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辽东半岛赤松和蒙古栎林降雨再分配特征及其相关性分析

李连强 杨会侠 丁国泉 李淳

李连强, 杨会侠, 丁国泉, 李淳. 辽东半岛赤松和蒙古栎林降雨再分配特征及其相关性分析[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(11): 47-55. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200009
引用本文: 李连强, 杨会侠, 丁国泉, 李淳. 辽东半岛赤松和蒙古栎林降雨再分配特征及其相关性分析[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(11): 47-55. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200009
Li Lianqiang, Yang Huixia, Ding Guoquan, Li Chun. Precipitation redistribution characteristics and its correlation analysis of Pinus densiflora and Quercus mongolica forests in the Liaodong Peninsula of northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(11): 47-55. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200009
Citation: Li Lianqiang, Yang Huixia, Ding Guoquan, Li Chun. Precipitation redistribution characteristics and its correlation analysis of Pinus densiflora and Quercus mongolica forests in the Liaodong Peninsula of northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(11): 47-55. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200009

辽东半岛赤松和蒙古栎林降雨再分配特征及其相关性分析

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200009
基金项目: 林业公益性行业科研专项(201404303-04)
详细信息
    作者简介:

    李连强。主要研究方向:森林生态学。Email:1164629835@qq.com 地址:118003 辽宁省丹东市元宝区金山开发区古城路150号辽宁省森林经营研究所

    通讯作者:

    杨会侠,教授级高级工程师。主要研究方向:森林生态。Email:yhx-s@163.com 地址:同上

  • 中图分类号: S715.2

Precipitation redistribution characteristics and its correlation analysis of Pinus densiflora and Quercus mongolica forests in the Liaodong Peninsula of northeastern China

  • 摘要:   目的  降雨再分配是森林生态系统重要的水文过程,分析辽东半岛地区赤松和蒙古栎林降雨再分配特征,为区域典型林分的生态水文分析及模型建立提供参考。  方法  以辽宁仙人洞国家级自然保护区内的赤松和蒙古栎林为调查观测对象,选择林外降雨量(POF)、林内穿透雨量(TF)、树干径流量(SF)和树冠截留量(IF)为指标,应用回归分析法建立林外降雨量与各类指标的关系方程,并分析2种林分的降雨特征及其变化规律。  结果  (1)赤松林穿透雨量、树冠截留量和树干径流量分别为388.5、215.3、66.5 mm,占林外降雨量的57.96%、32.12%、9.92%;蒙古栎林穿透雨量、树冠截留量和树干径流量分别为421.7、119.0、55.5 mm,占林外降雨量的70.73%、19.96%、9.31%。(2)低强度降雨时,赤松和蒙古栎林的初始迟滞时长1 h左右,而中等和高强度降雨时,迟滞时长较短,明显小于1 h。且赤松林的树冠截留迟滞时间较长,迟滞作用更强,截留效果更好。(3)林外降雨量与穿透雨量、树干径流量呈极显著线性正相关(P < 0.001),赤松林和蒙古栎林产生穿透雨l、树干茎流量的最小降雨量分别为4.2、5.8和2.0、2.5 mm。(4)赤松和蒙古栎林的树冠截留量与林外降雨量呈极显著(P < 0.001)二次函数关系,树冠截留作用与林外降雨同时产生。当林外降雨量分别大于90.0、70.0 mm时,赤松和蒙古栎林的树冠截留量分别在10.0、7.0 mm左右。(5)林外降雨量与树冠截留率呈极显著负相关(P < 0.001)的幂函数关系,当林外降雨量分别大于90.0、70.0 mm时,赤松和蒙古栎林的树冠截留率趋于平稳,降低到20%和10%左右。  结论  降雨再分配过程中,赤松林的树干径流量、截留量和截留率大于蒙古栎林,而赤松林穿透雨量小于蒙古栎林,赤松林降雨再分配作用强于蒙古栎林。林内穿透雨存在迟滞效应,迟滞时长受降雨强度和林分类型影响,且赤松林的迟滞时长大于蒙古栎林。林外降雨量与树干径流量、穿透雨量、树冠截留量呈极显著正相关,与树干径流量、穿透雨量呈线性函数关系,与树冠截留量呈二次函数关系,与树冠截留率呈极显著负相关的幂函数关系。
  • 图  1  赤松和蒙古栎林降雨再分配特征

