冀北壩上地區榆樹和樟子松人工林降雨再分配特征研究

朱占軍,李玉雯,王子怡,王雨晴,高云昌,馬增旺,劉海翔,李玉靈,3,李曉剛,3

(1河北農業大學 林學院,河北 保定071000;2河北省林業和草原科學研究院,河北 石家莊050067;3河北豐寧 沙地生態系統國家定位觀測研究站,河北 豐寧068357;4張家口市塞北林場(市國有林場管理處),河北 張家口075031)

降水是森林生態系統水分的主要來源,降雨是其主要形式[1]。降雨經過植物冠層后被再次分配,部分雨滴降落在植物枝葉上,在枝葉表面張力和吸附力的作用下被截留,這其中一部分通過蒸發又回到大氣,另一部分相互聚集,形成更大的雨滴,在其重力超過枝葉表面張力和吸附力的時候,一部分會自然地或由風吹動而從樹上滴下,形成林冠滴下雨或間接穿透雨,另一部分會從葉轉移到枝、再從枝轉移到樹干形成樹干莖流;在降雨過程中,還有一部分雨滴會直接穿過林冠間隙到達林地表面形成直接穿透雨,間接穿透雨和直接穿透雨共同被稱為林內降雨[2-5]。林冠層對降水的再分配改變了水分輸入的時空間分布格局,影響林地的水土流失及養分循環,進而影響植物生長及生物多樣性,是維持森林生態系統穩定的重要環節[6-12]。

林冠對降雨的再分配過程較為復雜,受氣象等環境因素和林冠特征等多重影響[13],多數研究表明,降雨再分配的水文分量為穿透雨最多,林冠截留量次之,樹干莖流量最少[14-15]。然而,也有研究發現,林冠截留量大于穿透雨量[11]。劉建立等在對六盤山疊疊溝小流域華北落葉松人工林冠層降水再分配特征的研究中發現,穿透雨、樹干莖流和林冠截留的數量與降雨量呈正相關關系,并且在高的雨量(>20 mm)和雨強(>5 mm/h)下逐漸趨于穩定[15]。陳妍等在對南方水土流失區馬尾松林降雨截留再分配特征的研究中發現,林外降雨量與穿透雨、樹干莖流呈線性正相關關系,與林冠截留呈對數關系[16]。徐麗娜等在對長白山白樺和云杉林的降雨截留再分配特征的研究中發現,白樺林的穿透雨量、樹干徑流量均高于云冷杉林,林冠截留量低于云冷杉林[17]。由于研究地、樹種、林冠結構的不同,各研究的結果存在一定差異。

冀北壩上地區屬于典型的半干旱地區,該地區的原生植被大部分為溫帶半干旱干草原,水是該地區植被生長的主要限制因子[18-19]。隨著人口的增加,長期盲目的墾荒與放牧使該地區原生草原遭到了嚴重破壞[20]。20 世紀 70 年代以來,冀北地區實施了三北防護林、京津風沙源治理與退耕還林還草等一系列生態恢復工程[20-21]。經過多年的植樹造林,林地已經成為該地區一個主要的土地利用類型,占該地區土地面積的15%左右[22]。樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)為該地區主要的外來造林樹種之一,而榆樹(Ulmuspumila)為當地主要的天然樹種之一,兩者對冀北壩上地區的生態環境都具有重要影響。然而,冀北壩上地區有關樟子松和榆樹人工林對降水再分配特征的研究較少,因此本研究在該地區以胸徑、樹高、密度、郁閉度等條件相似的榆樹和樟子松人工林為研究對象,測定不同降雨量情況下兩種人工林降雨再分配各分量,分析兩種人工林在降雨再分配上的區別及主要影響因素,明確人工造林對壩上地區生態系統水分循環的影響。

