孫天妙,陽輝,曹建生**

(1.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022;

2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

森林生態(tài)系統(tǒng)以其復(fù)雜的功能層次結(jié)構(gòu)對(duì)大氣降水進(jìn)行再分配,改變降水?dāng)?shù)量以及時(shí)空分布格局,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)森林水文涵養(yǎng)效應(yīng)[1]。植被冠層的降雨再分配過程是植被與水文相互作用的重要環(huán)節(jié)[2-5],包括冠層截留、穿透雨、樹干徑流[6-7]。冠層截留是指在降雨過程中以及降雨結(jié)束后以蒸散發(fā)的形式返回大氣中的雨水,是降雨過程中的凈損失項(xiàng)[8];穿透雨包括穿過林冠層直接到達(dá)地面的雨水和從冠層枝葉滴落到地面的雨水[9];樹干徑流是指沿樹枝樹干以點(diǎn)源形式匯集到深層土壤的雨水,對(duì)植物水分和養(yǎng)分輸入具有重要意義[10]。通過對(duì)降雨再分配的研究,可以更深入了解森林水文過程及作用,是生態(tài)水文學(xué)研究的熱點(diǎn)問題和前沿問題[11-14]。

太行山區(qū)位于海河流域上游,是華北平原和京津冀地區(qū)重要的生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)和水源涵養(yǎng)功能區(qū),同時(shí)也是海河流域下游眾多城市生產(chǎn)和服務(wù)用水的保障區(qū)。長期以來對(duì)土地的不合理利用導(dǎo)致該區(qū)水土流失嚴(yán)重,為恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng),自1986 年我國實(shí)施太行山綠化工程以來,森林覆蓋面積快速增加,但不適宜的造林方式導(dǎo)致該區(qū)水資源短缺,水位下降問題嚴(yán)重[15-16],因此確認(rèn)不同植被對(duì)天然降水的利用效率,研究林冠層截留量及其影響因素,對(duì)科學(xué)合理地改善和修復(fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境,提高下游地區(qū)的生態(tài)安全,緩解區(qū)域水資源短缺,減輕流域洪澇災(zāi)害威脅都具有極其重要的意義,可為華北地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

早在20 世紀(jì)90 年代初期,國際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)提出了核心內(nèi)容“水文循環(huán)的生物圈方面(BAHC)”,此后全球范圍內(nèi)開展了大量有關(guān)降雨再分配等方面的研究,國內(nèi)學(xué)者也對(duì)我國南北不同氣候區(qū)不同森林植被類型的降雨再分配過程做了大量研究。目前,關(guān)于降雨再分配的研究范圍較廣,包括北美德克薩斯州、亞馬孫河流域、地中海地區(qū)以及國內(nèi)的大興安嶺區(qū)、岷江上游、祁連山等區(qū)域;不同類型植被對(duì)降雨再分配作用存在很大差異,總體而言,對(duì)喬木林的研究相對(duì)較多,主要包括杉木(Cunninghamia lanceolata)林、油松(Pinus tabuliformis)林、山楊(Populus davidiana)林、華北落葉松(Larix principis-rupprechtii)林、杜仲(Eucommia ulmoides)林和馬尾松(Pinus massoniana)林等針闊葉林。已有學(xué)者在太行山區(qū)開展降雨再分配相關(guān)研究,但多以單一林分為研究對(duì)象,而以多種林分為研究對(duì)象進(jìn)行對(duì)比分析的研究相對(duì)較少,且對(duì)降雨再分配的研究多集中在林外降雨量、穿透雨量、樹干徑流量、冠層截留量總量和比例的分析,而對(duì)于降雨過程中隨降雨量變化趨勢(shì)以及閾值分析較少[17-18]。河北太行山區(qū)植被類型較多,降雨再分配的研究大多集中在關(guān)于蘋果(Malus pumila)、核桃(Juglans regia)等人工經(jīng)濟(jì)林,對(duì)天然灌木和次生林研究較少[19],對(duì)其他植被類型少有系統(tǒng)研究,不利于對(duì)太行山低山丘陵區(qū)降雨再分配規(guī)律、特征、影響機(jī)制的探索。因此,本研究選擇河北太行山典型自然林[荊條(Vitex negundo)灌叢]以及人工林[刺槐(Robinia pseudoacacia)林、白皮松(Pinus bungeana)林、黃連木(Pistacia chinensis)林、杜仲林、櫻桃(Cerasus pseudocerasus)林、竹(Garcinia multiflora)林、白蠟(Fraxinus chinensis)林],分析其降雨再分配過程,對(duì)其林冠層水文效應(yīng)做定量分析,為人們探索太行山區(qū)植被生態(tài)水文動(dòng)態(tài)提供基礎(chǔ),以揭示不同林分的水源涵養(yǎng)功能。

