杏樹林冠降水截留效應及其模擬研究*

任亮,任樹梅,楊培嶺,李仙岳,3

(1.中國農業大學水利與土木工程學院,北京100083;2.水利部 綜合事業局,北京100053;3.內蒙古農業大學,呼和浩特 010018)

京郊果林不僅是北京農村經濟的重要組成部分,而且對北京生態建設的重要性不可忽視。果林的水文生態功能是北京市生態系統功能的一個重要方面,水在果林生態系統中的循環與分配整合了能量流動和養分循環等生態過程[1],其中水源涵養和水土保持是果林生態系統作用中人們最為關注的服務功能,果林對大氣降雨的再分配是其水文效應中的重要環節。降雨進入果林后進行了一連串的再分配過程:形成穿透降雨、樹干徑流、樹冠截留,降雨的分配過程受到降雨量、降雨強度、降雨歷時、樹冠情況及樹種、樹齡、林分密度等多種因素的影響和制約[2-3]。

近30年來,國內很多學者采用數學方法對林冠降雨截留進行了模擬研究,主要集中在熱帶季節雨林、溫帶油松人工林、江河上游人工林等,通過經驗、半理論和理論模型[4-8]對針葉林、落葉闊葉林和混交林的降雨截留規律已作較深入的研究,但對溫帶半干旱地區果林截留特征報道甚罕。在我國北方半干旱地區,果林樹冠的截留耗水是果園耗水中不可忽略的部分,它影響果園土壤水分的運移和分配規律。本文通過研究杏樹果林對不同雨量單場降雨的截留分配效應,探討不同降水事件下杏樹果林對降水的攔截能力及差異,嘗試建立盛果期杏樹林冠截留的統計模型和Horton概念模型,就林冠對降水的分配機理與林冠截留之間的關系展開系統研究,以期對降雨高效利用的節水灌溉提供有關的指導。

1 研究地概況和研究方法

1.1 研究地概況

北京市屬北溫帶大陸性半干旱季風氣候,春天干旱多風,夏季炎熱多雨,秋季多風少雨,冬季寒冷干燥。多年平均降雨量為595 mm,80%的降雨集中在 6-8月,7-8月常有暴雨,年平均氣溫11.8℃,年日照時數2 684 h,年平均積溫4 600℃,全年無霜期210 d左右,多年平均風速2.6 m/s。

研究所選的杏樹(Apricot)林樣地設在北京市海淀區四季青經濟果樹種植園內(39°54′N,116°23′E,海拔43.5 m),1996年定植于果園中,采用定行距密株的種植方式(行距4 m,株距3.5 m),杏樹的平均高度為(3.11±0.20)m,平均胸徑為(13.10±1.22)cm,同行林冠郁閉度達到0.7,在行間沒有種植其他作物。

1.2 研究方法

在單場降雨情況下,林冠水量平衡關系為[3]:

式中 :P ——林外降雨 ;Ic——林冠截留量 ;T f——穿透降雨;St——樹干徑流。

本研究中觀測項目為林外降雨、穿透降雨和樹干徑流,觀測時間從2008年6月1日到2008年9月30日,這一時期是北京的雨季,降雨非常密集,并且杏樹枝葉茂盛,有一定的截留能力。

1.2.1 林外降雨測定 在林地邊緣的空曠地上,布設自動氣象站,連續記錄觀測期內的降雨及其他氣象資料,同時在空曠林地用標準雨量筒觀測降雨,作為對照以便進行對比分析。

1.2.2 穿透降雨測定 根據公式n=N/(1+Nα2/σ2),N=A/A′計算出試驗區需要的雨量計個數,式中:n——所需的雨量計個數;N——抽取樣本所代表的區域大小;α——精度;σ——變異系數;A——試驗區面積(m2);A′——雨量計受雨口面積(m2),隨機布置雨量計位置[9],每次降雨后及時測量,并清除落入的葉片和雜物。

