黑土區(qū)幾種人工林冠層截留降水特征

鞠敏睿，景國臣，徐金忠，魏 琳

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150070；2.黑龍江省水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150070)

森林通過林冠層、凋落物層和林下土壤層調(diào)節(jié)降水再分配過程，從而影響地表徑流形成和匯集過程，發(fā)揮森林調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土、凈化水質(zhì)的生態(tài)功能。林冠層對(duì)雨水的截留和緩沖作用，明顯減少了進(jìn)入林地的水量，地表徑流減少，從而起到削弱洪峰流量、涵養(yǎng)水源的功能，對(duì)防止土壤侵蝕有良好效益[1]。林冠截留是雨水在植物葉面吸著力、承托力、重力和水分子內(nèi)聚力作用下的葉面水分儲(chǔ)存現(xiàn)象[2]。森林植被的截留作用受植被類型、覆蓋度、郁閉度和降雨類型等的影響，其截留率變化較大，在12%～35%之間[3]。林冠層截留延續(xù)整個(gè)降水過程，在降水過程中截留的雨水不斷增加，直至達(dá)到最大截留量，降水停止后截留的雨水被蒸發(fā)。本文選擇長白落葉松人工林、樟子松人工林、白皮柳人工林、小×黑楊樹人工林、長白落葉松和樟子松混交林、小×黑楊樹和樟子松混交林6種黑土區(qū)主要林分開展冠層截留降水特征研究，對(duì)于黑土區(qū)合理布設(shè)水土保持林，提高森林降水再分配功能，改善森林調(diào)節(jié)地表徑流能力，防治土壤侵蝕具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在黑龍江省水利科學(xué)研究院克山站試驗(yàn)場(chǎng)，地理坐標(biāo)48°03′N，125°49′E，地貌類型為波狀起伏臺(tái)地，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量510 mm，多年平均徑流深50 mm，多年平均氣溫 1.1 ℃，年均≥10 ℃,積溫2380 ℃，多年平均日照時(shí)數(shù)2677 h，年均8級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)約22 d，年均風(fēng)速3.1 m/s。土壤為黑土，表土層厚度30 cm左右。研究區(qū)總面積46.0 hm2，有人工林地面積7.0 hm2，其中喬木林5.9 hm2，灌木林1.1 hm2。研究林基本情況見表1。

表1 林地基本情況

2 材料與方法

林冠層截留降水量采取小區(qū)觀測(cè)法，觀測(cè)時(shí)間為2007—2012年雨季時(shí)段，在不同林分內(nèi)布設(shè)規(guī)格為5 m×5 m正方形觀測(cè)小區(qū)，3次重復(fù)，各重復(fù)小區(qū)間距2 m。林冠層截留降水量等于林外降水量減去林下穿透降水量和樹干徑流降水量。

2.1 林外降水量觀測(cè)

在研究區(qū)林外布設(shè)自記雨量計(jì)和雨量筒各1個(gè)，觀測(cè)林外降水量。

2.2 林下穿透降水量測(cè)定

在布設(shè)的小區(qū)內(nèi)按對(duì)角線布設(shè)5個(gè)雨量筒觀測(cè)林下穿透降水量，取5個(gè)雨量筒平均值作為該小區(qū)林下穿透降水量觀測(cè)值，3個(gè)小區(qū)平均值代表該林分林下穿透降水量。

2.3 樹干徑流降水量測(cè)定

在每個(gè)觀測(cè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3棵代表樹，將直徑3cm膠管劈開，在每棵代表樹距地面0.3～0.5 m高處向下蛇形環(huán)繞樹干2～3周布設(shè)截流管，由截流管將樹干徑流輸送到地面集流桶內(nèi)并量測(cè)樹干徑流量，經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)換為樹干徑流降水量，取3棵代表樹的平均值作為該小區(qū)樹干徑流降水量，3個(gè)小區(qū)平均值代表該林分樹干徑流降水量。

2.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理采用SPSS15.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

大量的研究集中在研究林冠截留與降雨事件(強(qiáng)度、過程與歷時(shí)等)的關(guān)系方面，林冠截留量與降水量存在著緊密的線性或冪函數(shù)關(guān)系[4-6]。不同林分因其枝葉密度、性狀、表面光滑度、吸附力等不同，其冠層截留量差異較大，對(duì)降水再分配的作用機(jī)制也存在較大的差異。

林冠層截留量除與林木本身生長特征有關(guān)外，還與降水量、降水特征、氣溫、風(fēng)速等氣象因素有關(guān)。在氣象因素中，影響林冠層截留量的主要影響因子是降水特征，如降水過程、降水量、降水強(qiáng)度等。一般認(rèn)為林冠截留量在一定范圍內(nèi)(冠層未飽和的情況下)隨降水量的增加呈增加的趨勢(shì)，當(dāng)降雨量超過冠層飽和值之后，林冠截留量增加很少或不增加[7-10]。