    POF为林外降雨量,TF为穿透雨量,SF为树干径流量,IF为树冠截留量。图1B中内圈代表蒙古栎林,外圈代表赤松林。POF is precipitation outside the forest, TF is throughfall, SF is stem flow, IF is canopy interception. In Fig. 1B, the inner ring is Quercus mongolica forest and the outer ring is Pinus densiflora forest.

    Figure  1.  Characteristics of precipitation redistribution in Pinus densiflora and Quercus mongolica forests

    图  2  典型林分类型的单次降雨特征

    POF为林外降雨量,TF为穿透雨量。POF is precipitation outside the forest, TF is throughfall.

    Figure  2.  Single rainfall characteristics of typical forest types

    图  3  典型林分穿透雨量、树干径流量与林外降雨量之间的相关性

                    TF为穿透雨量,SF为树干径流量。TF is throughfall, SF is stem flow.

    Figure  3.  Correlations between TF, SF and POF in typical stand

    图  5  不同林分树冠截留率与林外降雨量的相关性

    Figure  5.  Correlations between canopy interception rate and POF in different stands

    图  4  典型林分树冠截留量与林外降雨量的相关性

    Figure  4.  Correlations between canopy interception and POF in typical stands

    表  1  典型林分立地条件和林分特征

    Table  1.   Site conditions and characteristics of typical forest stands

    林分特征 Stand characteristics林分类型 Stand type
    赤松 Pinus densiflora蒙古栎 Quercus mongolica
    海拔 Elevation/m 421 458
    坡度 Slope/(°) 26 28
    坡向 Slope aspect 西南 Southwest 南 South
    坡位 Slope position 中 Middle 中 Middle
    土壤类型 Soil type 棕壤 Brown soil 棕壤 Brown soil
    土壤厚度 Soil thickness/cm 80 60
    林龄/a Forest age/year 86 84
    平均胸径 Average DBH/cm 24.66 ± 13.28 24.40 ± 2.13
    平均树高 Mean tree height/m 12.91 ± 4.37 12.53 ± 1.67
    平均冠幅 Mean crown diameter (CD)/m 6.22 ± 3.49 4.97 ± 0.69
    树种组成 Tree species composition 10赤松 10 Pinus densiflora 9蒙古栎 9 Quercus mongolica 1麻栎 1 Quercus acutissima
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    表  2  研究区域降雨特征统计

    Table  2.   Statistical characteristics of rainfall in the study area

    林分类型
    Stand type
    总降雨次数
    Total number of rainfall
    有效降雨次数
    Number of effective rainfall
    降雨量 Precipitation/mm
    最大 Max.最小 Min.平均 Average
    蒙古栎林 Quercus mongolica forest10982130.40.17.3
    赤松林 Pinus densiflora forest10578156.40.17.2
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-07
  • 修回日期:  2020-05-14
  • 网络出版日期:  2020-11-11
  • 刊出日期:  2020-12-14

辽东半岛赤松和蒙古栎林降雨再分配特征及其相关性分析

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200009
    基金项目:  林业公益性行业科研专项(201404303-04)
    作者简介:

    李连强。主要研究方向:森林生态学。Email:1164629835@qq.com 地址:118003 辽宁省丹东市元宝区金山开发区古城路150号辽宁省森林经营研究所

