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不同密度退耕雷竹春季林冠截留特性



全 文 :不同密度退耕雷竹春季林冠截留特性*
曾 伟 熊彩云 肖复明
**
余 林 熊振宇
(江西省林业科学院,南昌 330032)
摘 要 为研究不同密度退耕雷竹春季林冠截留特性,对 8 个不同林分密度(10800 ± 400、
11600 ± 400、13200 ± 400、14800 ± 400、16400 ± 400、20800 ± 400、22400 ± 400 和 22800 ± 400
株·hm -2)的退耕雷竹林进行水文观测。结果表明:不同林分密度雷竹林外降雨与穿透雨、
竹秆径流均具有极显著的抛物线函数关系,与林冠截留具有开口向下的抛物线函数关系;8
个林分平均林冠截留率变化范围为 1. 42% ~37. 58%,林分密度与其最大截留量、平均林冠
截留率呈开口向下的抛物线函数关系;当雷竹林分密度为 17209 株·hm -2时,其平均林冠
截留率达到最大 31. 15%,最大林冠截留潜力为 39. 07 mm;可见,合理的林分密度可充分发
挥退耕雷竹林的生态水文效益。
关键词 退耕还林;雷竹;林分密度;林冠截留
中图分类号 S715 文献标识码 A 文章编号 1000 - 4890(2014)5 - 1178 - 05
Spring canopy interception characteristics of Phyllostachys praecox cv. Prevernalis stand
converted from cropland at different densities. ZENG Wei,XIONG Cai-yun,XIAO Fu-
ming**,YU Lin,XIONG Zhen-yu (Jiangxi Academy of Forestry,Nanchang 330032,China).
Chinese Journal of Ecology,2014,33(5) :1178 - 1182.
Abstract:A hydrological observation in Phyllostachys praecox cv. Prevernalis stands converted
from croplands at eight different densities (10800 ± 400,11600 ± 400,13200 ± 400,14800 ±
400,16400 ± 400,20800 ± 400,22400 ± 400,22800 ± 400 individuals per hm2)was carried
out to study their canopy interception characteristics. The results showed that the rainfall had a
para-bolic relationship with throughfall and stemflow,and had a downward parabolic relationship
with canopy interception,respectively. The average rate of canopy interception of the eight stands
ranged from 1. 42% to 37. 58%,and the stand density had a downward parabolic relationship
with the maximum canopy interception and average canopy interception rate. At the stand density
of 17209 individuals per hm2,the average canopy interception rate was maximum (31. 15%)
and the maximum canopy interception potential was 39. 07 mm. Therefore,a proper stand density
could fully favor the ecohydrological benefit of P. praecox cv. Prevernalis stands.
