森林与水的关系是生态水文学研究的核心问题之一。森林冠层对降雨的再分配不仅改变了大气降雨的特性和空间分布格局,而且其能够影响到水文、生物地球化学过程的许多环节,是森林生态水文学的基本过程之一。林下穿透雨是林冠对降雨再分配后形成的主要部分,是林地土壤水分的重要来源^[1],也是养分物质到达森林地表的重要途径^[2],穿透雨不仅改变了林下水分输入的空间分布格局,影响了林地土壤水分分布和养分的循环利用,而且穿透雨量的空间变异还影响了穿透雨中溶质浓度、溶质沉积和林地养分输入的空间分布格局。因此,林下穿透雨的变化在森林生态系统水量平衡、水文过程和养分循环中占有极其重要的地位^[3]。国内外关于森林冠层对降雨的再分配已进行了大量研究^[4-5],且多集中在量化穿透雨方面,也有对不同森林冠层下穿透雨空间分布特征的研究^[6-7],但对大兴安岭北部的兴安落叶松(Larix gmelinii)林穿透雨的空间变异性和时间稳定性的格局却知之甚少。

Lloyd^[8]对亚马逊热带雨林研究发现,29%观测点的穿透雨水大于当时林外降水量；Sinun^[9]在马来西亚的热带雨林中也发现,101个测点收集的穿透雨量比林外降水多10%,22个点比林外降水少40%,林窗下的穿透降水占当次雨量的88%—102%不等。一些学者还报道了热带山地森林穿透雨具有很大的空间变异性,并将其归因于复杂的森林结构和降雨特征^[10]；还有学者研究发现,热带山地雨林中单个穿透雨收集器得到穿透雨变异范围在0—107%,甚至0—1000%^[11]。Nanko对单株日本扁柏进行降雨模拟实验发现,日本扁柏树冠层内树枝的形状、位置对其穿透雨空间分布的形成占主导地位,因此,穿透雨量的空间分布与距离树干的径向距离有关；并且研究还表明,位于树干和树冠边缘中间位置的观测点,穿透雨量和穿透雨率较低^[12]。李振新等^[7]对岷江流域冷杉(Abies faxoniana)针叶林穿透雨研究发现,林下不同观测点的穿透雨率具有显著的差异,且各观测点正上方的冠层及枝叶性质对穿透雨的空间分布也有一定的影响。时忠杰等^[13]利用地统计方法分析了单株上华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)叶面积指数和穿透雨的空间变异性规率发现,冠层结构是引起穿透雨率空间变异的主要因素；其对华山松(Pinus armandii)林研究发现^[6],冠层对穿透雨具有一定的聚集效应,且不同冠层特征中,叶面积指数对穿透雨的空间分布影响最大,得出冠层结构特征是决定大气降雨再分配和空间变异的重要生态因素之一。这些研究都表明,林冠影响了降雨空间分布格局,但从生态学机制入手对穿透雨空间变异影响的研究还较少。

大兴安岭是我国唯一的寒温带针叶林分布区,也是全球气候变化的敏感区,是松嫩、辽河平原的生态屏障。研究区域内优势群落兴安落叶松林的水循环过程,对于进一步量化并揭示其涵养水源的机理和生态服务功能具有重要意义。本文以大兴安岭北部的兴安落叶松林为研究对象,从森林对降雨再分配的影响过程入手,详细探讨了兴安落叶松林下穿透雨空间变异及其影响因素,以求更深入的理解森林水文过程、认知森林与水的相互作用机制,进一步明确兴安落叶松林生态系统水分传输过程的生态学机制,为应对全球变化,制定有效的大兴安岭森林流域水资源管理措施提供科学依据。

1 研究地概况及研究方法 1.1 研究地描述

研究区位于黑龙江漠河森林生态系统国家定位研究站内,属于寒温带大陆性季风气候。年平均气温为-4.3 ℃。年降水量430—550 mm,降雨主要集中在每年的7—8月。太阳辐射总量年平均401.93—447.99 kJ/cm²,日照时数为2377—2625 h,≥10 ℃积温为1436—2062 ℃。土壤以棕色针叶林土为主,枯枝落叶和苔藓层较厚。本区植被属欧亚寒温带针叶林南延部分,地带性植被是以兴安落叶松为优势树种的明亮针叶林,其他主要树种有白桦(Betula platyphylla)、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)和山杨(Populus davidiana),常见植物有杜香(Ledum palustre var. dilatatum)、兴安杜鹃(Rhododendron dauricum)、笃斯越橘(Vaccinium uliginosum)、越橘(Vaccinium vitis-idaea)、红花鹿蹄草(Pyrola incarnate)等。

