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        青海大通白樺林冠層降雨再分配與冠層結(jié)構(gòu)關(guān)系研究

        2018-06-06 05:52:01黃團沖賀康寧王先棒
        西北林學(xué)院學(xué)報 2018年3期
        關(guān)鍵詞:研究

        黃團沖,賀康寧,王先棒

        (北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院,國家林業(yè)局水土保持重點實驗室,北京市水土保持工程技術(shù)研究中心,林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心,北京 100083)

        冠層是森林與外界接觸最為活躍的界面,是森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮其水文生態(tài)功能的主要執(zhí)行者[1-2],大氣降雨經(jīng)過冠層后重新分配為穿透雨、樹干莖流和冠層截留[3],研究降雨在林冠的作用下再分配具有重要的意義。冠層通過對降雨的截留與緩沖減弱了雨滴侵蝕動能,通過遮蔭減少地表蒸發(fā),調(diào)節(jié)河川徑流,維持生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)和水量平衡[4]。林冠對降水的再分配是水分輸入森林的第一個環(huán)節(jié),國內(nèi)外很多學(xué)者對森林對降雨再分配進行了大量的研究[5-11],其中對白樺林降雨再分配的研究主要集中在東部低海拔地區(qū)[12-17],而在西北部高海拔地區(qū)研究較少,且在林冠結(jié)構(gòu)特征對降雨再分配方面的影響很少深入探討,所以本研究以青海大通寶庫林場的白樺林為研究對象,在分析其林冠結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上,對穿透雨、樹干流、林冠截留進行分析與研究,為青海大通白樺林地的水量平衡及森林生態(tài)系統(tǒng)水文功能機理研究提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。

        1 研究區(qū)概況

        本研究區(qū)位于青海省東部的大通縣寶庫林場,地處青藏高原和黃土高原過渡地帶,100°28′-101°38′E,36°11′-37°19′N,總面積3 114 hm2,年均氣溫2.9℃,最暖月平均氣溫16℃,最冷月平均氣溫-11.7℃。最大凍土深度114 cm,最大積雪厚度18 cm。年降水量556 mm,年平均蒸發(fā)量1 290 mm,降水主要集中在6-9月,降雨季節(jié)分配不均,年平均相對濕度56%。年內(nèi)無霜期47 d,地勢西北高東南低,屬高原大陸性氣候。土壤發(fā)育脆弱,熟化程度較低,保肥性能差。海拔2 610~4 235 m,平均森林覆蓋率為79.0%,主要喬木樹種有白樺(Betulaplatyphylla)、青海云杉(Piceacrassifolia)、華北落葉松 (Larixprincipis-rupprechtii) 等,主要灌木種有峨嵋薔薇(Rosaomeiensis)、山生柳(Salixoritrepha)、金露梅(Potentillafruticosa)、秦嶺小檗(Berberiscircumserrata)等,主要草本物種有問荊(Equisetumarvense)、東方草莓(Fragariaorientalis)、苔草(Carexsp.)等。

        2 研究方法

        2.1 樣地設(shè)置

        在研究區(qū)白樺林地內(nèi)選擇位于陽坡,林齡近似,具有不同密度的12個標準地(10 m×10 m),并調(diào)查其密度、胸徑、樹高、冠幅等指標(表1)。利用冠層分析儀的魚眼鏡頭進行定點拍照提取林冠層的冠層孔隙度、葉面積指數(shù)(LAI)、郁閉度等參數(shù)。

        表1 青海大通白樺林樣地基本情況Table 1 Basic situation of B.platyphylla forest plots in Qinghai Datong

