三峽庫區馬尾松林穿透雨和樹干莖流空間變異特征*

袁秀錦 肖文發 雷靜品 潘 磊 王曉榮1, 崔鴻俠 胡文杰

(1. 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所 國家林業和草原局森林生態環境重點實驗室 北京 100091； 2. 南京林業大學南方現代林業協同創新中心 南京 210037； 3. 中國林業科學研究院林業研究所 國家林業和草原局林木培育重點實驗室 北京 100091; 4. 湖北省林業科學研究院 武漢 430075)

森林水文過程是指森林生態系統中水分受森林的影響而表現出來的在生態系統各個功能層次的水分分配和運動過程，包括降雨、降雨截持、干流、蒸散和地表徑流等(高甲榮等, 2001)。穿透雨和樹干莖流不僅對土壤水文和生物地球化學循環產生重要影響(Mcclainetal., 2003)，而且對植物水分利用、養分含量和循環具有重要作用(Bouilletetal., 2002； O’Gradyetal., 2005； Zimmermannetal., 2007)，此外，穿透雨和樹干莖流的空間異質性影響冠層截留的評估(Shinoharaetal., 2010)。總之，穿透雨和樹干莖流是森林水文和生物化學循環重要的控制因素(Leviaetal., 2011； Coendersgerritsetal., 2013)。

森林結構(林分密度、冠層蓋度、胸高斷面積等)及氣象因子(風向、降雨強度、水分蒸發等)差異造成穿透雨和樹干莖流空間變異(Nankoetal., 2011; Sunetal., 2016; 2017; Wullaertetal., 2009; Leviaetal., 2017; Fanetal., 2015; Hondaetal., 2015)，這對于樹冠截留的準確評估帶來困難，因此關于穿透雨和樹干莖流空間異質性及其影響因子研究對于研究森林水文過程及森林生態水量平衡具有重要作用。國內外關于穿透雨和樹干莖流特征及其影響因子已做了大量研究(時忠杰等, 2009; Zhangetal., 2015)，穿透雨和樹干莖流的時空變化及其影響因子也有不少研究(Fangetal., 2016; Fanetal., 2015)，如盛后財等(2016)研究認為離樹干的距離對穿透雨的空間分布影響最大，時忠杰等(2009)研究認為葉面積指數是穿透雨空間分布的最重要影響因子，Dietz等(2006)研究認為穿透雨與胸徑、樹高和冠幅顯著相關，Honda等(2015)研究得出大樹、多年生葉、單軸生長樹木產生較多的樹干莖流量，曹云等(2006)研究認為樹干莖流量與胸徑和冠幅顯著正相關(P<0.05)。

馬尾松(Pinusmassoniana)為我國南方山地主要速生針葉樹種，其人工林面積為135.79萬hm2，占三峽庫區主要森林面積的37.1%(雷靜品, 2009)，是三峽庫區非常重要的防護林類型之一，其對三峽庫區的水分循環過程，特別是在凈化水質、防洪、防止土壤侵蝕和涵養水源方面發揮著重大作用(張卓文等, 2006)。目前關于馬尾松林的冠層截留特征(張卓文等, 2006; 王鳴遠等, 1995)及降雨再分配已有不少研究(張捷等, 2014; 曹云等, 2006)，但尚未有研究涉及馬尾松樹干莖流和穿透雨的空間變異特征及其影響因子，以及如何確定馬尾松林下穿透雨收集器數量。因此，本研究以三峽庫區馬尾松人工林為研究對象，探討馬尾松人工林穿透雨和樹干莖流的空間分布特征及其影響因素，探討合理的穿透雨收集器數量，以期為準確量化馬尾松林下降水分配過程及水源涵養功能評價提供科學依據。