1 研究地概況

研究地位于河北省承德市豐寧滿族自治縣大灘鎮(E 116.02,N 41.58),該地區地勢東南高西北低,海拔1 430～2 206.5 m;多年平均氣溫0.5 ℃,1月平均氣溫-19.4 ℃,極端最低氣溫-43.2 ℃,7月平均氣溫17.4 ℃,極端最高氣溫32.4 ℃;無霜期年平均83 d;年平均降水量430 mm;境內最大的河流為灤河源頭,流域面積9.8 km2。該地區屬于典型的半干旱地區,植被類型主要有旱地作物、草地、原生林和人工防護林,目前,大灘鎮有農業耕地面積120.53 hm2,可利用草地面積203.64 hm2,林地面積254.5 hm2[23]。植被以多年生草本植被為主,優勢種主要有羊草、冰草、野豌豆等,雜草比重較大[24]。樟子松目前為冀北壩上地區應用最多的外來造林樹種,榆樹則為該地區主要的天然樹種,兩種人工林在壩上地區生態建設種都發揮著重要的作用。畜牧業以飼養肉牛、生豬、羊、家禽為主[23]。

2 材料與方法

2.1 樣地設置

2022年7-8月,在前期踏查的基礎上,分別在大灘鎮胸徑、郁閉度等相似的樟子松和榆樹人工林中各隨機設置3個面積不小于10 m×10 m的標準地,對標準地中的樟子松和榆樹每木檢尺,兩種林分概況如表1。

表1 樣地概況Table 1 General situation of plots

2.2 測定方法

2.2.1 林外降雨量測定 在林外天然草地隨機設置3個雨量桶,測定林外降雨量,計算公式如下：

(1)

式中：P—林外降雨量(mm);

VP—收集到雨水體積(mL);

A—雨量桶的橫截面積(cm2)。

2.2.2 林內降雨量測定 在每個樣地內各選擇1株標準株(每種林分共3株標準株),在林冠邊緣到樹干的中心位置各設置1個雨量桶,測定林冠下降雨量。根據每木檢尺的數據分別計算出空地和林冠的面積,再根據林外降雨和林冠下降雨加權平均數算出林內降雨量,計算公式如下：

(2)

(3)

式中：T—林下降雨量(mm);

VT—收集到的雨水體積(mL);

A—雨量桶的橫截面積(cm2);

P—林內降雨量(mm);

P—林外降雨量(mm);

fP—樣地內空地面積占樣地總面積的比例;

fT—樣地內林冠面積占樣地總面積的比例。

2.2.3 樹干莖流量測定 在每個樣地內再各選擇1株標準株(每種林分共3棵標準株),用釘子將剪開的蛇皮管固定纏繞在每棵標準株1.5 m以下的樹干上,使用密封膠密封蛇皮管和樹木之間的縫隙防止漏水,蛇皮管下方接雨量桶用于測定樹干莖流量,計算公式如下：

(4)

式中：G—樹干莖流量(mm);

Gn—標準株的徑流體積(L);

Kn—標準株樹冠的投影面積(m2);

GT—樣地內所有樹木樹冠的投影面積(m2);

S—樣地的面積(m2)。

2.2.4 林冠截留量計算 根據水量平衡原理,林冠截留量的計算公式為：

I=P-P′-G

(5)

式中：I—林冠截留量(mm);

P—林外降雨量(mm);

P′—林內降雨量(mm);

G—樹干徑流量(mm)。

2.3 統計分析

用回歸分析法分析榆樹和樟子松人工林林冠截留各水文分量隨林外降雨量的變化;用單因素方差分析法分析榆樹和樟子松人工林之間各水文分量與同一林分不同水文分量之間的差異(α=0.05)。所有數據用Excel 2016處理,用SPSS 26進行統計分析。

3 結果與分析

3.1 研究期間降雨量分布

研究期間降雨量的分布見圖1。由該圖可知,研究期間共發生13次降雨,平均每4.1 d發生1次,最小降雨量為1.04 mm,發生在8月1日,最大降雨量為51.74 mm,發生在8月23日至26日。由于8月1日、8月8日、8月14日、8月21日和8月29日的林冠下降雨量或樹干莖流量數據缺失,本研究采用除此之外其他日期的降雨量進行分析。

