林业科学  2014, Vol. 50 Issue (3): 16-21   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20140303
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文章信息

王安民, 任烨, 王彦辉, 韩芬, 张俊明
Wang Anmin, Ren Ye, Wang Yanhui, Han Fen, Zhang Junming
甘肃泾川3种径级刺槐林的冠层截留降雨作用
Canopy Interception Effects of Three Stands of Black Locust with Different DBH Ranges at Jingchuan, Gansu, China
林业科学, 2014, 50(3): 16-21
Scientia Silvae Sinicae, 2014, 50(3): 16-21.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20140303

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收稿日期：2013-01-25
修回日期：2014-01-15

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王安民
任烨
王彦辉
韩芬
张俊明

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王安民, 任烨, 王彦辉, 韩芬, 张俊明. 2014. 甘肃泾川3种径级刺槐林的冠层截留降雨作用[J]. 林业科学, 50(3): 16-21.
Wang Anmin, Ren Ye, Wang Yanhui, Han Fen, Zhang Junming. 2014. Canopy Interception Effects of Three Stands of Black Locust with Different DBH Ranges at Jingchuan, Gansu, China. Scientia Silvae Sinicae, 50(3): 16-21.  DOI: 10.11707/j.1001-7488.20140303
甘肃泾川3种径级刺槐林的冠层截留降雨作用
王安民1, 任烨1, 王彦辉2, 韩芬1, 张俊明1    
1. 平凉市水土保持科学研究所 平凉 744000;
2. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京 100091
收稿日期：2013-01-25；修回日期：2014-01-15
基金项目：国家林业公益性科研专项“西北典型区域基于水分管理的森林植被承载力研究”（200904056）；联邦德国教育研究部和德国研究基金会资助的研究项目“中国西北泾河流域的产水量对土地利用和气候变化的响应”（SCHW1448/3-1）。
摘要：2010年生长季（6—10月）研究甘肃泾川县中沟小流域6.1~10.0，14.1~18.0和22.1~26.0 cm 3种径级刺槐林的冠层截留降雨作用。结果表明：研究期间的降雨总量为221.1 mm，6.1~10.0，14.1~18.0和22.1~26.0 cm这3种径级刺槐林的冠层截留总量占同期降雨量的比率分别为13.16%，15.11%和18.44%，树干茎流率分别为6.15%，5.49%和0.85%，林内穿透雨率分别为80.69%，79.40%和80.79%，表现为随着树木径级增大，冠层截留增大、树干茎流减小、穿透雨相差不大；对于次降雨事件，随着降雨量增大，林冠截留量呈对数函数增大，林冠截留率呈对数函数减小；树干茎流量呈线性增大，树干茎流率呈对数形式增大；穿透雨量呈线性增大，穿透雨率呈指数形式增大；20 mm的次降雨量是增减速度变化的一个阈值。
关键词： 黄土高原    刺槐林    径级    冠层截留    穿透雨    树干茎流    
Canopy Interception Effects of Three Stands of Black Locust with Different DBH Ranges at Jingchuan, Gansu, China
Wang Anmin1, Ren Ye1, Wang Yanhui2, Han Fen1, Zhang Junming1     
1. Institute of Soil and Water Conservation of Pingliang Pingliang 744000;
2. Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, CAF Beijing 100091
Abstract: The hydrological effects of canopy interception of three stands of black locust (Robinia pseudoacacia) with different DBH ranges were studied at the Zhonggou small watershed, Jingchuan County, Gansu Province of China, during the growing season (June-October) in 2010. The total rainfall during the study period amounted to 221.1 mm. The ratio of total canopy interception to total rainfall for the stands with the DBH range of 6.1-10.0, 14.1-18.0, 22.1-26.0 cm were 13.16%, 15.11% and 18.44%, respectively. The corresponding stem flow ratio was 6.15%, 5.49% and 0.85% and the throughfall ratio was 80.69%, 79.40% and 80.79%. There was a trend that the canopy interception increased with increasing DBH of forest stands, and the stem flow decreased, with unchanged in throughfall ratio. During single rainfall events, with increasing rainfall strength, the canopy interception increased in logarithmic form and the canopy interception ratio decreased in logarithmic form; the stem flow increased in lineal form and the stem flow ratio increased in logarithmic form; the throughfall increased in lineal form and the throughfall ratio increased in exponential form. The rainfall of 20 mm is a threshold for the change rate of interception.
Key words: Loess Plateau    black locust plantation    DBH ranges    canopy interception    throughfall    stemflow    

