貴州省喀斯特闊葉林降雨截留分配特征

周秋文, 馬龍生, 顏 紅, 蔡明勇, 戴 麗

(1.貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴州 貴陽 550001; 2.環境保護部 衛星環境應用中心, 北京 100094)

貴州省喀斯特闊葉林降雨截留分配特征

周秋文1, 馬龍生1, 顏 紅1, 蔡明勇2, 戴 麗1

(1.貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴州 貴陽 550001; 2.環境保護部 衛星環境應用中心, 北京 100094)

[目的] 對貴州省喀斯特闊葉林降雨截留分配特征進行研究，為喀斯特地區水土保持和森林生態功能分析提供參考。 [方法] 以貴州喀斯特闊葉林的降雨分配特征為研究對象，利用2015年9月至2016年3月間野外實測的25場降水數據對森林林冠層、灌木層的降雨截留分配特征進行研究。[結果] 觀測期內降雨以小雨和中雨為主，降雨總量為208.25 mm；樹干流總量為21.83 mm，占降雨總量的10.48%，變化范圍為0～14.3%；林間穿透雨總量為186.89 mm，占降雨總量的89.7%。灌木層截留總量為34.86 mm，占降雨總量的16.74%；林冠截留的總量為22.58 mm，占同期降雨的10.84%。當林外降雨量大于1.15 mm時，研究區內開始產生樹干流，且樹干流與林外降雨量呈線性正相關關系；灌木截留量隨著降雨量的增大而增大，但林冠層截留率與降雨量之間沒有明顯的相關關系。 [結論] 喀斯特闊葉林對降雨具有較強的截留和再分配作用，對區域水量平衡和水土保持具有重要影響。

森林降雨; 截留; 闊葉林; 喀斯特

森林與水的關系是當今森林生態學研究的核心問題之一[1]。森林是陸地生態系統的重要組成部分，其面積占陸地總面積的33%，具有良好的水土保持功能[2]。研究森林截留與降水的關系，有助于刻畫生態系統中降水的傳輸過程與機制，進而揭示其對生態系統結構、能量代謝和生產力的影響。森林不僅能夠提供凝結核，影響降水的產生，并且森林冠層作為降水后第一個作用層，對大氣降水的重新分配具有重要意義[3-4]。因此，研究林區植被與降雨分配之間的關系，降水發生后的林冠層截留、樹干流和穿透雨的比例構成，對掌握區域水文循環過程和水量平衡具有極其重要的作用[5]。喀斯特地區是典型的生態脆弱區，其土壤貧薄，保水保肥能力差，成土速度十分緩慢，植被生長受制于惡劣的自然環境[6-7]，因此研究該區域森林與降水的作用關系更有現實意義。當前，已有學者[8-12]對森林與降雨的關系展開了研究并取得了相應的成果。其中對森林降雨研究主要從大氣降雨，林冠截留，樹干流等幾個方面進行。如周佳寧等[13]對三峽庫區典型森林植被對降雨再分配的影響的研究；李道寧等[14]對江西省大崗山主要森林類型降雨再分配特征的研究。但對喀斯特闊葉林降雨分配研究報道較少。雖然喀斯特地區植被長勢相對較差，森林面積小，但是喀斯特森林的存在，仍然在涵養水源、防止水土流失方面具有重要的生態意義。因此，本研究以貴州省典型喀斯特闊葉林為例，通過野外試驗觀測的方法，結合室內分析，對喀斯特闊葉林的林冠層和灌木層降雨截留分配特征進行分析，以豐富喀斯特森林生態水文過程研究的內容，為喀斯特地區水土保持和森林生態功能分析提供參考。

1 研究區概況

研究地點為位于貴州省貴陽市花溪區的貴州師范大學地理與環境生態試驗站(106°27′E，26°21′N)，平均海拔1 200 m。該地區具有高原季風濕潤氣候的特點，根據花溪氣象站1961—2015年的觀測資料，年平均氣溫為15 ℃，標準差為0.7 ℃，年均雨量1 124 mm，標準差為198 mm。試驗站內土壤主要為石灰土，植被類型豐富，以喬木為主，主要喬木樹種為冬青、麻櫟、女貞、楓香等，區內零星分布有馬尾松。喬木平均胸徑為15 cm，平均樹高12 m，郁閉度為0.85。

