伏牛山三種天然林的樹干莖流季節差異及胸徑影響

摘要：[目的]探討伏牛山三種森林類型的樹干莖流差異及與林木胸徑的關系，分析相同量級降雨的樹干莖流季節差異。[方法]在伏牛山寶天曼地區選擇三種典型天然林（華山松針葉林、銳齒櫟闊葉林、華山松．鵝耳櫪針闊混交林）的標準木，實測并收集樹干莖流量后分析比較。[結果]生長季內的高降雨量事件（58.2 mm）導致的樹干莖流體積與林木胸徑呈正相關，然而在低降雨量事件（10.8 mm）下二者呈負相關。在單次降雨量相同或相近條件下，冬季的樹干莖流體積（17 770～35 590 mL）和莖流率（0.106）顯著高于春、夏和秋季，而樹干莖流體積在前三個季節之間并無顯著差異，針闊混交林在秋季和冬季的莖流率更高，這主要歸因于冬季落葉闊葉樹的林冠葉片截持作用消失。相比針葉林和闊葉林，針闊混交林的林分密度更高且胸徑更小，導致其林分樹干莖流量最高。[結論]不同森林類型的樹干莖流量因降雨量和林木胸徑大小而異，林木胸徑和葉片形態是決定樹干莖流季節差異的重要因素。

關鍵詞：樹干莖流；伏牛山；胸徑；季節變異

中圖分類號：S718.5 文獻標識碼：A 文章編號：1001-1498（2024）03-0169-06

水循環是維系陸地生態系統功能及維持人類生產生活的重要生態過程。作為陸地生態系統面積最大的植物群落，森林在調節水循環方面發揮著重要作用。森林植被對降雨的截留及再分配是水循環的重要環節。林內穿透雨、林冠截留及樹干莖流是森林參與降雨再分配的3種主要形式。相比林冠截留和穿透雨，全球森林平均樹干莖流量通常小于降雨總量的10%，在降雨再分配的量級上并不占優勢。然而，樹干莖流匯集的水可沿樹干流至根系區域，一方面可以改變林地土壤水分空間分布格局；另一方面伴隨著葉片及枝干表面礦質元素的淋洗，樹干莖流中的元素含量高出大氣降水幾倍，是植物生長及土壤生物生命活動的重要保障。因此，樹干莖流在森林生態系統水及養分循環中的作用不容忽視。樹干莖流形成過程和變化規律受到國內外學者廣泛關注，在莖流量、水溶性元素含量及其影響因素等方面開展大量研究。但是，不同天然林類型樹干莖流對同一量級降雨的響應是否存在季節差異目前尚不明晰。

伏牛山是秦嶺山脈向東延伸至河南地區的余脈，呈西北-東南走向，跨越近400公里，是中國黃河、淮河和長江三大水系的分水嶺，同時也是我國南水北調中線工程渠首一丹江口水庫的水源涵養區。伏牛山地區植物種類繁多，森林資源豐富，是河南省植物多樣性的分布和發育中心。類型多樣且結構復雜的森林植被成為區域水量調節和水質改善的重要因素。本研究以伏牛山南麓的寶天曼自然保護區為例，分析該區域主要天然林的樹干莖流規律，旨在揭示不同森林類型的樹干莖流季節差異，闡明樹干胸徑與樹干莖流量的關系，為評價伏牛山森林資源的水源涵養功能提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

河南寶天曼森林生態系統國家野外科學觀測研究站（簡稱寶天曼站）（33°25＇～33°33＇N，111°53＇～112°01＇E）位于河南省內鄉縣內。內鄉地處北亞熱帶向暖溫帶的過渡區，以亞熱帶季風氣候為主。該地年均氣溫15.1℃，年均降水量885.6 mm，年均相對濕度68%。依據寶天曼站的自動氣象站數據，生態站所在位置（海拔1 270 m）的年均氣溫9.8℃，年均降水量1 011.2 mm，相對濕度72.7%。該地區的代表性植被群落為不同的櫟類天然林，優勢樹種是銳齒櫟（Quercus aliena var.acutiserrata Maximowicz ex Wenzig）、栓皮櫟（Quercus variabilis Blume）和短柄袍（Quercusserrata Murray），其它伴生樹種包括華山松（Pinus armandi Franch．）、鵝耳櫪（Carpinusturczaninowii Hance）、漆樹（Toxicodendronvernicifluum （Stokes）F．A．Barkl.）和化香（Platycarya strobilacea Sieb.et Zucc.）等。本研究野外調查時間為2015年，期間寶天曼站年均氣溫10.6℃，年降水量為901.2 mm，生長季5-9月份降水量占62%（圖1）。

