王淑春， 程然然， 杜 盛

(1.西北農(nóng)林科技大學林學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；3.景德鎮(zhèn)學院，江西 景德鎮(zhèn) 333000;4.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

在干旱半干旱的黃土高原地區(qū)，植被恢復和林業(yè)生產(chǎn)活動中首先要面對的是森林與水的關系問題。土壤層深厚是黃土高原的主要特征，地下水位遠超植被根系的吸收范圍，降雨是該地區(qū)植被用水和土壤水分補充的唯一來源。因此，森林對降雨的分配也成為該地區(qū)生態(tài)學和水文學領域關注的熱點之一。

在降雨過程中，森林冠層是雨水接觸的第一界面。降雨經(jīng)過森林冠層的分配成為穿透雨、冠層截留以及樹干徑流3個部分，這一過程是森林作用于森林水循環(huán)的第一個重要過程。森林植被層的截留過程可以緩沖并削弱降雨動能、延長降雨進程并改變原有的降雨空間分布格局，該過程對森林水文循環(huán)和水土保持具有重要意義。

穿透雨是降雨分配的最大組分，在森林生態(tài)系統(tǒng)的水文循環(huán)和生物地球化學循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。降雨過程中和降雨后被森林冠層截留并隨后蒸發(fā)的降水組分是冠層截留，該組分不參與森林內(nèi)部的水分循環(huán)，但屬于森林生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的重要組分。降雨輸入森林生態(tài)系統(tǒng)的另一個路徑是樹干徑流，它將水分以及淋溶物質(zhì)輸入到樹木根部附近的土壤中，為林分提供水分以及營養(yǎng)物質(zhì)。影響降雨分配的因素較多，包括林分因素(森林類型、林分組成和林分結(jié)構(gòu)等)、氣候因素(降雨量、降雨強度和溫度等)以及土壤因素(土壤類型和質(zhì)地)等。近年來，關于我國東北等地區(qū)典型針闊葉森林生態(tài)系統(tǒng)對降雨分配的研究有較多報道，對于黃土丘陵區(qū)天然次生林和水土保持人工林的降雨分配特征仍有待較為深入的定位觀測和分析。此外，黃土丘陵區(qū)植被與水資源的供求矛盾也越來越引起學者們的關注。由于黃土高原土層深厚，地下水位深，降雨是林地土壤唯一的水分補充途徑，對黃土高原森林降雨分配特征的研究具有更加獨特的意義。

刺槐()是黃土丘陵區(qū)主要的水土保持造林樹種，遼東櫟()是典型的鄉(xiāng)土樹種。本試驗通過對延安市南郊公路山2種典型林分降雨分配的觀測，分析2種林分內(nèi)降雨分配特征及其影響因子，為闡明該地區(qū)典型森林植被的水資源分配特征提供基礎資料，也為森林植被恢復的合理規(guī)劃提供參考。

1 材料與方法

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林區(qū)(36°25.40′N，109°31.53′E)，海拔1 245～1 395 m，地屬黃土丘陵區(qū)。延安市氣象臺近37年(1981—2017年)的統(tǒng)計資料顯示，延安市(36°36′N，109°30′E)平均年降水量約511.6 mm，年平均氣溫10.2 ℃(圖1)。延安地區(qū)氣候類型為暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，冬春季寒冷干燥，夏秋季溫暖多雨。生長季(4—10月)降水約占全年降水量的91%。

圖1 延安市1981-2017年間年降水量及平均氣溫變化

本試驗以研究區(qū)內(nèi)典型刺槐人工林(簡稱刺槐林)和遼東櫟天然次生林(簡稱遼東櫟林)為研究對象，在2種林分內(nèi)各設置1處規(guī)格為20 m×20 m的固定監(jiān)測樣地，其中，刺槐林固定監(jiān)測樣地海拔1 350 m，坡度26°，坡向東南，樣地優(yōu)勢樹種為刺槐，伴生植物包括黃薔薇()等灌木。遼東櫟林固定監(jiān)測樣地海拔1 360 m，坡度22°，坡向西，樣地優(yōu)勢樹種為遼東櫟和山杏()，伴生植物包括側(cè)柏()、大果榆()、桃葉衛(wèi)矛()、水栒子()、虎榛子()和小葉錦雞兒()等灌木。2種林分植被特征見表1。

