大興安嶺北部興安落葉松(Larixgmelinii)林下穿透雨空間分布特征

盛后財(cái),蔡體久,俞正祥

東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 哈爾濱 150040

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大興安嶺北部興安落葉松(Larixgmelinii)林下穿透雨空間分布特征

盛后財(cái),蔡體久*,俞正祥

東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 哈爾濱 150040

森林冠層對(duì)降雨的水量和水質(zhì)再分配是生態(tài)水文學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。為了研究興安落葉松林下穿透雨的空間分布規(guī)律,探究森林冠層結(jié)構(gòu)對(duì)穿透雨影響的生態(tài)機(jī)制,利用在興安落葉松林下布設(shè)38個(gè)雨量筒,測(cè)定19場(chǎng)不同降雨事件的穿透雨數(shù)據(jù)(2013年7—8月),通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析冠層結(jié)構(gòu)各因子與穿透雨的空間變異性規(guī)律,結(jié)果表明：觀測(cè)期間,興安落葉松林穿透雨量為148.3 mm,占同期大氣降雨量的80.62%,穿透雨率隨著降雨量的增加呈增加趨勢(shì)；興安落葉松林下穿透雨具有較大空間異質(zhì)性,其變異程度隨降雨量的增加而減小,以對(duì)數(shù)方程擬合較好(P<0.01)；冠層結(jié)構(gòu)特征是影響穿透雨空間變異的重要因素,冠層復(fù)雜程度與穿透雨量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；距樹(shù)干距離、冠層厚度、葉面積指數(shù)等因素均可影響穿透雨的空間分布,以距樹(shù)干距離影響最大,其與穿透雨率呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),而冠層厚度、葉面積指數(shù)則均與穿透雨率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),但擬合效果不佳；從影響穿透雨的生態(tài)學(xué)機(jī)制來(lái)考慮,在冠層結(jié)構(gòu)特征因子中,冠層厚度是決定穿透雨空間分布的最主要因素。

冠層結(jié)構(gòu)；大興安嶺；興安落葉松；穿透雨；空間分布；變異系數(shù)

森林與水的關(guān)系是生態(tài)水文學(xué)研究的核心問(wèn)題之一。森林冠層對(duì)降雨的再分配不僅改變了大氣降雨的特性和空間分布格局,而且其能夠影響到水文、生物地球化學(xué)過(guò)程的許多環(huán)節(jié),是森林生態(tài)水文學(xué)的基本過(guò)程之一。林下穿透雨是林冠對(duì)降雨再分配后形成的主要部分,是林地土壤水分的重要來(lái)源[1],也是養(yǎng)分物質(zhì)到達(dá)森林地表的重要途徑[2],穿透雨不僅改變了林下水分輸入的空間分布格局,影響了林地土壤水分分布和養(yǎng)分的循環(huán)利用,而且穿透雨量的空間變異還影響了穿透雨中溶質(zhì)濃度、溶質(zhì)沉積和林地養(yǎng)分輸入的空間分布格局。因此,林下穿透雨的變化在森林生態(tài)系統(tǒng)水量平衡、水文過(guò)程和養(yǎng)分循環(huán)中占有極其重要的地位[3]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于森林冠層對(duì)降雨的再分配已進(jìn)行了大量研究[4-5],且多集中在量化穿透雨方面,也有對(duì)不同森林冠層下穿透雨空間分布特征的研究[6-7],但對(duì)大興安嶺北部的興安落葉松(Larixgmelinii)林穿透雨的空間變異性和時(shí)間穩(wěn)定性的格局卻知之甚少。