    通讯作者: 杨会侠,教授级高级工程师。主要研究方向:森林生态。Email:yhx-s@163.com 地址:同上
  • 中图分类号: S715.2

摘要:   目的  降雨再分配是森林生态系统重要的水文过程,分析辽东半岛地区赤松和蒙古栎林降雨再分配特征,为区域典型林分的生态水文分析及模型建立提供参考。  方法  以辽宁仙人洞国家级自然保护区内的赤松和蒙古栎林为调查观测对象,选择林外降雨量(POF)、林内穿透雨量(TF)、树干径流量(SF)和树冠截留量(IF)为指标,应用回归分析法建立林外降雨量与各类指标的关系方程,并分析2种林分的降雨特征及其变化规律。  结果  (1)赤松林穿透雨量、树冠截留量和树干径流量分别为388.5、215.3、66.5 mm,占林外降雨量的57.96%、32.12%、9.92%;蒙古栎林穿透雨量、树冠截留量和树干径流量分别为421.7、119.0、55.5 mm,占林外降雨量的70.73%、19.96%、9.31%。(2)低强度降雨时,赤松和蒙古栎林的初始迟滞时长1 h左右,而中等和高强度降雨时,迟滞时长较短,明显小于1 h。且赤松林的树冠截留迟滞时间较长,迟滞作用更强,截留效果更好。(3)林外降雨量与穿透雨量、树干径流量呈极显著线性正相关(P < 0.001),赤松林和蒙古栎林产生穿透雨l、树干茎流量的最小降雨量分别为4.2、5.8和2.0、2.5 mm。(4)赤松和蒙古栎林的树冠截留量与林外降雨量呈极显著(P < 0.001)二次函数关系,树冠截留作用与林外降雨同时产生。当林外降雨量分别大于90.0、70.0 mm时,赤松和蒙古栎林的树冠截留量分别在10.0、7.0 mm左右。(5)林外降雨量与树冠截留率呈极显著负相关(P < 0.001)的幂函数关系,当林外降雨量分别大于90.0、70.0 mm时,赤松和蒙古栎林的树冠截留率趋于平稳,降低到20%和10%左右。  结论  降雨再分配过程中,赤松林的树干径流量、截留量和截留率大于蒙古栎林,而赤松林穿透雨量小于蒙古栎林,赤松林降雨再分配作用强于蒙古栎林。林内穿透雨存在迟滞效应,迟滞时长受降雨强度和林分类型影响,且赤松林的迟滞时长大于蒙古栎林。林外降雨量与树干径流量、穿透雨量、树冠截留量呈极显著正相关,与树干径流量、穿透雨量呈线性函数关系,与树冠截留量呈二次函数关系,与树冠截留率呈极显著负相关的幂函数关系。

English Abstract

李连强, 杨会侠, 丁国泉, 李淳. 辽东半岛赤松和蒙古栎林降雨再分配特征及其相关性分析[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(11): 47-55. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200009
引用本文: 李连强, 杨会侠, 丁国泉, 李淳. 辽东半岛赤松和蒙古栎林降雨再分配特征及其相关性分析[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(11): 47-55. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200009
Li Lianqiang, Yang Huixia, Ding Guoquan, Li Chun. Precipitation redistribution characteristics and its correlation analysis of Pinus densiflora and Quercus mongolica forests in the Liaodong Peninsula of northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(11): 47-55. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200009
Citation: Li Lianqiang, Yang Huixia, Ding Guoquan, Li Chun. Precipitation redistribution characteristics and its correlation analysis of Pinus densiflora and Quercus mongolica forests in the Liaodong Peninsula of northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(11): 47-55. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200009
  • 森林生态系统中的降雨再分配过程主要受到气候因子(降雨量、降雨强度、风速等)和林分类型(针叶林、阔叶林等)的影响[1-2],表现出明显的时间迟滞性[3]和结构差异性[4]。在森林中,雨水通过林冠进行重新分配,主要包括穿透雨、树干径流和林冠截留等过程[5-6]。其中,穿透雨经过乔木层、灌木层、草本层和枯枝落叶层最终落到地面,各层的截留作用存在明显的迟滞特性[7]。树干径流是沿着树干把雨水输送到地表,与林外降雨量密切相关[8]。树冠截留有助于削弱强降雨对地表的影响[9]。因此,林冠对降雨的再分配具有重要的生态学意义[10]