1.2 樣地布置

在寶天曼站區域內選擇華山松針葉林、銳齒櫟闊葉林、以華山松和鵝耳櫪為主的針闊混交林作為研究林分，每個森林類型設立3個20 m×20m樣地，樣地間隔在500 m以上。首先對每個樣地初步調查，確定林分胸徑分布結構。調查顯示針葉林、闊葉林、針闊混交林的平均密度為1 400.1、1 575.2、2 325.5株hm-2；針葉林的平均胸徑和樹高最高；針闊混交林的平均胸徑和樹高最低，但密度最高（表1）。

在每個樣地內，按胸徑大小分布將樹木分為4個徑級，每個徑級選擇2株標準木。在每株標準木的樹干約1.3 m高處，用內徑2.5 cm、長約150 cm的聚氯乙烯膠管螺旋狀環繞樹干1周，將管子的末端連接到密封的水桶內。每次降雨結束后，用量桶測定水桶內收集的雨水體積，即為每株林木的莖流體積/mL。林分水平的樹干莖流量（Stemflow，SF） /mm用下列公式計算：

式中，n代表徑級數，Ci和Mi代表第i徑級的樹干莖流水量體積/mL和林木株數，S。代表樣地面積（400m2）。

1.3 數據分析

采用單因素方差分析檢驗森林類型之間的林分樹干莖流量差異，并采用對數回歸模型分析林分樹干莖流量與大氣降雨量的關系。選擇生長季中期兩次不同量級的降雨事件（7月30日降雨10.8mm，9月11日降雨58.2 mm），分析不同量級降雨下樹干莖流量與林木胸徑的關系。此外，進一步選擇降雨量接近的4次降雨事件（5月12日9.4mm、7月27日9.6 mm、9月25日10.1 mm和11月21日9.6 mm），比較相同降雨量下的林分樹干莖流體積的季節（月份）差異，采用單因素方差分析比較森林類型之間的林木莖流體積差異。運用簡單線性回歸分析，研究11月份9.6 mm降雨后不同林型樹干莖流與胸徑的關系（5月、7月和9月回歸關系均不顯著，故未展示）。

2 分析與結果

2.1 不同森林類型林分樹干莖流差異

該研究監測自5月開始至11月結束，涵蓋研究區森林的整個生長季。數據分析顯示，針闊混交林的林分樹干莖流量最高，為14.99 mm，顯著高于針葉林（8.89 mm）和闊葉林（5.43 mm）（P＜0.05，圖2），比二者分別高出68.7%和176.0%。然而，針葉林與闊葉林并無顯著差異（pgt; 0.05，圖2）。

2.2 林分樹干莖流量與降水量和林木胸徑的關系

分析發現，觀測期間內不同森林類型的林分樹干莖流量均與次降水量呈顯著的對數關系（P＜0.05，圖3）。樹干莖流量隨降水量增加而逐漸上升，但上升速率逐漸變小。在不同降雨量級下，針闊混交林的林分樹干莖流量最高，而針葉林與闊葉林的樹干莖流量較接近。隨著降雨量增加，針葉林和闊葉林更早趨于樹干莖流量的平穩狀態，而針闊混交林更晚達到樹干莖流的平穩狀態且量級更高（圖3）。

選取降雨量差別較大的兩次降雨事件，分析不同量級降雨時單株林木莖流體積與胸徑的關系。結果表明，在58.2 mm次降雨事件中，3種森林類型的樹干莖流體積均與林木胸徑呈正相關（圖4），針葉林（R2= 0.44）和闊葉林（R2= 0.60）的相關性均達到顯著水平（P＜0.05）。然而，在10.8 mm次降雨事件中，三種森林類型的樹干莖流體積均與林木胸徑呈負相關，其中僅闊葉林的相關性（R2=0.73）達到顯著水平（P＜0.05）。在兩次降雨事件中，針闊混交林樹干莖流體積與林木胸徑的關系均不顯著（圖4）。

2.3 相同降雨量下樹干莖流體積與莖流率的季節差異

對比春、夏、秋、冬季的林分樹干莖流體積，發現在相同次降雨量下，不同森林類型的樹干莖流體積存在顯著的季節（月份）差異。無論任何森林類型，均是冬季的樹干莖流體積（17 770～35 590 mL）和莖流率（0.106）顯著高于春、夏和秋季（P＜0.05，圖5），而樹干莖流體積在前三個季節之間并無顯著差異。具體到每個季節而言，3種森林類型在春季并無顯著差異，針闊混交林的莖流體積在夏季和秋季均顯著高于闊葉林（P＜0.05，圖5）；此外，秋季針闊混交林的樹干莖流體積還顯著高于針葉林（P＜0.05，圖5）。在冬季，針闊混交林和闊葉林的樹干莖流體積分別是35 590mL和29 230 mL．顯著高于針葉林的樹干莖流體積（17 770 mL）（P＜0.05，圖5）。此外，針闊混交林在秋季和冬季的莖流率更高（圖5）。

