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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 33 卷 第 4 期摇 摇 2013 年 2 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
森林水源涵养功能的多尺度内涵、过程及计量方法 王晓学,沈会涛,李叙勇,等 (1019)………………………
植物叶片水稳定同位素研究进展 罗摇 伦,余武生,万诗敏,等 (1031)……………………………………………
城市景观格局演变的生态环境效应研究进展 陈利顶,孙然好,刘海莲 (1042)…………………………………
城市生物多样性分布格局研究进展 毛齐正,马克明,邬建国,等 (1051)…………………………………………
基于福祉视角的生态补偿研究 李惠梅,张安录 (1065)……………………………………………………………
个体与基础生态
土著菌根真菌和混生植物对羊草生长和磷营养的影响 雷摇 垚,郝志鹏,陈保冬 (1071)………………………
干旱条件下 AM真菌对植物生长和土壤水稳定性团聚体的影响 叶佳舒,李摇 涛,胡亚军,等 (1080)…………
转 mapk双链 RNA干扰表达载体黄瓜对根际土壤细菌多样性的影响 陈国华,弭宝彬,李摇 莹,等 (1091)…
北京远郊区臭氧污染及其对敏感植物叶片的伤害 万五星,夏亚军,张红星,等 (1098)…………………………
茅苍术叶片可培养内生细菌多样性及其促生潜力 周佳宇,贾摇 永,王宏伟,等 (1106)…………………………
低温对蝶蛹金小蜂卵成熟及其数量动态的影响 夏诗洋,孟玲,李保平 (1118)…………………………………
六星黑点豹蠹蛾求偶行为与性信息素产生和释放的时辰节律 刘金龙,荆小院,杨美红,等 (1126)……………
氟化物对家蚕血液羧酸酯酶及全酯酶活性的影响 米摇 智,阮成龙,李姣蓉,等 (1134)…………………………
不同温度对脊尾白虾胚胎发育与幼体变态存活的影响 梁俊平,李摇 健,李吉涛,等 (1142)……………………
种群、群落和生态系统
生态系统服务多样性与景观多功能性———从科学理念到综合评估 吕一河,马志敏,傅伯杰,等 (1153)………
不同端元模型下湿地植被覆盖度的提取方法———以北京市野鸭湖湿地自然保护区为例
崔天翔,宫兆宁,赵文吉,等 (1160)
………………………
……………………………………………………………………………
基于光谱特征变量的湿地典型植物生态类型识别方法———以北京野鸭湖湿地为例
林摇 川,宫兆宁,赵文吉,等 (1172)
……………………………
……………………………………………………………………………
浮游植物群落对海南小水电建设的响应 林彰文,林摇 生,顾继光,等 (1186)……………………………………
菹草种群内外水质日变化 王锦旗,郑有飞,王国祥 (1195)………………………………………………………
南方红壤区 3 种典型森林恢复方式对植物群落多样性的影响 王摇 芸,欧阳志云,郑摇 华,等 (1204)…………
人工油松林恢复过程中土壤理化性质及有机碳含量的变化特征 胡会峰,刘国华 (1212)………………………
不同区域森林火灾对生态因子的响应及其概率模型 李晓炜,赵摇 刚,于秀波,等 (1219)………………………
景观、区域和全球生态
快速城市化地区景观生态安全时空演化过程分析———以东莞市为例 杨青生,乔纪纲,艾摇 彬 (1230)………
海岸带生态系统健康评价中能质和生物多样性的差异———以江苏海岸带为例
唐得昊,邹欣庆,刘兴健 (1240)
…………………………………
…………………………………………………………………………………
干湿交替频率对不同土壤 CO2 和 N2O释放的影响 欧阳扬,李叙勇 (1251)……………………………………
西部地区低碳竞争力评价 金小琴,杜受祜 (1260)…………………………………………………………………
基于 HEC鄄HMS模型的八一水库流域洪水重现期研究 郑摇 鹏,林摇 韵,潘文斌,等 (1268)……………………
基于修正的 Gash模型模拟小兴安岭原始红松林降雨截留过程 柴汝杉,蔡体久,满秀玲,等 (1276)…………
长白山北坡不同林型内红松年表特征及其与气候因子的关系 陈摇 列,高露双,张摇 赟,等 (1285)……………
资源与产业生态
河西走廊绿洲灌区循环模式“农田鄄食用菌冶生产系统氮素流动特征 李瑞琴,于安芬,赵有彪,等 (1292)……
施肥对旱地花生主要土壤肥力指标及产量的影响 王才斌,郑亚萍,梁晓艳,等 (1300)…………………………
耕作措施对土壤水热特性和微生物生物量碳的影响 庞摇 绪,何文清,严昌荣,等 (1308)………………………
基于改进 SPA法的耕地占补平衡生态安全评价 施开放,刁承泰,孙秀锋,等 (1317)…………………………
学术争鸣
基于生态鄄产业共生关系的林业生态安全测度方法构想 张智光 (1326)…………………………………………
中国生态学学会 2013 年学术年会征稿须知 (玉)…………………………………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*318*zh*P* ￥ 90郾 00*1510*34*
室室室室室室室室室室室室室室
2013鄄02
封面图说: 石羊河———石羊河流域属大陆性温带干旱气候,气候特点是:日照充足、温差大、降水少、蒸发强、空气干燥。 石羊河
源出祁连山东段,河系以雨水补给为主,兼有冰雪融水成分。 上游的祁连山区降水丰富,有雪山冰川和残留林木,是
河流的水源补给地。 中游流经河西走廊平地,形成武威和永昌等绿洲,下游是民勤,石羊河最后消失在腾格里沙漠
中。 随着石羊河流域人水矛盾的不断加剧,水资源开发利用严重过度,荒漠化日趋严重,民勤县的生态环境已经相
当恶化,继续下去将有可能变成第二个“罗布泊冶。
彩图及图说提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 33 卷第 4 期
2013 年 2 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 33,No. 4
Feb. ,2013
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:林业公益性行业科研专项(201104005);东北林业大学学术名师基金资助
收稿日期:2012鄄09鄄24; 摇 摇 修订日期:2012鄄12鄄24
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: caitj@ 263. net
DOI: 10. 5846 / stxb201209241347
柴汝杉,蔡体久,满秀玲, 王贺, 关俊祺.基于修正的 Gash模型模拟小兴安岭原始红松林降雨截留过程.生态学报,2013,33(4):1276鄄1284.
