蒙古栎林对大气降雨的再分配规律

冯亚琦，郭娜，蔡体久，盛后财，石磊，琚存勇*

(1.东北林业大学 园林学院，哈尔滨 150040；2.黑龙江东方学院 食品与环境工程学部，哈尔滨 150066； 3.东北林业大学 林学院，哈尔滨150040；4.大庆市规划建筑设计研究院，黑龙江 大庆 163311)

蒙古栎林对大气降雨的再分配规律

冯亚琦1，郭娜2，蔡体久3，盛后财3，石磊4，琚存勇3*

(1.东北林业大学 园林学院，哈尔滨 150040；2.黑龙江东方学院 食品与环境工程学部，哈尔滨 150066； 3.东北林业大学 林学院，哈尔滨150040；4.大庆市规划建筑设计研究院，黑龙江 大庆 163311)

全面认识和了解森林冠层对降雨的再分配规律，有利于揭示森林生态系统水分循环机制。以哈尔滨市城区蒙古栎人工林为研究对象，通过冠层结构稳定时期的20场降雨数据，分析了蒙古栎林冠层对降雨的截留再分配规律，结果表明：(1)观测期内蒙古栎林的穿透雨量、树干径流量和冠层截留量依次为197.6、62.8、78.8 mm，分别占林外降雨量的58.27%，18.52%，23.24%；(2)根据模型估算，当降雨量超过4.3 mm时蒙古栎林才能够产生树干径流，当降雨量超过6.7 mm开始出现穿透雨；(3)穿透雨、树干径流及林冠截留的绝对量均随降雨量的增大而显著增加，但其占降雨量的比例却表现出不同的变化趋势。(4)穿透雨量的变异系数随降雨量的增大显著减小，二者呈极显著的负相关(p<0.01)；(5)蒙古栎生物学特征有利于树干径流的产生，其树干径流量比相同区域内的其他树种高。

穿透雨；树干径流；林冠截留；蒙古栎人工林；城市森林

0 引言

森林冠层对大气降雨截留再分配的生态水文意义重大[1]。降雨在输入森林时被重新转化分配，一部分被森林冠层截留并几乎全部蒸发回归大气，一部分以穿透雨和树干径流进入林地继续循环。穿透雨是降雨再分配后形成的主要部分，是林地水分补给的主要形式[2]；树干径流可将水分输入到树木根际土壤，供植物直接利用；而林冠截留能够影响蒸发和蒸腾过程中的水分输入和空间分布[3]，是森林生态系统水分利用效率的关键指标之一。因此，全面认识和了解森林冠层对降雨的再分配规律，有利于明确森林生态系统内水分传输过程，揭示森林生态系统水分循环机制。

蒙古栎(Quercusmongolica)是东北主要的阔叶树种之一，具有根系发达、耐瘠薄，萌蘖能力强等特性，是黑龙江省次生林的重要类型之一。由于次生林质量不佳，以往的研究主要注重天然林[4-6]，且对针叶林研究较多，对阔叶林的研究相对欠缺[7]。本研究在降雨集中且冠层稳定时期(6～8月)，通过量化蒙古栎人工林生态系统降雨截留再分配的各分量，探索降雨再分配规律及其影响因素，为蒙古栎人工林的经营和管理提供理论依据，为城市人工林生态系统水循环过程的量化提供基础数据。

1 研究地概况及研究方法

1.1 研究区域概况

哈尔滨属温带季风性气候区，冬季寒冷干燥，夏季湿润多雨。多年平均气温3.5 ℃，全年最冷月(1月)平均气温-19.2 ℃，极端最低温-38.1 ℃；全年最热月(7月)平均气温22.7 ℃，极端最高温36.4 ℃，气温年较差42.4 ℃。日照时数2600 h，≥10 ℃年均积温2 757 ℃，无霜期136 d。多年平均降水量500.1 mm，降水分配不均，集中在每年6～8月，占全年降水的60%～70%；多年平均水面蒸发量726 mm。年均相对湿度67%。

东北林业大学城市林业示范研究基地(简称示范基地)位于哈尔滨中心城区(45°43′10″N，126°37′15″E)，占地面积44 hm2。示范基地原生植被群落为沟谷草甸，1949年前开垦为耕地，20世纪50年代划归东北林业大学后，栽植形成小面积纯林的块状混交林[8]。

