毛竹林内降水再分配及其水文效应分析

王安可，周 洲，林上平，杜旭华，毕毓芳，郭 帆，王玉魁*

(1.国家林业和草原局竹子研究开发中心，浙江 杭州 310012; 2.浙江杭嘉湖平原森林生态系统国家定位观测研究站，浙江 杭州 310012; 3.龙泉市道太乡林业工作站，浙江 丽水 323700)

森林是陆地生态系统的主体，具有巨大的水源涵养功能。森林垂直结构包括林冠、灌木、草本、枯落物和地被物等。森林通过不同结构层截留、蒸散以及径流等途径分流大气降水。不同的森林结构会导致森林水文的多样性，其涵养水源功能在各层次有不同的体现[1]。

中国是竹子经营大国，竹林面积居世界首位，特别是毛竹(Phyllostachysedulis)在经济社会发展中发挥着重要作用，同时在生态环境建设中的重要作用日显突出。毛竹是我国南方重要的森林资源，毛竹林涵养水源、保持水土、减少地表径流的水文生态效应逐渐被认可，但有关其水文过程及机理研究报道较少。研究以毛竹林为对象，在综合评述相关研究成果基础上，对毛竹林内降水再分配及其水文效应进行分析，旨在为优化毛竹生态经济型栽培提供参考。

1 降水在毛竹林内的分配

1.1 林冠截留

毛竹林内的雨水，一部分直接进入林地，但有相当一部分首先滴落在毛竹叶、枝、秆表面，在表面张力和重力共同作用下被吸附，或积蓄在枝、叶的分叉处被保留[2]。被保留的雨水一部分通过蒸发回到大气中，另一部分随着降雨的持续，保留雨量不断增加，当其达到一定数量时，表面张力与重力失去平衡，其中一部分自然地或由于风的吹动滴下，或从竹叶转移到枝、从枝再转移到竹秆再流到地面。直接从枝叶滴落的雨量称之为林冠滴雨量(drip)，通过转移流到地面的雨量称之为茎流雨量(stem flow)[3]。茎流雨量随降水量的增大而增加，少量降水一般不会产生树干茎流。阵雨停止后，毛竹林冠上保留的雨水会逐渐蒸发。降落到竹林中的雨滴还有一部分未接触树体而直接穿过林冠间隙落到竹林下，这一部分雨量称为林冠通过雨量(throughfall)或称穿透雨量[4]。林冠滴雨量与通过雨量之和称其为林内雨量[5]。

在降雨持续期间，毛竹林冠上空的降雨量称之为林外雨量，从中减去林内雨量和茎流雨量，剩余部分即为该时段降雨从毛竹树体表面通过蒸发返回到大气中的雨量和降雨终止时毛竹树体表面还保留的雨量，通常称这部分雨量为该时段毛竹林冠截留雨量(crown interception)，或简称截留量[6]。截留雨量所占林外雨量的百分比为林冠截留率[7]。截留量一般随着林外雨量的增加而增大，而截留率则随林外雨量的增加而减小[8]。相关测试表明[9]，当一次性降水量<12 mm，降水强度≥1 mm·h-1时，大气降水在林冠层的截留量仅为降水强度<1 mm·h-1时林冠截留量的76.34%，且后者林冠截留率高出前者的27.78%。由此可见，相同或相近的降水量，对毛竹林分林冠截留量亦有较大差异。此外，对于历时较长的降水，林冠蒸发量较大，而对于历时较短的降水，林冠蒸发量较小。可见降水强度越大，林冠截留量及截留率越小。毛竹林冠截留作用随其林分立竹度及叶面积指数的增加而增大，林分立竹度及叶面积指数的增加使得林分截留降水的枝叶表面积及截留水的蒸发面积得到提高。此外，降水前林冠湿润程度及立竹分布均匀度等因子对毛竹林分林冠截留亦有影响。毛竹在其树体表面(主要是林冠)所保留的雨量中，尚有一部分被吸收到树体内，但这部分占比很小[10]。