Chai R S, Cai T J, Man X L; Wang H, Guan J Q. Simulation of rainfall interception process of primary korean pine forest in Xiaoxing忆an Mountains by
using the modified Gash model. Acta Ecologica Sinica,2013,33(4):1276鄄1284.
基于修正的 Gash模型模拟小兴安岭
原始红松林降雨截留过程
柴汝杉,蔡体久*,满秀玲, 王摇 贺, 关俊祺
(东北林业大学林学院,哈尔滨摇 150040)
摘要:原始红松林是我国小兴安岭地区的顶级植物群落,理解它的降雨截留过程,对区域生态、水文环境具有重要意义。 采用定
位研究法,于 2010—2011 年 21 场降雨数据对原始红松林的降雨截留和分配效应进行系统研究,并结合当地的气象和林分资
料,利用修正的 Gash模型对小兴安岭原始红松林进行林冠截留模拟。 该模型对穿透雨、树干茎流、截留量的模拟值分别为:
370郾 91、16. 14、130. 07 mm。 穿透雨模拟值比实测值低 2. 28 mm,相对误差 1. 75% ,树干茎流模拟值高于实测值 8. 12 mm,相对
误差 50. 3% ,林冠截留量模拟值比实测值低 2. 35 mm,相对误差为 1. 81% 。 穿透雨和林冠截留量的模拟值和实测值有较好的
一致性,树干茎流的模拟值和实测值相差较大。 综合结果表明:修正的 Gash模型对小兴安岭地区原始红松林降雨截留拟合具
有很好的适用性。
关键词:原始红松林;修正的 Gash模型;林冠截留;穿透雨;树干茎流;小兴安岭
Simulation of rainfall interception process of primary korean pine forest in
Xiaoxing忆an Mountains by using the modified Gash model
CHAI Rushan, CAI Tijiu*, MAN Xiuling, WANG He, GUAN Junqi
Northeast Forestry University Forestry Institute, Harbin 150040, China
Abstract: Primary Korean pine (Pinus koraiensis) forest is climax community of Xiaoxing忆an Mountains, in northeast of
China. It has significant influence on regional ecology and hydrological environment. In order to investigate the canopy
interception and allocation and evaluate forest hydrological function and benefit of virgin Korean pine forest quantitatively,
positioning experiments were implemented during two rainy seasons of from 2010 to 2011 in Liangshui national nature
reserve. Throughfall, stemflow and precipitation were measured and interception loss was subsequently calculated. On the
basis of the observations of 21 rainfall events which collected from local weather station and forest stand respectively, we
stimulated canopy interception process of virgin Korean pine forest in the Xiaoxing忆an Mountains using the modified Gash
model. The mesured values of total preciptation, througfall, stemflow, and canopy interception loss in virgin Korean pine
forest of Xiaoxing忆an Mountains were 514. 1 mm, 373. 19 mm, 8. 02 mm, and 132. 43 mm, respectively, during the study
period. Throughfall and stemflow were all significantly positively correlated with precipitation (P<0. 01). The simulated
values of throughfall, stemflow, and interception loss by modified Gash model were 370. 91 mm, 16. 14 mm, and 130. 07
mm respectively. Simulation value of throughfall was 2. 28 mm lower than the actual value, with a relative error of 1. 75% ,
while simulation value of stemflow was 8. 12 mm higher than the measured value, with a relative error of 50. 3% . The
simulated value of canopy interception loss was 2. 35 mm lower than the actual value, with a relative error of 1. 81% . The
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stimulated values of throughfall and canopy interception corresponded well with measured values, while for stemflow, the
simulated value was of great difference from measured value. Our findings reveal the Gash analytic model can be well
applied to estimation of canopy interception loss of virgin Korean pine forest during rainy seasons in the Xiaoxing忆 an
Mountains.