1.2.3 樹干徑流測定 杏樹長勢均勻,通過大量調查,樹干胸徑為12.41～14.32 cm,所以在試驗區選取6株樣樹,在距樹干基部30 cm安裝鐵皮環狀收集槽,用導水管將截持的降水收集在雨量筒中,降雨后及時測定樹干截持雨量。取得總量后,用樹冠投影面積計算單位面積林冠的樹干徑流量。

1.2.4 樹冠截留量的計算 根據測定得林外降雨、穿透降雨、樹干徑流,由公式(1)得:

2 結果與分析

2.1 降雨特征

2008年6月1日到9月30日期間,共觀測到26次大氣降水,平均每4.6 d就有1次降雨,降水總量為528.9 mm,平均每次降雨量為20.3 mm。降水事件按大小的分布頻率(表1)中,雨量級為20～30 mm的降雨量最多,占總降雨次數的23.1%。觀測期間小雨(24 h降雨量≤9.9 mm)的次數為11次,中雨(24 h降雨量10.0～24.9 mm)為6次,大雨(24 h降雨量≥25.0 mm)為9次,大雨降雨量占到這一時期總雨量的72.2%。6-9月降雨量(見表2)分別為114.0 mm 、134.6 mm 、209.2 mm 、71.1 mm,其中 7-8 月份24 h降雨量≥20.3 mm(次降雨均值)為7次,6、9月只有4次。可以見,7、8月份次降雨量較大,也符合北京7、8月多大暴雨的氣候規律。

表1 各級降雨的分配

2.2 林內降雨

林內降雨包括穿透降雨和樹干徑流。觀測時段內,實測穿透降雨總量為440.0 mm,樹干徑流總量為4.2 mm,分別占觀測降雨總量的83.2%、0.8%。林冠穿透率在不同的雨量級差異明顯,當林外降雨＜1 mm時沒有產生穿透降雨,林冠幾乎截留所有的降雨,當雨量級逐漸增大時,穿透率隨之直線上升,雨量級＜5 mm時,穿透率保持在 50%以下,雨量級＞5 mm時,穿透率有跳躍式增加,達到77.1%。根據26次實測資料分析,穿透雨量、穿透率與林外降雨量的關系,分別如圖1-2。

圖1 穿透量與林外降雨關系

可見林內穿透降雨與林外降雨具有顯著的正相關關系。由公式可看出,當林外降雨量達到1.63 mm時,才能產生穿透降雨,這與實際觀測的結果基本符合。穿透率與林外降雨的關系,呈顯著的對數關系,當林外降雨＜15 mm時,穿透率隨著林外降雨量的增大而急劇增大,當林外降雨＞15 mm時,穿透率基本保持在80%左右,見圖2。

由表1可知,樹干徑流占林外降雨量的比例非常小,為0～0.8%,當林外降雨＜1 mm 時,沒有產生樹干徑流。實測的數據顯示,當林外降雨達到1.3 mm時,就能觀測到樹干徑流,較其他樹種的研究,杏樹樹干易于產生徑流,這與杏樹樹干的結構和樹皮的性質有一定的關系。樹干徑流與林外降雨也有密切的關系,徑流率隨著雨量級的增大而增大,雨量級＜5 mm時,樹干徑流率保持0.3%以下,雨量級＞5 mm時,徑流率基本保持在0.8%左右。由此可見,樹干徑流在整個降雨過程中占的比率很小,就對果樹生理需要而言作用甚微,所以一般情況下,可以忽略樹干徑流的影響。

2.3 林冠截留

林冠對大氣降雨的截留緩沖是水分輸入森林進行的第一次分配,通過這次分配,降雨到達地面的數量、速度、時間均發生了變化[10]。林冠的截留能力是有限的,林冠截留量也受到林冠結構、前期降水、雨量及雨強等因素的影響。觀測時段內,通過水量平衡計算的截留總量為85.1 mm,占觀測降雨總量的16.0%。分析截留資料,發現林冠截留量與林外降雨量可以由冪函數關系式表征(如圖3):

