六盤山半濕潤區華北落葉松林內降雨的空間異質性及合理取樣數

晁陽　于松平　劉澤彬等

關鍵詞：華北落葉松林；林內降雨量；空間異質性；合理取樣數

中圖分類號：S715 文獻標識碼：A 文章編號：1001-1498（2023）04-0020-11

林內降雨（穿透雨和滴下雨）是降雨再分配的主要組分，約81%的降雨以林內降雨的形式進入林內，因而林內降雨對土壤有機質累積、植被根系生長以及化學微量元素的遷移與轉化等方面有重要影響。受冠層結構和降雨特征等影響，林內降雨在林內有明顯的空間異質性，這將影響森林水文效應的準確評價。探索林內降雨時空格局將有助于理解森林水文過程的時空變化和準確評價森林水文效應。

森林植被林內降雨的空間變異系數在3%～54%，且針葉林林內降雨的空間結構比落葉林的復雜。林內降雨空間變異主要受降雨量特征（如雨量大小、雨強、風速等）和林分結構（如林分密度、冠層覆蓋度、距離最近樹的距離等）的影響，如Liu等相關研究得到，橡膠樹（Hevea brasiliensis （Willd.ex A.Juss.） Muell.Arg.）林內降雨空間異質性受降雨量的影響，隨降雨量的增加，林內降雨空間異質性先降低后趨于穩定。劉澤彬等研究表明，當降雨量<10 mm時，華北落葉松（Larix gmelinii var. principis-rupprechtii（Mayr）Pilg.）林內降雨空間變異與冠層葉面積指數顯著相關。Vacac等研究發現，天然花旗松（Pseudotsuga menziesii（Mirb.） Franco）林內降雨的空間自相關范圍在春季要明顯高于夏季。受林內降雨空間變異影響，量化林內降雨合理取樣數成為研究學者關注的焦點，如相關研究得到，冬青櫟（Quercus ilex L.）林應至少布設22個以上的林內降雨收集器；在0～10、10～20和20～40 mm雨量級下，柳杉（Cryptomeria japonicavar.sinensis Miq，）林內降雨收集器的布設數量分別為25、10和7個。總體上，目前研究還多集中在整個生長季或某一時期林內降雨空間變異或合理取樣數的確定，在生長季的不同時期（如展葉和落葉期），受降雨量和冠層結構差異影響，林內降雨也可能存在較大差異，但還缺乏較為系統的研究。

華北落葉松是六盤山區主要造林樹種，對當地的水土保持、水源涵養和生態環境改善有重要作用。但該區降雨的月份分配不均，降雨量在華北落葉松林的展葉和落葉期存在較大差異，加之華北落葉松林冠層結構有較大空間異質性且有季節變化，勢必會導致不同時期林內降雨空間變異的差異，因而探索華北落葉松林生長季內不同時期林內降雨空間變異將有助于深入理解華北落葉松林的水文效應。本研究以六盤山半濕潤區華北落葉松人工純林為對象，監測了2021年生長季（6-10月）不同時期（展葉和落葉期）林內降雨量，利用經典統計學和地統計學方法分析林內降雨的空間變異特征，并量化不同時期林內降雨的合理取樣數，為該區森林生態水文觀測設計及林水綜合管理提供參考依據。

1材料與方法

1.1研究區域

研究區位于寧夏六盤山國家級自然保護區南部東側的香水河小流域（106°12′10″～106°16′30″E，35°27′22″～35°33′29″N），流域總面積為43.7 km²，海拔2040～2931 m。屬于溫暖帶半濕潤區，年均氣溫5.9℃，年均降雨量618 mm，主要集中于夏秋季，約占全年總降雨量的71.8%。土壤類型以灰褐土為主。次生林和人工林為該區主要植被類型，分別占流域總面積的58%和24%。次生林主要樹種有遼東櫟（Quercus wutaishanica Mayr）、白樺（Betula platyphyHa Suk.）和華山松（Pinusarmandii Franch.）等。人工林主要樹種為華北落葉松和油松（Pinus tabu/iformis Carriere），其中華北落葉松林約占90%。

在研究區內選擇1個900m²（30 m×30 m）的華北落葉松人工純樣地，林分密度622株·hm^-1，郁閉度0.80，其他林分信息詳見表1。林下灌木分布稀疏，覆蓋度約為5%，主要有華西箭竹（Fargesia nitida （Mitford） Keng f.ex Yi）、刺五加（Eleutherococcus senticosus （Rupr.et Maxim.）Maxim.）、灰栒子（Cotoneaster acutifolius Turcz.）等。草本覆蓋度為40%，以點葉薹草（Carex hancockiana Maxim.）為主。試驗開展于2021年6—10月。