圖1 研究期間降雨量的分布Figure 1 Rainfall distribution during the study period

3.2 榆樹和樟子松人工林林冠截留各水文分量隨林外降雨量的變化

3.2.1 榆樹和樟子松人工林林冠截留量隨林外降雨量的變化 榆樹和樟子松人工林林冠截留量與林外降雨量的關系見圖2。

(a)榆樹人工林

由圖2可知,榆樹和樟子松人工林的林冠截留量均隨林外降雨量的增加而增加,榆樹人工林的林冠截留量與林外降雨量的關系以指數曲線擬合最佳,擬合方程為y=0.276 8e0.043 6x,R2=0.747 9;樟子松人工林的林冠截留量與林外降雨量的關系以對數曲線擬合最佳,擬合方程為y=0.989 ln(x)-0.015 4,R2=0.434 7。

3.2.2 榆樹和樟子松人工林林內降雨量隨林外降雨量的變化 榆樹和樟子松人工林林內降雨量與林外降雨量的關系見圖3。

(a)榆樹人工林

由圖3可知,榆樹和樟子松人工林的林內降雨量隨林外降雨量的增加均呈線性增加關系,其中榆樹人工林的林內降雨量與林外降雨量的擬合方程為y=0.925 2x+0.355 3,R2=0.996 1;樟子松人工林的林內降雨量與林外降雨量的擬合方程為y=0.923 5x-1.784 3,R2=0.988 6。

3.2.3 樟子松人工林林冠截留各特征量隨林外降雨量的變化 榆樹和樟子松人工林樹干莖流量與林外降雨量的關系見圖4。

(a)榆樹人工林

由圖4可知,榆樹和樟子松人工林的林內降雨量隨林外降雨量的增加均呈線性增加關系,其中榆樹人工林的樹干莖流量與林外降雨量的擬合方程為y=0.007 9x-0.002,R2=0.852 4;樟子松人工林的樹干莖流量與林外降雨量的擬合方程為y=0.030 4x-0.139 1,R2=0.948 6。根據擬合方程,理論上榆樹和樟子松人工林分別在林外降雨量為0.25 mm和4.58 mm時才開始產生樹干莖流。

3.3 榆樹和樟子松人工林之間降水分配的差異

3.3.1 榆樹和樟子松人工林之間林冠截留量的差異 不同降雨量情況下2種林分林冠截留量之間的差異見圖5。

圖5 不同降雨量榆樹和樟子松人工林林冠截留量的差異Figure 5 Differences in canopy interception with different rainfall of U.pumila and P.sylvestris var. mongolica plantations 注：“*”表示差異顯著,P<0.05,下同。

由圖5可知,在降雨量為19.91 mm時,2種人工林的林冠截留量差異不顯著(P>0.05);在降雨量為1.43、11.66、13.62、19.78、26.53、34.71 mm時,樟子松人工林的林冠截留量顯著大于榆樹人工林(P<0.05);在降雨量為51.74 mm時,榆樹人工林的林冠截留量顯著大于樟子松人工林(P<0.05)。

3.3.2 榆樹和樟子松人工林之間林內降雨量的差異 不同降雨量情況下榆樹和樟子松人工林之間林內降雨量的差異見圖6。

圖6 榆樹和樟子松人工林之間林內降雨量的差異隨林外降雨量的變化Figure 6 Differences in rainfall inside with rainfall outside the forest of U.pumila and P.sylvestris var. mongolica plantations

由圖6可知,2種人工林之間林內降雨量的差異并無明顯規律,降雨量為11.66 mm時榆樹人工林林內降雨量顯著大于樟子松人工林(P<0.05),其他降雨量2種人工林之間林內降雨量差異均不顯著(P>0.05)。

3.3.3 榆樹和樟子松人工林之間樹干莖流量的差異 不同降雨量情況下2種林分樹干莖流量的差異見圖7。

圖7 不同降雨量榆樹和樟子松人工林之間樹干莖流量的差異Figure 7 Differences in stem flow with different rainfall of U.pumila and P.sylvestris var. mongolica plantations

由圖7可知,在降雨量為11.66、13.62、19.91 mm等小雨量級時,2種人工林之間樹干莖流量的差異不顯著(P>0.05);當降雨量為19.78、26.53、34.7、51.74 mm等大雨量級時,樟子松人工林樹干莖流量顯著大于榆樹人工林(P<0.05)。