Key Words: virgin Pinus koraiensis forest; Gash model; canopy interception; throughfall; stemflow; Xiaoxing忆
an Mountains
森林冠层对大气降雨再分配具有显著影响,对森林水文生态系统具有重要的意义。 林冠层对雨水的截留
和缓冲,会减少林内水量,降低降雨的动能和势能,从而防止土壤侵蚀、减弱洪峰流量、涵养水源等[1]。 森林
对降水的再分配,包括树干茎流、穿透雨、树冠截留蒸发和树冠饱和后滴落降雨等部分。 林冠截留量一般与林
外降雨量呈正相关的关系[2],而树干茎流量与枝叶的分枝角度关系密切[3]。 目前,国内外学者根据影响林冠
截留的因子总结出许多经验、半经验理论模型和理论模型[4鄄7]。 最初的 Horton、Leonard 及 Helvey 等模型对降
雨林冠截留影响并没有考虑降雨强度,林分特征等因素,因此不能适用于所有林型[8]。 在此之后,Rutter[9]模
型考虑到降雨强度和林分特征,可以估算降雨时和降雨后的损失,也减少经验公式附加截留的弊端,但气象数
据获取和计算相对繁琐,给实际应用带来不便[10]。 Gash[11]模型相对于其他模型适用性更广泛,它在 Rutter
模型基础上更加简化,之后又对 Gash[12]模型进行修正,从林冠截留机理出发,结合雨湿特征、林冠特征及空气
动力学特征了解林冠截留各个部分的组成从而获得林冠截留总量[13]。
阔叶红松林是东北亚地区的地带性森林和最具代表性的森林生态系统,原始红松林又是我国小兴安岭地
区的顶级群落。 经过掠夺式采伐后的今天,我国境内的原始红松林仅存于小兴安岭和长白山区域,并且原始
红松林对该区域的生态、水文环境、经济发展有着重要影响。 目前,国内已对辽宁东部山区的落叶松人工
林[14]、缙云山毛竹林[15]、岷江上游亚高山川栎树林[16]等林型开展了大气降雨林冠截留特征模拟。 研究发
现,降雨截留受多种因素影响,主要包括林冠郁闭度、持水能力、平均蒸发速率等,且不同林型条件下,降雨截
留的主要影响因素存在明显差异。 如影响原始红松林树干茎流量的主要因素依次是降雨量、第一活枝高、胸
径和冠幅,而次生白桦林树干茎流量还受到树高、郁闭度的影响;两种林型的穿透雨都与降雨量、集水槽与树
干的距离和集水槽上方灌木枝叶厚度等密切相关[17]。 然而到目前为止,针对小兴安岭地区原始红松林降雨
截留的模型拟合研究还鲜见报道。 因此,本研究采用定位研究法,对原始红松林降雨截留和分配效应进行系
统研究,并采用 Gash模型模拟原始红松林降雨截留过程,了解该模型对原始红松林的适用性,该地区的森林
水文功能和效益提供基础数据和科学参考。
1摇 研究区概况及研究方法
1. 1摇 研究区概况
研究地设在黑龙江凉水国家级自然保护区东北林业大学凉水实验林场,位于黑龙江省伊春市带岭区的中
心(E 128毅48忆08义—128毅55忆46义,N 47毅07忆15义—47毅14忆38义), 地处小兴安岭南坡达,带岭支脉东坡, 海拔 280—
707 m,为典型的低山丘陵地貌。 境内分布着大片原始阔叶红松林, 是我国目前保存下来最为典型和较完整
的原始阔叶红松混交林分布区之一,森林覆盖率达 96% 。 保护区内现有原始成熟林面积 4100 hm2,其中红松
林面积占 80% ,木材蓄积量达 1. 0伊107 m3。 该地区属温带大陆性季风气候,年平均气温-0. 3益,年平均相对
湿度 78% ,年平均降水量 676 mm,降水集中在 6—8月,占全年降水量的 60%以上。 主要保护对象是以红松
为主的针阔混交林生态系统。 主要树种有红松 (Pinus koraiensis)、兴安落叶松 ( Larix gmelinii)、黄菠萝
(Phellodendron amurense)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、榆树(Ulmus pumila L)、紫椴(Tilia amurensis)、山杨
(Populus davidiana)、白桦(Betulla platyphylla)、枫桦(Betulla costata)和蒙古栎(Quercus mongolica)等。 地带性
土壤为暗棕壤,非地带性土壤有草甸土、沼泽土和泥炭土及其亚类组成。
7721摇 4 期 摇 摇 摇 柴汝杉摇 等:基于修正的 Gash模型模拟小兴安岭原始红松林降雨截留过程 摇
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1. 2摇 研究方法
2010 年 7—10 月与 2011 年 5—10 月,在研究区内选择原始红松林群落。 选取代表性地段,设置 20 mm伊
20 mm的标准样地,进行样地基本特征调查,详见表 1。
穿透雨收集:每块样地内高于地面 1 m 随机布设 5 个集水槽,集水槽用直径为 20 cm 的 PVC 管自制而
成,按 1. 2 m长度规格截开后对半刨开,用塑钢板及密封胶将半圆形管两端封闭,仅下端留出水口与塑料软管
相连,将穿透雨引入地面放置的 25L 塑料桶内。 同时,为减小误差,将降雨槽各边打磨成 45毅斜坡,防止雨滴
外溅,且呈 15毅斜坡按放降雨槽使降雨能够快速进入收集桶内,减少蒸发。
树干流收集:对各样地进行每木检尺,求得每个树种标准木,根据样地树种组成按比例在每块样地选择各
树种标准木共 5 株。 在标准木距地面 1 m左右的树干上选择树皮光滑处(如果树皮粗糙,用刀具修除粗糙的
周皮后),用高密度不透水、厚 2 cm、宽 25 cm的泡沫板包裹树周,扎成领带状,内插一根直径为 2 cm 的 PVC
管导水。 固定后,涂抹密封胶,防止雨水外泄。 PVC导水管下端接一个 25 L的塑料桶。
表 1摇 原始红松林样地基本情况
Table 1摇 Korean original sample to basic situation
森林类型
Forest type
海拔
Altitude
/ m
坡度
Gradient
/ (毅 )
坡向
exposure
坡位
Slope
position
乔木层 Tree layer
树种组成
Tree species
composition / %
平均树高
Mean
heigh / m
平均胸径
DBH
/ cm
密度
Density
of trees
/ (株 / hm2)
郁闭度
Shade
density
林龄
Forest age
/ a
原始红松林
Virgin Pinus
koraiensis forest
452 5 西南 上 4 红松 3 枫桦2 榆树 1 紫椴 18 37 475 0. 81 200—300
1. 3摇 修正的 Gash模型
Gash解析模型将林冠对降雨的截留分为 3 个阶段:(1)加湿期,必要条件是林外降雨量( PG )小于林冠
达到饱和所必需的降雨量( P忆G )。 (2)饱和期,当 PG > P忆G 后,林冠达到并维持饱和状态,平均降雨强度(R)
