松花江干流六种水源涵养林林冠层降水分配

胡天然，王树力(.东北林业大学林学院，黑龙江哈尔滨50040;2.黑龙江省水土保持科学研究院，黑龙江哈尔滨50040)

森林是陆地生态系统水文循环的重要参与者，通过对大气降水的再分配过程(林冠截留、穿透降雨、树干径流)从而影响森林内水量分配的格局，进而对整个森林生态系统、流域甚至陆地整体的水分循环产生影响［1］。对林冠层降水分配的影响，国内外学者已经有大量的研究。研究内容涉及不同的地区、不同森林类型林冠层截留能力［2］、林内的穿透水量［3］、树干径流量［4］及其相关模型［5］和各种影响因素［6］等。研究结果证明，大气降雨通过林冠层以后，林冠层的截留率为10% ～40%，林内降水的穿透率为60% ～90%，树干的径流率为0.5% ～14%;林冠层对降雨的再分配，除了受到不同树种、不同林木生长特征等个体因素和林分类型、林分组成、林分密度等群体因素影响外，同时还受到降雨量、降雨历时、次降雨以及与上一次降雨的时间间隔、降雨时段的气温、相对空气湿度及风速、风向等各种外部因素的影响;林内穿透雨量(率)、树干径流量(率)以及林冠层截流量(率)与大气降雨量、降雨强度之间的关系基本上呈现正相关模式，但量与量之间的关系多呈现为线性模型，而率与量或者率与强度之间的关系多表现为非线性模型。

松花江全长1 045 km，是沿途工农业生产和居民生活的重要水源。自1998年发生特大洪水以及2005年发生特大水污染事件以来，气候的不断变化以及人为活动的持续干扰已经使松花江干流的水量和水质发生变化。针对该地区的某些森林类型，对降水再分配的不同影响因素已有一些相关研究［7］，但是系统比较这一地区多个森林类型降水分配过程的研究较少。该文选择松花江干流具有代表性的水曲柳山杨林、糠椴次生林、蒙古栎次生林、胡桃楸混交林等6种珍贵树种的阔叶林为研究对象，通过对所选林分林冠层水文功能特征定位观测，定量探讨林冠对降水的再分配作用，以期为松花江干流生态环境的保护及沿岸水源涵养林结构的优化和生态功能的恢复提供理论依据。

1 研究地概况

研究地点位于黑龙江省方正林业局沙河子经营所，地理坐标为129°21'E，45°60'N。地处张广才岭北麓，松花江干流东岸，最高海拔为1 357 m，最低海拔100 m，平均海拔在450 m左右，平均坡度为7°。该地属中温带大陆性湿润气候，年平均气温2.2℃，年≥10℃积温2 300～2 500℃，无霜期115～120 d，年平均降水量560～700 mm。森林类型主要是针阔混交林和阔叶混交林。主要乔木树种为水曲柳(Fraxinus mandshurica)、胡桃楸(Juglans mandsurica)、蒙古栎(Quercus mongolica)、糠椴(Tilia mandshurica)、紫椴(Tilia amurensis)、山杨(Populus davidiana)、白桦(Betula platyphyl-la)、春榆(Ulmus japonica)、红松(Pinus koraiensis)、长白落叶松(Larix olgensis)和红皮云杉(Picea koraiensis)等。土壤类型主要为暗棕壤、草甸土、棕色针叶林土、沼泽土和白浆土等。

2 研究方法

2.1 样地设置 记录样地2006年5～9月的降雨，在6种类型林分内各设置面积为25 m×25 m的样地1块并进行林内降雨量、树干径流量和树冠截留量的测定，样地概况见表1。

2.2 大气降雨量的观测 在林外空旷地中设置HOBO气象站，观测降水量、降雨等级及次数等，所得观测数据被自动记录在气象站的存储设备中，计算机读取数据。同时设置普通雨量筒和200 cm×20 cm×15 cm的集水槽观测大气降雨量。

