天然次生林群落不同树种树干茎流研究

天然次生林群落不同树种树干茎流研究
郑金萍;赵东宁;张宁;范春楠;任飞燕;董江天;李兵;项凤武;郭忠玲
【摘要】Taking different tree species in natural secondary forest in the eastern part of Northeast China as test objects, a field investigation was conducted on the variation characteristics of four kinds of tree species stem flow, and analyzed the effects of rainfall and crown area. The result showed that the stem flow increased with the increase of diameter class. The stem flow increased markedly with the increase of rainfall when rainfall was higher than critical rainfall,and the increased extent of stem flow was visible with the increase of diameter class. There was a consanguineous connection with the stem flow of different tree species and diameter class and rainfall. The fitting equation was y = ax2 +bx +c. The crown area influenced markedly the stem flow, and there was a positive correlation connection between stem flow and crown area. The fitting equation was y = ax + b, and the correlation coefficients were all 0.9 and more.%通过对东北东部山区天然次生林树干茎流特征的观测,研究了在不同降雨条件下群落内4种主要树种树干茎流的变化动态.结果发现:在降雨过程中,树干茎流量随径级的增加而增加.当降雨量高于临界降雨量时,树干茎流量随降雨量的增大而显著增加,并且径级越大,增加的幅度越明显.树干茎流量与降雨量的关系可用模型y=ax2 +bx+c进行拟合.树木冠幅也显著地影响着树干茎流,二者存在正相关关系,拟合方程为y=ax +b,相关系数均在0.9以上.
【期刊名称】《北华大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2013(014)001
【总页数】5页(P77-81)
【关键词】降雨量;树干茎流;径级;天然次生林
【作者】郑金萍;赵东宁;张宁;范春楠;任飞燕;董江天;李兵;项凤武;郭忠玲
【作者单位】北华大学林学院,吉林吉林132013
【正文语种】中文
【中图分类】S715.2
降水是生态系统中最具影响力的因素，影响着植物的生长、发育和分布，而森林生态系统又是陆地上最大的生态系统，能够涵养水源、保持水土、调节气候等，森林与水分之间有着复杂而密切的关系，它们相互依赖，相互影响，相辅相成．森林对大气降水有分配、截留作用，一方面参与水分循环，影响降水的形成，另一方面又影响降水的分配［1-3］．其中，树干茎流特征一直是森林水文和水土保持研究的重点内容之一．
树干茎流是指雨水经树枝和树叶沿树干流向地面的部分［1］．树干茎流、穿透雨、林冠截留是降水被植被冠层重新再分配的3种形式，植被冠层因此成为森林生态
系统水分传输的第一界面层［2-4］．树干茎流量虽然占总降水量的比例较小，在研究中也常被忽略不计［5-8］，但实际上树干茎流在生态学、水文学及水土保持学方面都有重要意义，如它能够改变降水的空间分布［9］，减少雨滴击溅侵蚀，延迟降水到达地面的时间，并将淋洗树冠得到的养分集中在植物茎干附近［10］，进入林木根际区，从而影响土壤水分、养分含量和微生物的活动等［5，11-12］．
我国的次生林面积约占全国森林面积的46．2%，广泛分布于北方地区．东北地区的天然次生林是由地带性顶级群落阔叶红松林遭受不同程度采伐、火烧破坏而形成的，在东北东部山区广泛分布．本文以东北东部山区天然次生林为研究对象，通过对主要树种树干茎流的观测，探讨降雨特征与树干茎流的关系，揭示树干茎流的变化规律，可为进一步探讨次生林群落对降水进行再分配的过程奠定基础，也可为进一步认识次生林的生态水文功能及其调整提供参考．
