樟樹(shù)人工林林冠截留效應(yīng)分析

趙亮生，閆文德,2，項(xiàng)文化,2，梁小翠,2，伍 倩

(1.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南會(huì)同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，湖南 會(huì)同 418307)

樟樹(shù)人工林林冠截留效應(yīng)分析

趙亮生1，閆文德1,2，項(xiàng)文化1,2，梁小翠1,2，伍 倩1

(1.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南會(huì)同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，湖南 會(huì)同 418307)

文章對(duì)比分析長(zhǎng)沙城區(qū)內(nèi)與城郊樟樹(shù)人工林2011年林冠層對(duì)降水的截留效應(yīng)，研究得出結(jié)論：城郊樟樹(shù)林年降水量為2 028 mm，年截留量為515.8 mm，林內(nèi)降水量占總降水量的74.57%，達(dá)1 512.2 mm; 市區(qū)樟樹(shù)林年降水量、截留量、林內(nèi)降水量均低于城郊，雖然年截留量低于城郊，但截留率則高于城郊。市區(qū)和城郊樟樹(shù)林的穿透水變化規(guī)律雖存在差異，但整體趨勢(shì)相似，兩塊檢測(cè)樣地在雨量極低時(shí)截留作用差異較為明顯，但隨著降雨量的增加，截留率差異變小。通過(guò)研究分析兩塊樣地的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可看出無(wú)論是在城區(qū)還是城郊樟樹(shù)人工林林冠均有明顯的截留效應(yīng)。

樟樹(shù)人工林；林冠截留；截留效應(yīng)

林冠截留作為水文過(guò)程中的重要一環(huán)，是降雨在到達(dá)地面過(guò)程中發(fā)生的第一次水量分配[1]，它不僅影響降水的重新分配，還可以對(duì)降雨產(chǎn)生滯留作用及影響雨水中營(yíng)養(yǎng)元素的輸入等[2]，是森林生態(tài)系統(tǒng)重要的生態(tài)水文功能之一[3]，在森林生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)中占居重要地位[4]。森林林冠以其特有的結(jié)構(gòu)，減少水分輸入，影響地表徑流[5]，進(jìn)而影響林地土壤的水分空間分布格局以及養(yǎng)分的循環(huán)和利用[5-6]，對(duì)林冠水文效應(yīng)的研究，有利于探明森林對(duì)降水分配的機(jī)制[7]。

本實(shí)驗(yàn)選取中南地區(qū)典型喬木樹(shù)種——樟樹(shù)，作為研究對(duì)象，關(guān)于樟樹(shù)林冠層對(duì)降水再分配研究已有較多報(bào)道，楊中文等[8]在室內(nèi)對(duì)樟樹(shù)林冠截留模擬試驗(yàn)研究，閆文德等[9]對(duì)樟樹(shù)人工林冠層對(duì)大氣降水再分配規(guī)律的影響做了研究，但是對(duì)于城市市區(qū)與城郊的樟樹(shù)人工林林冠截留效應(yīng)對(duì)比分析卻少有報(bào)道。本文通過(guò)監(jiān)測(cè)兩個(gè)地區(qū)樟樹(shù)人工林林冠對(duì)降雨再分配過(guò)程，對(duì)比分析林冠截留效應(yīng)，揭示林冠水文效應(yīng)的變化規(guī)律，探討降雨特征對(duì)林冠水文的影響，為中南地區(qū)水源涵養(yǎng)林的樹(shù)種選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)置和合理經(jīng)營(yíng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)概況與研究方法

試驗(yàn)地概況、監(jiān)測(cè)樣地的設(shè)置和降水量的測(cè)定方法詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9,10]。兩監(jiān)測(cè)樣地樟樹(shù)人工林的林分概況見(jiàn)表1，數(shù)據(jù)為2011年全年監(jiān)測(cè)值。

表1 城市與城郊樟樹(shù)人工林林地基本情況Table 1 Basic situation of C. camphora plantation forest land in city and suburban

