晉西黃土區單株油松樹下穿透雨空間分布特征研究

次仁曲西，畢華興，潘 迪，高路博，許華森，鮑 彪

（北京林業大學 水土保持學院，北京100083）

森林與水之間的關系是生態學和水文學研究的核心問題之一［1－4］。林外降雨在穿過林冠降落在地面的整個過程中，被林冠截留了一部分，實現了降雨的第一次分配。這個過程不僅削弱了降雨的動能，同時改變了降雨的空間格局［5］。穿透雨是降雨再分配的一個重要部分，研究穿透雨的空間分布對于了解土壤水分和營養物質的循環和分配有重要意義［6］。國內外學者就穿透雨的空間分布開展了許多研究，但從單株尺度研究穿透雨的空間分布較少。本研究以晉西黃土區典型油松林為研究對象，探討單株尺度穿透雨的空間分布特征，這對于黃土高原森林水文過程解析具有重要的意義，同時可為基于生態過程的森林水文模型的發展與參數化提供基礎［7］。

1 研究區概況

研究區位于山西吉縣蔡家川流域，為典型的黃土殘塬溝壑區。地理坐標為東經110°27′30″—111°07′20″，北緯35°53′10″—36°21′02″，海拔904～1 592m，屬溫帶大陸性氣候，年均降水量489.10mm，降雨最大月為在7，8月。土壤類型主要為褐土。

2 研究方法

以2012年7—9月晉西黃土區典型油松林地15場降雨林外和林內的降雨測定為基礎，分析單株油松樹下穿透雨空間分布特征。

（1）樣地及雨量監測點布設。在人工油松林選取2棵標準木（記為油松1號和油松樹2號），根據距樹干的不同距離在樹干兩側的樹冠下布置與林外降雨相同的自記雨量計各7個并編號。各穿透雨監測點離樹干距離及冠層結構特征如表1所示。

表1 各林內雨量監測點油松冠層結構特征

（2）雨量的測定。采取標準自記雨量計進行記錄。

（3）冠層厚度的測定。用標桿和卷尺分別測出各雨量計的上方冠層頂端和底端的高度，兩者之差即為冠層厚度。

（4）郁閉度的測定。在各雨量計上放置一張與雨量計口徑面積相等的1mm×1mm方格紙，用筆描繪出樹蔭在方格紙上的投影，投影的面積與雨量計口徑面積之比即為郁閉度。

3 結果與分析

3.1 穿透雨空間分布特征

研究期間15場降雨基本特征如表2所示。通過對15場降雨的分析，發現在林內不同位置，穿透雨率明顯不同。在不同的降雨條件下有些觀測點的穿透雨量高于林外降雨量。如在＜5mm的降雨事件中，有53.8%的觀測點的穿透雨率大于100%，最大穿透雨率為離樹干110cm的145.3%，平均穿透雨率為100.95%；在≥5mm和＜10mm的降雨事件中，36.2%的觀測點的穿透雨率大于100%，最大穿透雨率為155.8%，平均穿透雨率為86.85%；在≥10mm的降雨事件中，有26.4%的觀測點的穿透雨率大于100%，最大穿透雨率為130%，平均穿透雨率為86.3%。Gómez等［6］在橄欖樹下和時忠杰等［8］在華北落葉松下的研究均曾發現過這種現象，并分析認為降雨在冠層的影響下發生了聚集效應，這與本研究結果比較相似。雖然有個別觀測點的穿透雨量高于林外降雨量，但是總體看來，大部分的穿透雨量還是低于林外降雨量。

表2 研究期間15場降雨的基本特征

3.2 穿透雨的影響因素分析

影響穿透降雨的因素包括林外降雨和冠層結構特征。本研究考慮了降雨量、降雨強度、測點上方的冠層厚度、郁閉度和離主樹干距離這5個因素。

3.2.1 林外降雨 對各個觀測點穿透雨量（y）與林外降雨量（x）之間關系進行擬合，基本上所有的觀測點穿透雨量和降雨量的模擬關系很好，相關系數很高（p＜0.05）。平均穿透雨量也與林外降雨也能夠較好地擬合（p＜0.05）（圖1）。在觀測期中，隨著降雨量的增大，穿透雨量也跟著增大，兩者呈現出很好的線性關系。另一方面，降雨強度對穿透雨有一定的影響，隨著降雨強度的增大，穿透雨率增大，但是這種影響在0.05水平下不顯著（圖2）。

