西雙版納不同樹齡橡膠林對降雨的再分配特征

張勇波，謝 江，陳國云，田耀華，周會平

（云南省熱帶作物科學研究所，云南 景洪 666100）

云南西雙版納位于熱帶季風區北緣，氣候高濕多雨，地形以山地為主。近幾十年來，隨著橡膠樹（Hevea brasiliensis）種植面積的迅速擴張，西雙版納地區已成為我國最重要的橡膠樹種植區之一，橡膠林已成為該地區最大的人工林生態系統，與熱帶季節雨林構成了該地區主要森林植被類型[1]。事實上，橡膠林與熱帶季節雨林是截然不同的兩種森林類型。首先在群落結構方面，橡膠林是單層單種、結構簡單的人工群落，而熱帶季節雨林是多層多種、結構復雜的自然群落；同時二者在生態功能方面也存在顯著差異，如生物多樣性水平、涵養水分能力、土壤質量狀況等[2-5]。其中，單一大面積種植橡膠樹是否會導致水土流失加劇，已成為近年來被廣泛關注的問題之一。就此，研究人員對橡膠林的水土保持功能開展了多方面的觀測研究工作，包括林冠水文效應方面[6-13]。林冠截留是森林水文效應研究的一項重要內容。不同森林類型由于其林分物種組成、群落層次結構以及植物葉、枝、莖持水特性的不同會導致其林冠水文效應有所差異[14-16]。橡膠樹為高大喬木樹種，主干明顯且具較多分枝，三出指狀復葉為橢圓或倒卵形革質小葉[6]。橡膠林是以橡膠樹為唯一優勢樹種的單層林，林下植被覆蓋較少，橡膠樹冠層是發揮降雨截留作用的主體。大氣降水通過橡膠林冠層時，部分雨水被樹冠樹葉截留；部分被截留的雨水沿著樹葉轉移到樹枝，再從樹枝轉移到樹干而流到橡膠林地，這部分雨水即為樹干徑流；還有部分雨水直接穿過冠層進入橡膠林地，即為穿透雨。由此，大氣降水就被分配為穿透雨、樹干徑流和樹冠截留3部分，同時可延長降雨達到林地的時間，削弱了雨水對林地的濺蝕和沖刷，有效減少水土流失[13,17-19]。此外，由于穿透雨可以把大氣漂浮物、林冠截持物和淋溶物洗脫后輸入到橡膠林地，而樹干徑流沖刷樹干后會攜大量營養物質集中到達橡膠樹根部土壤，從而對土壤養分起到重要的補充作用[20-23]。除了樹葉、樹枝、樹皮及莖干特性等橡膠樹自身因素之外，橡膠林的林冠截留時空分布格局也會受到樹齡、種植方式、區域位置及氣候氣象等外部因素的顯著影響[24-26]。因此，要全面準確地了解橡膠林的林冠水文效應狀況，需要針對各種因素影響下的橡膠林開展大量而長期的觀測研究工作。

本研究以西雙版納地區32 齡、12 齡、7齡3個樹齡階段的橡膠林為研究對象，對其穿透雨量、樹干徑流量、林冠截留量以及林外降雨量進行全年觀測，并對影響因素進行分析探討，了解隨樹齡增長橡膠林林冠截留能力的變化特征，研究結果將為評估橡膠林的水文生態效應和制定科學種植管理措施提供基礎依據，對促進天然橡膠產業可持續發展和維持區域水文生態安全也具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與樣地選擇西雙版納傣族自治州（21°09′～22°40′N，99°55′～101°50′E）位于云南省最南端，地處北回歸線以南的熱帶濕潤區。全州面積19 582.5 km2，海拔470～2 429.5 m，山地面積占95%。終年受西南季風影響，干濕季分明而四季不明顯，有霧涼季（11～翌年1月）干熱季（2～4月）和濕熱季（5～10月）之分。年降水量1 138.6～2 431.5 mm，年均氣溫18.9～22.6 ℃，相對濕度60%～80%，為典型的熱帶季雨林氣候[2,4,6,9]。

