韓 誠(chéng)，張金池，莊義琳，顧哲衍，劉 鑫，莊家堯

（南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037）

森林對(duì)大氣降水產(chǎn)生影響的第1個(gè)層次就是林冠[1]，林冠層對(duì)大氣降水的再分配作用在森林生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)過(guò)程中占據(jù)重要的地位。再分配作用增加了降水在空間分布上的多樣性，形成了3個(gè)部分：林冠截留、穿透雨以及樹(shù)干徑流，這3個(gè)部分對(duì)整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)均有重要的影響。目前已有大量文獻(xiàn)報(bào)道了中國(guó)主要森林的林冠截留特征，國(guó)內(nèi)主要森林生態(tài)系統(tǒng)的林冠截留率為11%～37%[2]，林冠截留中一部分水分被葉片、枝干吸收，一部分通過(guò)蒸發(fā)直接返回大氣[3]。在亞馬遜地區(qū)水循環(huán)過(guò)程中蒸發(fā)的水分25%～50%來(lái)自于降水，而其中的1/3來(lái)源于林冠截留[4]。降雨經(jīng)過(guò)林冠層形成具有較小動(dòng)能的穿透雨，減小降雨對(duì)林地的侵蝕，穿透雨中含有較為豐富的養(yǎng)分，這部分養(yǎng)分構(gòu)成了森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要組成[5]，部分研究顯示穿透雨具有匯集效應(yīng)[1,6]。樹(shù)干徑流所占比例較小，在研究中通常被忽視，但部分學(xué)者研究證明，某些地區(qū)忽視樹(shù)干徑流會(huì)造成很大的誤差[7-8]，樹(shù)干徑流通過(guò)淋洗林冠及樹(shù)干而獲得的養(yǎng)分?jǐn)?shù)倍于降雨以及穿透雨，這部分水分和養(yǎng)分可直達(dá)植物的根系，對(duì)干旱或半干旱地區(qū)的植被具有重要的生態(tài)意義[9]。杉木Cunninghamia lanceolata是中國(guó)特有的速生用材樹(shù)種，分布廣泛，有關(guān)杉木林水文效應(yīng)研究的文獻(xiàn)較多[10-14]，但這些研究存在研究地域較為分散和研究方法精確度不高等問(wèn)題。長(zhǎng)三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集，對(duì)水資源的需求大，杉木是該地區(qū)典型的常綠針葉樹(shù)之一，是重要的的造林樹(shù)種。目前，有關(guān)長(zhǎng)三角地區(qū)杉木林降雨再分配關(guān)系的研究較少，杉木林對(duì)該區(qū)域凈化水質(zhì)、水源涵養(yǎng)及水土保持具有重要的作用，對(duì)維持該地區(qū)的區(qū)域生態(tài)安全有著重要意義，對(duì)其豐水季的降雨再分配格局進(jìn)行深入分析，以期加深杉木林水文效應(yīng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)，為本地區(qū)水源涵養(yǎng)林樹(shù)種的選擇以及經(jīng)營(yíng)、管理提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究點(diǎn)設(shè)在南京市東善橋林場(chǎng)銅山分場(chǎng)（31°35′～31°39′N(xiāo)，118°50′～118°52′E），試驗(yàn)區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為15.1℃，無(wú)霜期229 d，年日照時(shí)數(shù)2199 h，年平均降水量1100 mm,時(shí)間分布上多存在2個(gè)多雨期：一是春夏之交的梅雨，二是夏季的臺(tái)風(fēng)雨，為每年的4月至9月。地形為蘇南丘陵,土壤類(lèi)型為黃棕壤。海拔在38～388 m,林分類(lèi)型以杉木Cunninghamia lanceolata，馬尾松Pinus massoniana，麻櫟Quercus acutissima，毛竹Phyllostachys edulis林和茶Camallia sinensis園為主。調(diào)查樣地位于陰坡中下部，杉木林平均坡度為22°，平均林齡45 a，平均郁閉度0.61，平均樹(shù)高10.8 m，平均胸徑13.2 cm，密度850株·hm-2。

2 試驗(yàn)材料與研究方法

在試驗(yàn)樣地外約20 m處的空曠地設(shè)置1臺(tái)翻斗式自記雨量計(jì)，持續(xù)測(cè)定（隔5 min自動(dòng)采集1次數(shù)據(jù)）林外降雨量和降雨過(guò)程。利用Decagon自動(dòng)氣象站（美國(guó)產(chǎn)）對(duì)空氣溫度、濕度、風(fēng)速以及風(fēng)向進(jìn)行測(cè)定（隔15 min自動(dòng)采集1次數(shù)據(jù)）。

