河北省太行山4种经济林林冠层的水文效应

刘希庆, 邢晓光, 刘凤婵, 刘斌, 王淮亮

(河北省水资源研究与水利技术试验推广中心, 河北 石家庄 050061)

森林通过庞大的林冠层、丰富的枯落物层，既能吸附、截留一定的降雨，又能有效减轻或防止雨水冲击和侵蚀土壤[1-2]。林冠层是森林生态系统生态水文功能的主导者，林冠对降雨的分配是森林水循环的重要环节[3]，林冠截留是森林对降水第一次阻截和分配[4]，其截留作用在雨水的利用及水土保持方面有显著的积极作用[3-5]。目前国内外对于森林林冠层雨水截留的研究较多，主要是分析不同的林地类型、林分结构、林龄等在影响支配林冠层截留能力中起的作用，具体表现为叶面积指数[6-7]、郁闭度[8-9]、冠层深度和冠幅张开度[10-11]等与林冠截留量的关系。经济林作为一种生态效益、经济效益和社会效益结合较好的林种，在山区水土保持和生态建设中具有不可替代的作用，河北省太行山区经济林品种较多，对栽植树种的水文效应尚未进行系统研究。为此，本研究选择太行山区主要栽培的经济林树种苹果、核桃、樱桃和杏的成林，分析其林冠截留过程，对其林冠层水文效应做定量分析，旨在揭示不同经济林树种的水源涵养功能。

1 研究区概况

研究区位于河北石家庄市西南部山区，元氏县前仙乡西岭底村，地理坐标北纬37°32′—37°51′，东经114°08′—114°14′。该地区属典型的太行山中段东部低山区，山峦起伏、沟壑纵横，地势西高东低，海拔290～550 m。气候属于暖温带大陆性季风气候，四季分明，雨热同季，多年平均气温12.6 ℃，极端最高温43.0 ℃，高温天气多出现在7月份，极端最低温-25.3 ℃，无霜期180 d左右，多年平均降水量570 mm，多集中在7—9 月份，占全年降水量的70% 左右，在全球变暖大背景下，20 世纪80 年代以来，也出现了温度升高，降水减少的趋势[12]。土壤以褐土为主，兼有壤土、砂壤土或片麻岩石质土壤，样地整地类型为梯田，土层厚度在0.5～2.5 m。栽植的经济林树种主要有苹果(Maluspumila)，核桃(Juglansregia)，杏(Armeniacavulgaris)、樱桃(Cerasuspseudocerasus)等。自然植被类型以次生灌草丛为主，散生乔木，主要乔木树种有栓皮栎(Quercusvariabilis)、臭椿(Ailanthusaltissima)、栾树(Koelreuteriapaniculata)、白蜡(Fraxinuschinensis)等，灌草丛是酸枣(Ziziphusjujuba)、荆条(Vitexnegundovar.heterophylla)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、野谷草(Arundinellaanomala)等。

2 研究方法

2.1 样地选择

于2017年8月实地考察研究区植被特征，选择核桃、苹果、樱桃、杏4个树种的经济林，以场外空地作为对照。经济林样地位于西岭底村南，苹果和核桃林样地相邻，樱桃林和杏林相邻，两地块直线距离450 m左右，整地方式均为梯田，土层厚在2.0 m左右，壤土。由于经济林的栽培要求不同，田间管理有所差异，苹果和樱桃管理更加精细。在各林内典型地段设置面积为20 m×20 m的标准样地各5处，每个样地内布置样点25个。记录样地海拔、坡度、坡向以及土层厚度，调查林龄并进行每木检尺，测量株行距、树高、冠幅、地径等并记录(表1)。

2.2 郁闭度测量

利用数码相机测定郁闭度，方法是在距离地面1.5 m高处使用镜头始终保持水平向林冠层拍照，借助Adobe Photoshop CS软件，将照片转为灰度双色调图像，统计整个冠层封闭区域和天空影像像素，郁闭度=(1-冠层范围内天空影像的像素值)/整个冠层范围像素值[13]，郁闭度测量结果详见表1。

表1 研究区4种经济林林分基本情况

2.3 林外降雨的测定

在样地外设置2个雨量筒，收集大气降雨，测定空地降雨量，计为林外降雨量。为避免林地防风距离内其防风效应对林外风向、雨量的干扰，雨量桶的具体位置设在样地林缘外50～60 m范围内，与林内样点坡向、海拔及方位相同的开阔地，离地0.5 m，每次降雨内记录时间间隔为30 min。

2.4 穿透雨量测定

由于穿透雨的空间分布受林冠结构的影响，为了研究穿透雨的空间异质性特征，采用林内网格状布置采样点能准确测定穿透雨量[14]。每个样地内按每5 m×5 m间距布设25个自制雨量筒来测定穿透雨量。自制雨量筒上部为直径20 cm的漏斗，下面接塑料桶，漏斗表面距地面高度10 cm。为防止凋落物和昆虫进入塑料桶内影响测定结果，漏斗口底部加装尼龙网[15]，每次降雨后，测量塑料桶内的雨水体积(ml)，然后换算成雨量深(mm)[16]。

2.5 树干径流量测定

每个样地内分别选择代表性植株5株，在树干基部30 cm以上，缠绕式方法收集树干径流。采用新型树干径流收集装置，是带有直径为3 cm的半圆形导水槽的胶管，铅丝穿进胶管将其缠绕至树干上2～3圈，将导水槽一侧紧贴树干，密封胶密封粘合，导水槽末端为管状，将水导至树下集水桶内。计量桶内水的体积(ml)，最终换算成降雨量统一单位(mm)。树干径流量(SF，mm)的计算公式[17-18]为：