1.2林外、林內降雨量觀測

在距樣地約100 m的林外空曠區放置兩個相同規格的林內降雨收集器收集林外降雨量。為研究林內降雨量的空間變異性，在樣地內布設了40個雨量收集器，其中36個雨量收集器布設在36個等分的網格（5m×5m）內，剩余4個雨量收集器隨機布設（圖1）。雨量收集器由聚氯乙烯漏斗和聚氯乙烯瓶兩部分組成，截面積為235.58 cm²。每次降雨結束后，利用量筒測定每個雨量收集器的雨量體積/mL，然后基于截面積換算得到雨量深／mm。

1.3林冠葉面積指數

在2021年的生長季（6—10月），利用LAI-2200C植物冠層分析儀每隔7～10天，測定每個雨量收集器上方的冠層葉面積指數（LAI）。結合研究區華北落葉松物候特征（大量落葉一般開始于8月25日-9月1日，停止于10月24日-10月31日）和觀測樣地葉面積指數的變化動態，將生長季進一步劃分為展葉期（6月1日至8月31日）和落葉期（9月1日至10月31日）2個時期，且葉面積指數的空間變異在2個時期存有明顯差異（圖2）。

1.4空間異質性分析

采用經典統計學的變異系數和地統計學的半方差函數描述林內降雨的空間變異特征。

變異系數（CV）是經典統計學中衡量數據離散程度的重要參數，CV≤0.1、0.1

半方差函數是描述變量空間結構的重要工具，函數形式如下：

基于該函數可得到塊金值（C₀）、基臺值（Co+C）和變程（a）等指示空間結構的重要參數。塊金值（C₀）是指在最小抽樣尺度下變量的變異性及測量誤差；基臺值（Co+C）是指區域化變量變化幅度的大小；塊基比[C₀/（C₀+C）]判斷變量空間自相關的程度，塊基比<25%，表示變量強空間自相關，25%～75%表示變量中等空間自相關，>75%，表示變量弱空間自相關。變程（a）指示變量空間自相關范圍的大小。兩點空間距離越大，表明兩點的空間自相關性越弱，當兩點空間距離超過變程，表明兩點的空間自相關性不存在。

1.5合理取樣數的確定

利用R3.6.1軟件，進行Monte Carlo模擬重抽樣，步驟如下：將林內40個雨量收集器收集的27場降雨事件的林內降雨量按整個生長季及展葉和落葉期3個時期取平均作為Monte Carlo模擬抽樣的初始值，然后分別對各時期40個林內降雨量平均值進行門（2～39）次不放回抽樣，并重復1000次，得到不同取樣數量（n=2～39）下的林內降雨量平均值及其置信區間的變化，最后確定在5%誤差下雨量收集器的最少布設數量。

1.6數據分析

利用Excel 2019對生長季及展葉和落葉期林內降雨進行經典統計分析（最大、最小和平均值，變異系數等）；利用Origin2021擬合林內降雨變異系數與降雨量、雨強和降雨歷時的關系；利用GS+9.0軟件對生長季及展葉和落葉期林內降雨進行半方差函數分析并確定最優函數模型；利用ArcGis10.6軟件進行Kriging插值，并繪制不同時期林內降雨空間分布圖。

2結果分析

2.1研究期降雨特征

研究期間（2021年6月1日—10月31日）共觀測到27次降雨事件，累積降雨量572.6 mm，次降雨量變化范圍0.6～60.7 mm，平均值21.2 mm。在展葉期（6-8月），累積降雨量210.8 mm，平均次降雨量14.1 mm，次降雨事件以<10 mm的小雨為主；在落葉期（9—10月），累積降雨量361.8 mm，平均次降雨量32.9 mm，次降雨事件以>20 mm的中大雨為主（圖3a，b）。

2.2生長季內不同時期林內降雨特征

研究期間累積觀測到林內降雨量444.0 mm，占同期林外降雨量的77.5%。單場降雨事件的林內降雨量平均值（變化范圍）16.4（0.2～50.0）mm，在展葉和落葉期，單場降雨事件的林內降雨量平均值（變化范圍）分別為10.3（ 0.2～50.0）和24.2（5.5～48.2）mm（表2）。林內降雨量占林外降雨量的比重受降雨量影響明顯，隨次降雨量增加，先快速增加，當次降雨量達到10 mm后，逐漸趨于穩定（圖4a）。林冠葉面積指數對林內降雨量占林外降雨量的比重的影響受降雨量的影響，當降雨量級在0～10 mm時，該比重隨林冠葉面積指數的增加呈現降低變化；當降雨量級>10 mm時，該比重基本不受林冠葉面積指數的影響（圖5）。