選擇杉木林分中生長(zhǎng)條件良好的典型坡面設(shè)置林冠水文野外觀測(cè)點(diǎn)，選取1個(gè)樣地（20 m×20 m）設(shè)置3個(gè)集水槽（200 cm×20 cm×20 cm）收集穿透雨，布設(shè)集水槽時(shí)需要除去高于集水槽的植被，將降雨導(dǎo)入稱(chēng)量式自動(dòng)排液式測(cè)定系統(tǒng)，最后根據(jù)集水槽的面積以及3個(gè)集水槽收集到的穿透雨量換算出林內(nèi)穿透雨量（mm）。

試驗(yàn)采用自制試驗(yàn)裝置—樹(shù)干徑流儀。該裝置采用噴塑鐵皮由模具制成半圓形容器，2個(gè)半圓形容器圍繞同等直徑樹(shù)干合圍，形成樹(shù)干徑流收集裝置。鐵皮與樹(shù)干直接用玻璃膠消除縫隙，裝置下方有出水口，連接皮管將收集到的雨水導(dǎo)入下方放置的翻斗式雨量計(jì)中，通過(guò)翻斗式雨量計(jì)來(lái)計(jì)算收集到的樹(shù)干徑流量。按4 cm為1個(gè)徑級(jí)劃分分布，選取樣地中3株接近各徑級(jí)平均胸徑的樣木（共9株），裝置儀器進(jìn)行觀測(cè)，然后將徑流量按林木徑級(jí)及其權(quán)重進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用加權(quán)平均法推算出林分的樹(shù)干徑流量。

利用水量平衡方程I=P-S-T計(jì)算林冠截留量，其中：I為林冠截留量（mm），P為大氣降雨量（mm），S為樹(shù)干徑流量（mm），T為穿透雨量（mm）。

3 結(jié)果與分析

3.1 林外降雨特征

在觀測(cè)期2012年4-9月內(nèi)，累計(jì)47場(chǎng)降雨。為方便研究該地區(qū)降雨特征，依據(jù)降雨量的大小依次分為：0～1，1～5，5～10，10～15，15～20，20～30，＞30 mm 共 7 個(gè)降雨等級(jí)（表1）。對(duì)檢測(cè)到的大氣降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行分析表明：從降雨量級(jí)的分布來(lái)看，降雨量＜10.0 mm的小雨占總降雨場(chǎng)數(shù)的比例最大，總計(jì)70.21%。從降雨量來(lái)看，占降雨場(chǎng)數(shù)最少的＞30.0 mm的降雨占總降雨量的比例最大，為41.56%，而占據(jù)降雨場(chǎng)數(shù)比例優(yōu)勢(shì)的小雨僅占降雨量的19.86%。研究區(qū)內(nèi)降雨強(qiáng)度較小的降雨事件占據(jù)優(yōu)勢(shì)，＜1.5 mm·h－1的降雨占到降雨次數(shù)的68.1%。

表1 降雨特征Table1 Rainfall characteristics

3.2 降雨再分配的影響因子

林分特征與氣象特征影響林冠層降雨再分配格局。本研究觀測(cè)的氣象因子包括降雨量、降雨強(qiáng)度、空氣相對(duì)濕度、空氣溫度、風(fēng)速、風(fēng)向，利用SPSS 19對(duì)氣象因子與穿透雨、樹(shù)干徑流以及林冠截留進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，降雨量、降雨強(qiáng)度與穿透雨、樹(shù)干徑流以及林冠截留相關(guān)性極為顯著，風(fēng)速與穿透雨和樹(shù)干徑流呈顯著正相關(guān)，空氣相對(duì)濕度、空氣溫度以及風(fēng)向與穿透雨、樹(shù)干徑流以及林冠截留并無(wú)顯著相關(guān)性（表2）。

表2 穿透雨、樹(shù)干徑流、林冠截留與氣象因子的Pearson相關(guān)系數(shù)Table2 Pearson correlation between throughfall，stemflow and canopy interception and environmental factors

3.3 林內(nèi)穿透雨特征

基于2012年4月至9月觀測(cè)到的降雨與穿透雨的數(shù)據(jù)，杉木林內(nèi)累計(jì)穿透雨量344.1 mm，占降雨量比例的73.1%。影響穿透雨的影響因子包括氣象因子和林分因子。本次研究探討了穿透雨量、穿透雨率與降雨量及降雨強(qiáng)度的關(guān)系。圖1顯示了長(zhǎng)三角地區(qū)杉木林的穿透雨量與降雨量具有顯著的線(xiàn)性正相關(guān)，穿透雨量隨林外降雨量的增加而變大。在降雨量較小時(shí)穿透雨會(huì)被林冠全部截持，當(dāng)穿透雨量為0 mm時(shí)X軸的截距就為形成穿透雨的最小雨量，而這個(gè)值可以根據(jù)擬合出的方程計(jì)算得到，長(zhǎng)三角地區(qū)杉木林形成穿透雨的最小雨量為0.9 mm。降雨量與穿透雨率的回歸關(guān)系為對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，降雨量＜20.0 mm時(shí)，隨降雨量增大穿透雨率增加速度較快，之后增加較為緩慢并趨于穩(wěn)定。根據(jù)最大R2值來(lái)判斷，穿透雨量、穿透雨率與降雨強(qiáng)度的關(guān)系用對(duì)數(shù)函數(shù)擬合效果較好，降雨強(qiáng)度＜2.5 mm·h－1時(shí)，穿透雨量增長(zhǎng)較快，之后穿透雨增長(zhǎng)速度減緩，穿透雨率在降雨強(qiáng)度＜5.0 mm·h－1時(shí)增長(zhǎng)速度最快，隨后增長(zhǎng)速度變緩（圖 2）。