蒙古栎人工林是1959年春季穴状直播造林，初植密度0.5 m×1 m，出苗成活率达90%。据2015年调查，其面积0.5 hm2，经50多年抚育和管护，林分郁闭度0.9以上，且仅有乔木层，林下无灌木和草本。考虑避免边缘效应，在人工林中部设立并调查20 m×20 m观测样地，林分特征为：蒙古栎林龄55a，林分密度2 540株/hm2，平均胸径15.1 cm，平均树高14.5 m，蓄积量131.2 m3/hm2。

1.2 观测方法

林外降雨(P)测定：在紧邻研究基地，高于林冠层的楼顶平台上设置翻斗式雨量计(HOBO-RG3)，获取林外大气降雨数据，并利用“中国气象科学数据共享服务网”哈尔滨市气象数据相互校验，以保证数据的准确性。

穿透雨(T)测定：在样地中心区域机械十字交叉布设13个直径20 cm自制雨量筒(截面积314.16 cm2/筒)，雨量筒间距2 m(图1)，雨量筒上沿距地面50 cm，每次雨后立即测量记录雨水体积(ml或cm3)，并转换为穿透雨深(mm)。

树干径流(S)测定：人工林树种单一且胸径相近(9.8～19.6 cm)，将蒙古栎划分为9.8～14.5 cm和14.5～19.6 cm两个径阶。根据胸径分布，选5株树冠中等(非优势木和被压木)，能代表各径阶平均情况的蒙古栎作为标准木(胸径分别为10.3、12.7、13.7、15.1、16.9 cm)，利用曲面聚氨酯材料在标准木胸高处形成漏斗状集水器，其最低点连通导管收集树干径流。每次雨后及时测量树干径流体积(ml或cm3)，并依据公式[9-10]计算林分树干径流深(mm)。

(1)

式中：S为树干径流量，mm；Mi为i径阶蒙古栎的株数，Si为i径阶标准木的树干径流量(ml)，N为样地树木径阶数；A为样地面积，m2。

林冠截留量(I)计算：根据水量平衡方程I=P-T-S计算林冠截留量，mm。

图1 观测样地内树木及雨量桶位置分布图 (〇雨量筒，●树木)Fig.1 Location distribution of trees and rain gauges for throughfall in research plot(〇 gauge，●tree)

2 结果与分析

2.1 林外降雨特征

按间隔时间超过4 h划分为不同降雨事件的原则[11]，研究期内(2015年5～10月)共记录31场降雨，总降雨量430.2 mm，占1995～2010年平均降雨量(432.3 mm)的99.51%[10]；降雨集中于6～8月，总降雨量339.1 mm，占当年降雨总量78.82%，占6～8月平均降水量(320.8 mm)的105.70%，是有代表性的一年(表1)。

研究期间大部分降雨事件具有低雨强、长历时的特点，单场最小降雨1.5 mm，最大降雨35.4 mm，单场平均降雨量13.9 ± 9.1 mm，变异系数65.24%。按雨量级对降雨事件统计显示(图2)，降雨量10.1～20.0 mm的降雨事件发生频率最高(45.16%)，其次为降雨量5.1～10.0 mm的降雨事件(22.58%)。降雨量≤10 mm的降雨事件发生频次较多(38.71%)，但其雨量占降雨总量的比例却很小(16.23%)，低于次降雨量>20 mm的雨量占降雨总量的比例(35.01%)，远低于次降雨量10.1～20.0 mm的雨量占降雨总量的比例48.77%。

2.2 穿透雨及其变异性

观测期(6-8月，下同)内蒙古栎林穿透雨总量为197.6 mm，占同期大气降雨量58.27%，且不同月差异显著，其中8月穿透雨最多(79.5 mm)，7月穿透雨量最少(51.8 mm)，分别占总穿透雨量40.23%和26.21%。分析13个观测点穿透雨数据可知，蒙古栎林穿透雨率与降雨量无相关性(p> 0.05)；而穿透雨量与降雨量呈极显著的线性关系(p< 0.01)，其拟合方程为TF=aLn(P)-b(图3)。方程中a为穿透雨随降雨量增加的速率；eb/a表示能够产生穿透雨的最小降雨量[1]。由此可知，蒙古栎林产生穿透雨的最小降雨量为6.7 mm。

表1 生长季大气降雨月分配情况

图2 大气降雨特征Fig.2 Characteristics of gross rainfall

图3 穿透雨与降雨之间的关系Fig.3 Relationships of rainfall versus throughfall and throughfall rate

受不同的降雨特征影响，观测期20场降雨事件中，蒙古栎林穿透雨率在34.16%～82.49%范围内变化，平均穿透雨率59.77 ± 13.95%，变异系数为23.34%。利用对应的降雨量和穿透雨率变异系数CV(TH)绘制散点图(图4)可知，随着降雨量增加，穿透雨变异逐渐减小，二者呈极显著的负相关，可用对数方程拟合，但效果不佳，结果如下：

