張 焜，張洪江，程金花，王 冉，王 賢，宋 楠

（北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083）

林冠截留作用能夠削弱雨滴對(duì)地表的打擊力，減輕地表侵蝕危險(xiǎn)，同時(shí)減少地表產(chǎn)流量，起到了削減洪峰流量和涵養(yǎng)水源的生態(tài)功效，在森林水文中發(fā)揮著重要的作用，一直是水土保持和森林水文研究的重點(diǎn)［1－5］。其以降水為前提，受降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨的時(shí)空分布、林分結(jié)構(gòu)等諸多因子影響。筆者對(duì)四面山針葉林、常綠闊葉林和針闊混交林三種人工林林冠的截留能力進(jìn)行比較，并研究林冠截留和降雨量之間的關(guān)系，為評(píng)價(jià)三峽庫(kù)區(qū)不同人工林的森林水文作用和防護(hù)林的建設(shè)經(jīng)營(yíng)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

四面山位于重慶市江津區(qū)南部，幅員面積213.37km2，東經(jīng)106″17′－106″30′，北緯28″31′－28″43′，系云貴高原大婁山北側(cè)余脈。巖層主要是白堊紀(jì)晚期夾關(guān)組厚層紅色砂巖經(jīng)張力作用和外營(yíng)力作用的強(qiáng)烈沖蝕切割形成的典型丹霞地貌。

四面山屬于中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，氣候溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛，四季分明，無(wú)霜期為285d。多年平均氣溫13.7℃，月平均最高氣溫為8月份，達(dá)31.5℃，月平均最低氣溫為1月份，為－5.5℃，海拔每上升100m，氣溫遞減0.58℃。年日照時(shí)數(shù)867h。年均降雨量1522 .3mm，雨季集中在5－9月，占年平均降雨量的62.7%。降雨量變化較大，海拔每上升100 m，降雨量遞增43.3mm。海拔500～1700 m。

該研究區(qū)內(nèi)的植被具有典型的亞熱帶常綠闊葉林特征，是由天然次生林和人工林組成。其中，人工林比較典型的群落類型有針葉林、常綠闊葉林和針闊混交林。主要的喬木樹種有杉木（Cunninghamia lanceolata）、馬尾松（Pinus massoniana）、石櫟（Lithocarpus glaber）、木荷（Schima superba）、福建柏（Fokienia hodginsii）、香樟（Cinnamomum camphora）、楓香（Liquidambar formsana）、紫花杜鵑（Rhododendron backii）和楠竹（Phyllostachys pubescens）等竹類植物。

在研究區(qū)內(nèi)設(shè)置了針葉林、常綠闊葉林和針闊混交林3種類型林分的標(biāo)準(zhǔn)地，對(duì)其林冠截留效應(yīng)進(jìn)行研究。要求在地貌、地質(zhì)、土壤、植被等方面具有代表性，坡度土壤特性等具有一致性，坡面上盡可能保持自然狀態(tài)［3］，各標(biāo)準(zhǔn)地基本情況見表1。

表1 四面山典型人工林森林群落標(biāo)準(zhǔn)地基本情況

2 研究方法

2.1 林外降雨的測(cè)定

林外降雨由Vantage PRO 2小型氣象觀測(cè)站（美國(guó)產(chǎn)）進(jìn)行持續(xù)測(cè)定，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為1h。林外降雨量即為一次降雨歷時(shí)的氣象數(shù)據(jù)累加值。

2.2 穿透雨量的測(cè)定

根據(jù)冠層枝葉分布情況和林分的郁閉狀況，分別在每種林分內(nèi)選取兩個(gè)具有代表性的采樣點(diǎn)，清除采樣點(diǎn)的灌木層以減小誤差，在采樣點(diǎn)布設(shè)簡(jiǎn)易雨量計(jì)進(jìn)行采樣，每次降雨后測(cè)定雨量，并取兩個(gè)雨量計(jì)中雨量的平均值，作為對(duì)應(yīng)林分的穿透雨量。

為減少簡(jiǎn)易雨量計(jì)內(nèi)水分蒸發(fā)引起的觀測(cè)誤差，在每次降雨結(jié)束后，立即測(cè)定林內(nèi)穿透雨量。

2.3 樹干徑流量的測(cè)定

樹干徑流量測(cè)定采用收集槽法。每個(gè)樣地選3～5株成年樹種，在選好的樹干上1.5m高處按環(huán)狀刻出小溝，將聚乙烯塑料管縱向剖開后，沿樹干周圍呈螺旋狀固定在樹干上，用硅膠將接觸處密封，塑料管下端接容器承接樹干徑流，及時(shí)測(cè)定容器中收集的水量，每個(gè)樣地取平均值作為干流量［5］。

2.4 林冠截留量計(jì)算

采用水量平衡法［6］計(jì)算林冠截留量，如公式（1）所示:

式中:I——林冠截留量（mm）；P——林外降雨量（mm）；T——穿透雨量（mm）；S——樹干莖流量（mm）.