圖2 穿透率與林外降雨關系

圖3 林冠截留量與林外降雨關系

在林冠截留降雨達到飽和以前,林冠截留量隨著降雨量的增加而不斷增加,但增加的比率越來越小,直到趨近于林冠最大持水量,并最終達到飽和。所以,林冠截留量與林外降雨量呈冪函數關系。杏樹林冠的飽和持水量為7～8 mm,反映了林冠截留降雨的有限性。由表1可見,當雨量級＜5 mm時,一半以上的降雨被林冠截留,并最終蒸發損失;當雨量級在5.0～20.0 mm時,林冠截留了25%左右的降雨,實際到達地面的降雨為3.75～15 mm,有較大損失,對于大面積果園的節水灌溉,這部分的林冠截留不能忽略;當雨量級＞20 mm時,林冠截留率在18%以內,并隨著雨量級的增大而逐漸減小,而這一級別的降雨可以有效緩解旱情,少量的林冠截留顯得并不十分重要。由表2可以看出,7-8月的截留率比6月、9月小,這是因為研究區6月、9月降水以小雨為主,很少有大暴雨發生,能夠充分發揮冠層的截留作用。由上述分析可見,林冠截留不能輕易忽略,尤其雨量級較小但能起到一定緩解旱情作用時,由于截留損失,降雨將不能及時補充果林所需水分,這就需要結合人工灌溉。深入研究截留量與降雨量之間的關系,并建立適于杏樹林冠截留的模型,對于果林節水灌溉具有一定的指導意義。

3 林冠截持降雨概念模型的建立

我國地域廣闊,地區氣候差異較大,轉化成林冠截持降雨的模型也有很大不同。林冠截留概念模型是認識林冠截留物理學過程的重要手段。在眾多概念模型中,Horton模型及其改進式按照截留機理,把截留量可分解為吸附截留和樹體表面蒸發導致的附加截留[11],較好地描述了樹冠截留機制和過程,克服了統計模型參數物理意義不明確或與氣象數據結合不緊密等缺點,具有較好的應用前景。Horton模型(式3)將吸附容量簡化成一個常數,不適用于小雨量降雨事件,后來逐漸發展成了式(4)的形式[3,12-13]。王彥輝等人[14]對式(4)進行了必要的簡化,提出了適合我國不同林分的次降雨截留模型式(5):

表2 杏樹林分不同月份降雨量和分配率

式中:Ic——次降雨截留量;I*cm——以林冠投影面積上的水層厚度表示的林冠吸附降雨容量;P——次降雨量;e——濕潤樹體表面蒸發強度;r——樹體表面積(包括葉和枝干)與樹冠投影面積的比值;T——降雨歷時;α——降雨蒸發率。

之所以將式(4)中的附加截留量簡化為式(5)中次降雨的比例,是因為不易測得樹體表面積動態數據以及常規氣象數據中缺乏次降雨歷時數據。簡化后,可以利用常規的氣象數據,進行樹冠截留功能的區域模擬和評價。以式(5)作為模型,利用標準的統計程序SPSS進行模型的參數估計。對實測的26次降雨量P和次降雨截留量Ic進行擬合,得到下式:

圖4 杏樹果林冠層截留模擬值與觀測值的比較

4 結論與討論

林冠截留量不僅受各種氣象因子的影響,而且與冠層密度、厚度、雨前冠層干燥度、葉面的持水能力、林冠結構特征等樹冠性質的關系緊密[15],因而比較復雜。通過對北京雨季26次觀測數據的統計分析表明:

(1)林內降雨與林外降雨具有顯著的正相關關系,穿透率隨著雨量級的增大而增大,雨量級＞5 mm時,穿透率有跳躍式增加,隨后趨于穩定,穿透率和林外降雨量呈顯著的對數關系。樹干徑流的產生和樹的分枝角度、冠幅、樹皮的儲水能力、降雨強度等有關系[16]。杏樹容易產生樹干徑流,但產流較少,這與杏樹樹皮的儲水能力較低和分枝角度較大有直接關系,當雨量級＞5 mm時,徑流率基本穩定在0.8%。