CV(TH)=-36.61Ln(P)+159.61，R2= 0.3958，n= 20，p< 0.01

式中：CV(TH)为同一场降雨13个观测点间穿透雨率的变异系数，%；P为降雨量，mm。

图4 穿透雨变异系数与降雨量的关系Fig.4 Relationship between rainfall and CV of throughfall

2.3 树干径流

观测期内蒙古栎林树干径流总量为62.8 mm，占降雨总量18.52%，且不同月份差异显著，其中8月树干径流量最大(32.8 mm)，6月树干径流量最少(8.4 mm)，分别占树干径流总量52.23%和13.38%。将降雨量分别与树干茎流率、树干径流量建立关系发现，蒙古栎林树干径流率与降雨量无相关性(p> 0.05)；树干径流量与降雨量呈极显著线性相关(p< 0.01)，其拟合方程为Sf=aP+b(图5)。方程中a为树干径流随降雨量增加的速率；b/a表示能够产生树干径流的最小降雨量[1]。由此可知，蒙古栎林产生树干径流的最小降雨量为4.3 mm。

2.4 林冠截留特征

蒙古栎林林冠截留总量为78.8mm，占同期大气降雨量的23.24%，且不同月份差异显著，其中8月截留量最大(47.1 mm)，6月截留量最少(9.7 mm)，分别占总截留量59.77%和12.31%。

20场降雨事件的平均截留量为3.9mm，平均截留率为28.35%，变异系数依次为59.44%和83.00%(表2)。分析数据表明，蒙古栎林冠截留量与降雨量呈显著的线性关系(p<0.05)，但拟合效果不佳；而截留率与降雨量则呈极显著负相关(p<0.01)，即截留率随着降雨量的增大而减小，可以用倒数方程进行拟合(图6)。

图5 树干径流与降雨的关系Fig.5 Relationship of gross rainfall versus stemflow

项目降雨量林冠截留P/mmI/mmI%年度统计累计值33917882323单次降雨事件统计平均值170392835最小值6510722最大值354868998标准差89232353变异系数527859448300

图6 林冠截留与降雨的关系Fig.6 Relationship of rainfall versus interception

3 讨论

3.1 穿透雨的影响因素

穿透雨是林冠对降雨再分配后形成的主要部分，是林地土壤水分的重要来源[12]，其变化在森林生态系统水量平衡中占有极其重要的地位[13]。穿透雨量和穿透雨率主要受降雨特征和林分特征影响，通常穿透雨量和大气降雨量二者呈线性关系，当降雨量超过一定阈值时才能出现穿透雨，森林越复杂，郁闭度越高，阈值越大[1]。本研究中，穿透雨量随降雨量增加而增大，它们之间满足一定的线性关系，但用对数函数拟合精度更高。穿透雨率与降雨量无相关性，主要是因为研究期间大部分降雨事件具有低雨强、长历时的特点，大雨(24 h降雨量25～50 mm)的数据少，穿透雨率的变化区间不大造成的。

穿透雨的空间异质性是普遍存在的，通常情况下，森林季相变化是穿透雨空间异质性的主要原因[14]，也有研究表明，穿透雨变异系数随使用的穿透雨收集器面积增大而减小[15]，且林冠的空间异质性也影响穿透雨变异系数[16]。本研究中，穿透雨收集器的面积(314.16 cm2)大于Fan等使用的收集器截面积，但20场降雨事件穿透雨变异系数(23.34%)高于Fan等研究的杂交林(16.5%)[13]，这可能是由于蒙古栎林经自然淘汰和人为影响后，其林冠的空间异质性变高(图1)而导致了穿透雨变异系数变高。并且，降雨特征也会影响穿透雨的变异情况，结合降雨特征分析穿透雨的空间变异将更加有效。

3.2 树干径流的影响因素

研究表明，除降雨特征外，树木胸径、树皮吸水能力、树皮粗糙程度、树枝分角、冠形结构均能够影响树干径流量[17-18]。并有研究发现，枝条向上伸展和树皮光滑是形成树干径流的有利因素，具有如此特征的树种，其树干径流量一般较大[19]。在本研究中，蒙古栎树叶革质、大而厚，树叶向上倾斜或稍平展；树枝分角小；树皮坚实光滑、不易吸水，且密布纵向细密纹路，这些特征综合导致了本研究中蒙古栎树干径流率较大(18.52%)的结果。本研究与早期魏晓华[20]在黑龙省东部山区的研究结果(15.6%)基本一致，但与孙忠林(7%)[1]、姜海燕(0.71%)[21]等的近期研究结果差异较大。这可能是林木胸径、密度、郁闭度的差异而导致的结果。