1 研究區概況

研究地區位于湖北省秭歸縣(110°00′14″—111°18′41″E，30°38′14″—31°11′31″N)，海拔40～2 057 m，年均氣溫16.9 ℃，年降水量1 000～1 250 mm，多集中在4—9月份，屬于亞熱帶大陸性季風氣候。九嶺頭林場屬于大巴山山系荊山余脈，位于山脈西坡，山脈南北走向，平均坡度31°，土壤類型主要為黃壤和黃棕壤，樣地森林類型主要是20世紀70年代馬尾松飛播林，樣地內林木分布均勻，馬尾松為主要優勢樹種，并伴有少數的光皮樺(Betulaluminifera)、香椿(Toonasinensis)和漆樹(Toxicodendronvernicifluum)等，林下灌木主要有宜昌莢蒾(Viburnumerosum)、高粱泡(Rubuslambertianus)和木姜子(Litseapungens)等，林下草本植物主要有珠芽狗脊(Woodwardiaprolifera)、紫花堇菜(Violagrypoceras)和雞矢藤(Paederiascandens)等。

2 研究方法

2.1 樣地設置與調查

本研究于2017年5月初在秭歸縣九嶺頭林場設置1塊50 m×50 m 的47年生馬尾松人工林標準地，為方便確定集水槽的安裝位置和選擇標準木，將標準地劃分成25塊10 m×10 m樣地，進行林分特征調查，包括胸徑、樹高和枝下高，胸徑大于5 cm的樹木密度為1 244株·hm-2，胸徑大于5 cm樹木的平均胸徑為17.6 cm，平均樹高為13.1 m，平均枝下高為7.0 m。

2.2 林外降雨的測定

2017年5月初，在標準地外150 m左右的開闊地安置1臺翻斗式雨量計，記錄林外降雨和降雨強度，每5 min記錄1次，測定日期為2017年6—10月。

2.3 穿透雨及其空間分布觀測

為準確反映林內穿透雨的空間分布特征，在標準地內以“米”字形布設自制集水槽16個，于2017年6—10月收集穿透雨。集水槽的橫斷面積為3 000 cm2(長200 cm，寬15 cm)，集水槽向一端傾斜，水從低端流進下方擺放的容積25 L的水壺中，為避免灌木的影響，集水槽的高度不低于50 cm，同時記錄集水槽距樹干最近的距離。

2.4 樹干莖流的測定

根據樣地調查的胸徑數據，按林木胸徑大小劃分徑級，以4 cm為徑級，即4～8，8～12，……，36～40 cm共9個徑級，每個徑級選取標準木2～3株；為研究馬尾松樹干莖流的空間變異特征，在每塊樣地內選取1～2株馬尾松標準木，共選擇馬尾松標準木27株。將剖開的聚乙烯塑料管纏繞樹干1～2周，用釘子釘實，并用玻璃膠填充空隙處，下部用容器收集樹干莖流液。林分尺度樹干莖流量計算方法如下(Hanchietal.， 1997)：

式中：Fs為林分尺度上樹干莖流量(mm)；n為徑級數，Si為每個徑級的平均樹干莖流量(mL)；mi為每個徑級所包含的樹木數量；A為樣地面積(m2)。

2.5 葉面積指數和冠層厚度測定

2017年7—9月生長季，利用LAI-2200c冠層分析儀(LI-COR, 美國)，用360°遮蓋帽，7°天頂角，每月中旬在集水槽中間測定正上方的葉面積指數(LAI)及空隙度，用1減空隙度計算得到冠層覆蓋度。利用VertexⅢ超聲波測高測距儀(Haglof, 瑞典)測定每個集水槽上方的冠層厚度。

2.6 數據處理

應用SPSS17.0軟件進行穿透雨、樹干莖流量與影響因子之間的相關分析。用R3.3.2軟件進行Monte Carlo重抽樣模擬，具體步驟如下： 將2017年6—10月收集的29場降雨分為4個雨量級(0～10，10～20，20～40和>40 mm)，利用Monte Carlo 模擬重抽樣的方法(Rodrigoetal., 2001)，對集水槽(n=2～15)進行不放回抽樣1 000次，計算不同組的n個雨量收集器的穿透雨平均值，作為Monte Carlo 模擬的初始值。利用得到的不同數量(n=2～15)集水槽的穿透雨平均值計算95%和90%2種置信區間值。根據一定置信區間下穿透雨量平均值隨雨量收集器數量的變化，確定一定誤差水平下每個降雨量級所需的雨量收集器最少數量。利用SigmaPlot 12.5軟件繪圖。