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征

重慶四面山地區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，雨量充沛，雨季集中在5－9月。2009年四面山雨季降雨?duì)顩r如圖1所示。

圖1 2009年雨季降雨?duì)顩r

該地區(qū)雨季降雨總量為768.2mm，其中6月份降雨量最大，為332.6mm，9月份降雨量最小，僅為48.6mm。以降雨強(qiáng)度為指標(biāo)分析次降雨的發(fā)生頻率發(fā)現(xiàn):中雨（24h內(nèi)降雨量為10～24.9mm）發(fā)生的頻率最高，為36%，大雨（24h內(nèi)降雨量為25～49.9 mm）發(fā)生的頻率次之，為24%。

3.2 林冠截留量與降雨量的關(guān)系

一般來(lái)講，降雨量是影響林冠截留的主導(dǎo)因素［3－8］。將實(shí)驗(yàn)單次降雨的林外降雨量和對(duì)應(yīng)林冠截留量點(diǎn)繪成散點(diǎn)圖，見圖2。在低雨量級(jí)（0～24.9 mm）時(shí)，林冠截留量隨降雨量的增加而增加，逐漸趨向于飽和截留量（針葉林、闊葉林和針闊混交林的飽和截留量大約分別為22.48，23.61，30.93mm）；林冠截留量接近或達(dá)到飽和截留量后，林冠截留量的增加會(huì)很少或者不再增加［5］。許多學(xué)者［3－9］對(duì)林冠截留量與降雨量的關(guān)系進(jìn)行了研究，有的認(rèn)為二者存在著正相關(guān)關(guān)系，有的表現(xiàn)為線性相關(guān)，有的表現(xiàn)為冪函數(shù)關(guān)系。該地區(qū)的研究結(jié)果表明林冠截留量與降雨量呈冪函數(shù)關(guān)系，如式（2）:

式中:I——林冠截留量（mm）；P——林外降雨量（mm）；a，b——常數(shù)。

這與閆文德先生等在湖南株洲的研究結(jié)果相類似［4］。

圖2 次降雨林冠截留量隨林外降雨量變化關(guān)系

3.3 穿透雨量與降雨量的關(guān)系

降雨除被樹冠截留和沿樹干流下外，其余落入林地的稱為穿透雨，包括直接到達(dá)地面的降雨和從樹冠上滴落下的降雨［5］。其受降雨特征、森林郁閉度和植被蓋度等因子影響。

根據(jù)2009年5－9月25場(chǎng)實(shí)測(cè)降雨資料，對(duì)林外降雨及林內(nèi)穿透雨數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)各種森林類型的穿透雨量與林外降雨量呈明顯的線性關(guān)系，可以用一元線性回歸模型表示，如式（3）:

式中:P——林外降雨量（mm）；P′——林內(nèi)穿透雨量（mm）；c，d——常數(shù)。

林內(nèi)穿透雨量隨林外降雨量的增加而增加，上述回歸模型和試驗(yàn)采樣數(shù)據(jù)擬合程度高（圖3）。

圖3 穿透雨量與林外降雨量變化關(guān)系

3.4 不同森林類型林分林冠截留能力比較

林冠截留受森林自身因素的影響很大，包括森林類型、森林結(jié)構(gòu)和森林覆蓋率等。組成森林生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，濕潤(rùn)全部枝葉和樹干所需的降雨量就越大［3］。

在2009年5－9月間25場(chǎng)降雨所觀測(cè)的不同標(biāo)準(zhǔn)地林冠截留數(shù)據(jù)見表2。

從表2可以看出，不同森林類型典型林分的林冠截留能力不同。從整個(gè)雨季25場(chǎng)降雨的總林冠截留率（各次降雨后林冠截留量的總和與降雨量的總和之比）來(lái)看，3種林分的大小順序?yàn)?針闊混交林（32.97%）＞針葉林（27.36%）＞ 常綠闊葉林（21.85%）；從平均的林冠截留率（各次降雨后林冠截留率的平均值）來(lái)看，3種林分的大小順序依然是針闊混交林（40.77%）＞針葉林（31.86%）＞常綠闊葉林（27.82%）。林冠截留能力與林分本身的結(jié)構(gòu)特征、降雨特性、樹冠最大容量有關(guān)。本試驗(yàn)中，因針闊混交林的林冠層次多，樹冠容水量高［2］，所以對(duì)降雨的截留作用最大；而常綠闊葉林的枝葉容水量較小，所以其對(duì)降雨的截持能力最低。

表2 不同森林類型典型林分林冠截留能力分析

4 結(jié)論

（1）林冠截留量與降雨量呈冪函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為:I＝aPb，（I——林冠截留量；P——林外降雨量）。林冠截留量隨降雨量的增加而增加，并逐漸趨向于飽和截留量，隨后林冠截留量會(huì)隨著降雨量的繼續(xù)增加而增加很少或者不再增加。針葉林、常綠闊葉林和針闊混交林達(dá)到飽和截留量時(shí)的降雨量分別為:55.4，52.2，102.4mm。

（2）穿透雨量與降雨量的關(guān)系可用一元線性回歸模型表示:P′＝cP＋d，（P′——林內(nèi)穿透降雨量；P——林外降雨量）。穿透雨量隨降雨量的增加而增加，二者呈明顯的線性關(guān)系，因此，可用降雨量來(lái)估測(cè)穿透雨量的大小。

（3）3種典型人工林的林冠截留率大小順序?yàn)獒橀熁旖涣郑踞樔~林＞常綠闊葉林。其中，整個(gè)雨季的總截留率分別為:32.97%，27.36%，21.85%，平均截留率分別為:40.77%，31.86%，27.82%。針闊混交林的林冠層次多，樹冠容水量高，所以，其對(duì)降雨的截留作用最大。

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