伍　倩,閆文德,2,3,*,趙亮生,鄧湘雯,2,5,寧　晨,2,3,項文化,5

1 中南林業(yè)科技大學(xué), 長沙　410004

2 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室, 長沙　410004

3 城市森林生態(tài)湖南省重點實驗室, 長沙　410004

4 甘肅省白龍江林業(yè)管理局林業(yè)科學(xué)研究所, 蘭州　730070

5 湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站, 會同　418307

?

湖南會同杉木人工林林冠截留特征

伍倩1,閆文德1,2,3,*,趙亮生4,鄧湘雯1,2,5,寧晨1,2,3,項文化1,5

1 中南林業(yè)科技大學(xué), 長沙410004

2 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室, 長沙410004

3 城市森林生態(tài)湖南省重點實驗室, 長沙410004

4 甘肅省白龍江林業(yè)管理局林業(yè)科學(xué)研究所, 蘭州730070

5 湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站, 會同418307

林冠對降水的截留是森林生態(tài)系統(tǒng)水分平衡的一個重要組成部分,在水分循環(huán)和水資源管理方面起著非常重要的作用。杉木是我國特有的速生商品材樹種,研究杉木人工林各生長階段的林冠截留,能更好的了解杉木各生長階段的水循環(huán)過程以及涵養(yǎng)水源的能力。以湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站第Ⅲ集水區(qū)杉木人工林為研究對象,采用小集水區(qū)徑流場綜合試驗法對1983年至2007年杉木人工林幼齡階段、中齡階段及近熟階段3個不同生長階段的林冠截留進行分析。結(jié)果表明：(1)杉木人工林不同生長階段年均截留率分別為：幼齡階段26%、中齡階段27.86%和近熟階段29.47%,3個階段的截留率季節(jié)變化規(guī)律相似,但在降雨量較小的月份,近熟階段的截留率明顯高于幼齡階段。(2)在雨量級小于1.0 mm時,3個階段林冠截留率都較高且無明顯差別,均在86%以上；在1.0—2.0mm雨量級時,3個階段截留率與雨量級小于1.0 mm時均大幅降低,但3個階段截留率物顯著差異,幼齡階段48.1%、中齡階段48.7%和近熟階段47.1%；在進入2.0—4.0 mm雨量級時,3個階段截留率差異較大,幼齡階段30.5%、中齡階段38.4%和近熟階段44.1%,近熟階段的林冠能截留住更多的降雨；當(dāng)降雨量大于100 mm時,3個階段林冠截留率又無明顯差異截留率均低于10%。(3)Fan模型對各階段杉木人工林林冠截留的模擬較為理想。

杉木人工林；降雨量；林冠截留；模型

林冠是森林與外界環(huán)境相互作用最直接和最活躍的界面層,通過遮蔭、截留降水和蒸騰蒸發(fā)等作用參與森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)[1],林冠截留作為水文過程中的重要一環(huán),是降雨在到達地面過程中發(fā)生的第一次水量分配[2],它不僅影響降水的重新分配,還可以對降雨產(chǎn)生滯留作用及影響雨水中營養(yǎng)元素的輸入等[3],是森林生態(tài)系統(tǒng)重要的生態(tài)水文功能之一,在森林生態(tài)系統(tǒng)文循環(huán)中占居重要地位[4]。森林林冠以其特有的結(jié)構(gòu),減少水分輸入,影響地表徑流,進而影響林地土壤的水分空間分布格局以及養(yǎng)分的循環(huán)和利用[5],對林冠水文效應(yīng)的研究,有利于探明森林對降水的分配機制。

林冠截留研究已經(jīng)有100多年的歷史[6],國內(nèi)外許多學(xué)者對林冠截留降水做了大量研究,掌握了大量的研究方法[2,7],獲取了大量有關(guān)林冠截留量和截留率的實測數(shù)據(jù)[8-10]。據(jù)研究,在茂密的森林中,林冠對次降雨的截留量可達10—20 mm,而林冠層的年截留量與年降雨量以及年內(nèi)降雨的次數(shù)有關(guān),其量可以達到年降水量的15%—45%[11-12]。由于植被種類、密度、結(jié)構(gòu)和氣象條件的不同,截留量存在很大差異,一些地方的植被截留量可能占到降雨量的50%[13]。關(guān)于林冠截留模型方面很多學(xué)者作了很多研究[14-20],一些學(xué)者對杉木人工林對降水的截留作用作了研究[21-22],但都是針對杉木人工林某一生長階段對降水的截留作用,而要對杉木林不同生長階段林冠截留特征進行研究則需要長期的定位觀測,因此一直沒有關(guān)于杉木人工林不同生長階段對降雨截留的報道。本文以長時間的定位觀測研究為基礎(chǔ),研究杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)隨著林分的生長,林冠層對大氣降雨的截留動態(tài)變化,揭示各生長階段杉木林林冠層對降水的截留作用,闡明不同生長階段森林的水分分配機制影響及其生態(tài)學(xué)意義,為杉木人工林水文生態(tài)功能評估提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)基本情況