1 研究區(qū)概況

該研究在中國科學(xué)院太行山山地生態(tài)試驗(yàn)站(以下簡稱太行山站)內(nèi)完成,太行山站位于海河流域,雄安新區(qū)上游,行政區(qū)劃屬于河北省石家莊市。地處37°52′44″N、114°15′50″E,海拔350 m 左右,為低山丘陵區(qū)[20]。氣候?qū)儆诎敫珊蛋霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候,雨熱同期,夏季炎熱多雨,冬季干旱少雨,多年平均氣溫13 ℃,無霜期150～210 d,多年平均降水量513.2 mm[21],多集中于7-9 月,占全年降雨的67.8%[22];在全球變暖背景下,50 年來出現(xiàn)溫度升高、降水減少的趨勢(shì)[18-19]。土壤貧瘠,以粗骨性風(fēng)化物上的褐土為主,兼有壤土、砂壤土、片麻巖和頁巖石質(zhì)土壤,土層厚度約0.5～2.5 m。該區(qū)植被類型以暖溫帶闊葉林被破壞后發(fā)育的次生灌草叢和低矮喬木以及人工栽培植被為主,主要包括灌木荊條、酸棗(Zizyphus jujuba),次生低矮喬木刺槐,草本黃背草(Themeda japonica)、白羊草(Bothriochloa ischaemum),人工經(jīng)濟(jì)林櫻桃林、核桃林等。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇

于2022 年6 月在太行山站試區(qū)選取有代表性的天然林荊條灌叢以及人工林刺槐林、櫻桃林、黃連木林、白皮松林、杜仲林、白蠟林、竹林為研究對(duì)象,分別在林內(nèi)設(shè)置20 m×20 m 的樣地,以場(chǎng)外空地作為對(duì)照。調(diào)查并記錄每個(gè)林分的特征(表1)。在2022 年7-9 月開展野外試驗(yàn),在每個(gè)樣地內(nèi)選取5個(gè)隨機(jī)點(diǎn)測(cè)定穿透雨,選取5 株植被測(cè)定樹干徑流。

表1 研究區(qū)不同林分的特征Table 1 Characteristics of different types of vegetation in the study area

2.2 林外降雨觀測(cè)

林外降雨測(cè)量地點(diǎn)為太行山站內(nèi),距離各樣地之間直線距離最遠(yuǎn)不超過2 km,故該點(diǎn)測(cè)量的降雨量可代表樣地的林外降雨量。林外降雨量采用人工和自動(dòng)測(cè)定相結(jié)合的方法,在太行山站試區(qū)空曠處安裝兩個(gè)半徑10 cm 的圓筒,每場(chǎng)降雨后稱重,換算成降雨量,并用太行山站長期氣象站自動(dòng)觀測(cè)的降雨數(shù)據(jù)作為校正,以確保林外降雨的準(zhǔn)確性。雨水收集以次降雨事件為基礎(chǔ),白天以間隔6 h 為一次降雨事件[12],于結(jié)束后30 min 內(nèi)立刻進(jìn)行降雨量測(cè)定,由于受氣象條件的影響,夜間降雨均按照1 次降雨計(jì)算,第二天日出前完成測(cè)定[23]。