    林冠截留作用是降雨再分配特征的重要衡量指标,前人分析了林冠截留过程[9-11],林冠截留影响因子[12-15],林冠截留模型[16-17],林分截留特征[18]等。普遍认为我国森林生态系统的林冠截留率在11.40% ~ 34.34%之间[19]。梁文俊等[20]对河北油松(Pinus tabuliformis)林的降雨再分配进行了分析,认为华北土石山区森林植被的穿透雨、树冠截留和树干径流分别占林外降雨的67.07%,29.79%和3.10%。2018年,艾长江等[21]对灌木林的降雨再分配进行了研究,认为灌木林的穿透雨量小于乔木林的,穿透雨量占林外雨量的比例最大,而树干径流量占比最小。综上所述,目前对降雨再分配的研究主要集中在林外降雨、穿透雨、树干茎流和树冠截留的数量、比例分析,注重于单个林分的截留作用分析,而降雨过程中各因素的阈值、趋势、变化过程等分析较少,特别是缺少穿透雨的迟滞作用和树干径流、树冠截流量的变化过程分析,以及不同林分类型降雨过程的趋势分析。

    本文通过观测辽宁仙人洞国家级自然保护区内赤松(Pinus densiflora)和蒙古栎(Quercus mongolica)林的降雨再分配过程,分析了辽东半岛主要森林类型的降雨再分配特征,探讨赤松和蒙古栎林降雨再分配特征的阈值及其相关性。重点分析了穿透雨的迟滞作用和降雨再分配过程中的趋势、阈值问题,为辽东半岛典型林分的生态水文参数分析及模型建立提供参考。

    • 研究区域位于大连庄河北部仙人洞镇(122°57′03″N、39°58′45″E)的辽宁辽东半岛森林生态系统国家定位观测研究站。其海拔200 ~ 680 m,最高峰为栗子房岭约681 m。地带性土壤为棕壤,pH值5.0 ~ 6.2呈微酸性。属于暖温带湿润季风气候,年平均气温8.7 ℃,最高气温36.0 ℃,最低气温−25.2 ℃,年平均降雨量900 mm左右,无霜期约182 d,平均相对湿度69%[22]

      研究区域以赤松林和栎类林等天然次生林为主。其中,蒙古栎林优势树种为蒙古栎,伴生树种有麻栎(Quercus acutissima)、色木槭(Acer mono)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)等。赤松林优势树种为赤松,伴生树种稀少,且多为麻栎、蒙古栎[22]。选择立地条件和林分结构相似的样地作为观测点,其具体林分特征见表1

      表 1  典型林分立地条件和林分特征

      Table 1.  Site conditions and characteristics of typical forest stands

      林分特征 Stand characteristics林分类型 Stand type
      赤松 Pinus densiflora蒙古栎 Quercus mongolica
      海拔 Elevation/m 421 458
      坡度 Slope/(°) 26 28
      坡向 Slope aspect 西南 Southwest 南 South
      坡位 Slope position 中 Middle 中 Middle
      土壤类型 Soil type 棕壤 Brown soil 棕壤 Brown soil
      土壤厚度 Soil thickness/cm 80 60
      林龄/a Forest age/year 86 84
      平均胸径 Average DBH/cm 24.66 ± 13.28 24.40 ± 2.13
      平均树高 Mean tree height/m 12.91 ± 4.37 12.53 ± 1.67
      平均冠幅 Mean crown diameter (CD)/m 6.22 ± 3.49 4.97 ± 0.69
      树种组成 Tree species composition 10赤松 10 Pinus densiflora 9蒙古栎 9 Quercus mongolica 1麻栎 1 Quercus acutissima
    • 林外降雨(POF,mm)使用气象仪自动记录和测定。在样地附近(约20 m以内)选择开阔的地段,设置、安装美国Campbell Scientific公司生产的气象仪器,连续测定每次降雨情况(降雨量、降雨时间、降雨时的气象因子等多项指标)。同时,在仪器附近(1 ~ 2 m)安装10个直径20 cm的自动翻斗式雨量筒(采集间隔5 min,精度0.1 mm),测定每次的降雨情况。通过气象记录仪与雨量筒2组数据的核准、对比、校正分析,获得可靠的林外降雨资料、记录气象因子。由于气象条件的影响,夜间降雨均按照1次降雨计算,而白天以降雨间隔期 ≥ 4 h为两次降雨的时间间隔[5,23]

