曹恭祥，王云霓，王彥輝，徐麗宏，季 蒙?

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院,010010,呼和浩特；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100091,北京)

我國人工林面積居世界第一,對改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著巨大作用；但目前國內(nèi)人工林普遍存在林分密度高、生產(chǎn)力低、蒸散量大等問題,尤其在干旱半干旱地區(qū),人工林耗水問題更成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。已有研究表明,干旱地區(qū)森林耗水量很大,有時(shí)幾乎相當(dāng)于年降水量[2]。冠層截留作為森林水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié),與降水的關(guān)系復(fù)雜,受林分結(jié)構(gòu)、氣象條件等差異的影響,冠層截留占年降水量比例變化很大,可達(dá)8% ～60%[3],在大多數(shù)干旱半干旱地區(qū)約為30%[4],冠層截留對降雨的再分配作用,直接影響落到林內(nèi)地面降雨的質(zhì)和量[5]。而林分密度是人工林影響冠層截留的重要結(jié)構(gòu)因子,林分密度過高使冠層截留量顯著增大,可能使干旱半干旱地區(qū)土壤水分無法得到有效補(bǔ)充[6],甚至導(dǎo)致林地水土保持功能減弱,區(qū)域徑流減少[7]。

間伐作為一種重要的營林技術(shù)措施,通過調(diào)控林分密度、優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)[8]、促進(jìn)林分生長[9]、提高生物多樣性[10],使森林生態(tài)功能達(dá)到穩(wěn)定和持續(xù)[11],同時(shí)也直接影響森林水文循環(huán)過程[3]。已有一些研究觀測了間伐后的冠層截留變化,描述了間伐強(qiáng)度與冠層截留的相關(guān)關(guān)系[3],這對制訂森林間伐強(qiáng)度具有一定指導(dǎo)意義；然而,對西北地區(qū)林水關(guān)系的量化研究,很少有人注意到人為調(diào)控對降雨分配的影響,尤其缺乏六盤山地區(qū)華北落葉松人工管理的相關(guān)報(bào)道。為保障林地水土保持功能持續(xù)發(fā)揮和區(qū)域用水安全,筆者在作為西部山地重要水源區(qū)的寧夏六盤山區(qū),以20世紀(jì)70—80年代主要造林樹種華北落葉松為研究對象,在2007年經(jīng)過不同強(qiáng)度間伐處理的人工林內(nèi),選擇地形均一、林齡相同的林分設(shè)置觀測樣地,觀測生長季的冠層截留數(shù)據(jù),研究分析了不同間伐強(qiáng)度林分對降雨分配的影響,推出華北落葉松穿透雨與林分特征的簡單模型工具,提出基于水文學(xué)的華北落葉松人工林經(jīng)營管理依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏六盤山自然保護(hù)區(qū)(E 35°15′～35°41′,N 106°09′～106°30′) 南部核心地帶的香水河小流域,海拔2 040～2 942 m。年均氣溫5.2℃,年均降水量710 mm,降雨多集中于7—9月,無霜期100～130 d。土壤類型主要為山地灰褐土。植被以天然次生林為主,如華山松(Pinus armandi)、白樺(Betula platyphylla)、紅樺(Betula albo-sinensis)、遼東櫟(Quercus liaotungensis)等,人工林主要為華北落葉松和油松(Pinus tabulaeformis),灌叢主要有華西箭竹(Fargesia nitida)、翅刺峨嵋薔薇(Rosa acicu-laris)、甘肅山楂(Crataegus Kansuensis)等,草本主要有華北苔草(Carex hancokiana)、蕨(Pteridium aquilum)等。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置

2012年在經(jīng)過不同強(qiáng)度間伐后的華北落葉松林內(nèi),選擇坡向、坡位等立地特征基本一致的林分,設(shè)置5個(gè)密度梯度觀測樣地。樣地大小30 m×30 m。調(diào)查樣地的海拔、坡度、土壤厚度等立地因子,樣地進(jìn)行每木檢尺,樣地基本信息見表1。

表1 華北落葉松人工林間伐樣地的基本信息Tab.1 Basic information of the thinned plots of Larix principis-rupprechtii plantation

