趙赫, 文志, 劉艷秋, 鄭華, *

典型熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)林冠穿透雨特征及影響因素

趙赫1, 2, 文志1, 2, 劉艷秋3, 鄭華1, 2, *

1. 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 城市與區(qū)域國家重點實驗室, 北京 100085 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3. 北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室, 北京 100871

橡膠林和檳榔林替代原始林或次生林是熱帶地區(qū)主要的土地利用變化類型, 為了探討土地利用變化對穿透雨的影響, 在海南島選取橡膠林、檳榔林和次生林三種典型森林生態(tài)系統(tǒng)為對象, 比較研究了33次降雨事件中不同森林生態(tài)系統(tǒng)林冠穿透雨特征及其影響因素。結(jié)果表明: 三種森林生態(tài)系統(tǒng)喬木冠幅內(nèi)穿透雨率差異顯著(< 0.01), 其大小依次為橡膠林(95.9%)>次生林(80.4%)>檳榔林(64.6%), 冠層厚度是影響次生林和橡膠林穿透雨率的主要因素, 均與穿透雨率呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05), 增加橡膠林林下植被對穿透雨的截留具有重要意義; 在三種林型不同喬木個體的冠幅內(nèi)部, 僅檳榔林冠幅內(nèi)穿透雨率樹干旁邊顯著高于冠幅中央和邊緣, 冠幅內(nèi)部葉面積指數(shù)和葉片角度是影響檳榔林穿透雨空間異質(zhì)性的主要因素(<0.05); 橡膠林的冠層厚度和次生林的葉片角度也對穿透雨率產(chǎn)生顯著影響(<0.05)。上述結(jié)果闡明了次生林轉(zhuǎn)換為人工林后, 穿透雨率及其空間分布產(chǎn)生的差異；發(fā)現(xiàn)除冠層厚度和葉面積指數(shù)外, 葉片形狀或角度對改變穿透雨率具有重要影響, 該結(jié)果為合理配置冠層結(jié)構(gòu)、有效降低穿透雨率提供參考, 也可為評估熱帶地區(qū)土地利用變化的生態(tài)水文效應(yīng)提供參數(shù)。

穿透雨; 影響因素; 熱帶; 土地利用變化

0 前言

穿透雨是林下降雨的主要形式, 占總降雨的51.4%—93.29%[1-3]。Kato等發(fā)現(xiàn)穿透雨的空間格局影響土壤水分、元素含量以及凋落物的分解[4]; Christian等發(fā)現(xiàn)穿透雨雨滴動能對土壤侵蝕具有重要影響, 進(jìn)而穿透雨的空間格局影響土壤侵蝕的空間特征[5]; Frischbier等發(fā)現(xiàn)穿透雨影響地表徑流量和河流水質(zhì)[6]?？梢? 穿透雨作為森林水文研究的一個重要參數(shù), 其空間特征是森林生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容。

冠層結(jié)構(gòu)和降雨特征共同決定了穿透雨特征。冠層結(jié)構(gòu)包括葉面積指數(shù)、冠層厚度以及葉片傾斜角度, 影響雨水在冠層內(nèi)的水平和垂直方向的運動, 從而改變穿透雨量并使其時空格局發(fā)生變化。Fang等發(fā)現(xiàn)穿透雨與葉面積指數(shù)線性相關(guān)[7]; Siegert等發(fā)現(xiàn)穿透雨空間異質(zhì)性是由于冠層厚度造成的[8]。降雨特征包括降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時等直接影響穿透雨的數(shù)量和比例。Shen等發(fā)現(xiàn)降雨量不僅決定穿透雨量, 而且影響穿透雨的空間變異程度[9]; Kr?mer等發(fā)現(xiàn)穿透雨和降雨強(qiáng)度正相關(guān)[10]。Zhang等發(fā)現(xiàn)隨著降雨歷時的增多, 穿透雨空間異質(zhì)性減小, 時間穩(wěn)定性增加[11]。因此, 穿透雨特征受到植物群落和降雨特征多個因素共同作用, 比較研究不同森林類型穿透雨特征與影響因素有助于揭示土地利用變化對生態(tài)過程的影響及其水文效應(yīng)。

熱帶地區(qū)土地利用變化劇烈, 大量人工林(如橡膠林和檳榔林等)替代原始林或次生林是主要的土地利用變化類型, 這種變化改變了森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 顯著影響穿透雨特征[2,12], 加劇水土流失, 導(dǎo)致土地退化[13]。但是冠層結(jié)構(gòu)的變化如何影響森林生態(tài)系統(tǒng)林冠穿透雨的研究較少。本研究在海南島選取熱帶地區(qū)三種典型森林生態(tài)系統(tǒng)(次生林、橡膠林、檳榔林), 研究不同林型在植物個體尺度的穿透雨特征, 探討不同樹種穿透雨空間差異的影響因素, 旨在認(rèn)識不同植物物種、不同森林類型的穿透雨特點及其影響因素, 揭示熱帶地區(qū)典型土地利用變化對森林穿透雨的影響程度和方式, 為進(jìn)一步通過合理配置冠層結(jié)構(gòu)、有效調(diào)節(jié)穿透雨提供參考。

