z(xi)—雨量筒Z在xi處的穿透雨率；z(xi+h)為與xi相隔距離為h處樣點的穿透雨率；n(h)—距離為h時的穿透雨雨量筒對的數(shù)目，h—雨量筒的間距。研究中需要注意的是半方差函數(shù)的有效性僅局限在其最大間距的1/2內(nèi)[12]。本次用于研究的穿透雨數(shù)據(jù)在進行半方差函數(shù)分析時，球形模型是擬合度最高的適用模型。

在地統(tǒng)計半方差函數(shù)分析中，塊金值是指研究區(qū)變量在<抽樣尺度時會出現(xiàn)非連續(xù)變異的結(jié)果時，該值的大小取決于研究區(qū)變量的屬性或測定誤差，它表示隨機變異的大?。换_值(C0+C)表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異，一般情況下，基臺值越大表示總的空間異質(zhì)性程度越高，反之越小[13]；變程a表示變異函數(shù)達到基臺值時的間隔距離，而區(qū)域化變量的空間相關(guān)性在樣本間距大于或等于變程以后消失[14]。

本研究繪制空間插值圖利用的是Arcgis10.2.2軟件的地統(tǒng)計分析模塊中的簡單 Kriging 插值方法。

表2 林下雨量筒放置位點及對應(yīng)的上方林冠特征

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)降雨特征

氣象數(shù)據(jù)表明，2016年6-9月的降雨總量為688.9 mm。為了研究磨盤山的降雨特征，按無雨時間間隔超過4 h就把降雨劃分為兩場雨[15]，統(tǒng)計了2016年6-9月份磨盤山52場降雨特征，圖1為磨盤山2016年生長季的降水特征頻率分布柱狀圖。研究期間大部分為低雨強、低歷時、中雨級的降雨。有相關(guān)研究表明雨強的大小與林冠截留存在一定的負(fù)相關(guān)性[16]，這52場降雨中最大雨強10.41 mm·h-1，最小雨強0.2 mm·h-1，平均降雨強度2.7 mm·h-1。強度較大的降雨歷時較短，為局部雷暴雨，但降雨量較大，降雨時間多集中在6-8月。平均降雨歷時為6.42 h，變異系數(shù)為94.3%，最短的僅有32 min，最長的為24.8 h(2016年7月29-30日)，雨量達43.5 mm，降雨歷時<2 h的降雨次數(shù)占34%，2～10 h的降雨占37.73%，0～10 h的降雨占71.7%。

圖1 磨盤山2016年生長季的降水特征頻率分布

2.2 穿透雨特征

2016年生長季(6-9月)常綠闊葉林總穿透降雨量為443.7 mm，占降雨量的64.41%，平均穿透雨變異系數(shù)為44.7%。將研究期間的穿透雨數(shù)據(jù)與大氣降雨量進行線性回歸(圖2)。研究區(qū)林內(nèi)穿透雨量和降雨量呈現(xiàn)出比較明顯的線性關(guān)系，一者隨另一者的增加而增加，林分的穿透雨量(y)與降雨量(x)關(guān)系方程為：y=0.663 4x-4.568 5(P<0.01)。該林分內(nèi)的穿透雨率(y1)與降水量(x)之間皆屬對數(shù)函數(shù)關(guān)系，關(guān)系方程為：y1=0.176 2ln(x)-0.140 6(P<0.01)。隨著降雨量的增加，林冠對降雨截留的容重逐漸增加，最后達到該林分的林冠截留容重飽和值[17]。從圖2看出此飽和值為降雨量達到50 mm時出現(xiàn)，因此當(dāng)降雨量<50 mm時，穿透雨率是隨降雨量的增加而增大的，但在降雨量超過50 mm后，這種增加的趨勢逐漸變緩并最后穩(wěn)定在68%左右。