3.4 榆樹和樟子松人工林降水分配隨降雨量的變化

3.4.1 榆樹人工林林冠截留各水文分量的分布隨降雨量的變化 榆樹人工林林冠截留各水文分量的分布隨降雨量的變化見表2。

表2 榆樹人工林林冠截留各水文分量的分布隨降雨量的變化Table 2 Changes of the distribution of canopy interception hydrological components of U.pumila plantation with rainfall

由表2可知,各雨量級情況下,榆樹人工林的林內降雨量均顯著大于樹干莖流量和林冠截留量(P<0.05);在林外降雨量為1.43、19.9和51.74 mm時,林冠截留量顯著大于樹干莖流量(P<0.05),其他降雨量二指標差異不顯著(P>0.05)。

3.4.2 樟子松人工林林冠截留各水文分量的分布隨降雨量的變化 樟子松人工林林冠截留各水文分量的分布隨降雨量的變化見表3。

表3 樟子松人工林林冠截留各水文分量的分布隨降雨量的變化Table 3 Changes of the distribution of canopy interception hydrological components of P. sylvestris var. mongolica plantation with rainfall

由表3可知,在研究期間各雨量級情況下,樟子松人工林的林內降雨量均顯著大于樹干莖流量和林冠截留量(P<0.05);降雨量為51.74 mm時,林冠截留量與樹干徑流量的差異不顯著(P>0.05),其他降雨量均為林冠截留量顯著大于樹干莖流量(P<0.05)。

4 討論

4.1 冀北壩上地區樟子松和榆樹人工林林冠截留特征及其影響因素

在降雨初期或雨量級較小的情況下,降雨全部被林冠吸收,此時林冠截留量增加較快,在雨量級較大時,林冠吸水飽和后截留量趨于穩定,因此,林冠截留量與林外降雨量應該呈對數關系[15]。本研究中,樟子松人工林林冠截留量隨林外降雨量的變化符合這一規律,但榆樹人工林在研究期間以指數關系擬合最佳。林外降雨量在小于34.71 mm時,除降雨量為19.91 mm時2種人工林林冠截留量差異不顯著外,其他降雨量時的林冠截留量均為樟子松人工林顯著大于榆樹人工林,這可能是因為樟子松的葉為針葉,兩針一束,且在枝條上密集著生;榆樹的葉為闊葉,單片稀疏著生,樟子松的樹冠對雨水的吸附力比榆樹更強,同時降雨量為19.91 mm以外的降雨可能伴有強風,被榆樹林冠截留的雨水在風的作用下大量滴落,而被樟子松林冠截留的雨水受到的影響并不顯著,從而導致榆樹人工林的林冠截留量顯著小于樟子松人工林。降雨量為51.74 mm時,榆樹人工林的林冠截留量超過了樟子松人工林,這可能是在相同直徑、樹高、密度和郁閉度的情況下,榆樹有比樟子松更大的樹冠體積(表1),從而使其擁有更大的葉面積指數所致。

4.2 冀北壩上地區樟子松和榆樹人工林林內降雨特征及其影響因素

林內降雨量隨林外降雨量的增加而增加,但在林外降雨量非常小時,由于降雨幾乎全部被林冠吸附,林內降雨近似等于零,且最初增加緩慢,而后隨林外降雨量的增加而激增,大致呈直線上升,因此在整個降雨過程中,林內降雨量隨林外降雨量的增加會呈指數關系增加[26]。本研究中,2種人工林的林內降雨量隨林外降雨量的增加并沒有呈指數關系增加,而是都呈線性關系,這可能是研究地2種人工林的郁閉度都比較小(表1),林冠截留效應太小,林內降雨中直接穿透雨占的比重過大所致。本研究結果顯示,在大部分降雨量情況下,2種林分的林內降雨量沒有顯著差異,但在降雨量為11.66 mm時,榆樹人工林的林內降雨量顯著大于樟子松人工林(圖6),如上所述,出現這種情況的原因這也可能是風增加了榆樹林冠吸附的雨水的滴落量。

