羅佳, 田育新,*, 周小玲, 曾掌權(quán), 姚敏

女兒寨小流域3種植被類型林冠層對(duì)降水再分配研究

羅佳1,2, 田育新1,2,*, 周小玲1,2, 曾掌權(quán)1,2, 姚敏1,2

1. 湖南省林業(yè)科學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410004 2. 湖南慈利森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站, 湖南 慈利 427200

對(duì)女兒寨小流域3種植被類型林冠層林冠層對(duì)降水再分配過程進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明: 觀測(cè)期內(nèi)降雨量達(dá)到1971.80 mm, 降雨次數(shù)為83次。不同植被類型杜仲林、楓樟混交林和馬尾松林的林冠截留量分別為289.75 mm、358.78 mm和351.46 mm, 林冠截留率分別為14.69%、18.19%和18.79%。隨著降雨量增大, 不同植被類型的林冠截留量也增大, 二者呈正相關(guān)關(guān)系?；旖涣值拇┩赣炅亢土止诮亓袅看笥诩兞? 而純林的樹干莖流量大于混交林; 不同植被類型林冠層對(duì)降雨的分配表現(xiàn)為穿透雨最多, 其次是林冠截留, 樹干莖流最小。

植被類型; 降雨再分配; 林冠層; 小流域

0 前言

森林與水作為人類生存與發(fā)展的重要物質(zhì)條件, 是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分之一。穿透雨、樹干莖流以及林冠截留在森林生態(tài)系統(tǒng)的水文循環(huán)以及水量平衡中具有十分重要的地位。植被林冠層的水文功能主要體現(xiàn)在林冠穿透雨、降雨的截留和樹干莖流的水文過程[1], 其大小的變化主要與降水量和林冠結(jié)構(gòu)特征有關(guān)[2]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)穿透雨量和樹干莖流呈顯著的線性關(guān)系[3]。也有發(fā)現(xiàn)雨強(qiáng)和降雨時(shí)間以及溫濕度等均對(duì)林冠層降雨再分配產(chǎn)生影響[4]。同時(shí), 植被因子如葉面積指數(shù)、葉片特性等也影響著冠層降雨的分配特征; 此外, 林分類型、林分特征等也是重要影響因素[5–14]。以往的研究對(duì)湘西武陵山區(qū)為代表的女兒寨小流域不同植被類型林冠水文研究鮮有報(bào)道。因此, 本研究選取3個(gè)不同植被類型分析林冠降雨分配特征, 為進(jìn)一步研討該區(qū)域森林植被的水文效應(yīng)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ), 對(duì)于科學(xué)評(píng)估小流域森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)功能具有重要作用。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于湘西武陵山區(qū)女兒寨小流域(E111° 12′42.836″, N29°25′27.582″), 地處湖南省張家界市慈利縣零陽鎮(zhèn)兩溪村, 距慈利縣城西北大約7 km。該流域封閉相對(duì)良好, 屬澧水二級(jí)小支流, 大致呈南北向, 屬武陵山脈低山區(qū), 流域總面積3.15 km2, 最低海拔(主溝出口處)210 m, 最高海拔917.4 m, 主溝長(zhǎng)約為1.2 km, 主溝縱比降約為28.4‰。該區(qū)域森林覆蓋率達(dá)80%以上, 植被類型以退耕還林和次生林為主, 是退耕還林集中連片區(qū)。該區(qū)成土母巖以砂頁巖為主, 土壤主要為黃紅壤, 酸性土。流域主要植被類型有馬尾松()林、杜仲()林、柑桔()及雜灌林。本研究試驗(yàn)樣地均位于湖南慈利森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站。

2 研究方法

2.1 林外降水測(cè)定

在2015年6月10日—2016年9月10日采用HOBO U30自動(dòng)氣象站連續(xù)地觀測(cè)降水量與降水過程; 同時(shí)配用一臺(tái)虹吸式自計(jì)雨量計(jì)與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雨量筒, 配合測(cè)定林外降雨量及降雨過程。

2.2 穿透水量測(cè)定

在3種樣地中, 依據(jù)林冠(以及高大灌木)的遮蔽程度, 選擇具有代表性地點(diǎn), 在距離地面20 cm的高度分別布設(shè)12個(gè)雨量筒, 用于收集穿透水, 每次雨后測(cè)定水量, 計(jì)算其算術(shù)平均值, 進(jìn)行日動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè), 每日記錄數(shù)據(jù), 作為樣地冠層下的穿透水量。