大于饱和林冠的平均蒸发速率( 軈E );(3)干燥期,降雨停止后到林冠和树干干燥的阶段。 修正的 Gash 模型将
林地划分为无植被覆盖区域和有植被覆盖区域两个部分[18]。
林冠达到饱和所必需的降雨量 P忆G :
P忆G = - (R / 軈Ec)Sc ln(1 - (軈Ec - R)) (1)
饱和林冠平均蒸发速率 軈E根据 Penman鄄Monteith公式计算:
姿E = (驻Rn + 籽cpD / ra)(驻 + 酌)
-1 (2)
空气动力学阻力( ra )由下式计算[12]:
ra = 1 / 0. 056u (3)
树干达到饱和所必需的降雨量 P义G 根据下式来计算[18]:
P义G = (R / (R - 軈Ec))(Stc / ptc) + P忆G (4)
公式(1)中,c为林分郁闭度;R 为平均降雨强度(mm / h); Ec 为单位覆盖面积平均林冠蒸发速率(mm / h);
Ec = 軈E / c ; 軈E为饱和林冠的平均蒸发速率(mm / h); P忆G为使林冠达到饱和的降雨量(mm); 根据公式(4)林分
参数主要包括林冠参数和树干参数,其中林冠参数有 S、c,树干参数有 St 和 pt,此模型在每次降雨事件之前要
有足够的时间使林冠干燥,以保证每两场降雨之间有至少 8h 没有降雨发生[18]。 所以利用修正的 Gash 模型
计算林冠截留的量计算公式如下:
移
m+n
j = 1
I j = c移
m
j = 1
PGj + 移
n
j = 1
(c軈Ecj / 軈R j)(PG - P忆G) + c移
n
j = 1
P忆G + qcStc + cptc移
n-q
j = 1
(1 - (軈Ecj / 軈R j))(PG - P忆G) (5)
公式(5)中 n为林冠达到饱和的降雨次数;m为林冠未达到饱和降雨次数;j为总降雨次数。 I j 为林冠截留总
8721 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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量(mm); PGj 为总的降雨量; PG 为单次降雨的降雨量(mm);q为树干达到饱和产生树干径流的降雨次数;St
为树干持水能力 ( mm); pt 为树干茎流系数。 c移
m
j = 1
PGj 为 m 次未能饱和冠层的降雨量 ( PG < P忆G );
移
n
j = 1
(c軈Ec / 軈R j)(PG - P忆G) 为 n次降雨过程中的蒸发量; c移
n
j = 1
P忆G 为 n 次使林冠达到饱和降雨事件的降雨量;
qcStc 为降雨后的蒸发量; cP t(1 - 軈Ec / 軈R i)移
n-q
j = 1
(PGj - P忆G) 为 n-q次未能饱和树干的降雨量( PG < St / pt )。
根据 Gash修正模型还可以计算树干茎流量和穿透雨量[19]:
移
q
j = 1
SF j = cptc移
q
j = 1
(1 - (軈Ecj / 軈R j))(PG - P忆G) - qcstc (6)
移
m+n
j = 1
TF j =移
m+n
j = 1
PG - 移
m+n
j = 1
I j - 移
q
j = 1
SF (7)
2摇 结果与分析
2. 1摇 大气降雨量、穿透雨、树干茎流特征
试验周期内(21 场降雨),原始红松林的林外雨的降雨总量 514. 1 mm;单场最大降雨量为 58. 7 mm,最小
降雨量为 3. 8 mm,场均降雨量为 24. 5 mm(图 1);相应的单场降雨强度 0. 5—7. 3 mm / h,平均降雨强度为
2郾 65 mm / h,最大降雨强度为 7. 2 mm / h,最小降雨强度为 0. 58 mm / h(图 1)。 最大降雨量和降雨强度均发生
在 7—8月。 林内穿透雨总量为 373. 19 mm,占同期降雨总量的 72. 5% ,穿透雨量随降雨量的增加而增加(图
2),呈显著正相关(P<0. 01)。 研究期内单场穿透雨率 37. 5%—89. 01% ,平均穿透雨率为 63. 39% 。 穿透雨
小于 10 mm的次数为 10 次,最小穿透雨量为 1. 63 mm,最大穿透雨量为 48. 7mm,平均穿透率为 51. 3% (图
3)。 穿透雨率与林外降雨量之间呈对数关系:TF=0. 1448ln( PG ) + 0. 2232,R2 =0. 5656,n=20(图 3)。
图 1摇 研究地降雨特征
Fig. 1摇 Characteristics of rainfall in experiment site
当降雨量大于 10 mm时,开始有树干茎流产生,随着降雨量的增大,树干茎流量逐渐增加(图 4)。 研究期
内树干茎流总量为 8. 02 mm,占同期降雨量的 1. 5% (图 4)。 本实验中原始红松林产生的树干茎流量较小,这
可能是由于红松侧枝与树干之间的夹角度数较大,当雨滴流经树干时,降雨不易汇集;此外,红松树皮干燥,表
面不光滑,也会导致树干茎流量较少。 树干茎流量与降雨量之间呈线性正相关,关系方程为:
SF=0. 0191PG-0. 0863,R2 =0. 928,n=21,(P<0. 01) (8)
2. 2摇 原始红松林林冠截留分配
由实测数据可知:在 21 场降雨中林冠截留量为 132. 43mm。 占同期降雨量的 25. 7% ,由(图 5)可以得出
9721摇 4 期 摇 摇 摇 柴汝杉摇 等:基于修正的 Gash模型模拟小兴安岭原始红松林降雨截留过程 摇
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图 2摇 穿透雨与降雨量的关系
Fig. 2摇 Relationship between throughfall ratio and rainfall
图 3摇 穿透雨率与降雨量的关系
Fig. 3摇 Relationship between throughfall and rainfall rainfall
图 4摇 树干茎流与降雨量的关系
Fig. 4摇 Relationship between Stemflam and rainfall
随着降雨量的增加,截留量也随之增加,当降雨量达到
58. 7mm时,林冠截留增加缓慢,并且出现下降趋势,林
冠截留已达到饱和。 在对降雨量和截留量进行拟合时,
发现三次多项式拟合效果最佳(P<0. 05)(图 5)截留率
随着降雨量的增加而不断的减少,当降雨量为 7郾 6mm
时,最大截留率为 66% ,当降雨量为 52. 5mm时,最小截
留率为 10% 。 降雨量与截留量呈指数关系(图 6)。
2. 3摇 修正的 Gash模型参数
研究期间林内穿透雨量、树干茎流量和林冠截留量
分别为 373. 19、8. 02 和 132. 43mm,分别占总降雨量的
