樟樹林冠截留模擬試驗研究

楊中文，唐甜華，陳 野，肖 玲，黃晶晶，張衛華

樟樹林冠截留模擬試驗研究

楊中文，唐甜華，陳 野，肖 玲，黃晶晶，張衛華

（西南大學資源環境學院，重慶 400716）

林冠截留是水文循環中的重要成分之一。為探究降雨特征和林分特征對樟樹林冠截留效應的影響，針對降雨量、降雨強度、葉面積指數（LAI）和樹齡這些相關影響因子，采用室內模擬的方法進行對比截留試驗。試驗得到4種樣樹的16組降雨量、降雨強度和截留量，以及其各自的LAI值。分析結果表明：①降雨量、降雨強度和LAI是截留的主要影響因子，樹齡對截留的影響效果不明顯；②雨強與截留量呈反比關系，截留量與降雨量呈二次函數關系，葉面積指數（LAI）與截留量呈正比關系；③樹葉伸展方向對截留產生較大影響，模擬試驗方法仍需進一步改進和完善。

樟樹；林冠截留；LAI；模擬

1 概 述

森林是陸地生態系統的主體，是自然功能最完善最強大的資源庫、基因庫和儲水庫，具有調節氣候、涵養水源、保持水土、防風固沙、改良土壤、美化環境、保護生物多樣性等多種功能，對改善生態環境、維護生態平衡起著決定性的作用。林冠截留是森林與水文循環之間的首次相互作用和影響，影響水資源的管理分配甚至氣候的變化。因此，針對性地對某一區域進行林冠截留分配降雨研究，將會為當地生態系統的水源涵養、植被恢復提供可靠的依據。

降雨特征、林分特征和氣象因素是影響林冠截留降雨過程的重要因子，因此三者的變異性會引起林冠截留效果的差異。在目前國內外研究中，大多采用的是野外實測的方法來分析各個影響因子對林冠截留相關關系［1－5］。王安志等［6］在室內人工模擬試驗中通過控制和改變雨強和葉面積指數（LAI）研究了截留的動力學過程，并構建以雨強和LAI為參數的半理論截留模型。室內模擬截留的方法更適于研究林分特征和降雨特征對林冠截留的影響效果，而應用模擬方法的截留研究還比較欠缺。樟樹是屬于樟科的常綠性喬木，廣泛分布于重慶市境內，其對降雨的截留作用對當地氣候、水資源利用、水平衡分析及生態環境具有非常重要的意義。開展對樟樹截留降雨的研究，目的是探究樹齡、枝葉疏密程度以及降雨特征等影響因子對樟樹林冠截留效應的影響，以便豐富林冠截留雨水與氣候調節和地表徑流相關關系研究的數據基礎，同時為全面認識樟樹林冠截留機理提供理論依據。

2 試驗材料與方法

2．1 研究區概況

試驗地點位于重慶市北碚區西南大學內，地理坐標為E 106°24′，N 29°48′，距重慶市區60 km，總面積為640 hm2。該區屬亞熱帶季風氣候，年平均降雨量為1 100 mm，常年平均溫度18．3℃，年日照1 270 h。該區域內植被覆蓋度高，分布有多種喬木、灌木，其中以樟樹覆蓋面積最廣。

2．2 樹樣采集

2009年12月28日在西南大學校園內采集不同年齡階段的樟樹樣枝若干。其枝葉生長良好，分布均勻，葉面積指數各不相同，具有代表性。根據樹齡和疏密程度的不同，挑選出具有代表性的幼齡疏葉、幼齡密葉、老齡疏葉和老齡密葉4種樣本。

2．3 測流裝置

準備3個底面積足夠大的平底塑料盆（要求盆底面積足以覆蓋樣樹樹冠），用直徑不等的鐵釘在每個盆底部戳大小均勻的小洞作為降雨器。同時使各盆底洞大小呈一定梯度，本試驗中各盆的底洞直徑分別為0．8，1．8，2．9 mm，各盆底直徑均為31 cm。選取大小適中的木棒插入表面潔凈的礦泉水桶內，將樣樹用膠帶固定到木棒上形成模擬樹，保證樣樹主干垂直桶底平面，枝葉在試驗期間保持自然狀態，同時使木棒和桶以及樣樹和木棒的接觸處密封防水。另外，選取規格分別為100，250，500，1 000 mL的量筒各2個，用于測量水量；容量足夠大的水桶2個，分別用于盛裝模擬降雨的水量和承接穿透雨。將足夠大的塑料薄膜鋪于地面，用作集水面，四面用高度適當的木棒筑高，防止穿透模擬樹樹冠的水量濺出；將模擬樹放置于薄膜中心位置（要求薄膜下墊面水平）；最后利用建材搭建水平降雨支架，將自制的降雨器平放固定于支架上，要求降雨器底部與模擬樹樹冠頂部高差為30 cm左右，并使降雨器垂直投影覆蓋模擬樹樹冠投影。從而形成模擬截留裝置。