3.3 林冠截留的影响因素

蒙古栎林对降雨的再分配格局显示(表3)，除6月份截留率略低外，其林冠截留率处于我国主要森林平均林冠截留率(14.7%～31.8%)的范围内[5]，与亚热带山地常绿落叶阔叶混交林(铁椎栲、亮叶水青冈混交林)林冠截留率接近[4]。与同一区域山地天然蒙古栎林(7蒙古栎1色木槭1春榆1水曲柳)相比[1]，本研究中蒙古栎林的穿透雨率低，树干径流率较高，林冠截留率偏高，这很可能源于林分特征(树种组成、密度等)和降雨特征的综合影响。与郁闭度相近的人工针叶林相比，蒙古栎林的叶面积指数略低，更容易产生树干径流，因此其林冠截留率相对较低，而穿透雨率较高[10]。当然，本研究仅仅观测了一个生长季，共计20场降雨的数据，且降雨量低于5 mm的降雨事件很少，降雨特征对林冠截留变异的影响尚不明确，仍需长期积累林冠截留观测数据，并增加林分冠层结构的观测，才可能准确揭示蒙古栎林的降雨分配规律。

表3 蒙古栎林降雨再分配格局

注：括号内数值表示占降雨的比例。

4 结论

根据哈尔滨城区蒙古栎人工林对大气降雨再分配规律的研究，得到以下结论：

(1)蒙古栎林穿透雨、树干径流和林冠截留会随降雨量的变化而变化，随着降雨量的增加，穿透雨的空间变异逐渐减小，林冠截留量也趋于其最大截留量。

(2)林分特征和物种生物学特性能够影响降雨再分配过程，降雨量超过4.3 mm时蒙古栎人工林才能够产生树干径流，降雨量超过6.7 mm开始出现穿透雨。

(3)受不同的降雨特征影响，蒙古栎林穿透雨率变幅较大(34.16%～82.49%)，且降雨量与对应穿透雨率变异系数呈极显著的负相关(p<0.01)。

(4)与全国其它地区森林相比，蒙古栎人工林林冠截留率处于全国主要森林类型平均林冠截留率(14.7%～31.8%)的中等水平。

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RainfallRedistributionofMongolianOakPlantationinHarbin

Feng Yaqi1，Guo Na2，Cai Tijiu3，Sheng Houcai3，Shi Lei4，Ju Cunyong3*

(1.College of Landscape Architecture，Northeast Forestry University，Harbin 150040； 2.Department of Food and Environment Engineering，East University of Heilongjiang，Harbin 150040； 3.School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040； 4.Daqing planning and Architectural Design Institute，Daqing 163000)

Exploring forest canopy redistributing regime of rainfall contributes to reveal water recycle mechanism of forest ecosystem.The Mongolian oak(Quercus mongolica)plantation in Harbin city was selected to study its rainfall redistribution effect and variability via 20 rainfall events in a growing season.The following results were concluded：1)the throughfall，stemflow and canopy interception in Mongolian oak plantation were respectively 197.6，62.8 and 78.8mm，which accounted for 58.27%，18.52% and 23.24% of the rainfall in open field；2)throughfall occurred when the outer rainfall exceeded 6.7 mm and stemflow occurred only if the rainfall exceeded 4.3 mm according to the model estimates；3)the amount of throughfall，stemflow and interception all increased significantly with increasing rainfall，while their ratios to rainfall showed different trends；4)The coefficients of variability in throughfall decreased significantly with the amount of rainfall increasing，and the two showed a negative correlation(p<0.01)；5)the biologic character of Mongolian oak is beneficial to stemflow producing，thus the Mongolian oak produced more stemflow than other species did in common region.

Throughfall；stemflow；canopy interception；Mongolian oak plantation；urban forest

S715.2；S152.7

：A

：1001-005X(2017)05-0024-05

2017-06-05

林业公益性行业科研专项(201404303)；东北林业大学学术名师支持计划(PFT-1213-21)

冯亚琦，本科生。研究方向：风景园林规划。

琚存勇，博士，副教授。研究方向：森林水文与遥感应用。E-mail：qucy09@nefu.edu.cn

冯亚琦，郭娜，蔡体久，等. 蒙古栎林对大气降雨的再分配规律[J].森林工程，2017，33(5)：24-28.