不同降雨等級(jí)及林分間伐強(qiáng)度對(duì)紅松人工林穿透雨特征的影響

姚博

(遼寧省森林經(jīng)營(yíng)研究所，遼寧 丹東 118003)

森林具有多種生態(tài)服務(wù)功能，在維持生物多樣性、保持水土、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、固碳釋氧等方面發(fā)揮著重要作用，而且還提供大量的木材與林產(chǎn)品，對(duì)于維系區(qū)域生態(tài)安全、保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等具有無(wú)可替代的作用[1]。同時(shí)，多數(shù)森林分布在江河源頭、山地、丘陵等地，其保持水土、涵養(yǎng)水源等功能尤其重要，因而森林水文研究已經(jīng)成為森林生態(tài)學(xué)、森林水文學(xué)及水資源利用等研究的重要組成部分[2]。

大氣降水進(jìn)入森林生態(tài)系統(tǒng)后，首先受到林冠層的截留，之后進(jìn)一步分配為穿透雨和樹(shù)干徑流[3]，改變了自然降水的分配過(guò)程，直接降低了雨水對(duì)地面的沖刷。國(guó)內(nèi)外研究表明：降水經(jīng)過(guò)林冠層時(shí)，林冠截留10%～40%，穿透雨率為60%～90%，樹(shù)干徑流率為0.5%～14%[4]，主要影響林冠截留分配的原因有林型、樹(shù)木特征(郁閉度、胸徑、樹(shù)高、樹(shù)皮粗糙度等)、降雨量、降雨強(qiáng)度等[5]。關(guān)于穿透雨的研究主要集中在林冠截留量、穿透雨量、徑流量與總降雨量之間的關(guān)系以及穿透雨空間分布特征，林冠分配降雨過(guò)程模擬與模型等[6-7]，但關(guān)于穿透雨形成的過(guò)程，及其與降雨量、降雨強(qiáng)度、林分密度的關(guān)系尚不十分清楚，影響了對(duì)森林水源涵養(yǎng)功能及過(guò)程的科學(xué)認(rèn)識(shí)，制約了森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的優(yōu)質(zhì)、高效與持續(xù)發(fā)揮。

紅松(Pinuskoraiensis)是遼寧省東部山區(qū)的主要造林樹(shù)種之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，遼寧紅松人工林面積已經(jīng)達(dá)到10萬(wàn)多 hm2[8]，在提供木材、涵養(yǎng)水源、保持水土等方面發(fā)揮著重要作用。在大力發(fā)展人工林的背景下，近年來(lái)對(duì)紅松人工林水土保持、水源涵養(yǎng)等方面的研究也在不斷增加[9-11]，但主要集中在紅松人工林水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)、水土保持等方面[12]，間伐對(duì)紅松人工林水源涵養(yǎng)功能影響方面的研究尚不多見(jiàn)。為了更好地了解紅松人工林的降水再分配過(guò)程，本文以不同間伐強(qiáng)度的紅松人工林為研究對(duì)象，分析不同降雨強(qiáng)度下穿透雨的產(chǎn)生過(guò)程，提示不同間伐強(qiáng)度對(duì)紅松人工林穿透雨產(chǎn)生過(guò)程的影響規(guī)律，為科學(xué)經(jīng)營(yíng)紅松人工林提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于遼寧省本溪滿(mǎn)族自治縣草河口鎮(zhèn)遼寧省森林經(jīng)營(yíng)研究所實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)解放林內(nèi)(123°54′36″E，40°52′5″N)，平均海拔645 m，坡度15°～20°。年平均氣溫6.1～6.3 ℃，年最低氣溫-33 ℃，最高氣溫32 ℃，年均降水量926.3 mm，年均蒸發(fā)量1 118 mm，無(wú)霜期127 d[13]。該地區(qū)屬于長(zhǎng)白山余脈西南延伸部分，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。植被為長(zhǎng)白植物區(qū)系，土壤類(lèi)型以棕色森林土為主，pH值5.3～6.3，土層厚度30～50 cm。

2 研究方法

2.1 樣地布設(shè)