2.3 林內(nèi)穿透雨觀測(cè)

林內(nèi)穿透雨量(TF,mm)觀測(cè): 采用自制降雨收集裝置,在每種林分內(nèi)各隨機(jī)安裝5 組半徑10 cm 的雨量桶,為防止枯落物落入,在雨量桶口安裝尼龍網(wǎng),并在每次降雨后清潔尼龍網(wǎng)[24]。每場(chǎng)降雨后稱重?fù)Q算成體積,然后換算成降雨量統(tǒng)一單位(mm)。

式中:RTF為穿透雨率,PTF為穿透雨量(mm),Pout為林外降雨量(mm),VTi為第i個(gè)水桶中收集到的穿透雨的體積(mL),A為雨量桶橫截面積(cm2)。

2.4 樹干徑流量觀測(cè)

樹干徑流量(SF,mm)測(cè)定: 每個(gè)樣地分別選擇代表性植株5 棵,在樹干基部30 cm 以上,以塑料管螺旋纏繞法收集樹干徑流,采用直徑為3 cm 的聚乙烯塑料管,將其拋開后與水平面呈45°角傾斜纏繞至樹干上2～3 圈,將膠管一側(cè)緊貼樹干,用大頭釘固定,用防水玻璃膠將塑料管邊緣與樹干密封,膠管末端為管狀,將水導(dǎo)入下方塑料桶中[25],為防止穿透雨沿管壁進(jìn)入容器,接口處用防水密封膠泥密封。每次降雨后測(cè)量桶內(nèi)水重量,換算成體積,最終換算成降雨量統(tǒng)一單位(mm)[26]。

式中:PST為樹干徑流量,RST為樹干徑流率,Vi為第i個(gè)桶中樹干徑流的體積(mL),n為測(cè)樹干徑流個(gè)數(shù),Sp為樣地植株平均冠幅面積(m2)。

2.5 冠層截留計(jì)算

冠層截留量(IF,mm)計(jì)算: 冠層的截流量由水量平衡公式計(jì)算所得,為林外降雨與樹干徑流、穿透雨的差值,表示冠層截留的數(shù)量。冠層截留率為冠層截流量占林外降雨的百分比,表示冠層截留的效率、快慢。

式中:RIF為冠層截留率,PIF為冠層截留量(mm)。

2.6 葉片吸水能力計(jì)算

葉片吸水能力用葉片最大吸水量表示,在每個(gè)樣地采集大、中、小葉片各20 片葉片,將其分別稱重后浸泡清水中24 h,取出后懸掛至無明顯水滴落下,進(jìn)行稱重[27]。

式中:W為葉片最大吸水量(g),n為葉片個(gè)數(shù),mi1為浸泡后葉片重量(g),mi2為新鮮葉片重量(g)。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征

研究區(qū)2022 年7-9 月共監(jiān)測(cè)到20 場(chǎng)降雨,人工監(jiān)測(cè)降雨與太行山站長期氣象站自動(dòng)監(jiān)測(cè)降雨數(shù)據(jù)無顯著差異(F=0.0028,P=0.9575)(表2)。因試驗(yàn)中穿透雨量和樹干徑流量均為人工監(jiān)測(cè)測(cè)量值,為減小誤差,本文林外降雨量采用人工監(jiān)測(cè)值,人工監(jiān)測(cè)總降雨量為283.25 mm,平均降雨量為14.16 mm,標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別為20.53 mm 和145%,表明降雨量波動(dòng)性較大,單次最大降雨量為69.39 mm (7 月12 日),單次最小降雨量為0.07 mm (7 月17 日) (圖1)。

圖1 研究時(shí)段內(nèi)逐次降雨特征Fig.1 Characteristics of successive rainfall in the study period