式中：SF——样地树干径流量(mm)；Ci——每株树干径流体积(ml)；S——树冠平均投影面积(m2)。

2.6 林冠截留量的计算

林冠截留包括树叶、树枝以及树干截留的降雨，其计算公式为：

I=PG-(TF+SF)

式中：I——林冠截留量(mm)；PG——林外降雨量(mm)；TF——穿透雨量(mm)。

2.7 数据处理

采用SPSS 18.0对数据进行差异性检验(LSD)、相关分析(Pearson)、回归分析，采用Excel进行图表制作。

3 结果与分析

3.1 不同降雨量对林冠截留的影响

试验期9—10月间，共采集5次降雨，林外降雨量按时间先后依次为7.5，45.1，54.9，14.3和29.5 mm。测定了4种经济林林冠层在不同降雨量条件下的树干径流量、林内穿透雨量、林冠截留量，并分析其占比，结果详见表2。

表2 不同降雨量情况下树干径流量、林内穿透雨量、林冠截留量及其占比

4种经济林的树干径流量、林内穿透雨量均随着林外降雨量的增大而增大，呈正相关关系(显著性水平0.01)。对穿透雨量和林外降雨量数据进行回归分析表明，两者可以用一元线形回归模型表示，相关系数均在0.996以上，这与之前[5]的研究结果一致。对4种经济林的林冠截留量与降雨量进行相关性分析，结果显示，4种经济林的林冠层截留量与降雨量显著相关，其中，樱桃林、苹果林在0.01水平的相关系数分别为0.986，0.977，核桃林和杏林在0.05水平的相关系数分别为0.905，0.884。

4种经济林的林冠截留量随着林外降雨量的增加表现不尽一致(图1)。在林外降雨量达到45.1 mm之前，4种经济林的林冠截留量均随着林外降雨量的增加而增加，且增加幅度较大；在林外降雨量达到45.1 mm之后，樱桃林增幅减小，杏林、核桃林的林冠截留量不再增加。这表明4种经济林分的林冠截留量主要决定于降雨量，并且可能与林冠冠幅、郁闭度等林冠结构特征有密切关系，这与之前的研究结果较为一致[19-21]。

由图1可见，在雨量为14.3 mm的降雨条件下，4种经济林的林冠截留量占比达到最大值(28.16%，25.68%，22.80%，20.93%)，且4种经济林的林冠截留量占比均表现出雨量为29.5 mm时的值大于雨量为7.5 mm时的值，由此可知，单次降雨量在14.3～29.5 mm时，4种经济林的林冠截留作用较大。这也说明，林冠层持水量达到饱和后，林冠截留量占比呈现减少的趋势[5]，即林冠截留不会随降雨量增加无限增长，而是存在一个截留高峰的雨量区间，而且不同林木种类林分的这一雨量区间范围不同，区间的具体范围需进一步研究[19-20]。

图1 不同降雨量4种经济林林冠截留量及其占比

3.2 不同经济林林冠层对降雨的再分配

分析不同经济林林分林冠层对降雨的再分配的情况详见表3。结果显示，在5次降雨过程中，林外降雨量合计151.30 mm情况下，不同经济林林分的林冠层对降雨的再分配情况存在较大差异。其中，苹果林的树干径流量显著低于其他3种经济林的相应值；林冠截留雨量樱桃林显著大于核桃林、杏林，林内穿透雨量显著小于核桃林和杏林。4种经济林林冠层对降雨的截留量排序为：樱桃>苹果>核桃>杏，截留量最大的樱桃，是截留量最小杏的1.66倍，这与4种经济林的郁闭度由大到小排序一致；与另外3种经济树种相比，樱桃树冠幅大、枝叶密实，林冠结构紧凑、郁闭度大，说明林冠层对降雨的再分配作用主要受郁闭度、林分类型和林冠层结构乃至叶片结构和密度等的影响，这与之前的研究较为一致[3,5,21-22]。4种经济林树干径流量排序为：樱桃>杏>核桃>苹果，这与4种经济林的平均地径由大到小排序一致，说明林地树干对降雨的再分配作用与林木地径或者林木径阶有较大关系。这与张捷等研究结果不同[5]，张捷等在对18～32 a生马尾松林的研究中指出，树干径流量与树木胸径呈负相关，这可能与两次研究对象的林木种类、林冠结构特征差异有关，本次研究是对不同树种不同地径的树干径流进行测定，同一树种不同地径的树干径流情况需要进一步研究。

表3 4种经济林林冠层对降雨的再分配

注：不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

4 结 论

(1) 4种经济林的树干径流量、林内穿透雨量均随着林外降雨量的增大而增大，呈正相关关系(显著性水平0.01)，穿透雨量和林外降雨量之间可以用一元线形回归模型表示；林冠层截留量与降雨量显著相关，其中，樱桃林、苹果林在0.01水平的相关系数分别为0.986和0.977，核桃林和杏林在0.05水平的相关系数分别为0.905，0.884；在林外降雨量达到45.1 mm之前，4种经济林的林冠截留量均随着林外降雨量的增加而增加，且增加幅度较大；在雨量为14.3 mm的降雨条件下，4种经济林的林冠截留量占比达到最大值，单次降雨量在14.3～29.5 mm时，4种经济林的林冠截留作用较大，占比均在20%以上。

(2) 林外降雨量一定的情况下，4种经济林林冠层对降雨的截留量排序为：樱桃>苹果>核桃>杏，与郁闭度大小排序一致，林内穿透雨量与截留量排序相反；树干径流量排序为：樱桃>杏>核桃>苹果，与4种经济林的平均地径大小排序基本一致。4种经济林林分的林冠层对降雨的再分配情况存在显著差异，主要受林分类型、林冠结构特征等的影响。