重慶四面山三種人工林林冠截留效應研究

張 焜，張洪江，程金花，王 冉，王 賢，宋 楠

（北京林業(yè)大學，北京 100083）

林冠截留作用能夠削弱雨滴對地表的打擊力，減輕地表侵蝕危險，同時減少地表產流量，起到了削減洪峰流量和涵養(yǎng)水源的生態(tài)功效，在森林水文中發(fā)揮著重要的作用，一直是水土保持和森林水文研究的重點［1－5］。其以降水為前提，受降雨量、降雨強度、降雨的時空分布、林分結構等諸多因子影響。筆者對四面山針葉林、常綠闊葉林和針闊混交林三種人工林林冠的截留能力進行比較，并研究林冠截留和降雨量之間的關系，為評價三峽庫區(qū)不同人工林的森林水文作用和防護林的建設經營提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

四面山位于重慶市江津區(qū)南部，幅員面積213.37km2，東經106″17′－106″30′，北緯28″31′－28″43′，系云貴高原大婁山北側余脈。巖層主要是白堊紀晚期夾關組厚層紅色砂巖經張力作用和外營力作用的強烈沖蝕切割形成的典型丹霞地貌。

四面山屬于中亞熱帶季風濕潤氣候，氣候溫暖濕潤，雨量充沛，四季分明，無霜期為285d。多年平均氣溫13.7℃，月平均最高氣溫為8月份，達31.5℃，月平均最低氣溫為1月份，為－5.5℃，海拔每上升100m，氣溫遞減0.58℃。年日照時數(shù)867h。年均降雨量1522 .3mm，雨季集中在5－9月，占年平均降雨量的62.7%。降雨量變化較大，海拔每上升100 m，降雨量遞增43.3mm。海拔500～1700 m。

該研究區(qū)內的植被具有典型的亞熱帶常綠闊葉林特征，是由天然次生林和人工林組成。其中，人工林比較典型的群落類型有針葉林、常綠闊葉林和針闊混交林。主要的喬木樹種有杉木（Cunninghamia lanceolata）、馬尾松（Pinus massoniana）、石櫟（Lithocarpus glaber）、木荷（Schima superba）、福建柏（Fokienia hodginsii）、香樟（Cinnamomum camphora）、楓香（Liquidambar formsana）、紫花杜鵑（Rhododendron backii）和楠竹（Phyllostachys pubescens）等竹類植物。

在研究區(qū)內設置了針葉林、常綠闊葉林和針闊混交林3種類型林分的標準地，對其林冠截留效應進行研究。要求在地貌、地質、土壤、植被等方面具有代表性，坡度土壤特性等具有一致性，坡面上盡可能保持自然狀態(tài)［3］，各標準地基本情況見表1。

表1 四面山典型人工林森林群落標準地基本情況

2 研究方法

2.1 林外降雨的測定

林外降雨由Vantage PRO 2小型氣象觀測站（美國產）進行持續(xù)測定，自動采集數(shù)據(jù)時間間隔為1h。林外降雨量即為一次降雨歷時的氣象數(shù)據(jù)累加值。

2.2 穿透雨量的測定

根據(jù)冠層枝葉分布情況和林分的郁閉狀況，分別在每種林分內選取兩個具有代表性的采樣點，清除采樣點的灌木層以減小誤差，在采樣點布設簡易雨量計進行采樣，每次降雨后測定雨量，并取兩個雨量計中雨量的平均值，作為對應林分的穿透雨量。

為減少簡易雨量計內水分蒸發(fā)引起的觀測誤差，在每次降雨結束后，立即測定林內穿透雨量。

2.3 樹干徑流量的測定

樹干徑流量測定采用收集槽法。每個樣地選3～5株成年樹種，在選好的樹干上1.5m高處按環(huán)狀刻出小溝，將聚乙烯塑料管縱向剖開后，沿樹干周圍呈螺旋狀固定在樹干上，用硅膠將接觸處密封，塑料管下端接容器承接樹干徑流，及時測定容器中收集的水量，每個樣地取平均值作為干流量［5］。

2.4 林冠截留量計算

采用水量平衡法［6］計算林冠截留量，如公式（1）所示:

式中:I——林冠截留量（mm）；P——林外降雨量（mm）；T——穿透雨量（mm）；S——樹干莖流量（mm）.