3.1 降水量對(duì)林冠層截留量影響

通過不同林分冠層截留量測(cè)定，林冠層截留量與降水量呈正相關(guān)(見圖1)。從圖中看出，不同林分冠層截留量隨降水量增大而增加，而且在降水量小于40 mm時(shí)林冠層截留量與降水量關(guān)系緊密，當(dāng)降水量超過40 mm后，截留量與降水量關(guān)系不十分緊密，截留量變化較大。相關(guān)分析表明，不同林分林冠層截留量與降水量函數(shù)關(guān)系不同，長白落葉松林、白皮柳林、小×黑楊樹與樟子松混交林為冪函數(shù)關(guān)系，樟子松林、小×黑楊樹林、長白落葉松與樟子松混交林為多項(xiàng)式關(guān)系，在顯著性水平0.01時(shí)，R2在0.6408～0.8377之間，不同林分冠層截留量與降水量關(guān)系顯著性水平較高。

圖1 不同人工林冠層截留量與降水量關(guān)系

3.2 降水強(qiáng)度對(duì)林冠層截留量影響

降水強(qiáng)度對(duì)林冠層截留量影響主要反映在降水強(qiáng)度越大，雨滴降落速度越快，穿透冠層的能力越強(qiáng)，冠層枝葉吸附降水量減少。雨量強(qiáng)度越小，林冠攔截率越高，尤其是當(dāng)降水量小，歷時(shí)較長時(shí)，截留率越高，對(duì)降水的涵養(yǎng)比例越高[11]。通過對(duì)最大1 h和最大30 min降水強(qiáng)度和林冠層截留量分析(見圖2)，不同林分冠層截留量與最大1 h和30 min降水強(qiáng)度關(guān)系不密切，總體表現(xiàn)為林冠層截留量與降水強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，且隨降水強(qiáng)度增加闊葉林冠層截留量明顯低于針葉林。相關(guān)分析表明，不同林分冠層截留量與最大1 h降水強(qiáng)度在顯著性水平0.01時(shí)，R2在0.178～0.312之間，表現(xiàn)為弱相關(guān)；與最大30 min降水強(qiáng)度在顯著性水平0.01時(shí)，R2在0.082～0.271之間，表現(xiàn)為微度相關(guān)。

圖2 不同人工林冠層截留量與降水強(qiáng)度關(guān)系

3.3 降水量對(duì)冠層截留率的影響

截留率是森林冠層截留能力的重要指標(biāo)，它能夠較好地反映森林截留效果。隨著降水量的增加，各植被類型的林冠蓄水量逐漸趨于飽和，林冠截留率也就相應(yīng)的減少[12]。對(duì)黑土區(qū)人工林冠層截留率與降水量關(guān)系分析表明(見圖3)，林冠層截留率與降水量呈負(fù)相關(guān)，林冠層截留率是降水量的對(duì)數(shù)函數(shù)，當(dāng)達(dá)到一定降水量后，林冠層截留達(dá)到最大量，截留率基本趨于穩(wěn)定。不同林分冠層截留率差異不大，其中：長白落葉松與樟子松混交林32.4%，樟子松林27.5%，長白落葉松林26.7%，小×黑楊樹與樟子松混交林26.4%，白皮柳林24.9%，小×黑楊樹林24.2%，表現(xiàn)為針葉林冠層截留率大于闊葉林。

圖3 不同人工林冠層截留率與降水量關(guān)系

3.4 降水強(qiáng)度對(duì)冠層截留率的影響

降雨強(qiáng)度對(duì)林冠截留率的影響一是因?yàn)檩^大的降水強(qiáng)度下，林冠枝葉截留的水分穩(wěn)定性較差，由于此時(shí)雨滴具有更大的動(dòng)能，致使林冠枝葉無法截留水分；另外，較大的降水強(qiáng)度使得雨滴與林冠的接觸時(shí)間減少，林冠枝葉無法吸附水分，也降低了林冠的截留水分能力[13]。黑土區(qū)人工林冠層截留率與最大1 h和最大30 min降水強(qiáng)度關(guān)系(見圖4)，林冠層截留率與降水強(qiáng)度之間關(guān)系不緊密，且為負(fù)相關(guān)，即降水強(qiáng)度越大，林冠層截留率越小，不同林分之間冠層截留率隨降水強(qiáng)度變化幅度差別不大。

圖4 不同人工林冠層截留率與降水強(qiáng)度關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)黑土區(qū)人工林冠層截留量與降水量關(guān)系較密切，表現(xiàn)為較顯著的正相關(guān)，當(dāng)降水量增加到一定程度后，林冠層截留量與降水量之間關(guān)系不密切，且截留量變化差異較大。林冠層截留量與降水強(qiáng)度關(guān)系不緊密，表現(xiàn)為微弱負(fù)相關(guān)。

(2)黑土區(qū)人工林冠層截留率與降水量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，不同林分冠層截留率差異不大，林冠層截留率在24.2%～32.4%之間，表現(xiàn)為針葉林冠層截留率大于闊葉林。林冠層截留率與降水強(qiáng)度之間關(guān)系不緊密，但表現(xiàn)為降雨強(qiáng)度越大，林冠層截留率越小。