1.2 研究方法

1.2.1 基礎氣象要素監(jiān)測 在樣地附近的空曠處設置多功能簡易氣象站，連續(xù)實時監(jiān)測研究區(qū)基礎氣象要素(如太陽總輻射(，W/m)、空氣溫度(℃)、空氣相對濕度(，%)以及降雨量(，mm)等)。降雨量(，mm)的測定采用翻斗式自計雨量計(Davis Rain collector II model 7852, Davis Instruments, USA)，雨量計水平安裝于地面50 cm高度，且上方無明顯遮擋。本研究的降雨分配研究以該站監(jiān)測的降雨事件為基準。

表1 2種林分植被特征信息

1.2.2 穿透雨(throughfall,)觀測 本試驗于2017年7—10月于樣地內(nèi)具有代表性的地段均勻布設25個點(1 m間隔)放置穿透雨采集桶(直徑為17 cm的塑料漏斗+容積為6 L的集水桶)。對個別雨量筒正上方2 m內(nèi)有灌木枝葉的予以剪除，以保證測量結(jié)果更具有代表性。每次降雨事件后盡快測量每個集水桶內(nèi)收集到的雨量，測量精度<5 mL。樣地穿透雨量(mm)計算公式為：

(1)

式中：為第個穿透雨采集桶收集到的降雨體積(mL)；為漏斗面積(cm)；為穿透雨采集桶的數(shù)量。

1.2.3 樹干徑流(stemflow,)觀測 根據(jù)每木檢尺得到的樹木徑級分布，在不同徑級中選取代表性樣樹進行觀測。其中，遼東櫟樣地觀測樣樹共12株，刺槐樣地內(nèi)14株。對每株樣樹采用包裹式集水法收集樹干徑流，將其導入集水桶中，保證在整個收集過程中樹干徑流無損失。每場降雨過后盡快用量筒測定集水量，按照公式計量獲得整個樣地的樹干徑流量(mm)。

(2)

式中：為第株樣樹的樹干徑流收集量(mL)；為整個樣地的胸高斷面積(m/hm)；為第株樣樹的胸高斷面積(cm)；本研究中遼東櫟和刺槐樣地的值分別為24.36，32.04 m/hm。

1.2.4 冠層截留(interception,)計算 根據(jù)水量平衡公式，冠層截留量為林外降雨量與穿透雨量和樹干徑流量的差值，具體計算公式為：

=--

(3)

式中：為冠層截留量(mm)；為林外氣象站測得的降雨量(mm)；為樹干徑流量(mm)；為穿透雨量(mm)。

各降雨組分與林外降雨量的比值為該組分的比率，即穿透雨率、樹干徑流率和冠層截留率。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 對所取得的數(shù)據(jù)采用Excel 2019軟件進行整理和初步分析后，利用SPSS 26.0軟件進行回歸分析及顯著性檢驗，采用SigmaPlot 14.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗期間降雨分布特征

在試驗期間(2017年7—10月)，樣地實測降雨量為509 mm，約占當年總降雨量(713.2 mm)的71.4%。試驗期間共監(jiān)測到降雨事件19場，取觀測期間降雨量>2 mm的18場有效降雨進行分析可得，總降雨量為390.6 mm，單次降雨事件中最大降雨量為64.0 mm，最小降雨量為2.6 mm，平均降雨量為21.7 mm，最大降雨強度為5.7 mm/h，最小降雨強度為0.3 mm/h，平均降雨強度為2.2 mm/h(圖2)。按照國家氣象局頒布的降水強度等級劃分標準進行劃分，18場有效降雨中出現(xiàn)小雨(0.1～9.9 mm)、中雨(10.0～24.9 mm)、大雨(25.0～49.9 mm)以及暴雨(50.0～99.9 mm)的次數(shù)分別為7，5，3，3次，分別占總降雨次數(shù)的38.9%，27.8%，16.7%和16.6%，雨量等級以小雨和中雨為主。

圖2 試驗期間各降雨事件的降雨量和平均降雨強度

2.2 試驗期間降雨分配特征

試驗期間刺槐林和遼東櫟林單次的穿透雨量分別為1.5～56.2，1.4～52.4 mm，冠層截留量分別為0.8～5.5，1.2～10.5 mm，樹干徑流量分別為0.2～5.2，0.3～4.6 mm(圖3)。2種林分降雨分配規(guī)律均呈現(xiàn)為穿透雨量>冠層截留量>樹干徑流量(圖4)。研究時段內(nèi)，刺槐林的穿透雨總量(325.0 mm)和穿透雨率(83.2%)均大于遼東櫟林(分別為295.1 mm和75.6%)；而遼東櫟林的冠層截留總量(73.6 mm)和冠層截留率(18.8%)均大于刺槐林(分別為39.8 mm和10.2%)；刺槐林的樹干徑流總量(25.8 mm)和樹干徑流率(6.6%)略大于遼東櫟林(分別為21.9 mm和5.6%)。

