檳榔林冠穿透雨空間格局的時間穩定性

趙 赫,文 志,劉艷秋,鄭 華,*,歐陽志云

1 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域國家重點實驗室,北京 100085 中國科學院大學,北京 100049 3 北京大學環境科學與工程學院,環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室,北京 100871

降雨經過林冠被分配為穿透雨、樹干流和冠層截留三部分[1],其中穿透雨是降雨通過冠層間隙或經過冠層復雜結構滴落到地面的部分[2],是林下降雨的重要組成部分。穿透雨既影響土壤水分和土壤侵蝕的空間格局,也通過淋洗冠層元素[3],改變了林下土壤營養鹽的含量及其空間格局,進而影響地表徑流的流量和水質,是森林水文研究中的一個重要參數[4]；樹干流占降雨量很少一部分,通常被忽略[5]；冠層截留是降雨暫時儲存在冠層中并在降雨事件中和之后蒸發掉的部分[6],是森林生態系統水土保持功能的一項重要指標,評估冠層截留量需要精確計算穿透雨[7],然而穿透雨的空間異質性給評估工作帶來困難,因此,穿透雨空間格局和空間變異性是森林水文研究中的關鍵[8]。

大量研究表明穿透雨的空間特性是由冠層厚度、葉面積指數、樹高、葉片角度和形狀以及降雨量和風向共同決定的,例如Siegert發現溫帶落葉林穿透雨的空間異質性是冠層厚度和葉面積指數造成的,隨著冠層厚度和葉面積指數的增加,穿透雨逐漸降低[9]；Seyed發現植株高度較高時,冠層粗糙度大,使冠層截留的水更容易蒸發損失掉,導致穿透雨減少[10]；Philippe發現香蕉葉片角度較大時,會使穿透雨轉化為樹干流,大而水平的葉片會暫時儲存雨水,增加穿透雨的空間異質性[11]；Patrick 發現在冠層迎風面由于風吹落冠層儲水而穿透雨較多,在背風面形成穿透雨雨影區[12]。然而這些結論都假設穿透雨空間格局在每場降雨事件中總是固定的,忽視了冠層結構的時間動態和各觀測位點穿透雨在每場降雨事件中的差異[13]。如果穿透雨的空間格局是時間穩定的,那么將會對土壤水分、元素含量和土壤侵蝕的空間格局及時間動態產生深遠影響,然而這方面的研究還較少。

檳榔林是熱帶雨林地區主要的經濟林木,近年來隨著南藥的開發和人們對檳榔果的喜愛[14],其種植面積不斷擴張,大量熱帶雨林或次生林逐漸被檳榔林取代[15]。檳榔林由于群落組成簡單,冠層結構單一,使林下穿透雨及其空間格局發生重大變化,對土壤水分和元素含量、土壤侵蝕和地表徑流產生深遠影響[16],尤其在上游水源地地區,穿透雨空間格局的變化將影響河流水質和水量,對下游水源供給服務和生態安全等產生深遠影響[17],然而針對檳榔林穿透雨及其時空特性的研究目前還很薄弱。為此,本文以海南島中部山區水源地地區的檳榔林為研究對象,采用長期定位監測方法,基于次降雨數據,探討檳榔個體植株穿透雨的空間分布規律,并分析這種空間格局是否具有時間穩定性,為認識檳榔個體尺度水文特征及相關水文模型的開發提供參考,也為解釋檳榔林林地小尺度土壤水分和土壤侵蝕的空間格局及時間動態提供依據。

1 研究地概況與研究方法

1.1 研究地概況

研究地位于海南島中部山區的白沙彝族自治縣、鸚哥嶺國家級自然保護區的實驗區內(109°31′E； 19°04′N),該區域是海南島第一大河流南渡江和第二大河流昌化江的主要發源地,其水文功能地位十分重要。氣候類型為熱帶海島季風氣候,年平均氣溫21.5—28.5℃,年平均相對濕度83%。一年分為干季和濕季,干季為11月到次年4月,濕季為5—10月,降水主要集中在7—9月,多年平均降雨量1607 mm,次平均降雨量為15.5 mm,降雨事件中的主導風向為東南風,降雨量以0—20 mm范圍為主(圖1)。