1.1試驗地概況

試驗地設(shè)在湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站(會同生態(tài)站),該站位于湖南省西南部會同縣境內(nèi),站內(nèi)設(shè)有8個面積約2 hm2的試驗小集水區(qū),本研究選取第Ⅲ集水區(qū)作為研究對象,第Ⅲ集水區(qū)概況見表1；第Ⅲ集水區(qū)在1987年年底皆伐第一代杉木人工林,1988年整地營造第二代杉木人工林。根據(jù)南方杉木人工林的生長速度規(guī)律,按5a為1個齡級,結(jié)合齡級將林分分為不同生長階段[5]。即1988—1992年為幼苗階段；1993—1997年為幼齡階段；1998—2002為中齡階段；2003—2007年為近熟階段,各生長階段林分特征見表2。林下代表植物主要有杜莖山Maesajaponia(thunb)Moritzi、狗脊Rhizomacibotti、蕨類Pteridophyta等。

表1　第Ⅲ集水區(qū)概況Table 1　The general situation of the Ⅲ Watershed

表2　第Ⅲ集水區(qū)杉木人工林不同生長階段林分特征Table 2　The characteristics of the different growth and development phases Chinese fir plantations

1.2研究區(qū)降水分布概況

1.2.1研究區(qū)降雨量

1983—2007年年降雨量如圖1所示,25a年均降雨量1312.6 mm。表3為集水區(qū)1983—2007年每月林外降水觀測數(shù)據(jù)。從表3可以看出,25年間每年1—6月降雨次數(shù)(2256次)遠大于7—12月(1353次),占全年降雨次數(shù)的62.51%；但是大的降雨量集中分布在4—8月份,這5個月的降雨次數(shù)占總降雨次數(shù)的44.22%,但是降雨量卻占總降雨量的 62.02%,而其余各月的月平均降水量均不足100 mm。另一方面9—12月,降雨次數(shù)和降雨量明顯減少,屬于相對干旱階段;從12月到次年3月則進入降雨事件頻發(fā)但降水量不高的階段?？傊?研究區(qū)年降雨量分布不均勻,年降水量主要依賴4—8月降雨。

圖1　第Ⅲ集水區(qū)各年降雨量分布(1982—2007年)Fig.1　Annual rainfall at the Ⅲ Watershed (1982—2007)

1.2.2研究區(qū)降雨強度

表4為1983—2007年間研究區(qū)降雨按降雨強度統(tǒng)計結(jié)果,研究區(qū)一次性降雨強度在 0.5—5.0 mm/d的日降水量小于10 mm/d的降雨(小雨)總次數(shù)為2656次,占總降雨次數(shù)的73.59%,小雨的總降雨量為 7660.0 mm/d,占總降雨量的23.34%。在3609次降水中,出現(xiàn)在10—25 mm/d以及25—50 mm/d的中雨和大雨的降雨量,分別占總降雨量的30.76%和28.69%,但其降雨次數(shù)分別只占17.21%和7.09%；降雨量大于 50 mm/d的暴雨和大于100 mm/d大暴雨等高強度的降雨次數(shù)只有76次,占總降雨次數(shù)的2.11%,它們的總降雨量卻高達5645.0mm,占總降雨量的17.20%。因此可以看出,在該研究區(qū)域內(nèi),小雨的降水次數(shù)雖然多,但是中雨、大雨和暴雨的降雨量卻占了總降雨量主要的一部分。

表3　第Ⅲ集水區(qū)林外降水特征分布(按月統(tǒng)計,1983—2007年)Table 3　The characteristics of rainfall of the Ⅲ watershed according to month (1983—2007)

表4　第Ⅲ集水區(qū)林外降水特征分布(按降雨強度統(tǒng)計,1983—2007年)Table 4　The characteristics of rainfall outside the Ⅲ watershed according to its intensity (1983—2007)