Key words:returning cropland to forest;Phyllostachys praecox cv. Prevernalis;stand density;
canopy interception.
* 林业公益性行业科研专项(201104021)资助。
**通讯作者 E-mail:jxxiaofuming@ 163. com
收稿日期:2013-11-15 接受日期:2014-01-02
林冠层通过降水截留和雨水再分配等过程参与
水分循环,并将降水分为林冠截留、树干径流以及穿
透雨这 3 部分。其中,被林冠截留的降水最终蒸发
到大气中,树干径流和穿透雨则直接或间接的进入
林地侵蚀土壤,从而造成不同程度的水土流失。林
冠截留对土壤水分收支(Calder,1998)、地表径流形
成(张光灿,2000)、水土流失和洪峰流量大小
(Jones,2000)等有重要影响,是生态系统水分传输
过程的重要过程(马雪华,1993) ,也是多年来森林
水文研究的热点(郭明春等,2005;王安志等,
2005)。
江西省是中国南方水土流失最为严重的省份之
一,据第三次土壤侵蚀遥感调查,全省水土流失总面
积 3. 35 × 104 km2,占土地面积的 20. 03%,土壤侵蚀
量 1. 65 × 107 t,每年因水土流失造成的直接经济损
失达 20 × 107 元(左长清和杨洁,2007)。水土流失
及由此引发的生态环境问题已经成为制约该省社会
经济可持续发展的重要因素。为了减少水土流失,
生态学杂志 Chinese Journal of Ecology 2014,33(5) :1178 - 1182
DOI:10.13292/j.1000-4890.20140327.061
加速全省绿化进程,1999 年江西省实施了退耕还林
工程。为了兼顾生存发展和环境保护的矛盾,选择
适宜的树种和配置方式是退耕还林的关键,也是生
态功能正常发挥的前提(高国雄等,2006)。
雷竹(Phyllostachys praecox cv. Prevernalis)是经
济价值高和生态效益好的笋用竹种,现已成为浙江、
江苏、江西、安徽、福建、四川等南方省份退耕还林的
重要选择(方伟,1994;萧江华,2000)。目前,有关
雷竹的研究主要集中在高效经营(汪祖潭和方伟,
1993;方伟等,1994;丁振才等,1995;金爱武等,
1998;周国模等,1999;余婉芳,2008;吴学武,2010;
李继雄,2011;魏子清,2011)、生物学特性(胡超宗
等,1992)、空间分布(盖新敏,1996)和适应性(齐永
胜和王晖,2006)、集约经营对生物量器官和土壤特
性影响(姜培坤等,2003;孙晓等,2009;张文标等,
2010;张涛等,2012)及其生理生态特性研究(金爱
武等,2000;王俊刚和宋新青,2002;何奇江,2005;何
奇江,2011;郑炳松等,2012)等方面。但是,对雷竹
林冠截留特性和水土保持效益研究较少(曾伟等,
2012) ,特别是不同密度下雷竹林冠截留特性的研
究还未见报道。
不同密度退耕雷竹林水文特性的研究有助于评
估退耕还林生态水文效益,寻找最佳的雷竹林分经
营密度,并为水土保持高效经营措施提供数据支持。
鉴于退耕雷竹林密度对提高退耕还林生态水文效益
和高效经营具有重要影响,且未见雷竹林冠截留特
性随密度定量变化规律的报道,本研究于江西省雨
水最多的春季开展了不同密度退耕雷竹春季林冠截
留特性研究,旨在揭示雷竹林密度对冠层截留特性
及其冠层截留能力的影响,阐明林分密度与林冠截
留的定量函数关系,为退耕雷竹林发挥最大生态水
文效益提供数据支持,并为退耕雷竹林的可持续高
效经营和水土保持效益评估提供必要的理论依据。
1 研究地区与研究方法
1. 1 研究区概况
本试验样地位于江西省万年县大源镇盘岭山鹅
公包退耕雷竹林(117°1444. 16″E,28°435. 05″N)。
万年县处鄱阳湖东岸环湖丘陵,属亚热带湿润性季
风气候,年均气温 17. 7 ℃,年降水量 1766 mm,气候
温和,光照充足,雨量充沛,无霜期长,资源及物产丰
富。全县现有林地面积 1. 3905 × 107 hm2,用材林活
立木蓄积量 106 m3,毛竹存量 234 万根,森林覆盖率
达 59%。该县雷竹种植面积达到 1. 5 × 106 hm2。
1. 2 样地设置
2013 年 3 月 5 日—4 月 29 日在万年县大源镇
