1、基于 Gash 模型对华北落叶松和油松人工林冠层截留的模拟 魏曦 毕华兴 梁文俊 北京林业大学水土保持学院 北京林果业生态环境功能提升协同创新中心 山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站 北京林业大学水土保持国家林业局重点实验室 山西农业大学林学院 摘 要： 为验证 Gash 模型对华北落叶松和油松人工林林冠截留模拟的适用性, 分别实测了 3 块落叶松和油松人工林样地的大气降雨、穿透雨、树干径流以及同步的相关气象环境资料, 利用 Gash 模型, 对 6 块样地的林冠截留分别进行模拟。结果表明:落叶松人工林和油松人工林林冠枝叶持水能力分别为 (1.720.48) mm和 (2.600.23
2、) mm, 树干持水能力分别为 (1.160.89) mm 和 (1.460.65) mm, 使林冠饱和的平均降雨量分别为 (2.500.53) mm 和 (2.980.63) mm;由 Penman-Monteith 公式得到各样地降雨时, 饱和林冠的蒸发速率为 (1.1410-11.4810-1) mm/h;Gash 模型对各样地截留和蒸发模拟值与实测值的相对误差在 0.07%7.51%之内, 模拟值与实测值的方差与均值无显著差异 (P0.1) , 且相关性很强 (R=0.99, P 0. 1) while the correlation of them was high ( R = 0.
3、 99, P 0. 01) , indicating the fine simulating effect of Gash analytic model. This study would improve the measurement accuracy of forest canopy interception, rainfall and stemflow of two main tree species, and provide more accurate numerical simulation and theoretical basis for hydrological cycle a
4、nd soil and water conservation in this area.Keyword： Gash analytic model; rainfall; canopy interception; Larix principis-rupprechtii; Pinus tabulaeformis; Received： 2017-07-03森林林冠对降雨的截留过程是森林水文学的一个关键环节, 林冠截留通过对降雨的再分配影响, 最终体现在落到地面上的降雨的质和量1。大气降水途经森林冠层后, 形成林冠截留、穿透雨与树干径流 3 种不同形式的降水, 一定程度上调整了降水量、强度及动能等特征,
5、 影响森林系统内的生态水文学过程。定量研究林冠截留量是研究林地水源涵养和水土保持的一个必要环节, 也是评价森林水土保持功能的重要指标。自从冠层截留概念的出现, 国内外对植被冠层截留的研究已经有较长时间。在定量方面, 早期研究大多基于常规性的监测, 工作量较大, 随着研究的不断进展, 模型模拟成为可靠和有效方法。目前林冠截留模型比较多, 主要分为 3 大类, 包括经验、半理论和理论模型2-7。经验模型可以用统计或回归方法, 基于实测数据建立, 但无法反映截留过程;理论模型虽然基于林冠截留动态过程的物理描述、推理过程和数量基础建立, 但较难应用于实际8;半理论模型主要侧重于机理的分析研究, 参数的
6、确定偏重于实测数据, 最后建立模型基本形式, 与前 2 种模型相比更具实用性9-10。其中, Gash 模型及其修正模型就是半理论模型的典型代表, 其模型物理基础较好, 参数确定较易, 成为目前测定林冠截留应用较为广泛的模型之一11-15。国内对于实测林冠截留的研究较多, 董世仁等16、张新献和贺庆棠17以及何常清等18将 Gash 模型应用在华北油松 (Pinus tabulaeformis) 林、热带季节雨林。笔者利用回归法, 确定了 2 种林分模型的林冠参数值, 对树干持水能力进行深入分析, 检验 Gash 模型在华北油松人工林、落叶松 (Larix principis-rupprech