    • 穿透雨(TF,mm)采用自制降雨收集仪自动记录和测定。在2种林分内,均匀安装10个规格为20 cm × 100 cm的PVC材质的集水槽,且集水槽两端保持平衡,高度保持在1.3 m左右。在一端通过软管连接自动翻斗式雨量筒,自动记录和测定林内穿透雨量[5]。注意在出水口处安装适宜阻隔网(尼龙网、铁丝网、尼龙纱布等),并定期清理集水槽和阻隔网上的枯落物,防止出水口堵塞。

    • 树干径流(SF,mm)采用自制树干集雨器自动记录和测定。在2种林分内,选择不同径阶的树种,注意径阶分布均匀且广泛。其中赤松林标准木胸径6.5 ~ 45.5 cm,蒙古栎林标准木胸径6.5 ~ 40.5 cm。在乔木树种的胸径处(1.3 m处),用规格为宽45 cm,厚度5 cm,长度约大于树干胸围的保温泡沫板。利用泡沫板将树干紧包1周,并用适宜铁丝固定[24]。在上部切一个锲形的剖面,用于树干径流的收集,并用玻璃胶密封,保证树干径流从软管流入自动翻斗式雨量筒,自动记录树干径流量[5]。根据林分的树种比例及胸径分布,在2种林内共选取标准样木30株,其中蒙古栎15株,赤松15株。

    • 林冠的截流量为林外降雨与树干径流、穿透雨的差值,表示林冠截留的数量。而林冠的截留率,表示林冠截留的效率、快慢。其具体计算公式如下[5]

      $${\rm{IF}} = {\rm{POF}} - {\rm{TF}} - {\rm{SF}}$$
      $${\rm{RIF}} = \frac{{{\rm{IF}}}}{{{\rm{POF}}}} \times 100{\rm{\% }}$$

      式中:IF为树冠截流量(mm);POF为林外降雨(mm);TF林内降雨(mm);SF为树干径流量(mm);RIF为树冠截留率(%)。

      利用Excel 2019进行数据的整理及初步分析,比较林内穿透雨、林外降雨、树干茎流和林冠截留的降水差异性,并用回归分析法建立林外降雨量与穿透雨、树干径流、树冠截留量和树冠截留率的关系方程,绘制相关图表,解释各个因子对林冠截留的影响及其变化趋势。以上所有数据处理与分析均在Excel 2019和SPSS 21中完成。

    • 2018年1—12月共测得214场降雨。赤松林和蒙古栎林分别为109场和105场,总降雨量分别为670.3、596.1 mm,而在单次降雨中最大降雨量均超过130.0 mm,最小值0.1 mm(表2图1)。2种林分年降雨量和单次降雨量与该地区的年均降雨量和单次降雨量相近,能够很好地反映辽东半岛典型林分的树冠截留情况。

      图  1  赤松和蒙古栎林降雨再分配特征

      Figure 1.  Characteristics of precipitation redistribution in Pinus densiflora and Quercus mongolica forests

      表 2  研究区域降雨特征统计

      Table 2.  Statistical characteristics of rainfall in the study area

      林分类型
      Stand type
      总降雨次数
      Total number of rainfall
      有效降雨次数
      Number of effective rainfall
      降雨量 Precipitation/mm
      最大 Max.最小 Min.平均 Average
      蒙古栎林 Quercus mongolica forest10982130.40.17.3
      赤松林 Pinus densiflora forest10578156.40.17.2

      图1A图1B中,分别显示2种林分的树冠降雨再分配特征,树冠截留量、树干径流量及其林外降雨的占比均为赤松林大于蒙古栎林,而穿透雨量及其占林外降雨的占比均为赤松林小于蒙古栎林。