Lloyd[8]對(duì)亞馬遜熱帶雨林研究發(fā)現(xiàn),29%觀測(cè)點(diǎn)的穿透雨水大于當(dāng)時(shí)林外降水量；Sinun[9]在馬來(lái)西亞的熱帶雨林中也發(fā)現(xiàn),101個(gè)測(cè)點(diǎn)收集的穿透雨量比林外降水多10%,22個(gè)點(diǎn)比林外降水少40%,林窗下的穿透降水占當(dāng)次雨量的88%—102%不等。一些學(xué)者還報(bào)道了熱帶山地森林穿透雨具有很大的空間變異性,并將其歸因于復(fù)雜的森林結(jié)構(gòu)和降雨特征[10]；還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),熱帶山地雨林中單個(gè)穿透雨收集器得到穿透雨變異范圍在0—107%,甚至0—1000%[11]。Nanko對(duì)單株日本扁柏進(jìn)行降雨模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),日本扁柏樹(shù)冠層內(nèi)樹(shù)枝的形狀、位置對(duì)其穿透雨空間分布的形成占主導(dǎo)地位,因此,穿透雨量的空間分布與距離樹(shù)干的徑向距離有關(guān)；并且研究還表明,位于樹(shù)干和樹(shù)冠邊緣中間位置的觀測(cè)點(diǎn),穿透雨量和穿透雨率較低[12]。李振新等[7]對(duì)岷江流域冷杉(Abiesfaxoniana)針葉林穿透雨研究發(fā)現(xiàn),林下不同觀測(cè)點(diǎn)的穿透雨率具有顯著的差異,且各觀測(cè)點(diǎn)正上方的冠層及枝葉性質(zhì)對(duì)穿透雨的空間分布也有一定的影響。時(shí)忠杰等[13]利用地統(tǒng)計(jì)方法分析了單株上華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)葉面積指數(shù)和穿透雨的空間變異性規(guī)率發(fā)現(xiàn),冠層結(jié)構(gòu)是引起穿透雨率空間變異的主要因素；其對(duì)華山松(Pinusarmandii)林研究發(fā)現(xiàn)[6],冠層對(duì)穿透雨具有一定的聚集效應(yīng),且不同冠層特征中,葉面積指數(shù)對(duì)穿透雨的空間分布影響最大,得出冠層結(jié)構(gòu)特征是決定大氣降雨再分配和空間變異的重要生態(tài)因素之一。這些研究都表明,林冠影響了降雨空間分布格局,但從生態(tài)學(xué)機(jī)制入手對(duì)穿透雨空間變異影響的研究還較少。

大興安嶺是我國(guó)唯一的寒溫帶針葉林分布區(qū),也是全球氣候變化的敏感區(qū),是松嫩、遼河平原的生態(tài)屏障。研究區(qū)域內(nèi)優(yōu)勢(shì)群落興安落葉松林的水循環(huán)過(guò)程,對(duì)于進(jìn)一步量化并揭示其涵養(yǎng)水源的機(jī)理和生態(tài)服務(wù)功能具有重要意義。本文以大興安嶺北部的興安落葉松林為研究對(duì)象,從森林對(duì)降雨再分配的影響過(guò)程入手,詳細(xì)探討了興安落葉松林下穿透雨空間變異及其影響因素,以求更深入的理解森林水文過(guò)程、認(rèn)知森林與水的相互作用機(jī)制,進(jìn)一步明確興安落葉松林生態(tài)系統(tǒng)水分傳輸過(guò)程的生態(tài)學(xué)機(jī)制,為應(yīng)對(duì)全球變化,制定有效的大興安嶺森林流域水資源管理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況及研究方法

1.1 研究地描述

研究區(qū)位于黑龍江漠河森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位研究站內(nèi),屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫為-4.3 ℃。年降水量430—550 mm,降雨主要集中在每年的7—8月。太陽(yáng)輻射總量年平均401.93—447.99 kJ/cm2,日照時(shí)數(shù)為2377—2625 h,≥10 ℃積溫為1436—2062 ℃。土壤以棕色針葉林土為主,枯枝落葉和苔蘚層較厚。本區(qū)植被屬歐亞寒溫帶針葉林南延部分,地帶性植被是以興安落葉松為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的明亮針葉林,其他主要樹(shù)種有白樺(Betulaplatyphylla)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)和山楊(Populusdavidiana),常見(jiàn)植物有杜香(Ledumpalustrevar.dilatatum)、興安杜鵑(Rhododendrondauricum)、篤斯越橘(Vacciniumuliginosum)、越橘(Vacciniumvitis-idaea)、紅花鹿蹄草(Pyrolaincarnate)等。