2 結(jié)果與分析

2.1 樟樹(shù)人工林降水輸入與分配

樟樹(shù)林人工林冠對(duì)降水輸入的再分配具有它自身的特點(diǎn)，與落葉林相比，樟樹(shù)葉的新舊更替并不以年為周期，冠層常年都有一定數(shù)量的樹(shù)葉存在[9]。根據(jù)2011年近100多次實(shí)測(cè)降水的資料，統(tǒng)計(jì)出城郊與市區(qū)樟樹(shù)人工林降水輸入及分配情況(見(jiàn)表2、表3)。由表2可看出，城郊樟樹(shù)林年降水量為2 028 mm，年截留量為515.8 mm，占年降水量的25.43%，林內(nèi)的林內(nèi)降水量占總降水量的74.57%，達(dá)1 512.2 mm，但絕大部分為穿透水，占林內(nèi)降水總量的99.1%，達(dá)1 498.5 mm，樹(shù)干莖流量為13.7 mm，僅占林內(nèi)降水總量的0.9%。與表2 相比，表3顯示市區(qū)樟樹(shù)林年降水量、截留量、林內(nèi)降水量均低于城郊，分別為1 381.9 mm、393.21 mm、988.7 mm；雖然年截留量低于城郊，但截留率則高于城郊，為28.45%；而與城郊相似的是，穿透水占林內(nèi)降水比例也達(dá)到了99%。

表2 2011年城郊樟樹(shù)人工林降水輸入及分配規(guī)律Table 2 Precipitation input and distribution rules of C.camphora plantation in suburban in 2011

2.2 降水輸入及分配的月變化

由表2可以看出，2011城郊樟樹(shù)林 1月降水量為34.8 mm，林內(nèi)降水量為8.2 mm，其中穿透水為8.2 mm，占降雨量23.56%，而截留量為26.6 mm，截留率達(dá)到76.44%，為全年最高；于此相比，市區(qū)樟樹(shù)林1月份的降水量比城郊少很多，僅為8.5 mm，但截留量為7.1 mm，截留率達(dá)到83.53%； 由表2、表3數(shù)據(jù)顯示，1月、2月、11月、12月林冠對(duì)降水再分配規(guī)律具有相似的特征，因?yàn)樵摃r(shí)段屬于冬春季節(jié)，降水少，且多以小雨為主，所以出現(xiàn)截留量與林內(nèi)降水量較少，但林冠截留率為全年最大的現(xiàn)象。

表3 2011年市區(qū)樟樹(shù)人工林降水輸入及分配規(guī)律Table 3 Precipitation input and distribution rules of C.camphora plantation in urban district in 2011

由表2還可以看出，從3月份開(kāi)始降水量開(kāi)始增加，3～6月降水1 176.6 mm，占年降水量58%，凈降水898.6 mm，占年降水量的44.3%，其中穿透水890.1 mm，莖流量為2.86 mm，該時(shí)段截留總量比冬春季節(jié)增加，但是截留率呈下降趨勢(shì)，3～6月平均截留率為26.45%；與表2 相比，表3中3～6月降水810.8 mm，占年降水量58.7%，林內(nèi)降水量590.9 mm，占年降水量42.8%，其中穿透水為585.3 mm，莖流量為2.53 mm，3～6月平均截留率為30.43%。該時(shí)段降水量均占年降水量58%左右，而市區(qū)截留率略高于城郊，而總體來(lái)看該時(shí)段屬于春夏季節(jié)，降雨量多、降雨強(qiáng)度大，所以截留量與林內(nèi)降水量較多，但林冠的月平均截留率比冬春季節(jié)有所降低。

從表2可以看出，7～10月份降水量為711 mm，占年降水量35.1%，穿透水565.9 mm，占該時(shí)段降水量79.6%，同時(shí)產(chǎn)生莖流5.1 mm，林冠截留量140 mm，占該時(shí)段降水量19.7%，而7～10月平均截留率為20.17%；于此相比市區(qū)該時(shí)段降水總量為455.21 mm，占年降水量32.9%，穿透水336.8 mm，占該時(shí)段降雨量74%，產(chǎn)生莖流3.4 mm，林冠截留量115.01 mm，占該時(shí)段降雨量25.3%?？傮w來(lái)看該時(shí)段屬于夏季，氣溫高，輻射強(qiáng)，空氣濕度小，林冠干燥，大氣的蒸散力大，降雨次數(shù)減少，降雨多為大雨或暴雨，造成單次降雨雨量增加，降雨強(qiáng)度大，林冠截留作用減弱，所以該時(shí)段林冠截留率相對(duì)較低。