2．4 試驗過程

2．4．1 附著水測量

主要針對試驗中量筒、水桶、塑料薄膜、降雨器和礦泉水桶上附著滯留的水量進行測量，方法如下：

用選取的干燥量筒稱重后加入等于其最大測量值的水量，將水自由倒出后再稱重，利用重量差值得到各量筒的附著水量。重復5次，取均值。用同樣的方法測得2個水桶各自的附著水量M1。量取2 000 mL的自來水倒在測流裝置中的塑料薄膜上（僅對薄膜），濕潤后倒入承接水桶中，再用量筒量取桶中水量，重復5次求均值為W1。根據水量平衡，薄膜附著水量計算式為M2＝2 000－W1－M1。將模擬樹從模擬裝置中移開，量取2 000 mL水量迅速倒入降雨器中，待降雨器不再滴水時，測量薄膜收集的水量，重復5次求均值為W2。同理，各降雨器附著水量為M3＝W1－W2。最后將模擬樹的礦泉水桶部分放置于模擬截留裝置中的同一位置，量取2 000 mL水量迅速倒入降雨器中，待降雨器不再滴水時，移開礦泉水桶，量取薄膜收集的水量，重復5次求均值為W3。礦泉水桶附著水量為M4＝W2－

W3。

2．4．2 模擬截留

設計介于2～40 mm之間的16個特征雨量分別為：2，3，5，7，8，10，13，15，18，20，22，24，27，30，35，40 mm。通過更換不同的降雨器以及改變倒水速度的方式對每個特征雨量進行5次不同雨強的模擬截留試驗。根據水量平衡，每場試驗應量取的水量計算公式為

式中：W為每場試驗應量取的水量（mL）；P特為每場降雨的特征雨量（mm）；A盆為降雨器的底面積（cm2），本試驗為754．39 cm2；M降為每場試驗采用的降雨器的附著水量（mL）；M桶為倒水水桶的附著水量（mL）；M量為每次實驗量取水量所用量筒的附著量（mL）。試驗過程中記錄模擬降雨量、降雨歷時、薄膜收集的穿透水量。一場試驗結束后，待模擬樹枝干晾干后方可進行下一場試驗。模擬降雨截留量的計算式為

式中：I為樣樹樹冠截留量（mm）；P特為每場降雨的特征雨量（mm）；A盆為降雨器的底面積（cm2）；W0為測得的薄膜收集水量（mL）；M量′為所測量筒的附著水量（mL）；M桶′為承接水桶的附著水量；M薄為薄膜附著水量（mL）；M礦為礦泉水桶的附著水量（mL）；A冠為所測樣樹樹冠投影面積（cm2）。

2．4．3 葉面積指數（LAI）的測定

將各樣樹枝干垂直立于均質白紙之上，用白熾燈垂直投影的方法在紙上描繪樹冠輪廓。利用分析天平稱重，采用重量比例法測得4類樣樹樹冠投影面積。將各樣樹所有樹葉摘下，計算各自葉片數，從中挑選一片具有代表性的標準葉片，用重量比例法測量各樣樹的總葉面積。樟樹樣樹葉面積指數計算公式為

式中：LAI為葉面積指數；AL為樹冠葉片總面積（cm2）；T為樹冠投影面積（cm2）。

3 結果與分析

2009年12月，對挑選的4種樹樣分別進行了80次不同雨量和雨強的人工降雨模擬試驗，得到設計模擬降雨量對應4種樣樹各自的平均降雨強度和平均截留量見表1。由于模擬雨量一定，4種樣樹的平均雨強均介于1．1～11．7 mm／min之間，在同一模擬雨量下平均雨強相差不大，但平均截留量有所差別。其中，幼齡疏葉樣樹最小平均截留量為0．03 mm，最大平均截留量為0．31 mm；幼齡密葉樣樹最小平均截留量為0．02 mm，最大平均截留量為0．12 mm；老齡疏葉樣樹最小平均截留量為0．04 mm，最大平均截留量為0．17 mm；老齡密葉樣樹最小平均截留量為0．07 mm，最大平均截留量為0．25 mm。

