長三角地區杉木林降雨再分配特征

韓 誠，張金池，莊義琳，顧哲衍，劉 鑫，莊家堯

（南京林業大學 森林資源與環境學院，江蘇 南京 210037）

森林對大氣降水產生影響的第1個層次就是林冠[1]，林冠層對大氣降水的再分配作用在森林生態系統水文循環過程中占據重要的地位。再分配作用增加了降水在空間分布上的多樣性，形成了3個部分：林冠截留、穿透雨以及樹干徑流，這3個部分對整個森林生態系統均有重要的影響。目前已有大量文獻報道了中國主要森林的林冠截留特征，國內主要森林生態系統的林冠截留率為11%～37%[2]，林冠截留中一部分水分被葉片、枝干吸收，一部分通過蒸發直接返回大氣[3]。在亞馬遜地區水循環過程中蒸發的水分25%～50%來自于降水，而其中的1/3來源于林冠截留[4]。降雨經過林冠層形成具有較小動能的穿透雨，減小降雨對林地的侵蝕，穿透雨中含有較為豐富的養分，這部分養分構成了森林生態系統物質循環和能量流動的重要組成[5]，部分研究顯示穿透雨具有匯集效應[1,6]。樹干徑流所占比例較小，在研究中通常被忽視，但部分學者研究證明，某些地區忽視樹干徑流會造成很大的誤差[7-8]，樹干徑流通過淋洗林冠及樹干而獲得的養分數倍于降雨以及穿透雨，這部分水分和養分可直達植物的根系，對干旱或半干旱地區的植被具有重要的生態意義[9]。杉木Cunninghamia lanceolata是中國特有的速生用材樹種，分布廣泛，有關杉木林水文效應研究的文獻較多[10-14]，但這些研究存在研究地域較為分散和研究方法精確度不高等問題。長三角地區經濟發達、人口密集，對水資源的需求大，杉木是該地區典型的常綠針葉樹之一，是重要的的造林樹種。目前，有關長三角地區杉木林降雨再分配關系的研究較少，杉木林對該區域凈化水質、水源涵養及水土保持具有重要的作用，對維持該地區的區域生態安全有著重要意義，對其豐水季的降雨再分配格局進行深入分析，以期加深杉木林水文效應機理的認識，為本地區水源涵養林樹種的選擇以及經營、管理提供理論依據。

1 試驗區概況

研究點設在南京市東善橋林場銅山分場（31°35′～31°39′N，118°50′～118°52′E），試驗區屬北亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫為15.1℃，無霜期229 d，年日照時數2199 h，年平均降水量1100 mm,時間分布上多存在2個多雨期：一是春夏之交的梅雨，二是夏季的臺風雨，為每年的4月至9月。地形為蘇南丘陵,土壤類型為黃棕壤。海拔在38～388 m,林分類型以杉木Cunninghamia lanceolata，馬尾松Pinus massoniana，麻櫟Quercus acutissima，毛竹Phyllostachys edulis林和茶Camallia sinensis園為主。調查樣地位于陰坡中下部，杉木林平均坡度為22°，平均林齡45 a，平均郁閉度0.61，平均樹高10.8 m，平均胸徑13.2 cm，密度850株·hm-2。

2 試驗材料與研究方法

在試驗樣地外約20 m處的空曠地設置1臺翻斗式自記雨量計，持續測定（隔5 min自動采集1次數據）林外降雨量和降雨過程。利用Decagon自動氣象站（美國產）對空氣溫度、濕度、風速以及風向進行測定（隔15 min自動采集1次數據）。

選擇杉木林分中生長條件良好的典型坡面設置林冠水文野外觀測點，選取1個樣地（20 m×20 m）設置3個集水槽（200 cm×20 cm×20 cm）收集穿透雨，布設集水槽時需要除去高于集水槽的植被，將降雨導入稱量式自動排液式測定系統，最后根據集水槽的面積以及3個集水槽收集到的穿透雨量換算出林內穿透雨量（mm）。

試驗采用自制試驗裝置—樹干徑流儀。該裝置采用噴塑鐵皮由模具制成半圓形容器，2個半圓形容器圍繞同等直徑樹干合圍，形成樹干徑流收集裝置。鐵皮與樹干直接用玻璃膠消除縫隙，裝置下方有出水口，連接皮管將收集到的雨水導入下方放置的翻斗式雨量計中，通過翻斗式雨量計來計算收集到的樹干徑流量。按4 cm為1個徑級劃分分布，選取樣地中3株接近各徑級平均胸徑的樣木（共9株），裝置儀器進行觀測，然后將徑流量按林木徑級及其權重進行統計，利用加權平均法推算出林分的樹干徑流量。

