松花江干流六種水源涵養林林冠層降水分配

胡天然，王樹力(.東北林業大學林學院，黑龍江哈爾濱50040;2.黑龍江省水土保持科學研究院，黑龍江哈爾濱50040)

森林是陸地生態系統水文循環的重要參與者，通過對大氣降水的再分配過程(林冠截留、穿透降雨、樹干徑流)從而影響森林內水量分配的格局，進而對整個森林生態系統、流域甚至陸地整體的水分循環產生影響［1］。對林冠層降水分配的影響，國內外學者已經有大量的研究。研究內容涉及不同的地區、不同森林類型林冠層截留能力［2］、林內的穿透水量［3］、樹干徑流量［4］及其相關模型［5］和各種影響因素［6］等。研究結果證明，大氣降雨通過林冠層以后，林冠層的截留率為10% ～40%，林內降水的穿透率為60% ～90%，樹干的徑流率為0.5% ～14%;林冠層對降雨的再分配，除了受到不同樹種、不同林木生長特征等個體因素和林分類型、林分組成、林分密度等群體因素影響外，同時還受到降雨量、降雨歷時、次降雨以及與上一次降雨的時間間隔、降雨時段的氣溫、相對空氣濕度及風速、風向等各種外部因素的影響;林內穿透雨量(率)、樹干徑流量(率)以及林冠層截流量(率)與大氣降雨量、降雨強度之間的關系基本上呈現正相關模式，但量與量之間的關系多呈現為線性模型，而率與量或者率與強度之間的關系多表現為非線性模型。

松花江全長1 045 km，是沿途工農業生產和居民生活的重要水源。自1998年發生特大洪水以及2005年發生特大水污染事件以來，氣候的不斷變化以及人為活動的持續干擾已經使松花江干流的水量和水質發生變化。針對該地區的某些森林類型，對降水再分配的不同影響因素已有一些相關研究［7］，但是系統比較這一地區多個森林類型降水分配過程的研究較少。該文選擇松花江干流具有代表性的水曲柳山楊林、糠椴次生林、蒙古櫟次生林、胡桃楸混交林等6種珍貴樹種的闊葉林為研究對象，通過對所選林分林冠層水文功能特征定位觀測，定量探討林冠對降水的再分配作用，以期為松花江干流生態環境的保護及沿岸水源涵養林結構的優化和生態功能的恢復提供理論依據。

1 研究地概況

研究地點位于黑龍江省方正林業局沙河子經營所，地理坐標為129°21'E，45°60'N。地處張廣才嶺北麓，松花江干流東岸，最高海拔為1 357 m，最低海拔100 m，平均海拔在450 m左右，平均坡度為7°。該地屬中溫帶大陸性濕潤氣候，年平均氣溫2.2℃，年≥10℃積溫2 300～2 500℃，無霜期115～120 d，年平均降水量560～700 mm。森林類型主要是針闊混交林和闊葉混交林。主要喬木樹種為水曲柳(Fraxinus mandshurica)、胡桃楸(Juglans mandsurica)、蒙古櫟(Quercus mongolica)、糠椴(Tilia mandshurica)、紫椴(Tilia amurensis)、山楊(Populus davidiana)、白樺(Betula platyphyl-la)、春榆(Ulmus japonica)、紅松(Pinus koraiensis)、長白落葉松(Larix olgensis)和紅皮云杉(Picea koraiensis)等。土壤類型主要為暗棕壤、草甸土、棕色針葉林土、沼澤土和白漿土等。

2 研究方法

2.1 樣地設置 記錄樣地2006年5～9月的降雨，在6種類型林分內各設置面積為25 m×25 m的樣地1塊并進行林內降雨量、樹干徑流量和樹冠截留量的測定，樣地概況見表1。

2.2 大氣降雨量的觀測 在林外空曠地中設置HOBO氣象站，觀測降水量、降雨等級及次數等，所得觀測數據被自動記錄在氣象站的存儲設備中，計算機讀取數據。同時設置普通雨量筒和200 cm×20 cm×15 cm的集水槽觀測大氣降雨量。

表1 松花江干流6種類型林分樣地概況

2.3 林內降雨量的觀測 在每一類型森林內都隨機放置3個200 cm×20 cm×15 cm的集水槽，水槽距離地面高度為50 cm，放置時水槽的一端稍高，出水口端稍低，并接一段塑料管導入塑料桶內，每次降雨后及時測量各水槽內的雨量。

