淺析城市森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)降雨特征
——以東北林業(yè)大學(xué)城市林業(yè)示范研究基地為例

◎ 石磊 薛婷

近年來，沙塵暴、霧霾、空氣污染物PM2.5 等問題成為人們關(guān)注的焦點，良好的生態(tài)環(huán)境是每個人的追求。城市森林通過物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換、養(yǎng)分元素吸收以及水分利用等方式，時時刻刻都在影響并改善城市的土壤環(huán)境、大氣環(huán)境和水環(huán)境，是城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)的主體，擁有不可替代的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。本文通過對城市森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)降雨過程的研究，全面揭示了林內(nèi)降雨再分配的機(jī)理，對提升城市森林的經(jīng)營與管理提供了理論支持，為科學(xué)營造城市森林提供了指導(dǎo)，對增強城市森林的生態(tài)服務(wù)功能與美化環(huán)境功能具有重要意義。

一、什么是城市森林？

城市森林是指在城市規(guī)劃區(qū)以內(nèi)的大面積人工林帶、片林或森林，不僅包括苗圃、育種基地的片狀林或帶狀林，還包括城市公園內(nèi)一定面積的片林等。城市森林在凈化城市空氣改善城市空氣質(zhì)量、降低城市噪聲、美化城市環(huán)境、調(diào)節(jié)空氣溫濕度等方面，具有重要生態(tài)作用。城市森林的概念與理論，最早由美國和加拿大學(xué)者提出，目的在于解決當(dāng)時城市環(huán)境問題，從而為市民提供優(yōu)質(zhì)的生活居住、休憩觀賞空間。上世紀(jì)80年代，城市森林開始在我國發(fā)展。

二、城市森林的結(jié)構(gòu)特征

城市森林的結(jié)構(gòu)決定其功能，而功能反映其結(jié)構(gòu)，城市森林的結(jié)構(gòu)是森林功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。目前，絕大多數(shù)城市森林均由人工栽種，人工化嚴(yán)重，林分組成相對單一，80%以上的樹種為本地鄉(xiāng)土樹種，植物群落配置形式簡單，且木本植物應(yīng)用較集中，喬灌搭配不合理，地被植物缺乏，這些特點是城市森林的普遍特征。

三、研究樣地的基本特征

東北林業(yè)大學(xué)城市林業(yè)示范研究基地（簡稱“示范基地”）位于黑龍江省哈爾濱市中心城區(qū)，占地面積為44公頃。示范基地內(nèi)土壤類型為黑土，且土層深厚，土壤肥沃。其原生植被群落為溝谷草甸，1949年以前被開墾為耕地，20 世紀(jì)50年代劃歸東北林業(yè)大學(xué)后栽種了興安落葉松、黃波羅、樟子松、黑皮油松、胡桃楸、蒙古櫟、水曲柳、白樺、糖槭等針葉和闊葉樹種，目前形成小面積純林（面積多為70m×70m）塊狀混交。（表1）

表1 示范基地內(nèi)四種城市人工林樣地基本特征

四、示范基地內(nèi)降雨過程的特征

城市森林生態(tài)系統(tǒng)是城市內(nèi)較為重要的生態(tài)系統(tǒng)之一。因為植被對陸地生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)有著重要的調(diào)節(jié)作用，城市森林的水文效應(yīng)是其生態(tài)系統(tǒng)中林木和水相互作用及其功能的綜合體現(xiàn)。在不同的城市，由于氣候、地質(zhì)條件、土壤和地形等因素的綜合影響，城市森林的存在和變化將呈現(xiàn)出不同的水文功能。而植被的變化對城市森林水文過程的影響將會改變水量平衡的各個環(huán)節(jié)，影響城市森林的水分狀況和養(yǎng)分通量。