林內降雨量在林內有明顯的空間變異，空間變異系數平均值（變化范圍）為28.23% （11.10%～97.71%），展葉期平均次降雨事件的林內降雨空間變異系數（36.02%）大于落葉期的（18.45%）。林內降雨量的空間變異受降雨特征的明顯影響，隨次降雨量、雨強和降雨歷時增加，均表現為先降低后趨于平穩。其接近平穩的次降雨量、雨強和降雨歷時閾值分別為10 mm、2 mm·h^-1和300 min。

2.3生長季內不同時期林內降雨的空間結構特征

2.3.1不同時期平均林內降雨量的半方差函數分析整個生長季及展葉和落葉期林內降雨量平均值的半方差函數均可用高斯模型表示（表3）。整個生長季林內降雨量的塊基比為0.042，表現為強烈的空間自相關；展葉和落葉期林內降雨量的塊基比為0.012和0.275，前者表現為強烈空間自相關，后者為中等強度自相關。從空間自相關范圍來看，整個生長季及展葉和落葉期的變程分別為4.82、3.95和6.53 m，表明落葉期林內降雨的空間自相關范圍較大。

2.3.2生長季內不同時期平均林內降雨量的空間分布

圖6為整個生長季及展葉和落葉期平均林內降雨量的空間分布。整個生長季平均林內降雨量呈點狀和帶狀分布，但總體表現為上部低、下部高的空間格局。在展葉期，平均林內降雨量空間分布連續性較差，點帶狀分布復雜，點狀區域小而多，鄰近區域差異性明顯，部分點位與周圍區域相比較孤立，樣地下部平均林內降雨量明顯大于樣地上部。在落葉期，平均林內降雨量空間差異減小，林內降雨在樣地中部右側呈明顯的聚集效應，并向樣地上下兩側減弱。

2.4生長季內不同時期林內降雨的合理布設數量

利用Monte Carlo模擬抽樣法量化在5%誤差下生長季不同時期所需雨量收集器的合理布設數量（圖7）。隨雨量收集器數量的增加，各時期平均林內降雨量的置信區間均逐漸趨于平緩。在95%置信區間下，當雨量收集器數量≥16、≥17和≥14個時，平均林內降雨量的誤差在整個生長季、展葉和落葉期可分別控制在5%內。雨量收集器的最少布設數量和林內降雨變異系數在不同時期的變化一致，表明雨量收集器的最少布設數量與林內降雨空間變異密切相關。

3討論

3.1林內降雨特征及其空間變異

研究期間（2021年6月1日-10月31日）共觀測到林內降雨量444.0 mm，占同期林外總降雨量的77.5%，略低于興安落葉松（Larix dahurica Turcz.ex Trautv.）林的81.30%、六盤山華山松林的84.3%，高于大興安嶺樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica Litv.）林的73.60%、祁連山青海云杉（Picea crassifolia Kom.）林的75.0%。除樹種特征、植被結構等生物因素的影響外，非生物因素也對林內降雨占林外降雨的比重有重要影響，如降雨強度、雨滴的數量、速度和直徑等。本研究中，展葉和落葉期林內降雨占林外降雨的比重有差異，可能與冠層結構和降雨量在兩個時期有不同有關，落葉期冠層葉面積指數小且降雨量大，因而林內降雨占林外降雨的比重高。

本研究華北落葉松林內降雨變異系數（28.23%）高于溫帶主要的落葉針葉林（15.9%～22.0%）。除樹種組成、葉片排列方式、冠層結構和厚度等生物因素影響外，非生物因素對林內降雨的空間變異影響也較大，如林內降雨收集器截面積的大小會影響林內降雨的空間變異，通常，林內降雨收集器截面積越大，林內降雨的空間變異越小，本研究使用的林內降雨收集器截面積（230.58 cm²）較小；另外，林內降雨空間變異受降雨量、降雨強度和降雨歷時等降雨特征的影響，本研究中也得到，林內降雨空間變異隨降雨量、雨強和降雨歷時增加呈冪函數下降的變化。而本研究中平均次降雨量、雨強和降雨歷時較小也可能是導致林內降雨變異系數較高的原因。生長季內不同時期林內降雨空間變異也有差異，本研究中，展葉期林內降雨空間變異大于落葉期。已有研究表明，在小雨事件下，冠層葉面積指數顯著影響林內降雨量。冠層葉面積指數的空間變異在展葉期要高于落葉期，且展葉期以小雨事件為主，因此，展葉和落葉期林內降雨空間變異的差異可能是冠層結構和降雨量級共同作用的結果。