(2)林冠截留量與林外降雨量呈顯著的冪函數關系,當林冠遇到大雨和暴雨時不能充分發揮林冠的截留能力,所以體現出大暴雨較多的7月、8月截留率明顯小于6月、9月截留率。實際的截留過程中,由于受雨強、降雨時長、枝葉表面蒸發等因子的影響,實際截留量隨著降雨量的增加而緩慢增加并趨于平穩,當降雨量＞7 mm時,杏樹截留率趨于穩定。當降雨量＜20 mm時,林冠截留對降雨產生了較大影響,林內降雨量小于林外降雨量的75%,這對果樹實際的水分補給產生了一定影響,即林冠截留不能輕易忽略,節水灌溉中應考慮截留損失。

(3)研究表明,Horton模型在實際截留量＜4 mm時,對單次降雨截留量有較好的模擬,當實際截留量＞4 mm時,模擬值偏小,從階段總截留量來看,Horton模型做了較好的模擬,模擬總量和實測總量較為接近,能夠較準確估算杏樹林冠對單次降雨的截留量,指導杏樹的節水灌溉。其中Horton模型中附加截留量由于受風速、雨前冠層干燥度、溫度等因素的影響,導致部分單次截留量模擬出現較大誤差,能否將更多影響單次截留量因素融入模型,從而更精確地反映實際林冠截留的過程和結果,還需要進一步深入的探討。

[1] Anna A,Anselm R.Trace metal fluxes in bulk deposition,through-fall and stem-flow at twoevergreen oak stands in NE Spain subject to different exposure to the industrial environment[J].Atmospheric Environment,2004,38:171-180.

[2] 王禮先,解明曙.山地防護林水土保持水文生態效益及其信息系統[M].北京:中國林業出版社,1997.

[3] 中野秀章.森林水文學[M].北京:中國林業出版社,1983.

[4] Calder,I R.A stochastic model of rainfall interception[J].J.Hydrol.,1986,89:65-71.

[5] Asdak C,Jarvis P G,van Gardingen P,et al.Rainfall interception loss in unlogged and logged forest areas of Central Kalimantan,Indonesia[J].Journal of Hydrology,1998,206:237-244.

[6] 王佑民.我國林冠降水再分配研究綜述(I)[J].西北林學院學報,2000,15(3):1-7.

[7] 王佑民.我國林冠降水再分配研究綜述(Ⅱ)[J].西北林學院學報,2000,15(4):1-5.

[8] Chappell N A,Bidin K,Tych W.Modeling rainfall and canopy controls on net precipitation beneath selectively logged tropical forest[J].Plant Ecology,2001,153:215-229.

[9] 張一平,王馨,王玉杰,等.西雙版納地區熱帶季節雨林與橡膠林林冠水文效應比較研究[J].生態學報,2003,23(12):2653-2665.

[10] 劉世榮,溫遠光,郭泉水,等.中國森林生態系統水文生態功能規律[M].北京:中國林業出版社,1996.

[11] 黨宏忠,董鐵獅,趙雨森.紅松林冠對降水的截留特征[J].東北林業大學學報,2007,35(10):4-6.

[12] 姚麗華.森林降水截留的研究近況[J].河北林學院學報,1988,3(1):103-113.

[13] Aston A R.Rainfall interception by eight small trees[J].Hydrol.,1979,42:383-396.

[14] 王彥輝,于澎濤,徐德應,等.林冠截留降雨模型轉化和參數規律的初步研究[J].北京林業大學學報,1998,20(6):25-30.

[15] 王禮先,張志強.森林植被變化的水文生態效應研究進展[J].世界林業研究,1998,20(6):14-22.

[16] 萬師強,陳靈芝.東靈山地區大氣降水特征及森林樹干徑流[J].生態學報,2000,20(1):61-67.