开展不同密度退耕雷竹林分结构调查和水文特性监
测。结合试验林实际立株密度情况,本研究围绕雷
竹林产笋最佳密度 12000 ~ 18000 株·hm -2(汪祖
潭和方伟,1993)选择立地条件和经营措施基本相
同的密度分别为 10800 ± 400、11600 ± 400、13200 ±
400、14800 ± 400、16400 ± 400、20800 ± 400、22400 ±
400 和 22800 ± 400 株·hm -2的雷竹林样地(分别简
称为 1、2、3、4、5、6、7 和 8 号样地) ,并在各样地内设
置 3 个 5 m × 5 m 的固定样地作为试验小区。为防
止边际效应的影响,样地周围应有同品种的竹子 3
行以上作为保护带。
1. 3 试验方法
1. 3. 1 林外降雨 在试验小区外选择较为空旷的
地面,分别放置 1 个雨量筒(RG3-M,ONSET 公司,
USA)和蒸发皿以观测林外降雨量和蒸发量,并与该
县的气象观测数据进行比较校正。
1. 3. 2 林内穿透雨 在各样地的 2 条对角线上分
别均匀布设 5 个雨量观测点来观测林内穿透雨。
1. 3. 3 竹秆径流 在试验小区内进行每木检尺,调
查各龄竹的平均胸径、平均高,以选择标准竹,并对
每株雷竹进行冠幅和林分郁闭度调查,然后在样地
2 条对角线上选择 5 株标准竹,并用聚氯乙烯塑料
管设置竹秆径流观测装置,测定每天的竹秆径流量。
竹秆径流观测装置设置:在竹秆离地 1. 3 m 处用聚
氯乙烯塑料管自下而上螺旋形状缠绕竹秆,在塑料
管顶端处将管子剪开 30 ~ 40 cm 长,用图钉固定并
用玻璃胶涂抹塑料管子与竹秆的孔隙处使之完全密
封,下端的塑料管子插入容积为 5 L 的透明塑料壶
内,在 4 月 1—29 日每天 8:00 对秆流收集器中的雨
水用量筒进行测量。将 5 株标准竹每天的竹秆径流
量求平均,再乘以样地内雷竹株数得出样地内竹秆
径流总量,然后将其换算成降雨量,从而计算出样地
竹秆径流。
1. 3. 4 林冠截留量的计算
I = P - T - S (1)
式中,P 为林外降水量(mm) ,I 为冠层截留量
(mm) ,T 为林内穿透雨量(mm) ,S 为竹秆茎流量
(mm)。
1. 4 数据处理
用 Excel进行数据处理和图表绘制,并用 SPSS
9711曾 伟等:不同密度退耕雷竹春季林冠截留特性
统计软件进行 one-way ANOVA 方差分析和相关性
分析。
2 结果与分析
2. 1 不同密度雷竹林分的水文特性
2013 年 4 月 1—29 日,江西省万年县降雨强度
变化范围为 0. 71 ~ 64. 74 mm,经历了小雨、中雨、大
雨和暴雨。在观测期内,雷竹林样地穿透雨量最大
变化范围从 0 ~ 64. 71 mm,穿透雨率最大变化幅度
为 0 ~ 100%。8 个样地中,平均穿透雨率最小的是
3 号样地(55. 12%) ,林分密度最为稀疏的 1 号样地
平均穿透雨率最大,为 93. 11%(表 1)。样地竹秆
茎流量最大变化范围为 0 ~ 9. 43 mm,竹秆茎流率最
大变化范围是 0 ~ 24. 97%。其中,平均竹秆茎流率
最小的是 5 号样地(4. 68%) ,林分密度最大的 8 号
样地平均穿透雨率最大,为 16. 45%(表 1)。样地
林冠截留量最大变化范围是 - 11. 05 ~ 10. 77 mm,
林冠截留率变化范围为 - 27. 0% ~ 99. 98%。其中,
平均林冠截留率最小的是 1. 42%,1 号样地,平均林
冠截留率最大的是 3 号样地,37. 58%(表 1)。
2. 2 林外降雨与林冠截留、竹秆茎流、穿透雨相关性
雷竹林的水文过程受降雨量和竹林结构的影响
较大。通过对各样地水文监测数据分析发现,雷竹
林穿透雨随着林外降雨增加而增加,且具有极显著
的开口向上的抛物线函数关系,R2≥0. 98(表 2)。
同时,竹秆茎流也是随着林外降雨增加而增加,也具
有极其显著的抛物线函数关系,R2变化范围在 0. 84
~ 0. 996(表 2)。
进一步分析发现,降雨量较小时林冠截留量先
随着林外降雨增加而增加,等增加到某一阈值后,开
始随降雨增加而降低,甚至出现负截留,两者呈开口
向下的抛物线函数关系,R2变化范围在 0. 63 ~ 0. 90
(表 2)。可见,林冠截留受到降雨、林分、环境等多
因素的综合影响,且林冠截留能力是有限的。通过
对林外降雨和林冠截留抛物线函数求解计算出 1 ~