試驗(yàn)林于1949年春營(yíng)造，造林密度為3 500株·hm-2，苗齡6 a，造林前系天然次生林采伐跡地開(kāi)墾的耕地，造林成活率95%[14]。固定樣地試驗(yàn)設(shè)置于1967 年，間伐強(qiáng)度以單位面積保留林木株數(shù)確定，設(shè)置面積各為1 000 m2的試驗(yàn)小區(qū)5 個(gè)，最初各試驗(yàn)小區(qū)分別保留800株·hm-2(極強(qiáng)度)、1 200株·hm-2(強(qiáng)度)、1 600株·hm-2(中度)、2 000株·hm-2(弱度)、對(duì)照區(qū)為2 380株·hm-2，與對(duì)照區(qū)相比采伐強(qiáng)度分別為66.39%、49.58%、32.77%及15.97%。此后又經(jīng)過(guò)1984年、1996年、2005年、2012年共4次間伐，其中對(duì)照區(qū)為從未受過(guò)任何人為干擾的林分， 通過(guò)自然稀疏保留到2017年，株數(shù)為1 070株·hm-2。本研究中按照采伐強(qiáng)度將人為經(jīng)營(yíng)干擾等級(jí)劃分為5 級(jí)：其中極強(qiáng)度(150株·hm-2)、強(qiáng)度(210株·hm-2)、中度(310株·hm-2)、弱度(470株·hm-2)及對(duì)照區(qū)(1 070 株·hm-2)，目前林分基本穩(wěn)定，林下植被近3年變化較小。本研究選擇其中的極強(qiáng)區(qū)、中度區(qū)和對(duì)照區(qū)作為研究對(duì)象，各試驗(yàn)區(qū)林分基本情況見(jiàn)表1。

表1 不同間伐強(qiáng)度紅松人工林試驗(yàn)區(qū)基本情況表

2.2 降雨量測(cè)定

觀(guān)測(cè)點(diǎn)位于遼寧省森林經(jīng)營(yíng)研究所實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)的氣象觀(guān)測(cè)站內(nèi)，該氣象站距離試驗(yàn)樣地約800 m。在氣象觀(guān)測(cè)站內(nèi)選擇距圍欄3 m以上，上方無(wú)遮擋處設(shè)置自動(dòng)翻斗式雨量計(jì)，該雨量計(jì)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，自動(dòng)記錄脈沖信號(hào)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換，精度為0.2 mm，采集間隔時(shí)間為5 min，測(cè)量降雨量、降雨歷程等。

為了便于統(tǒng)計(jì)分析，借鑒國(guó)家氣象局與相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)降雨量等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)[15]，本文將研究期間內(nèi)的降雨劃分為以下5個(gè)等級(jí)：小雨(24 h內(nèi)降雨量0.1～9.9 mm)、中雨(24 h內(nèi)降雨量10～24.9 mm)、大雨(24 h內(nèi)降雨量25～49.9 mm)和暴雨(24 h內(nèi)降雨量50～99.9 mm)、大暴雨(24 h內(nèi)降雨量100～249.9 mm)。

表2 2018年8-9月試驗(yàn)區(qū)降雨情況

注：林外總降雨量合計(jì)279.7 mm，降雨次數(shù)合計(jì)5次

觀(guān)測(cè)在2018年8-9月進(jìn)行，選擇不同降雨級(jí)別(小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨)各一次，各降雨情況見(jiàn)表2。

2.3 穿透雨測(cè)定

在3種間伐強(qiáng)度的紅松人工林標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，隨機(jī)設(shè)置2個(gè)穿透雨承接器(由PVC材料制作而成，其水平截面為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)×寬×高為110 cm×54 cm×25 cm，上方設(shè)有開(kāi)口以承接降雨，下方一端設(shè)有出水口)，承接器距地面高度1.5 m(減少林下灌木草本的影響)，放置的水平傾斜角度為5°，出水口位于一端的最低點(diǎn)。將穿透雨承接器出水口用導(dǎo)管與自動(dòng)翻斗式雨量計(jì)相連(HOBO自記雨量計(jì)改裝、采集間隔時(shí)間為5 min、精度0.2 mm)。每次降雨前將穿透雨承接器提前安放到采樣地點(diǎn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 間伐強(qiáng)度對(duì)紅松人工林穿透雨率的影響

圖1為8-9月不同間伐強(qiáng)度紅松人工林試驗(yàn)樣地穿透雨量與降雨量的比例，隨間伐強(qiáng)度的增加，紅松人工林的穿透雨率顯著增加(P<0.05)，表現(xiàn)為對(duì)照區(qū)穿透雨率(84.8%)<中度區(qū)(92.6%)<極強(qiáng)區(qū)(93.3%)。在統(tǒng)計(jì)5 場(chǎng)降雨(總計(jì)279.7 mm)，中度區(qū)與極強(qiáng)區(qū)的穿透雨總量比對(duì)照區(qū)分別增加了20.2 mm與21.8 mm。