72. 6% 、1. 5%和 25. 7% 。 穿透雨量与林外降雨量的回归方程关系式:
TF=0. 8448PG-3. 0291,(R2 =0. 9631),(P<0. 01)
图 5摇 原始红松林林冠截留量与降雨量之间的关系
摇 Fig. 5 摇 The relationship between canopy interception of Pinus
koraiensisforest and rainfall
图 6摇 原始红松林截留率与降雨量之间的关系
摇 Fig. 6摇 The relationship between retention rate of Pinus
koraiensisforest and rainfall
摇 摇 林冠持水能力(S)是林冠截留降水主要因素之一,本研究采用 Leyton 回归法[20]对参数 S 进行确定,先根
0821 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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据林内穿透雨和林外降雨量关系方程,求得穿透雨的残差,推导出穿透雨残差和林外降雨量的关系,得到方程
拐点的降雨量值(图 7);用大于此值且残差大于 0 的降雨量与对应的林内穿透雨做回归方程:TF=0. 8778PG-
1. 4415(图 8)(R2 =0. 9957),则 S等于方程的截距 1. 4415 mm。
单位面积林冠持水能力 Sc =S / c,根据林分调查可知,林分平均郁闭度 c= 0. 81,从而得到 Sc = 1. 77。 St 和
P t 则根据树干径流量和林外降雨量关系方程确定,其中 St 为树干茎流量与降雨量关系方程的截距负值,P t
为斜率。 由方程(8)可知 P t 为 0. 0191,St 为 0. 0863mm。
由公式(2)计算軈E =0. 36 mm / h,则单位面积平均林冠蒸发速率軈Ec =0. 45 mm / h。 根据降雨特征分析可知
研究期间 軈R为 2. 65 mm / h,通过以上参数根据公式(1),即得 P忆G =3. 91 mm。
图 7摇 穿透雨量残差与降雨量的关系
摇 Fig. 7 摇 Relationship between the residuals of throughfall and
rainfall in Xiaoxing忆an Mountains forest
图 8摇 穿透雨量与降雨量的关系
摇 Fig. 8 摇 Relationship between the throughfall and rainfall in
Xiaoxing忆an Mountains forest
2. 4摇 林冠截留量实测值和模拟值对比分析
研究周期内,小兴安岭地区原始红松林穿透雨、树干茎流和林冠截留总量的实际观测值分别是 373. 19,
8. 02,132. 43 mm;相应地,根据修正的 Gash 模型计算出的模拟值分别为 370. 91、16. 14、130郾 07 mm (表 2)。
林冠截留量模拟值比实测值低 2. 35 mm,相对误差为 1. 81% 。 穿透雨模拟值比实测值低 2郾 28 mm,相对误差
1郾 75% 。 树干茎流的模拟值高于实测值 8. 12 mm,相对误差 50. 3% 。 树干茎流模拟值和实测值相差较大,这
可能与原始红松林林分特征复杂有关,由于原始红松林的林龄高,胸径粗,红松树皮不易对树干茎流汇集,产
生树干茎流量较少[17]。 另外,不同径级树木的树干茎流常常是在不同时间产生,单株树木可能在树干蓄水量
达到平均树干容量时未产生树干茎流,这可能是造成模拟值大于实测值的原因[8]。 结果表明,降雨过程中的
蒸发量占模拟林冠截留量的 47% ,是构成林冠截留量的主要因素,其次为饱和
表 2摇 应用修正的 Gash模型的预测值和实测值比较
Table 2摇 Observed values and simulated values by the revised Gash model
项目 Item 实测值 / mmObserved value
模拟值 / mm
Simulated value
降雨量 rainfalls PG < P忆G 3. 08
林冠达到饱和 PG 逸 P忆G Wetting鄄up the canopy, when 34. 7
降雨过程中的蒸发量 Evaporation from saturation until rainfall ceases / mm 61. 23
降雨后的蒸发量 Evaporation after rain cases / mm 28. 83
树干茎流树 PG 逸 P义G Evaporation from trunks, when 0. 58
未能饱和树干降雨量 PG < St / Pt rainfalls,when 1. 65
林冠截留总量 Total interception loss / mm 132. 43 130. 07
树干茎流量 Total stewflow / mm 8. 02 16. 14
总穿透雨量 Total throughfall / mm 373. 19 370. 91
摇 摇 PG < P忆G对于m次未能饱和冠层的降雨量; PG 逸 P忆G林冠达到饱和的 n次降雨的林冠加湿过程; PG 逸 P义G ; q次树干茎流树干蒸发量; PG
< St / Pt n-q次未能饱和树干的降雨量
1821摇 4 期 摇 摇 摇 柴汝杉摇 等:基于修正的 Gash模型模拟小兴安岭原始红松林降雨截留过程 摇
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层降雨量,占林冠截留量模拟值的 26. 7% 。 这可能是该地区平均蒸发速率较高,降雨历时长,降雨强度小有
关。 在本模型研究中,两场降雨间隔大于 8h, 较长的降雨时间和间隔时间造成降雨停止前的林冠蒸发量最
大,未能达到林冠饱和的降雨量仅占模拟值的 2. 4% 。 原始红松林结构复杂、郁闭度较高;当降雨量较小时,
原始红松林林冠对降雨起到有效截留作用,而当降雨量较大时,受林冠蒸发强度、郁闭度、树干茎流等因素的
影响,林冠截留作用显著下降。
摇 图 9摇 单场降雨林冠截留量的实测值与模拟值比较
Fig. 9 摇 Comparison of measured and simulated in the canopy
interception of one single rainfall event during the study period
研究期内,单次林冠截留量模拟值和实测值分析表
明(图 9),修正的 Gash 模型对研究地原始红松林单场
降雨模拟效果较好、适用性很强,且此模型中参数值比
较明确。 但对个别场次的降雨模型结果较差,模拟值和
实测值最大差值为 4. 84 mm,最小差值为 0. 7 mm。
3摇 讨论与结论
本实验测得林冠对降雨截留率为 25. 7% ,与已报