在云南省熱帶作物科學研究所江北橡膠林試驗基地，選取32齡、12齡、7齡橡膠林樣地，分別代表老齡林、中齡林、幼齡林3個不同年齡階段的橡膠林，開展林冠截留特征研究。橡膠樹均采用株行距3 m × 8 m的常規種植方式。由于云南省熱帶作物科學研究所橡膠林試驗基地禁止使用除草劑；7齡和12齡橡膠林需在每年7月和11月各進行1次人工除草，控草高度在50 cm以下；32齡林無需進行除草管理。各樣地基本情況見表1。

表1 橡膠林研究樣地概況

1.2 林外降雨量（P）的測定以安裝在研究區域內高于林冠層的通量觀測鐵塔和小型自動氣象站實時監測記錄的降雨量數據作為該研究的林外降雨量數據，并收集空氣溫度、太陽輻射、陣風風速、空氣濕度、大氣壓等氣象因子數據。同時以西雙版納傣族自治州景洪市氣象局所提供的在研究區域內的氣象數據作為參考。

1.3 林內穿透雨量（T）的測定在3個林齡的橡膠林內各選擇1塊20 m × 20 m的樣地，在樣地內選取3株胸徑、高度、冠幅中等的標準樹，緊挨每株樹沿順坡向安裝自制的“V”型穿透雨承接槽（上接面寬0.3 m，長4.5 m），槽離地高1 m。在承接槽上面鋪1層防水材料防止銹蝕漏水，在出水口處墊一塊紗網過濾枯枝落葉。用塑料軟管將出水口與PVC集水桶連接，將承接槽收集到的穿透雨導入桶中。每次降雨后及時測量記錄集水桶內的水量（Vt），根據承接槽的面積和集水桶收集到的穿透雨量換算出林內穿透雨量（mm）。

1.4 樹干徑流量（S）的測定在以上3株標準樹的樹干距離地面1.3 m處，將聚乙烯薄板合圍固定并密封嚴實，形成導流槽，在接口處剪一開口并連接一根軟塑料管，將樹干徑流引入PVC集水桶中。每次降雨后及時測量記錄集水桶內的水量（Vs），根據樣地內橡膠株數和收集到的樹干徑流量換算出林分的樹干徑流量（mm）。

1.5 林冠截留量（I）的測定根據水平衡法計算不同林齡橡膠林的林冠截留量，計算公式如下：

式中，I為林冠截留量（mm），P為降雨量（mm），T為穿透雨量（mm），S為樹干徑流量（mm）。

橡膠林水平衡示意圖見圖1。

1.6 數據分析數據統計分析和繪圖利用SPSS 17.0 和Microsoft Excel 2007完成。對各月及全年的林外降雨量、穿透雨量、樹干徑流量和林冠截留量進行統計繪圖，采用回歸分析和Spearman相關性分析探討穿透雨量、樹干徑流量和林冠截留量與葉面積指數及氣象因子的關系。

2 結果與分析

2.1 林外降雨量特征2017年觀測的總林外降雨量為1 773.7 mm，1～4月和12月降雨較少，月平均林外降雨量＜100 mm；5～11月為雨季，降雨強度大，降雨量占當年總林外降雨量的87.48%（圖2）。

2.2 林內穿透雨量特征幼林、中齡林、老林的年穿透雨量分別為1 087.90、846.27、730.55 mm，分別占當年總林外降雨量的61.34%、47.71%和41.19%。不同月份間穿透雨量變化較大，以7月份的穿透雨量最大，幼林、中齡林、老林分別為314.11、190.32和159.47 mm，分別占其年穿透雨量的28.87%、22.48%和21.82%（圖3）。從林齡角度看，穿透雨量呈現幼林＞中齡林＞老林的趨勢。穿透雨量隨著月降雨量的增大而增大，二者具有明顯的線性相關關系，其回歸方程分別為：幼林穿透雨（T）=11.789（P）+14.027，R2=0.160 2、中齡林穿透雨（T）=6.761（P）+26.571，R2=0.146 6、老林穿透雨（T）=4.636（P）+30.745，R2=0.087 9。