我国毛竹主要分布区域也会出现降雪。毛竹对降雪的截留情形类似于降雨。当雪片积留在毛竹林冠上时，通常会形成冠雪，冠雪量的一部分会通过雪面蒸发返回到大气中；随着降雪持续，冠雪量增加，毛竹林冠变形，当达到其承载极限时，冠雪的一部分从林冠上滑落。此外，冠雪形成融雪水也可能从竹秆流下。降雪时有部分雪片也能从树冠间隙直接飘落到林地内。所以，对毛竹及时钩梢，能够增强其抗雪压、冰冻和风害的能力。

从林外降雨和林冠截留过程来看，林内雨量随林外雨量的增加而增加，但在一次性降雨量很小时，林内雨量的增加最初缓慢，而后增加较快。林内雨量对于林外雨量的比率，在低雨量时随林外雨量的增加而增加，但达到高雨量级时，逐渐趋于稳定。王艳红等[11]研究了不同森林类型林冠截留的月动态变化及林冠截留的水文生态效应，7种不同森林类型林冠截留量的变幅从大到小的排序为：麻竹(Dendrocalamuslatifloeu)>马占相思(Acaciamangium)>桉树(Eucalyptuswetarensis)>勃氏甜龙竹(Dendrocalamusbrandisii)>混交林>毛竹>红竹(Phyllostachysiridescens)。林冠截留量从大到小的排序为：麻竹(100.5 mm)>马占相思(62.4 mm)>勃氏甜龙竹(48.4 mm)>混交林(48.3 mm)>红竹(26.4 mm)>桉树(23.0 mm)>毛竹(10.1 mm)。林冠截留率从大到小依次排序为：麻竹(18.70%)>马占相思(11.80%)>桉树(8.56%)>勃氏甜龙竹(8.41%)>混交林(8.07%)>毛竹(7.42%)>红竹(4.10%)。林冠层作为截留降水的第一作用层，对阻挡雨水侵蚀，减小雨滴的溅蚀等具有重要作用。但是，毛竹纯林的截留量和截留率与其它不同类型的森林相比优势并不明显[12]。

1.2 林下植被截留

降雨穿过毛竹林冠或从林冠滴下的雨水，一部分与林冠下的灌木或草丛接触，会出现与林冠截留类似的截留效果，降雪在融化时也有类似的现象。但是，由于毛竹林下灌木和草丛通常很少，往往不能形成完整的冠层结构，截留量很小。特别是集约经营的毛竹林，林下几乎没有灌木或草丛，雨水直接下落地面，存在水土流失隐患。

1.3 林下枯枝落叶层截留

经过林冠、林下灌木和草丛截留之后，漏下的雨水一部分被枯枝落叶层吸附，这部分雨量称之为林地枯枝落叶层截留雨量(litter interception)[13]。枯落物层可减轻雨水对地面直接冲击和对土壤孔隙的堵塞，有效增加或保持林地的下渗容量。枯落物层水源涵养能力受林分树种组成、林龄、立地条件和经营措施等的综合影响[14-15]。枯落物层能够吸收相当于自身质量2-4倍的水分，并能够有效延缓径流产生和发生频次。有研究表明[16]，竹阔混交林(郁闭度0.9，6竹4阔，密度2 300株·hm-2，灌木草本盖度0.9，枯落物层厚度2～3 cm；木荷(Schimasuperba)叶与毛竹叶、箨和枝，枯落物烘干质量9 989.6 kg·hm-2)的枯落物量明显高于毛竹纯林(郁闭度0.85，10竹，密度3 440株·hm-2，灌木草本盖度0，枯落物层厚度1 cm；毛竹叶、箨和枝，枯落物烘干质量1 369.7 kg·hm-2)，枯落物烘干质量是毛竹纯林的7.2倍。常绿阔叶林(枫香(Liquidambarformosana)、苦楠(Phoebezhennan)、青冈(Quercusglauca)和老鼠矢(Symplocosstellaris)，30～45年)是竹阔混交林的1.95倍，是毛竹纯林的14.20倍。由此可见，竹阔混交林枯落物数量显著高于毛竹纯林，常绿阔叶林无论在枯落物层厚度方面，还是在其烘干质量方面都极显著高于不同结构的毛竹纯林。

