黑土區幾種人工林冠層截留降水特征

2021-12-22 00:53:26鞠敏睿景國臣徐金忠

水利科學與寒區工程 2021年6期

鞠敏睿，景國臣，徐金忠，魏琳

(1.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江哈爾濱 150070；2.黑龍江省水土保持重點實驗室，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節降水再分配過程，從而影響地表徑流形成和匯集過程，發揮森林調節氣候、涵養水源、保持水土、凈化水質的生態功能。林冠層對雨水的截留和緩沖作用，明顯減少了進入林地的水量，地表徑流減少，從而起到削弱洪峰流量、涵養水源的功能，對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、重力和水分子內聚力作用下的葉面水分儲存現象[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]。林冠層截留延續整個降水過程，在降水過程中截留的雨水不斷增加，直至達到最大截留量，降水停止后截留的雨水被蒸發。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種黑土區主要林分開展冠層截留降水特征研究，對于黑土區合理布設水土保持林，提高森林降水再分配功能，改善森林調節地表徑流能力，防治土壤侵蝕具有重要意義。

1 研究區概況

研究區選擇在黑龍江省水利科學研究院克山站試驗場，地理坐標48°03′N，125°49′E，地貌類型為波狀起伏臺地，屬中溫帶大陸性季風氣候，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 ℃，多年平均日照時數2677 h，年均8級以上大風天數約22 d，年均風速3.1 m/s。土壤為黑土，表土層厚度30 cm左右。研究區總面積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觀測法，觀測時間為2007—2012年雨季時段，在不同林分內布設規格為5 m×5 m正方形觀測小區，3次重復，各重復小區間距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

在研究區林外布設自記雨量計和雨量筒各1個，觀測林外降水量。

2.2 林下穿透降水量測定

在布設的小區內按對角線布設5個雨量筒觀測林下穿透降水量，取5個雨量筒平均值作為該小區林下穿透降水量觀測值，3個小區平均值代表該林分林下穿透降水量。

2.3 樹干徑流降水量測定

在每個觀測小區內隨機選取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高處向下蛇形環繞樹干2～3周布設截流管，由截流管將樹干徑流輸送到地面集流桶內并量測樹干徑流量，經計算轉換為樹干徑流降水量，取3棵代表樹的平均值作為該小區樹干徑流降水量，3個小區平均值代表該林分樹干徑流降水量。

2.4 數據分析

數據處理采用SPSS15.0統計分析軟件進行統計分析。

3 結果與分析

大量的研究集中在研究林冠截留與降雨事件(強度、過程與歷時等)的關系方面，林冠截留量與降水量存在著緊密的線性或冪函數關系[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，對降水再分配的作用機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外，還與降水量、降水特征、氣溫、風速等氣象因素有關。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、降水強度等。一般認為林冠截留量在一定范圍內(冠層未飽和的情況下)隨降水量的增加呈增加的趨勢，當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 降水量對林冠層截留量影響

通過不同林分冠層截留量測定，林冠層截留量與降水量呈正相關(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時林冠層截留量與降水量關系緊密，當降水量超過40 mm后，截留量與降水量關系不十分緊密，截留量變化較大。相關分析表明，不同林分林冠層截留量與降水量函數關系不同，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關系，樟子松林、小×黑楊樹林、長白落葉松與樟子松混交林為多項式關系，在顯著性水平0.01時，R2在0.6408～0.8377之間，不同林分冠層截留量與降水量關系顯著性水平較高。

圖1 不同人工林冠層截留量與降水量關系

3.2 降水強度對林冠層截留量影響

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

圖2 不同人工林冠層截留量與降水強度關系

3.3 降水量對冠層截留率的影響

截留率是森林冠層截留能力的重要指標，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的減少[12]。對黑土區人工林冠層截留率與降水量關系分析表明(見圖3)，林冠層截留率與降水量呈負相關，林冠層截留率是降水量的對數函數，當達到一定降水量后，林冠層截留達到最大量，截留率基本趨于穩定。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系

3.4 降水強度對冠層截留率的影響

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