3 結果與分析

3.1 研究期間的降雨特征

研究期間(2017年6—10月)共觀測有效降雨29場，累積降雨量1 008.4 mm，平均單次降雨量為34.8 mm，變異系數100.0%。平均次降雨歷時15.8 h，變異系數為74.7%，最長的為37.2 h，最短的為0.6 h，降雨歷時0～10 h的占41.4%，其中2.1～5 h最少，僅占6.9%。研究期間的平均降雨強度為3.7 mm·h-1，最小的為0.9 mm·h-1，最大的為19.1 mm·h-1，變異系數為119.4%，2.1～3.0 mm·h-1雨強的降雨量最多，降雨量為193.8 mm。從雨量級來看，大于40 mm的占34.5%，研究區域內大降雨事件比較頻繁(圖1)。

圖1 2017年6—10月馬尾松林降雨特征Fig.1 Rainfall characteristics of Pinus massoniana plantation from June to October, 2017

3.2 林下穿透雨和樹干莖流特征

29場降雨的16個觀測點的穿透雨數據分析結果表明，林內總穿透雨量為829.8 mm，占總降雨量的82.3%，平均單場穿透雨量28.6 mm。受降雨特征影響，當林外降雨量小于30 mm時，穿透雨率隨著降雨量增加而增加，當次降雨量大于30 mm時，次穿透雨率沒有表現出明顯增加而在90%左右趨于穩定(圖2)。對次穿透雨率和次降雨量的關系進行擬合，兩者用“S”曲線擬合的效果較好，FT(%)=EXP(4.501-3.975/FR),R2=0.807，P<0.01，FT為穿透雨率，FR為林外降雨量，n=29。

研究期間共收集到樹干莖流量14.4 mm，僅占林外降雨量的1.4%。樹干莖流量隨著降雨量的增加而增加，兩者呈現顯著的線性關系(P<0.01)； 樹干莖流率隨著林外降雨量的增加先快速增加，當林外降雨量大于40 mm時，樹干莖流率的變化范圍為1.3%～2.4%(圖2)。

圖2 馬尾松林穿透雨和樹干莖流特征隨單次降雨量的變化Fig.2 Characteristics of throughfall and stemflow in Pinus massoniana plantation with the depth of individual rainfall events

3.3 穿透雨量空間變異特征及其影響因子分析

由29場不同的林外降雨量與馬尾松人工林下穿透雨量的空間變異系數CV(n=16)繪制散點圖(圖3)，當林外單次降雨量小于5 mm時，穿透雨量的空間變異系數最大，而后急劇下降； 大于20 mm時，穿透雨量空間變異系數值穩定在12.0%左右。林外降雨量與林內穿透雨量空間變異系數顯著負相關(P<0.05)，兩者用倒數函數擬合效果較好(CV=7.657+FR/157.424,R2=0.878,P<0.01, CV為變異系數,n=29)。

圖3 馬尾松林穿透雨變異系數隨單次降雨量的變化Fig.3 Coefficient of variation of throughfallin Pinusmassoniana plantation with the depth of individual rainfall events

由于16個觀測點的環境因子(降雨特征、氣溫、空氣相對濕度等)基本一致，因此冠層結構是影響穿透雨量空間變異的重要因素。本研究選取葉面積指數(LAI)、冠層覆蓋度(CC)、測點上方冠層厚度(CT)和測點離樹干距離(D)4個樹木特征因子，進行穿透雨量影響因子研究。16個測點29場穿透雨量平均值與樹木特征因子(LAI、CT、D和CC)進行相關分析和回歸分析，結果表明穿透雨量與LAI、CC、和CT呈顯著負相關(P<0.05)，與D呈顯著正相關(P<0.05)，其中以LAI用二次函數擬合效果最好(FT=29.637-0.446LAI-0.093LAI2,R2=0.554,P<0.01,n=16)，CC用倒數函數擬合效果較好(FT=18.751+4.745/CC,R2=0.554,P<0.01,CC為冠層覆蓋度，n=16)(圖4)。

