祁連山青海云杉林對降水的再分配研究

孫宗國

（蘭州市中川上水綠化管理處，甘肅 蘭州）

森林與水都是人類生存和發展的物質基礎［1］，關于森林生態水文功能研究已成為生態學和水文學的研究重點之一［2］，森林水文調節功能也是森林所實現的重要服務功能之一。森林先通過林冠對降水的截留，大大減輕了雨滴對土壤表面的重力沖擊。森林把地面徑流轉為地下徑流，減慢了徑流速度，同時可以防止土壤流失，因此森林在雨季可以大量貯蓄水分，減緩洪水流量；干旱季節又可補充河水流量，減輕或防止旱災。森林還有涵養水源的作用，可改善水質，降低水的硬度，提高水的堿性，并可防止水資源受到物理、化學、熱能及生物的污染。

對森林的水文效益研究，尤其是林冠對大氣降水再分配的研究在我國起步較晚［3］，森林自身的特點及森林的分布位置、海拔等給研究帶來了相當大的困難，致使我國在這方面的研究和目前同類研究的水平還存在相當大的差距。因此，研究森林對降水再分配的影響顯得尤為重要。2013年4—10月，我們通過測定青海云杉林林冠截留、樹干莖流、林內穿透雨等，結合西大河自然保護站的前期觀測數據資料，對降水在林內的輸移特征進行了分析研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

青海云杉林，分布于祁連山西大河流域。

1.2 試驗區自然概況

試驗設在祁連山西大河自然保護站位于甘肅武威、祁連山中段，為典型的“V”地形，流域最高點的海拔為3 770 m，流域內最大高差為1 120 m，試驗區面積為2.74 km2，共劃分為5 879個不規則單元。海拔2 600～3 800 m，屬溫帶高寒半干旱、半濕潤山地森林草原氣候。流域陽坡為山地草原，陰坡為森林景觀，以蘚類青海云杉林為主，森林總面積168.3 hm2，覆蓋率65%。

西大河流域屬于溫帶高寒山地森林草原氣候，年平均氣溫-0.60～2.0℃，極端最高氣溫28℃，極端最低氣溫-36.0℃，7月平均氣溫10.0～14.0℃。年降水量為378.2 mm，年均蒸發量為1 051.7 mm，空氣的平均相對濕度為60%。祁連山區降水年變化分為雨季（5—10月）和旱季（11—4月），西大河流域雨季降水占全年的87.2%左右，旱季降水僅占全年的12.8%左右，其中降雪占2.8%。

植被主要有青海云杉林、灌叢、草地和少量祁連圓柏林。其中青海云杉（Picea crassifolia）林主要分布在海拔2 650～3 300 m的陰坡，面積為967 769.7 m2，占流域面積的36%。青海云杉林的喬木層郁閉度平均為0.7，胸徑為12.7 m，樹高為8.3 m，枝下高為3.2 m，密度為0.2株/m2，林下灌木層不發育，草本層的優勢種主要是苔草。

1.3 樣地選擇

在西大河流域選擇郁閉度不同的三塊青海云杉林，在其內設置3塊標準固定樣地（樣地大小分別為10 m×20 m、10 m×20 m、20 m×40 m）。測定每塊樣地的坡度、郁閉度，測定樣地內每株云杉的胸徑、樹高、冠幅、枝下高等。測量結果如表1所示。

表1 祁連山西水試驗區林冠截留樣地概況

1.4 試驗方法

在每塊樣地內，根據樹木徑級的不同選擇5棵，在每棵樹下放置1個長方形雨量槽（100 cm×20 cm×20 cm）和雨量筒（直徑為15 cm），雨量筒和雨量槽要高出周圍的草本植物和苔蘚枯落物，以免水流進雨量槽影響觀測結果，試驗期間每次降水后記錄降水事件，并及時量取雨量筒和雨量槽內的降水，即測量林內穿透雨。在每次量取完畢后，將槽內的枯落物清理干凈，以免影響下次觀測結果。在每個樣地上設置與之對應的空曠地降水觀測點，用大雨量筒（直徑為20 cm）觀測，在每次降水后及時測定大雨量筒的水量，即林外空曠地降水量。