        2.2 林外降雨量的測定

        在標準地旁邊的空地上布置2個直徑為200 mm的標準雨量筒,離地面約70 cm,雨量筒上緣高于附近地被植物,實時觀測研究區(qū)的林外降雨量。

        2.3 林內(nèi)穿透雨的測定與計算

        在樣地內(nèi)每隔2 m沿等高線平行布設(shè)4個雨量槽(100 cm×20 cm×25 cm),雨量槽用木樁固定在地面上,槽身稍微傾斜,下端用塑料管連接一加蓋塑料桶以收集雨水,每場降雨后收集的雨水倒入標準雨量筒中即可得穿透雨深,樣方內(nèi)4個觀測點的穿透雨深平均值作為該樣方穿透雨深。

        2.4 樹干徑流的觀測與計算

        在不同樣地內(nèi)分別選取樹干徑級具有代表性的標準木5株,在標準木樹干離地約1.3 m處用聚乙烯橡膠管呈30°角纏繞,用釘子固定,橡膠管延中縫剪開做成集水槽,用密封膠將樹干與橡膠管之間縫隙密封,將橡膠管下端伸入加蓋塑料桶中,每次降雨后立即測量桶中雨水體積。用各徑階的樹干莖流體積與相應(yīng)各徑階株數(shù)相乘之和除以樣地面積即可得到林分的樹干徑流量。

        2.5 林冠截留量的計算

        根據(jù)水量平衡的原理,通過觀測的林外降雨量、穿透降雨量和樹干莖流量計算求出林冠截留量:

        I=P-(T+S)

        (1)

        式中,P為林外降雨量,T為穿透降雨量,S為樹干莖流量,I為林冠截留量。

        2.6 葉面積指數(shù)、郁閉度和冠層孔隙度提取

        利用WinSCanopy 2006軟件配備的冠層分析儀在多云或者晴朗天氣的7:00-9:00對冠層進行拍照,避免直射光照射產(chǎn)生的光斑,相機支架約離地面1.3 m,去除曝光過度的照片再進行分析,獲得林冠層葉面積指數(shù)和冠層孔隙度,冠層郁閉度=(1-冠層開闊度)×100%。觀測期提取冠層孔隙度、葉面積指數(shù)和郁閉度(表2)。

        表2 各樣地葉面積指數(shù)、郁閉度、冠層孔隙度Table 2 The leaf area index,canopy density and canopy porosity of plots

        3 結(jié)果與分析

        3.1 白樺林外降雨特征

        觀測時間從2016年5月15日-8月18日,共記錄25場降雨(圖1),總降雨量為243.24 mm,平均每次降雨量為9.7 mm,其中小雨15次(日降雨量≤10 mm),中雨8次(日降雨量10.0~24.9 mm),大雨1次(日降雨量25.0~49.9 mm),暴雨1次(日降雨量50.0~99.9 mm),各占總降雨次數(shù)的60%、32%、4%、4%,降雨主要集中在7-8月,7月份最多。

        3.2 白樺林內(nèi)穿透雨特征

        研究期間觀測到的林內(nèi)穿透雨總量為185.61 mm,占整個研究期間降雨總量的76.31%,穿透雨量與林外降雨有著較好的冪函數(shù)關(guān)系(圖2),擬合方程為y=0.370 4x1.248 4,R2= 0.995 2,穿透雨隨著林外降雨的增大而增大。而穿透雨率隨著林外降雨量的增大先增大后趨于平穩(wěn),降雨量與穿透雨率有著很好的對數(shù)關(guān)系,其方程式為y=14.359ln(x)+34.898,R2= 0.882 8。穿透雨率在降雨量較小時誤差較大,為了研究白樺林內(nèi)穿透雨的空間異質(zhì)性,采用變異系數(shù)(C)來衡量不同降雨特征條件下穿透雨的變異程度:

        (2)

        圖1 研究區(qū)林外降雨季節(jié)動態(tài)Fig.1 Seasonal dynamics of forest rainfall outside the study area

        圖2 穿透雨量、穿透雨比例與降雨量關(guān)系Fig.2 The relationship between rainfall and throughfall and throughfall ratio