道的其他林型平均截留率范围(11. 4%—36. 5% )相
比,在中上等水平,高于蔡体久等人[17]在 2006 年研究
的结果,截留率为 19. 16% ,这主要是由于不同年份的
降雨强度和降雨历时不同,研究期内该地区降雨历时
长,降雨强度小,加之原始红松林林内树种繁多,结构复
杂,生物量大,林冠截留量相对较大。 不同树种对产生
穿透雨、树干茎流也不同。 当降雨量大于 3. 8mm时,穿
透雨才开始产生,而李淑春等人[21]研究落叶松桦木混交林、山杨桦木混交林、油松蒙古栎混交林时降雨量分
别达到 2. 21、2. 72 、1. 34 mm时产生穿透雨[21]。 降雨量达到 10 mm 时,树干茎流开始发生。 周光益[22]对海
南岛研究山地雨林时发现降雨量小于 5mm时几乎不产生树干茎流[22]。 丁宝永等人研究落叶松时,发现降雨
量大于 3mm时有树干径流产生。 穿透雨和树干茎流都随着降雨量的增加而增加,这种趋势与其他学者的研
究结果一致[14鄄15,23]。
本实验与蔡体久等人研究的原始红松林林分结构特征相似,样地距离相近,他从不同林分因子对降雨截
留分配进行研究,总结出降雨量、第一活枝高、胸径和冠幅等因素对穿透雨和树干茎流的影响[17]。 Gash 模型
是从林冠蒸发速率和林冠持水能力的角度来模拟原始红松林对降雨截留的影响,因此可以从林分因子和林冠
层两方面来了解小兴安岭原始红松林林冠截留过程。 修正的 Gash模型对截留量模拟准确性以正确测出或估
算林冠持水能力(S)为基础[18]。 而 S的大小取决于林冠本身的结构特征,同时也受降雨特征和气象因子影
响[24鄄26]。 Llorens[27]总结了 1968—2000 年间不同文献中的 S值,发现不同密度松属针叶林在 0. 1—3. 1 mm之
间,Deguchi[28]统计了 21 个研究中不同地区不同森林类型的 S值在 0. 25—1. 55 mm之间,本研究 S值为 1. 44
mm,与之吻合。 应用修正的 Gash模型对截留量和穿透雨的模拟较好,拟合值和实测值分别相差 2. 25mm 和
2. 38 mm,分别占各自总量的 25%和 72. 1% ,但是对树干茎流的拟合效果较差,占总量的 3. 1% 。 郭明春等[8]
在研究落叶松林树干茎流时也发现这一问题,只是他的模拟值小于实测值。 虽然模拟值误差较大,但是树干
茎流量较小,仅占降雨量的 1. 5% ,所以对林冠截留量的影响较小。
修正的 Gash模型对大部分的单场降雨截留模拟较好,但对个别场次降雨还存在较大差异[14鄄16],这主要
是由于模型假设的条件与自然条件存在较大差异,导致模拟值与实测值相比有的高,有的低[29]。 何常清[16],
赵洋毅[15]等学者发现 Gash模型对小雨模拟效果较好,随着降雨量的增大林冠截留量预测的准确性呈下降趋
势。 在本研究中,对小雨模拟值和实测值相对较好,也有个别大雨模拟值与实测值接近,这与其他学者研究结
果有所差异,可能是因为他们研究的人工林结构相对单一,而本研究中原始林结构复杂,树种繁多。 总体来
看,修正的 Gash模型能够较好的模拟原始红松林林冠截留过程。
2821 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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与其他截留模型一样,修正的 Gash 模型未充分考虑到风速对林冠截留的影响,风不仅可以加快冠层蒸
发,同时也会引起树枝的摆动,促使雨滴流向林内,从而导致林冠截留量降低。 目前,风速对雨滴下落产生影
响的定量研究还较少,今后要加强这方面的研究,进一步提高模型的准确性。
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4821 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 33,No. 4 February,2013(Semimonthly)
CONTENTS
Frontiers and Comprehensive Review
Concepts, processes and quantification methods of the forest water conservation at the multiple scales
WANG Xiaoxue, SHEN Huitao, LI Xuyong, et al (1019)
………………………………
…………………………………………………………………………
Advances in the study of stable isotope composition of leaf water in plants LUO Lun, YU Wusheng, WAN Shimin, et al (1031)……
Eco鄄environmental effects of urban landscape pattern changes: progresses, problems, and perspectives
CHEN Liding, SUN Ranhao, LIU Hailian (1042)
………………………………
…………………………………………………………………………………
An overview of advances in distributional pattern of urban biodiversity MAO Qizheng, MA Keming, WU Jianguo,et al (1051)………
Ecological compensation boosted ecological protection and human well鄄being improvement LI Huimei,ZHANG Anlu (1065)…………
Autecology & Fundamentals
Effects of indigenous AM fungi and neighboring plants on the growth and phosphorus nutrition of Leymus chinensis
LEI Yao, HAO Zhipeng, CHEN Baodong (1071)
……………………
…………………………………………………………………………………
Influences of AM fungi on plant growth and water鄄stable soil aggregates under drought stresses
YE Jiashu, LI Tao, HU Yajun, et al (1080)
………………………………………
………………………………………………………………………………………