1.2 穿透雨觀測方法

在研究區內選取一塊具有代表性的檳榔林樣地,在樣地內隨機選取9棵樹作為研究對象(表1)。由于檳榔林內植株間距較大,彼此間冠幅相互獨立不重疊,為精細地刻畫檳榔林個體尺度穿透雨的時空特征,分別在每棵樹的4個方位角上(東、南、西、北),根據每棵樹的冠幅大小,在樹干旁邊(1/3冠幅)、冠幅中央(2/3冠幅)和冠幅邊緣(3/3冠幅)放置自制雨量筒,分別測量樹干不同方向樹干旁邊、冠幅中央和冠幅邊緣的穿透雨,整個樣地共放置了108個雨量筒。每次降雨事件結束后,用量筒量取雨量筒內的穿透雨體積。雨量筒桶高35 cm,開口直徑20 cm,為避免蒸發損失,在桶上加蓋直徑為21 cm漏斗,在每次測量后保持漏斗水平放置。為避免雨滴激濺的影響,桶口距地面高度為50 cm。從2016年8月6日到2017年8月7日,共記錄了33場降雨事件,降雨量信息如圖2。

表1 檳榔植株個體特征

圖2 研究期間降雨量分布特征Fig.2 Characteristics of rainfall distribution during the study

1.3 冠層結構數據獲取

利用植物冠層儀(LAI-2000)測量每個觀測點正上方的葉面積指數、葉片傾斜角度,具體方法如下：為精確測量每個觀測點正上方的葉面積指數和葉片傾斜角度,選擇15°鏡蓋在林外空曠地記下X值,進入林內在觀測點處記下Y值,利用植物冠層儀計算并讀取該觀測點的葉面積指數(LAI)和葉片傾斜角度(MTA),并平行觀測3次,取其平均值作為該觀測點的觀測值。利用激光/超聲波樹木測高測距儀(Haglof Vertex Laser 5)測量每個觀測點正上方的冠層厚度。利用魚眼相機拍攝每個觀測點正上方的冠層圖片,經過圖像處理軟件計算冠層郁閉度。每個觀測點平行觀測3次,其平均值作為該觀測點的觀測值(表2)。

1.4 穿透雨時間穩定性

Keim首次利用時間穩定性圖(Time stability plots)對穿透雨空間格局的時間穩定性進行分析[18]。假定數據是正態分布的,對數據進行標準化處理后,計算各觀測點標準化處理后穿透雨的均值和標準差,然后將標準化穿透雨的均值按照從小到大的順序繪制時間穩定性圖,誤差棒為±標準差。數據標準化的公式如下：

②

式中,TFSij為標準化后觀測點i在降雨事件j中的穿透雨,TFij為觀測點i在降雨事件j的穿透雨；Meanj為降雨事件j中穿透雨的均值；Sdj為降雨事件j下穿透雨的標準差。

時間穩定性圖反映了兩種時間穩定性：第一種為極端穩定性(“extreme persistence”)：標準化穿透雨的均值位于樣本四分位以外,位于上四分位的點意味著非常干的狀態(“屏蔽效應”),位于下四分位的點意味著非常濕的狀態(“滴水效應”)；第二種為一般穩定性(“general persistence”)：標準化穿透雨的均值位于樣本四分位以內,表明這些觀測點只比總體平均狀態干或濕。誤差棒的長短反映了時間不穩定程度,誤差棒越長,表示該點的時間穩定性較差,反之亦然；但是如果誤差棒與零軸相交,則此位點的穿透雨在時間上是不穩定的[19]。

Zimmermann等發現穿透雨的數據往往不是正態分布的,在數據標準化時應當利用更加穩健的統計量中位數(Median)和絕對中位差(Median absolute deviation,MAD)[20]。數據標準化的公式如下：

③

式中,TFSij為標準化后觀測點i在降雨事件j下的穿透雨,TFij為觀測點i在降雨事件j的穿透雨；Medianj為降雨事件j下穿透雨的中位數；MADj為降雨事件j下穿透雨的絕對中位差。

圖3 Q-Q圖Fig.3 Q-Q diagram

Q-Q圖(Normal Q-Q Plot),也稱分位數-分位數圖,可以判別數據是否服從正態分布,如果樣本服從正態分布,則其數據點會落在直線上,否則,不服從正態分布。本文在進行數據標準化前利用Q-Q圖判別出數據不服從正態分布(圖3),因此采用公式3進行數據標準化。

1.5 統計分析

利用R語言(3.4.2)的“dplyr”包對數據進行規整和統計分析,利用“ggpolt2”、“ggpubr”和“openair”包進行可視化。

2 結果

2.1 穿透雨空間格局

檳榔樹冠內不同位置穿透雨差異顯著(P<0.01),穿透雨率分別為：樹干附近(85.6%)、冠層中央(48.3%)、冠層邊緣(59.8%),穿透雨空間格局表現為向樹干匯集的特點(圖4 )；不同方位的穿透雨彼此間差異不顯著,穿透雨率分別為：東(80.5%)、南(56.3%)、西(60.9%)、北(68.1%),穿透雨在東面最多,表明風對穿透雨空間格局具有一定影響(圖4 )。