利用水量平衡方程I=P-S-T計算林冠截留量，其中：I為林冠截留量（mm），P為大氣降雨量（mm），S為樹干徑流量（mm），T為穿透雨量（mm）。

3 結果與分析

3.1 林外降雨特征

在觀測期2012年4-9月內，累計47場降雨。為方便研究該地區降雨特征，依據降雨量的大小依次分為：0～1，1～5，5～10，10～15，15～20，20～30，＞30 mm 共 7 個降雨等級（表1）。對檢測到的大氣降雨數據進行分析表明：從降雨量級的分布來看，降雨量＜10.0 mm的小雨占總降雨場數的比例最大，總計70.21%。從降雨量來看，占降雨場數最少的＞30.0 mm的降雨占總降雨量的比例最大，為41.56%，而占據降雨場數比例優勢的小雨僅占降雨量的19.86%。研究區內降雨強度較小的降雨事件占據優勢，＜1.5 mm·h－1的降雨占到降雨次數的68.1%。

表1 降雨特征Table1 Rainfall characteristics

3.2 降雨再分配的影響因子

林分特征與氣象特征影響林冠層降雨再分配格局。本研究觀測的氣象因子包括降雨量、降雨強度、空氣相對濕度、空氣溫度、風速、風向，利用SPSS 19對氣象因子與穿透雨、樹干徑流以及林冠截留進行相關性分析發現，降雨量、降雨強度與穿透雨、樹干徑流以及林冠截留相關性極為顯著，風速與穿透雨和樹干徑流呈顯著正相關，空氣相對濕度、空氣溫度以及風向與穿透雨、樹干徑流以及林冠截留并無顯著相關性（表2）。

表2 穿透雨、樹干徑流、林冠截留與氣象因子的Pearson相關系數Table2 Pearson correlation between throughfall，stemflow and canopy interception and environmental factors

3.3 林內穿透雨特征

基于2012年4月至9月觀測到的降雨與穿透雨的數據，杉木林內累計穿透雨量344.1 mm，占降雨量比例的73.1%。影響穿透雨的影響因子包括氣象因子和林分因子。本次研究探討了穿透雨量、穿透雨率與降雨量及降雨強度的關系。圖1顯示了長三角地區杉木林的穿透雨量與降雨量具有顯著的線性正相關，穿透雨量隨林外降雨量的增加而變大。在降雨量較小時穿透雨會被林冠全部截持，當穿透雨量為0 mm時X軸的截距就為形成穿透雨的最小雨量，而這個值可以根據擬合出的方程計算得到，長三角地區杉木林形成穿透雨的最小雨量為0.9 mm。降雨量與穿透雨率的回歸關系為對數函數關系，降雨量＜20.0 mm時，隨降雨量增大穿透雨率增加速度較快，之后增加較為緩慢并趨于穩定。根據最大R2值來判斷，穿透雨量、穿透雨率與降雨強度的關系用對數函數擬合效果較好，降雨強度＜2.5 mm·h－1時，穿透雨量增長較快，之后穿透雨增長速度減緩，穿透雨率在降雨強度＜5.0 mm·h－1時增長速度最快，隨后增長速度變緩（圖 2）。

圖1 穿透雨量、穿透雨率與降雨量的關系Figure1 Relationship between throughfall,throughfall rate and rainfall

圖2 穿透雨量、穿透雨率與降雨強度的關系Figure2 Relationship between throughfall,throughfall rate and rainfall intensity

3.4 樹干徑流特征

樹干徑流量所占比例小，在研究過程中通常會被很多研究者忽略，但是這部分水分中包含的養分濃度數倍于大氣降水和穿透雨，并且可以直達植物根系地區便于植物的吸收和利用，在干旱區這部分水分對植被尤為重要。觀測期內，杉木林累計樹干徑流量10.3 mm，占降雨量的2.2%。長三角地區杉木林樹干徑流量與降雨量呈顯著的線性關系，樹干徑流量隨降雨量的增大而增加，雨量較小的降雨形成不了樹干徑流。形成樹干徑流的最小雨量為擬合方程與X軸的截距，經計算杉木林樹干徑流形成的最小雨量為4.1 mm。樹干徑流率與降雨量也有顯著的線性正相關關系（圖3）。樹干徑流量、樹干徑流率與降雨強度的相關關系用二次函數可得到較為滿意的擬合結果，樹干徑流量、樹干徑流率隨降雨強度的變化規律都是先增大后減小呈拋物線形，在5 mm·h－1左右達到最大值隨后開始減小，推測原因降雨強度超過一定范圍，雨滴的沖擊力過強導致葉片、枝干截留降水減少，因此樹干徑流量、樹干徑流率也隨之變小（圖4）。

圖3 樹干徑流量、樹干徑流率與降雨量的關系Figure3 Relationship between stemflow,stemflow rate and rainfall