2 研究方法

2.1 樣地設置

該試驗區樣地面積為10 m×10 m，樣地內喬木樹種有香葉(Linderacommunis)、麻櫟(Quercusacutissima)、白櫟(Quercusfabri)、冬青(Ilexchinensis)、女貞(Ligustrumlucidum)、鹽膚木(Rhuschinensis)、云南樟(Cinnamomumglanduliferum)、棕櫚(Trachycarpusfortunei)等。為確保植被截留分配觀測的整體性和代表性，灌木層和喬木層的觀測，均在該樣地內進行。在其中選擇典型的地段設置降雨收集裝置，用以觀測大氣降雨、樹干流、林間穿透雨、灌木層截留、林冠截留。在離樣地30 m外架設自動氣象站1臺，設置雨量筒1個，用于監測大氣降雨。樣地內放置樹干流收集桶3個，林間穿透雨收集桶4個，灌木層截留收集桶5組(灌木上與灌木下收集桶為1組)，共放置19個收集降雨的裝置。

2.2 測定方法

(1) 大氣降水(林外降雨)測量方法。在距樣地30 m的空曠地架設ONSET公司生產的WatchDog 2 900 ET 小型自動氣象站，以測定大氣降雨。該小型自動氣象站降雨觀測高度為距地面1.5 m，分辨率為0.25 mm ±2%。同時在附近放置1個PVC材料制作，直徑為20 cm，高度為40 cm的自制雨量筒作為備用和參考。

(2) 樹干流的測量方法。選擇具有代表性的樹干，在其樹干1.5 m處，用軟管纏繞在樹干四周，固定好軟管的位置，并用玻璃膠密封接口處，以確保樹干流能全部進入下端放置的降雨收集桶內。

(3) 林間穿透雨測量方法。在林間選擇一塊相對空曠的地點，架設規格為20 cm×100 cm的集水槽來收集降雨，集水槽角度為5°，較高一端高度為1.3 m，集水槽較低的一端通過軟管與收集桶連接。穿透雨率等于林間穿透雨量除以林外降雨量；林冠層截留量等于林外降雨量減去穿透雨量；林冠層截留率等于林冠層截留量除以林外降雨量。

(4) 灌木層截留量測定方法。在樣地內隨機選擇4處灌木叢，在每處灌木下方放置一個雨量筒，在灌木層上方對應位置放置1個同規格的雨量筒，用于監測灌木截留。灌木層截留量等于灌木層上方降雨量減灌木層下方降雨量；灌木層截留率等于灌木層截留量除以灌木層上方降雨量。

3 結果與分析

3.1 大氣降雨特征

在觀測時段內共記錄到大氣降雨25次(期間部分場次降雨由于試驗條件限制未采集到)，林外降雨總量為208.25 mm，降雨量最小值為0.8 mm，最大值為58.6 mm，平均降雨量為8.33 mm。雨量級以小雨(p≤10 mm)居多，達到18場，占降雨總次數的75.2%，占降雨總量的25.8%；中雨(10 mm50 mm)1場，占降雨總場數的4%，降雨量占降雨總量的28.1%；觀測期內未記錄到大雨(25 mm

圖1 研究區降雨分布特征

3.2 樹干流特征

在觀測的25場降雨中，測得樹干流總量為21.83 mm，占降雨總量的10.5%。單次降雨的樹干流變化范圍為0～5.99 mm，變化率為0%～14.3%。采集的25場降雨中，產生樹干流的降雨有23場，當林外降雨p≥1.15 mm時，樣地內云南樟會產生樹干流，這與常學向等[15]的研究結果有所差異。由于樹干流受到多方面因素的影響，如降雨量的大小、雨強、樹種以及樹干的生長形態等，本文與其研究結果的差異可能是研究區氣候條件和植被生長狀態等方面的不同所導致。通過對不同月份的樹干流觀測數據研究發現，10月測得的樹干流流量最大，12月流量最小。分析原因是由于10月的降雨量相對其他月份較