2.3 樹干徑流量特征幼林、中齡林、老林的樹干徑流量分別為524、809.16、912.80 mm，分別占同期降雨量的29.54%、45.61%和51.46%。不同月份間樹干徑流量變化較大，以7月樹干徑流最大，幼林、中齡林、老林分別為127.46 mm、199.12 mm和226.58 mm，分別占其年樹干徑流量的24.32%、24.61%和24.82%（圖4）。樹干徑流量隨降雨量的增大而增大，具有明顯的線性相關關系，其回歸方程分別為：幼林樹干徑流量（S）=3.639（P）+20.05，R2=0.050 8；中齡林樹干徑流量（S）=8.669 7（P）+11.076，R2=0.216 1；老林樹干徑流量（S）=9.607 3（P）+13.619，R2=0.201 8。從林齡角度看，樹干徑流量呈現老林＞中齡林＞幼林的趨勢。

2.4 林冠截留量特征幼林、中齡林、老林的年林冠截留量分別為54.37、147.57、123.04 mm，分別占林外降雨量的3.06%、8.32%、6.94%。不同月份間林冠截留量差異顯著，以7月份截留量最大，幼林、中齡林、老林分別為18.57、31.14和27.12 mm、分別占其年截留量的34.15%、21.10%和22.04%。林冠截留量隨降雨量的增大而增大，二者具有明顯的線性相關關系，其回歸方程分別為：幼林林冠截留量（S）=0.341 1（P）+2.313，R2=0.051；中齡林林冠截留量（S）=1.804（P）+0.567，R2=0.263；老林林冠截留留（S）=1.042（P）+3.480，R2=0.124。從林齡角度看，林冠截留量呈現中林＞老林＞幼林的趨勢（圖5）。

2.5 橡膠林內雨影響因素分析對不同樹齡橡膠林年穿透雨量、樹干徑流量及林冠截留量與其葉面積指數進行線性回歸分析，結果表明，隨著葉面積指數增大，穿透雨量呈減小趨勢，樹干徑流量呈先升后降趨勢，而林冠截留量呈增加趨勢（圖6）。

對橡膠林的月林冠截留量與月平均空氣溫度、太陽輻射量、風速、空氣濕度、大氣壓和大氣降水等氣象因子進行非參數相關性檢驗分析表明，各林齡林地的林冠截留量與大氣降水量呈極顯著正相關（P＜0.01），幼林的林冠截留量與空氣溫度也有一定相關性（P＜0.05）（表1）。

表2 橡膠樹月林冠截留量與各氣象因子的相關性

3 討 論

穿透雨是大氣降水穿過橡膠林冠層直接輸入林地內的水分，是橡膠林生態系統最主要的土壤水分來源。本研究結果表明，橡膠林的年穿透雨量為730.55～1 087.9 mm，占同期總降雨量的41.19%～61.34%；穿透雨量隨降雨量的增大而增大，其全年變化趨勢與當地降雨的季相特征相一致，這也再次驗證了已有研究表明的二者之間的線性正相關關系[25,27-28]。很多研究表明葉面積指數是影響橡膠林穿透雨量的一個重要因素[26,29-31]，但也有研究認為葉面積指數對穿透雨分布的影響不明顯[13]。該研究結果顯示穿透雨量與葉面積指數總體呈負相關關系。隨著林齡的增長，橡膠林的林冠郁閉度和葉面積指數增大，林冠截留能力增加，導致穿透雨量減少。同時，橡膠樹種植方式不同，也會造成林冠郁閉度和冠層厚度的差異，進而導致穿透雨量的差異。本研究中30齡以上橡膠林的年穿透雨量小于張一平等的研究結果[29]，可能與本研究采用的是常規種植方式（株行距3 m×8 m）而后者采用的是寬窄行密株的種植方式（株距3.1 m，窄行距2.5 m，寬行距19.0 m）有關。另外，穿透雨收集承接槽的表面積、風速、空氣溫度及濕度等因素，也可能影響穿透雨的收集。