本实验选择紧邻2010年漠河生态站设置的兴安落叶松固定观测样地(面积1 hm²)处设置一块20 m×20 m面积的落叶松中龄林作为观测样地,并在进行每木检尺后布设观测仪器,观测样地具体信息详见表 1和图 1。

1.2 降雨及穿透雨观测方法

(1) 林外降雨的测定 利用安置在距观测样地150 m远处开阔地上的翻斗式雨量计来测量林外降雨量(P)和降雨强度,采集数据时间间隔为5 min。

(2) 穿透雨及其空间分布观测 为了更好的测定兴安落叶林下的穿透雨量(TF)及其空间分布特征,2013年8月在样地内设置38个直径20 cm的自制雨量筒(截面积为314.16 cm²/筒),测定林木冠幅后,按照林冠下(雨量筒与树干距离≤3/4冠幅,BC)、林冠边缘(3/4冠幅＜雨量筒与树干距离≤5/4冠幅,BCE)、林隙下(雨量筒与树干距离＞5/4冠幅,BG)3种情景进行布设(图 1),并记录雨量筒距树干距离,为了避免灌木及草本植物对穿透雨的影响,雨量筒距离地面的高度不低于50 cm,每次降雨结束后立即测定各降雨筒内穿透雨的体积(cm³),然后换算成雨量深(mm)。

1.3 叶面积指数及冠层厚度观测

利用冠层分析仪(LAI-2200)测定叶面积指数；同时将带有刻度的15 m标杆树立在雨量筒位置处,通过望远镜读取冠层上下刻度值的差值获得冠层厚度。

2 结果与分析 2.1 研究期间的降雨特征

按降雨间隔时间超过4 h的降雨事件划分为两场不同降雨的原则^[7],在进行观测研究的时间段内(2013年7月至8月期间),安置在开阔地的翻斗式雨量计共记录到19场降雨的数据,累计降雨量184.0 mm,占2013年生长季(5—9月)总降雨量(398.2 mm)的46.21%,其降雨特征如图 2。研究期间大部分为低雨强、长历时的降雨,平均降雨强度为2.13 mm/h,变异系数为99.53%,最小雨强为0.33 mm/h,最大雨强为7.23 mm/h。其中,42.11%降雨的雨强小于1 mm/h,在2 mm/h以下的降雨约占68.42%,没有观测到大于10 mm/h的降雨。从次降雨量看,平均降雨量为9.7 mm,变异系数为78.64%,次最小降雨量为0.2 mm,最大为24.1 mm,且各雨量级降雨分布场次较均匀。从降雨历时看,平均次降雨历时为8.33 h,变异系数为114.39%,最短的仅30 min,最长的为31 h,雨量仅有20.7 mm,降雨历时小于2 h的降雨次数最多,占42.11%,0—10 h之间的占68.42%。

2.2 兴安落叶松林下穿透雨及其变异性

根据2013年38个观测点的穿透雨数据分析,兴安落叶松林内观测到的穿透雨量为148.3 mm,占同期降雨量的80.62%,与同区域内其他森林类型相比较,介于樟子松林(73.58%)^[14]和白桦林(84.27%)^[15]之间,与大兴安岭南坡测定的结果(81.39%)^[16]基本吻合。受不同降雨特征的影响,兴安落叶松林下平均穿透雨率为71.68%,且当降雨量小于14 mm时,穿透雨率表现为增加趋势；而降雨量超过14 mm时,穿透雨率不再明显增加,且具有一定减小趋势。这是因为当降雨量超过兴安落叶松林冠层的最大截留能力时,林冠趋于饱和,之后的降雨几乎全部以穿透雨的形式输入林地,并且由于重力、阻力和分子力不平衡,后续的降雨还可能携带部分已被林冠截持的降雨进入林地,从而增加穿透雨率,降低林冠截留能力。但总体上看,随着降雨量的增加穿透雨率有增加的趋势(图 3),一般以对数方程进行模拟,也有用S形曲线^[6]和逻辑斯谛方程^[7]进行模拟。本研究以幂函数模拟的效果较好,拟合方程为：

式中,TF为穿透雨率(%),P为降雨量(mm)。

不同场次的林外降雨特征与对应兴安落叶松林下穿透雨的变异系数CV(n=38)绘制散点图可知,穿透雨的变异系数与降雨强度没有相关关系(P>0.05),但随降雨量的增加有减小的趋势(图 3),二者呈显著的负相关关系。在以往的研究中用倒数方程^[6]、对数方程^[3] 、幂函数^[17]均可以进行较好的拟合,本研究中则以对数方程对兴安落叶松林穿透雨变异系数和林外降雨量进行拟合效果最好,其拟合方程为：