冠层截留作为森林水文循环的重要环节，对土壤水分收支、地表径流形成、河川径流调节等具有重要影响(Link et al.，2004; 莎仁图雅等，2009)。冠层截留与降水的关系复杂并受降水特征和植被特性等多种因素的影响和制约(Shi et al.，2010)。从生态学和水文学的观点来看，研究一定区域内植被与降雨之间的相关性具有重要的意义。近年来，关于森林水文效应的研究集中在林冠层对降水量的分配效应(Carly-Moses，2004)及其影响因素方面，在林冠层降雨再分配方面亦有一些研究(Liu et al.，1996; 刘建立等，2009; 何常清等，2008)。

刺槐(Robinia pseudoacacia)林是黄土高原最主要的人工林，以往对于刺槐林冠层截留降雨作用已有一些研究。如王彦辉(1986; 1987)基于林冠截持和干流现象的物理机制，通过进行一些假设简化，建立了刺槐单株林木的林冠截持量和干流量的模型，并对其应用简单地提出了建议，另外，从机制和数量关系上研究了刺槐林的林冠对降雨雨谱和雨滴动能的影响(王彦辉，2001)。李佳等(2012)对北京密云油松(Pinus tabulaeformis)与刺槐在生长季的降雨再分配特点进行研究。王艳丽等(2012)基于2009年黄土丘陵沟壑区吕梁市王家沟小流域刺槐林样地降雨观测数据，采用Gash模型对林冠截留进行了模拟。这些研究探讨了林冠层、树干、枯枝落叶层对降雨的截留分配效应并建立了相关数学模型，为认识刺槐林的水文作用提供了可靠依据，但由于所研究的林分特征、立地条件、试验设计与研究方法，特别是典型区域自然条件存在差异，对刺槐林水文效应、不同径级刺槐冠层影响降雨再分配规律的研究仍需进一步深入。

泾川县中沟小流域是国家水土保持、生态保护及森林生态水文的研究地点和试验基地之一，本研究以刺槐林为研究对象，探讨典型区域不同径级刺槐林木在降雨再分配过程中的冠层截留、穿透降雨和树干茎流特征，并建立数量关系，以求量化分析刺槐林生态系统水分传输过程生态学机制，为进一步探讨刺槐林水文模型的发展和参数提供基础资料，并为典型区域立地植被土壤水分承载力研究提供依据。

1 研究区概况

研究区位于泾川县中沟小流域，海拔1 005~1 351 m，流域面积2.05 km2(107°27'E，35°12'N)。属温带半湿润易旱区:年均降水量552.6 mm，6—9月降水量约占全年总量的66%; 年均气温10.7 ℃，极端最高气温39.3 ℃，极端最低气温-24 ℃; 年均风速1.8 m·s-1; 全年无霜期180天左右; 年日照2 226 h; 湿润度0.81~1.04，干燥度0.96~1.23。植被类型属森林草原过渡带，现有林木是30多年内营造的人工林，主要树种有刺槐、杨树(Populus spp.)、侧柏(Platycladus orientalis)、泡桐(Paulownia spp.)和旱柳(Salix matsudana)等。灌木有紫穗槐(Amorpha fruticosa)、山桃(Prunus davidiana)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、花叶丁香(Syringa persica)、柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)和文冠果(Xanthocera sorbifolia)等，多为人工栽植。主要草本植物有草木樨(Melilotus suaveolens)、沙打旺(Astragalus adsurgens)、红豆草(Onobrychis taneitica)、问荆(Equisetum arvense)、小灯芯草(Juncus bufonius)、白草(Pennisetum centrasiaticum)、芦苇(Phragmites communis)、狗尾草(Setaria viridis)和灰条菜(Chenopodium album)等。流域内主要土壤类型为黑垆土、黄绵土和红粘。