2.4 樹干徑流量的觀測 在每類型森林內按徑階大小分別選取3株標準木，在標準木樹干上距地面50 cm的地方，將3 cm口徑的聚乙烯管剪開，剪去頂端管周的1/4后環繞樹干2周，用大頭釘固定好后，再用黃油密封聚乙烯管和樹干間的空隙作導水槽，尾端留作導水圓管，下端連接塑料袋(容量50 kg)收集降雨。每次降雨后進行測定，獲得標準木的單株樹干徑流量。通過加權平均法可以推算出相應林分的單位面積徑流量，計算公式如下:

式中:G為樹干徑流量(mm);M為單位面積上的樹木株數;Ci為每個徑級樹干徑流量;Ki為每個徑級的樹冠平均投影面積(cm2);Mi為每一徑級樹木株數;n為總徑級數。

2.5 林冠截留量的計算 大氣降水(P)落到林冠層后所進行的第1次再分配可用下述公式表示:

式中:P為大氣降雨量(mm);P'為林內降雨量(mm);G為樹干徑流量(mm);I為林冠截留量(mm);L為枝葉滴流量(mm);e為同期枝葉表面水汽蒸發量(mm)。

在實際觀測中，L、e的數值都很小，可近似認為大氣降雨量等于林內降雨量、樹冠截留量和樹干徑流量三者之和。因此，I=P－P'－G，林冠截留率IR=(I/P)×100%

3 結果與分析

3.1 大氣降雨特征 研究區2006年共降雨50次，降雨量為471.87 mm。降雨以小雨為主，雨強普遍較小。單次降雨量的最小值為1.20 mm，最大值為51.20 mm，平均次降雨量為9.44 mm。次降雨小于10.00 mm的雨量級所占頻率最高，占總降雨次數的64.0%。雨強小于2.50 mm/h的小雨最多，占總降雨次數的64.0%，雨強達到2.50～7.90 mm/h的中雨次數占觀測降雨總次數的28.0%，雨強大于或等于8.00 mm/h的大雨和暴雨占總降雨次數的8.0%。從降雨的總體進程來看，由于5月份尚未進入雨季，所以僅有少量的降雨，同時雨量均較小，都不超過10.00 mm。進入6月份以后，小雨和中雨較為集中，僅有1次大雨的降水過程。大氣降水主要集中在植物生長、新陳代謝活動最旺盛的6、7、8這3個月份，大雨和暴雨全部出現在這3個月份內，特別是8月份的大雨和暴雨次數最多，這段時期內的降水總量占整個雨季的91.9%。進入9月下旬以后，隨著雨季的結束，氣溫也逐漸轉涼，大氣降雨的次數及降雨量銳減，降雨均以小雨為主(表2)。

表2 觀測期間大氣降雨量及雨強級分布

3.2 林內降雨量及其與大氣降雨量的關系 觀測期間6種森林類型的林內雨透流率都小于50.0%，說明50.0%以上的降雨被林冠層截留。其中胡桃楸混交林和水曲柳山楊林的透流率較高，分別是44.2%和40.0%，其次是水曲柳落葉松林和糠椴次生林，透流率分別為37.2%和34.1%，紅松人工林和蒙古櫟次生林的透流率較低，分別為27.9%和24.7%(表3)。

紅松人工林和蒙古櫟次生林相對較低的大氣降雨透流率與二者較高的郁閉度有關，2種類型林分的郁閉度均達到90%(表4)，都有較為茂密的樹冠結構，樹冠之間交錯縱橫，枝葉密布，形成了有效的林冠層截留表面積，對大氣降水的截持作用較為顯著;水曲柳落葉松林的郁閉度雖然也達到了90%，樹冠層結構也較為發達，但由于水曲柳樹種本身的分枝情況沒有落葉松的生長致密，雖然從樹冠投影面積上看，其樹冠是能夠相互銜接的，但是林冠層的空間組成相對較稀疏，分枝數量和葉片的數量也較少，因此使得整個林分內部的林冠層截留能力有所降低;糠椴次生林的郁閉度比前3個林分都低，這也就說明了糠椴森林類型比前3種林分林冠層之間的孔隙要多，使得更多的降雨在沒有林冠層攔阻的情況下直接落到林地內;水曲柳山楊林和胡桃楸混交林這2種林分的郁閉度相對較低，組成這2種類型林分的樹種林冠層結構較稀疏，這就導致了2種林分的透流率相對較高，產生更多的降雨穿過林冠層進而形成林內降雨。