圖3 試驗期間刺槐林和遼東櫟林單次降雨分配特征

圖4 試驗期間2種林分降雨分配特征及各組分比率

2.3 次降雨量和平均降雨強度對2種林分降雨分配的影響

2.3.1 次降雨量對穿透雨分配的影響 由降雨分配數(shù)據(jù)可得，刺槐林單次降雨穿透雨率為56.1%～88.4%，平均單次降雨穿透雨率為77.7%±9.3%；遼東櫟林單次降雨穿透雨率的范圍在51.9%～82.4%，均值為70.4%±8.9%。

刺槐林以及遼東櫟林的穿透雨量和穿透雨率均隨著次降雨量的增加而增加，呈現(xiàn)極顯著相關關系(<0.01)。從圖5可以看出，刺槐林穿透雨量隨次降雨量增加的增幅略大于遼東櫟林，即相較于遼東櫟林，刺槐林隨著次降雨量增加能夠產(chǎn)生更多的穿透雨。刺槐林能夠產(chǎn)生穿透雨的次降雨閾值約為1.0 mm，遼東櫟林能夠產(chǎn)生穿透雨的次降雨閾值約為1.3 mm。2種林分穿透雨率與次降雨量的關系呈現(xiàn)極顯著對數(shù)相關關系(<0.01)。隨著次降雨量增加，2種林分穿透雨率呈現(xiàn)先增加后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢，刺槐林的穿透雨率高于遼東櫟林。

圖5 2種林分穿透雨量及其比率與次降雨量的關系

2.3.2 次降雨量對冠層截留分配的影響 由降雨分配數(shù)據(jù)可知，刺槐林單次降雨的冠層截留率為3.4%～43.9%，平均單次降雨冠層截留率為18.3%±12.0%；遼東櫟林單次降雨冠層截留率為10.7%～48.1%，均值為26.2%±11.1%。從圖6可以看出，在次降雨量相同的情況下，遼東櫟林的冠層截留量和冠層截留率均大于刺槐林。隨著次降雨量的增加，2種林分的冠層截留量以對數(shù)函數(shù)形式不斷增加后緩慢趨于穩(wěn)定(<0.01)，冠層截留率則隨著次降雨量的增加以指數(shù)函數(shù)形式單調(diào)遞減，最后趨于穩(wěn)定(<0.01)。

圖6 2種林分冠層截留量及其比率與次降雨量的關系

2.3.3 次降雨量對樹干徑流分配的影響 由降雨分配數(shù)據(jù)可得，刺槐林單次降雨的樹干徑流率為1.5%～8.7%，平均單次降雨樹干徑流率為6.5%±1.8%；遼東櫟林單次降雨樹干徑流率為2.6%～7.3%，均值為5.6%±1.3%。從圖7可以看出，2種林分的樹干徑流量和樹干徑流率均隨著次降雨量的增加而增加，樹干徑流量與次降雨量之間呈現(xiàn)極顯著線性正相關關系(<0.01)。在次降雨量相同的情況下，刺槐林的樹干徑流量大于遼東櫟林。對擬合直線斜率分析可得，隨著次降雨量的增加，刺槐林產(chǎn)生樹干徑流的速率大于遼東櫟林。據(jù)方程推算，當次降雨量分別達到5.9，5.4 mm后，刺槐林和遼東櫟林開始產(chǎn)生樹干徑流。2種林分的樹干徑流率與次降雨量之間呈現(xiàn)顯著相關(對數(shù)函數(shù)關系)(<0.05)，隨著次降雨量增加，樹干徑流率逐漸增加，當次降雨量增加到一定程度時增速逐漸緩慢。在次降雨量相同的情況下，刺槐林的樹干徑流率大于遼東櫟林。

圖7 2種林分樹干徑流量及其比率與次降雨量的關系

2.3.4 降雨分配各組分與次降雨量和平均降雨強度的相關性 由于植被冠層對降雨分配過程的復雜性，降雨分配過程受到多種因素的影響，如降雨特征、林內(nèi)植物的形態(tài)學特征以及林地氣候因素等。本研究中，無論是刺槐林還是遼東櫟林，其降雨分配組分與次降雨量之間均呈現(xiàn)顯著相關關系，而與平均降雨強度之間無明顯相關關系(表2)。