      从林内穿透雨看,赤松林(388.5 mm)小于蒙古栎林(421.7 mm),其占林外降雨的比例也为赤松林(57.96%)小于蒙古栎林(70.73%),可能是赤松林树木茂密,枝叶吸水性强、林分平均冠幅较大,而致使赤松林内降雨减少。从树干径流看,赤松林(66.5 mm,9.92%)大于蒙古栎林(55.5 mm,9.31%),其差值小于2种林分穿透雨的差值,表明林外降雨对穿透雨的影响更大。从树冠截留看,赤松林的树冠截流量(215.3 mm)占林外降雨的比例(32.12%)均大于蒙古栎林的(119.0 mm,19.96%),说明赤松林的截留作用更强。

    • 迟滞效应也称延迟效应指穿透雨受到树木的影响,在时间尺度上表现出一定程度的延迟、迟滞性,这对削弱降雨对林内植物、土壤的影响,降低水土流失有一定的积极作用[3,13]图2反映的是赤松和蒙古栎林平均单次降雨中,林外降雨(POF)与林内穿透雨(TF)随时间的变化规律。在图2中,从左到右林外降雨强度逐渐降低,分别包含强降雨(POF ≥ 20.0 mm)、中等降雨(20.0 mm > POF ≥ 7.0 mm)、低等降雨(7.0 mm > POF ≥ 0.1 mm),其划分依据主要参考表2及相关文献[5,24]

      图  2  典型林分类型的单次降雨特征

      Figure 2.  Single rainfall characteristics of typical forest types

      图2中,赤松林的迟滞效应长于蒙古栎林,低强度降雨的时滞效应长于高强度降雨,反映树冠截留受到林分类型和降雨强度的影响,且赤松林的时滞作用更强截留效果更好。

      在赤松林中,图2A单次降雨量约0.3 mm为低强度降雨,1 h后产生穿透雨。图2B2C单次降雨量分别约10.0、35.0 mm为中等强度和高强度降雨,穿透雨在1 h内产生,但中强度降雨的迟滞效果强于高强度,可能由于降雨强度大,树冠截留作用饱和速率高。在蒙古栎林中,图2D单次降雨0.2 mm为低强度降雨,也是1 h后产生穿透雨,且穿透雨量大于赤松林。图2E2F分别为中等强度和高强度降雨,穿透雨与林外降雨几乎同步,迟滞效果差,说明蒙古栎林中等强度降雨时,树冠截留已经接近饱和。

      2种林分初始迟滞时长在1 h左右,均存在树冠截留的饱和状态,且蒙古栎林先达到饱和,迟滞时长短于赤松林。因此赤松林的时滞作用更强,截留效果更好,降雨强度和林分类型都会对迟滞效应产生影响。

    • 影响树冠截留的因素很多,有气候条件、林分结构、森林生物量等[14]。本文选择林外降雨量(POF)作为自变量,以单场有效降雨为单位(POF > 0.3 mm),统计了赤松林有效降雨78次,蒙古栎林有效降雨82次,探究典型林分的树冠截留效应及各因子的相互关系(图3 ~ 5)。

      图  3  典型林分穿透雨量、树干径流量与林外降雨量之间的相关性

      Figure 3.  Correlations between TF, SF and POF in typical stand

      图  5  不同林分树冠截留率与林外降雨量的相关性

      Figure 5.  Correlations between canopy interception rate and POF in different stands

    • 穿透雨和树干径流是树冠截留的重要组成部分,本文以林外降雨量为自变量,2种林分的林内穿透雨量(TF)和树干径流量(SF)为因变量,分析赤松林和蒙古栎林穿透雨量、树干径流量与林外降雨量的相互关系(图3)。