2.2 冠層葉面積指數(shù)測定

在2012年5—10月,利用LAI-2000冠層分析儀(LI-Cor Co.,USA)監(jiān)測樣地的(leaf area index,葉面積指數(shù))特征值。每個(gè)樣地沿蛇形曲線在30個(gè)隨機(jī)布置的固定測點(diǎn)測定,其平均值為LAI測定值。

2.3 穿透雨量、樹干莖流量觀測和截留量計(jì)算

對2012年生長季內(nèi)17場次降雨進(jìn)行觀測。

林冠截留測定:1)林外降水,在樣地附近的空地上利用標(biāo)準(zhǔn)雨量筒測定；2)穿透雨,在樣地內(nèi)機(jī)械布設(shè)20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雨量筒測定；3)樹干莖流,每個(gè)徑級(按2 cm劃分)選1～2株標(biāo)準(zhǔn)木,用塑膠管做成蛇形管收集樹干莖流。樹干莖流量(C/mm)和截留量(I/mm)計(jì)算公式為:

式中:n為樹干徑級數(shù)；Cn為每一徑級的樹干莖流量,mL；Mn為每徑級樹木株數(shù)；S為樣地面積,m2；R為林外降水,mm；T為穿透雨量,mm。

2.4 數(shù)據(jù)分析

不同間伐強(qiáng)度林分穿透降雨量之間使用Levene檢驗(yàn)進(jìn)行方差同質(zhì)性分析,檢驗(yàn)通過后進(jìn)行方差分析(One-way ANOVA),采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行多重比較(α=0.05)。

建立穿透雨(因變量)和林分結(jié)構(gòu)(自變量)之間線性和指數(shù)模型關(guān)系后,對模型進(jìn)行常數(shù)和自變量顯著性檢驗(yàn),顯著水平P＜0.05。數(shù)據(jù)通過SPSS 19.0進(jìn)行處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同處理的降雨分配

2012年生長季對六盤山林外總降雨量和觀測樣地穿透雨量、樹干莖流量進(jìn)行觀測(表2)。17場次的總降雨量為507.2 mm。

不同間伐處理之間存在差異,與對照林分Ⅰ相比,穿透雨量分別高 5.5%、4.4%、12.0%和17.9%。間伐強(qiáng)度較低時(shí)(Ⅱ、Ⅲ與Ⅰ之間)穿透雨量的累計(jì)值差異較小,而間伐強(qiáng)度較高時(shí)(Ⅳ、Ⅴ與Ⅰ之間)穿透雨量差異較大。與穿透雨量相反,樹干莖流量隨著間伐強(qiáng)度的增加而減少,但差量較小,高間伐強(qiáng)度Ⅴ與對照林分Ⅰ相差僅0.5%(2.8 mm)。

表2 不同間伐強(qiáng)度林分累積穿透雨量、樹干莖流量和冠層截留所占總降雨的比例Tab.2 Percentages of cumulative throughfall,stemflow,and canopy interception in bulk rainfall in the stands with different thinning intensities

由圖1可知:不同間伐處理之間穿透雨量不同,觀測值變化趨勢基本表現(xiàn)為:Ⅴ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ,高間伐強(qiáng)度林分Ⅴ的穿透雨量最高。5—9月不同間伐強(qiáng)度穿透雨量差異性基本表現(xiàn)為:低間伐強(qiáng)度林分Ⅱ、Ⅲ與Ⅰ的穿透雨量差異不顯著(P＞0.05),高間伐強(qiáng)度林分Ⅳ、Ⅴ與Ⅰ的穿透雨量差異顯著(P＜0.05)。10月華北落葉松進(jìn)入生長末期,樹葉迅速凋落,使得林冠對降雨截持能力下降,造成所有樣地之間穿透雨量無顯著差異?？梢钥闯?間伐強(qiáng)度大于43.0%時(shí)(林分密度小于1 033株/hm2)可引起林分穿透雨的顯著差異。

圖1 不同間伐強(qiáng)度林分穿透雨量和總降雨量的月變化Fig.1 Monthly pattern of throughfall and rainfall inthe stands with different thinning intensities

圖2 不同間伐強(qiáng)度林分累積樹干莖流量Fig.2 Cumulative stemflow in the stands with different thinning intensities