本實(shí)驗(yàn)選擇緊鄰2010年漠河生態(tài)站設(shè)置的興安落葉松固定觀測(cè)樣地(面積1 hm2)處設(shè)置一塊20 m×20 m面積的落葉松中齡林作為觀測(cè)樣地,并在進(jìn)行每木檢尺后布設(shè)觀測(cè)儀器,觀測(cè)樣地具體信息詳見(jiàn)表1和圖1。

表1 觀測(cè)樣地主要林分特征

1.2 降雨及穿透雨觀測(cè)方法

(1)林外降雨的測(cè)定 利用安置在距觀測(cè)樣地150 m遠(yuǎn)處開(kāi)闊地上的翻斗式雨量計(jì)來(lái)測(cè)量林外降雨量(P)和降雨強(qiáng)度,采集數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為5 min。

(2)穿透雨及其空間分布觀測(cè) 為了更好的測(cè)定興安落葉林下的穿透雨量(TF)及其空間分布特征,2013年8月在樣地內(nèi)設(shè)置38個(gè)直徑20 cm的自制雨量筒(截面積為314.16 cm2/筒),測(cè)定林木冠幅后,按照林冠下(雨量筒與樹(shù)干距離≤3/4冠幅,BC)、林冠邊緣(3/4冠幅<雨量筒與樹(shù)干距離≤5/4冠幅,BCE)、林隙下(雨量筒與樹(shù)干距離>5/4冠幅,BG)3種情景進(jìn)行布設(shè)(圖1),并記錄雨量筒距樹(shù)干距離,為了避免灌木及草本植物對(duì)穿透雨的影響,雨量筒距離地面的高度不低于50 cm,每次降雨結(jié)束后立即測(cè)定各降雨筒內(nèi)穿透雨的體積(cm3),然后換算成雨量深(mm)。

1.3 葉面積指數(shù)及冠層厚度觀測(cè)

圖1 雨量筒布設(shè)和樹(shù)木分布圖(△雨量筒,●樹(shù)木) Fig.1 Location of recording rain gauges of throughfall and distribution of trees (△gauge, ●tree)

利用冠層分析儀(LAI-2200)測(cè)定葉面積指數(shù)；同時(shí)將帶有刻度的15 m標(biāo)桿樹(shù)立在雨量筒位置處,通過(guò)望遠(yuǎn)鏡讀取冠層上下刻度值的差值獲得冠層厚度。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究期間的降雨特征

按降雨間隔時(shí)間超過(guò)4 h的降雨事件劃分為兩場(chǎng)不同降雨的原則[7],在進(jìn)行觀測(cè)研究的時(shí)間段內(nèi)(2013年7月至8月期間),安置在開(kāi)闊地的翻斗式雨量計(jì)共記錄到19場(chǎng)降雨的數(shù)據(jù),累計(jì)降雨量184.0 mm,占2013年生長(zhǎng)季(5—9月)總降雨量(398.2 mm)的46.21%,其降雨特征如圖2。研究期間大部分為低雨強(qiáng)、長(zhǎng)歷時(shí)的降雨,平均降雨強(qiáng)度為2.13 mm/h,變異系數(shù)為99.53%,最小雨強(qiáng)為0.33 mm/h,最大雨強(qiáng)為7.23 mm/h。其中, 42.11%降雨的雨強(qiáng)小于1 mm/h,在2 mm/h以下的降雨約占68.42%,沒(méi)有觀測(cè)到大于10 mm/h的降雨。從次降雨量看,平均降雨量為9.7 mm,變異系數(shù)為78.64%,次最小降雨量為0.2 mm,最大為24.1 mm,且各雨量級(jí)降雨分布場(chǎng)次較均勻。從降雨歷時(shí)看,平均次降雨歷時(shí)為8.33 h,變異系數(shù)為114.39%,最短的僅30 min,最長(zhǎng)的為31 h,雨量?jī)H有20.7 mm,降雨歷時(shí)小于2 h的降雨次數(shù)最多,占42.11%,0—10 h之間的占68.42%。