        由圖3可以看出,穿透雨變異系數(shù)隨著降雨量的增大先急劇減小后趨于平穩(wěn),當(dāng)降雨量為1 mm時,變異系數(shù)達59%,此時各樣地觀測點穿透雨空間變化最大,由此推測,當(dāng)降雨量更小時,其變異系數(shù)將超過59%;當(dāng)降雨量達到10 mm時,變異系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定,在10%上下波動。這是由于在降雨剛開始時,由于雨量較小,降雨小部分直接穿過林窗,大部分被冠層所截留,采用簡易雨量筒觀測會產(chǎn)生較大誤差,隨著降雨的緩緩增大,冠層逐漸被雨滴所潤濕,透過林冠層的雨滴越來越多,穿透雨率與隨之增大,待冠層達到飽和時,穿透雨率達到平穩(wěn),且此時穿透雨量占大氣降雨總量比例較大。

        為了更好研究穿透雨與冠層結(jié)構(gòu)特征關(guān)系,圖4顯示了林內(nèi)穿透雨量與葉面積指數(shù)、冠層孔隙度和郁閉度的關(guān)系,可以看出,在不同林外降雨量條件下,穿透雨量隨葉面積指數(shù)的變化趨勢也有不同,當(dāng)降雨在0~10 mm時,穿透雨量與葉面積指數(shù)、冠層孔隙度、郁閉度關(guān)系都不明顯,當(dāng)降雨>10 mm時,穿透雨量隨著葉面積指數(shù)、郁閉度的增大而緩慢減小,隨著冠層孔隙度的增大而有所增大。雨量較小時,降雨大部分被冠層所截留,冠層結(jié)構(gòu)特征對穿透雨影響較小,降雨增大后,隨著葉面積指數(shù)和郁閉度的增大,單位林地面積上葉片、枝干越多,對降雨的攔擋越大,從而導(dǎo)致穿透雨越小。相反冠層孔隙度越大,對降雨遮擋物越少,直接穿過冠層的降雨越多。

        圖3 穿透雨變異系數(shù)與降雨量關(guān)系Fig.3 Relationship between rainfall variation coefficient and rainfall

        圖4 林內(nèi)穿透雨量與葉面積指數(shù)、冠層孔隙度和郁閉度的關(guān)系Fig.4 Relationship between throughfall and leaf area index,canopy porosity and canopy density in forest

        冠層孔隙度、葉面積系數(shù)、郁閉度與穿透雨量的回歸方程:

        y=0.032 6x1-1.111 4x1+21.264,R2=0.859 1

        y=2.351 7x2-16.982x2+42.359,R2=0.968 4

        y=-16.73ln(x3)+10.308,R2=0.927 0

        式中,x1代表冠層孔隙度,x2代表葉面積指數(shù),x3代表郁閉度,y代表穿透雨量。為研究不同的葉面積指數(shù)、郁閉度和冠層孔隙度共同對穿透雨量的影響,本研究采用多元線性回歸的方法,建立穿透雨量與葉面積指數(shù)、郁閉度和冠層孔隙度的回歸方程,運用SPSS軟件、線性回歸得到不同結(jié)構(gòu)指數(shù)與穿透雨量的關(guān)系為:

        y=31.722-0.151x1-1.906x2-13.06x3

        將上述模型系數(shù)標準化為:

        y=-0.528x1-0.771x2-0.627x3

        由標準化偏回歸系數(shù)可見,葉面積指數(shù)對穿透雨量影響最大。

        3.3 白樺林樹干莖流特征

        干流主要由降雨落在葉面或者小枝上匯流至主干流到林地[18],樹干莖流雖然在冠層水分再分配中占據(jù)較小比例,但對于植被生長及養(yǎng)分循環(huán)具有重要作用[19]。研究期間觀測到的樹干莖流總量為2.49 mm,占降雨總量的1.02%,單次降雨樹干徑流量變化范圍為0.00~0.85 mm,由圖5可以看出樹干莖流量與林外降雨量有著極顯著相關(guān)關(guān)系,樹干莖流量隨著林外降雨量的增大而增大,擬合關(guān)系式為y=0.014 1x-0.037 6,R2=0.945 3,當(dāng)降雨量較小時,樹干莖流增加緩慢,當(dāng)降雨量>18 mm時開始快速增加,觀測到產(chǎn)生樹干莖流的降雨有13場,且只有降雨量>3.32 mm才開始產(chǎn)生樹干徑流。樹干莖流率與林外降雨量有著顯著性的對數(shù)函數(shù)關(guān)系,其方程式為y=0.347ln(x)-0.111 7,R2=0.870 6,樹干莖流率隨著降雨量的增大而增大。

        3.4 白樺林冠截留特征

        通常采用林冠截留率(林冠截留量與降雨量的比值)表示(圖6),觀測期內(nèi)林木冠層截留總量為56.55 mm,占同期降雨總量的23.25%,單次降雨林冠截留率7.51%~66.61%,截留量范圍為0.66~4.68 mm。由圖6可知,林冠截留率隨著降雨量的增大先急劇減小后逐漸趨于穩(wěn)定,降雨量<14 mm時,林冠截留率最大可達66.61%,當(dāng)降雨量>14 mm后林冠截留率變趨于穩(wěn)定。林冠截留量則隨著降雨量的增加而增加,且增長速度逐漸減緩。

        圖5 樹干莖流量、樹干莖流率與降雨量關(guān)系Fig.5 Relationship between stem flow,trunk stem flow rate and rainfall

        圖6 冠層截留量、冠層截留率與降雨量關(guān)系Fig.6 The relationship between canopy interception,canopy interception and rainfall

        林冠截留除了降雨量對其有影響外,冠層結(jié)構(gòu)指標也有著重要影響,由圖7可以看出,葉面積指數(shù)、冠層孔隙度、郁閉度都與林冠截留有著較好的線性關(guān)系,林冠截留率隨著葉面積指數(shù)和郁閉度的增大而增大,郁閉度和葉面積指數(shù)越大,單位林地面積上樹木枝、葉、干吸收和欄截了更多的降雨,增加了林冠截留量。冠層孔隙度越大,更多的降雨直接穿過冠層,導(dǎo)致林冠截留得越少。

        林冠特征與冠層截留率的回歸方程:

        y=-0.125 2x12+3.853 3x1+3.449,R2=0.597 4

        y=-6.820 1x22+56.435x2-80.792,R2=0.789 8

        y=114.82x3-72.029,R2=0.766 2

        式中,y代表冠層截留率。

        為研究不同的葉面積指數(shù)、郁閉度和冠層孔隙度共同對林冠截留率的影響,本研究采用多元線性回歸的方法,建立林冠截留率與葉面積指數(shù)、郁閉度和冠層孔隙度的回歸方程,運用SPSS19.0軟件,線性回歸得到不同結(jié)構(gòu)指數(shù)與林冠截留率的關(guān)系為:

        y=-102.612+0.975x1+12.052x2+83.276x3

        將上述模型系數(shù)標準化為:

        y=0.541x1+0.774x2+0.635x3

        由標準化偏回歸系數(shù)可見,葉面積指數(shù)對冠層截留率影響最大。

        圖7 林冠截留率與葉面積指數(shù)、冠層孔隙度、郁閉度關(guān)系Fig.7 The relationship between leaf interception rate and leaf area index,canopy porosity and canopy closure

        3.5 白樺林對降雨的再分配

        研究期間,25場降雨的總穿透雨量、樹干莖流量、截留量分別為166.22、2.06、74.97 mm,從白樺林對降雨的再分配可以看出(表3),隨著雨量級的不同,穿透雨、樹干莖流、林冠截留也發(fā)生著較大的變化,雨量級較小時,干流量、干流率、穿透雨量、穿透雨率均為最小值,但截留率為最大值,雨量級較大時,干流量、干流率、穿透雨量、穿透雨率均為最大值,但截留率為最小值。