2 研究方法 2.1 样地调查

2010-06—10，于中沟小流域塬面立地上，选择3块地类相同但径级不同(6.1~10.0，14.1~18.0和22.1~26.0 cm)的人工刺槐林样地，面积按径级由小到大分别为930，2 680和1 546 m2，在每块样地内选择3株标准木，调查标准木的胸径、树高、冠幅、枝下高和样地的密度等基本生长特征(表 1)。

表 1 3种径级刺槐林的样树生长特征 Tab.1 Growth characteristics of three st and s of black locust plantation with different DBH ranges
2.2 雨量测定

在样地外附近空旷地上，设1个标准雨量筒，每次雨后与林内穿透雨、树干茎流同步观测。

2.3 穿透降雨测定

在每棵样树树冠下，以树干为中心，依冠幅面积大小，按4个方位分内、外两层，平均布设8个雨量筒，每次雨后及时测定穿透雨量。

2.4 树干茎流测定

用PVC胶管做槽，用钉子钉住及玻璃胶粘牢于样树上，把树干茎流水收集到25 kg塑料桶内，每次雨后观测。

树干茎流量计算公式如下:

$ S = \sum\limits_{i = 1}^N {\frac{{{S_N}{M_N}}}{{A{{10}^4}}}} 。 $

式中: S为树干茎流量(mm); N为树干径级数，SN为每一级的单株树干径流量(mL); MN每径级的树木株数; A为样地面积(m2)。

2.5 冠层截留

冠层截留量(I，mm)计算公式为I=P-T-S。式中: P为林外降雨量(mm); T为穿透降雨量(mm); S为树干茎流量(mm)。

3 结果与分析 3.1 冠层截留的变化特征

降到森林的枝、叶、干等树体表面的雨滴，由于表面张力和重力的均衡作用，一部分被吸附在表面，一部分积贮在枝叶分叉处，形成了林冠截留(王彦辉等，2009)。由表 2可见，在2010-08-10的研究期间，降雨总量为221.1 mm，6.1~10.0，14.1~18.0和22.1~26.0 cm 3种不同径级刺槐林的林冠截留总量分别为29.1，33.4和40.9 mm，占同期降雨量的比例分别为13.16%(10.47%~29.41%)，15.11%(11.71%~29.58%)和18.50%(13.31%~32.18%)。可知，刺槐林冠层截流量及截留率随着径级的增加而增大。

表 2 3种径级刺槐林冠对降雨的再分配 Tab.2 Redistribution of rainfall in three st and s of black locust plantation with different DBH ranges

在次降雨事件中，3种径级刺槐林的冠层截留量(I，mm)与降雨量(x，mm)呈对数函数关系(图 1)，拟合方程分别如下。

图 1 冠层截留量与降雨量的关系 Fig. 1 Relationship between canopy interception and rainfall

6.1~10.0 cm径级: I =1.748 9ln(x)-2.108 9 R2 =0.856 9，P＜0.01;

14.1~18.0 cm径级: I =1.972 7ln(x)-2.326 2 R2 =0.897 4，P＜0.01;

22.1~26.0 cm径级: I =2.452 1ln(x)-2.959 7 R2 =0.920 5，P＜0.01。

利用上述关系式的分析表明，当降水量为5~45 mm时，3种径级刺槐林的单场降水最大截留量模拟值分别为4.5，5.2和6.3 mm。

3种径级刺槐林的次降雨冠层截留率(Io，%)与次降雨量(x，mm)呈对数函数关系(图 2)，拟合方程分别如下。

图 2 冠层截留率与降雨量的关系 Fig. 2 Relationship between canopy interception ratio and rainfall

6.1~10.0 cm径级: Io =-0.016 6 ln(x)+ 32.262 R2 =0.615 1，P＜0.01;

14.1~18.0 cm径级: Io =-6.136 7 ln(x)+ 34.809 R2 =0.591 9，P＜0.01;