冠層特征對穿透雨量的影響因林外降雨量的大小而不同。將林外降雨劃分為4個雨量級，即0～10，10～20，20～40和>40 mm，將穿透雨量與林外降雨量進行Pearson相關分析，在雨量級0～10 mm內，LAI對穿透雨量的影響最大，兩者顯著負相關(P<0.05)； 在10～20和20～40 mm雨量級內，都以CC影響最大，除D外，其他冠層結構因子與穿透雨量均顯著負相關(P<0.05)； 當降雨量大于40 mm時，以D影響最大，與穿透雨量顯著正相關(P<0.05)，而LAI、CT與穿透雨量顯著負相關(P<0.05)(表1)。

3.4 樹干莖流量變異特征及影響因子分析

27株不同徑級馬尾松標準木樹干莖流量空間變異系數為50.6%～96.2%，其與林外降雨量密切相關，在降雨量小于20 mm時，隨著降雨量的增加顯著降低，最后穩定在60.0%左右，高于馬尾松林下穿透雨的變異系數(圖5)。

為研究樹干徑流量產生空間變異的原因，對27株馬尾松林的單次降雨量下的樹干莖流量與對應胸徑、冠幅進行相關分析，結果表明胸徑(R2=0.877,P<0.01)和冠幅面積(R2=0.461,P<0.01)與樹干莖流量顯著正相關，以胸徑與樹干莖流量的擬合效果較好(圖6)。

3.5 雨量收集器數量分析

為了確定穿透雨收集器數量，用Monte Carlo 模擬穿透雨平均值隨降雨量收集器數量的變化(圖7)。不同雨量級在相同置信區間達到相同的誤差水平，所用集水槽數量不同。隨著雨量級增大，用較少雨量收集器就可以達到相同的誤差水平，當雨量級在0～10 mm時，所用集水槽數量最多，即95%置信區間下，5%誤差范圍內所需最少的集水槽數量為13個，10%誤差范圍內所需最少集水槽數量為7個； 雨量級在大于40 mm時，達到相同誤差水平所用集水槽數量最少，即95%置信區間下，在5%和10%誤差范圍內，所需最少的集水槽數量分別為6和2個。

圖4 馬尾松林平均穿透雨量隨著葉面積指數、冠層厚度、離樹干距離和冠層覆蓋度的變化Fig.4 Variation of the mean throughfall in Pinus massoniana plantation with the above leaf area index, canopy thickness, the distance to nearest stem and canopy coverage

表1 不同雨量級下馬尾松林穿透雨量與葉面積指數、冠層厚度、離樹干距離和冠層覆蓋度的相關性①Tab.1 Correlation of throughfall in Pinus massoniana forest with leaf area index, the distance to the nearest stem， canopy thickness, and canopy coverage under different rainfall ranges

①*：P<0.05；**：P<0.01

圖5 馬尾松林樹干莖流量變異系數隨單次降雨量的變化Fig.5 Coefficient of variation of stemflow in Pinus massoniana forest with the depth of individual rainfall events

用Monte Carlo 模擬重抽樣計算集水槽數量所對應的穿透雨量空間變異系數(圖8)，當集水槽數量小于11時，穿透雨量空間變異系數隨著集水槽數量增加呈現急劇下降趨勢，集水槽數量大于11時，穿透雨量的變異系數基本趨于穩定，這說明為準確測量穿透雨值，集水槽的數量不能低于11個。在0～10和10～20 mm降雨量級，16個集水槽穿透雨量的空間變異系數穩定值在3%左右，在20～40和>40 mm降雨量級，穿透雨量空間變異系數穩定在1.0%左右。