對比眾多學者對林冠層透流狀況研究發現，林內降雨量(P')和林外雨量(P)二者呈現顯著的直線正相關［8－9］。該研究通過對觀測得到的數據進行回歸模擬，也得出了相同的規律。即隨著降雨量的增大，林冠層的穿透雨量也隨之呈現遞增的趨勢。紅松人工林林內降雨量(P')隨林外雨量(P)的增加而增加較快，水曲柳山楊林增加最緩慢。

表3 大氣降雨雨量與穿透雨雨量關系

同時，對透流率與林外雨量進行回歸模擬，結果表明同樣可以用直線方程來描述透流率(Y)與林外雨量(P)的相關性，不同類型林分二者之間的直線方程為:

紅松人工林 Y=3.889 1P+1.725 5，R2=0.798 7;

水曲柳山楊林 Y=5.032 7P － 2.984 4，R2=0.776 7;

水曲柳落葉松林 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;

蒙古櫟次生林 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 樹干徑流量及其與大氣降雨量的關系 樹干徑流又稱作樹干莖流，是指在大氣降水過程中順著樹干流到林地內的林內雨量。樹干徑流除了受到樹木冠層特征的影響外，還與樹干粗細、樹體表面的光滑度和林木枝葉的主側枝夾角大小等有關。國內外學者通常采用直線方程或者拋物線方程來描述樹干徑流量(G)與大氣降雨量(P)的關系［10］，通過該研究觀測的數據發現，用直線方程擬合效果較好。

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

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

水曲柳落葉松林 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;

蒙古櫟次生林 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

通過分析數據發現，6種類型森林的樹干徑流率都是隨著降雨量的增加而增大，變化范圍為0.74% ～16.61%(表4)，其中胡桃楸混交林的樹干徑流率較低，而糠椴次生林較高。冠幅相對小的林分其相應的樹干徑流率相對高，而冠幅相對大的林分，樹干徑流率偏低。6種類型森林的冠幅從大到小順序依次為:胡桃楸混交林、蒙古櫟次生林、水曲柳落葉松林、紅松人工林、水曲柳山楊林、糠椴次生林。6種類型森林的樹干徑流率從大到小順序依次為:糠椴次生林、水曲柳山楊林、水曲柳落葉松林、紅松人工林、蒙古櫟次生林、胡桃楸混交林(表4)，可以很好地反映出二者之間的關系，即在降雨大小相同的條件下，樹干徑流率受到樹木冠幅的影響，呈負相關。

表4 各類型林分郁閉度、樹干徑流率

3.4 林冠截留量及其與大氣降雨量的關系 林冠截留量是包括林冠層的蓄水量和降雨過程中林冠層的截留水分蒸發量。跟林冠層蓄水量相比，林冠層截留水分的蒸發一般較小，所以通常而言林冠層的蓄水量就表示為林冠截留量。林冠截留量和大氣降雨量呈現顯著的相關性，隨著降雨量的增加，林冠層的截留量也隨之上升并且逐漸趨于穩定，這主要是由于林冠層截留量存在限制，在林冠層的截留量達到飽和以后，林冠層截留量的增加就只是由于大氣降雨過程中林冠層所能截持雨量的持續蒸發導致的［11］，林冠層的截留率與降雨的雨強相關程度并不緊密。國內外的眾多研究都是使用指數函數來描述林冠層的截留量和林外大氣降雨量的函數關系，通常都能得到較好的擬合效果［12－15］。該研究中的大氣降雨量(P)和6種類型森林的林冠層截留量(I)之間的指數函數關系為:

紅松人工林 I=1.031 3e(0.1642P)，R2=0.851 8;

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

水曲柳落葉松林 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;

蒙古櫟次生林 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

圖2 各類型森林林冠截留量與降雨量的關系

不同類型森林的林冠層截留量都隨著降雨量的增加而增大，當降雨量＜25 mm時，各種類型森林林冠層的截留量隨降雨量的增加變化不大，但是當降雨量達到25 mm的時候，各種森林類型的林冠層截留量均發生了飛躍性的增長。6種不同類型森林林冠層截留量的變化規律稍微有些差異，這主要與不同的森林類型其林冠層的生物學特征、郁閉度、通透狀況和冠層厚度等因素有關。當大氣降雨先落到林冠層時，受到樹葉及樹枝表面張力的作用，雨水被吸持在林冠層內，由于林冠能夠吸持雨水的表面積很大，所以林冠層在一定的降雨量范圍內，所能吸持的水分可以隨著大氣降雨量的增加而增加。隨著冠層吸持水分量的增加，林冠的枝葉表層被降雨充分浸潤，林冠層的持水量就趨于飽和，林冠表層的吸持能力逐漸降低。當林冠層吸持足夠多的水分達到其飽和持水量(飽和截留量)后，即使降雨量再繼續增加其截留量也不會增加了，倘若降雨量增加過高、過快，會使林冠層的吸持表面出現過飽和吸持作用，然后在重力的作用下帶走部分已經吸持的水分，反而可能會使冠層的截留量有所降低。從研究結果來看，6種不同類型森林的截留量均未達到最大值，即在研究地區當年的單次降雨量達到50 mm時6種不同林冠層仍具有截留能力(圖2)。