1 研究区域与研究方法
1．1 研究区概况
研究地点位于吉林市丰满区前二道乡王相村附近的磨盘山．该区域气候为北温带大陆气候，夏季温热多雨，冬季寒冷漫长，年平均气温4．5℃，平均降水量为668 mm，相对湿度70%．土壤类型为地带性暗棕色森林土．
研究区植被属长白山植物区系，林分类型为次生落叶阔叶林，树木平均胸径11．14 cm(按D1．3≥6 cm进行统计)，平均树高为11．15 m，郁闭度0．8．主要乔木树种有花曲柳(Fraxinus mandshureca)、核桃楸(Juglans mandshureca)、怀槐(Maackia amurensis)、蒙古栎(Quercus monggolica)等;灌木树种以胡枝子(Lespedeza bicolor)、毛脉卫矛(Euonymus pubescens)、鸡树条荚迷(Viburnum sargentii)等为主;林下草本物种较为丰富，以菊科(Asteraceae)植物最多，其次为百合科(Liliaceae)、蔷薇科(Rosaceae)等，主要植物种类为丝引苔草(Carex remotiuscula)、连钱草(Glechoma hederacea)、莓叶委陵菜(Potentilla fragrioides)、水珠草(Circaea quadrisulcata)、和尚菜(Adenocalon himalaicum)等［13］．
1．2 研究方法
试验地点选择在森林水文径流场及其周围，该径流场建于2006年，地点位于磨盘山中下部的西南坡面上，面积为1 340 m2，平均坡度为15°．对每次降雨过程进
行跟踪监测，记录降雨开始和结束时间，并于降雨期间和结束后迅速对收集的各分量水量进行测定．
1．2．1 大气降水量的测定
由于无法对冠上降水量进行测定，因此在距径流场外约500 m的北华大学林学院二道实习基地三层实习教学楼顶部设置观测平台并安放标准雨量筒6个，每次降水时跟踪测定大气降雨量，以此作为冠上降雨量．
1．2．2 树干茎流量的测定
树干茎流量采用茎流环法测定．根据每木检尺的结果，选取径流场内外重要值为前4位的花曲柳、核桃楸、怀槐和蒙古栎不同径级(每隔4 cm为一个径级，每个径级选择2～4株)的标准木(树形和树冠中等)69株，准确测定胸径和树冠投影面积，在标准木距地面高0．5 m处安放茎流环．茎流环安装方法:将直径2 cm的聚乙烯塑料管沿中缝剪开，螺旋状缠绕在树干上，用小钉固定聚乙烯管，再用玻璃胶固定并封严接缝处，以防漏水，末端伸出完整的聚乙烯管接到密封的塑料袋内，在降雨期间对塑料袋中接存的水量进行测定．
1．3 数据处理与分析
利用Microsoft Excel 2003软件进行数据处理．
2 结果与分析
2．1 树干茎流与降雨量关系
本次研究共记录到11场降雨数据，每次降雨过后均测定大气降雨量和树干茎流量．以降雨量为横坐标，每场降雨每个树种各径级内的树木所产生的平均树干茎流量为纵坐标，得出不同树种、不同径级树干茎流量随降雨量的变化曲线，见图1．图1 不同树种、不同径级树干茎流随降雨量的变化Fig．1 The changes of the stemflow of different tree species and diameter class with rainfall
从图1可以看出:在不同的降雨条件下，所有树种树干茎流量都随径级的增大而增
加，不同径级的核桃楸树干茎流量均表现为当降雨量增加至13 mm左右时开始增加，而怀槐在8 mm、蒙古栎在3 mm、花曲柳在8 mm时开始增加，并且都有
径级越大，增加的幅度越明显的趋势．
通常在一次降水过程中，只有当树体表面充分湿润并有持续降水时才产生树干茎流，即存在一个产生树干茎流的降水临界值［14］，但从图1中发现，当降雨量为2 mm左右时4种树种各径级均存在一定量的树干茎流，这可能与此次降水发生时
树木还未完全展叶(4月25日)有关．
对核桃楸、花曲柳、怀槐和蒙古栎不同径级的树干茎流量与降雨量进行回归分析，得到不同树种、不同径级树干茎流与降雨量的拟合回归方程，见表1．由表1可知:树干茎流量与降雨量呈显著的二次函数关系，即 y=ax2+bx+c，其中:y为树干茎
流量;x为降雨量;a，b，c为常数;R2的变化范围为0．636 4～0．979 1．这一模型拟合结果与段文标等［15］对莲花湖库区水源涵养林的研究结果相似．此外，