表2 研究區(qū)域降雨特征統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of regional rainfall characteristics

由表2 可知,研究時(shí)段降雨主要以0 mm＜J＜10 mm 的降雨事件為主,降雨頻率最大,共降雨13 次,占總降雨場(chǎng)次的65.00%,但其累計(jì)降雨量占總降雨量比例較小,對(duì)總降雨量影響較小;50 mm≤J＜100 mm 降雨發(fā)生頻率較小,但累計(jì)降雨量占總降雨量的比例最大(47.06%),對(duì)總降雨量影響較大。從降雨強(qiáng)度來看,本研究中降雨強(qiáng)度變化范圍為0.05～7.2 mm·h-1,主要以＜5 mm·h-1的降雨事件為主,包括小雨、中雨、大雨和暴雨。

本研究采用干燥指數(shù)(DI)來劃分年型: DI=(P-M)/σ,P為當(dāng)年降雨量(mm),M為多年平均降雨量(mm),σ為標(biāo)準(zhǔn)差,DI＜-0.35 為枯水年,-0.35≤DI≤0.35 為平水年,DI＞0.35 為豐水年。1997-2021 年雨季平均降雨量為332.31 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為143.81,2022年雨季降雨量為283.25 mm,計(jì)算可得DI=-0.34,因此2022 年雨季降雨量屬于平水年份,具有較好的代表性。

3.2 不同林分降雨再分配特征

監(jiān)測(cè)期間共得到20 場(chǎng)降雨再分配事件,整體上均表現(xiàn)為穿透雨量＞冠層截留量＞樹干徑流量,與之前研究結(jié)果一致[28-30],不同林分之間降雨再分配比例差別較大。

研究期間,8 種林分均有超過一半的降雨以穿透雨的形式降落,總穿透雨量占總降雨量的比例從大到小依次為: 白皮松林＞刺槐林＞竹林＞荊條灌叢＞黃連木林＞杜仲林＞櫻桃林＞白蠟林,白皮松林總穿透雨量占總降雨量比例最大,白蠟林最小,二者相差26.57%。平均穿透雨量表現(xiàn)為白皮松林＞刺槐林＞荊條灌叢＞竹林＞黃連木林＞杜仲林＞櫻桃林＞白蠟林,與總穿透雨量分別占總降雨量比例排序基本一致(表3)。人工林總穿透雨量占總降雨量比例平均為74.45%,自然林為73.62%,自然林略小于人工林但相差不大。

表3 不同林分降雨再分配統(tǒng)計(jì)分析Table 3 Statistical analysis of rainfall redistribution in different types of vegetation

由表3 可知,整體上樹干徑流量占總降雨量比例較小,表現(xiàn)為杜仲林＞竹林＞刺槐林＞荊條灌叢＞櫻桃林＞白蠟林＞黃連木林＞白皮松林,杜仲林總樹干徑流量占總降雨量比例最大,其次為竹林,其余林分均小于5%,白皮松林最小(僅為1.02%),此結(jié)果與單層針葉林樹干徑流量明顯小于其他植被類型的研究結(jié)果一致[31-32]。平均次樹干徑流量表現(xiàn)為杜仲林＞竹林＞刺槐林＞荊條灌叢＞櫻桃林＞白蠟林＞黃連木林＞白皮松林,與總樹干徑流量分別占總降雨量比例排序一致。人工林總樹干徑流量占總降雨量比例平均為4.62%,大于自然林(3.06%),產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是人工林平均樹高和胸徑較大,匯集雨水的能力較強(qiáng)。