不同間伐強(qiáng)度林分之間樹干莖流量差異較大。由圖2可以看出,隨間伐強(qiáng)度增加樹干莖流量逐漸降低,在前6個(gè)降雨觀測期內(nèi),不同間伐強(qiáng)度林分之間樹干莖流量差異不明顯,隨著累積降雨量的增加,樹干莖流量差異逐漸增大,其中Ⅳ與Ⅴ之間差異較小。與Ⅰ相比,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ樹干莖流量分別降低19.4% 、40.0% 、58.8% 、60.0% 。

由式(2)計(jì)算得出,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ冠層截留量分別為 215.6、188.6、195.3、157.3 和 127.6 mm,與Ⅰ相比,冠層截留率分別減少5.3%、4.0%、11.5%和17.3%?？梢?隨著間伐強(qiáng)度增加冠層截留量減少,間伐強(qiáng)度大于43.0%時(shí)可引起截留率的顯著降低。

3.2 穿透雨量與林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)的關(guān)系

通過對不同間伐強(qiáng)度華北落葉松樣地進(jìn)行穿透雨量的觀測,將各樣地穿透雨量分別與葉面積指數(shù)(LAI)、郁閉度(CD)、林分密度(D)、胸高斷面積(BA)進(jìn)行線性回歸(圖3),結(jié)果顯示,各回歸方程都呈極顯著相關(guān)(P＜0.001)。穿透雨量與LAI、CD、BA、D 之間決定系數(shù)(R2)分別為 0.96、0.87、0.62和0.76。

穿透雨量(占總降雨量的比例)和林分結(jié)構(gòu)變量之間存在顯著的線性回歸關(guān)系。所有回歸方程保持相似的斜率,并隨著林分結(jié)構(gòu)變量的增加,穿透雨量減少。

林分結(jié)構(gòu)是穿透雨量的影響因素,大氣降雨量是穿透雨量的決定因素。不同間伐強(qiáng)度林分穿透降雨量與大氣降雨之間呈顯著線性相關(guān)(R2為0.84～0.93,P＜0.01)；因此,考慮決定因素和影響因素的共同作用,可利用由總降雨量和林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)為自變量,穿透雨量為因變量的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行穿透降雨量的估算。

圖3 穿透雨量與林分結(jié)構(gòu)變量之間的線性回歸Fig.3 Linear regressions between the throughfall and the stand-structure variables

通過對穿透雨量與總降雨量、林分結(jié)構(gòu)變量的指數(shù)關(guān)系表達(dá)式T=ReaX(式中:T為穿透雨量,mm；R為總降雨量,mm；a為指數(shù)常數(shù)；X為林分結(jié)構(gòu)變量)[3]進(jìn)行擬合,得到的函數(shù)關(guān)系式可以較好地估算不同林分結(jié)構(gòu)六盤山華北落葉松林穿透雨量。

表3為不同林分結(jié)構(gòu)變量對應(yīng)的a值。LAI,CD,BA,D結(jié)果非常相似,標(biāo)準(zhǔn)誤差異可忽略不計(jì)。林分密度指數(shù)衰減常數(shù)接近零值,因此林分密度不適合預(yù)測穿透雨量。圖4提供了LAI為變量估算的穿透雨量模擬值和穿透雨量測量值的相關(guān)關(guān)系,兩者接近1∶1的直線,R2=0.95。通過對方程的方差分析(ANOVA)顯示:方程置信水平P＜0.001,可認(rèn)為變量X和Y之間有直線關(guān)系。在回歸分析系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果中,回歸系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤=0.02,回歸系數(shù)t檢驗(yàn)的t值為78.3,P＜0.001(與方差分析一致),回歸系數(shù)有顯著意義。穿透雨量(5個(gè)樣地的累積值)的觀測值和模擬值分別是1 600.2和1 626.3 mm,表明估計(jì)值高1.6%?？梢哉J(rèn)為,該模型精度范圍是可以接受的。

表3 不同林分結(jié)構(gòu)變量的參數(shù)擬合值Tab.3 Fitted results of the different stand-structure variables

圖4 穿透雨量模擬值與實(shí)測值的比較Fig.4 Comparison between the throughfall measuredand modelled

4 討論

六盤山地區(qū)造林后的華北落葉松林很少進(jìn)行撫育管理,造成林分結(jié)構(gòu)單一,抗災(zāi)害能力低,也直接影響其森林水文功能[12]。森林的間伐管理作為營林技術(shù)的重要措施,也是改善森林水分循環(huán)的有效途徑[13]。