式中,CV为同场降雨不同测点间穿透雨率的变异系数(%),TF为穿透雨率(%),P为降雨量(mm)。

2.3 兴安落叶松林下穿透雨的空间分布特征

本研究中根据降雨筒到树干距离与冠幅的关系,将38个观测点划分为林冠下(雨量筒与树干距离≤3/4冠幅,BC)、林冠边缘(3/4冠幅＜雨量筒与树干距离≤5/4冠幅,BCE)和林隙下(雨量筒与树干距离＞5/4冠幅,BG)3种情景,并且不同观测点上的降雨量、温湿度等气象因子可以认为是一致的,因此影响3种情景间穿透雨差异的因素主要就是冠层结构特征。

根据19场降雨数据分析可知,兴安落叶松林冠下平均穿透雨率为60.27%,标准差为28.49%,变异系数高达47.27%；林冠边缘平均穿透雨率为78.53%,标准差为16.86%,变异系数为21.47%；林隙下平均穿透雨率为89.27%,标准差为20.60%,变异系数为23.07%。分析发现,有些观测点有明显的降雨聚集效应,该处的穿透雨量高于林外降雨量。在本研究中,林隙下平均穿透雨率超过100%的次数占所有降雨事件总数的26.32%；且除第7场降雨外,林隙下穿透雨率均最大。由林冠下、林冠边缘、林隙下的线性回归线与代表降雨量(穿透降雨率为100%)的1∶1线的位置关系(图 4)可知,相比于林冠下和林冠边缘,林隙下穿透雨更接近1∶1线,即林隙下穿透雨量很接近林外降雨量,这与林隙下穿透雨率的结论相同。在降雨量为14.3 mm时,林隙下穿透雨率达到最高值113.62%(标准差= 3.05%),林冠边缘穿透雨率为96.90%(标准差= 19.10%),林冠下穿透雨率仅为89.83%(标准差= 15.81%)。

由图 5可知,林冠下、林冠边缘、林隙下3种情景下穿透雨率变异系数情况有：林冠下＞林冠边缘＞林隙下,且随着穿透降雨量的增加,林冠下和林隙下穿透降雨率的变异系数有下降的趋势,而林冠边缘处穿透降雨率的变异系数变化趋势不明显(图 5)。将林冠下、林冠边缘和林隙下3种情景的穿透雨变异系数随降雨量的变化进行拟合,拟合方程依次为：

式中,CV为穿透雨率的变异系数(%),TF_BC为林冠下穿透雨率(%),TF_BCE为林冠边缘穿透雨率(%),TF_BG为林隙下穿透雨率(%),P为降雨量(mm)。

2.4 穿透雨空间分布的影响因素分析

为了进一步深入研究林冠层对穿透雨空间分布的影响,对38个观测点的平均穿透率与其对应冠层结构特征(叶面积指数LAI、冠层厚度、平均叶倾角等)和距树干的距离进行相关分析。其中,观测点距树干的距离与穿透雨率拟合的效果最好,二者呈极显著的正相关关系(图 6,r²=0.580,P<0.01)。虽然拟合曲线表现出来的趋势是距树干距离越远,穿透雨率越高,但从影响穿透雨的生态机制来看,实际上是由于不同观测点上方的冠层厚度和叶面积指数等因素不同而导致的结果,而并非是由距树干的距离所决定的,其只能在一定程度上反映穿透雨的空间变异。冠层厚度和叶面积指数与穿透雨率的相关性也达到了极显著水平(P<0.01),且穿透雨率随着冠层厚度和叶面积指数的增加而呈下降趋势(图 6),二者均与穿透雨率呈极显著的负相关关系(P<0.01),但拟合效果不佳(r²依次为0.500和0.396)；平均叶倾角与穿透雨率则没有相关性(P>0.05)。因此,在冠层结构特征中,冠层厚度是决定穿透雨空间分布的最主要因素。穿透雨率与冠层结构特征中相关因子进行回归分析,其相关性也达到了极显著水平(P<0.01),回归方程为：