不同林分冠層截留率表現(xiàn)為白蠟林＞櫻桃林＞黃連木林＞荊條灌叢＞杜仲林＞竹林＞刺槐林＞白皮松林,白蠟林的總截留量占總降雨量比例為所有樹種中最大值,櫻桃林略低,使接近1/3 的降雨成為無效降雨,白皮松林總冠層截留量占總降雨量比例最低,此現(xiàn)象可能與白皮松林的林隙最大有關(guān)[33]。平均次冠層截留量表現(xiàn)白蠟林＞櫻桃林＞黃連木林＞荊條灌叢＞杜仲林＞竹林＞刺槐林＞白皮松林,與總冠層截留量分別占總降雨量比例排序一致(表3)。人工林總冠層截留量占總降雨量的比例小于自然林,產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是人工林穿透雨率和樹干徑流率較高,經(jīng)水量平衡計(jì)算后冠層截留率小于自然林。

冠層截留量與葉片吸水能力整體上呈正相關(guān)關(guān)系(表4),葉片最大吸水量表現(xiàn)為白蠟林＞荊條林＞櫻桃林、黃連木林＞竹林＞杜仲林＞刺槐林＞白皮松林,可以看出葉片最大吸水量由低到高對(duì)應(yīng)植被類型與冠層截留率基本相同,即葉片最大吸水量越大,冠層截留能力越強(qiáng)。

表4 不同林分葉片吸水能力和冠層截留統(tǒng)計(jì)分析Table 4 Statistics and analysis of leaf water absorption capacity and canopy interception of different types of vegetation

綜上所述,白蠟林冠層截留率最高,白皮松林冠層截留率最低,產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是白蠟林葉片面積大且葉片吸水能力強(qiáng),而白皮松林葉片面積最小且吸水能力最弱,因此可攔截的降雨最少;杜仲林樹干徑流率最高,猜測(cè)產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是杜仲樹干有縱向紋路,且樹干較高大筆直,有利于樹干徑流的匯集和運(yùn)輸。

3.3 不同林分降雨再分配與降雨量的關(guān)系

3.3.1 穿透雨與降雨量的關(guān)系

為研究降雨量對(duì)穿透雨量的影響,將林外降雨量與穿透雨量進(jìn)行擬合,擬合方程如表5 所示。分析結(jié)果顯示: 1)穿透雨量與林外降雨量呈極顯著一次線性函數(shù)關(guān)系,隨降雨量增加而增加,且R2均大于0.95,說明穿透雨量主要由降雨量決定。斜率表示穿透雨量隨降雨量增加的變化速率,由表5 可知白皮松林、荊條灌叢、刺槐林的變化速率較大,而黃連木林、杜仲林次之,櫻桃林、竹林和白蠟林穿透雨量隨降雨量變化速率較低。2)林外降雨量超過一定閾值會(huì)觸發(fā)產(chǎn)生穿透雨,測(cè)量結(jié)果表明,在林外降雨量為0.28 mm 時(shí)即可觸發(fā)刺槐林、竹林和櫻桃林產(chǎn)生穿透雨,在林外降雨為0.77 mm 時(shí)可觸發(fā)其他林分產(chǎn)生穿透雨,8 種林分均表現(xiàn)為較小的降雨量即可觸發(fā)產(chǎn)生穿透雨。3)白皮松林穿透雨量最高,隨林外降雨量增加的增長速率最大,白蠟林、櫻桃林、杜仲林穿透雨量隨林外降雨量變化基本相同,產(chǎn)生的穿透雨量較低,增長速率較慢。

表5 不同林分降雨量與穿透雨量及穿透雨率擬合關(guān)系Table 5 Fitting relationships between rainfall and throughfall and throughfall rate of different types of vegetation

為研究降雨量對(duì)穿透雨率的影響,將林外降雨量與穿透雨率進(jìn)行擬合(表5)。分析結(jié)果顯示: 穿透雨率與林外降雨量呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系,且R2均大于0.6,隨著降雨量的增加,穿透雨率升高,當(dāng)降雨量較小(0～5 mm)時(shí),穿透雨率隨降雨量增加而增加的幅度最大,穿透雨率隨降雨量變化敏感,而隨著林外降雨量增加(5～20 mm)時(shí),穿透雨率增長速率減小,當(dāng)降雨量較大(＞20 mm)時(shí),穿透雨率隨降雨量增加的速率逐漸趨于穩(wěn)定。