表1 4類樣樹雨量、雨強和截留量統計表Table 1 Rainfall，rainfall intensity and intercept quantity statistics of the four samp le trees

3．1 降雨強度與截留的關系

對于同一降雨量條件下，降雨強度不同可能表現出不同的截留效果。為此，將幼齡疏葉、幼齡密葉、老齡疏葉和老齡密葉4樣本分別選取22，35，27，22 mm降雨量下5個不同雨強進行分析。結果表明，4樣樹在雨量恒定條件下截留量隨雨強的增加而減小，呈明顯的反比關系（圖1），與曾德慧［7］、吳旭東［8］等研究結果一致。降雨強度越大雨滴越大，對枝葉的打擊力越大，使枝葉產生較強的震動不易于附著降雨，從而降雨截留量越?。环粗亓袅吭酱?。

圖1 降雨強度與截留量的關系Fig．1 Relationship between rainfall intensity and interception

3．2 降雨量與截留關系

圖2 各樣樹次模擬降雨量與截留量的關系Fig．2 Relationship between modeling rainfall and interception of four sam ple trees

將16個特征降雨量與其平均截留量進行相關性分析，結果表明4個樣本的截留量隨降雨量的增加而增加，用二次函數擬合較好（圖2），幼齡疏葉、幼齡密葉、老齡疏葉和老齡密葉4樣本R2值分別為0．64，0．65，0．77，0．75。許多研究認為，降雨量與截留量呈冪函數關系［9－12］。幼齡疏葉、老齡疏葉和老齡密葉3種樣樹隨降雨量增加，截留量增大到截留容量后出現下降態勢，是由于模擬試驗中隨降雨量的增大降雨強度也不斷增大，達到截留容量后降雨強度成為影響截留的主要因子。而自然界中的降雨幾乎不可能達到模擬的雨強大小，林冠達到截留容量后其截留量將保持在一個穩定的值，從而大多表現出冪函數關系。由于樣樹樹冠郁閉度低，以上3種樣樹達到的截留容量值均較小，分別為0．2，0．16，0．22 mm。另外，幼齡密葉樣樹在試驗中未達到截留容量，其模擬降雨量與截留量更符合線性關系。主要是由于其葉片面積大且嫩，在雨滴的打擊下失去原有形態，導致其葉片幾乎全部朝下伸展利于水滴匯集，同時嫩葉表面過于光滑降低了其截留降雨的能力，使得模擬降雨量達到40 mm時仍無法達到截留容量。

3．3 葉面積指數與截留的關系

測得4種類型樣樹的LAI值均較低，分別為：幼齡疏葉1．287、幼齡密葉2．469、老齡疏葉0．991、老齡密葉2．064（表2），疏葉樣本均小于密葉樣本且各自相差不大，分別約為0．29和0．4。一般來說葉面積指數（LAI）的作用效果與雨強相反，LAI越大林冠郁閉度越高，降雨透過林冠所需的時間越長，同時附著在葉表面的截留水量越多。但幼齡密葉樣本未達到截留容量且截留量明顯低于其他3種樣本，主要原因在于該樣本葉片朝下伸展不利于截留。因此，即使樹冠LAI值足夠大，在葉片伸展方向的影響下其截留量也可能會很小。此外，另3種樣本的截留容量分別為0．2，0．16，0．22 mm，與LAI呈正比關系（圖3）。該結果與曾德慧等模擬試驗結果相一致［7］。