在本研究觀測期內(nèi),間伐后華北落葉松林分的穿透雨量增加而冠層截留量減少,這與J.R.Aboal等[14]提出間伐可減少截留量的觀點(diǎn)相一致。對樹干莖流量的研究結(jié)果顯示,隨著林分密度降低樹干莖流量均呈不同程度的減少,這與A.J.Molina等[3]的結(jié)果一致。但最高密度林分Ⅰ樹干莖流量(占總降雨的0.9%)和最低密度林分Ⅴ之間相差僅2.8 mm(占總降雨量的0.5%),在計(jì)算冠層截留量時(shí),甚至可忽略不計(jì)(A.C.Oishi等[15]認(rèn)為樹干莖流量占降雨量的比例＜1%時(shí)可忽略不計(jì))。對穿透雨已有研究報(bào)道顯示,間伐減少櫟樹林分?jǐn)嗝娣e50%以上,穿透雨增加量小于10%[16]。而本研究結(jié)果顯示,華北落葉松林分?jǐn)嗝娣e減少36.8%(間伐強(qiáng)度43.0%),穿透雨量增加13.1%,這要明顯高于上述研究結(jié)果,而與A.J.Molina等[3]得出地中海白松(Pinus halepensisMill)人工林間伐減少林分?jǐn)嗝娣e41%,穿透雨量增加12%的研究結(jié)果較為接近?？梢?間伐對不同樹種穿透雨影響存在明顯差異,開展間伐對不同樹種水文過程的影響研究是十分必要的。

另外,本文通過量化不同間伐強(qiáng)度林分之間的截留差異,可以認(rèn)為,高密度華北落葉松純林進(jìn)行間伐后可以有效增加穿透雨量,間伐強(qiáng)度為43.0% ～53.4%(林分密度844～1 033株/hm2)是增加六盤山地區(qū)華北落葉松穿透雨量(13.1%～18.4%)的最優(yōu)范圍,這與基于最優(yōu)生長指標(biāo)提出21年華北落葉松合理密度應(yīng)為1 200株/hm2[17]和基于土壤水分植被承載力估算30年華北落葉松合理密度應(yīng)為850株/hm2[18]的結(jié)果較為接近。

目前,對華北落葉松林截留模型已有較多的研究[19-20],但模型的模擬結(jié)果和模型參數(shù)的準(zhǔn)確性仍需通過大量的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。本研究擬合的華北落葉松林穿透雨量與總降雨量、林分結(jié)構(gòu)變量的指數(shù)關(guān)系,估算精度較高,穿透雨量的觀測值和模擬值相差僅1.6%,雖然模擬結(jié)果還有待進(jìn)一步提高,但對林業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)來說,較詳細(xì)的分析和模型精度范圍是可以接受的。此外,從森林管理者的角度來看,該模型也更加簡單實(shí)用(涉及林業(yè)常用結(jié)構(gòu)指標(biāo),如CD,LAI,BA,D),因此,該模型用于預(yù)測間伐對華北落葉松人工林穿透雨影響的分析,將更有助于林業(yè)工作人員的實(shí)際操作?？偟膩碚f,該模型可為基于水文學(xué)基礎(chǔ)的華北落葉松人工林調(diào)控提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)論

六盤山地區(qū)高密度林分和氣候特征造成冠層截持損失較大,間伐對穿透雨量有顯著影響,而對樹干莖流量影響較小。隨著間伐強(qiáng)度的增加,截留量分別減少5.3%、4.0%、11.5%、17.3%。本文研究結(jié)果顯示華北落葉松林分間伐強(qiáng)度小于37.4%時(shí),林分穿透雨量無明顯差異,間伐強(qiáng)度大于43.0%時(shí),林分穿透雨量差異顯著?；趨^(qū)域的森林可持續(xù)發(fā)展,以及生態(tài)用水和生產(chǎn)用水的平衡,應(yīng)對高密度林分進(jìn)行必要的管理,因此林齡30年左右的華北落葉松林,合理密度應(yīng)為844～1 033株/hm2。本文量化了間伐后不同密度林分對穿透雨量的影響,在獲得林分結(jié)構(gòu)變量參數(shù)后,利用穿透雨量模型T=ReaX可較好的估算華北落葉松林穿透雨量,研究結(jié)果和模型的預(yù)測精度可為林業(yè)工作人員對森林的管理提供科學(xué)依據(jù)。

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