圖1 穿透雨量、穿透雨率與降雨量的關(guān)系Figure1 Relationship between throughfall,throughfall rate and rainfall

圖2 穿透雨量、穿透雨率與降雨強(qiáng)度的關(guān)系Figure2 Relationship between throughfall,throughfall rate and rainfall intensity

3.4 樹(shù)干徑流特征

樹(shù)干徑流量所占比例小，在研究過(guò)程中通常會(huì)被很多研究者忽略，但是這部分水分中包含的養(yǎng)分濃度數(shù)倍于大氣降水和穿透雨，并且可以直達(dá)植物根系地區(qū)便于植物的吸收和利用，在干旱區(qū)這部分水分對(duì)植被尤為重要。觀測(cè)期內(nèi)，杉木林累計(jì)樹(shù)干徑流量10.3 mm，占降雨量的2.2%。長(zhǎng)三角地區(qū)杉木林樹(shù)干徑流量與降雨量呈顯著的線(xiàn)性關(guān)系，樹(shù)干徑流量隨降雨量的增大而增加，雨量較小的降雨形成不了樹(shù)干徑流。形成樹(shù)干徑流的最小雨量為擬合方程與X軸的截距，經(jīng)計(jì)算杉木林樹(shù)干徑流形成的最小雨量為4.1 mm。樹(shù)干徑流率與降雨量也有顯著的線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系（圖3）。樹(shù)干徑流量、樹(shù)干徑流率與降雨強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系用二次函數(shù)可得到較為滿(mǎn)意的擬合結(jié)果，樹(shù)干徑流量、樹(shù)干徑流率隨降雨強(qiáng)度的變化規(guī)律都是先增大后減小呈拋物線(xiàn)形，在5 mm·h－1左右達(dá)到最大值隨后開(kāi)始減小，推測(cè)原因降雨強(qiáng)度超過(guò)一定范圍，雨滴的沖擊力過(guò)強(qiáng)導(dǎo)致葉片、枝干截留降水減少，因此樹(shù)干徑流量、樹(shù)干徑流率也隨之變?。▓D4）。

圖3 樹(shù)干徑流量、樹(shù)干徑流率與降雨量的關(guān)系Figure3 Relationship between stemflow,stemflow rate and rainfall

3.5 林冠截留特征

由圖5可知：杉木林林冠截留量與降雨量呈線(xiàn)性關(guān)系，林冠截留率與降雨量的關(guān)系可以用冪函數(shù)曲線(xiàn)來(lái)擬合，擬合效果較好。這與多數(shù)學(xué)者在不同地區(qū)的研究相符合。林冠截留量隨降雨的增大而增大，但增長(zhǎng)速率漸緩，林冠截留率在＜10 mm階段下降速度快，之后隨降雨量的增加而減少并趨于穩(wěn)定。林冠截留量與降雨強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系用二次函數(shù)擬合可得到較滿(mǎn)意的效果，林冠截留量并不是一直隨降雨強(qiáng)度的增大而增大，而是隨降雨強(qiáng)度的增大先增大后減小呈拋物線(xiàn)形。推測(cè)原因，是由于降雨強(qiáng)度較小時(shí)林冠層可以截留大部分的降水，隨著降雨強(qiáng)度的增大截留量也緊跟著增大，但當(dāng)降雨強(qiáng)度超過(guò)一定值之后，雨滴的動(dòng)能過(guò)大造成林冠層機(jī)械晃動(dòng)劇烈導(dǎo)致冠層截持不住降水，導(dǎo)致截留量反而下降。林冠截留率與降雨強(qiáng)度呈顯著的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系（P＜0.01），在0～5 mm·h-1階段下降十分迅速，之后隨降雨強(qiáng)度的變大而減小，但趨勢(shì)較緩和（圖6）。

圖4 樹(shù)干徑流量、樹(shù)干徑流率與降雨強(qiáng)度的關(guān)系Figure4 Relationship between stemflow,stemflow rate and rainfall intensity