圖2 研究期間降雨特征Fig.2 Characteristics of gross rainfall during the research (Jul.—Aug. 2013)

2.2 興安落葉松林下穿透雨及其變異性

根據(jù)2013年38個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的穿透雨數(shù)據(jù)分析,興安落葉松林內(nèi)觀測(cè)到的穿透雨量為148.3 mm,占同期降雨量的80.62%,與同區(qū)域內(nèi)其他森林類型相比較,介于樟子松林(73.58%)[14]和白樺林(84.27%)[15]之間,與大興安嶺南坡測(cè)定的結(jié)果(81.39%)[16]基本吻合。受不同降雨特征的影響,興安落葉松林下平均穿透雨率為71.68%,且當(dāng)降雨量小于14 mm時(shí),穿透雨率表現(xiàn)為增加趨勢(shì)；而降雨量超過(guò)14 mm時(shí),穿透雨率不再明顯增加,且具有一定減小趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)降雨量超過(guò)興安落葉松林冠層的最大截留能力時(shí),林冠趨于飽和,之后的降雨幾乎全部以穿透雨的形式輸入林地,并且由于重力、阻力和分子力不平衡,后續(xù)的降雨還可能攜帶部分已被林冠截持的降雨進(jìn)入林地,從而增加穿透雨率,降低林冠截留能力。但總體上看,隨著降雨量的增加穿透雨率有增加的趨勢(shì)(圖3),一般以對(duì)數(shù)方程進(jìn)行模擬,也有用S形曲線[6]和邏輯斯諦方程[7]進(jìn)行模擬。本研究以冪函數(shù)模擬的效果較好,擬合方程為：

TF(%)=46.299P0.223,r2=0.761,P<0.01,n=19

式中,TF為穿透雨率(%),P為降雨量(mm)。

不同場(chǎng)次的林外降雨特征與對(duì)應(yīng)興安落葉松林下穿透雨的變異系數(shù)CV(n=38)繪制散點(diǎn)圖可知,穿透雨的變異系數(shù)與降雨強(qiáng)度沒(méi)有相關(guān)關(guān)系(P>0.05),但隨降雨量的增加有減小的趨勢(shì)(圖3),二者呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在以往的研究中用倒數(shù)方程[6]、對(duì)數(shù)方程[3]、冪函數(shù)[17]均可以進(jìn)行較好的擬合,本研究中則以對(duì)數(shù)方程對(duì)興安落葉松林穿透雨變異系數(shù)和林外降雨量進(jìn)行擬合效果最好,其擬合方程為：

CV(TF)=-15.893Ln(P)+60.741,r2=0.775,P< 0. 01,n=19

式中,CV為同場(chǎng)降雨不同測(cè)點(diǎn)間穿透雨率的變異系數(shù)(%),TF為穿透雨率(%),P為降雨量(mm)。

圖3 穿透雨率、穿透雨變異系數(shù)與降雨量的關(guān)系Fig.3 Relationship of gross rainfall versus throughfall percentage and CV of throughfall

2.3 興安落葉松林下穿透雨的空間分布特征

圖4 降雨量與林冠下、林冠邊緣和林隙下穿透雨量的關(guān)系 Fig.4 Relationship of gross rainfall versus throughfall in BC,BCE and BG positions

本研究中根據(jù)降雨筒到樹(shù)干距離與冠幅的關(guān)系,將38個(gè)觀測(cè)點(diǎn)劃分為林冠下(雨量筒與樹(shù)干距離≤3/4冠幅,BC)、林冠邊緣(3/4冠幅<雨量筒與樹(shù)干距離≤5/4冠幅,BCE)和林隙下(雨量筒與樹(shù)干距離>5/4冠幅,BG)3種情景,并且不同觀測(cè)點(diǎn)上的降雨量、溫濕度等氣象因子可以認(rèn)為是一致的,因此影響3種情景間穿透雨差異的因素主要就是冠層結(jié)構(gòu)特征。