1.林冠層對降雨的截留

當(dāng)降雨發(fā)生時，雨水會與林冠層發(fā)生接觸，部分降水被樹葉樹枝吸附截持，產(chǎn)生林冠截留，截留不僅減少了雨水到達(dá)地面的降水量，同時也降低了降雨功能，延緩了降雨發(fā)生的時效。林冠層的截留能力受降雨特征（降雨量、降雨強度、降雨歷時）、森林冠層結(jié)構(gòu)（葉面積指數(shù)LAI、冠層厚度、分枝角度、冠型）、森林群落結(jié)構(gòu)（樹種組成、林齡、林分郁閉度）等多種因素的綜合影響，其中最主要的影響因素為降雨量。林冠截留作用是城市森林水文作用的一個重要方面。研究數(shù)據(jù)表明，林冠層的截留率一般在2.2%—67.5%之間，而在我國，由于森林類型的特點及降雨量的不同等因素，林冠截留率一般介于11.4%—36.5%之間。影響降水分配格局及截留能力的主要因素是林分結(jié)構(gòu)的差異，其中葉面積指數(shù)的影響最大。

通過觀測得知，林冠截留率最高的是落葉松林為37.63%。（表2）

表2 四種城市人工林降雨再分配——林冠截留占比

2.林內(nèi)穿透雨

林內(nèi)穿透雨是林冠對降雨再分配后形成的主要部分，穿透雨的強弱、雨量的大小不僅會改變林下水分、林地養(yǎng)分輸入的空間分布，而且還會影響穿透雨中的物質(zhì)濃度。因此，穿透雨在城市森林生態(tài)系統(tǒng)水文過程和養(yǎng)分循環(huán)中，占有極其重要的地位。

通過觀測發(fā)現(xiàn)，在四種城市人工林中，林內(nèi)穿透雨量占比最低的為樟子松林54.76%，其次為蒙古櫟林58.27%，落葉松林為58.66%，胡桃楸林穿透雨量占比最高59.28%。（表3）

表3 四種城市人工林降雨再分配——林內(nèi)穿透雨占比

3.樹干徑流

樹干徑流指雨水經(jīng)樹葉和樹枝沿著樹干流向地面的部分，常被簡稱為干流或莖流，是大氣降雨被森林冠層截留再分配后的一個林內(nèi)雨分量，是森林冠層水量平衡的重要組成部分，通常在水量平衡中所占比例最小。隨著對樹干徑流認(rèn)識的不斷深入，研究人員發(fā)現(xiàn)，樹干徑流在森林生態(tài)水文過程中起著重要作用。樹干徑流能減少雨滴的動能與動量，降低水土流失程度，同時通過淋洗樹體表面所得到的營養(yǎng)因子，會在樹木根部下滲分布，被樹木更好地吸收，從而促進(jìn)森林養(yǎng)分和水分的再循環(huán)。因此，樹干徑流對樹木生長與發(fā)育起著重要作用，特別是在干旱、半干旱地區(qū)，樹干徑流對于造林樹種的成活起著至關(guān)重要的作用。

觀測結(jié)果表明，樹干徑流量占比最大的為胡桃秋林19.08%，蒙古林次之18.52%，再次為樟子松林8.76%，占比最小的為落葉松林3.72%。（表4）

表4 四種城市人工林降雨再分配—樹干徑流占比

五、結(jié)語

通過對四種城市人工林降雨再分配的觀測，可以得到胡桃楸林與蒙古櫟林對降雨再分配后，林內(nèi)獲得雨水量要大于落葉松林與樟子松林，而雨水量的多少是關(guān)系到林木生長發(fā)育的重要因素，充分有效的利用降雨對城市人工林的經(jīng)營與管理至關(guān)重要。因此，在城市人工林的種植方式上可以多選擇針葉闊葉混交的種植方式栽種，這樣既可以分發(fā)揮混交林中各種林分對降雨分配所產(chǎn)生的不同作用，又可以形成良好的城市森林景觀，對增強城市森林的生態(tài)服務(wù)功能與美化城市環(huán)境功能具有重要意義。