2　研究方法

本研究選取第Ⅲ集水區(qū)杉木人工林為研究對象,采用小集水區(qū)徑流場綜合試驗法[23],從1995年林分接近郁閉開始記錄林內(nèi)穿透水。

第Ⅲ集水區(qū)降水?dāng)?shù)據(jù)(P)主要收集裝置是氣象梯度觀測鐵塔頂上(22 m高)和距離集水區(qū)約200 m的林外空曠地安裝遙測雨量計,該裝置可以連續(xù)測定降水量和降水強度。同時,在相同地點利用普通雨量計測定降水量作為對照。分別在第Ⅲ集水區(qū)的山洼、山麓、山坡3個部位設(shè)置一個18—20m2的穿透水承接裝置,用SW-40型日記水位計測定穿透水的量。

穿透水量(Pt)按下列公式換算成mm：

(1)

式中,Pt為穿透雨量(mm),Δt為時距(min),H為平均水頭高(cm),A為穿透水承接裝置的水平面積(m2)。

樹干徑流Ps(mm)采用聚乙烯塑料管蛇形纏繞于樹干,并用瀝青封好、在適當(dāng)?shù)奈恢么蚩?將水導(dǎo)入塑料管中,塑料管的下端接入一個特制的盛水溶器中。根據(jù)林分的株數(shù)密度和林分的徑階分布規(guī)律,將樣木的樹干實測莖流量換算成單位面積的流量(mm)。

截留量PI根據(jù)水量平衡方程估算得出,按下列公式計算截留量PI(mm):

PI=P-(Pt+Ps)

(2)

式中,P為降雨量(mm),Pt為穿透水(mm),Ps為樹干徑流(mm)。

3　結(jié)果與分析

3.1不同雨量級下林冠截留特征

由于杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)的幼齡階段、中齡階段和近熟林階段的冠層結(jié)構(gòu)相差很大,因此,對于林冠截留降雨的研究應(yīng)根據(jù)不同年齡階段分別進行研究,將各階段的一次性降水的實測數(shù)據(jù)按不同年齡階段及不同雨量級統(tǒng)計成表5。第Ⅲ集水區(qū)的第2代杉木林是1988年春造林,林冠截留是從1995年5月1號開始觀測的,所以表5中沒有1995年前的數(shù)據(jù)。從表中可看出,3個不同林齡階段的杉木人工林的林冠截留量和截留率在不同的雨量級下發(fā)生變化。在降雨量<1.0 mm時,3個階段杉木林截留率隨降雨量的增加而減小,但是減小的幅度有所不同,一次性降水在0.5 mm以下時,3個階段杉木林能基本截留全部降水,截留率為98%以上；在中齡和近熟階段,0.7—1.0 mm時的截留率都能在90%以上,但是在幼齡階段,卻下降到了86%。在1.0—2.0 mm階段時,各階段杉木林截留率均有一個巨大的下降。值得注意的是,在雨量級為1.0—2.0 mm階段時,幼齡階段、中齡階段及近熟階段的截留率分別是48.1%、48.7%和47.1%,各階段截留率沒有顯著差異,而到2.0—4.0 mm階段時,幼齡階段、中齡階段和近熟階段截留率為30.52%、38.4%和44.1%,與1.0—2.0 mm時林冠截留率差值達：17.58%、10.3%和3%,此時各階段的的林冠截留率就有了很大的差別,這說明對于在降雨量小時,各林齡階段林冠截留率沒有太大的差別,但是在降雨量大時,各林齡階段林冠截留發(fā)生很大的改變,近熟階段的杉木林林冠能截留住更多的降雨。

表5　不同林齡階段不同雨量級下降雨分配Table 5　The distribution of theprecipitation of different growth phases

續(xù)表

此外,近熟齡階段的杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)中,當(dāng)降雨量在4.8 mm時,截留水量1.8 mm,截留率為37.5%;雨量增加到24.4 mm,截留量增加到8.0 mm,截留率反而減少到32.8%,一次降水量在40 mm時,林冠截留雨量達到了11.6 mm,當(dāng)降水量增加到65.7 mm,截留量只增加到11.7 mm,截留率從31.5%下降到了23.9%,截留量隨降水量增大而增大,但它們不是呈線形相關(guān),當(dāng)截留量達到飽和時,隨著降雨量的增加,截留量不會再有很大的變化,而截留率卻是隨著降雨量的增加而減小。林冠截留作用不是無限的,林冠對降水的截留量有一個閾值,這個閾值將隨著林分的年齡不同而改變,一般林分剛好完全郁閉時,其葉面積指數(shù)達到最大值,此時的林分截留量最大。根據(jù)推導(dǎo)和表5中60 mm以上雨量級的截留量結(jié)果表明,閾值在11—12 mm之間,隨著降雨強度的進一步增大,林冠截留的能力逐漸降低。