圖2 常綠闊葉林植被的穿透雨量和穿透雨率隨降雨量的變化特征

2.3 葉面積指數(shù)對穿透雨率的影響

2.3.1 樣地葉面積指數(shù)的半方差函數(shù)分析 通過對表2樣地葉面積指數(shù)進行空間變異描述性統(tǒng)計分析(表3)，樣地葉面積指數(shù)空間變化較穩(wěn)定，變異系數(shù)為5.7%。

葉面積指數(shù)觀測值的半方差函數(shù)分析見表4，對半方差函數(shù)各項指標(biāo)進行綜合分析，得到的結(jié)果是樣樹葉面積指數(shù)的半方差函數(shù)與變程的關(guān)系符合球形模型，葉面積指數(shù)的差異和變程為正相關(guān)性。

2.3.2 樣地葉面積指數(shù)與穿透雨率關(guān)系分析 林地內(nèi)穿透雨的空間分布在一定程度上會受到葉面積指數(shù)空間分布的影響，許多學(xué)者的研究成果也一致表明[18-19]，林冠層降雨截留和穿透降雨的空間分布受林木的葉面積指數(shù)影響，但實際上影響穿透雨率大小的自然因素還有很多。因此，僅僅只是用葉面積指數(shù)的空間變異對穿透雨率的變化結(jié)果進行分析的可行性是有一定局限性的。本研究利用 Excel對不同降雨量時的降雨穿透率結(jié)合對應(yīng)的觀測點上面的葉面積指數(shù)進行綜合分析并作圖(圖3)表明降雨量較小時葉面積指數(shù)與穿透雨率兩者之間存在較明顯的線性關(guān)系，并且兩者的相關(guān)性較強；枝葉對大氣降雨的截留效果較明顯，從而使穿透雨的空間差異較小。然而，隨著降雨量增大，圖中明顯看出兩者的相關(guān)性逐漸減弱，枝葉對降雨的截持作用逐漸減小，使得穿透降雨空間差異變大。

表3 不同觀測點葉面積指數(shù)空間變異特征

表4 樣樹LAI半方差理論模型及參數(shù)

2.4 降雨量與穿透雨量空間分布

林冠下的穿透雨量受多方面條件的綜合影響，目前研究較多的因素包括降雨量大小、風(fēng)向、風(fēng)速、空氣濕度、樹形結(jié)構(gòu)等[20-22]。從本研究繪制出的空間分布插值圖(圖4)可以看出，林下穿透降雨呈明顯的斑塊或條帶狀分布，穿透雨量高值區(qū)和低值區(qū)差異顯著。造成這種分布的可能因素包括風(fēng)向、林木結(jié)構(gòu)、樣樹葉面積大小、林分密度、降雨量大小、觀測點距主樹干(喬木)的水平距離等。當(dāng)然不同風(fēng)速、風(fēng)向、空氣相對濕度對測定結(jié)果會存在一定的影響，如果不同降雨量時風(fēng)向或風(fēng)速差別較大，則林下雨量筒測定結(jié)果就不能代表對應(yīng)的冠層結(jié)構(gòu)特征，會導(dǎo)致分析結(jié)果產(chǎn)生偏差。而本研究對象為常綠闊葉林的樣地面積只有20 m×20 m，每場降雨期間林地的風(fēng)速和風(fēng)向(主要是西南風(fēng))基本是一致的。此外，樣地6 m外有4 m寬的長流水，加之磨盤山在雨季期間基本上都是陰天，林內(nèi)霧氣很重，空氣相對濕度基本都處于飽和狀態(tài)，因此排除了風(fēng)速和風(fēng)向及空氣相對濕度3個氣象因子對測定結(jié)果的影響，主要從葉面積大小、降雨量及林分郁閉度3個方面探討其空間變異原因。