樹干徑流是經過樹葉、樹枝、樹干直接匯集到橡膠樹根部土壤的水分，是橡膠樹能夠直接吸收利用的重要水分來源。已有研究表明，樹種的葉片形狀、樹冠結構、枝條大小和數量、莖干高度和粗度、樹皮吸水能力等樹體特征均會對樹干徑流的形成產生明顯影響。橡膠林的年平均樹干徑流量及其分配率（104.1 mm，6.18%）高于熱帶季節雨林（79.2 mm，5.15%）[29]。正是由于熱帶季節雨林有多物種多層次阻截降水，不易形成較大的樹干徑流；而橡膠林為單屬種單冠層降水，且橡膠樹葉片革質、葉柄長，樹枝多，莖干長而粗，樹皮光滑細膩不易吸水，較易形成樹干徑流。單就橡膠林來說，樹齡不同，其樹體大小和林冠截留能力存在差異，進而也會影響到樹干徑流的形成。該研究中，從橡膠樹幼林到中齡林再到老林，年樹干徑流量呈現先增大后減小的拋物線形。分析認為，由于幼林葉面積指數和樹冠較小，穿透雨多而樹冠水分較少，從而形成的樹干徑流較小；中齡林的葉面積指數和樹冠較大，樹冠阻截水分增多，因此樹干徑流量變大；而老林的橡膠樹莖干長而粗，徑流到達根部土壤歷時久歷面寬，導致水分蒸發增多而收集到的樹干徑流量有所減少。此外，氣象因素對樹干徑流量影響顯著。樹干徑流量會隨著降雨量的增大而增大，其全年變化特征與當地降雨的季相特征密切相關。

林冠截留是一個重要的水文影響過程，它不僅改變了輸入輸出橡膠林的雨量、時間和空間格局，也減弱了雨水對林地土壤的侵蝕，而林冠截留量與林冠特征、樹體特性及氣象因素等密切相關[8,26,30]。研究發現，熱帶季節雨林與橡膠林對降雨的林冠截留率（41.43%和24.68%）存在很大差異[29]，這顯然是由于二者的群落組成和林冠結構截然不同造成的。該研究和秦鐘的研究[31]表明，7齡、12齡、21齡、32齡橡膠林對降雨的林冠截留率（分別為7.01%、13.27%、18.38%、30.49%）呈現逐漸增長趨勢，說明林齡不同，橡膠林在林冠大小與厚度、葉片數量及葉面積指數大小等方面也有所不同，也會造成林冠截留率的顯著差異。林冠截留還與降雨量呈顯著正相關關系，此外還會受空氣溫度和空氣濕度等氣象的影響。但也有研究表明，一定范圍內林冠截留量隨降雨強度增大而增加，但降雨強度過大反而不利于雨水在枝葉表面停留[32]?？傊?，林冠截留是一個極為復雜的生態過程，多種因素可能均可能造成林冠截留的空間和時間特異性，因此需視不同情況具體分析。在不同地區、以不同角度或不同研究方法對橡膠林的林冠截留特征及其影響因素的進行研究，可不斷豐富人們對橡膠林生態系統水文過程和水文效應的了解和認知，也可為橡膠林的科學種植管理提供重要的基礎依據。

4 結 論

云南地形多以山地為主，做好水土保持是山地膠園種植管理工作的重中之重。橡膠林的林冠發揮著再分配降雨以及減緩水土流失的功能。該研究通過對西雙版納地區不同樹齡橡膠林的穿透雨量、樹干徑流量、林冠截留量進行實際觀測，了解了山地膠園的降雨再分配特征及其影響因素。研究結果說明，橡膠幼林樹冠較小或未形成林冠，降雨會直接落到地面，沖刷地表，易產生水土流失；而隨著林齡增長，橡膠樹樹冠逐漸增大，林冠截留水分能力增強，對降雨進行再分配的同時，也減緩了雨水對橡膠林地的濺蝕和沖刷。由此可見，亟需加強山地膠園的科學種植管理，針對不同地勢和不同林齡階段制定相應的水土保持措施。