The effect of transgenic cucumber with double strands RNA of mapk on diversity of rhizosphere bacteria
CHEN Guohua, MI Baobin, LI Ying, et al (1091)
………………………………
…………………………………………………………………………………
The ambient ozone pollution and foliar injury of the sensitive woody plants in Beijing exurban region
WAN Wuxing, XIA Yajun, ZHANG Hongxing, et al (1098)
…………………………………
………………………………………………………………………
Diversity and plant growth鄄promoting potential of culturable endophytic bacteria isolated from the leaves of Atractylodes lancea
ZHOU Jiayu, JIA Yong, WANG Hongwei, et al (1106)
………
……………………………………………………………………………
Effects of the low temperature treatment on egg maturation and its numerical dynamics in the parasitoid Pteromalus puparum
(Hymenoptera: Pteromalidae) XIA Shiyang,MENG Ling,LI Baoping (1118)……………………………………………………
Circadian rhythm of calling behavior and sexual pheromone production and release of the female Zeuzera leuconotum Butler
(Lepidoptera: Cossidae) LIU Jinlong, JING Xiaoyuan, YANG Meihong, et al (1126)…………………………………………
Influence of fluoride on activity of carboxylesterase and esterase in hemolymph of Bombyx mori
MI Zhi, RUAN Chenglong, LI Jiaorong, et al (1134)
………………………………………
………………………………………………………………………………
Effects of water temperature on the embryonic development, survival and development period of larvae of ridgetail white prawn
(Exopalaemon carinicauda) reared in the laboratory LIANG Junping, LI Jian, LI Jitao,et al (1142)……………………………
Population, Community and Ecosystem
Diversity of ecosystem services and landscape multi鄄functionality: from scientific concepts to integrative assessment
L譈 Yihe, MA Zhimin, FU Bojie, et al (1153)
…………………
……………………………………………………………………………………
Research on estimating wetland vegetation abundance based on spectral mixture analysis with different endmember model: a case
study in Wild Duck Lake wetland, Beijing CUI Tianxiang, GONG Zhaoning, ZHAO Wenji,et al (1160)………………………
Identifying typical plant ecological types based on spectral characteristic variables: a case study in Wild Duck Lake wetland,
Beijing LIN Chuan, GONG Zhaoning, ZHAO Wenji,et al (1172)…………………………………………………………………
Responses of phytoplankton community to the construction of small hydropower stations in Hainan Province
LIN Zhangwen,LIN Sheng,GU Jiguang,et al (1186)
…………………………
………………………………………………………………………………
Diurnal variation of water quality around Potamogeton crispus population WANG Jinqi,ZHENG Youfei,WANG Guoxiang (1195)……
Effects of three forest restoration approaches on plant diversity in red soil region, southern China
WANG Yun, OUYANG Zhiyun, ZHENG Hua, et al (1204)
……………………………………
………………………………………………………………………
Dynamics of soil physical鄄chemical properties and organic carbon content along a restoration chronosequence in Pinus tabulaeformis
plantations HU Huifeng, LIU Guohua (1212)………………………………………………………………………………………
Probability models of forest fire risk based on ecology factors in different vegetation regions over China
LI Xiaowei, ZHAO Gang, YU Xiubo,et al (1219)