3.2杉木林林分各生長階段林冠截留作用

從表6可以看出,杉木人工林不同生長階段林冠對降水輸入再分配的月分布規(guī)律相近但又存在差異,林分各生長階段穿透水都會隨著降雨量的增加而增加；同時隨著年齡的增加,林冠截留能力加強,所以各生長階段林分年平均林冠截留率會有差異。

林分不同生長階段年均截留率分別為：幼齡階段(27%)<中齡階段(27.86%)<近熟階段(29.47%)。分析林分生長各階段月截留率,可以看出,處于不同生長階段的杉木林林分截留率季節(jié)變化規(guī)律相似,即1—3月份降雨量較少,截留率較高,從4月份開始進入雨季,隨著降雨量和降雨強度的增加,截留率開始減小,這一狀況一直持會續(xù)到8月,隨著雨季的結(jié)束截留率也會反彈；而進入9月份后降雨總量和降雨天數(shù)相對減少,兩次降雨間隔期變長,冠層一直處于不飽和狀態(tài),林冠截留率會增加；并且在10月份降雨量又有一個反彈的現(xiàn)象,所以9、10、11 3個月份的截留率變化幅度非常大,一直到12月份,截留率才趨于穩(wěn)定。一年中,截留率的最小值一般會出現(xiàn)在5—7月,這段時間也是大雨和暴雨頻發(fā)的時期。總之,4—8月,由于月平均降雨量增加,降雨截留量也增加,但是截留率處于較低水平；而在其他月份,林冠截留損失量較少,截留率比較高。在降雨量較少的幾個月份(1—3月及9—12月),隨著林分的生長,林冠的截留率增大的比較明顯,比如幼齡階段1月份平均截留率為26.5%,到中齡階段1月份平均截留率增加到30.70%,近熟階段增加到33.10%；但是在降雨量較高的月份(4—8月),林分各生長階段截留率的差異不大,在月降雨量在240 mm以上時,林分各生長階段截留率均不到25%。對比林分不同生長階段各月的截留率,也可以看出隨林分的生長截留率也在增大。

表6　第Ⅲ集水區(qū)林分各生長階段林冠對降水輸入再分配情況Table 6　The input and precipitation distribution rule by canopy for different growth and development phases of Chinese fir Plantations at the Ⅲ Watershed

總體而言,杉木人工林不同生長發(fā)育階段林冠對降水輸入的再分配情況存在一定差異,而這些差異可能是因為林分自身因素改變造成的,如林分結(jié)構(gòu)變化,隨著林分的生長發(fā)育,林冠層的結(jié)構(gòu)特征不斷變化,速生階段隨著林冠層冠幅和冠層厚度的增加,林冠層開始發(fā)揮截留作用,當(dāng)進入中齡階段后,林冠層進一步郁閉,所以相比幼齡階段而言,中齡階段林冠對降水輸入的再分配作用更為明顯,當(dāng)林分生長到近熟階段后,林冠層結(jié)構(gòu)達到穩(wěn)定,對降水輸入的再分配過程基本上也趨于穩(wěn)定。

3.3Fan模型對杉木人工林林冠截留的模擬

3.3.1Fan模型參數(shù)確定

林冠截留模型是模擬和估算林冠截留量的重要方法之一,國內(nèi)外學(xué)者已在不同地區(qū)、不同林分類型建立了許多林冠截留模型。范世香模型(簡稱Fan模型)[12]推導(dǎo)邏輯性較強,參數(shù)較少物理意義明確,應(yīng)用簡便,限制因素少,特別是不受氣象因子限制。Fan模型在具體應(yīng)用過程中,根據(jù)林分特征,將林分劃分為完全郁閉和不完全郁閉兩種情況,本研究中屬于林分不完全郁閉情況,因此以下計算公式：

采用當(dāng)P

(3)

當(dāng)P≥H時,

I=αW

(4)