2.2 穿透雨時間穩定性特征

根據108個位點的時間穩定性圖(圖5),標準化穿透雨上、下四分位數分別為0.92、-0.14,共有32個位點具有極端穩定性,只有5個位點具有一般穩定性。表明檳榔樹冠下大多數位點穿透雨時間變異程度大(65.7%)。

圖4 檳榔植株穿透雨空間格局Fig.4 Spatial pattern of throughfall under areca plant

圖5 基于所有位點的時間穩定性圖Fig.5 The time stability plots based on all sites注：虛線為上、下四分位線

在觀測到的108個位點中,樹干旁邊、冠幅中央、冠幅邊緣各有36個位點,其中,樹干旁邊具有時間穩定性的位點僅占四分之一(25%),冠幅中央有超過一半的位點具有時間穩定性(55.6%),冠幅邊緣具有時間穩定性的位點只占19.4%,表明檳榔樹冠幅中央穿透雨時間穩定性較好,而樹干旁邊和冠幅邊緣穿透雨時間穩定性較差。

在觀測到的108個位點中,四個方位角上各有27個位點,具有時間穩定性的位點分別只占約1/3：東(40.7%)、南(29.6%)、西(29.6%)、北(33.3%),表明各方位穿透雨的時間穩定性相差不大。

2.3 穿透雨時間穩定性影響因素

2.3.1距樹干距離對穿透雨時間穩定性的影響

樹干旁邊一共有36個點,只有9個位點是時間穩定的(25%),其中具有“滴水效應”的占77.8%,具有“屏蔽效應”的占22.2%,表明檳榔樹樹干旁邊對穿透雨是不穩定的“滴水效應”。冠幅中央一共有36個點,有20個位點是時間穩定的(66.7%),其中具有“滴水效應”的占35%,具有“屏蔽效應”的占65%,表明檳榔樹冠幅中央對穿透雨是穩定的“屏蔽效應”。冠幅邊緣一共有36個點,只有7個位點是時間穩定的(19.4%),且全部為“滴水效應”,表明檳榔樹冠幅邊緣對穿透雨是不穩定的“滴水效應”(圖6)。

圖6 基于不同冠幅位置的時間穩定性圖Fig.6 The time stability plots based on different canopy positions注：虛線為上、下四分位線

由上可知,距樹干距離影響穿透雨的時間穩定性,冠幅不同位置表現出對穿透雨不同的干濕效應,并最終形成特定的空間格局(圖4),這與冠層厚度、葉面積指數、葉片角度和形狀等冠層結構特征有關。經過回歸分析發現,檳榔樹冠穿透雨時間不穩定程度與平均葉片傾斜角度呈現顯著正相關關系(P<0.05)(圖7),而根據表2發現,平均葉片傾斜角度：樹干附近(45.7)、冠幅邊緣(49.6)>冠幅中央(38.4),這說明冠幅中央穿透雨時間穩定性強于樹干附近和冠幅邊緣是由于葉片角度導致的,冠幅邊緣較大的葉片角度更容易受到風的影響,造成穿透雨空間格局在時間上不穩定。

圖7 平均葉片傾斜角度與穿透雨時間不穩定性的關系 Fig.7 The relationship between MTA and throughfall time instability

2.3.2降雨量對穿透雨時間穩定性的影響

降雨量在0—20 mm范圍內,具有時間穩定性的點共有35個(32.4%),其中“滴水效應”點有14個(40%),“屏蔽效應”點有21個(60%)；降雨量在20—50 mm范圍內,具有時間穩定性的點共有13個(12%),其中“滴水效應”點有3個(23.1%),“屏蔽效應”點有10個(76.9%)；降雨量在>50 mm范圍內,具有時間穩定性的點共有35個(32.4%),其中“滴水效應”點有21個(60%),“屏蔽效應”點有14(40%)個(圖8)。

由上可知,在中等降雨量條件下穿透雨空間格局的時間穩定性最小,通過對比小雨和大雨發現,隨著降雨量增加,冠層內部分“屏蔽效應”的點消失,冠層內“滴水效應”的點增加。

圖8 基于不同降雨量的時間穩定性圖Fig.8 The time stability plots based on different rainfall虛線為上、下四分位線