表1 松花江干流6种类型林分样地概况

2.3 林内降雨量的观测 在每一类型森林内都随机放置3个200 cm×20 cm×15 cm的集水槽，水槽距离地面高度为50 cm，放置时水槽的一端稍高，出水口端稍低，并接一段塑料管导入塑料桶内，每次降雨后及时测量各水槽内的雨量。

2.4 树干径流量的观测 在每类型森林内按径阶大小分别选取3株标准木，在标准木树干上距地面50 cm的地方，将3 cm口径的聚乙烯管剪开，剪去顶端管周的1/4后环绕树干2周，用大头钉固定好后，再用黄油密封聚乙烯管和树干间的空隙作导水槽，尾端留作导水圆管，下端连接塑料袋(容量50 kg)收集降雨。每次降雨后进行测定，获得标准木的单株树干径流量。通过加权平均法可以推算出相应林分的单位面积径流量，计算公式如下:

式中:G为树干径流量(mm);M为单位面积上的树木株数;Ci为每个径级树干径流量;Ki为每个径级的树冠平均投影面积(cm2);Mi为每一径级树木株数;n为总径级数。

2.5 林冠截留量的计算 大气降水(P)落到林冠层后所进行的第1次再分配可用下述公式表示:

式中:P为大气降雨量(mm);P'为林内降雨量(mm);G为树干径流量(mm);I为林冠截留量(mm);L为枝叶滴流量(mm);e为同期枝叶表面水汽蒸发量(mm)。

在实际观测中，L、e的数值都很小，可近似认为大气降雨量等于林内降雨量、树冠截留量和树干径流量三者之和。因此，I=P－P'－G，林冠截留率IR=(I/P)×100%

3 结果与分析

3.1 大气降雨特征 研究区2006年共降雨50次，降雨量为471.87 mm。降雨以小雨为主，雨强普遍较小。单次降雨量的最小值为1.20 mm，最大值为51.20 mm，平均次降雨量为9.44 mm。次降雨小于10.00 mm的雨量级所占频率最高，占总降雨次数的64.0%。雨强小于2.50 mm/h的小雨最多，占总降雨次数的64.0%，雨强达到2.50～7.90 mm/h的中雨次数占观测降雨总次数的28.0%，雨强大于或等于8.00 mm/h的大雨和暴雨占总降雨次数的8.0%。从降雨的总体进程来看，由于5月份尚未进入雨季，所以仅有少量的降雨，同时雨量均较小，都不超过10.00 mm。进入6月份以后，小雨和中雨较为集中，仅有1次大雨的降水过程。大气降水主要集中在植物生长、新陈代谢活动最旺盛的6、7、8这3个月份，大雨和暴雨全部出现在这3个月份内，特别是8月份的大雨和暴雨次数最多，这段时期内的降水总量占整个雨季的91.9%。进入9月下旬以后，随着雨季的结束，气温也逐渐转凉，大气降雨的次数及降雨量锐减，降雨均以小雨为主(表2)。

表2 观测期间大气降雨量及雨强级分布

3.2 林内降雨量及其与大气降雨量的关系 观测期间6种森林类型的林内雨透流率都小于50.0%，说明50.0%以上的降雨被林冠层截留。其中胡桃楸混交林和水曲柳山杨林的透流率较高，分别是44.2%和40.0%，其次是水曲柳落叶松林和糠椴次生林，透流率分别为37.2%和34.1%，红松人工林和蒙古栎次生林的透流率较低，分别为27.9%和24.7%(表3)。

红松人工林和蒙古栎次生林相对较低的大气降雨透流率与二者较高的郁闭度有关，2种类型林分的郁闭度均达到90%(表4)，都有较为茂密的树冠结构，树冠之间交错纵横，枝叶密布，形成了有效的林冠层截留表面积，对大气降水的截持作用较为显著;水曲柳落叶松林的郁闭度虽然也达到了90%，树冠层结构也较为发达，但由于水曲柳树种本身的分枝情况没有落叶松的生长致密，虽然从树冠投影面积上看，其树冠是能够相互衔接的，但是林冠层的空间组成相对较稀疏，分枝数量和叶片的数量也较少，因此使得整个林分内部的林冠层截留能力有所降低;糠椴次生林的郁闭度比前3个林分都低，这也就说明了糠椴森林类型比前3种林分林冠层之间的孔隙要多，使得更多的降雨在没有林冠层拦阻的情况下直接落到林地内;水曲柳山杨林和胡桃楸混交林这2种林分的郁闭度相对较低，组成这2种类型林分的树种林冠层结构较稀疏，这就导致了2种林分的透流率相对较高，产生更多的降雨穿过林冠层进而形成林内降雨。