4 結論

(1)6種類型森林的透流率狀況是:各類型森林的林內雨透流率都小于50.0%，說明50.0%以上的降雨被林冠層截留。其中胡桃楸混交林和水曲柳山楊林的透流率較高，分別達到44.2%和40.0%;其次是水曲柳落葉松林和糠椴次生林，透流率分別為37.2%和34.1%;紅松人工林和蒙古櫟次生林的透流率較低，分別為27.9%和24.7%。

(2)6種森林類型的樹干徑流率變化范圍為0.74% ～16.61%，從大到小順序依次為:糠椴次生林、水曲柳山楊林、水曲柳落葉松林、紅松人工林、蒙古櫟次生林、胡桃楸混交林。在相同的降雨條件下，各種森林類型的樹干徑流率均與林木冠幅呈負相關。

(3)6種森林類型的林冠層截留量從大到小排序依次為:蒙古櫟次生林、紅松人工林、糠椴次生林、水曲柳落葉松林、水曲柳山楊林、胡桃楸混交林。6種類型森林的林內雨量和大氣降雨均存在顯著的直線相關。林冠層的截留量與大氣降雨均呈指數相關。當降雨量＜25 mm時，6種類型森林的林冠層截留量隨降雨量的增加變化不大，而當降雨量達到25 mm時，6種類型森林的林冠層截留量都有大幅度的增長。研究地區單場降雨量達50 mm時林冠層仍具有截留能力。

［1］張增哲，余新曉.中國森林水文研究現狀和主要成果綜述［C］//全國森林水文學術討論會文集.北京:測繪出版社，1989:1－9.

［2］HAYNES R W，GRAHAM R T，THOMAS M Q.A framework for ecosystem management interior Columbia basin and portions of the Klamath and great basins［J］.Journal of forestry，1998，96(6):4 －9.

［3］鮑文，包維楷，何丙輝，等.森林生態系統對降水的分配與攔截效應［J］.山地學報，2004，22(4):483 －497.

［4］劉建立，王彥輝，于澎濤，等.六盤山疊疊溝小流域華北落葉松人工林的冠層降水再分配特征［J］.水土保持學報，2009，23(4):76 －81.

［5］方江平，項文化，劉韶輝.西藏原始林芝云杉林雨季林冠降水分配特征［J］.生態學報，2010，30(14):3679 －3687.

［6］王佑民.我國林冠降水再分配研究綜述［J］.西北林學院學報，2000，15(3):1－7.

［7］劉強，容祥振，吳興軍.樟子松人工林對降雨的再分配規律［J］.東北林業大學學報，2003，53(31):11 －13.

［8］ZIERL B.A simulation study to analyze the relations between crown condition and drought in Switzerland［J］.Forest ecology and management，2004，18(8):25－38.

［9］ROBIN L H.Interception loss as a function of rainfall and forest types:stochastic modeling for tropical canopies revisited［J］.Journal of hydrology，2003，280(3):1 －12.

［10］周擇福，張光燦，劉霞.樹干莖流研究方法及其述評［J］.水土保持學報，2004，18(3):137 －140.

［11］王彥輝.幾個樹種的林冠降雨特征［J］.林業科學，2001，37(4):2 －9.

［12］SHERIDAN J M.Rainfall and stream flow relation for coastal plain watersheds［J］.Amer Soci Agric Engin，1998，13(3):333 －344.

［13］郭明春，于澎濤，王彥輝，等.林冠截持降雨模型的初步研究［J］.應用生態學報，2005，16(9):1633 －1637.

［14］高成德，余新曉.水源涵養林研究綜述［J］.北京林業大學學報，2000，22(5):78－82.

［15］張光燦，劉霞，趙玫.樹冠截流降雨模型研究進展及其述評［J］.南京林業大學學報，2000，24(1):64 －68.