3 結果與分析

3.1 降雨特征

重慶四面山地區(qū)屬于中亞熱帶季風濕潤氣候，雨量充沛，雨季集中在5－9月。2009年四面山雨季降雨狀況如圖1所示。

圖1 2009年雨季降雨狀況

該地區(qū)雨季降雨總量為768.2mm，其中6月份降雨量最大，為332.6mm，9月份降雨量最小，僅為48.6mm。以降雨強度為指標分析次降雨的發(fā)生頻率發(fā)現(xiàn):中雨（24h內降雨量為10～24.9mm）發(fā)生的頻率最高，為36%，大雨（24h內降雨量為25～49.9 mm）發(fā)生的頻率次之，為24%。

3.2 林冠截留量與降雨量的關系

一般來講，降雨量是影響林冠截留的主導因素［3－8］。將實驗單次降雨的林外降雨量和對應林冠截留量點繪成散點圖，見圖2。在低雨量級（0～24.9 mm）時，林冠截留量隨降雨量的增加而增加，逐漸趨向于飽和截留量（針葉林、闊葉林和針闊混交林的飽和截留量大約分別為22.48，23.61，30.93mm）；林冠截留量接近或達到飽和截留量后，林冠截留量的增加會很少或者不再增加［5］。許多學者［3－9］對林冠截留量與降雨量的關系進行了研究，有的認為二者存在著正相關關系，有的表現(xiàn)為線性相關，有的表現(xiàn)為冪函數(shù)關系。該地區(qū)的研究結果表明林冠截留量與降雨量呈冪函數(shù)關系，如式（2）:

式中:I——林冠截留量（mm）；P——林外降雨量（mm）；a，b——常數(shù)。

這與閆文德先生等在湖南株洲的研究結果相類似［4］。

圖2 次降雨林冠截留量隨林外降雨量變化關系

3.3 穿透雨量與降雨量的關系

降雨除被樹冠截留和沿樹干流下外，其余落入林地的稱為穿透雨，包括直接到達地面的降雨和從樹冠上滴落下的降雨［5］。其受降雨特征、森林郁閉度和植被蓋度等因子影響。

根據(jù)2009年5－9月25場實測降雨資料，對林外降雨及林內穿透雨數(shù)據(jù)進行回歸分析，發(fā)現(xiàn)各種森林類型的穿透雨量與林外降雨量呈明顯的線性關系，可以用一元線性回歸模型表示，如式（3）:

式中:P——林外降雨量（mm）；P′——林內穿透雨量（mm）；c，d——常數(shù)。

林內穿透雨量隨林外降雨量的增加而增加，上述回歸模型和試驗采樣數(shù)據(jù)擬合程度高（圖3）。

圖3 穿透雨量與林外降雨量變化關系

3.4 不同森林類型林分林冠截留能力比較

林冠截留受森林自身因素的影響很大，包括森林類型、森林結構和森林覆蓋率等。組成森林生態(tài)系統(tǒng)的群落結構越復雜，濕潤全部枝葉和樹干所需的降雨量就越大［3］。

在2009年5－9月間25場降雨所觀測的不同標準地林冠截留數(shù)據(jù)見表2。

從表2可以看出，不同森林類型典型林分的林冠截留能力不同。從整個雨季25場降雨的總林冠截留率（各次降雨后林冠截留量的總和與降雨量的總和之比）來看，3種林分的大小順序為:針闊混交林（32.97%）＞針葉林（27.36%）＞ 常綠闊葉林（21.85%）；從平均的林冠截留率（各次降雨后林冠截留率的平均值）來看，3種林分的大小順序依然是針闊混交林（40.77%）＞針葉林（31.86%）＞常綠闊葉林（27.82%）。林冠截留能力與林分本身的結構特征、降雨特性、樹冠最大容量有關。本試驗中，因針闊混交林的林冠層次多，樹冠容水量高［2］，所以對降雨的截留作用最大；而常綠闊葉林的枝葉容水量較小，所以其對降雨的截持能力最低。

表2 不同森林類型典型林分林冠截留能力分析

4 結論

（1）林冠截留量與降雨量呈冪函數(shù)關系，其關系式為:I＝aPb，（I——林冠截留量；P——林外降雨量）。林冠截留量隨降雨量的增加而增加，并逐漸趨向于飽和截留量，隨后林冠截留量會隨著降雨量的繼續(xù)增加而增加很少或者不再增加。針葉林、常綠闊葉林和針闊混交林達到飽和截留量時的降雨量分別為:55.4，52.2，102.4mm。

（2）穿透雨量與降雨量的關系可用一元線性回歸模型表示:P′＝cP＋d，（P′——林內穿透降雨量；P——林外降雨量）。穿透雨量隨降雨量的增加而增加，二者呈明顯的線性關系，因此，可用降雨量來估測穿透雨量的大小。

（3）3種典型人工林的林冠截留率大小順序為針闊混交林＞針葉林＞常綠闊葉林。其中，整個雨季的總截留率分別為:32.97%，27.36%，21.85%，平均截留率分別為:40.77%，31.86%，27.82%。針闊混交林的林冠層次多，樹冠容水量高，所以，其對降雨的截留作用最大。

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