同时研究人员还认为，枯落物持水过程可分为2个阶段：阶段Ⅰ(0～8 h)和阶段Ⅱ(8～24 h)。不同林分的枯落物在阶段Ⅰ，其持水量约占饱和持水量(24 h)的23.85%～30.39%，枯落物持水量随浸泡时间延长而增加，6～8 h后基本趋于稳定。在浸泡2～8 h后，毛竹纯林枯落物持水率是竹阔混交林的1/3～1/8。阶段Ⅱ，各林分枯落物在不同时段的持水量表现出相似规律，即在8～12 h呈现下降趋势，12 h后各时段枯落物持水量又有所回升至24 h达到饱和。不同类型林分林地枯落物存量变动很大[17]，通常封山育林后的常绿阔叶林最大，竹阔混交林次之，毛竹纯林最小。不同类型林分枯落物对降水的拦蓄能力排序为：常绿阔叶林>竹阔混交林>毛竹纯林。由此可见，竹阔混交林的水文生态效应优于毛竹纯林而次于常绿阔叶林。

1.4 下渗与渗透

降落到毛竹林地的雨水或融雪水，大部分会通过土壤孔隙渗入到土壤层中，下渗强弱取决于土壤层的孔隙度。毛竹林地下鞭根系统包括竹林根系和鞭系(散生竹和混生竹)，竹株根系由支撑根(竹根)及其各级支根组成，鞭系则由横走地下、相互连接的竹鞭(地下茎)以及鞭根和各级支根组成。竹林鞭根系统包括竹秆的地下部分，即秆基和秆柄[18]。由于毛竹根系(根鞭)与土壤之间形成管状的粗大孔隙，加之昆虫活动和土壤有机质等改变了土壤结构，使竹林地土壤层孔隙度增加。毛竹根系分布通常在0～70 cm左右(有时深达1 m)。毛竹根系含量、不同径级根系长度和体积所占比例随土层深入逐渐减小，0～40 cm土层中集中了80%以上的根系[19]。在一定降水条件下，土壤水分含量受土壤结构与性质的影响。范少辉等[20]研究了1 200，1 800，2 400和3 000 株·hm-24个密度下毛竹纯林的土壤物理性质，结果表明，在相同密度下毛竹林土壤密度随土层深度的增加而增大，且土壤总孔隙度随土层深度增加而减小。土壤含水率和总孔隙度均以2 400株·hm-2竹林密度情况下最大。由此可见，立竹密度会直接影响到林地土壤持水量及水分平衡。

渗入的水分通过土层、土壤母质层的孔隙、基岩风化层的间隙移动，这种移动由重力、毛管引力和下渗压引起。下渗水在土层中的移动称之为渗透(percolation)或渗漏。在单位时间内透过单位面积的地中水(浅层地下水)称之为渗透率(percolation rate)或渗透强度。渗透率随上部土层的下渗强度和地层的性质而变化，在某个地层所能达到的最大渗透强度称为渗透能。在降水初期，下渗水主要依靠重力作用向下渗透，之后进入与粗大孔隙相连接的粗孔隙，由于毛管力的作用再进入细孔隙，并逐渐向四周扩散。在非毛管孔隙量发生变化的土层分界面附近，会出现重力水沿倾斜面方向渗透。如果下层存在不透水层，上层的横向渗透会特别明显。因此在各层中间如果存在粗大孔隙，也可能透过这种孔隙形成斜向的线状渗透。因此，坡度是决定毛竹林地产生径流的决定性因素之一。

2 毛竹林水量平衡

毛竹林主要水分收入为大气降水，水分支出主要为蒸散、土壤蓄水和径流。其中，蒸散是竹林分水量输出的最大项，地表径流支出水量较小[21]。在毛竹林自然分布(或栽培)区，2-3月份和8-l0月份，会出现蒸散量大于降水量的情形。刘广路等[22]通过对闽北地区毛竹林水分平衡动态研究验证了蒸散水量是毛竹林水量输出的最大项(约占降水量的97.69%～99.12%)，而地表径流为支出水量最小项(仅为0.52%～1.11%)。2月份是毛竹冬笋生长的关键时期，10月是毛竹孕笋的关键时期。因此，在干旱季节及时补水对竹林的生长更为有利。