        表3 白樺林降雨再分配Table 3 Rainfall redistribution table of B.platyphylla forest mm,%

        4 結(jié)論與討論

        分析發(fā)現(xiàn),研究期間穿透雨總量為185.61 mm,占降雨總量的76.31%,且穿透雨量隨著降雨量的增大而增大,穿透雨量與林冠結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系隨著降雨量大小而有所不同,雨量較小時,由于觀測設(shè)備精確度較小,因此穿透雨量隨冠層結(jié)構(gòu)特征的變化不明顯,隨著降雨量的增大,發(fā)現(xiàn)穿透雨量隨著葉面積指數(shù)和郁閉度的增大而減小,隨著冠層孔隙度的增大而增大。與其他地區(qū)對白樺林的研究相比,田野宏[14]等發(fā)現(xiàn)大興安嶺北部白樺次生林穿透雨率為84.27%,段旭[16]等發(fā)現(xiàn)六盤山白樺林穿透雨率為85.91%,鞏合德[4]等在川西亞高山研究白樺林穿透雨率為80.9%,本研究的穿透雨率要小于這幾者,其原因是因為穿透雨除了受林外降雨量的影響外還受冠層結(jié)構(gòu)特征的影響,本研究區(qū)林分密度要遠大于前兩者,因此其葉面積指數(shù)和郁閉度等冠層結(jié)構(gòu)指數(shù)也相應(yīng)更加大,導(dǎo)致穿透雨率的減小。

        整個研究期間,樹干莖流總量為2.49 mm,占降雨總量的1.02%,樹干莖流率要高于鞏合德[4]等(0.3%)、段旭[16]等(0.33%)研究結(jié)果,低于田野宏[14]等、蔡體久[17]等的研究結(jié)果,降雨量>3.32 mm時才開始產(chǎn)生干流。樹干莖流量和樹干莖流率都隨著降雨量的增大而增大,但徑流量先緩慢增加后急劇增加,而徑流率增速漸漸減小。樹干莖流量占林外降雨量比例較小,但在增加林分養(yǎng)分促進林木生長方面起著重要的作用。樹干莖流除了受降雨量影響外,還受降雨強度、枝下高、冠層厚度、枝角、樹皮粗糙度等因素的影響,這在以后的研究中需要進一步改善。

        研究期間林冠截留總量和截留率分別為56.55 mm、23.24%,降雨量對林冠截留有較大影響[20],方程式為y=1.118 9ln(x)+0.487 1,R2=0.829 5,隨降雨量的增加先增加后趨于穩(wěn)定,截留率與降雨量呈冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系,回歸方程為y=74.333x-0.445,R2=0.826 9,隨降雨的增加逐漸下降最后穩(wěn)定趨于最低值。林冠截留與冠層結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系,通過回歸發(fā)現(xiàn)截留率隨著葉面積指數(shù)和郁閉度的增加而增大,隨著冠層孔隙度的增大而減小,進一步通過回歸發(fā)現(xiàn)葉面積指數(shù)對林冠截留影響最大,本研究得出的林冠截留率要小于段旭[16]等、鞏合德[4]等、田野宏[14]等、蔡體久[17]等國內(nèi)不同地區(qū)所得出的結(jié)果,這是由于本次試驗樣地密度較大,所測得葉面積指數(shù)較大,而葉面積指數(shù)與林冠截留率呈負相關(guān)關(guān)系。A.I.J.M.V.Dijk[21]等發(fā)現(xiàn),林冠截留和穿透雨均與葉面積指數(shù)有著顯著的關(guān)系,這與本研究結(jié)果一致,在本研究冠層孔隙度、葉面積指數(shù)、郁閉度與穿透雨量和林冠截留率的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)葉面積指數(shù)對兩者的影響最大。

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