1 研究地概況與研究方法

1.1 研究地概況

研究地位于海南島中部山區(qū)的白沙彝族自治縣、鸚哥嶺國家級自然保護(hù)區(qū)的實驗區(qū)內(nèi)(E109°31′; N19°04′), 該區(qū)域是海南島第一大河流南渡江和第二大河流昌化江的主要發(fā)源地, 其水文功能地位十分重要(圖1)。氣候類型為熱帶海島季風(fēng)氣候, 年均氣溫 21.5—28.5℃, 多年平均降雨量1607 mm, 年均相對濕度83%。一年分為干季和濕季, 干季為11月到次年4月, 濕季為5到10月, 降水主要集中在7到9月, 主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)。

該區(qū)域原始林和次生林多被橡膠林和檳榔林所替代, 近年來政府實施的“天然林保護(hù)工程”將一部分棄耕地和退化的荒地恢復(fù)為次生林。圖2為檳榔林和橡膠林樹木尺度的樹形示意圖。檳榔屬于棕櫚科, 莖干直立, 羽狀分裂的大葉簇生于莖頂, 為典型的漏斗形樹冠[14]; 而橡膠林為傘形樹冠(圖1)。

圖1 檳榔樹和橡膠樹樹形示意圖

Figure 1 Canopy form of areca and rubber trees

1.2 降雨觀測

利用位于林外的自動氣象站(HOBO U30, ONSET)獲取降雨量、降雨歷時和雨強(qiáng)等數(shù)據(jù), 為保證冠層充分干燥, 二次降雨事件的劃分標(biāo)準(zhǔn)為≥ 4 h。觀測時間從2016年8月6日到2017年8月7日, 共觀測33場降雨事件, 累積降雨1680.4 mm。其中, 單次最大降雨量為351.2 mm, 最小降雨量為2.2 mm, 平均降雨量為50.9(±7.19) mm; 單次最大雨強(qiáng)為22.0 mm·h-1, 最小雨強(qiáng)0.3 mm·h-1, 平均雨強(qiáng)為3.7(±1.11) mm·h-1, 單次最長降雨歷時為131.0 h, 最短降雨歷時為0.3 h, 平均降雨歷時為23.2(±2.79) h。該區(qū)域主要以降雨量<10 mm以及降雨強(qiáng)度<6 mm·h-1的小降雨事件為主(圖2)。

1.3 穿透雨觀測

根據(jù)三種森林生態(tài)系統(tǒng)基本特征調(diào)查結(jié)果(表1), 在每種森林類型中分別選取3塊樣地, 每個樣地隨機(jī)選取三棵樹作為研究對象, 根據(jù)每棵樹冠幅大小, 分別在樹干旁邊(1/3冠幅)、冠幅中央(2/3冠幅)和冠幅邊緣(3/3冠幅)放置雨量筒。為防止蒸發(fā), 在雨量筒上加蓋漏斗。每次降雨事件結(jié)束后, 用量筒量取雨量筒內(nèi)的穿透雨體積。

為了更好地對比三種森林生態(tài)系統(tǒng)的穿透雨, 本文采用穿透雨率來表示穿透雨的大小, 穿透雨率的計算公式如下:

其中:TF為穿透雨率%,為穿透雨 mm,為當(dāng)次降雨量 mm。

1.4 冠層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)獲取

利用植物冠層儀(LAI-2000)測量每個觀測點正上方的葉面積指數(shù)、葉片傾斜角度, 利用激光/超聲波樹木測高測距儀(Haglof Vertex Laser 5)測量每個觀測點正上方的冠層厚度, 每個觀測點平行觀測三次, 其平均值作為該觀測點的觀測值(表1)。

1.5 統(tǒng)計分析

利用R語言(3.4.2)的“dplyr”包對數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)整, 利用“ggpubr”包進(jìn)行方差分析、顯著性檢驗以及可視化。

圖2 研究區(qū)域降雨特征(2016年8月–2017年8月)

Figure 2 Rainfall characteristics of study region (From 2016/8 to 2017/8)

表1 三種森林生態(tài)系統(tǒng)基本特征

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林型植物個體穿透雨特征

三種森林生態(tài)系統(tǒng)植物個體平均穿透雨率分別為: 橡膠林(95.9%)>次生林(80.4%)> 檳榔林(64.6%), 三種森林生態(tài)系統(tǒng)中, 不同植物個體穿透雨率差異顯著(<0.01), 橡膠林穿透雨最大, 檳榔林穿透雨最小(圖3)。