22.1~26.0 cm径级: Io =-5.757 7 ln(x)+ 37.218 R2 =0.649 8，P＜0.01。

由图 1和2可知，随着次降雨量增加，各径级人工刺槐林的林冠截留量均逐渐增大，但林冠截留率逐渐减小，且在降雨量>20 mm后，截留率增大及减小的幅度逐渐变缓。

3.2 树干茎流的变化特征

产生树干茎流的2条途径为: 枝叶上拦截的降雨汇集到树干而流下; 雨滴直接滴落到树干上，加湿树干产生树干径流。树干径流能补充树根周围水分，也会引起林下土壤水分的不均匀再分布，具有重要水文功能(赵鸿雁等，2002)。研究期间，6.1~10.0，14.1~18.0和22.1~26.0 cm 3种径级刺槐林的树干茎流总量分别为13.6，12.1和1.9 mm，分别占同期降雨量的6.15%(3.92~6.73%)，5.49%(3.92~6.28%)和0.85%(0.36~1.2%)(表 2)，其树干茎流率的变异系数分别为15.31%，13.79%和43.75%。由此可见，随着树干径级增大，茎流量及茎流率均呈加速减小趋势，到22.1~26.0 cm径级时已降到很低(图 3和4)。

图 3 树干径流量与降雨量的关系 Fig. 3 Relationship between stemflow and rainfall
图 4 树干径流率与降雨量的关系 Fig. 4 Relationship between stemflow ratio and rainfall

对于次降雨事件，各径级树干茎流量(y1，mm)和降雨量(x，mm)呈线性关系(图 3)，拟合方程如下。

6.1~10.0 cm径级: y1 =0.066 0 x - 0.090 2 R2 =0.995 8，P＜0.01;

14.1~18.0 cm径级: y1 =0.059 8x - 0.098 5 R2 =0.991 2，P＜0.01;

22.1~26.0 cm径级: y1 =0.011 5x - 0.060 8 R2 =0.874 5，P＜0.01。

各径级树干茎流率(y2，%)和降雨量(x，mm)呈对数关系(图 4)，拟合方程如下。

6.1~10.0 cm 径级: y2 =0.873 3ln(x)+ 3.367 7 R2 =0.592，P＜0.01;

14.1~18.0 cm径级: y2 =0.656 9ln(x)+ 3.359 4 R2 =0.514 4，P＜0.01;

22.1~26.0 cm径级: y2 =0.277 2ln(x)-0.063 3 R2 =0.505 6，P＜0.01。

由图 3和4可知，3种典型林分的树干茎流量均是随着林外降雨量增加而线性增大，但树干茎流率增大趋势逐渐变缓，呈对数关系; 当次降雨量＞20 mm时，树干茎流率的增大趋势就非常缓慢了，并渐趋稳定，6.1~10.0 cm径级刺槐稳定在7%左右，14.1~18.0 cm径级刺槐稳定在6%左右，22.1~26.0 cm径级刺槐稳定在1%左右。根据3种林分树干茎流量和降雨量的线性回归方程在x轴的截距，可计算得出6.1~10.0，14.1~18.0和22.1~26.0 cm 3种径级刺槐产生茎流的降雨量临界值分别为3.4，4.2和13.7 mm。

3.3 穿透降雨的变化特征

林内穿透降雨中的一部分是没有接触林冠而直接通过林冠间隙到达林地的降雨，即自由穿落雨; 另一部分是雨滴击打林冠表面溅落的雨滴，以及被叶片和枝条截持后滴落的雨水，即冠滴水量(夏体渊等，2009)。研究期间，3种径级(6.1~10.0，14.1~18.0，22.1~26.0 cm)刺槐林的穿透雨总量分别为178.4，175.6和178.6 mm，其占同期降雨量的比例分别为80.69%(66.67~83.3%)，79.40%(66.2~83.78%)和80.79%(67.27~85.52%)(表 2)，穿透降雨率的变异系数分别为6.82%，7.77%和6.73%，可知3种径级林分的穿透雨率差别不大，受林木径级影响并不显著。

在次降雨事件中，穿透雨量随降雨量增加而线性增大，3种径级刺槐林的穿透雨量(y3，mm)与次降雨量(x，mm)均呈极显著的线性函数关系，拟合方程分别如下。

6.1~10.0 cm径级: y3 =0.834x - 0.545 2 R2 =0.990 9，P＜0.01;