大，導致了樹干流相應增大，充分說明樹干流大小主要受降雨量大小影響。此外，9月的樹干流測得流量比3月大，但9月的林外降雨小于3月，可能的原因是，9月雖然總降水量少，但是單場降雨量大，消耗于冠層吸附的降雨比例較少，更多比例降雨得以形成樹干流；而3月發生的8場降雨中，只有1場降雨量超過10 mm，在小雨情況下，大部分降雨消耗于冠層截留，因此樹干流較小。此外，9月是樹木生長期，林冠層比3月茂盛，林冠截留效果較好，也是造成9月樹干流小于3月的原因之一。從圖2可以看出，喀斯特闊葉林中，樹干流量總體隨降雨量增大而增大，但當降雨量增加到一定程度后，樹干流量增加的趨勢減緩(圖2)。回歸分析結果表明，樹干流量與林外降雨量存在一定函數關系：y=5.82exp(-14.57/x)，顯著性檢驗結果表明(p<0.000 1)，置信度達到99.99%以上。隨著降雨量增大，樹干流率呈先增大后減小趨勢(表1)。主要原因可能是由于當降雨量總體較小時(小雨、中雨)，隨著降雨量增加，更多的降雨得以被林冠層攔截，并通過闊葉林的枝、葉到達樹干，形成較大的樹干流率。當降雨量增加到一定程度后(大雨、暴雨)，闊葉林葉面的承載能力接近飽和，經葉面導流到樹干的雨水接近穩定值，若降雨量繼續增大(樹干流量無明顯增加)，則導致樹干流率減小。

圖2 樹干流量與林外降雨的關系

場次降雨量/mm測定次數林冠截留樹干流林間穿透雨 灌木層截留 截留量/mm截留率/%樹干流量/mm樹干流率/%穿透雨量/mm穿透雨率/%截留量/mm截留率/%<102068378600000010357670482679115～1464198374700917039875322053880223～31854783400103700109777004813400350～44654202100153800182192004782400510～7642260200014311001144900038931001115～14013713190045412003081810096225001656～181520000005171500312890002106002293～58602121148804100079059696739906合計25225810842183104818677866934861674

3.3 林間穿透雨特征

研究期間觀測到的林間穿透雨總量為186.77 mm,占整個研究期間記錄降雨總量的89.7%。2015年9，10，11，12月和2016年3月，穿透雨總量分別為32.53，110.56，5.45 mm，2.84和35.38 mm，穿透率分別為84%，93%，74%，81%，90%。可以看出，2015年10月穿透雨量最高，穿透率也最大，2015年9和12月穿透率相近。10月降水量大，降雨強度大，故穿透雨量相應較大，所以穿透雨率較大。11月穿透雨率最小，10月穿透雨率最大，因為10月的降雨量比較大，雨強比較大，所以穿透雨率比較大。12月的降雨量小于11月的降雨量，而其穿透雨率則大于11月的穿透雨率，原因可能是，進入12月后，林冠層樹葉凋落比11月更明顯，林冠截留效果較11月差，更多的降雨穿過樹葉間空隙直接進入林內，因此其穿透雨率比11月大。穿透雨量(P)與林外降雨量(X)具有較好的線性關系，呈正相關的關系，穿透雨量隨著降雨量的增大而逐漸增大。穿透雨率與林外降雨量總體呈對數函數關系，但由于受到穿透雨量、降雨大小和植被的生長狀態等因素的影響，與林外降雨的線性相關性減弱。

3.4 灌木層截留特征

觀測期內，灌木層截留總量為34.86 mm，占降雨總量的16.74%。單場降雨的灌木層截留量在0～4.27 mm，截留率在0%～67%。當降雨量>0.99 mm時，灌木層開始產生穿透雨。10月截留量最大，為16.64 mm，12月截留量最小，為1.47 mm。這是因為12月的時候大多數灌木枝葉已經凋落，導致了截留能力減弱，截留量最小，但是12月截留率最大，為42%，9月截留率最小，為19%。當降雨量由0.08 mm增加至3.50 mm時，灌木層截留率從52%下降至11%，隨著降雨量繼續增加，截留率在0%～40%上下波動。降雨量較大時截留率比較小的原因可能是，灌木的葉片比較小且光滑，能吸附水的表面積不大，能承接的雨量很小。總體而言，灌木層截留量隨降雨的增大而增大(圖3)表現為：y=ln(0.61+0.72x)的函數關系，顯著性檢驗結果表明(p<0.000 1)，置信度達到99.99%以上。但截留率與降雨量之間沒有明顯的線性相關關系。