根據(jù)19場(chǎng)降雨數(shù)據(jù)分析可知,興安落葉松林冠下平均穿透雨率為60.27%,標(biāo)準(zhǔn)差為28.49%,變異系數(shù)高達(dá)47.27%；林冠邊緣平均穿透雨率為78.53%,標(biāo)準(zhǔn)差為16.86%,變異系數(shù)為21.47%；林隙下平均穿透雨率為89.27%,標(biāo)準(zhǔn)差為20.60%,變異系數(shù)為23.07%。分析發(fā)現(xiàn),有些觀測(cè)點(diǎn)有明顯的降雨聚集效應(yīng),該處的穿透雨量高于林外降雨量。在本研究中,林隙下平均穿透雨率超過(guò)100%的次數(shù)占所有降雨事件總數(shù)的26.32%；且除第7場(chǎng)降雨外,林隙下穿透雨率均最大。由林冠下、林冠邊緣、林隙下的線性回歸線與代表降雨量(穿透降雨率為100%)的1∶1線的位置關(guān)系(圖4)可知,相比于林冠下和林冠邊緣,林隙下穿透雨更接近1∶1線,即林隙下穿透雨量很接近林外降雨量,這與林隙下穿透雨率的結(jié)論相同。在降雨量為14.3 mm時(shí),林隙下穿透雨率達(dá)到最高值113.62%(標(biāo)準(zhǔn)差= 3.05%),林冠邊緣穿透雨率為96.90%(標(biāo)準(zhǔn)差= 19.10%),林冠下穿透雨率僅為89.83%(標(biāo)準(zhǔn)差= 15.81%)。

由圖5可知,林冠下、林冠邊緣、林隙下3種情景下穿透雨率變異系數(shù)情況有：林冠下>林冠邊緣>林隙下,且隨著穿透降雨量的增加,林冠下和林隙下穿透降雨率的變異系數(shù)有下降的趨勢(shì),而林冠邊緣處穿透降雨率的變異系數(shù)變化趨勢(shì)不明顯(圖5)。將林冠下、林冠邊緣和林隙下3種情景的穿透雨變異系數(shù)隨降雨量的變化進(jìn)行擬合,擬合方程依次為：

CV(TFBC)=56.838P-0.483,r2=0.707,P<0.01,n=19

CV(TFBCE)=16.634 + 12.874/P,r2=0.612,P< 0.01,n=19

CV(TFBG)=4.727 + 6.746/P,r2=0.678,P< 0.01,n=19

式中,CV為穿透雨率的變異系數(shù)(%),TFBC為林冠下穿透雨率(%),TFBCE為林冠邊緣穿透雨率(%),TFBG為林隙下穿透雨率(%),P為降雨量(mm)。

圖5 降雨量、穿透雨量分別與林冠下、林冠邊緣、林隙下穿透雨變異系數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between rainfall and throughfall with variability of throughfall in the beneath canopy (BC), beneath canopy edge (BCE) and beneath gap (BG) positions

2.4 穿透雨空間分布的影響因素分析

為了進(jìn)一步深入研究林冠層對(duì)穿透雨空間分布的影響,對(duì)38個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的平均穿透率與其對(duì)應(yīng)冠層結(jié)構(gòu)特征(葉面積指數(shù)LAI、冠層厚度、平均葉傾角等)和距樹(shù)干的距離進(jìn)行相關(guān)分析。其中,觀測(cè)點(diǎn)距樹(shù)干的距離與穿透雨率擬合的效果最好,二者呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖6,r2=0.580,P<0.01)。雖然擬合曲線表現(xiàn)出來(lái)的趨勢(shì)是距樹(shù)干距離越遠(yuǎn),穿透雨率越高,但從影響穿透雨的生態(tài)機(jī)制來(lái)看,實(shí)際上是由于不同觀測(cè)點(diǎn)上方的冠層厚度和葉面積指數(shù)等因素不同而導(dǎo)致的結(jié)果,而并非是由距樹(shù)干的距離所決定的,其只能在一定程度上反映穿透雨的空間變異。冠層厚度和葉面積指數(shù)與穿透雨率的相關(guān)性也達(dá)到了極顯著水平(P<0.01),且穿透雨率隨著冠層厚度和葉面積指數(shù)的增加而呈下降趨勢(shì)(圖6),二者均與穿透雨率呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),但擬合效果不佳(r2依次為0.500和0.396)；平均葉傾角與穿透雨率則沒(méi)有相關(guān)性(P>0.05)。因此,在冠層結(jié)構(gòu)特征中,冠層厚度是決定穿透雨空間分布的最主要因素。穿透雨率與冠層結(jié)構(gòu)特征中相關(guān)因子進(jìn)行回歸分析,其相關(guān)性也達(dá)到了極顯著水平(P<0.01),回歸方程為：