7、tii) 人工林中的模拟效果, 提高了 2 种主要林分林冠截留、林内穿透雨和树干径流的测量精度, 为该地区水文循环和水土保持工作提供更为精确的数值模拟和理论依据。1 研究区概况研究区位于河北省围场县林场管理局 (E 1165111745, N 41474206) , 属于阴山山脉和燕山山脉的交接处, 南临京津地区, 北接浑善达克沙地, 海拔 7501 998 m, 属典型土石山区。气候属于中温带向寒温带过渡、半干旱向半湿润过渡的山地气候。年平均气温-1.44.7, 10年积温 1 610;全年无霜期 67128 d, 年均日照时间 2 832 h。年均降水量 380560 mm, 年均蒸发量
8、1 462.91 556.8 mm。研究区地貌类型较多, 土壤有褐土、棕壤、草甸土和风砂土等 7 类, 境内有小滦河、伊玛图河和伊逊河 3 条主要河流, 属于滦河支流。林场管理局林分面积 7 万 3 394.4 hm, 其中, 人工林 3 万 6 634.0 hm, 比例较大, 以华北落叶松人工林和油松人工林为主19。主要林下植物有平榛 (Corylus heterophylla) 、土庄绣线菊 (Spiraea pubescens) 、耧斗叶绣线菊 (Spiraea aquilegifolia) 和照山白 (Rhododendron micranthum) 等。2 研究方法2.1 实测林冠截
9、留量2.1.1 样地设置与调查在研究区分别设置 3 块华北落叶松和油松人工林样地, 各样地林分特征见表1。于 2015 年 710 月进行固定样地调查与观测, 内容包括乔木每木检尺和灌草调查, 用气温计、通风干湿表和曲管地温计, 测定各样地内 23 个不同坡位与距离样地 500 m 的空旷处的气温、空气相对湿度等。表 1 样地林分特征 Tab.1 Stand characteristics of sample plots 下载原表 2.1.2 林内穿透雨和树干径流测定2015 年雨季 (710 月) , 对研究区 6 个样地的林内穿透雨和树干径流进行测定。在各样地随机安置 4 个集雨槽 0.1
10、56 m, 槽底部用塑料管与雨量自记仪连接, 以测定穿透雨, 穿透雨量通过集雨槽面积与每次记录的雨量换算得出;同时, 在各样地外的空旷地上安置 6 个集雨槽作为对照, 集雨槽均距样地 50100 m, 集雨槽底部距离地面不低于 30 cm, 并与地面保持约 1的倾角 (在接水方向) 。根据径级分布, 在每块样地选择 56 株标准木。树干径流用塑料导管蛇形缠绕树干的基部采集, 底部通过塑料管连接雨量自记仪, 记录每次降雨的树干流量。各样地实测树干径流的计算公式如下:式中:F 为树干径流, mm;n 为树干径级数;C n为第 n 径级树干径流, cm;M n为第 n径级株数;S 为样地面积, m。
11、2.1.3 林冠截留量计算根据常用的林冠水量平衡公式 (2) 计算, 将试验期内各样地历次降雨的截留量累加求和。式中:I 为林冠截留量, mm;P 为大气降雨, mm;T 为穿透降雨, mm。2.2 Gash 模型Gash 模型 (Gash, 1979) 将每次降雨事件都分为 3 个过程, 即冠层湿润过程、冠层饱和状态及降雨停止后林冠干燥。每次模拟设定的相隔降雨事件有足够的时间干燥, 也就是相隔 2 次降雨事件没有任何相关联系。总的林冠截留量用分项求和的方式计算, 将多次降雨过程中截留损失相加, 得到截留总量。Gash 解析模型的基本形式为式中:p 为自由穿透降雨系数;p t为树干径流系数;P