圖6 馬尾松林單株樹干莖流量隨著胸徑和冠幅面積的變化Fig.6 Variation of the stemflow in Pinus massoniana plantation with DBH and crown area

圖7 Monte Carlo 模擬穿透雨平均值和置信區間隨降雨量收集器數量的變化Fig.7 Variation of the mean value and confidence intervals of throughfall with collector number based on Monte Carlo sampling

4 討論

4.1 穿透雨量空間變異特征

根據29場16個觀測點的穿透雨數據分析，林內穿透雨量共829.8 mm，占總降雨量的82.3%，比張捷等(2014)研究的18年生(76.5%)和32年生(77.5%)馬尾松林穿透雨率要高，和潘磊等(2011)研究的中齡林(80.4%)和莫江明等(2002)研究的平均年齡30年(82.7%)的馬尾松林穿透雨率大致相同，比凱旋(2016)研究的50～60年(87.4%)馬尾松穿透雨率要低，這可能與各個研究對象的林齡有關。林齡較小的馬尾松，樹冠一般成塔形，樹冠層較厚(王鳴遠等, 1995)，降雨多被林冠截留，穿透雨量較小，隨著林齡的增長和森林的生長，出現自然稀疏現象(陳大珂等, 1993)，密度減小，穿透雨量增加。

圖8 Monte Carlo 模擬不同降雨條件下穿透雨量的變異系數與集水槽數量之間的關系Fig.8 Relationship between the coefficients of variation in throughfall by Monte Carlo sampling and collector number with different gross rainfall amounts

林內穿透雨量空間變異系數與降雨量存在顯著負相關(P<0.05)，這與劉澤彬等(2017)、盛后財等(2016)和石磊等(2017)研究結果一致。當林外次降雨量<5 mm時，穿透雨量的空間變異系數最大，而后急劇下降，>20 mm時，穿透雨量空間變異系數基本趨于穩定，穩定值約為12.0%，比Fan等(2015)研究的加勒比松(Pinuscaribaea)和濕地松(Pinuselliotti)混交林(穿透雨量空間變異系數為16.5%)和戰偉慶等(2006)研究的華北油松(Pinustabulaeformis)林(穿透雨量空間變異系數為17%.0～19.0%)要小。有研究表明： 穿透雨量空間變異系數與冠層結構空間異質性和雨量收集器截面大小有關(Staelensetal., 2006)，本研究得出穿透雨量空間變異系數較小可能與本研究使用的穿透雨收集器面積(3 000 cm2)均大于上述研究(117.0 和706.5 cm2)有關。

對冠層結構(D、CT、LAI和CC)與穿透雨量進行相關性分析，結果表明穿透雨量與LAI、CT和CC呈顯著負相關(P<0.05)，與D呈顯著正相關(P<0.05)，與國內外許多學者研究結果一致(盛后財等, 2016; 王鳴遠等, 1995; Deguchietal., 2006; Llorensetal., 2007)，但是Aisah等(2012)研究表明穿透雨量與冠層結構參數(H、DHB、CT)不相關，歸因于樹比較小，導致氣象因子影響最大，Fan等(2015)則得出與本研究相反的結論，即加勒比松和濕地松混交林的穿透雨量與CC、LAI正相關，也是氣象因子作用較大的原因。