对比众多学者对林冠层透流状况研究发现，林内降雨量(P')和林外雨量(P)二者呈现显著的直线正相关［8－9］。该研究通过对观测得到的数据进行回归模拟，也得出了相同的规律。即随着降雨量的增大，林冠层的穿透雨量也随之呈现递增的趋势。红松人工林林内降雨量(P')随林外雨量(P)的增加而增加较快，水曲柳山杨林增加最缓慢。

表3 大气降雨雨量与穿透雨雨量关系

同时，对透流率与林外雨量进行回归模拟，结果表明同样可以用直线方程来描述透流率(Y)与林外雨量(P)的相关性，不同类型林分二者之间的直线方程为:

红松人工林 Y=3.889 1P+1.725 5，R2=0.798 7;

水曲柳山杨林 Y=5.032 7P － 2.984 4，R2=0.776 7;

水曲柳落叶松林 Y=2.576 1P +4.529 2，R2=0.774 7;

糠椴次生林 Y=3.379 2P+11.275 0，R2=0.874 9;

蒙古栎次生林 Y=2.341 2P+4.565 7，R2=0.821 8;

胡桃楸混交林 Y=3.243 1P+0.454 4，R2=0.878 6

3.3 树干径流量及其与大气降雨量的关系 树干径流又称作树干茎流，是指在大气降水过程中顺着树干流到林地内的林内雨量。树干径流除了受到树木冠层特征的影响外，还与树干粗细、树体表面的光滑度和林木枝叶的主侧枝夹角大小等有关。国内外学者通常采用直线方程或者抛物线方程来描述树干径流量(G)与大气降雨量(P)的关系［10］，通过该研究观测的数据发现，用直线方程拟合效果较好。

红松人工林 G=0.143 1P － 0.045 1，R2=0.853 6;

水曲柳山杨林 G=0.123 3P － 0.153 9，R2=0.920 1;

水曲柳落叶松林 G =0.072 1P － 0.058 4，R2=0.881 8;

糠椴次生林 G=0.333 4P － 0.361 2，R2=0.886 6;

蒙古栎次生林 G=0.036 0P － 0.048 7，R2=0.863 7;

胡桃楸混交林 G=0.007 9P － 0.002 0，R2=0.875 7

通过分析数据发现，6种类型森林的树干径流率都是随着降雨量的增加而增大，变化范围为0.74% ～16.61%(表4)，其中胡桃楸混交林的树干径流率较低，而糠椴次生林较高。冠幅相对小的林分其相应的树干径流率相对高，而冠幅相对大的林分，树干径流率偏低。6种类型森林的冠幅从大到小顺序依次为:胡桃楸混交林、蒙古栎次生林、水曲柳落叶松林、红松人工林、水曲柳山杨林、糠椴次生林。6种类型森林的树干径流率从大到小顺序依次为:糠椴次生林、水曲柳山杨林、水曲柳落叶松林、红松人工林、蒙古栎次生林、胡桃楸混交林(表4)，可以很好地反映出二者之间的关系，即在降雨大小相同的条件下，树干径流率受到树木冠幅的影响，呈负相关。

