全 文 ：林业科学研究!"#$%!"&"#$)$, )"#
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!!文章编号!$##$($)*&""#$%##(#)$,(#)
黄土高原半干旱区油松人工林枯落物
截留雨量模拟研究
尹准生! 孙长忠!! 赵明扬
"中国林业科学研究院华北林业实验中心!北京!$#"###
收稿日期$ "#$)(#(")
基金项目$ 国家自然科学基金项目%黄土高原半干旱区人工植被水分生态环境效应规律研究&"#$,#,+*#
作者简介$ 尹准生"$*&&#!男!硕士生8主要研究方向$森林水文80(1234$536ZA=6
通讯作者$研究员8主要研究方向$森林培育与森林生态80(1234$ <=6+$7$+89:1
摘要!为建立合适的枯落物截留雨量预估模型!利用 "##&"#$$ 年定位观测数据!采用回归分析方法对黄土高原半
干旱区油松人工林枯落物对降雨的截留与林外降雨量"/#.林内穿透雨量"2
!
#之间的关系进行建模研究(运用
.::@<@O2H方法!对模型进行参数特征分析+ 结果表明$枯落物截留与林内外降雨量均可用非线性模型 4
)
l(/
I进行
回归模拟!回归方程分别为4
)
l#F)**/
#F+",和4
)
l#L,$,2
!
#8%$
+ 该模型不仅具有较高的拟合精度!且拟合方程参数
稳定性良好!经检验方程均达到显著性要求!可用于预估该区域油松人工林的枯落物截留量+
关键词!油松(回归分析(.::@<@O2H方法(枯落物截留
中图分类号!C,*$L"%) 文献标识码!B
Y&&,3!(&,3/,4&#(*2.$%&#(#79$/7,6"375"*0#($,
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在黄土高原半干旱区!水分是林分生产力及稳
定性的限制因子!而降雨几乎是林地水分的唯一来
源,$ /- + 森林涵养水源能力表现为林冠截持降水
量.枯落物截持水量.林地土壤蓄水量三者之
和,) /%- + 枯落物截持降水量对林内和土壤间的水分
传输有着复杂而重要的作用+ 枯落物覆盖不但能够
抑制土壤水分的蒸发!还具有比土壤更大的孔隙!因
此枯落物层的水分更容易蒸发,+- + 目前!对于枯落
物截持水量的研究大多是将枯落物取回室内用浸泡
法测定,, /*- + 由于室内浸泡法受人为因素影响较
多!因此!在实际操作过程中!破碎的枯落物容易从
纱袋漏出.沥水程度控制不好等因素都可能对试验
结果产生影响+ 相比于室内浸泡法不能完全反映天
然降水条件下枯落物的截持降雨情况!有些学者采
用野外样地观测的方法来进行原状枯落物截持雨量
林!业!科!学!研!究 第 "& 卷
的研究,$# /$$- + 目前!根据野外样地观测数据建立枯
落物截留模型以及探讨其所估计参数的质量如何方
面的报道较少,$" /$%- + 因此!本文运用.::@<@O2H方法
和回归分析方法!对黄土高原半干旱区油松人工林
枯落物截留模型进行拟合分析!并对模型的适用性
及其参数的变化规律进行探讨!从而为建立合适的
枯落物截留回归模型!为森林水文效应量化评价工
作提供重要帮助+
$!研究区概况
该研究区为典型的黄土高原半干旱区!试验地位
于山西省忻州市偏关县陈家营"$$$c#$d $$$c""d0!
*c$"d *c)#dJ#!海拔 $ ,, 1!年平均气温 8,b!
年平均降水量 )"%8 11!全年 +#I以上的降水集中
在 ,*月!主要植被为乔木林和灌丛!造林树种主要
为油松"/67=%&(I=J($E"#B6%-2O8#.侧柏"/J(&H)J(G=%
"#6$7&(J6%"N8#UO269:#和樟子松"/67=%%HJM$%%[2O8
B"7>"J6)( N3@[8#等+ 所观测油松纯林林龄为 # 2"经
抚育的人工同龄林!林相整齐!单株差异较小#!林内
枯落物分布均匀!厚度在 " 91左右+ 树高 )8 %8"
1!胸径 *8, $$8* 91!郁闭度 #8+, #8&%+
在具有代表性的油松林内设置 个固定样地
"表 $#!在林外附近空旷地设置 $ 个气象站+
表 CD油松试验林基本情况
样地号面积K"1f1# 坡向 坡度K"c# 树高K1 胸径K91郁闭度
$ "# f"# J0)#c ") )8 $#8) #8&#
" $% f$% J0)%c $ )8* *8) #8+,
"# f"# 0J"#c $* %8" $$8* #8&%
"!研究方法
在林外附近空地设置 $ 个小型气象站进行林外
降雨的测定!林内试验样地进行林内穿透雨和穿透
枯落物后所得雨量的观测+
F8CD林外降雨的测定
林外小型气象站内安置 " 个雨量筒!测量其每
次降雨量!取平均值即为林外降雨量"/#+
F8FD林内穿透雨的测定
在每个林内试验样地具有代表性的区域选择 $矩
形"圆形#区块!取其对角线的两端及中点"圆心及任一
直径的两端#布设 )个雨量筒!每次降雨后观测所得穿
透雨量!取其平均值!即为林内穿透雨量" 2
!