3.3.2 樹干徑流與降雨量的關(guān)系

為研究降雨量對(duì)樹干徑流量的影響,將林外降雨量與樹干徑流量進(jìn)行擬合,樹干徑流量與穿透雨量呈一次線性函數(shù)關(guān)系,R2均大于0.7 (表6),擬合方程y=ax+b的斜率(a)表示樹干徑流量隨林外降雨量增加而增加的幅度。從方程的參數(shù)可以推斷,8 條擬合線的斜率具有較大差異,不同林分樹干徑流隨降雨量增加的變化速率不同,杜仲林的擬合線斜率明顯大于其他林分,說明杜仲林樹干徑流量隨降雨量增大的速率更快。測(cè)量結(jié)果表明,刺槐林、荊條灌叢、杜仲林、竹林在林外降雨量0.77 mm 時(shí)即可觸發(fā)產(chǎn)生樹干徑流,而其他林分則在林外降雨量較大(＞3.35 mm)時(shí)才可觸發(fā)產(chǎn)生樹干徑流。

表6 不同林分降雨量與樹干徑流量及樹干徑流率擬合關(guān)系Table 6 Fitting relationship between rainfall and stemflow and stemflow rate of different types of vegetation

為研究降雨量對(duì)樹干徑流率的影響,將林外降雨量與樹干徑流率進(jìn)行擬合,樹干徑流率與穿透雨量呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系(表6),在降雨量＜5 mm 時(shí)隨著林外降雨量的增加,樹干徑流率增長速度較快,在林外降雨量為5～15 mm 時(shí),隨降雨量增加樹干徑流率增長速率減慢,降雨量＞15 mm 后,樹干徑流率變化趨于穩(wěn)定。

3.3.3 冠層截留與降雨量的關(guān)系

在森林生態(tài)系統(tǒng)中,冠層截留受林外降雨特征影響較大,冠層截留量與林外降雨量的關(guān)系用冪函數(shù)擬合效果最好(表7),在降雨量小于20 mm 時(shí),冠層截留量隨降雨量增加速率較快,但隨著降雨量的增加,冠層截流量增加速率降低。不同傾斜程度表示不同植被類型冠層截留量隨降雨量增加的變化幅度,不同林分的冠層截留量隨降雨量的增加差距逐漸增大,荊條灌叢白蠟林、櫻桃林、黃連木林的冠層截留量隨降雨量增加變化明顯,竹林冠層截留量隨降雨量的增長幅度最小。通過對(duì)冠層截留率與降雨量之間進(jìn)行曲線擬合(表7),發(fā)現(xiàn)8 種林分冠層截留率與降雨量均呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。測(cè)量結(jié)果表明,當(dāng)降雨量較小時(shí)(＜20 mm),冠層截留率隨降雨量的增加顯著減小,刺槐林、白皮松林、竹林變化幅度較小,杜仲林居中,荊條灌叢、櫻桃林、黃連木林、白蠟林變化幅度較大;降雨量較大時(shí)(＞20 mm),冠層截留率隨降雨量增加緩慢減小并逐漸趨于穩(wěn)定。

表7 不同林分降雨量與冠層截留量及冠層截留率擬合關(guān)系Table 7 The fitting relationship between rainfall and interception and interception rate of different types of vegetation

4 討論和結(jié)論

本研究從森林水文過程角度研究不同植被降雨再分配過程并分析其影響因素,不僅為太行山植樹造林樹種選擇提供數(shù)據(jù)支撐,還可為有效緩解太行山區(qū)水資源短缺問題提供重要數(shù)據(jù)支撐及科學(xué)依據(jù),對(duì)京津冀地區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