2.3 樹干莖流測(cè)定

按照林木徑級(jí)和樹冠標(biāo)準(zhǔn), 在各樣地內(nèi)分別選擇15棵林木, 將直徑為2.0 cm聚乙烯塑料的軟管沿中縫刨開, 自樹干2 m高處從上而下蛇形纏繞于樹干上, 塑料管和水平面角度呈30°, 使用玻璃膠密封膠管與樹干之間的空隙, 將膠管置入密封口的塑料器皿。每次雨后測(cè)量水量, 同時(shí)根據(jù)林冠投影的面積換算成單株與林分樹干莖流量。干流量按以下公式計(jì)算[15]:

式中:為干流量(mm),M為每個(gè)徑階的樣樹株數(shù),S為每個(gè)徑階單株樣樹的莖流量(ml),為樣地面積(m2)。

表1 樣地植被基本特征

2.4 林冠截留量的計(jì)算

根據(jù)冠層水量平衡, 計(jì)算冠層截留量, 即:

=––

式中:為林冠截留量(mm),為林外降水量(mm),為穿透水量(mm),為干流量(mm)。

2.5 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel和SPSS17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水變化特征

研究區(qū)域在觀測(cè)期內(nèi)降雨量達(dá)到1971.80 mm, 降雨次數(shù)為83次(表2), 降水強(qiáng)度是指單位時(shí)間內(nèi)的降水量, 單位為mm·h-1或mm·d-1。以國(guó)家氣象局規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn), 按降水強(qiáng)度的大小可將降雨分為小雨(0—10.0 mm·d-1)、中雨(10.1—20.0 mm·d-1)、大雨(20.1—50 mm·d-1)、暴雨(50.1—100 mm·d-1、大暴雨(100.1—200.0 mm·d-1)和特大暴雨(>200.0 mm·d-1)。為了更科學(xué)的分析降雨特征, 本研究按降雨強(qiáng)度對(duì)研究期降雨進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。表2為研究區(qū)觀測(cè)期間林外降雨按降雨強(qiáng)度分布情況。從一次性降雨情況來看, 出現(xiàn)了69次一次性降雨量在0.5—50 mm·d-1的降雨, 占總次數(shù)的83.13%; 有37次的降雨為小于10 mm·d-1的小雨, 這37次的降雨占總降雨次數(shù)的44.58%; 37次小雨的總降雨量為139.87 mm, 占總降雨量的7.09%; 中雨(10—25 mm·d-1)降雨量占總降雨量的20.03%, 大雨(25—50 mm·d-1)降雨量占總降雨量的 27.16%, 但該兩類降雨次數(shù)分別只占總降雨次數(shù)的27.71%和18.07%; 有8次的日降雨量為大于 50 mm的暴雨和大暴雨, 這8次暴雨和大暴雨占總降雨次數(shù)的9.64%, 但這兩種類型降雨的總降雨量卻高達(dá)901.4944 mm, 占總降雨量的45.72%。中雨和大雨占總降雨量次數(shù)的45.78%, 降雨量共計(jì)930.48 mm, 占總降雨量的47.19%, 說明該研究區(qū)年降雨量充沛。

3.2 林冠截留特征

大氣降雨通過林冠層后, 部分降水會(huì)被冠層截留, 林冠截留量與降雨量的比值為林冠截留率。林冠截留量與次降雨量的關(guān)系通過曲線擬合的比較如圖1, 冪函數(shù)關(guān)系模擬二者關(guān)系最佳, 擬合方程分別為:= 0.5150.6555,2 = 0.8333,=83;= 0.37280.776,2 = 0.901,=83;= 0.42530.754,2 = 0.8927,=83。