14.1~18.0 cm径级: y3 =0.854 6x - 0.938 9 R2 =0.997 7，P＜0.01;

22.1~26.0 cm径级: y3 =0.830 1x - 0.725 5 R2 =0.998 6，P＜0.01。

3种径级刺槐林的次降雨穿透雨率(y4，mm)与降雨量(x，mm)呈指数关系(图 5)，拟合方程分别如下。

6.1~10.0 cm径级: y4 =64.901x0.068 4 R2 =0.549 3， P ＜0.01;

14.1~18.0 cm径级: y4 =62.558x0.073 9 R2 =0.504 2，P＜0.01;

22.1~26.0 cm径级: y4 =64.952x0.066 4 R2 =0.558 2，P＜0.01。

由图 5可知，在降雨量＜20 mm时，穿透降雨率一般随着降雨量增加而增大，但在≥20 mm之后，增加趋势逐渐变缓并最后稳定在80%~85%。

图 5 穿透降雨率与降雨量的关系 Fig. 5 Relationship between throughfall ratio and rainfall
4 结论与讨论

本研究于2010年生长季(6—10月)对泾川县中沟小流域6.1~10.0，14.1~18.0和22.1~26.0 cm 3种径级刺槐林的冠层截留降雨作用进行研究，结果表明: 刺槐林冠层截留量随降雨量增大呈对数函数关系增大，6.1~10.0，14.1~18.0和22.1~26.0 cm 3种径级刺槐林的冠层截留率分别为15.91%，18.13%和21.57%，这与目前研究的林冠截留率10%~35%(Zhang et al.，2006; Witeead D et al.，1991)以及11%~37%(刘世荣等，2003)一致; 在降雨量＞20 mm后，次降雨事件中的冠层截留量增大或冠层截留率减小的幅度逐渐变缓，这与段旭等(2010)在距离本研究地点不远的宁夏六盘山华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)林和白桦(Betula platyphylla)林的研究得到的变化规律基本一致; 刺槐林冠截留量(率)随着林木径级增大而增大，这主要是因为林木的个体增大会导致冠层体积增大和截持表面积增大。王彦辉等(2009)的研究认为，对于同一树种，在一定年龄范围内，林龄增高会导致树木个体增大和叶量增加，从而导致林冠截留量增加。

本研究的3种径级刺槐林的2010年生长季的树干茎流量(率)分别为13.6 mm(15.91%)、12.1 mm(5.15%)和1.9 mm(0.69%)，树干茎流率变化范围与其他研究(0.1%~6.68%)一致(张一平，2003)，次降雨事件中的树干茎流率随降雨量增大而增大，但在降雨量＞20 mm后增幅变缓，并渐趋稳定，6.1~10.0 cm径级刺槐林稳定在7%左右，14.1~18.0 cm径级刺槐林稳定在6%左右，22.1~26.0 cm径级刺槐林稳定在1%左右。树干茎流量虽小，但它能增加根基周围的有效水分和养分输入，因而生态学意义重大。树干茎流量及茎流率均随树干径级增大而减小，这和随径级增大而变化的林分结构变化有关，如树皮粗厚导致吸水能力增强、枝干夹角增大导致沿枝干流下雨水减少等(周择福等，2004)。

研究期间，3种径级刺槐林的穿透雨量(率)分别为178.4(80.69%)，175.6(79.40%)和178.6 mm(80.79%)，彼此非常接近，看起来与径级相关不大，这是由于较大径级样地的林冠截持增大与干流减少的相互抵消所致。时忠杰等(2005; 2009)研究表明宁夏六盘山香水河小流域华山松(Pinus arm and ii)林的穿透雨率为84.34%，大于本研究结果，这可能与六盘山地区降雨较多有关。在次降雨事件中，穿透降雨率随降雨量增加而增大，但在降雨量≥20 mm后增加变缓，并最后稳定在80%~85%。