在每塊樣地內，根據樹木徑級的不同選擇10株用來觀測樹干莖流。方法是將直徑為1.5 cm的軟質塑料管剖開，用釘子將塑料管開口處固定在樹上，向上將塑料管按60?纏繞一周半，再在塑料管下面接10 L的塑料桶，用來收集樹干莖流。每次降水后及時用標準雨量筒測量塑料桶內的水量，并對環形管密封情況進行檢查，對發現有樹干莖流外滲的樣樹進行及時處理，并放棄當次測定數據。樹干莖流量可按下列公式進行計算［4］。

式中C為樹干莖流量（mm），M為單位面積上的樹木株數，Cn為每徑級的樹干莖流量（mm），Kn為每徑級的樹冠平均投影面積（cm2），n為各徑級數，Mn為每徑級的樹木株數。

表2 青海云杉林林外降水及林內降水的再分配情況

降水從落下來到達森林時首先經過的就是樹木的冠層，其中在表面張力和重力的均衡作用下被吸附，或者積存在樹枝葉分叉處留下來被稱為樹冠截留降水［5］。根據林外降水量、林內穿透雨、樹干莖流量，可得到樹冠截留量。

式中P為林外降水量，P（t）為林內穿透雨，C為樹干莖流量，I為林冠截留量，單位均為mm。

2 結果與分析

2.1 降水事件統計分析

從表2可以看出，在觀測期間，林外共降水共83次，降水量為394.2 mm。其中小于10 mm降水事件共72次，占總降水次數的86.75%；降水量為220.7 mm，占總降水量的55.99%。大于10 mm的降水事件共11次，占總降水次數的13.25%；降水量為173.5 mm，占總降水量的44.01%。由此可以看出，研究區的降水以小降水事件為主，小降水事件占全部降水事件的86.75%；強降水事件只占了全部降水事件的13.25%，但它的降水量卻幾乎為總降水量的1/2。這說明強降水事件雖然次數少，但它降水量相對很大，雖對水分的補充量較大，但不利于森林生態環境的保護，而研究區頻繁的小降水事件，每次的降水量小而次數多，落地時對林地的打擊程度小，不破壞林地，而且落到林地的少量降水全部被林地所吸收，有利于森林對降水的儲存，增加了林地的水分含量。

2.2 青海云杉林對降水的分配

2.2.1 觀測期內降水分配總特征 從表2可知，林外共降水共83次，降水量為394.2 mm。其中林內穿透雨為253.1 mm，穿透率平均為60.01%；林冠截留量為138.8 mm，截留率平均為39.5%；莖流量為1.96 mm，莖流率平均為0.70%。即林內穿透雨占了林外降水的大部分，超過了1/2；而樹干莖流只有很小的一部分。

2.2.2 穿透率與林外降水量級的關系 從圖1中可以看出，林外降水量與林內穿透率呈Y=32.387 ln（x）+17.081的函數關系，R2=0.978 6。當降水量級在0～1 mm時，穿透率最低。隨著降水量級的增加，穿透率不斷增加，但增速有所減緩。當降水量級增加到一定程度時，穿透率趨于穩定，不再隨降水量級的增加而增加。這時，林冠滲透充分，幾乎再沒有截留能力，基本達到了一個飽和狀態，此時林外的降水大多數都成為了穿透雨，穿透率也達到了最大值。