本研究還分析了不同季節的相同次降雨量下單株樹木莖流體積與胸徑的關系，表明在春、夏、秋季，三種森林類型的樹干莖流體積與胸徑均無顯著的相關關系。然而，在冬季，針闊混交林單株樹干莖流體積與林木胸徑呈顯著負相關關系（P＜0.05）；闊葉林單株樹干莖流體積與林木胸徑呈顯著正相關（P＜0.05，圖6）；針葉林的單株樹干徑流體積則與林木胸徑無顯著相關（圖6）。

3 討論

本研究發現在年際尺度上，針闊混交林的林分樹干莖流量顯著高于針葉林和闊葉林，這一結果與官司河流域的研究結果相近，后者也發現針闊混交林樹干莖流高于其它林型。這種林分差異主要與林分結構、樹皮糙度及樹種葉片形態及凋落特征密切相關。首先，本研究中針闊混交林的林分密度最大，是針葉林和闊葉林的1.6倍和1.4倍（表1）；其林分郁閉度也最高，因此能匯集更多的降雨進而導致更高的林分樹干莖流，這與人工林間伐郁閉度下降導致樹干莖流降低的實驗結論一致。其次，針闊混交林內的林木平均胸徑小于針葉林和闊葉林，大徑級林木的林冠層可截持更多降雨，而小徑級林木更易產生樹干莖流。寶天曼地區降雨豐富，中到小雨的發生頻率更高（約占全年降雨事件的70%以上），相比于大胸徑林木，小徑級林木在降雨量級不大時，更易產生樹干莖流。這與本研究發現的高降雨量級下樹干莖流體積與胸徑呈顯著正相關、小量級降雨時樹干莖流體積與胸徑呈顯著負相關的結果是一致的（圖4）。在丹江口庫區周邊的研究證實，不同樹種產生樹干莖流的降雨量閾值不同，與林木冠幅大小及樹干紋理密切相關。與亞熱帶地區研究結果不同，本研究發現針葉林的樹干莖流量高于闊葉林，本研究中的闊葉樹是銳齒櫟，其樹皮非常粗糙，對低量級降雨及高量級降雨的早期樹干莖流有較大吸持作用。

樹干莖流的季節間差異廣泛發生于不同氣候帶的森林。相比其它季節，在相同降雨量級下的冬季樹干莖流體積最高，這種差異與林分結構特征密切相關。首先，針闊混交林4個季節均有最高的樹干莖流，這主要歸因于其較高的林分密度和減小的胸徑，這均有助于樹干莖流形成。其次，除華山松以外，其他喬木及林下灌木樹種在冬季均落葉，樹冠葉片的降雨截持作用消失，使降水有更大機率降落在枝條上并匯集到樹干形成樹干莖流，這與圖6中冬季闊葉林樹干莖流與胸徑正相關是吻合的。然而，針闊混交林冬季樹干莖流量與林木胸徑呈負相關，這主要與選擇的標準木胸徑有關，該林分內華山松胸徑相對大一點，其作為常綠樹種在冬季仍有較高林冠截留作用，因此形成樹干莖流相對較少；而林分中胸徑較小的闊葉樹（主要是銳齒櫟和鵝耳櫪等）在冬季落葉后形成的樹干莖流量更大。值得注意的是，本研究選擇的4個季節的降雨事件量級均是在9.6 mm左右，生長季內的林冠樹葉截留可大幅消減樹干莖流量。如是更大量級的降雨，則樹干莖流的季節差異可能會不同。

4 結論

在伏牛山地區寶天曼森林生態站對3種典型天然林的樹干莖流研究表明，生長季內高量級降雨條件下，樹干莖流體積與林木胸徑呈正相關，但在低量級降雨條件下樹干莖流體積與胸徑呈負相關。中低量級次降雨導致的樹干莖流體積存在顯著的季節差異，冬季的樹干莖流體積更高，這與闊葉樹落葉后的林冠截留能力減弱有關；相比針闊混交林和闊葉林，針葉林樹干莖流的季節變異更弱。由于針闊混交林的林分密度較大和胸徑較小，其樹干莖流較高。

（責任編輯：崔貝）

基金項目：河南省科技廳科技攻關項目（222102320437）;國家自然科學基金（31971454）;河南省青年骨干教師培養計劃（2020）