式中,P為降雨量,H為冠層最厚密處的飽和截留量,W為林分最大截留能力,α為郁閉度,β為綜合參數(shù)。模型推導(dǎo)過程參見參考文獻[12]。

取3階段的最大截留量對應(yīng)的降雨量為冠層最厚密處的飽和截留量H,所對應(yīng)的數(shù)值為冠層最大截留能力I,3個階段的郁閉度分布為：0.4,0.65,0.7,通過公式(4)計算W。所以,3個階段的林冠截留能力模型分別為：

幼齡階段

中齡階段

近熟階段

3.3.2模擬結(jié)果

表7為各階段的實測值與模擬結(jié)果,從實測林冠截留與模擬值比較來看,Fan模型對各階段杉木人工林林冠截留的模擬較為理想。

表7　不同雨量級下Fan模型模擬值與實際值比較Table 7　The Fan model simulation values under different rainfall level compared with the actual value

4　討論

研究結(jié)果表明,杉木人工林林分不同生長階段對降雨的截留存在差異,特別是幼齡階段和近熟階段的差異尤為明顯。一些研究結(jié)果表明,不同的林冠類型的截留量存在顯著差異,主要是林分年齡差異造成的[24-25]。謝剛等[26]在對不同林齡香椿對林冠截留雨水的影響中也發(fā)現(xiàn),隨著林齡的增長,林內(nèi)穿透水量減小。不同齡級之間降水截留的差異,主要是因為各齡級冠層結(jié)構(gòu)不同引起的；幼齡林處于林分的幼齡階段,林分的郁閉度只有0.4,林冠層沒有充分郁閉,降雨會通過這些空隙直接到達林地,有研究報道,林冠層的持水能力與葉面積指數(shù)有關(guān),持水能力隨葉面積指數(shù)的增大而增大[27],在該階段林分的葉面積指數(shù)僅為4,所以這個階段截留量相對較低；當(dāng)林分生長到到中齡階段,林分隨著枝條伸展林冠郁閉度達到了0.65,葉面積指數(shù)達到6.2,此時林冠的持水能力增強,林冠的截留量也隨之增強；林分進入近熟階段時,林分的郁閉度達到0.7,葉面積指數(shù)為7,林冠的截留量會進一步增多。隨著林分不同演替階段,林冠郁閉度和葉面積的改變,截留量會增加,穿透水則會減少,與彭煥華等[28]對祁連山青海云杉林冠層持水能力的研究結(jié)果相似,林外降雨量和林冠穿透雨量之間呈顯著的線性關(guān)系。

杉木人工林林冠截留率與總降雨量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系：低降雨量時,會有較高的林冠截留率。這與以前的研究結(jié)論相似[25,29-31]。在本研究中,當(dāng)降雨量在0.5 mm時,林分各生長階段截留率均為100%；而總降雨量在130 mm時,幼齡階段林分截留率僅為5%,中齡階段及近熟階段林分截留率為9%。有研究發(fā)現(xiàn)[31]陣雨時隨降雨量增大,截留率減少的變化非常顯著, 降雨量在5 mm以下時,截留率為80%,而降雨量增加到60 mm以上時截留率僅為20%。此時截留率的減少的主要是林冠飽和截留容量已經(jīng)達到上限。在小雨事件時,降雨通過凝聚力和表面張力被截留在冠層,而截留量達不到林冠飽和截留容量時,林內(nèi)就會出現(xiàn)穿透水,這也是為什么小雨時會出現(xiàn)相對較高的截留率；但在大雨時,林冠飽和截留容量很快就被暴雨飽和,冠層只能截持很小比例的降雨量,大部分的降雨幾乎都會通過穿透水和樹干徑流形式到達地面,所以大暴雨時林冠截留率相對較低,這也說明降雨量是影響降雨再分配的關(guān)鍵因子[32]。值得注意的是,截留率對于不同的降雨量或者暴雨不同階段有不同的響應(yīng)。在小雨或暴雨初期時,冠層表面濕度隨著截留降雨量的增加迅速變化,截留率也迅速變化；在降大雨或者林冠截留容量達到飽和后,降雨量持續(xù)增加,冠層濕度還是保持在一個恒定的狀態(tài),林冠截留量也不會增加,而截留率也隨之變小。所以,可以說冠層結(jié)構(gòu)式是小雨時控制截留量的主導(dǎo)因素,而在大雨時降雨雨情在截留過程中起決定性作用。從降雨強度與林冠截留的關(guān)系上來看,隨著降雨強度的增強,林冠截留量相對增強,截留率降低,近熟林比幼齡林暴雨的情況下,能夠截留更多的降水,這說明近熟林在暴雨氣候條件下,能夠更好地發(fā)揮其林冠的截留作用,相對地減少林內(nèi)降雨。