TF=96.718 - 3.130CT- 5.219LAI,r2=0.569,P< 0.01,n=38

式中,TF為穿透雨率(%),CT為冠層厚度(m),LAI為葉面積指數(shù)。

圖6 平均穿透雨率與距樹(shù)干距離、冠層厚度和葉面積指數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship of the average throughfall, distance between sampling site and main stem, canopy thickness, leaf area index

3 討論

根據(jù)2013年38個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的穿透雨數(shù)據(jù)分析,興安落葉松林的穿透雨占降雨量的80.62%,且穿透雨率隨著降雨量的增加有增加的趨勢(shì)。興安落葉松林下的穿透雨具有較大的空間異質(zhì)性,排除冠層結(jié)構(gòu)特征的影響,穿透雨變異程度隨降雨量的增加有減小趨勢(shì),并以對(duì)數(shù)方程擬合效果最好；而與降雨強(qiáng)度沒(méi)有相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究了林冠下穿透降雨的空間分布,但結(jié)論不一致。時(shí)忠杰等[6]認(rèn)為六盤山華山松林下穿透雨變異程度隨降雨量的增加而呈反函數(shù)關(guān)系減弱；戰(zhàn)偉慶等[17]認(rèn)為華北油松人工林下穿透雨變異系數(shù)隨降雨量的增加而減小,可以用冪函數(shù)進(jìn)行擬合；曹云等[3]認(rèn)為杜仲林下穿透雨變異程度隨著降雨量或降雨強(qiáng)度的增加逐漸降低,可以用對(duì)數(shù)方程擬合；沈會(huì)濤等[18]對(duì)常綠闊葉林次生演替不同階段研究發(fā)現(xiàn),其穿透雨變異系數(shù)均隨降雨量的增加而降低。本研究穿透雨變異規(guī)律與其他學(xué)者的研究基本一致,但擬合方程略有不同。分析差異認(rèn)為,不同研究的地點(diǎn)(寧夏、北京、湖南、浙江)、樹(shù)種(闊葉、針葉)、降水大小與穿透雨的空間分布有極大關(guān)系。本研究觀測(cè)到的林外降雨量較小(<25 mm),且對(duì)于較大降雨量時(shí)穿透雨情況數(shù)據(jù)缺失,但在建立模型時(shí),個(gè)別的極值往往能夠影響擬合效果甚至曲線類型,而時(shí)忠杰[6]、戰(zhàn)偉慶[17]的研究,林外降雨量最大值比本研究高很多,因此導(dǎo)致本研究的結(jié)果(穿透雨與降雨量以冪函數(shù)模擬,而穿透雨變異系數(shù)與降雨以對(duì)數(shù)方程進(jìn)行擬合)與已有研究結(jié)果的差異。