关于树干茎流量与降雨量为幂函数模型或双曲线模型的报道也较多［9，16-17］，这说明不同地域及群落树干茎流具有独特性，经验模型不能随意外延和推广使用［9］．
2．2 树干茎流与树冠冠幅的关系
树木的树干茎流量除与降雨量关系密切外，还受树木自身因素的制约，包括冠幅、胸径、叶面积指数(LAI)、树皮的粗糙度、树枝夹角等［18］，其中树干茎流与冠
幅呈显著正相关关系［1］．
本文对4个树种4～8 cm，8～12 cm，12～16 cm，16～20 cm各径级平均树
干茎流量与其对应的平均冠幅的关系进行了拟合，其方程为y=ax+b，其中:y为树干茎流量;x为冠幅;a和b为常数．拟合结果表明二者存在正相关关系，随着冠幅
的增大树干茎流明显增加(见图2)，相关系数均在0．9以上，这与以往的研究结
果［1］一致．根据拟合结果可以发现，随着冠幅的增加，增幅最为明显的是花曲
柳，其次为蒙古栎，而核桃楸和怀槐增幅相对较小．
表1 树干茎流与降雨量关系模型Tab．1 The relationship model of rainfall and stem flow树种径级/cm 拟合方程 R2 855 1 8 ～12 y=26．32x2 －
186．95x+2 070．50 0．863 7核桃楸 12 ～16 y=30．45x2+147．77x+1 520．20 0．888 1 16 ～20 y=25．98x2+1 164．60x+138．01 0．636 4
20 ～24 y=20．88x2+777．21x+5 416．50 0．861 3 4 ～8
y=4．06x2+303．46x －348．71 0．786 5 4 ～8 y=10．32x2－
24．37x+380．62 0．花曲柳8 ～12 y=36．62x2 －380．19x+2 994．70 0．912 2 12 ～16 y=109．84x2 －776．81x+5 348．50 0．978 3 16 ～20
y=76．46x2+402．39x+5 737．10 0．889 0 4 ～8
y=5．87x2+92．13x+29．21 0．834 2 8 ～12
y=28．14x2+124．35x+972．84 0．911 6 12 ～16 y=46．76x2+66．17x+1 564．70 0．906 8怀槐 16 ～20 y=130．31x2－995．54x+4 921．00 0．970 5 20 ～24 y=9．38x2+2 329．90x －3 178．50 0．676 6 24 ～28
y=164．75x2 －1 115．80x+6 089．30 0．979 1 28 ～32
y=118．00x2+436．21x+3 856．00 0．834 6 4 ～8 y=14．76x2 －107．12x+744．32 0．738 1 8 ～12 y=15．80x2 －72．33x+1 003．80 0．871 2蒙古栎 12 ～16 y=33．54x2+37．29x+1 406．20 0．924 6 16 ～20 y=91．01x2 －315．74x+3 143．60 0．955 8 20 ～24
y=98．84x2+165．12x+5 354．30 0．957 8
图2 不同树种树干茎流量随冠幅的变化Fig．2 The changes of stem flow of different tree species with crown area
3 结论
1)4个树种树干茎流量的变化结果表明:在降雨过程中，随着径级的增加，树干茎流
量也随之增加．在低降雨量(核桃楸小于13 mm、怀槐小于8 mm、蒙古栎小于3 mm、花曲柳小于8 mm)时，树干茎流量变化不大，一旦高于临界降雨量，所有
径级树干茎流量都随着降雨量的增大而显著增加，且径级越大，增加的幅度越明显．2)不同树种及同一树种不同径级的树干径流量都可以用模型y=ax2+bx+c进行拟合，R2的变化范围为0．636 4 ～0．979 1．
3)树干茎流量与树种、冠幅等密切相关．研究发现:在降雨过程中，树干茎流量与
冠幅存在明显的正相关关系，其中花曲柳树干茎流量随冠幅的增大增幅最为明显，其次为蒙古栎、核桃楸和怀槐，二者关系可用方程y=ax+b进行拟合，相关系数
均在0．9以上．
参考文献:
【相关文献】
［1］崔鸿侠，刘学全，朱玫，等．丹江口库区主要森林类型树干茎流研究［J］．湖北林业科技，2012(4):1-4．
［2］赵玉涛，张志强，余新晓．森林流域界面水分传输规律研究述评［J］．水土保持学报，2002，16(1):92-95．
［3］ Carlyle-moses D E．Throughfall，Stem Flow，and Canopy Interception Loss Fluxes