不同植物個體冠幅下穿透雨呈現(xiàn)不同程度的空間異質(zhì)性(圖4), 檳榔林樹干旁、冠層中央、樹冠邊緣的穿透雨差異顯著(<0.05), 穿透雨率分別為85.6%、48.3%和59.8%, 呈現(xiàn)出向樹干匯集的空間格局; 次生林喬木個體樹干旁、冠層中央、樹冠邊緣的穿透雨差異不顯著, 穿透雨率分別為76.6%、69.0%和83.0%; 橡膠樹樹干旁邊、冠層中央、樹冠邊緣的穿透雨差異也不顯著, 穿透雨率分別為96.0%、99.6%和95.2%。

圖4 不同森林類型植物個體穿透雨率比較

Figure 4 Comparison of throughfall rate in different forests

(注: 圖中, 樹干、中央、邊緣分別指樹干旁邊、冠幅中央和冠幅邊緣)

Figure 5 Spatial pattern of throughfall at sampling point scale in different forests

2.2 不同植物個體穿透雨影響因素

由于物種差異, 三種森林類型的穿透雨在冠層整體上所受的影響因素不同。其中, 次生林和橡膠林穿透雨與冠層厚度呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05), 與葉面積指數(shù)呈顯著正相關(guān)(<0.05), 檳榔林穿透雨和冠層厚度/葉面積指數(shù)都呈負(fù)相關(guān), 但不顯著(圖5)。

圖6 冠幅整體穿透雨影響因素

Figure 6 Impact factors of throughfall at canopy scale

2.3 不同植物個體冠幅內(nèi)部穿透雨影響因素

由于三種森林類型個體冠層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)差異, 穿透雨的影響因素不同(圖6)。其中, 橡膠林穿透雨和冠層厚度呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05); 檳榔林穿透雨和葉面積指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05), 次生林、橡膠林穿透雨和葉面積指數(shù)關(guān)系不顯著; 檳榔林穿透雨和葉片角度呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05), 次生林、橡膠林穿透雨和葉片角度關(guān)系不顯著。

3 討論

三種森林生態(tài)系統(tǒng)植物個體平均穿透雨率: 橡膠林(95.9%)>次生林(80.4%)>檳榔林(64.6%)。在三種林型中橡膠林穿透雨率最大, 這是由于橡膠林郁閉度和葉面積指數(shù)均小于其他兩種林型, 劉珉等還發(fā)現(xiàn)橡膠林葉片光滑且不易透水, 對雨水的截留作用小, 易產(chǎn)生穿透雨[17-18], 因此, 應(yīng)加強(qiáng)橡膠林林下植被的保護(hù), 減小穿透雨對土壤的侵蝕。一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)天然次生林由于物種多樣性豐富, 冠層結(jié)構(gòu)復(fù)雜而密集, 尤其是附生植物的存在會大大增加冠層截留, 導(dǎo)致穿透雨比人工林小[15]。但是本研究中檳榔林穿透雨最小, 這可能是因為檳榔樹漏斗形樹冠, 降雨分配中的樹干流部分較其他植物種類多, 導(dǎo)致穿透雨減少[16]。

圖7 冠幅內(nèi)部穿透雨影響因素

Figure 7 Impact factors of throughfall within canopy

在穿透雨空間格局的研究上, 由于研究對象不同, 國內(nèi)外研究得出了不同的結(jié)論。如Carlyle- Moses等發(fā)現(xiàn)美國黑松()的穿透雨隨著觀測點到樹干距離的增加而增大[19]; Fan等發(fā)現(xiàn)松樹()的穿透雨隨觀測點到樹干距離的增加而減少[20]; 還有研究者認(rèn)為穿透雨率在距樹干中等距離處最大[21]。本研究發(fā)現(xiàn), 由于物種差異, 不同生態(tài)系統(tǒng)類型穿透雨的空間格局明顯不同, 除了檳榔林樹干旁邊、冠幅中央和冠幅邊緣的穿透雨呈顯著差異外, 次生林和橡膠林冠幅內(nèi)部的穿透雨差異并不顯著, 可能原因是: 檳榔樹漏斗形樹冠導(dǎo)致林下穿透雨的空間差異[16]; 而次生林冠層結(jié)構(gòu)復(fù)雜而密集、橡膠林樹與樹之間交叉重疊, 削減了冠幅內(nèi)的空間異質(zhì)性, 導(dǎo)致次生林和橡膠林穿透雨的空間異質(zhì)性不顯著。