研究結(jié)果表明,冠層結(jié)構(gòu)是影響穿透雨空間變異的重要因素。排除降雨特征的影響,穿透雨量隨冠層結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加(林隙下→林冠邊緣→林冠下)而降低,二者成負(fù)相關(guān)關(guān)系,即靠樹(shù)干越近穿透雨越小。與已有研究結(jié)果相比,Staelens等發(fā)現(xiàn)靠近樹(shù)干穿透雨量較小[19]；而Anderson則發(fā)現(xiàn)靠近樹(shù)干的穿透雨量較大,且有較大變異性[20]；Keim 等發(fā)現(xiàn)幼齡針葉林中距樹(shù)干近處有較高的穿透雨,老齡針葉林中恰好相反,而落葉林中穿透雨量與距樹(shù)干距離則沒(méi)有關(guān)系[21]；Go′mez等[1]發(fā)現(xiàn)穿透雨的聚集效應(yīng)較容易發(fā)生在林冠邊緣,有時(shí)也會(huì)發(fā)生在樹(shù)冠投影邊緣線以內(nèi)；時(shí)忠杰等[13]也發(fā)現(xiàn)穿透雨的聚集區(qū)域多發(fā)生在樹(shù)冠半徑的中部,有時(shí)也會(huì)移到樹(shù)冠的外邊緣線。本研究認(rèn)為,興安落葉松林下的穿透雨是具有一定的變化規(guī)律的,而不是完全隨機(jī)的,本研究中距樹(shù)干的距離對(duì)穿透雨率影響最大,二者呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系,文中則表現(xiàn)為林隙下的穿透雨具有明顯的聚集效應(yīng)。

本研究發(fā)現(xiàn),興安落葉松林的冠層厚度和葉面積指數(shù)都會(huì)影響穿透降雨的空間分布,二者均與穿透雨率呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),且冠層厚度是決定穿透雨空間分布的最主要因素。這與李振新等[7]研究結(jié)果一致,與時(shí)忠杰等[6]認(rèn)為葉面積指數(shù)的影響最大的結(jié)果不同。分析差異認(rèn)為,雖然葉面積指數(shù)是反映冠層結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要指標(biāo),但不同樹(shù)種的分枝角度、葉片形態(tài)有很大差異,且本研究中冠層厚度與葉面積指數(shù)呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),進(jìn)而導(dǎo)致了研究結(jié)果的差異。

影響森林冠層下穿透雨空間分布的因素非常復(fù)雜,本研究是利用自制的雨量筒(截面積為314.16 cm2/筒)觀測(cè)得到的結(jié)論。雖然不同面積穿透雨收集器得到的穿透雨在統(tǒng)計(jì)學(xué)上具有相同的意義,但是最新研究發(fā)現(xiàn)[22],即使小面積的穿透雨收集器數(shù)量少,但其標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)卻明顯高于大面積穿透雨收集器的數(shù)據(jù)；而在林窗下,大面積和小面積的穿透雨收集器收集的穿透雨率范圍依次為25%—178%和13%—379%,即小面積的穿透雨收集器導(dǎo)致穿透雨的空間變異更劇烈；并且小雨量降雨事件,小面積穿透雨收集器比大面積穿透雨收集器得到數(shù)據(jù)具有更大的變異性。因此,利用不同面積的穿透雨收集器對(duì)穿透雨空間分布的測(cè)定結(jié)果有何影響？降雨量大于24 mm后,興安落葉松林下穿透雨有怎樣的變化規(guī)律？森林冠層發(fā)育的不同時(shí)期,其穿透雨的空間分布的影響情況是否相同？這些問(wèn)題都還有待今后的進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

根據(jù)興安落葉松林下穿透雨空間分布特征的研究結(jié)果得到如下結(jié)論：(1)隨著降雨量的增加興安落葉松林下穿透雨率具有增加并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì),且變異程度減小；(2)通過(guò)比較變異系數(shù),在降雨筒距樹(shù)干距離與林木冠幅關(guān)系的不同情景中,興安落葉松林冠下穿透雨變異性最大,林隙下穿透雨變異最小,且隨降雨量的增加,穿透雨的變異性呈下降趨勢(shì)；(3)冠層結(jié)構(gòu)特征是影響穿透雨空間變異的重要因素,且隨著冠層結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加穿透雨量降低,二者成負(fù)相關(guān)關(guān)系；(4)不同觀測(cè)點(diǎn)距樹(shù)干的距離,上方冠層厚度、葉面積指數(shù)等因素的差異均影響穿透降雨的空間分布,其中以距樹(shù)干的距離影響最大。