3.5 林冠截留特征

由圖5可知：杉木林林冠截留量與降雨量呈線性關系，林冠截留率與降雨量的關系可以用冪函數曲線來擬合，擬合效果較好。這與多數學者在不同地區的研究相符合。林冠截留量隨降雨的增大而增大，但增長速率漸緩，林冠截留率在＜10 mm階段下降速度快，之后隨降雨量的增加而減少并趨于穩定。林冠截留量與降雨強度的相關關系用二次函數擬合可得到較滿意的效果，林冠截留量并不是一直隨降雨強度的增大而增大，而是隨降雨強度的增大先增大后減小呈拋物線形。推測原因，是由于降雨強度較小時林冠層可以截留大部分的降水，隨著降雨強度的增大截留量也緊跟著增大，但當降雨強度超過一定值之后，雨滴的動能過大造成林冠層機械晃動劇烈導致冠層截持不住降水，導致截留量反而下降。林冠截留率與降雨強度呈顯著的對數函數關系（P＜0.01），在0～5 mm·h-1階段下降十分迅速，之后隨降雨強度的變大而減小，但趨勢較緩和（圖6）。

圖4 樹干徑流量、樹干徑流率與降雨強度的關系Figure4 Relationship between stemflow,stemflow rate and rainfall intensity

圖5 林冠截留量、林冠截留率與降雨量的關系Figure5 Relationship between canopy interception,canopy interception rate and rainfall

圖6 林冠截留量、林冠截留率與降雨強度的關系Figure6 Relationship between canopy interception,canopy interception rate and rainfall intensity

4 結論與討論

本研究采用定位觀測的方法對南京市東善橋林場銅山分場杉木林的降雨再分配進行了測定。通過相關性分析，篩選出的影響降雨再分配的主要氣象因子為降雨量、降雨強度以及風速，并詳細分析了降雨量、降雨強度與穿透雨、樹干徑流以及林冠截留的關系，分析結果如下：①2012年4月至2012年9月之間，長三角地區杉木林內穿透雨占降雨量的73.1%。杉木林的穿透雨量與降雨量具有極顯著的線性正相關，形成穿透雨的最小雨量為0.9 mm，在某些降雨量很小但降雨強度較大的降雨事件中，降雨量未達到0.9 mm穿透雨量也會出現，但0.9 mm這個結果與觀測到的絕大多數降雨數據吻合。穿透雨率與降雨量的回歸關系為對數函數關系。穿透雨量、穿透雨率與降雨強度的關系用對數函數擬合效果較好，曲線變化趨勢均是前期增長較快，隨后增加速度變緩并趨于穩定。②調查期內，杉木林累計樹干徑流量10.3 mm，占據降雨量比例的2.2%，低于于小軍等[11]在會同生態試驗站測定的杉木林樹干徑流率（4.45%），推測原因本研究區年平均降水量較低，且小雨量低強度的降雨占據優勢，導致了樹干徑流率較低。杉木林樹干徑流量、樹干徑流率與降雨量呈極顯著的線性正相關關系，均隨林外降雨量的增加而增大。杉木林樹干徑流量、樹干徑流率與降雨強度的關系用二次函數擬合可得到較滿意的結果，兩者隨降雨強度的變化趨勢都呈拋物線形，先增大后減小，這可能是雨強較小時林冠層截持的降雨順著枝干到達根部底端轉化為樹干徑流，降雨強度變大，降雨較強的沖擊力導致林冠層可截留的降雨減少，最終到達根部的樹干徑流量也變少。③研究林分杉木林冠截留量（116.3 mm）占降雨量的24.7%，杉木林冠截留量與降雨量的關系用冪函數擬合效果最好，與鞏合德等[13]和張志永等[14]研究得出林冠截留量與降雨量呈冪函數（I=aPb）的關系結論一致，林冠截留率隨降雨量的增大而減小，體現出林冠層蓄水能力的有限性，用冪函數方程最能反映林冠截留率與降雨量的關系。賈永正等[15]對長三角地區毛竹林冠截留的研究也得出相同結果。林冠截留量與降雨強度用二次函數擬合效果較好，隨降雨強度的增大林冠截留先增大后減小，林冠截留量曲線呈拋物線形，當雨強超過10 mm·h-1左右時，林冠層受到雨滴的沖擊過大導致截留的降水變少。隨降雨強度的增大，截留率持續降低，前期下降較快，之后下降速率變緩。

John等[16]研究得出風速風向、空氣溫濕度等氣象因子也會對樹干徑流、穿透雨以及林冠截留產生影響，此次研究中降雨再分配與空氣相對濕度、氣溫以及風向等氣象因子并無顯著的相關性，僅僅與風速有一定的相關性，在今后的觀測中需要進行連續長期的定位觀測，以獲得更加準確的結論。

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