三種森林生態(tài)系統(tǒng)植株個體尺度上, 穿透雨的影響因素明顯不同。與大多數(shù)研究結(jié)論相似, 次生林和橡膠林穿透雨與冠層厚度呈顯著負(fù)相關(guān)[8], 但是次生林和橡膠林穿透雨與葉面積指數(shù)呈顯著正相關(guān), 這可能與研究區(qū)域地處山谷的地形造成的天氣現(xiàn)象有關(guān), 在冬春季山區(qū)常出現(xiàn)大霧, 較高的葉面積指數(shù)增加了植物對霧水的截留, 從而產(chǎn)生額外的穿透雨。Brauman等也發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象[22], 而檳榔樹漏斗形樹冠對霧水的截留增加了樹干流。

盡管冠幅內(nèi)部的穿透雨只有檳榔林差異顯著, 但植物個體差異及其導(dǎo)致的植物功能性狀也會影響冠幅內(nèi)部穿透雨率。橡膠林內(nèi)部穿透雨率與冠層厚度呈顯著負(fù)相關(guān), 檳榔林內(nèi)部穿透雨和葉面積指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān), 這與其他研究結(jié)論相似[23-24], 但本研究還發(fā)現(xiàn)檳榔林和次生林內(nèi)部的穿透雨率分別與葉片角度呈顯著負(fù)相關(guān)和正相關(guān)(<0.05), 表明葉片角度對檳榔林和次生林穿透雨空間分布具有重要意義。葉片角度影響雨水在冠層內(nèi)的水平和垂直運動, Zhang等也發(fā)現(xiàn)檸條的穿透雨隨著葉片角度的增加而增加[11]。然而葉片角度會在生長周期內(nèi)發(fā)生變化, 這會對穿透雨空間格局產(chǎn)生重要影響, 值得進(jìn)一步研究。

本研究關(guān)注植物個體尺度及其內(nèi)部差異, 并未針對三種森林生態(tài)系統(tǒng)在樣地尺度觀測穿透雨的特征, 主要原因是人工林生態(tài)系統(tǒng)中, 植株種植的密度將顯著影響樣地尺度的穿透雨特征, 影響觀測結(jié)果的可比性。在下一步研究中, 將進(jìn)一步觀測同一種森林生態(tài)系統(tǒng)類型中, 植物不同種植密度對穿透雨的影響, 以期獲得更多關(guān)于調(diào)控穿透雨的信息。

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Characteristics and influencing factors of canopy throughfall in typical tropical forest ecosystems

ZHAO He1, 2, WEN Zhi1, 2, LIU Yanqiu3, ZHENG Hua1, 2, *

1. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China 3. State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control, College of Environmental Science and Engineering, Peking University, Beijing 100871, China

The replacement of primary forest or secondary forest by rubber forest and areca forest is the main type of land use change in the tropics. In order to explore the impact of land use change on throughfall, our study chose rubber forest,betel nut forest and secondary forest in Hainan Island to compare the characteristics of canopy throughfall and the influencing factors in different forest ecosystems using 33 rainfall events.The results showed that there was significant difference (<0.01) of throughfall rate within the individual crown of three forest ecosystems, with the order of throughfall rate: rubber plantation (95.9%) > secondary forest (80.4%) > betel nut plantation; canopy thickness is the main factor of throughfall in secondary forest and rubber forest, and there is a significantly negative correlation between throughfall rate and canopy thickness (<0.05). There was a great significance to throughfall by increasing the understory vegetation of rubber plantation. Within the canopy of three forest types, only the throughfall rate of trunk of betel nut forest is significantly higher than the central crown and the edge of the crown, the leaf area index and the leaf angle of the canopy control the spatial patterns of throughfall (<0.05). The canopy thickness of the rubber plantation and the leaf angle of the secondary forest also had a significant effect on the throughfall rate (<0.05). Our results illustrate the differences of throughfall rate and spatial patterns after secondary forests convert to plantations. Besides the canopy thickness and leaf area index, the shape or angle of leaf is an important factor changing the throughfall rate. The results provide a reference for building reasonable canopy structure and effectively reducing the throughfall rate of plantations. It also provides parameters for assessing the eco-hydrological effects of land-use change in the tropics.

throughfall; influencing factors; tropics; land use change

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.04.010

趙赫, 文志, 劉艷秋, 等. 典型熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)林冠穿透雨特征及影響因素[J]. 生態(tài)科學(xué), 2020, 39(4): 74–80.

ZHAO He, WEN Zhi, LIU Yanqiu, et al. Characteristics and influencing factors of canopy throughfall in typical tropical forest ecosystems[J]. Ecological Science, 2020, 39(4): 74–80.

Q944

A

1008-8873(2020)04-074-07

2018-02-15;

2020-06-16

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0503401)

趙赫(1991—), 男, 山西人, 碩士, 主要從事生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)機(jī)制研究, E-mail: hzhao_st@rcees.ac.cn

鄭華, 男, 博士, 研究員, 研究方向為生態(tài)系統(tǒng)過程與服務(wù), E-mail: zhenghua@rcees.ac.cn