………………………………
…………………………………………………………………………………
Landscape, Regional and Global Ecology
Landscape ecological security dynamics in a fast growing urban district: the case of Dongguan City
YANG Qingsheng, QIAO Jigang, AI Bin (1230)
…………………………………
……………………………………………………………………………………
The difference between exergy and biodiversity in ecosystem health assessment: a case study of Jiangsu coastal zone
TANG Dehao, ZOU Xinqing, LIU Xingjian (1240)
…………………
…………………………………………………………………………………
Impacts of drying鄄wetting cycles on CO2 and N2O emissions from soils in different ecosystems
OUYANG Yang, LI Xuyong (1251)
…………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
Evaluation of low鄄carbon competitiveness in Western China JIN Xiaoqin, DU Shouhu (1260)…………………………………………
Flood return period analysis of the Bayi Reservoir Watershed based on HEC鄄HMS Model
ZHENG Peng, LIN Yun, PAN Wenbin,et al (1268)
………………………………………………
………………………………………………………………………………
Simulation of rainfall interception process of primary korean pine forest in Xiaoxing忆an Mountains by using the modified Gash
model CHAI Rushan, CAI Tijiu, MAN Xiuling, et al (1276)……………………………………………………………………
Characteristics of tree鄄ring chronology of Pinus koraiensis and its relationship with climate factors on the northern slope of
Changbai Mountain CHEN Lie, GAO Lushuang, ZHANG Yun, et al (1285)……………………………………………………
Resource and Industrial Ecology
Nitrogen flows in“crop 鄄edible mushroom冶production systems in Hexi Corridor Oasis Irrigation Area
LI Ruiqin,YU Anfen, ZHAO Youbiao,et al (1292)
…………………………………
…………………………………………………………………………………
Effects of fertilization on soil fertility indices and yield of dry鄄land peanut
WANG Caibin, ZHENG Yaping, LIANG Xiaoyan, et al (1300)
………………………………………………………………
……………………………………………………………………
Effect of tillage and residue management on dynamic of soil microbial biomass carbon
PANG Xu,HE Wenqing,YAN Changrong,et al (1308)
…………………………………………………
……………………………………………………………………………
Evaluation of eco鄄security of cultivated land requisition鄄compensation balance based on improved set pair analysis
SHI Kaifang,DIAO Chengtai,SUN Xiufeng, et al (1317)
……………………
…………………………………………………………………………
Opinions
Methodology for measuring forestry ecological security based on ecology鄄industry symbiosis: a research framework
ZHANG Zhiguang (1326)
……………………
……………………………………………………………………………………………………………
《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是由中国科学技术协会主管,中国生态学学会、中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊,创刊于 1981 年,报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果。 坚持“百花齐放,百家
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进生态学研究深入发展,为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务、为国民经济建设和发展服务。
《生态学报》主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果。 特别欢
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第 33 卷摇 第 4 期摇 (2013 年 2 月)
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Vol郾 33摇 No郾 4 (February, 2013)
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