圖1 不同間伐強(qiáng)度紅松人工林穿透雨率

3.2 降雨等級(jí)對(duì)紅松人工林穿透雨量的影響

由圖2可知，當(dāng)降雨等級(jí)為小雨時(shí)(3.5 mm)，中度區(qū)的穿透雨最大(97.1%)，對(duì)照區(qū)穿透雨量最小(77.1%)；當(dāng)降雨等級(jí)為中雨、大雨及暴雨時(shí)，穿透雨量隨間伐強(qiáng)度的增加而增加，極強(qiáng)區(qū)的穿透雨量最大，對(duì)照區(qū)穿透雨量最小；當(dāng)降雨等級(jí)為大暴雨時(shí)(129.5 mm)，中度區(qū)與極強(qiáng)區(qū)的穿透雨量為降雨的101.1%和100.3%，說(shuō)明當(dāng)降雨量等級(jí)大于大暴雨，中度區(qū)與極強(qiáng)區(qū)林冠截留降雨達(dá)到了飽和狀態(tài)[16]，林冠截留降雨的能力減弱，這可能受空間異質(zhì)性的影響[17]。

小雨 中雨 大雨 暴雨 大暴雨

圖2不同降雨等級(jí)下紅松人工林的穿透雨率

3.3 降雨等級(jí)及林分間伐強(qiáng)度對(duì)紅松人工林穿透雨進(jìn)程的影響

圖3 3.5 mm降雨時(shí)穿透雨產(chǎn)生進(jìn)程

當(dāng)降雨等級(jí)為小雨條件時(shí)(3.5 mm)(圖3)，降雨初始強(qiáng)度為2.1 mm·(5 min)-1，各間伐強(qiáng)度區(qū)穿透雨產(chǎn)流起始時(shí)間與林外相同，極強(qiáng)區(qū)由于間伐強(qiáng)度相對(duì)較大，因此極強(qiáng)區(qū)穿透雨峰值時(shí)間與林外相同，為1.3 mm·(5 min)-1，5 min后林外降雨強(qiáng)度逐漸下降，此時(shí)對(duì)照區(qū)與中度區(qū)的穿透雨才達(dá)到最高值，為對(duì)照(1.1 mm)<中度(1.6 mm)。當(dāng)降雨結(jié)束時(shí)，各間伐強(qiáng)度區(qū)穿透雨并沒(méi)有因降雨結(jié)束而停止，產(chǎn)流結(jié)束時(shí)間相對(duì)延遲，表現(xiàn)為對(duì)照區(qū)(延遲5 min)<極強(qiáng)區(qū)(延遲10 min)<中度區(qū)(延遲15 min)。

圖4 18.3 mm降雨時(shí)穿透雨產(chǎn)生進(jìn)程

當(dāng)降雨等級(jí)為中雨時(shí)(18.3 mm)(圖4)，降雨初始強(qiáng)度為0.2 mm·(5 min)-1，當(dāng)5 min后降雨強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)至0.6 mm·(5 min)-1，此時(shí)各間伐強(qiáng)度區(qū)分別產(chǎn)生穿透雨，其穿透雨量與間伐強(qiáng)度成正比，表現(xiàn)為對(duì)照(0.1 mm)<中度(0.2 mm)<極強(qiáng)(0.3 mm)，10 min后降雨強(qiáng)度開(kāi)始減弱，但各間伐強(qiáng)度區(qū)穿透雨量此時(shí)才出現(xiàn)第1個(gè)峰值，比林外降雨峰值延遲5 min，隨降雨強(qiáng)度減弱各間伐強(qiáng)度區(qū)穿透雨沒(méi)有而停止產(chǎn)流，35 min后出現(xiàn)第2個(gè)峰值時(shí)〔1.3 mm·(5 min)-1〕，各間伐強(qiáng)度區(qū)穿透雨量峰值表現(xiàn)為中度(0.7 mm)<極強(qiáng)與對(duì)照(1.0 mm)，各間伐強(qiáng)度區(qū)穿透雨產(chǎn)生峰值及延遲規(guī)律與第1個(gè)峰值一致，當(dāng)出現(xiàn)第3次峰值時(shí)〔3.9 mm·(5 min)-1〕，各間伐強(qiáng)度區(qū)穿透雨量峰值表現(xiàn)為對(duì)照(2.6 mm)<中度(2.7 mm)<極強(qiáng)(2.8 mm)，穿透雨峰值及延遲時(shí)間與前兩次相同，隨后降雨逐漸減弱至結(jié)束，產(chǎn)流結(jié)束時(shí)間相對(duì)延遲，表現(xiàn)對(duì)照區(qū)與極強(qiáng)區(qū)(延遲10 min)<中度區(qū)(延遲15 min)。