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Characteristics of the spatial distribution of throughfall in aLarixgmeliniiforest in the northern Greater Khingan Range, northeast China

SHENG Houcai, CAI Tijiu*, YU Zhengxiang

CollegeofForestry,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China

In forested ecosystems, complex forest canopies may redistribute and chemically modify the composition of rain water; this field within the study of ecological hydrology has recently attracted a considerable amount of attention. Throughfall is a major part of the rainfall penetrating the forest canopy and redistributes rainfall, and throughfall patterns can affect the distribution of soil water as well as the cycling and use of nutrients. Furthermore, spatial variability in the amount of throughfall can affect the concentration and deposition of solutes and the spatial distribution of nutrients in a forested landscape. Therefore, changes in throughfall beneath the canopy have very important effects on water balance, hydrological processes, and nutrient cycling within forest ecosystems. Many studies have analyzed the effects of the forest canopy on the interception and redistribution of rainfall, and the regularity of throughfall in different forest types; these studies provide a clearer understanding of the hydrological processes involved in rainfall interception and redistribution. However, few studies have addressed the horizontal spatial distribution of throughfall under a forest canopy. An examination of the spatial distribution of throughfall would provide important data to aid comprehension of the eco-hydrological processes and nutrient cycling within a forest. The goal of the present study was to determine the spatial heterogeneity of throughfall under a forest canopy and to explore the ecological mechanisms of the effects of canopy structure in aLarixgmeliniiforest on throughfall. Several factors, such as distance (of the sampling site to the trunk), canopy thickness, and leaf area index (LAI), can all influence the spatial distribution of throughfall. Throughfall was measured under aLarixgmeliniiforest canopy at three locations—beneath the canopy itself, beneath the canopy edge, and in canopy gaps—during 19 rainfall events, using 38 rain gauges during the period of development of a stable canopy (Jul.—Aug. 2013). The spatial heterogeneity of both forest canopy structure (LAI and canopy thickness) and throughfall were analyzed using statistical methods. The spatial variability of throughfall in theLarixgmeliniiforest analyzed here was estimated for different rainfall events. The results indicate that throughfall under aLarixgmeliniiforest canopy was 148.33 mm during the observation period, and accounts for 80.62% of the rainfall in an open field. The throughfall ratio increased with increasing amounts of rainfall, and the relationship between these could be described with a power function (P<0.01). The coefficient of variance of throughfall decreased with increasing rainfall amounts, and the relationship between these could be described with a logarithmic function (P<0.01). Structural characteristics of the canopy were found to be the most important factors controlling the spatial variability of throughfall, and the throughfall amount was significantly negatively correlated with the degree of complexity within the canopy structure (P<0.01). The influence of distance was most important, and was significantly positively correlated with the throughfall ratio (r2=0.580,P<0.01). Canopy thickness and LAI were significantly negatively correlated with the throughfall ratio (P<0.01), but exhibited poor fitting results. When considering the ecological mechanism of throughfall, canopy thickness was the most important canopy structure/factor that affects the spatial redistribution of throughfall in aLarixgmeliniiforest.

canopy structure; Greater Khingan Range;Larixgmelinii; throughfall; spatial distribution; variation coefficient

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201404303)；中央高校科研專項(xiàng)(DL12BA10)；東北林業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)名師支持計(jì)劃(PFT- 1213- 21)

2014- 12- 15;

日期:2016- 01- 15

10.5846/stxb201412152499

*通訊作者Corresponding author.E-mail: caitijiu1963@163.com

盛后財(cái),蔡體久,俞正祥.大興安嶺北部興安落葉松(Larixgmelinii)林下穿透雨空間分布特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(19):6266- 6273.

Sheng H C, Cai T J, Yu Z X.Characteristics of the spatial distribution of throughfall in aLarixgmeliniiforest in the northern Greater Khingan Range, northeast China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(19):6266- 6273.