表4 各类型林分郁闭度、树干径流率

3.4 林冠截留量及其与大气降雨量的关系 林冠截留量是包括林冠层的蓄水量和降雨过程中林冠层的截留水分蒸发量。跟林冠层蓄水量相比，林冠层截留水分的蒸发一般较小，所以通常而言林冠层的蓄水量就表示为林冠截留量。林冠截留量和大气降雨量呈现显著的相关性，随着降雨量的增加，林冠层的截留量也随之上升并且逐渐趋于稳定，这主要是由于林冠层截留量存在限制，在林冠层的截留量达到饱和以后，林冠层截留量的增加就只是由于大气降雨过程中林冠层所能截持雨量的持续蒸发导致的［11］，林冠层的截留率与降雨的雨强相关程度并不紧密。国内外的众多研究都是使用指数函数来描述林冠层的截留量和林外大气降雨量的函数关系，通常都能得到较好的拟合效果［12－15］。该研究中的大气降雨量(P)和6种类型森林的林冠层截留量(I)之间的指数函数关系为:

红松人工林 I=1.031 3e(0.1642P)，R2=0.851 8;

水曲柳山杨林 I=0.489 3e(0.1986P)，R2=0.790 9;

水曲柳落叶松林 I=0.868 2e(0.1638P)，R2=0.717 6;

糠椴次生林 I=0.749 4e(0.1735P)，R2=0.785 0;

蒙古栎次生林 I=0.834 2e(0.1777P)，R2=0.908 3;

胡桃楸混交林 I=0.614 8e(0.1866P)，R2=0.771 3

图2 各类型森林林冠截留量与降雨量的关系

不同类型森林的林冠层截留量都随着降雨量的增加而增大，当降雨量＜25 mm时，各种类型森林林冠层的截留量随降雨量的增加变化不大，但是当降雨量达到25 mm的时候，各种森林类型的林冠层截留量均发生了飞跃性的增长。6种不同类型森林林冠层截留量的变化规律稍微有些差异，这主要与不同的森林类型其林冠层的生物学特征、郁闭度、通透状况和冠层厚度等因素有关。当大气降雨先落到林冠层时，受到树叶及树枝表面张力的作用，雨水被吸持在林冠层内，由于林冠能够吸持雨水的表面积很大，所以林冠层在一定的降雨量范围内，所能吸持的水分可以随着大气降雨量的增加而增加。随着冠层吸持水分量的增加，林冠的枝叶表层被降雨充分浸润，林冠层的持水量就趋于饱和，林冠表层的吸持能力逐渐降低。当林冠层吸持足够多的水分达到其饱和持水量(饱和截留量)后，即使降雨量再继续增加其截留量也不会增加了，倘若降雨量增加过高、过快，会使林冠层的吸持表面出现过饱和吸持作用，然后在重力的作用下带走部分已经吸持的水分，反而可能会使冠层的截留量有所降低。从研究结果来看，6种不同类型森林的截留量均未达到最大值，即在研究地区当年的单次降雨量达到50 mm时6种不同林冠层仍具有截留能力(图2)。

4 结论

(1)6种类型森林的透流率状况是:各类型森林的林内雨透流率都小于50.0%，说明50.0%以上的降雨被林冠层截留。其中胡桃楸混交林和水曲柳山杨林的透流率较高，分别达到44.2%和40.0%;其次是水曲柳落叶松林和糠椴次生林，透流率分别为37.2%和34.1%;红松人工林和蒙古栎次生林的透流率较低，分别为27.9%和24.7%。

(2)6种森林类型的树干径流率变化范围为0.74% ～16.61%，从大到小顺序依次为:糠椴次生林、水曲柳山杨林、水曲柳落叶松林、红松人工林、蒙古栎次生林、胡桃楸混交林。在相同的降雨条件下，各种森林类型的树干径流率均与林木冠幅呈负相关。

(3)6种森林类型的林冠层截留量从大到小排序依次为:蒙古栎次生林、红松人工林、糠椴次生林、水曲柳落叶松林、水曲柳山杨林、胡桃楸混交林。6种类型森林的林内雨量和大气降雨均存在显著的直线相关。林冠层的截留量与大气降雨均呈指数相关。当降雨量＜25 mm时，6种类型森林的林冠层截留量随降雨量的增加变化不大，而当降雨量达到25 mm时，6种类型森林的林冠层截留量都有大幅度的增长。研究地区单场降雨量达50 mm时林冠层仍具有截留能力。

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