當(dāng)降雨等級(jí)為大雨時(shí)(30.5 mm)，林外降雨強(qiáng)度為0.2 mm·(5 min)-1(圖5)，降雨15 min內(nèi)沒(méi)有加強(qiáng)，各間伐區(qū)中只有對(duì)照區(qū)在第15 min時(shí)產(chǎn)生1次穿透雨〔強(qiáng)度為0.1 mm·(5 min)-1〕，之后降雨暫停了15 min，此時(shí)各間伐區(qū)沒(méi)有產(chǎn)生穿透雨。30 min后再次降雨并持續(xù)了15 min后結(jié)束，平均強(qiáng)度為0.3 mm·(5 min)-1，此時(shí)各間伐區(qū)與林外相比5 min后開(kāi)始產(chǎn)生穿透雨，強(qiáng)度為0.2 mm·(5 min)-1。當(dāng)出現(xiàn)第2次峰值時(shí)〔4.1 mm·(5 min)-1〕，各間伐強(qiáng)度區(qū)穿透雨產(chǎn)流起始時(shí)間及峰值產(chǎn)生時(shí)間與林外降雨一致，穿透雨量為中度(1.8 mm)<極強(qiáng)區(qū)(2.0 mm)<對(duì)照區(qū)(2.5 mm)，降雨結(jié)束后各間伐區(qū)的穿透雨產(chǎn)流結(jié)束時(shí)間與林外相比延遲20 min。

圖5 30.5 mm降雨時(shí)穿透雨產(chǎn)生進(jìn)程

當(dāng)降雨等級(jí)為暴雨時(shí)(97.9 mm)，降雨初始強(qiáng)度為0.4 mm·(5 min)-1(圖6)并在20 min內(nèi)是迅速增強(qiáng)至3.9 mm·(5 min)-1，各間伐強(qiáng)度區(qū)穿透雨產(chǎn)流起始時(shí)間與林外降雨一致，峰值時(shí)強(qiáng)度均為2.2 mm·(5 min)-1，隨后降雨強(qiáng)度開(kāi)始減弱，在4 h內(nèi)平均降雨強(qiáng)度僅為0.1 mm·(5 min)-1，但各間伐強(qiáng)度區(qū)穿透雨繼續(xù)產(chǎn)流，當(dāng)出現(xiàn)第2次峰值時(shí)〔強(qiáng)度為3.9 mm·(5 min)-1〕，林內(nèi)隨即產(chǎn)生穿透雨，時(shí)間與林外一致，穿透雨量為極強(qiáng)(2.4 mm)<對(duì)照(2.7 mm)<中度(2.8 mm)。本次降雨共出現(xiàn)3次較為明顯的峰值，最高峰時(shí)降雨強(qiáng)度達(dá)7.6 mm·(5 min)-1，第3次峰值期間各間伐強(qiáng)度區(qū)穿透雨峰值產(chǎn)生時(shí)間與林外一致，各間伐區(qū)峰值時(shí)降雨強(qiáng)度為對(duì)照區(qū)〔3.1 mm·(5 min)-1〕，中度與極強(qiáng)區(qū)為3.0 mm·(5 min)-1，15時(shí)20分降雨開(kāi)始逐漸減弱，強(qiáng)度在0.2 mm～0.4 mm·(5 min)-1之間，并持約9 h，產(chǎn)流結(jié)束時(shí)間表現(xiàn)為對(duì)照區(qū)(延遲0 min)<極強(qiáng)區(qū)(延遲5 min)<中度區(qū)(延遲10 min)。