#+
F8HD覆盖枯落物后观测到的穿透雨量
在每个林内试验样地具有代表性的区域选择
个圆形区块!取其圆心布设 个雨量筒!在筒内放置
一铁圈连接的尼龙网!使铁圈紧贴筒壁!然后在保证
枯落物自然条件下取林内原状枯落物放尼龙网上!
每次降雨后对雨量筒收集的水分进行测量!取其平
均值作为枯落物穿透雨量"2
!)
#+
F8ID枯落物截留量的测定
枯落物截留量" 4
)
#采用林内穿透雨量" 2
!
#减
去覆盖枯落物后观测到的穿透雨量"2
!)
#计算得出+
4
)
]2
!
_2
!)
"$#
F8JD数据处理
使用 .::@
开源软件S"8$%8" 作为计算环境!进行相应的编程
和数据分析与处理+
!结果与分析
H8CD油松林林外降雨与枯落物截留模型的建立
"##& 年至 "#$$ 年共采集 $"* 次降雨的观测值!
最大月降雨量高达 $%+8* 11!最大值出现在 &.* 月
份+ 次降雨量的最大值和最小值分别为 +)8,.#8, 11!
平均次降雨量为 $"L# 11+ "##&"#$$ 年的 $"* 次
枯落物截留量见表 "+
表 FD油松林枯落物截留量
时间"年#
均值
K11
最大值
K11
最小值
K11
标准差
K11
标准误
"##& "8)+% +8"*, #8#%+ $8")$ #8"$#
"##* "8$+) ,8,#" #8##* "8#,# #8,"
"#$# "8$#" %8,,# #8$)& $8", #8""+
"#$$ $8*" )8,$& #8##, $8$" #8""&
"##&"#$$ "8$,# ,8,#" #8##, $8)* #8$#%
对 "##& 年至 "#$$ 年全部枯落物截留量与林外
降雨量数据进行回归分析!发现枯落物截留量与林
外降雨量之间的关系均可用幂指数函数 4
)
l(/
I进
行拟合!这与刘向东,$)-对黄土高原半湿润区油松林
地枯落物截留研究所采用的4
)
l(/
I关系式相一致!
拟合结果见图 $+
图 $!"##&"#$$ 年林外降雨量与枯落物截留量的关系
&$)
第 期 尹准生等$黄土高原半干旱区油松人工林枯落物截留雨量模拟研究
从图 $ 的拟合结果可以看出!拟合的幂指数方
程的" 为 #F,% &!/m#F##$!说明函数 4
)
l(/
I能
较好地反应林外降雨量与枯落物截留量间的非线性
关系+
为了进一步检验拟合方程的实际效果!利用该
试验区 "#$" 年全年实测的 )) 组数据"图 "#!对拟
合方程4
)
l#F)**/
#8+",进行检验!以模拟计算所得枯
落物截留量与实测值作图"图 #!并进行F?2O<:6 相
关性检验!结果显示!其相关系数 " l#F*,, $!/m
#8##$!线性相关极显著!拟合效果良好!说明估测方
程可用+
图 "!"#$" 年林外降雨量与枯落物截留量关系散点图
图 !拟合方程计算之枯落物截留量与实测值相关性直观图
H8FD枯落物截留模型中各参数特征分析
检验结果表明$各拟合方程的精度均较好!说明
所采用的回归模型适于枯落物截留的拟合!但拟合
方程各参数的稳定性如何尚需确定+ 为此!利用
.::@<@O2H法!对各拟合方程进行回归分析的参数分
析!取抽样次数为 $ ###!得到表 的分析结果+
表 HD林外降雨量X枯落物截留量回归分析参数特征
时间"年# 参数 均值 标准差 标准误
"##&
( #F&$, #F$# #F#$,
I #F),$ #F#)" #F##,
"##*
( #F% #F#%* #F#$"
I #F,%* #F#)& #F##*
"#$#
( #F)** #F$+ #F#"%
I #F%&* #F#*$ #F#$,
"#$$
( #F%$* #F$"" #F#"$
I #F+)$ #F#&* #F#$%
"##&"#$$
( #F%#$ #F#%% #F##%
I #8+"+ #8#+ #8##
由表 可知$各年份估计参数 ( 和 I的标准差
和标准误均比较小!说明参数的估计值比较稳定!从
而表明该回归模型不仅可以较好的拟合数据!且稳
定性较好+