多數研究顯示，溫帶森林林內降雨空間分布的半方差函數可由高斯模型表示，本研究也得到了相似結果。不同氣候區和樹種林內降雨空間結構有較大差異。如Bellot等發現，地中海冬青櫟林的林內降雨無明顯的空間結構，而Fathizadeh等發現，單株波斯櫟（Quercus brant，var.Persica）有葉期林內降雨的空間自相關性距離（1～3 m）小于無葉期的（5m）。本研究中，華北落葉松林內降雨有明顯的空間結構，其空間自相關距離為4.0～6.5 m。空間自相關距離大小主要與林分結構和降雨特征等有關；另外，也受林內降雨收集器的布設數量、樣地面積等影響。因而，不同氣候區（或樹種）林內穿透雨的空間結構相差較大。本研究中，華北落葉松林內降雨空間分布格局在不同時期也有明顯差異，落葉期林內降雨空間異質性明顯低于展葉期，但總體上均呈點狀和帶狀分布，這與2hang等的研究結果相近。降雨特征和冠層結構可能是導致展葉和落葉期林內降雨空間變異差異的主要因素。冠層結構空間差異越大，林內降雨的空間變異越大，本研究中，展葉期LAI的空間變異高于落葉期（圖2）。但雨量大小也會影響冠層結構對林內降雨的影響，降雨量大，冠層結構對林內降雨的影響小，進而導致林內降雨空間異質性較弱，如劉澤彬等研究表明，當降雨量>20 mm時，冠層葉面積指數與林內降雨量不相關。本研究中，展葉期以<10 mm的降雨為主，而落葉期以>20 mm降雨為主，表明冠層結構在展葉期對林內降雨空間分布的影響要高于落葉期，這也是展葉期林內降雨和LAI的空間分布格局較為一致的原因。

3.2林內降雨收集器的合理取樣數

林內降雨量具有高度的空間變異性，因而林內降雨收集器的布設數量將影響林內降雨量的準確評估。Ziegler等研究發現，在有限的雨量收集器數量下，相比固定位置的雨量收集器，定期改變雨量收集器的位置更能反映林分的林內降雨量。Crockford等研究發現，雨量收集器的截面積影響林內降雨量的準確評估，要達到相同的林內降雨評估精度，雨量收集器截面積越小，布設數量要求越多。受植被類型、冠層結構等影響，不同研究得到的林內降雨收集器合理布設數量有較大差異，如在95%置信區間下，若要將林內降雨評估誤差控制在10%內，Fathizadehc等研究的波斯櫟樹林需布設29個雨量收集器，而Rodirgoc等研究的冬青櫟林則需布設9個雨量收集器。即使同一林分，不同降雨量級下雨量收集器的合理布設數量也有差異，如劉澤彬等得到，在95%置信水平下，當降雨量級在0～10 mm和>10 mm時，分別至少布設26和15個雨量收集器才能夠將林內降雨評估誤差控制在5%以內。雨量收集器的合理布設數量與林內降雨的空間變異密切相關，受降雨特征和冠層葉面積指數空間差異等影響，不同時期華北落葉松林內降雨的空間變異不同，導致其雨量收集器的合理取樣數量不同；在展葉期（95%置信水平下），若要將林內降雨評估誤差控制在5%以內，至少需要17個雨量收集器；而在落葉期，若要將林內降雨評估誤差控制在5%以內，至少需要14個雨量收集器。因此，生長季內雨量收集器合理布設數量需考慮不同時期林內降雨的空間變異差異引起的雨量收集器合理布設數量的變化。本研究中，若要將林內降雨評估誤差控制在5%以內，至少需布設17個以上的雨量收集器，而不是基于整個生長季平均林內降雨量得到的16個雨量收集器。盡管雨量收集器的合理布設數量也與其截面積大小有關，但由于林內降雨具有空間自相關性（本研究林內降雨的空間自相關距離在4.0～6.5 m），因此，雨量收集器截面積小范圍內的變化不會對林內降雨評估精度產生較大影響，本研究中量化生長季雨量收集器數量的方法和結果可供本研究區及相似地區林分提供參考。

4結論

（1）降雨特征影響華北落葉松林內降雨的空間變異，隨次降雨量、雨強和降雨歷時的增加，林內降雨空間變異呈下降的冪函數變化。

（2）受降雨特征和冠層結構的影響，展葉期林內降雨空間變異大于落葉期的，其中，在展葉期為強烈空間自相關，在落葉期為中等強度自相關。

（3）生長季內不同時期林內降雨空間變異的不同導致雨量收集器合理布設數量有差異，要確保整個生長季林內降雨評估的準確性，應考慮雨量收集合理布設數量在不同時期的差異。