3．4 樹齡與截留的關系

將4種樣樹的截留量與降雨量的關系作對比分析（圖4）。在目前的截留研究中，極少有人嘗試探究樹齡與截留之間的關系，一般的樹齡越大葉片表面越粗糙，對降雨的截留作用越強。樣樹幼齡疏葉、老齡疏葉的LAI值相近，分別為1．29和0．99，在降雨量小于5 mm時老齡疏葉截留作用強于幼齡疏葉，隨后由于LAI的關系，老齡疏葉的截留量遠小于幼齡疏葉。分析認為，在雨量小于5 mm時，樣老齡疏葉截留作用強于幼齡疏葉的原因可能是樣老齡疏葉齡較大。由于本試驗較粗糙，可能存在潛在的人為誤差，目前還不能確定這一點。因此，針對樹齡與截留的影響關系，還需要更為細致地研究加以驗證。

表2 4類樣樹的LAI值表Table 2 LAI value of four sample trees

圖3 葉面積指數與截留容量的關系Fig．3 Relationship between leaf area index（LAI）and interception capacity

圖4 4種樣本截留對比Fig．4 Comparison among the four sample trees

4 結論與討論

4．1 結 論

（1）與許多截留研究結果相同，樟樹林冠截留量與雨強呈明顯的反比關系，在相同降雨量下隨雨強的增大截留量減小。

（2）降雨量是影響樟樹林冠截留的最主要因素，截留量隨雨量的增加而增加，當林冠達到截留容量后截留量隨雨強的增加而呈減小的態勢。樟樹林冠截留量與降雨量呈很好的二次函數關系。同時，截留量還受到林冠樹葉伸展方向的影響，葉片向下伸展不利于截留，表現出較小的截留能力。

（3）正常情況下葉面積指數（LAI）與樟樹林冠截留量呈正比關系。但在樹葉葉片伸展方向的影響下，即使LAI值較大截留量也可能會很小。

（4）通過對比分析發現，雨量、雨強以及LAI是影響截留的主要因素，樹齡對截留的影響效果不明顯，期待更細致的研究加以驗證。

4．2 討 論

（1）由于人工模擬的方式與野外實測不同，使得試驗數據與實際情況有所區別。本試驗模擬的最小雨量為2 mm，最大雨量為40 mm，平均雨強介于1．1～11．7 mm／min之間。而宋吉紅等［13］在與本研究區相鄰的縉云山自然保護區觀測的降雨量可達到127．3 mm之多，觀測到的大于40 mm雨量次數將近總觀測次數的50%；但陳引珍等［14］觀測到縉云山區雨強介于6．24～94．20 mm／h之間，且大多數在6．24 mm／h左右，而本研究模擬雨強遠遠大于該范圍。此外，選取的樣樹在林分特征上與實際樟樹林冠結構有所差異，導致LAI值均較小。在今后的研究中加強野外實測研究對模擬結果的對比驗證顯得尤為重要。

（2）試驗中發現樟樹樹葉的伸展方向對截留有較大影響。一般的，若樹葉與水平面的傾角較大，水滴在重力和雨滴打擊力的作用下向低處匯集，利于水滴沿葉表面滴落，從而降低了截留能力。樹齡的大小主要表現為樹葉表面的粗糙程度和在雨滴的打擊下保持原有形態的能力，一般來說樹齡越大截留能力越強。在本研究中還沒有很好地驗證樹葉伸展方向和樹齡與截留的相關關系，因此需通過更細致的研究以進一步探究兩者與樟樹林冠截留能力的相關性。

（3）影響林冠截留的因子很多，不僅包括林分特征和降雨特征，氣象因子也是影響截留的重要因素。本研究采用室內模擬法，忽略了氣象因子（如溫度、風速、濕度、太陽輻射等）對截留的影響。由于氣象因子的影響，在一定條件下降雨期間林冠表面會產生強烈的蒸發作用從而附加截留，在一場很大的降雨條件下雨期林冠蒸發量甚至可以達到截留量的50%～70%［15］。而在大量的野外截留研究中［16－19］，雨期林冠蒸發量的估算是成功應用截留模型的關鍵，在截留過程中扮演著及其重要的角色。

致謝：金思凡和王琳參加試驗多項工作，特此一并致謝。

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S78

A

1001－5485（2011）03－0005－05

2010-04-12

西南大學資源環境學院科技創新基金“光炯”實驗項目

楊中文（1990-），男，四川內江人，本科生，主要從事水文水資源的研究，（電話）023-68259062（電子信箱）wing＿zwyang＠163．com。

張衛華（1974-），男，河北沙河人，講師，碩士，主要從事水文水資源、土壤水分的研究，（電話）13637822374（電子信箱）swuwater＠126．com。