H8HD油松林林内穿透雨与枯落物截留模型的建立
为了探究除去林冠结构影响下的枯落物截留效
应!现进一步研究枯落物截留与林内穿透雨之间的
关系+ 对 "##& 年至 "#$$ 年全部枯落物截留量与林
内穿透雨量数据进行回归分析!发现枯落物截留量
与林内穿透雨之间的关系同样可用幂指数函数4
)
l
(2
I进行拟合!拟合结果见图 )+
图 )!"##&"#$$ 年枯落物截留量与穿透雨量之间的关系图
从图 ) 的拟合结果可以看出$拟合的幂函数方
程的" 为 #F&+ $!/m#F##$!说明函数 4
)
l(2
I反
应穿透雨与枯落物截留量之间的关系良好+
进一步对穿透雨与枯落物截留量方程 4
)
l
#L,$,2
U
#8%$进行模型的适用性检验!利用该试验区
"#$" 年 )) 组林内穿透雨量及枯落物截留量实测数
据"图 %#!对模型估测所得枯落物截留量与实测枯
落物截留量作图"图 +#!并进行 F?2O<:6 相关性检
验!结果表明二者的相关性非常高!相关系数 " l
#F**$ %!/m#8##$!相关性极显著+
图 %!"#$" 年林内穿透雨量与枯落物截留量的关系散点图
利用.::@<@O2H法结合 S语言进行回归分析的
参数分析!取抽样次数为 $ ###!得到表 ) 的分析
*$)
林!业!科!学!研!究 第 "& 卷
图 +!拟合方程计算之枯落物截留量与实测数据相关性直观图
结果+
由表 ) 可见$各年份估计参数 ( 和 I的标准差
和标准误均比较小!参数的估计值比较稳定!回归模
型的稳定性较好+
表 ID穿透雨X枯落物截留量回归分析参数特征
时间"年# 参数 均值 标准差 标准误
"##&
( #F*&, #F$) #F#")
I #F)"$ #F#)* #F##&
"##*
( #F%, #F#+, #F#$"
I #F%#% #F## #F##%
"#$#
( #F,# #F$$) #F#"$
I #F%#) #F#%% #F#$#
"#$$
( #F+&, #F$$$ #F#$*
I #F%% #F#%, #F##$
"##& /"#$$
( #F,$, #F#)+ #F##)
I #8%$ #8#"# #8##"
)!结论
黄土高原半干旱区人工油松林枯落物截留量与
林外降雨量.林内穿透雨量之间的关系均可用非线
性模型4
)
l(/
I进行回归分析+ 该模型不仅具有较
高的拟合精度!且拟合方程参数稳定性良好+ 其回
归方程分别为4
)
l#F)**/
#F+",和 4
)
l#F,$,2
!
#F%$
!经
检验方程均达到显著性要求!可用于预估该区域油
松人工林的枯落物截留量+
由于经验模型大多是根据数据的分布规律选取
合适的拟合方程得到的!是否有更适合的拟合方程
还需要进一步研究+ 本研究的数据采集局限于黄土
高原半干旱区油松人工林!因此!模型的适用范围有
限+ 由于本文的观测因子有限!本次建模仅使用大
气降雨一个因素!而影响枯落物截留的因素较多!主
要有降雨量.降雨强度.空气温度.空气湿度.风速和
植被特征等,"#- !因此!在下一步建模时有必要引入
这些因素!从而建立更适用.模拟更精确的枯落物截
留模型+
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中国水土保持科学!"##,!%""#$$# /$)8
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计与信息论坛!"##&!"""#$*# /*+8
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C@2@3<@3924C93?69?!$*&+!$"$#$%) /,%8
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B6624<:>C@2@3<@39,$*- 尹准生!孙长忠!赵明扬8黄土高原半干旱区油松人工林林冠截
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