      图3可以看出,赤松林的穿透雨量、树干径流量与林外降雨量呈极显著线性正相关(P < 0.001),产生穿透雨和树干茎流的最小降雨量分别约为4.2、5.8 mm,且穿透雨量的变化速率大于树干茎流量的变化速率,反映了受到林冠和树干表面积的影响,林冠层对降雨的影响大于树干。蒙古栎林的林内穿透雨量、树干径流量与林外降雨量也呈极显著线性正相关(P < 0.001),产生穿透雨和树干径流的最小降雨量分别约为2.0、2.5 mm,且穿透雨量的增加速率大于树干茎流量的增加速率,反映了受到表面积的影响,林冠层对降雨的影响大于树干。

      赤松林和蒙古栎林的穿透雨量、树干径流量均与林外降雨量呈极显著线性正相关。随着林外降雨量的增加,赤松林产生穿透雨和树干茎流的最小降雨量大于蒙古栎林,赤松林和蒙古栎林的穿透雨量增加速率大于树干径流量的增加速率。产生此种结果可能是受到针阔叶林内平均胸径和冠幅的影响,例如赤松林平均胸径较大,而蒙古栎林叶面积较大。

    • 以林外降雨量为自变量,2种林分的林冠截留量(IF)和林外降雨量(POF)为因变量,分析赤松林和蒙古栎林树冠截留量、树冠截留率与林外降雨的关系(图4)。

      图  4  典型林分树冠截留量与林外降雨量的相关性

      Figure 4.  Correlations between canopy interception and POF in typical stands

      树冠截留量与林外降雨量存在极显著正相关的二次函数关系,即随着林外降雨的增加,树冠截留量先迅速增加(几乎呈线性增大趋势),之后达到一定阈值后增加速度变缓,最终趋于稳定。

      由回归方程(图4)可以知,在赤松林中,林外降雨几乎与树冠截留作用同时产生。当林外降雨量低于50.0 mm时,树冠截留量几乎呈直线增加;林外降雨量在50.0 ~ 90.0 mm之间,树冠截留的增加量变缓;当林外降雨量大于90.0 mm时,树冠截留量接近饱和并稳定在10.0 mm左右。在蒙古栎林中,林外降雨与树冠截留作用也几乎同时产生。当林外降雨低于40.0 mm左右时,随着降雨的增加树冠截留量呈直线增长;当林外降雨量在40.0 ~ 70.0 mm左右时,树冠截留的增加量逐渐降低,最后林外降雨量大于70.0 mm左右时,树冠截留的增加量趋于平缓,且稳定在7.0 mm左右。

      图5可以看出,树冠截留率与林外降雨量呈极显著负相关性(P < 0.001),即随着林外降雨量的增加树冠截留率迅速降低,最后树冠截流留率趋于平稳且缓慢降低。在赤松林中,树冠截留率与林外降雨量的拟合方程为y = 46.377x−0.256R2 = 0.440,P < 0.001,是幂函数关系。蒙古栎林中,树冠截留率与林外降雨量的拟合方程为y = 44.590x−0.351R2 = 0.565,P < 0.001,也是幂函数关系。同时,当林外降雨量大于90.0 mm时,赤松林的树冠截留率开始趋于平稳,保持在20%左右。当林外降雨量大于70.0 mm时,蒙古栎林的树冠截留率开始趋于平稳,保持在10%左右。

      2种林分的树冠截留量、树冠截留率与林外降雨量呈极显著负相关(P < 0.001),均为赤松林大于蒙古栎林。当林外降雨量大于90.0 mm时,赤松林的树冠截留量和截流率分别稳定在10.0 mm和20%。当林外降雨量大于70.0 mm时,蒙古栎林的树冠截留量和截留率分别稳定在7.0 mm和10%左右。受降雨强度和林分类型的影响,赤松林树冠截留作用大于蒙古栎林树冠截留作用。