式中,TF为穿透雨率(%),CT为冠层厚度(m),LAI为叶面积指数。

3 讨论

根据2013年38个观测点的穿透雨数据分析,兴安落叶松林的穿透雨占降雨量的80.62%,且穿透雨率随着降雨量的增加有增加的趋势。兴安落叶松林下的穿透雨具有较大的空间异质性,排除冠层结构特征的影响,穿透雨变异程度随降雨量的增加有减小趋势,并以对数方程拟合效果最好；而与降雨强度没有相关关系(P>0.05)。国内外许多学者研究了林冠下穿透降雨的空间分布,但结论不一致。时忠杰等^[6]认为六盘山华山松林下穿透雨变异程度随降雨量的增加而呈反函数关系减弱；战伟庆等^[17]认为华北油松人工林下穿透雨变异系数随降雨量的增加而减小,可以用幂函数进行拟合；曹云等^[3]认为杜仲林下穿透雨变异程度随着降雨量或降雨强度的增加逐渐降低,可以用对数方程拟合；沈会涛等^[18]对常绿阔叶林次生演替不同阶段研究发现,其穿透雨变异系数均随降雨量的增加而降低。本研究穿透雨变异规律与其他学者的研究基本一致,但拟合方程略有不同。分析差异认为,不同研究的地点(宁夏、北京、湖南、浙江)、树种(阔叶、针叶)、降水大小与穿透雨的空间分布有极大关系。本研究观测到的林外降雨量较小(<25 mm),且对于较大降雨量时穿透雨情况数据缺失,但在建立模型时,个别的极值往往能够影响拟合效果甚至曲线类型,而时忠杰^[6]、战伟庆^[17]的研究,林外降雨量最大值比本研究高很多,因此导致本研究的结果(穿透雨与降雨量以幂函数模拟,而穿透雨变异系数与降雨以对数方程进行拟合)与已有研究结果的差异。

研究结果表明,冠层结构是影响穿透雨空间变异的重要因素。排除降雨特征的影响,穿透雨量随冠层结构复杂程度的增加(林隙下→林冠边缘→林冠下)而降低,二者成负相关关系,即靠树干越近穿透雨越小。与已有研究结果相比,Staelens等发现靠近树干穿透雨量较小^[19]；而Anderson则发现靠近树干的穿透雨量较大,且有较大变异性^[20]；Keim 等发现幼龄针叶林中距树干近处有较高的穿透雨,老龄针叶林中恰好相反,而落叶林中穿透雨量与距树干距离则没有关系^[21]；Go′mez等^[1]发现穿透雨的聚集效应较容易发生在林冠边缘,有时也会发生在树冠投影边缘线以内；时忠杰等^[13]也发现穿透雨的聚集区域多发生在树冠半径的中部,有时也会移到树冠的外边缘线。本研究认为,兴安落叶松林下的穿透雨是具有一定的变化规律的,而不是完全随机的,本研究中距树干的距离对穿透雨率影响最大,二者呈极显著的正相关关系,文中则表现为林隙下的穿透雨具有明显的聚集效应。

本研究发现,兴安落叶松林的冠层厚度和叶面积指数都会影响穿透降雨的空间分布,二者均与穿透雨率呈极显著的负相关关系(P<0.01),且冠层厚度是决定穿透雨空间分布的最主要因素。这与李振新等^[7]研究结果一致,与时忠杰等^[6]认为叶面积指数的影响最大的结果不同。分析差异认为,虽然叶面积指数是反映冠层结构的一个重要指标,但不同树种的分枝角度、叶片形态有很大差异,且本研究中冠层厚度与叶面积指数呈极显著的正相关关系(P<0.01),进而导致了研究结果的差异。

影响森林冠层下穿透雨空间分布的因素非常复杂,本研究是利用自制的雨量筒(截面积为314.16 cm²/筒)观测得到的结论。虽然不同面积穿透雨收集器得到的穿透雨在统计学上具有相同的意义,但是最新研究发现^[22],即使小面积的穿透雨收集器数量少,但其标准差和变异系数却明显高于大面积穿透雨收集器的数据；而在林窗下,大面积和小面积的穿透雨收集器收集的穿透雨率范围依次为25%—178%和13%—379%,即小面积的穿透雨收集器导致穿透雨的空间变异更剧烈；并且小雨量降雨事件,小面积穿透雨收集器比大面积穿透雨收集器得到数据具有更大的变异性。因此,利用不同面积的穿透雨收集器对穿透雨空间分布的测定结果有何影响？降雨量大于24 mm后,兴安落叶松林下穿透雨有怎样的变化规律？森林冠层发育的不同时期,其穿透雨的空间分布的影响情况是否相同？这些问题都还有待今后的进一步研究。

4 结论

根据兴安落叶松林下穿透雨空间分布特征的研究结果得到如下结论：(1)随着降雨量的增加兴安落叶松林下穿透雨率具有增加并趋于稳定的趋势,且变异程度减小；(2)通过比较变异系数,在降雨筒距树干距离与林木冠幅关系的不同情景中,兴安落叶松林冠下穿透雨变异性最大,林隙下穿透雨变异最小,且随降雨量的增加,穿透雨的变异性呈下降趋势；(3)冠层结构特征是影响穿透雨空间变异的重要因素,且随着冠层结构复杂程度的增加穿透雨量降低,二者成负相关关系；(4)不同观测点距树干的距离,上方冠层厚度、叶面积指数等因素的差异均影响穿透降雨的空间分布,其中以距树干的距离影响最大。