参考文献(References)
[1] 段 旭,王彦辉,于鹏涛,等. 2010. 六盘山分水岭沟典型森林植被对大气降雨的再分配规律及其影响因子. 水土保持学报,24(5): 1-7.(1)
[2] 何常清,薛建辉,吴永波,等. 2008. 岷江上游亚高山川滇高山栎林地降雨再分配. 应用生态学报, 19(9): 1871-1876.(1)
[3] 李 佳,饶良懿,鲁绍伟,等. 2012. 北京密云油松与刺槐林降雨再分配过程研究.广东农业科学,39(12): 169-174.(1)
[4] 刘建立,王彦辉,于鹏涛,等. 2009. 六盘山叠叠沟小流域华北落叶松人工林的冠层降水再分配特征.水土保持学报,23(4):76-81.(1)
[5] 刘世荣,孙鹏森,温远光. 2003. 中国主要森林生态系统水文功能的比较研究. 植物生态学报,27(1):16-22.(1)
[6] 莎仁图雅,田有亮,郭连生,等. 2009. 大青山区油松人工林降雨分配特征研究. 干旱区资源与环境,23(6): 156-160.(1)
[7] 时忠杰,王彦辉,于鹏涛,等. 2005. 宁夏六盘山林区主要森林植被生态水文功能研究.水土保持学报, 19(3): 134-138.(1)
[8] 时忠杰,王彦辉,徐丽宏,等. 2009. 六盘山华山松林降雨再分配及其空间变异特征.生态学报,29(1): 76-85.(1)
[9] 王彦辉. 1986. 陇东黄土地区刺槐林水土保持效益的定量研究. 北京林业大学学报,8(1): 35-52.(1)
[10] 王彦辉. 1987. 刺槐对降雨的截持作用. 生态学报,7(1): 43-49.(1)
[11] 王彦辉. 2001. 几个树种的林冠降雨特征. 林业科学,37(4): 2-9.(1)
[12] 王彦辉,于鹏涛,郭 浩,等.2009. 北京官厅库区森林植被生态用水及其恢复. 北京: 中国林业出版社.(2)
[13] 王艳丽,王 立,卫三平,等. 2012. Gash模型在黄土区人工刺槐林冠降雨截留研究中的应用.生态学报,32(17): 5445-5453.(1)
[14] 夏体渊,吴家勇,段昌群,等. 2009. 滇中3种林冠层对降雨的再分配作用. 云南大学学报:自然科学版, 31(1): 97-102.(1)
[15] 张一平,王 馨,王玉杰,等. 2003. 西双版纳热带季节雨林与橡胶林林冠水文效应比较研究.生态学报, 12(12):2653-2665.(1)
[16] 赵鸿雁,吴钦孝,刘国彬,等.2002. 山杨林的水文生态效应研究.植物生态学报,26(4): 497-500.(1)
[17] 周择福,张光灿,刘 霞,等.2004. 树干茎流研究方法及其评述.水土保持学报,18(3):139-145.(1)
[18] Carly-Moses D E.2004.Throughfall, stemflow, and canopy interception loss fluxes in a semi-arid Madre Oriental matorral community. Journal of Arid Environments, 58(2):180-220.(1)
[19] Link T E, Unsworth M H, Marks D. 2004. The dynamics of rainfall interception by a seasonal temperate rainforest. Agricultural and Forest Meteorology, 124(3/4): 171-191.(1)
[20] Liu S R, Wen Y G, Wang B, et al. 1996. Ecohydrological functions of forest ecosystems in China. Beijing: China Forestry Publishing House,61-62.(1)
[21] Shi Z J,Zhang N N, He C Q ,et al.2010. Eco-hydrological effect of the canopy, litter and soil of a eucalyptus plantation in South China. Acta Ecologica Sinica,30(7):1932-1939(1)
[22] Witeead D,Kelleher F M. 1991. A canopy water balance modle for a Pinus adiata stand before and after thinning.Agricultural Forest Meteorology, 55(1/2):109-123.(1)
[23] Zhang G, Zeng G M,Jiang Y M,et al. 2006. Modelling and measurement of two-layer-canoy interception losses in a subtropical evergreen forest of central-south China.Hydrology and Earth System Sciences, 65(10): 65-77.(1)