圖1 平均穿透雨量與降雨量的關系

圖2 平均穿透雨率與降雨強度的關系

3.2.2 冠層結構特征

（1）離樹干距離。對觀測點平均穿透雨率和離樹干距離關系（圖3）的分析可以發現，穿透雨率和離樹干距離之間的關系可以用冪函數擬合，但在0.05的水平下擬合效果不太顯著。并不是離樹干距離越遠，穿透雨率越大，如離主樹干250cm處的平均穿透雨率小于離主樹干150cm處的平均穿透雨率。時忠杰等［8］發現華北落葉松的穿透降雨率最小位置并不是在距樹干最近的測點，而在距主樹干1～2m的距離上。李振新等［7］研究冷杉針葉林時發現，穿透降雨率最小值出現在距主樹干2～3m的距離上。從影響機制來看，導致穿透雨空間變異并非是直接由離樹干距離來決定的，實際上是各觀測點冠層厚度、郁閉度等冠層結構因素綜合影響的結果。

（2）冠層厚度。對觀測點平均穿透雨率和冠層厚度關系（圖4）的分析可以發現，平均穿透雨率與冠層厚度呈負相關關系，穿透雨率隨著冠層厚度的增加而減小。

圖3 平均穿透雨率與距樹干距離的關系

圖4 平均穿透雨率與冠層厚度的關系

（3）郁閉度。對觀測點平均穿透雨率和郁閉度關系（圖5）的分析可以發現，平均穿透雨率與郁閉度呈負相關關系，穿透雨率隨著郁閉度的增加而減小。

圖5 平均穿透雨率與郁閉度的關系

對平均穿透雨率（Y）與離樹干距離（X1）、冠層厚度（X2）和郁閉度（X3）進行多元線性回歸，標準化后的回歸方程為：Y＝1.042 X1＋0.101 X2＋0.313 X3。從方程可知離樹干距離的貢獻率最大，回歸系數為1.042，其次是郁閉度，回歸系數為0.313，貢獻率相對最小的是冠層厚度，回歸系數為0.101。

4 討論與結論

研究顯示穿透雨在油松樹下不同位置上具有明顯的差異，林冠結構的差異是導致這種差異的主要原因［9］。一般認為穿透雨應小于林外降雨，但研究中有些觀測點的穿透雨超過了林外降雨，表明了聚集效應對穿透雨的影響。由此可見，林冠結構改變了降雨的水平分布格局。

單株油松樹下穿透雨的變化明顯受到降雨量的影響。在研究期間，隨著降水量的增加，穿透雨率呈上升的趨勢。

研究發現，冠層結構的特征對穿透雨空間分布具有重要的影響。觀測點的離樹干距離、冠層厚度、郁閉度是影響穿透雨空間變異的重要因素。由多元線性回歸模型3個因子的貢獻率，離樹干距離對穿透雨空間分布的影響最大（貢獻率71.6%），其次為郁閉度（貢獻率21.5%），相對最小的為冠層厚度（貢獻率6.9%）。離樹干距離是一個多因子的綜合指標，它并非直接決定了穿透雨空間的分布，實際上它對穿透雨空間分布的影響是綜合了冠層厚度、郁閉度、開枝角度等冠層結構因素的結果，這種影響具備綜合性的特質，在穿透雨的空間變異中起到了主導作用。林外降雨經過油松冠層后，被具有一定厚度的枝葉所攔截，但是枝葉在空間上并不是均勻分布和完全覆蓋的，郁閉度的大小反映了枝葉覆蓋程度的大小，覆蓋程度越大，截留量越大，穿透雨越小。由于郁閉度并不能完全反映出枝葉的截留作用，而冠層厚度又是一個冠層特性的重要指標，它對樹冠的截留作用也具有一定的影響。

本文研究的降雨量、降雨強度、測點上方的冠層厚度、郁閉度和離主樹干距離這5個因素中，除了降雨量之外，其余因素對穿透雨的影響在0.05的水平下并不顯著，這說明影響林冠穿透降雨空間分布的因素非常復雜，它還與風向等氣象因素有關，它們之間的相關程度還需進一步的確定和研究。

研究單株油松樹下穿透雨空間分布的特征對林地土壤的水分分布及養分的循環和利用有重要意義，需要進行更深入的研究。

［1］ Bonell M.Progress in the understanding of runoff generation dynamics in forests［J］.Journal of Hydrology，1993，150（2）：217-275.

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［7］ 李振新，鄭華，歐陽志云，等.岷江冷杉針葉林下穿透雨空間分布特征［J］.生態學報，2004，24（5）：1015-1021.

［8］ 時忠杰，王彥輝，熊偉，等.單株華北落葉松樹冠穿透降雨的空間異質性［J］.生態學報，2006，26（9）：2877-2886.

［9］ 曹云，黃志剛，鄭華，等.杜仲林下穿透雨時間及空間分布特征［J］.中南林業科技大學學報，2008（6）：19-24.