3.5 喬木林冠截留特征

觀測期內林冠截留總量為22.58 mm，占同期降雨量的10.84%，單次降雨的林冠截留率在0%～63%，林冠截留量在0～2.61 mm。其中10月的截留量最大，達10.47 mm，12月截留量最小，為1.10 mm。林冠截留量隨著降雨的增大而發生一定波動(表1)。當降雨量為0.08～2.23 mm時，林冠截留量從0.5 mm增加至0.73 mm；當降雨為2.23～3.50 mm時，林冠截留量從0.73 mm減少至0 mm；當降雨量為3.50～13.06 mm時，林冠截留量增加至最大值2.61 mm；當降雨量為13.06～22.93 mm時，林冠截留增量為0 mm；當降雨量超過50 mm后，林冠截留量又增加至1.21 mm。總體而言，在降雨量較小的時候，林冠截留量隨降雨量增大，但是當降雨量到達一定程度后，截留量相應減小。造成這種波動的主要原因可能是，當降雨量到達一定程度后，冠層葉片充分濕潤，形成不利于雨滴附著的光滑面，導致截留能力減弱；此外，由于觀測時間較短，降雨場次較少，此現象也有可能是觀測誤差導致。林冠截留率大致隨林外降雨量增加而較少，但是相關性不高。林外降雨與林冠截留率呈負相關的原因是，林冠層截留能力是有限的，林外降雨達到一定程度后，林冠層截留能力趨于飽和，林外降雨量持續增加的情況下，截留量趨于穩定，相比之下，截留率減小。

圖3 灌木層截留量與林外降雨的關系

4 結 論

(1) 觀測期降雨以小雨、中雨為主，降雨總量為208.25 mm，最大降雨發生在2015年10月，降雨量為119.30 mm，占觀測期內降雨總量的57.29%。觀測期內，研究區林冠截留的總量為22.58 mm，占同期降雨量的10.84%，林冠截留率波動范圍在0%～63%，林冠截留量在0～2.61 mm，林間穿透雨總量為186.89 mm，占降雨總量的89.7%；灌木層截留總量為34.86 mm，占降雨總量的16.74%，單場降雨灌木層截留率波動范圍在0%～67%，截留量在0～4.27 mm。

(2) 研究區內，當樣地林外降雨量p≥1.15 mm時，喬木開始產生樹干流，且樹干流與林外降雨量呈線性正相關；總體上，灌木層截留量隨著降雨量的增大而增大，但灌木、林冠層截留率與降雨量無顯著線性相關性。樹干流量、林間穿透雨量、林間穿透雨率與林外降水呈正相關關系。

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Distribution Characteristics of Rainfall Interception by Broad Leaved Forest in Typical Karst Area of Guizhou Province

ZHOU Qiuwen1, MA Longsheng1, YAN Hong1, CAI Mingyong2, DAI Li1

(1.SchoolofGeographyandEnvironmentScience,GuizhouNormalUniversity,Guiyang,Guizhou550001,China; 2.SatelliteEnvironmentCenterofMEP,Beijing100094,China)

[Objective] Rainfall distribution characteristics of broad leaved forest in typical karst area were studied for considering contribution to soil and water conservation and forest ecological function analyze in karst area. [Methods] The rainfall distribution characteristics of broad leaved forest in Guizhou karst area were studied using the method of in situ observation. During the observation period, there were 25 rainfall recorded, and most of them were light or moderate rain. [Results] During the observation period, the total rainfall was 208.25 mm, the total amount of stem flow was 21.83 mm, which accounted for 10.48% of the total rainfall, and the variation range was 0～14.3%. Penetrating rain was 186.89 mm, which accounted for 89.7% of the total rainfall. The total amount of shrub layer interception was 34.86 mm, accounted for 16.74% of total rainfall. Canopy interception amount was 22.58 mm, which accounted for 10.84% of rainfall. When the rainfall was more than 1.15 mm in the study area, the stem flow occured and showed well positive linear correlation with rainfall. The shrub interception amount increased with the rainfall, but there was no significant linear correlation between the canopy interception rates and rainfall. [Conclusion] In general, broad leaved forest in karst area has a strong interception and redistribution effects on the rainfall, which can effectively influence the regional water balance and soil erosion.

forest rainfall; interception; broad-leaved forest; karst area

2016-05-22

2016-08-07

貴州省科學技術基金項目“基于稀疏樣點的喀斯特復雜地形區土壤水分空間估算方法研究”(黔科合J字[2015]2118號); 貴州省科技合作計劃項目(黔科合LH字[2015]7776號); 貴州師范大學博士科研啟動基金項目

周秋文(1986—)，廣西自治區桂林市人，博士，副教授，主要從事水資源水環境遙感研究。E-mail:zouqiuwen@163.com。

蔡明勇(1986—),山東省東明縣人，工程師，主要從事水文水資源遙感、生態水文建模研究。E-mail:caimingyong@126.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.054

A

1000-288X(2016)06-0321-05

S715.3

文獻參數： 周秋文, 馬龍生, 顏紅等.貴州省喀斯特闊葉林降雨截留分配特征[J].水土保持通報，2016,36(6)：321-325.