很多研究表明，采樣方法和收集器的數量對于穿透雨準確測量至關重要(Thimonieretal., 1998; CarlyleMosesetal., 2004)。有些學者根據理論預測和試驗驗證做出假設(Holwerdaetal., 2006; Zimmermannetal., 2010)，即收集器的孔徑越大，所攔截的冠層面積越大，收集的穿透雨越有代表性，因此本次研究選用較大面積收集器，為以后采用較少的收集器準確測量穿透雨值提供依據。有研究表明： 所需穿透雨收集器數量的差異主要取決于森林類型。如Rodrigo等(2001)研究表明冬青櫟(Quercusilex)在95%置信區間下要滿足5%的誤差要求時需22個以上的收集器。也有研究學者提出穿透雨收集器數量選擇必須考慮降雨模式(Rodrigoetal., 2001)。例如Price等(2003)得出降雨量<2 mm相比降雨量>4 mm所需更多的收集器，本研究得出一致的結論，在相同的置信區間和誤差水平，小降雨事件相比大降雨事件需要更多數量集水槽。為了對每場雨都能夠準確測量，需要以最小降雨量為準，在95%或90%的置信區間下，若將測定的穿透雨數值控制在10%誤差范圍內，在50 m×50 m樣地內至少需布設7個或6個3 000 cm2的收集器； 若將穿透雨數值控制在5%誤差范圍內，至少需布設13個或11個這樣的收集器。由Monte Carlo 模擬重抽樣計算集水槽數量所對應的穿透雨量空間變異系數，當集水槽的數量大于11個時，穿透雨的變異系數基本穩定。

4.2 樹干莖流量空間變異特征

研究期間馬尾松林的樹干莖流量占林外降雨量的1.4%，比崔鴻俠等(2012)和潘磊等(2011)研究得出的馬尾松林樹干莖流率(0.6%、0.5%)要大，比曹云等(2006)得出的馬尾松樹干莖流率(2.4%)要小，這種差異可能與研究的樹木大小和所收集雨水類型有關。林分尺度上樹干莖流率是比較小的，由于莖流量只集中在樹干周圍的一個較小的區域而不是整個林分尺度上，這有可能低估單位面積實際樹干莖流量的輸入。樹干莖流量空間變異系數穩定在60.0%左右，比Fan等(2015)研究得出的加勒比松和濕地松混交林樹干莖流量空間變異系數穩定值(18.0%)要大，可能因為本研究樣地內胸徑差異大有關。單株樹木之間的樹干莖流量是不同的，冠層大小和樹木的特征是樹干莖流量空間變異的主要原因。本研究得出樹干莖流量隨著胸徑和冠幅面積的增加而增加，與曹云等(2006)和Fan等(2015)的研究結果一致。樹干莖流量產生的差異可能與分支角(Fordetal., 1978)、樹大小(Leviaetal., 2010)和葉生物量(Levia etal., 2015)等有關，在以后的研究中需要選取更多的結構參數討論樹干莖流量產生差異的原因。

5 結論

1) 隨降雨量增加，穿透雨率先顯著增加(P<0.05)后趨于穩定，且變異程度逐漸減小。穿透雨率和降雨量的關系用“S”函數擬合效果較好。

2) 各冠層結構(LAI、CT、D、CC)對林下穿透雨空間分布的影響因降雨量大小而變。當降雨量在0～10 mm時，LAI對林內穿透雨量影響最大，當降雨量在10～20和20～40 mm時，CC對林內穿透雨量影響最大，大于40 mm時，D對林內穿透雨量影響最大。

3) 在相同的誤差范圍內，隨著降雨量增加，所用的集水槽數量逐漸減少。在本研究的馬尾松林分內，要精準測量每一場降雨的穿透雨量，需以雨量級0～10 mm時的情況為基準確定所需的雨量收集器數量。在95%或90%的置信區間下，若將測定的穿透雨數值控制在10%誤差范圍內，在50 m×50 m樣地內至少需布設7或6個本研究所用大小的收集器； 若將穿透雨數測定值控制在5%誤差范圍內，至少需布設13或11個這樣的收集器。由Monte Carlo 模擬重抽樣計算集水槽數量所對應的穿透雨量空間變異系數，當集水槽的數量大于11個時，穿透雨量空間變異系數基本穩定。

4) 馬尾松樹干莖流量和樹干莖流率與林外降雨量呈顯著正相關(P<0.05)，樹干莖流量空間變異系數與林外降雨量呈顯著負相關(P<0.05)，馬尾松林樹干莖流量空間變異與冠幅面積和胸徑有關，樹干莖流量隨著冠幅面積、胸徑增加而增加，呈顯著正相關(P<0.05)。