圖5 林冠截留量、林冠截留率與降雨量的關(guān)系Figure5 Relationship between canopy interception,canopy interception rate and rainfall

圖6 林冠截留量、林冠截留率與降雨強(qiáng)度的關(guān)系Figure6 Relationship between canopy interception,canopy interception rate and rainfall intensity

4 結(jié)論與討論

本研究采用定位觀測(cè)的方法對(duì)南京市東善橋林場(chǎng)銅山分場(chǎng)杉木林的降雨再分配進(jìn)行了測(cè)定。通過(guò)相關(guān)性分析，篩選出的影響降雨再分配的主要?dú)庀笠蜃訛榻涤炅?、降雨?qiáng)度以及風(fēng)速，并詳細(xì)分析了降雨量、降雨強(qiáng)度與穿透雨、樹(shù)干徑流以及林冠截留的關(guān)系，分析結(jié)果如下：①2012年4月至2012年9月之間，長(zhǎng)三角地區(qū)杉木林內(nèi)穿透雨占降雨量的73.1%。杉木林的穿透雨量與降雨量具有極顯著的線(xiàn)性正相關(guān)，形成穿透雨的最小雨量為0.9 mm，在某些降雨量很小但降雨強(qiáng)度較大的降雨事件中，降雨量未達(dá)到0.9 mm穿透雨量也會(huì)出現(xiàn)，但0.9 mm這個(gè)結(jié)果與觀測(cè)到的絕大多數(shù)降雨數(shù)據(jù)吻合。穿透雨率與降雨量的回歸關(guān)系為對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。穿透雨量、穿透雨率與降雨強(qiáng)度的關(guān)系用對(duì)數(shù)函數(shù)擬合效果較好，曲線(xiàn)變化趨勢(shì)均是前期增長(zhǎng)較快，隨后增加速度變緩并趨于穩(wěn)定。②調(diào)查期內(nèi)，杉木林累計(jì)樹(shù)干徑流量10.3 mm，占據(jù)降雨量比例的2.2%，低于于小軍等[11]在會(huì)同生態(tài)試驗(yàn)站測(cè)定的杉木林樹(shù)干徑流率（4.45%），推測(cè)原因本研究區(qū)年平均降水量較低，且小雨量低強(qiáng)度的降雨占據(jù)優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致了樹(shù)干徑流率較低。杉木林樹(shù)干徑流量、樹(shù)干徑流率與降雨量呈極顯著的線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系，均隨林外降雨量的增加而增大。杉木林樹(shù)干徑流量、樹(shù)干徑流率與降雨強(qiáng)度的關(guān)系用二次函數(shù)擬合可得到較滿(mǎn)意的結(jié)果，兩者隨降雨強(qiáng)度的變化趨勢(shì)都呈拋物線(xiàn)形，先增大后減小，這可能是雨強(qiáng)較小時(shí)林冠層截持的降雨順著枝干到達(dá)根部底端轉(zhuǎn)化為樹(shù)干徑流，降雨強(qiáng)度變大，降雨較強(qiáng)的沖擊力導(dǎo)致林冠層可截留的降雨減少，最終到達(dá)根部的樹(shù)干徑流量也變少。③研究林分杉木林冠截留量（116.3 mm）占降雨量的24.7%，杉木林冠截留量與降雨量的關(guān)系用冪函數(shù)擬合效果最好，與鞏合德等[13]和張志永等[14]研究得出林冠截留量與降雨量呈冪函數(shù)（I=aPb）的關(guān)系結(jié)論一致，林冠截留率隨降雨量的增大而減小，體現(xiàn)出林冠層蓄水能力的有限性，用冪函數(shù)方程最能反映林冠截留率與降雨量的關(guān)系。賈永正等[15]對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)毛竹林冠截留的研究也得出相同結(jié)果。林冠截留量與降雨強(qiáng)度用二次函數(shù)擬合效果較好，隨降雨強(qiáng)度的增大林冠截留先增大后減小，林冠截留量曲線(xiàn)呈拋物線(xiàn)形，當(dāng)雨強(qiáng)超過(guò)10 mm·h-1左右時(shí)，林冠層受到雨滴的沖擊過(guò)大導(dǎo)致截留的降水變少。隨降雨強(qiáng)度的增大，截留率持續(xù)降低，前期下降較快，之后下降速率變緩。

John等[16]研究得出風(fēng)速風(fēng)向、空氣溫濕度等氣象因子也會(huì)對(duì)樹(shù)干徑流、穿透雨以及林冠截留產(chǎn)生影響，此次研究中降雨再分配與空氣相對(duì)濕度、氣溫以及風(fēng)向等氣象因子并無(wú)顯著的相關(guān)性，僅僅與風(fēng)速有一定的相關(guān)性，在今后的觀測(cè)中需要進(jìn)行連續(xù)長(zhǎng)期的定位觀測(cè)，以獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)論。

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