杉木人工林截留量的季節(jié)變化格局主受當(dāng)?shù)貧夂驐l件及降雨類型的影響。在研究區(qū),絕大多數(shù)降雨量集中分布在4—8月,并且暴雨頻發(fā),冠層表面經(jīng)常保持濕潤,因此,在這段時期截留降率相對較低,幼齡林階段為20.2%,中林齡為23.5%,26.5%；而在9—11月,降雨總量和降雨天數(shù)相對減少,林冠層很容易在兩次降雨間隔期內(nèi)變得干燥,冠層一直處于不飽和狀態(tài),林冠截留降水量增加,截留率增加,此時3個階段的截留率為27.5%,28.1%和30.1%；從12月到次年3月,降雨主要以小雨為主,截留量相對較高,這主要是因為林冠截留容量達不到飽和。羅忠[33]2009年對23a生的楓香林林冠截留進行研究,其研究結(jié)果小于本研究中杉木人工林近熟林,這主要是由于選擇的楓香林,雖然林齡23a,與本研究中近熟階段一致,但其林分密度,胸徑,郁閉度都小于本研究中近熟階段的杉木人工林,因此其林冠截留能力也小于近熟階段的杉木人工林。

從本研究結(jié)果中可得知杉木人工林幼齡階段截留能力最小,而近熟階段截留能力最大,根據(jù)鄧湘雯[5]對同時期杉木人工林徑流的研究表明,在杉木的幼齡階段,地表徑流系數(shù)為1.98,中齡階段為2.22,近熟階段則為0.93,在杉木的幼齡階段,這并不能說采伐森林或幼林具有很強的調(diào)控能力,而是人為干擾增大了土壤的滲透性能,使那些本來可以形成地表徑流的水量滲入到土壤中,從地下徑流系數(shù)上來看,近熟階段(16.00)<中齡階段(23.37)<幼齡階段(26.52),近熟階段的地表徑流和地下徑流系數(shù)明顯降低,說明杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)對徑流的調(diào)配能力增強,這首先與近熟階段能截留更多的降雨,減少穿透水的形成,其次與近熟階段形成的較厚的枯落物層有關(guān),此外,在近熟階段杉木林蒸騰作用增大,近成熟林分的蒸騰作用將消耗大量的水分,加速了土壤水流動速率,促進了林分水循環(huán)過程。

5　結(jié)論

(1)隨著杉木人工林林分生長發(fā)育,林分降雨截留量增大,林分各生長階段林冠截留率排序為近熟階段(29.47%)>中齡階段(27.86%)>幼齡階段(26%)。(2)不同生長階段的杉木人工林的林冠截留量隨著降雨量的增大首先呈現(xiàn)上升趨勢,當(dāng)?shù)搅朔€(wěn)定階段,不再隨雨量的增加或增加極小。截留率與降雨量有很大的關(guān)系,在相同降雨量的情況下,近熟林的截留率>中齡林的截留率>幼齡林的截留率。(3)降雨強度對林冠截留有較大影響,在小雨和中雨情況下,截留率呈現(xiàn)出近熟階段>中齡階段>幼齡階段；在大、暴雨的情況下近熟階段和中齡階段截留率依然明顯大于幼齡階段,杉木人工林各生長階段林冠截留作用不同,在針對杉木人工林保持水土作用經(jīng)營方針時,應(yīng)考慮林分各生長階段林冠截留的差異。(4)Fan模型對杉木林各階段林冠截留模擬效果較好,可運用于會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)。(5)近熟杉木人工林涵養(yǎng)水源功能更強。

[1]田風(fēng)霞, 趙傳燕, 馮兆東, 彭守璋, 彭煥華. 祁連山青海云杉林冠生態(tài)水文效應(yīng)及其影響因素. 生態(tài)學(xué)報, 2012, 32(4): 1066-1076.

[2]王愛娟, 章文波. 林冠截留降雨研究綜述. 水土保持研究, 2009, 16(4): 55-59.

[3]康文星, 鄧湘雯, 趙仲輝. 林冠截留對杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的影響. 林業(yè)科學(xué), 2006, 42(12): 1-5.