1)圖4I的位置明顯比其他位置穿透降雨量值高，此位置為樣地中7號雨量筒的分布位置。結(jié)合樣地的實際情況來看，此位置上方的林木郁閉度及葉面積指數(shù)較其他位置低，并且該觀測點距離最近的喬木比其他觀測點遙遠(yuǎn)，大氣降雨通過林木上方枝干時只能被截留下來少部分就落到觀測點中的雨量筒內(nèi)。因此對大氣降雨的截持能力相比其他地方較弱，最后到達林內(nèi)的穿透降雨量最多。反之位于A的1號雨量筒所觀測到的林內(nèi)穿透降雨量最小，原因也與1號雨量筒上方的林木結(jié)構(gòu)有關(guān)。此分析結(jié)果與李振新[23]等對岷江冷杉針葉林下穿透降雨空間分布特征的研究結(jié)果是一致的。此外，6號觀測點位于樣地的西南方的下坡向，地勢較其他觀測點低，并且降雨期間磨盤山多吹西南風(fēng)，這也是6號觀測點的林內(nèi)降雨比其他觀測點林內(nèi)降雨量多的原因。

圖3 不同降雨量條件下時穿透雨率和葉面積指數(shù)的線性關(guān)系

圖4 不同降雨量時常綠闊葉林下穿透雨的空間分布格局

2)研究期間觀測12場降雨，不同降雨量(33～89.2 mm)對林下穿透雨量存在明顯的影響。從樣地中的各個觀測點來看，隨著降雨量的逐漸增大，林木對降雨的截留量先逐漸增大，后逐漸減小，再趨于穩(wěn)定的趨勢。說明當(dāng)降雨量較小時，各觀測點林木對大氣降雨的截留量差異較明顯；當(dāng)降雨量逐漸增大到一定值后(50.8 mm),各觀測點對大氣降雨的截留規(guī)律趨于穩(wěn)定，各觀測點的林內(nèi)穿透雨量差異逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。此研究結(jié)果與時忠杰[24]等關(guān)于單株華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)樹冠穿透降雨的空間異質(zhì)性的研究結(jié)果是一致的。

3 結(jié)論與討論

研究中發(fā)現(xiàn)林木葉面積指數(shù)、冠層厚度、郁閉度、林木結(jié)構(gòu)、降雨量、風(fēng)速風(fēng)向、觀測點距離樹干距離及地勢高低等因素都是造成林內(nèi)穿透降雨量變異的直接與間接原因。其中葉面積指數(shù)與穿透雨率存在較明顯的線性關(guān)系，特別是在低降雨量時兩者負(fù)相關(guān)性較強；但林木的冠層對大氣降雨的截留效果是有一定限度的，當(dāng)降雨量超過了冠層的最大截留能力時，在降雨截留這一事件上林木的冠層因素就不再是其事件的主要因素。

通過半方差函數(shù)分析表明：林下穿透雨率的空間異質(zhì)性與降雨量兩者之間存在負(fù)相關(guān)性，一者隨另一者的增大而減小，最后空間差異性逐漸消失。并且隨著降雨量增大，其中的一些隨機因素也會對穿透雨率的空間分布差異存在一定的貢獻率，林內(nèi)穿透雨也會受林木冠層及枝干結(jié)構(gòu)在不同方向上的影響，因此各方向的空間異質(zhì)性不同。但由于受影響的因素較多，很難將這些因素都統(tǒng)一結(jié)合找出空間異質(zhì)性規(guī)律，只能把相關(guān)的1個及2個以上因素結(jié)合(例如統(tǒng)一的氣象因素或統(tǒng)一的林分結(jié)構(gòu)因素等)，來討論這些相關(guān)因素對林內(nèi)穿透降雨的影響規(guī)律。

通過對常綠闊葉林樣地9個觀測點的林內(nèi)穿透雨量值結(jié)合不同大氣降雨量值進行Kriging插值，結(jié)果表明：雨量較小時各觀測點林內(nèi)穿透雨的大小分布與觀測點上方的林木結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，雨量較大時穿透降雨的分布更隨機，規(guī)律性較小，受其他隨機因素影響更多。此結(jié)論與第2條結(jié)論一致，兩者存在一定的相關(guān)性。

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