研究表明試驗(yàn)區(qū)降雨年內(nèi)分布不均,2022 年降雨量為480.00 mm,其中雨季(研究期)降雨量為283.25 mm,占年降雨量的59.01%,年降雨和雨季降雨均以小雨為主。7-9 月平均次降雨量為14.16 mm;單次降雨量小于10 mm 的降雨次數(shù)最多,但累計(jì)降雨量占總降雨量比例較小,對(duì)總降雨量影響較小;而單次降雨量大于50 mm 的降雨次數(shù)較少,但累計(jì)降雨量占總降雨量比例大,對(duì)總降雨量影響較大。整體上降雨次數(shù)較少但降雨量較大,降雨量時(shí)間分布不均,主要集中在7 月、8 月。2022 年雨季降雨量與多年雨季降雨量相差較小,屬于平水年份(-0.35＜DI＜0.35),具有較好的代表性。

降雨經(jīng)植被冠層再分配后,占比最大的是穿透雨,其次是冠層截留,占比最小的是樹干徑流。其中自然林穿透雨率和樹干徑流率均小于人工林,冠層截留率高于人工林。8 種林分均有超過60%的降雨以穿透雨的形式降落,穿透雨量與降雨量呈一次線性函數(shù)關(guān)系,穿透雨率均隨降雨量呈對(duì)數(shù)函數(shù)增加。降雨再分配中,樹干徑流量占比最小,樹干徑流量隨降雨量增加呈線性增加趨勢(shì),樹干徑流率與降雨量呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。8 種林分總冠層截留量占總降雨量比例為7.53%～32.97%,不同林分間存在較大差異,冠層截留量與降雨量呈冪函數(shù)關(guān)系,冠層截留率隨降雨量呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系,隨降雨量的增加先迅速減少后逐漸趨于穩(wěn)定,且冠層截留量與葉片最大吸水量基本呈正相關(guān)關(guān)系。綜上所述,穿透雨率、樹干徑流率及冠層截留率隨降雨量增加均表現(xiàn)為先快速變化后逐漸穩(wěn)定,產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是冠層的截留及匯集雨水的能力存在一個(gè)閾值,到達(dá)此閾值后變化逐漸減小。降雨強(qiáng)度對(duì)降雨再分配影響較為復(fù)雜,通常認(rèn)為穿透雨率與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系,在暴雨及特大暴雨時(shí)穿透雨率達(dá)最大值且逐漸趨于穩(wěn)定,樹干徑流率與降雨強(qiáng)度的關(guān)系存在爭議,有學(xué)者認(rèn)為樹干徑流率在暴雨及特大暴雨時(shí)會(huì)降低,也有學(xué)者認(rèn)為樹干徑流率隨降雨強(qiáng)度增加而增加,達(dá)到某一閾值后隨降雨強(qiáng)度增加而減小,通常認(rèn)為冠層截留率在暴雨及特大暴雨時(shí)可以完全忽略[34-35]。

本研究中,8 種林分均產(chǎn)生穿透雨的最小降雨量為0.77 mm,此結(jié)果與凡國華等[29]研究結(jié)論杉木(Cunninghamia lanceolata)林形成穿透雨的最小雨量為0.9 mm、王昱程[36]研究結(jié)論冀北山地闊葉林形成穿透雨的最小降雨量為0.78 mm、以及雷麗群等[35]研究結(jié)論紅錐(Castanopsis hystrix)人工林產(chǎn)生穿透雨的最小降雨量為0.6 mm 等基本一致。本研究中8種林分產(chǎn)生樹干徑流的最小降雨量為3.35 mm,此結(jié)論與李成等[37]在山東泰山麻櫟(Quercus acutissima)人工林得出的產(chǎn)生樹干徑流最小降雨量3.7 mm、杜妍等[38]在蘇南丘陵區(qū)毛竹林(Phyllostachys edulis)得出的產(chǎn)生樹干徑流最小降雨量1.3 mm 的結(jié)論基本一致。因此,本研究認(rèn)為林外降雨較小時(shí)即可產(chǎn)生穿透雨,而產(chǎn)生樹干徑流的最小林外降雨量大于產(chǎn)生穿透雨的最小林外降雨量。