[4]周光益. 中國熱帶森林水文生態(tài)功能. 生態(tài)學(xué)雜志, 1997, 16(5): 47-50, 56-56.

[5]鄧湘雯. 不同年齡階段會同杉木林水文學(xué)過程定位研究. 長沙: 中南林業(yè)科技大學(xué), 2007.

[6]New M, Todd M, Hulme M, Jones P. Precipitation measurements and trends in the twentieth century. International Journal of Climatology, 2001, 21(15): 1889-1922.

[7]王佑民. 我國林冠降水再分配研究綜述(Ⅰ). 西北林學(xué)院學(xué)報, 2000, 15(3): 1-7.

[8]董世仁, 郭景唐, 滿榮洲. 華北油松人工林的透流、干流和樹冠截留. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報, 1987, 9(1): 58-68.

[9]楊茂瑞. 亞熱帶杉木, 馬尾松人工林的林內(nèi)降雨, 林冠截留和樹干莖流. 林業(yè)科學(xué)研究, 1992, 5(2): 158-162.

[10]Zhang Z S, Li X R, Dong X J, Ji X H, He M Z, Tan H J. Rainfall interception by sand-stabilizing shrubs related to crown structure. Sciences in Cold and Arid Regions, 2009, 1(2): 107-119.

[11]Dunkerley D L, Booth T L. Plant canopy interception of rainfall and its significance in a banded landscape, arid western New South Wales, Australia. Water Resources Research, 1999, 35(5): 1581-1586.

[12]范世香, 高雁, 程銀才, 白清俊. 林冠對降雨截留能力的研究. 地理科學(xué), 2007, 27(2): 200-204.

[13]Bulletin. International symposium on forest hydrology. International Association of Scientific Hydrology. 1966, 11(1): 161-170.

[14]劉曙光. 林冠截留模型. 林業(yè)科學(xué), 1992, 28(5): 445-449.

[15]Gash J H C. An analytical model of rainfall interception by forests. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 1979, 105(443): 43-55.

[16]劉家岡, 萬國良, 張學(xué)培, 王本楠. 林冠對降雨截留的半理論模型. 林業(yè)科學(xué), 2000, 36(2): 2-5.

[17]劉蕾, 劉家岡. 非均勻林冠降雨截留模型. 林業(yè)科學(xué), 2007, 43(3): 8-14.

[18]王彥輝, 于澎濤, 徐德應(yīng), 趙茂盛. 林冠截留降雨模型轉(zhuǎn)化和參數(shù)規(guī)律的初步研究. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報, 1998, 20(6): 25-30.

[19]劉賢趙, 康紹忠. 林冠截留模型評述. 西北林學(xué)院學(xué)報, 1998, 13(1): 26-30.

[20]裴鐵璠,鄭遠長. 林冠分配降雨過程模擬與模型 Ⅰ. 常雨強下穿透降雨、樹干徑流和林冠截留模型. 林業(yè)科學(xué), 1996, 32(1): 1-10.

[21]杜紫賢, 韓永剛, 謝錦升, 郭劍芬, 張靜. 木荷與杉木人工林林冠截留初步探討. 亞熱帶水土保持, 2007, 19(2): 5-9.

[22]樊后保. 杉木人工林對降水的截留作用. 福建林學(xué)院學(xué)報, 1998, 18(1): 92-95.

[23]潘維儔, 田大倫, 文仕知, 廖家翔, 康文星, 雷志星. 森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)研究中的生物地球化學(xué)方法和實驗技術(shù). 中南林學(xué)院學(xué)報, 1984, 4(1): 18-28, 101-102.

[24]Pypker T G, Bond B J, Link T E, Marks D, Unsworth M H. The importance of canopy structure in controlling the interception loss of rainfall: Examples from a young and an old-growth Douglas-fir forest. Agricultural and Forest Meteorology, 2005, 130(1/2): 113-129.

[25]Hall R L. Interception loss as a function of rainfall and forest types: stochastic modelling for tropical canopies revisited. Journal of Hydrology, 2003, 280(1/4): 1-12.

[26]謝剛, 夏玉芳, 郗靜, 李濤. 不同林齡香椿對林冠截留雨水的影響. 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 41(1): 153-157.

[27]呂瑜良, 劉世榮, 孫鵬森, 劉興良, 張瑞蒲. 川西亞高山不同暗針葉林群落類型的冠層降水截留特征. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2007, 18(11): 2398-2405.