12、 G为使林冠达到饱和的最小降雨量, mm; 为平均林冠蒸发速率;P G为单次降雨事件的降雨量, mm;P Gj为第j 次降雨量, mm; 为平均降雨强度, mm/h;q 为树干达到持水能力产生干流的降雨次数;S t为树干持水能力, mm;n 为林冠达到饱和的降雨次数;m 为林冠未达到饱和的降雨次数。冠层达到饱和所必需的降雨量由下式来确定:式中 S 为冠层枝叶的持水能力, mm。在降雨时段, 林冠蒸发速率的计算采用 Penman-Monteith 公式20式中: 为蒸发潜热 (=2.51-0.002 361T a) , k J/kg;Rn为净辐射通量, MJ/ms;G 为土壤热通量, MJ/ms
13、; 为空气密度, 1.204 kg/m;e s为饱和水汽压, Pa;e a为实际水汽压, Pa;r a为空气动力学阻力, s/m; 为干湿表常数, Pa/;c p为空气定压比热容, 1.004 8 k J/kg; 为饱和水汽压与温度曲线的斜率, Pa/。3 结果与分析3.1 林冠蒸发相关参数及蒸发速率的确定通过实地监测, 获得林冠蒸发所需相关参数, 经 Penman-Monteith 方程, 计算得到研究区 6 块样地的林冠平均蒸发速率 (表 2) 。表 2 林冠蒸发速率及相关参数 Tab.2 Evaporation rate of forest canopy and relevant par
14、ameters 下载原表 根据 2015 年 710 月 27 场降雨 (划分 2 场降雨的时间依据为间隔 4 h) 的观测数据可知, 降雨总量约为 174.28 mm (由于 6 块样地分布较广, 山区小气候差异, 降雨量稍有差异) , 平均降雨量为 6.54mm, 平均降雨强度 为 3.75 mm/h。从图 1 可知, 不论是落叶松林还是油松林, 穿透雨量与降雨量都呈正比线性函数关系, 穿透雨随着降雨量的增大不断增大。众多学者研究结果证实, 树干径流通常较小, 一般占降雨总量的比值5%, 很少超过 10%。树干径流量除受降雨特征、林分特征等影响, 还受树干本身性质 (树木胸径、树皮粗糙度等
15、) 影响。图 1 显示, 树干径流与降雨量也呈正比线性函数关系, 树干径流随着降雨量的增大不断增大。利用穿透雨-大气降雨关系曲线和树干径流-大气降雨关系曲线, 通过回归法 (图 1) , 确定林冠枝叶持水能力 Sc、树干持水能力 St和树干径流系数 pt。通常将穿透雨-大气降雨关系曲线的截距作为 Sc;树干径流-大气降雨关系曲线的直线斜率为树干径流系数 pt21;树干径流-大气降雨关系曲线的截距 bt (产生树干径流时的临界降雨量) 通常被视为树干持水能力 St, 而树体包括树干与树冠, S t应表示为 bt与 Sc的差值。由于实测 2 种林分各样地的 Sc、S t和 pt (表 3) 误差较
16、小, 这 3 个参数取落叶松林或油松林的均值。其中, 落叶松林和油松林的冠枝叶持水量分别为 Sc= (1.720.48) mm 和 Sc= (2.600.23) mm, 树干持水能力分别为 St= (2.871.16) mm 和 St= (1.460.65) mm, 树干径流系数分别为 pt= (1.08104.2410) 和 pt= (2.25108.4910) 。由于使林冠达到饱和的降雨量 PG是通过 和 p (自由穿透降雨系数 ) 确定 (表 3) , 虽然 Sc只与林分类型有关, 但各样地有不同的 和 p 值, 这样各样地的 PG值也不同。从表 3 可知, 油松林的林冠枝叶持水力和树干持水力均大于落叶松, 这样使油松林冠饱和与产生干流需要的降雨量也较大, 也就说明相同环境下, 油松人工林的林冠截留量大于落叶松林。图 1 穿透雨、树干茎流与降雨量关系 Fig.1 Relationships between throughfall, stemflow and rainfall in the studied area 下载原图表 3 2 种林分降雨参数与林冠参数 Tab.3 Parameters of rainfall and forest canopy of two kinds of forest in the studied area 下载原表