3 討論

冠層中的一些特殊結構往往會改變雨水在冠層的運動軌跡,不僅改變了降雨分配比例,而且使穿透雨的空間格局發生變化。例如Philippe發現由于香蕉樹果叢的存在,使樹干流被引流為穿透雨,增加了樹干附近的穿透雨[11]。本文所研究的檳榔樹屬于棕櫚科,莖干直立,羽狀分裂的大葉簇生于莖頂,葉片角度在38°—50°之間(表2),為典型的漏斗形樹冠,穿透雨空間格局在冠幅范圍內表現出樹干附近和冠幅邊緣多,冠幅中央少,結合檳榔樹冠構型,檳榔大葉片對降雨有引流作用,檳榔果叢的存在也會使樹干流轉化為穿透雨,從而使樹干附近的穿透雨大大增加。

穿透雨空間格局的時間穩定性反映了冠層結構的穩定,然而冠層結構在生長周期內是逐漸變化的,使穿透雨的時空特性也會隨之改變。Nobuaki在泰國發現隨著柚木樹葉的生長,冠層遮陰效果逐漸增強,氣溫對冠層截留的影響逐漸減弱,導致穿透雨的空間異質性增加,時間穩定性降低[21]。Yoshinori發現葉面積指數在生長季的變化是穿透雨空間異質性改變的主要原因,使穿透雨時間穩定性隨時間而改變[22]Zimmermann發現在生長季初期,冠層結構變化最快,穿透雨時間穩定性較差[20]。本文發現檳榔樹干附近和冠幅邊緣雖然表現為對穿透雨的“滴水效應”,但卻是不穩定的,而冠幅中央表現出對穿透雨極端穩定的“屏蔽效應”,這與距樹干不同距離的平均葉片傾斜角度有關,樹干附近和冠幅邊緣較大的葉片角度,更容易受到風的影響,造成穿透雨在時間上的不穩定。Park和Leakameron發現葉片和樹枝的引流作用影響了冠層的降雨分配模式,使樹干流和穿透雨相互轉化,改變穿透雨的空間格局[23]。因此,葉片角度及其生長周期內的變化可能是影響穿透雨時間穩定性的關鍵因素。此外,通過對比各方向穿透雨的空間格局和時間穩定性發現,風向只能部分改變穿透雨的空間格局,但對時間穩定性的影響較小,冠層結構才是穿透雨時空特性時間穩定性的決定因素。

降雨量也會影響穿透雨的時間穩定性,例如,Omid發現在小雨條件下,由于冠層儲水能力沒有飽和,冠層截留大,造成的空間差異也大；在大雨條件下,冠層充分飽和,穿透雨的空間差異減少[24]。Anderson發現在由于桉樹冠層結構是穩定的,在降雨初期,冠層儲水能力未飽和,穿透雨只在有些為點出現,大多數位點沒有穿透雨,“屏蔽效應”的位點是時間穩定的,當冠層充分飽和后,穿透雨的空間格局變得勻質化,“滴水效應”的點是時間穩定的[25]。本文發現在中等降雨條件下,穿透雨的時間穩定性較差,而在小雨和大雨中,穿透雨時間穩定性相同(32.4%)。在小雨條件下,冠層儲水能力沒有飽和,穿透雨只在特定位點如冠層間隙和特殊的滴水結構處出現,冠層對雨水主要以“屏蔽效應”為主；隨著降雨量的增加,冠層逐漸濕潤,儲水能力由不飽和到飽和,一些位點逐漸開始出現穿透雨,此時穿透雨時間穩定性最差；在大雨條件下,冠層充分濕潤,對雨水以“滴水效應”為主。

4 結論

1)檳榔樹冠內不同位置穿透雨差異顯著(P<0.01),穿透雨率分別為：樹干附近(85.6%)、冠層中央(48.3%)、冠層邊緣(59.8%),穿透雨空間格局表現為向樹干附近匯集的特點；不同方位的穿透雨彼此間差異不顯著,但穿透雨在東面最多,表明風對穿透雨空間格局具有一定影響。

2)檳榔樹冠下大多數位點穿透雨時間變異程度大(65.7%),但檳榔樹冠幅中央穿透雨時間穩定性較好(55.6%),而樹干旁邊和冠幅邊緣穿透雨時間穩定性較差(25%、19.4%),各方位穿透雨的時間穩定性相差不大(約1/3)。

3)距樹干距離和降雨量影響穿透雨的時間穩定性,距樹干不同距離平均葉片傾斜角度的差異是造成穿透雨在時間上不穩定的關鍵因素,平均葉片傾斜角度與穿透雨時間不穩定程度呈現顯著正相關關系(P<0.05)。在中等降雨量條件下穿透雨空間格局的時間穩定性最差,隨著降雨量增加,冠層內部分“屏蔽效應”的點消失,冠層內“滴水效應”的點增加。