觀測(cè)期內(nèi), 杜仲林、楓樟混交林和馬尾松林的林冠截留量分別為289.75 mm、358.78 mm和351.46 mm, 林冠截留率分別為14.69%、18.19%和18.79%。可見, 馬尾松林的林冠截留量和截留率最大, 杜仲林的最小, 楓樟混交林的林冠截留量和截留率是杜仲林的1.24倍。不同植被類型的林冠截留量隨著降雨量的增加而增大, 但這種增加是在一定范圍之內(nèi)的, 當(dāng)林冠截留量飽和時(shí)將不會(huì)再增加。當(dāng)降雨量為最大的206 mm時(shí), 杜仲林和楓樟混交林對(duì)應(yīng)的截留量分別為最大的20.37 mm、41.49 mm, 馬尾松林的截留量也為較大的23.72 mm。說明, 隨著降雨量增大, 不同植被類型的林冠截留量也增大, 二者呈正相關(guān)關(guān)系。林冠截留的多少與降雨強(qiáng)度也有關(guān)系, 強(qiáng)度大的陣性降雨、暴雨等, 一方面由于雨滴的沖擊力較大, 而不能被枝葉表面吸附, 容易下滴形成穿透雨, 削弱了林冠截留的功能; 另一方面, 降雨歷時(shí)較短, 林冠截留作用的表現(xiàn)時(shí)間也較短, 截留的雨量相對(duì)較少。另外, 不同植被類型的林冠截留量還與植被的冠幅大小、冠層厚度和葉量的多少有關(guān)系; 馬尾松林由于冠幅大小、冠幅厚度和葉量均小于杜仲林和楓樟混交林, 所以有大量的降雨可以支持穿過冠層, 有大量的雨穿透而被林冠截留, 也即馬尾松林的可用于林冠截留的雨量多于杜仲林和楓樟混交林。

表2 觀測(cè)期內(nèi)林外降雨強(qiáng)度分布情況

圖1 不同植被類型林冠截流量與降雨量關(guān)系

Figure 1 Relationship between canopy closure and rainfall in different vegetation types

3.3 林冠對(duì)降雨的分配作用

植被類型不同產(chǎn)生的林冠對(duì)降雨的再分配存在差異(表3), 穿透雨量總計(jì)為楓樟混交林(1573.09 mm)＞馬尾松林(1568.59 mm)＞杜仲林(1526.62 mm), 樹干莖流量總計(jì)為杜仲林(155.46 mm)＞馬尾松林(51.78 mm)＞楓樟混交林(39.98 mm), 林冠截留量總計(jì)為楓樟混交林(358.78 mm)＞馬尾松林(351.46 mm)＞杜仲林(289.75 mm); 林冠穿透率、樹干莖流率和林冠截留率也表現(xiàn)出與之對(duì)應(yīng)的雨量一致的排序。說明混交林的穿透雨量和林冠截留量大于純林, 而純林的樹干莖流量大于混交林。

從不同植被類型林冠層對(duì)降雨的分配來看, 表現(xiàn)為穿透雨最多, 其次是林冠截留, 樹干莖流最小。杜仲林表現(xiàn)為穿透雨量(1526.62 mm)＞林冠截留量(289.75 mm)＞樹干莖流量(155.46 mm); 楓樟混交林和馬尾松林也表現(xiàn)為穿透雨量＞林冠截留量＞樹干莖流量; 從三個(gè)樹種的均值來看穿透雨量(1556.10 mm)＞林冠截留量(333.33 mm)＞樹干莖流量(82.41 mm), 穿透雨量是樹干莖流量的18.88倍, 說明不同植被類型林冠層主要以穿透雨為主。

4 結(jié)論與討論

從一次性降雨情況來看, 出現(xiàn)了69次一次性降雨量在0.5－50 mm·d-1的降雨, 占總次數(shù)的83.13%; 有37次的降雨為小于10 mm·d-1的小雨, 這37次的降雨占總降雨次數(shù)的44.58%; 37次小雨的總降雨量為139.87 mm, 占總降雨量的7.09%; 中雨(10－25 mm·d-1)降雨量占總降雨量的20.03%, 大雨(25－50 mm·d-1)降雨量占總降雨量的 27.16%, 中雨和大雨占總降雨量次數(shù)的45.78%, 降雨量共計(jì)930.48 mm, 占總降雨量的47.19%, 說明該研究區(qū)年降雨量充沛。