3 討 論

3.1 2種林分降雨分配總體特征

通過對全國8個站點的降雨分配規(guī)律研究表明，穿透雨量占總降雨量的比例最大69.3%±8.8%～84.4%±5.6%。通過對全國主要森林生態(tài)系統(tǒng)的水文功能進行比較得出，中國主要森林生態(tài)系統(tǒng)的冠層截留率為11%～37%。本研究中，無論是刺槐林還是遼東櫟林的穿透雨均為降雨分配過程的最大組分(83.2%和75.6%)，符合上述規(guī)律，而刺槐林的冠層截留率(10.2%)略低于研究規(guī)律，這可能是地域、氣候和林分條件等不同引起的差異。

地域差異會帶來包括降雨量在內(nèi)的氣候、樹種分布及其生長情況等差別，造成不同地區(qū)林內(nèi)降雨分配特征的差異。此外，同一地區(qū)同一樹種在不同發(fā)育狀態(tài)下降雨分配特征也可能存在不同。通過對陜西省扶風縣2015年和2016年生長季刺槐人工林的降雨分配特征研究表明，刺槐林穿透雨量、冠層截留量和樹干徑流量分別占總降雨量的82.1%，16.3%和1.6%。本研究刺槐林的穿透雨率與其相近，但樹干徑流率高于其均值，冠層截留率低于其均值。該差異可能是林分條件不同所致。本研究區(qū)刺槐林密度較高，且屬于成熟林，林分生長趨于緩慢，存在較為嚴重的枯梢現(xiàn)象，這些因素可能導致刺槐林冠層攔截降雨能力下降。

3.2 2種林分降雨分配各組分與次降雨量和平均降雨強度關系的差異

穿透雨是林地水分補充的主要來源，與降雨量、林分類型以及林分冠層結(jié)構(gòu)等因素有關。本研究得出，2種林分的穿透雨量和穿透雨率均隨著次降雨量的增加而增加，該結(jié)論佐證了前人的研究規(guī)律。受氣候和林分等因素差異的影響，穿透雨量和穿透雨率與次降雨量的擬合方程在不同研究中有所差異，穿透雨量與次降雨量間的相關關系多為一次線性函數(shù)形式；穿透雨率與次降雨量間的擬合方程包括對數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)以及二次多項式等形式。本研究中2種林分的穿透雨量與次降雨量間呈現(xiàn)線性關系，穿透雨率與次降雨量之間呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)關系。降雨條件相同時，相較于遼東櫟林，刺槐林產(chǎn)生的穿透雨量更高。刺槐林產(chǎn)生穿透雨的次降雨閾值(1.0 mm)小于遼東櫟林(1.3 mm)，該結(jié)果與黃土高原刺槐人工林產(chǎn)生穿透雨的次降雨閾值(1.1 mm)和遼東半島蒙古櫟()林產(chǎn)生穿透雨的次降雨閾值(2.0 mm)較為一致。Crockford等的研究指出，林分條件中林冠大小、葉形、樹枝分支角度和冠層間隙等因素均會影響穿透雨量以及降雨分配的效果。本研究中刺槐林冠幅半徑(0.6～1.3 m)較遼東櫟林(0.9～3.2 m)小，葉形較遼東櫟小，枯梢現(xiàn)象嚴重等情況可能是刺槐林產(chǎn)生穿透雨量大于遼東櫟林的原因。

表2 2種林分降雨分配各組分與降雨量和平均降雨強度的Person相關分析

冠層截留的降水雖然未到達林地，但其仍是流域水量平衡的一個重要過程，研究冠層截留損失對于探究干旱半干旱地區(qū)的水文平衡過程具有重要意義。本研究得出，2種林分冠層截留量與次降雨量之間呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)趨勢，冠層截留率與次降雨量之間呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)趨勢，該趨勢佐證了前人的研究規(guī)律，但由于林地氣候特征、林分類型及植被結(jié)構(gòu)等因素存在差異，最終擬合出的回歸方程有所不同，其余擬合形式還包括二次函數(shù)、線性函數(shù)、和冪函數(shù)等形式。本研究發(fā)現(xiàn)，在次降雨量一定的情況下，遼東櫟林的冠層截留大于刺槐林，這可能與2種林分冠層的發(fā)育程度有關。本研究中遼東櫟林生長更新情況良好，冠層結(jié)構(gòu)更為復雜，而刺槐林處于成熟林階段，枯梢和細枝較多等情況可能導致冠層截留率低于遼東櫟林。