in a Semi-Arid Sierra Madre Oriental Matorral Community［J］．Journal of Arid Environments，2004，58:181-202．
［4］Návar J，Bryan R B．Interception Loss and Rainfall Redistribution by Three Semi-Arid Growing Shrubs in Northeastern Mexico［J］．Journal of Hydrology，1990，115:51-63．
［5］ Delphis F L J，Ethan E F．A Review and Evaluation of Stem Flow Literature in the Hydrologic and Biogeochemical Cycles of Forested and Agricultural Ecosystems ［J］．Journal of Hydrology，2003，274:1-29．
［6］ Marin C T，Bouten W，Sevink J．Gross Rainfall and Its Partitioning into Through Fall，Stem Flow and Evaporation of Intercepted Water in Four Forest Ecosystems in Western Amazonia［J］．Journal of Hydrology，2000，237:40-57．
［7］ Price A G，Dunham K，Carleton T，et al．Variability of Water Fluxes through the Black Spruce(Picea mariana)Canopy and Feather Moss(Pleurozium schreberi)Carpet in the Boreal Forest of Northern Manitoba ［J］．Journal of Hydrology，1997，196:310-323．［8］王新平，康尔泗，张景光，等．荒漠地区主要固沙灌木的降水截留特征［J］．冰川冻土，2004，26(1):89-94．
［9］周择福，张光灿，刘霞，等．树干茎流研究方法及其述评［J］．水土保持学报，2004，
18(3):137-140，145．
［10］ Belmonte S F，Romero D A．A Simple Technique for Measuring Rainfall Interception by Small Shrub:“Interception Flow Collection Box”［J］．Hydrological Processes，1998，12:471-481．
［11］ Aboal J R，Morales D，Hernández M，et al．The Measurement and Modeling of the Variation of Stem Flow in Laurel Forest in Tenerife，Canary Islands［J］．Journal of Hydrology，1999，221:161-175．
［12］ Wang X P，Wang Z N，Berndtsson R，et al．Desert Shrub Stem Flow and Its Significance in Soil Moisture Replenishment［J］．Hydrology and Earth System Sciences，2011，15:561-567．
［13］项凤武，郑金萍，范春楠，等．吉林市磨盘山草本植物种类及其多样性［J］．北华大学学报:自然科学版，2006，7(1):75-78．
［14］郑绍伟，黎燕琼，陈俊华，等．官司河流域防护林区大气降雨和树干茎流特征研究［J］．四川林业科技，2010，31(2):60-63．
［15］段文标，刘少冲，陈立新．莲花湖区水源涵养林水文效应的研究［J］．水土保持学报，2005，19(5):26-30．
［16］董世仁，郭景唐，满荣洲．华北油松人工林的透流、干流和树冠截留［J］．北京林业大学
学报，1987，9(1):58-67．
［17］王佑民．我国林冠降水再分配研究综述(Ⅰ)［J］．西北林学院学报，2000，15(3):1-7．［18］王德连，雷瑞德，韩创举．国内外森林水文研究现状和进展［J］．西北林学院学报，2004，19(2):156-160．。