杜仲林、楓樟混交林和馬尾松林的林冠截留量分別為289.75 mm、358.78 mm和351.46 mm, 林冠截留率分別為14.69%、18.19%和18.79%?？梢? 馬尾松林的林冠截留量和截留率最大, 杜仲林的最小, 這與大多研究[16]結(jié)果一致, 表現(xiàn)為針葉林的截留率通常大于闊葉林, 主要是因?yàn)榇貕训尼樔~更容易吸持雨水。我國(guó)主要森林的冠層截留率介于 14.7%—31.8%之間[17], 也有超過50%, 本文中3種植被類型林冠截留率介于14.69%-18.79%之間, 說明湘西武陵山區(qū)的植被林冠截留率處于中下水平。同時(shí), 研究結(jié)果表明隨著降雨量增大, 不同植被類型的林冠截留量也增大, 二者呈正相關(guān)關(guān)系。

表3 不同植被類型林冠層對(duì)降雨的分配規(guī)律

穿透雨量、林冠截留量總計(jì)均表現(xiàn)為楓樟混交林＞馬尾松林＞杜仲林, 樹干莖流量總計(jì)為杜仲林＞馬尾松林＞楓樟混交林; 林冠穿透率、樹干莖流率和林冠截留率也表現(xiàn)出與之對(duì)應(yīng)的雨量一致的排序。說明混交林的穿透雨量和林冠截留量大于純林, 而純林的樹干莖流量大于混交林。從不同植被類型林冠層對(duì)降雨的分配來看, 表現(xiàn)為穿透雨最多, 其次是林冠截留, 樹干莖流最小; 從三種植被類型的均值來看穿透雨量(1556.10 mm)＞林冠截留量(333.33 mm)＞樹干莖流量(82.41 mm), 穿透雨量是樹干莖流量的18.88倍, 說明不同植被類型林冠層主要以穿透雨為主, 這與黃團(tuán)沖[7]等研究結(jié)果一致。

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Study on rainfall redistribution of canopy layer of three vegetation types in the small watershed of Nver Zhai

LUO Jia1, 2, TIAN Yuxin1, 2,*, ZHOU Xiaoling1, 2, ZENG Zhangquan1, 2, YAO Min1, 2

1. Hunan Academy of Forestry, Hunan Changsha 410004, China 2. Hunan Cili Forest Ecosystem State Research Station, Hunan Cili 427200, China

The rainfall redistribution process of canopy layer of three vegetation types in the small watershed of Nver Zhai was studied. During the observation period, the precipitation was up to 1971.80 mm, and the times of rainfalls were 83. The canopy interception offorest,mixed forest andforest were 289.75 mm, 358.78 mm and 351.46 mm, respectively. In addition, the canopy interception rates of these three vegetation types were 14.69%, 18.19% and 18.79%, respectively. There was a significant positive correlation between the two factors. The throughfall and canopy interception of mixed forests were greater than those of pure forests, while the trunk stem flow of pure forests was greater than mixed forests. The distribution of rainfall in canopy layer was the highest for different vegetation types following by canopy interception, and the trunk runoff was the minimum.

vegetation type; rainfall redistribution; canopy layer; small watershed.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.05.019

S715.2

A

1008-8873(2019)05-145-06

2018-08-08;

2018-10-10

湖南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017NK2223); 湖南省林業(yè)科技計(jì)劃項(xiàng)目(XLKPT201710); “十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃課題(2015BAD07B04); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“典型脆弱生態(tài)修復(fù)與保護(hù)研究”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目(2017YFC0505506); 國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2015DFA90450); 湖南省林業(yè)科技項(xiàng)目(2012-HNLYKY-01); 2017年森林生態(tài)效益補(bǔ)償公共管護(hù)項(xiàng)目: 基于生態(tài)連清的慈利縣公益林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)。

羅佳(1983—), 女, 湖南省長(zhǎng)沙市人, 助理研究員, 博士, 主要從事生態(tài)學(xué)、水土保持學(xué)、生物學(xué)研究, E-mail: luojia993@sina.com

田育新(1968—), 男, 湖南常德人, 研究員, 主要從事生態(tài)學(xué)研究

羅佳, 田育新, 周小玲, 等. 女兒寨小流域3種植被類型林冠層對(duì)降水再分配研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2019, 38(5): 145-150.

LUO Jia, TIAN Yuxin, ZHOU Xiaoling, et al. Study on rainfall redistribution of canopy layer of three vegetation types in the small watershed of Nver Zhai[J]. Ecological Science, 2019, 38(5): 145-150.