樹干徑流是樹干底部水分以及營養(yǎng)物質(zhì)的空間局部化輸入渠道，通常比穿透雨營養(yǎng)更豐富。本研究刺槐林和遼東櫟林的樹干徑流量與次降雨量之間均呈現(xiàn)線性正相關關系，樹干徑流率與次降雨量之間呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)關系，這與中間錦雞兒()灌叢的降雨分配研究以及縉云山3種典型森林降雨過程研究所得的結(jié)論一致。本研究中，刺槐林的樹干徑流總量略大于遼東櫟林，刺槐林和遼東櫟林產(chǎn)生樹干徑流的次降雨閾值分別為5.9，5.4 mm，該閾值高于西班牙東部處于有葉期的柔毛櫟()林(4.3 mm)、黃土高原的刺槐人工林(2.3 mm)和遼東半島的蒙古櫟林(2.5 mm)。這可能與樹種間林冠結(jié)構(gòu)、樹皮質(zhì)地及枝干夾角等差異有關。刺槐冠層疏松、葉片柔軟和具有托葉刺等特征有利于樹干徑流的形成。本研究中刺槐林的枯梢現(xiàn)象較為嚴重，不利于樹冠集水以及樹干徑流的產(chǎn)生，因此所需的次降雨閾值較大。此外，雖然2種林分的樹皮均為粗糙質(zhì)地，但刺槐林樹皮較遼東櫟林淺。受干旱缺水等環(huán)境因素限制，刺槐樹皮干枯剝裂等現(xiàn)象較為嚴重，較為光滑的剝裂處和線性的樹皮溝槽等特征能夠有效引導樹干徑流，遼東櫟樹皮重疊的褶皺在一定程度上抑制樹干徑流的產(chǎn)量，這些因素均可能導致刺槐林樹干徑流量以及產(chǎn)生樹干徑流所需的次降雨閾值略大于遼東櫟林。

降雨強度也是影響降雨分配過程的重要因素。本研究分析了降雨分配各組分與平均降雨強度之間的相關關系，得出降雨分配各組分與平均降雨強度之間無顯著相關關系。該結(jié)果出現(xiàn)的原因可能是本研究平均降雨強度范圍較小(0.3～5.7 mm/h)，次降雨間的平均雨強差異梯度小，因此未能與降雨分配各組分間呈現(xiàn)顯著相關關系。在雨強梯度差異較大的研究中，截留率與平均雨強之間存在顯著關系。本研究中次降雨量范圍為2.6～64.0 mm，差異明顯，呈現(xiàn)的規(guī)律也更明顯。因此本研究中的降雨分配以次降雨量主導為主，平均降雨強度對降雨分配的作用不顯著。

4 結(jié) 論

(1)刺槐林和遼東櫟林降雨分配規(guī)律均呈現(xiàn)為穿透雨量(325.0，295.1 mm)>冠層截留量(39.8，73.6 mm)>樹干徑流量(25.8，21.9 mm)，穿透雨率(83.2%和75.6%)>冠層截留率(10.2%和18.8%)>樹干徑流率(6.6%和5.6%)。

(2)2種林分降雨分配各組分均受到次降雨量的顯著影響，穿透雨量和樹干徑流量與次降雨量間呈現(xiàn)極顯著線性關系，冠層截留量與次降雨量間呈現(xiàn)極顯著對數(shù)函數(shù)關系；穿透雨率和樹干徑流率與次降雨量間呈現(xiàn)顯著對數(shù)函數(shù)關系，冠層截留率與次降雨量間呈現(xiàn)極顯著指數(shù)函數(shù)關系。刺槐林和遼東櫟林產(chǎn)生穿透雨的次降雨閾值分別為1.0，1.3 mm，產(chǎn)生樹干徑流的閾值分別為5.9，5.4 mm。

(3)刺槐林產(chǎn)生的穿透雨量和樹干徑流量大于遼東櫟林，而冠層截留量小于遼東櫟林。

未來在黃土丘陵區(qū)進行造林規(guī)劃和設計的過程中，應當將林分的降雨分配特征差異考慮在內(nèi)，同時結(jié)合林分蒸騰以及蒸散等特點，合理選擇樹種，進行樹種的科學配置。