4.3 冀北壩上地區樟子松和榆樹人工林樹干莖流特征及其影響因素

由于林冠截留效應的存在,樹干莖流的發生存在一定的滯后性,并且樹干莖流量隨林外降雨量的增加線性增加[27-30]。本研究結果顯示,榆樹和樟子松人工林分別在林外降雨量為0.25 mm和4.58 mm時才開始產生樹干莖流,且二者與林外降雨量呈顯著線性關系,這與前人研究結果一致。樟子松人工林樹干莖流的臨界值大于榆樹人工林,這也可能是樟子松葉的特征使其對雨水的吸附能力比榆樹更強所致。一般來說,在相同降雨條件下,闊葉樹的樹干莖流大于針葉樹[31]。本研究結果顯示,林外降雨量小于13.62 mm時,2種人工林樹干莖流量沒有顯著差異(圖7),這可能是小雨量級時,2樹種的枝葉和樹皮都比較干燥,能吸附大部分雨水,2個樹種產生的樹干莖流量都較少所致[22];降雨量為19.78、26.53 mm和34.71 mm時,榆樹的樹干莖流量顯著小于樟子松(圖7),如上所述,降雨量為1.43～19.78 mm和26.53～34.74 mm時可能伴有強風,使大量榆樹的林冠截留以間接降雨的形式滴下,從而增大了林內降雨量,減小了林冠截留量和樹干莖流量,在此過程中,樟子松的葉因對雨水的吸附能力強而受到的影響不顯著,因此造成上述結果。降雨量為19.91 mm時天氣條件比較穩定,沒有強風發生,榆樹林冠因此會吸附更多的雨水,經林冠匯聚成樹干莖流的雨水增多,使2種人工林樹干莖流量差異變得不顯著。降雨量為51.74 mm時,也沒有強風的發生,而樟子松人工林的樹干莖流量顯著大于榆樹人工林,這可能是樟子松樹皮光滑且吸水能力弱,榆樹樹皮粗糙且吸水能力強,使榆樹對樹干莖流的阻攔和吸收作用比樟子松更強更持久所致。

4.4 冀北壩上地區樟子松和榆樹人工林林冠截留各水文分量的分布特征及其影響因素

研究表明,不同植被類型林冠層對降雨的分配表現為穿透雨最多,林冠截留次之,樹干莖流最小[32]。本研究中,榆樹和樟子松人工林的林內降雨量在所有雨量級均顯著大于樹干莖流量和林冠截留量,這與多數研究結果一致。在降雨初期和小雨量級情況下,所有降落到樹冠上的雨水都被吸附,此時林冠截留量通常大于樹干莖流量,隨著降雨量的增大,林冠截留量趨于穩定,但林內降雨量和樹干莖流量繼續增大,當降雨量達到一定程度時,樹干莖流量會超過林冠截留量[15]。本研究中,樟子松人工林的林冠截留量在林外降雨量為1.43～34.71 mm時均顯著大于樹干莖流量,在林外降雨量為51.74 mm時二者無顯著差異(圖9)說明了這一點。而榆樹人工林在林外降雨量為1.43、19.91 mm和51.74 mm時林冠截留量顯著大于樹干莖流量,其他降雨量二者均無顯著差異(圖8),如前文所述,這可能是降雨量為19.91 mm和51.74 mm之外的降雨伴有強風,使榆樹人工林林冠截留量減小所致。

5 結論

樟子松的樹冠對雨水的吸附能力強于榆樹,但在相同胸徑、樹高、密度和郁閉度情況下,榆樹人工林林冠截留容量比樟子松人工林大。在郁閉度較小的情況下,2種人工林林內降雨量隨林外降雨量的增加線性增加。2種人工林樹干莖流的發生均有明顯的滯后性,且樟子松人工林產生樹干莖流的臨界值大于榆樹人工林;榆樹樹干對樹干莖流的吸收和阻攔作用比樟子松強。在胸徑、樹高、密度、郁閉度相似的情況下,2種人工林均為林內降雨量最大,在雨量級較小時林冠截留量大于樹干莖流量,隨著雨量級的增加,樹干莖流量會超過林冠截留量。風降低了榆樹人工林的林冠截留量和樹干莖流量,增加了林內降雨量,但對樟子松人工林林冠截留各水文分量沒有產生明顯影響。