8 号样地的最大截留能力分别为 21. 5、29. 0、30. 9、
38. 33、33. 79、41. 13、30. 4 和 17. 94 mm。在此基础
上,再将各样地最大截留能力和林分密度做相关性
分析发现,两者呈显著的开口向下的抛物线函数关
系(图 1)。即,最大截留能力先随林分密度增大而
增大,等增大到顶点后,最大截留能力再随林分密度
增大而降低。进一步解最大截留能力和林分密度的
一元二次函数得:当雷竹样地密度为 43 株·25m -2
(17209株·hm -2)时,抛物线顶点的最大截留能力
表 1 各样地水文特性比较(%)
Table 1 Comparison of hydrological characteristics of eight stands
样地 穿透雨率
变化范围 平均值
竹秆茎流率
变化范围 平均值
林冠截留率
变化范围 平均值
1 0 ~ 99. 96 93. 11 3. 7 ~ 6. 11 5. 47 - 6. 07 ~ 94. 32 1. 42
2 4. 57 ~ 90. 07 82. 25 4. 88 ~ 14. 21 11. 43 - 0. 86 ~ 88. 90 6. 32
3 0 ~ 68. 32 55. 12 0. 09 ~ 10. 12 7. 30 22. 49 ~ 99. 98 37. 58
4 8. 0 ~ 90. 12 76. 92 0 ~ 5. 92 5. 34 3. 97 ~ 92. 00 17. 74
5 0 ~ 74. 15 61. 50 0. 07 ~ 5. 85 4. 68 20. 00 ~ 99. 93 33. 83
6 63. 86 ~ 100 79. 77 0 ~ 5. 87 5. 46 - 8. 23 ~ 31. 00 14. 77
7 4. 4 ~ 82. 76 82. 76 0 ~ 12. 95 9. 25 - 6. 77 ~ 95. 60 7. 98
8 0 ~ 100 74. 15 0. 10 ~ 24. 97 16. 45 - 27. 00 ~ 99. 90 9. 39
表 2 林外降雨(P)与林冠截留(I)、竹秆茎流(S)、穿透雨(T)相关性
Table 2 Relationship between rainfall and canopy interception,stepflow,and throughfall
样地
林外降雨与穿透雨量
公式 R2
林外降雨与竹秆茎流量
公式 R2
林外降雨与林冠截留量
公式 R2
1 T = 0. 002P2 + 0. 87P - 0. 71 0. 997 S = 0. 00026P2 + 0. 043P + 0. 018 0. 99 I = - 0. 002P
2 + 0. 086P + 0.
70 0. 80
2 T = 0. 002P2 + 0. 736P - 0. 43 0. 999 S = - 0. 00044P
2 + 0. 148P - 0.
30 0. 97
I = - 0. 002P2 + 0. 116P + 0.
73 0. 64
3 T = 0. 008P2 + 0. 385P - 1. 14 0. 98 S = 0. 002P2 - 0. 004P + 0. 139 0. 95 I = - 0. 010P
2 + 0. 618P + 1.
00 0. 78
4 T = 0. 006P2 + 0. 49P + 0. 52 0. 99 S = 0. 00018P2 + 0. 049P - 0. 07 0. 99 I = - 0. 006P2 + 0. 46P - 0. 45 0. 63
5 T = 0. 007P2 + 0. 479P - 1. 23 0. 98 S = 0. 00037P2 + 0. 046P - 0. 17 0. 98 I = - 0. 007P
2 + 0. 473P + 1.
40 0. 67
6 T = 0. 003P2 + 0. 619P + 0. 36 0. 998 S = 0. 00014P2 + 0. 051P - 0. 04 0. 996 I = - 0. 004P
2 + 0. 329P - 0.
32 0. 90
7 T = 0. 004P2 + 0. 673P - 0. 26 0. 995 S = 0. 001P2 + 0. 022P + 0. 13 0. 98 I = - 0. 005P
2 + 0. 304P + 0.