不同林分降雨再分配特征具有較大差異。白皮松林穿透雨量和穿透雨率明顯高于其他林分,產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是白皮松葉面積明顯小于其他植被,葉片可攔截雨水較少,因而形成的穿透雨率較高,櫻桃林、白蠟林、杜仲林的穿透雨量和穿透雨率明顯低于其他林分,可能原因是其葉面積相對(duì)較大,葉片可攔截雨水能力較強(qiáng),產(chǎn)生的穿透雨較少。相關(guān)研究表明穿透雨與降雨量之間的關(guān)系可能受到植被類型和冠層形態(tài)特征的影響。相關(guān)研究表明,林分密度、郁閉度、枝干粗糙程度、枝長等植被特征也對(duì)降雨再分配產(chǎn)生影響,通常認(rèn)為林分密度和郁閉度主要影響穿透雨和冠層截留,而枝干粗糙程度、枝長和分枝角度主要影響樹干徑流[39-40]。

杜仲林樹干徑流量和樹干徑流率最大,且隨降雨量變化最明顯,產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是杜仲的樹枝與樹干的夾角明顯小于其他林分,且杜仲樹干較筆直且具有縱向紋路,因而匯集和傳輸雨水的能力較強(qiáng),從而導(dǎo)致其樹干徑流量最大;竹林的樹干徑流率次于杜仲林,但高于其他林分,產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是竹子枝干表面光滑,有利于樹干徑流的傳輸。表明樹干徑流與降雨量的關(guān)系可能同時(shí)受到冠幅、胸徑以及樹枝與樹干夾角的影響,在冠幅和胸徑基本一致時(shí),樹枝與樹干的夾角越大,冠層水分不能匯集于樹干,產(chǎn)生的樹干徑流越小。白皮松林樹干徑流量最小,為1.02%,此結(jié)論與凡國華等[29]、孫姍姍等[25]研究的馬尾松(Pinus massoniana)林和樟子松(Pinus sylvestris)林樹干徑流量占降雨量的0.94%和2.54%基本一致,可能由于白皮松林和馬尾松林均為針葉林,葉面積較小,匯集雨水能力弱所導(dǎo)致,與黃承標(biāo)等[41]對(duì)廣西亞熱帶地區(qū)不同林地的研究結(jié)論(針葉林樹干徑流量小于闊葉林)一致。

冠層截留量和冠層截留率表現(xiàn)為白蠟林＞櫻桃林＞黃連木林＞荊條灌叢＞杜仲林＞竹林＞刺槐林＞白皮松林。冠層截留受到葉片吸水能力的影響,葉片最大吸水量越大,葉片越不易達(dá)到飽和,產(chǎn)生的冠層截留量越大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)艾長江等[42]對(duì)黃土高原檸條(Caragana korshinskii)灌叢研究所得出的“小型短枝收攏型檸條植株比大型長枝半球型檸條的截留量低”同樣適用于本文植被類型,即冠幅較小且樹枝與樹干夾角越小的植被類型產(chǎn)生的林冠截留相對(duì)較小。綜上所述,不同林分之間的降雨再分配特征具有較大差異,主要受植被特征的影響,包括葉片吸水能力、葉面積、枝干夾角、枝干粗糙程度和冠幅等。

研究發(fā)現(xiàn),白皮松林、刺槐林、杜仲林和竹林的冠層截留率明顯小于自然荊條灌叢,對(duì)于減少降水冠層截留、增加有效降水具有重要作用,因而在水資源短缺區(qū)域可考慮種植這4 種植被。水資源短缺是河北太行山區(qū)面臨的重要生態(tài)環(huán)境問題[43],因此該區(qū)域未來人工林營造及撫育過程中,可合理考慮種植培育刺槐林、杜仲林、竹林和白皮松林,提高對(duì)天然降水的利用效率。