圖1 降水量級與穿透率的關系

2.2.3 林冠截留率與林外降水量級的關系 從圖2可以看出，林外降水量與樹冠截留率呈Y=94.975 ln（x）-0.765的函數關系，R2=0.985 6。當降水量級在0～1 mm時，林冠的截留率最大，林冠截留了林外大部分的降水。隨著降水量級的進一步增加，林冠的截留率不斷減小，但減小趨勢有所減緩。最后，林冠截留率變化趨近穩定值（最小截留率），這時林冠幾乎失去了截留的能力。即大氣降水經過冠層直接到達林內，林內降水量幾乎等于林外降水量。

圖2 林外降水量級與樹冠截流率的關系

2.2.4 樹干莖流率與林外降水量級的關系 從圖3中可以看出，林外降水量與樹干莖流量呈Y=0.335 x-0.807 5的函數關系，R2=0.832 4。根據公式測算，當降水量級大于2.41 mm的時候，才有樹干莖流產生，當降水量級大于10.00 mm時，才能觀測到樹干莖流。隨著降水量級的增加，樹干莖流不斷增加。林冠截留率在0～2.24%變化，平均莖流率為0.7%，也就是說青海云杉林的樹干莖流率非常低，這是由于其形態結構非常不利于形成樹干莖流。

圖3 林外降水量級與樹干莖流率的關系

3 小結與討論

1） 在觀測期間（2013年4—10月），祁連山西大河流域青海云杉林林外共降水83次，降水量共為394.2 mm。在全部降水事件中，以小降水事件為主，占總降水次數的86.75%。強降水事件雖然次數少，但總降水量卻幾乎占了總降水量的1/2。

2） 樹冠截留量為 138.8 mm，占總降水量的39.5%，樹冠截留率18.7%～86.0%。林內穿透雨為253.1 mm，占總降水量的60.01%，林內穿透率14.1%～79.1%。樹干莖流量共為1.96 mm，占總降水量的0.70%，樹干莖流率在0.40%～2.24%變化。當降水量級大于2.41 mm的時候，才有樹干莖流產生，當降水量級大于10.00 mm時，才能觀測到樹干莖流。

3）傅輝恩等人在祁連山北坡測得林冠層對降水的截留率，蘚類—青海云杉林為25.86%，祁連圓柏林為28.95%，灌叢混交林66.19%，灌叢混交林截留降水量最大［6］。王彥輝等人研究表明刺槐、青海云杉林、華北油松人工林、闊葉次生林的截留作用，認為中、高郁閉度林分林冠截留率為22.6%～34.5%，平均截留降水率為32.7%，而且它隨降水量和降水強度的增大而減小，隨郁閉度的增加而增大，林冠截留降水量比降雪量約少10%～30%［7～9］。以上結論與本試驗結果相近。

［1］ 石培禮，李文華.森林植被變化對水文過程和徑流的影響效應［J］. 自然資源學報，2001，16（5）：481-487.

［2］ 曹 云，歐陽志云，鄭 華，等.森林生態系統的水文調節功能及生態學機制研究進展［J］.生態環境，2006，15（6）：1360-1365.

［3］ 張一平，王 馨，劉文杰.熱帶森林林冠對降水再分配作用的研究綜述［N］.福建林學院學報，2004，24（3）：274-282.

［4］ 謝賢群，王立軍.水環境要素觀測與分析［M］.北京：中國標準出版社，1998：6.

［5］ 孔繁智，宋 波，裴瑤鐵.林冠截留量與大氣降水關系的數學模型［J］. 應用生態學報，1990，1（3）：201-208.

［6］ 傅輝恩，車克鈞.祁連山（北坡）森林水文效應的研究［J］. 蘭州大學學報，1990，26（專集）：33-39.

［7］ 王彥輝.刺槐對降雨的截持作用［J］.生態學報，1987， 7（1）：43-49.

［8］ 王彥輝.幾個樹種的林冠降雨特征［J］.林業科學，2001， 37（4）：2-9.

［9］ 董世仁，郭景唐.華北油松人工林的透流、干流和樹冠截留［J］. 北京林業大學學報，1987，9（1）：58-68.