13 0. 68
8 T = 0. 032P2 - 0. 327P + 2. 21 0. 98 S = 0. 002P2 + 0. 107P - 0. 174 0. 84 I = - 0. 034P2 + 1. 22P - 2. 03 0. 72
0811 生态学杂志 第 33 卷 第 5 期
图 1 林分密度和最大林冠截留量的相关性
Fig. 1 Relationship between stand density and maximum
canopy interception
图 2 林分密度和平均林冠截留率的相关性
Fig. 2 Relationship between stand density and average
canopy interception rate
为 39. 07 mm。
2. 3 林冠截留率与林分密度的相关性
分析发现,平均林冠截留率也是先随林分密度
增大而增大,等增大到最高的顶点后,平均林冠截留
率再随林分密度增大而降低。8 个样地的林分密度
与其平均林冠截留率呈显著的开口向下的抛物线函
数关系(图 2)。对该抛物线函数求解发现:当雷竹
样地密度为 43 株·25m -2(17209 株·hm -2)时,其
平均林冠截留率达到最大,为 31. 15%。
3 讨 论
基于 2013 年春季退耕雷竹林水文特性监测数
据分析得出,8 个样地平均林冠截留率最大的为
37. 58%,符合国内外学者的研究结果(10% ~
45%) (Zinke,1967;Jackson,1975;范世香等,2007) ,
高于中国各种森林生态系统林冠的平均截留率
(22. 02%) (温远光和刘世荣,1995)。然而,低密
度的 1 号样地平均林冠截留率最小,仅为 1. 42%。
可见,退耕雷竹林冠截留具有很大的可塑性和改造
潜力,可通过调整退耕雷竹林的结构、密度等经营措
施来提高其生态水文效益,从而达到水土保持高效
经营的最终目标(曾伟等,2012)。
8 个林分密度的穿透雨、竹秆茎流均随林外降
雨增加而增加,具有开口向上的抛物线函数关系,而
林冠截留与林外降雨呈开口向下的抛物线函数关
系。在类似研究中,有的学者认为,毛竹林内穿透水
和林外雨、竹秆径流与林外降水都呈直线回归相关
(刘永敏和王彦辉,1993) ,林冠截留与林外降雨呈
指数(刘永敏和王彦辉,1993)、对数(孔维健等,
2010)、幂函数(张焜等,2011)关系。本研究中,穿
透雨、竹秆茎流与林外降雨的回归系数分别为 R2≥
0. 98,R2≥0. 84,说明穿透雨和竹秆茎流不只取决于
林外降雨,还受到林冠和风等其他因素的影响。因
此,用线性函数描述穿透雨、竹秆茎流与林外降雨的
关系不符合生物学逻辑。另外,各雷竹林分林冠截
留与林外降雨的关系用抛物线函数拟合更佳。这种
林冠截留随着林外降雨增加先增大后减少的现象,
可能是因为当林冠截留逐渐达到饱和,之后的林外
降雨非但不能增加林冠截留量,反而把林冠已经截
留下来的雨水和形成的水珠打落,从而在一定程度
上减少了林冠的截留量。
通过对林外降雨和林冠截留的抛物线函数求导,
可计算出各样地的最大林冠截留能力 /截留潜力,而
各样地最大截留能力和林分密度也具有显著的开口
向下的抛物线函数关系。据此可以推算出该抛物线
的顶点坐标。即,当样地密度为 43 株· 25m -2
(17209 株·hm -2)时,雷竹林最大林冠截留潜力为
39. 07 mm。同时,8 个样地的林分密度与其平均林
冠截留率呈开口向下的抛物线函数关系。对该抛物
线函数求解发现:当雷竹样地密度为 43 株·25m -2
(17209 株·hm -2)时,其平均林冠截留率达到最
大,31. 15%。这表明,在 17209 株·hm -2的立株密
度下雷竹林既有较好的笋产量和经济效益,同时也
有良好的林冠截留水文效益。林分密度过高的雷竹
样地,林冠和根系生长空间及土壤水肥供给相对不
足,竹秆平均胸径细小。同时,雷竹为浅根(竹鞭)
植物,密度过大的雷竹样地其林冠截留量较大时发
生了不同程度的“低头”或“轻微倒伏”现象,这可能
是林冠截留随林分密度的增加而减少的重要原因。
另外,赵陟峰(2009)基于 5 个刺槐林分密度得出林
冠截留率随林分密度增大而增大的结论,而张晓蓓
(2012)基于 5 个华北落叶松林分密度得出林冠截
1811曾 伟等:不同密度退耕雷竹春季林冠截留特性
留率具有随密度增加先增大后减小的趋势。可见,
不同林冠特性的森林,其林冠截留随林分密度变化
而变化的规律有所差异。
本研究只监测了降雨最多的春季雷竹水文特
性,未考虑其他季节和生长时期林分对树冠截留的
影响,相关研究有待进一步开展。
致谢 感谢江西省万年县林业局张华耀高工、蒋业相工程师
等本研究野外调查工作的大力支持。
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作者简介 曾 伟,男,1982 年生,博士,主要从事森林生态
及生态系统模型研究。E-mail:wuhuanzi@ 126. com
责任编辑 张 敏
2811 生态学杂志 第 33 卷 第 5 期