    • 根据赤松林和蒙古栎林降雨再分配过程的观测数据,应用回归分析法探究了辽东半岛赤松和蒙古栎2种典型林分的降雨再分配特征,得出了以下结论。

      (1)在降雨再分配过程中,赤松林的树干径流、树冠截留大于蒙古栎林,而赤松林的穿透雨量小于蒙古栎林,赤松林的树冠截留作用强于蒙古栎林。

      赤松林的穿透雨、树冠截留和树干径流分别为388.5、215.3、66.5 mm,占林外降雨的57.96%、32.12%、9.92%。蒙古栎林的穿透雨、树冠截留和树干径流分别为421.7、119.0、55.5 mm,占林外降雨的70.73%、19.96%、9.31%。该结果在前人相关研究的范围内[9,14-15],与冯亚琦等[25]关于城区蒙古栎林的研究结果相似,但与石磊等[26]和董玲玲等[27]关于兴安落叶松(Larix gmelinii)和山杨(Populus davidiana) 的研究结果相比,树干径流量偏高,而穿透雨和树冠截留相近,可能是因为林分类型的差异性,导致了树干径流量的变化。

      (2)降雨再分配过程中,林内穿透雨明显存在迟滞效应,迟滞时长受降雨强度和林分类型的影响,赤松林的迟滞时长大于蒙古栎林的迟滞时长。

      低强度降雨时,赤松和蒙古栎林的初始迟滞时长在1 h左右,而中等和高强度降雨时,迟滞时长较短,明显小于1 h。赤松林的树冠截留迟滞时间较长,时滞作用更强,截留作用更强。与陈丽华等[28]和刘玉杰等[28]结果相似,均认为低强度降雨时,1 h左右产生穿透雨[3]。降雨的迟滞效应能够很好地延缓地表径流的产生,削弱雨水对地表的冲刷作用,增强了森林的水土保持作用[29]

      (3)林外降雨量与树干径流量、穿透雨量、树冠截留量呈极显著正相关(P < 0.001),且与树冠截留量呈二次函数关系,与穿透雨量、树干径流量呈线性函数关系。林外降雨量与树冠截留率呈极显著负相关(P < 0.001)的幂函数关系。

      林外降雨量与穿透雨量、树干径流量呈显著线性正相关,赤松林和蒙古栎林产生穿透雨时的最小降雨量分别为4.2和2.0 mm。赤松林和蒙古栎林产生树干径流时的最小降雨量分别为5.8和2.5 mm。一般情况下穿透雨量、树冠截留量与林外降雨量之间为极显著线性正相关[30],均存在一定的阈值[5,31]。孙忠林等[5]认为当降雨量达到1.0和0.7 mm时,蒙古栎林和杂木林产生穿透雨,与本文结果相近。

      林外降雨量与树冠截留量存在正相关的二次函数关系,随着降雨的增强而逐渐增大,最后趋于稳定,且赤松林的树冠截留作用大于蒙古栎林的。赤松林和蒙古栎林的树冠截留作用几乎与林外降雨同时产生,当林外降雨量大于90.0 mm时,赤松林的树冠截留量稳定在10.0 mm左右。当林外降雨量大于70.0 mm时,蒙古栎林的树冠截留量稳定在7.0 mm左右。Levia等[32]和王艳萍等[33]认为树干径流在降雨再分配过程中占比很少,但具有重要的聚水作用一般占降雨量的10%以下,与本研究结果相似。同时,Macinnis-Ng等[34]和万艳芳等[35]均认为林外降雨量是树冠截留变化的动力,出现先增大后趋于稳定的趋势,也与本研究结果类似。但是,张宁等[36]认为林外降雨量和树冠截留呈线性关系,与本结果有出入,可能因为其观测的林外降雨量较低,未达到树冠截留的饱和阶段,也可能受该地区自身气候影响,致使观测样地降雨量和降雨强度较低。

      林外降雨量与树冠截留率呈极显著负相关性,且为幂函数关系。当林外降雨量大于90.0 mm时,赤松林的树冠截流率稳定在20%左右。当林外降雨量大于70.0 mm时,蒙古栎林的树冠截留率稳定在10%左右,且赤松林大于蒙古栎林。该结果与许多相关研究的结果一致[37-38],但是具体的树冠截留率大小和平稳期存在差异[39],可能是由于不同地区树木种类、林分类型及地区降雨差异所致。

参考文献 (39)

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