3 毛竹林径流与土壤侵蚀

毛竹对林地地表径流产生和土壤侵蚀具有一定的抑制作用。但在毛竹分布区4月份雨量相对充沛，期间是集中挖春笋季节，对林地扰动较大，土壤疏松容易形成地表径流。5-6月份当新竹形成后，对林地施肥(沟施、块状穴施等)、9-10月垦复施肥以及11-l2月进行抚育割灌、伐竹等，一定程度上改变了土壤结构。耕作虽然对径流产生的影响不显著，但加重了对表层土壤扰动，会增加对土壤冲刷的风险[23]。在遇到季节性降雨和极端天气事件(台风、干旱、暴雨等)时，会增大林地土壤侵蚀和造成水土流失[24]。径流所产生的水土流失与林地坡度、植被和枯枝落叶覆盖度及土壤结构密切相关[25]，同时与林内降水特征有关。

4 讨论

林冠截留是一个复杂的过程，截留量的大小不仅受林冠层特征因素的影响，而且受降水特征(如降水量、降水强度等)的影响[26-27]。一般情况下，降水量是影响林冠截留的主导因素[28]。毛竹林冠层中大部分枝叶较小且易摆动，可以托起毛毛细雨，但遇到急雨的冲击时，枝叶晃动，存留在枝叶表面的截留水很容易下落。毛竹林冠层对降水截留作用往往小于阔叶林；此外，因毛竹枝秆表面光滑且披有坚硬的硅质蜡层，因而大大降低了其林冠的蓄水能力。毛竹林冠截留作用的意义在于其阻止了雨水直接降落到地表，使得降水到达地面的数量有所减少，时间延迟，降水能量有所减弱，起到一定的缓冲作用，从而使得地表径流形成的次数和径流量相对减少，速度减缓。同时，有利于雨水的渗透和贮存以满足毛竹生物个体的代谢活动及速生需要[29]。

通常在一定的降水量范围内，毛竹林冠截留量随降水量的增加而增加。降水量较小时，林冠截留量随着降水量的增加而增加；降水量较大时，林冠截留量随着降水量的增加其增加量逐渐趋缓，最终达到饱而趋于一个定值。毛竹林冠截留后的水分蒸发量占比很小。

当降雨强度超过入渗速率时，有可能发生地表径流，即便如此，只有地表积存雨水达到一定数量时才能溢出成为径流。地形的陡缓和土壤表面平整程度对径流产生起关键作用。

5 结论

(1)大气降水进入毛竹林后，由于毛竹林四季常绿，林冠茂密，毛竹的叶、枝和秆均可以截留一定量的雨水，当被截留的雨水再次降落时，其降落速度和强度均有所减弱，从而缓解了大气降水对土壤的直接溅蚀、冲刷，从而降低了产生地表径流的机率，并起到涵养水源的功效。

(2)毛竹纯林的截留量和截留率与其它不同类型的森林相比优势并不明显。特别是集约经营的毛竹纯林，林下几乎没有灌木或草丛，枯落物积存量少，雨水直接下落地面，存在水土流失隐患。竹阔混交林枯落物数量显著高于毛竹纯林，常绿阔叶林枯落物层厚度和烘干质量均显著高于不同结构的毛竹纯林，具有较强的蓄水能力，其水文生态效应优于毛竹纯林。因此，毛竹林经营应考虑竹阔树种的适度混交。

(3)坡度是决定毛竹林地产生径流的决定性因素之一。径流所产生的水土流失与林地坡度、植被、枯枝落叶覆盖度、土壤质地、土壤结构及孔隙度密切相关；立竹密度会直接影响林地土壤持水量及水分平衡。根据不同立地条件，确定适宜的立竹密度和营造竹阔混交林，是构建毛竹生态经济型栽培经营体系的关键。在毛竹林经营过程中注意保护林下灌丛植被是减轻水土流失的重要措施。