圖6 97.9 mm降雨時(shí)穿透雨產(chǎn)生進(jìn)程

當(dāng)降雨等級(jí)為大暴雨時(shí)(129.5 mm)，降雨初始強(qiáng)度為0.2 mm·(5 min)-1(圖7)，并且較低的降雨強(qiáng)度持續(xù)約13 h，林內(nèi)各間伐強(qiáng)度區(qū)穿透雨產(chǎn)流起始時(shí)間表現(xiàn)為對(duì)照區(qū)(延遲20 min)<極強(qiáng)區(qū)(延遲30 min)<中度區(qū)(延遲35 min)，穿透雨強(qiáng)度在0.1～0.5 mm·(5 min)-1之間，當(dāng)降雨強(qiáng)度最大時(shí)〔3.2 mm·(5 min)-1〕，此時(shí)各間伐強(qiáng)度區(qū)穿透雨峰值時(shí)間與林外一致，穿透雨量表現(xiàn)為對(duì)照(2.2 mm)<極強(qiáng)(2.4 mm)<中度(2.7 mm)，隨后降雨強(qiáng)度開(kāi)始減弱，在當(dāng)天21時(shí)55分降雨結(jié)束，各間伐區(qū)產(chǎn)流結(jié)束時(shí)間均延遲5 min

圖7 129.5 mm降雨時(shí)穿透雨產(chǎn)生進(jìn)程

總體上看，林內(nèi)穿透雨產(chǎn)流起始時(shí)間與瞬時(shí)降雨強(qiáng)度關(guān)系密切，5 min內(nèi)降雨強(qiáng)度大于1.3 mm以上時(shí)，林內(nèi)穿透雨產(chǎn)流起始時(shí)間基本與林外相等，降雨強(qiáng)度低于0.4 mm以下時(shí)，林內(nèi)穿透雨產(chǎn)流起始時(shí)間在5～30 min，不同間伐強(qiáng)度下降雨峰值都有所降低并且延遲5 min，降雨結(jié)束時(shí)的雨強(qiáng)越大，各間伐強(qiáng)度區(qū)穿透雨產(chǎn)流結(jié)束時(shí)間延遲越長(zhǎng)；降雨結(jié)束時(shí)雨強(qiáng)越小、時(shí)間越長(zhǎng)穿透雨產(chǎn)流結(jié)束時(shí)間延遲越短。起始降雨強(qiáng)度越弱，林內(nèi)穿透雨產(chǎn)流時(shí)間越慢，各間伐區(qū)產(chǎn)流最早的是對(duì)照區(qū)，這是因?yàn)橄鄬?duì)較密的林冠層在低強(qiáng)度降雨條件下能充分截留大部分降雨，使林冠層提前進(jìn)入飽和狀態(tài)，從而造成林分產(chǎn)流時(shí)間提前。相對(duì)于林外降雨，各間伐區(qū)都能降低達(dá)到峰值時(shí)降雨量，峰值時(shí)的穿透雨量與前期降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)長(zhǎng)密切相關(guān)，前期降雨強(qiáng)度大則各間伐強(qiáng)度區(qū)穿透雨量與間伐強(qiáng)度成正比，前期降雨強(qiáng)度越弱、降雨時(shí)間越長(zhǎng)則穿透雨量與間伐強(qiáng)度成反比。

4 結(jié)論

穿透雨主要受降雨量、觀(guān)測(cè)點(diǎn)與樹(shù)干之間的距離以及林冠密度等影響。紅松人工林穿透雨率隨間伐強(qiáng)度增加而顯著增加(P<0.05)。不同間伐強(qiáng)度紅松人工林穿透雨量隨降雨量增大而增大，當(dāng)降雨量等級(jí)大于大暴雨級(jí)別時(shí)，中度區(qū)及極強(qiáng)區(qū)林冠截留降雨的能力達(dá)到了飽和狀態(tài)，林冠截留能力減弱。

穿透雨產(chǎn)流的起始時(shí)間與降雨等級(jí)無(wú)關(guān)，與起始降雨強(qiáng)度有關(guān)，起始降雨強(qiáng)度越強(qiáng)，林內(nèi)穿透雨產(chǎn)流時(shí)間越早，各間伐區(qū)起始產(chǎn)流強(qiáng)度與間伐強(qiáng)度成正比，即間伐強(qiáng)度越大，穿透雨強(qiáng)度越大。不同間伐強(qiáng)度均能減少降雨過(guò)程中的峰值，并延遲5 min。降雨結(jié)束時(shí)，雨強(qiáng)越大，各間伐強(qiáng)度區(qū)穿透雨產(chǎn)流結(jié)束時(shí)間延遲越長(zhǎng)；降雨結(jié)束時(shí)雨強(qiáng)越小、時(shí)間越長(zhǎng)穿透雨產(chǎn)流結(jié)束時(shí)間延遲越短。