[28]彭煥華, 趙傳燕, 許仲林, 彭守璋, 王瑤.祁連山青海云杉林冠層持水能力. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2011, 22(9): 2233-2239.

[29]Crockford R H, Richardson D P. Partitioning of rainfall into throughfall, stemflow and interception: effect of forest type, ground cover and climate. Hydrological Processes, 2000, 14(16-17): 2903-2920.

[30]Toba T, Ohta T. An observational study of the factors that influence interception loss in boreal and temperate forests. Journal of Hydrology, 2005, 313(3/4): 208-220.

[31]Iida S, Tanaka T, Sugita M. Change of interception process due to the succession from Japanese red pine to evergreen oak. Journal of Hydrology, 2005, 315(1/4): 154-166.

[32]劉春霞, 王玉杰, 王云琦, 王冉, 胡波. 西南亞熱帶天然混交林林冠截留效應(yīng). 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2013, 41(7): 9-14.

[33]羅忠, 文仕知. 楓香人工林林冠截留對降水水量輸入的影響. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2009, 29(1): 41-44.

Canopy interception characteristics of Chinese fir plantations in central south China

WU Qian1, YAN Wende1, 2,3,*, ZHAO Liangsheng4, DENG Xiangwen1,2,5, NING Chen1,2,3, XIANG Wenhua1,5

1CentralSouthUniversityofForestry&Technology,Changsha410004,China

2StateKeyLaboratoryofEcologicalAppliedTechnologyinForestAreaofSouthChina,Changsha410004,China

3HunanProvincialKeyLaboratoryofForestEcologicalCity,Changsha410004,China

4ForestResearchInstitute,BailongjiangForestryManagementBureau,Lanzhou730070,China

5HuitongNationalFieldStationforScientificObservation&ExperimentforChineseFirEcosystem,Huitong418307,China

Canopy rainfall interception is an important component of water balance in forest ecosystems and plays an important role in the water cycle and water resources management. Studying on rainfall interception across different aged stands of the specific fast-growing merchandise wood species-Chinese fir (Cunninghamialanceolata), can help us to better understand on water cycling and water resource conservation. In this study, canopy interception process was investigated using the small watershed comprehensive experimental technology at the third watershed (No.Ⅲ) in Huitong National Key Forest Ecosystem Research Station, Hunan. Forest rainfall, throughfall, and stemflow were monitored and the rate of rainfall interception was estimated in young, mid-age, and early-mature stands of Chinese fir plantations from 1983 to 2007. The mathematic Fan model was used to estimate the rainfall interception process. The results showed that (1) the average rainfall interception rates were 26.0% in young stands, 27.9% in mid-age stands, and 29.5% in early-mature stands; the seasonal variation of interception rates was similar in the three stages of Chinese fir plantations, but the interception rates were significantly higher in early-mature stands than young stands, especially within the months when rainfall amount was small. (2) When a rainfall event was amounted to less than 1.0 mm, there was no significant difference in rainfall interception rates for all three stands, which were all over 86%; when the amount of a rainfall event was 1.0—2.0 mm, interception rates considerably declined in the three growth stands. The interception rate was 48.1% in the young stands, 48.7% in the mid-age stands, and 47.1% in the early-mature stands and no significant differences were found in terms of interception rates among the three stands; when a rainfall event reached 2.0—4.0 mm, the interception rates significantly differed in the three stands, with the values of 30.5% in the young stand, 38.4% in the mid-age stand, and 44.1% in the early-mature stand; when a rainfall amount was greater than 100 mm, the interception rates were not significantly different between the three stands with less than 10% of interception rates. (3) The Fan model was suitable for interpreting rainfall interception of Chinese fir plantations in these studied regions.

Chinese fir plantation; rainfall; canopy interception; model

10.5846/stxb201301050035

國家科技支撐計劃子課題(2015BAD07B050301)；湖南省自然科學(xué)創(chuàng)新研究群體基金(湘基金委字[2013]7號)

2013-01-04;

2016-05-04

Corresponding author.E-mail: csfuywd@hotmail.com

伍倩,閆文德,趙亮生,鄧湘雯,寧晨,項文化.湖南會同杉木人工林林冠截留特征.生態(tài)學(xué)報,2016,36(13):4131-4140.

Wu Q, Yan W D, Zhao L S, Deng X W, Ning C, Xiang W H.Canopy interception characteristics of Chinese fir plantations in central south China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(13):4131-4140.