2.3 林冠對(duì)不同類型降雨再分配規(guī)律

從表4可以看出，隨著降雨的加強(qiáng)，穿透水量會(huì)增加，中雨及以上強(qiáng)度才會(huì)出現(xiàn)莖流，而且與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)；截留量隨降雨強(qiáng)度增加而降低，截留率也隨之降低。在小雨情況下，截留率最大，城郊全年降水165次，其中小雨112次：市區(qū)降雨141次，小雨103次，小雨次數(shù)占全年降雨次數(shù)的70%左右，但是小雨累計(jì)降雨量?jī)H在300 mm左右，城郊總降水量高于市區(qū)，主要是由于大雨及暴雨的次數(shù)多一些。城郊小雨降雨量329.7 mm，穿透水92.3 mm，截留量237.4 mm，截留率72%；市區(qū)小雨累計(jì)降雨量296.91 mm，穿透水101.7 mm，截留量195.21 mm，截留率65.75%。表4中暴雨下穿透水量為569.7 mm，穿透率89.48%，截留量為61.6 mm，截留率9.67%，這說(shuō)明林冠截留能力是有限的，達(dá)到飽和后就不再增加，而表4反應(yīng)出市區(qū)林冠層對(duì)暴雨截留率高于城郊，可能是因?yàn)楸┯甏螖?shù)比較少，累計(jì)暴雨降雨量少，所以截留量占的比例會(huì)稍微高一點(diǎn)。

表4 城郊與市區(qū)樟樹(shù)人工林林冠對(duì)不同類型降雨再分配規(guī)律Table 4 Redistribution rules of different types of rainfall by C. camphora plantation canopy in suburban and urban district

2.4 穿透水的變化規(guī)律

從圖1和圖2可以看出，兩塊樣地林內(nèi)穿透水與降雨量都呈明顯的線性關(guān)系方程分別為：y= 0.927x-2.8247，R2=0.99，N=165；y=0.8718x-2.011，R2=0.98，N=141；（y為穿透水，x為降雨量）。而穿透率與降雨量之間存在的非線性關(guān)系，從圖中可以看出，當(dāng)雨量小的時(shí)候穿透率不高，從表4可以看出，在小雨雨量級(jí)下，城郊平均穿透率為28%，而市區(qū)為34.5%；隨著雨量的增大，穿透率也隨之提高并在大雨到暴雨雨量情況下趨于穩(wěn)定，由表4可知，在中雨時(shí)，兩塊樣地穿透率在70%左右，到大雨或暴雨時(shí)，穿透率則在80%以上。

2.5 截留量變化規(guī)律

圖1 城郊穿透水和穿透率與降雨量的關(guān)系Fig.1 Relationship of through-fall and though-fall percentage to rainfall in suburban area

圖2 市區(qū)穿透水和穿透率與降雨量的關(guān)系Fig.2 Relationship of through-fall and though-fall percentage to rainfall in urban area

圖3 城郊林冠截留量和截留率與降雨量的關(guān)系Fig.3 Relationship of interception and interception percentage to rainfall in suburban

從圖3和圖4可以看到，截留量與降雨量之間關(guān)系為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，函數(shù)關(guān)系是分別為：y=0.812 8x0.645 2，R2=0.868 9，N=165；y=0.7754x0.6571，R2=0.823，N=141（y為截留量，x為降雨量）。同時(shí)，從圖中還可以看出截留率與降雨量呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系?？傮w來(lái)看，降雨量越小截留率越高，隨著降雨量的增加，截留量減少，截留率也降低。同樣，從表4中可以看出，小雨雨量級(jí)下，城郊截留量237.4 mm，截留率為72%，市區(qū)截留量195.21 mm，截留率為65.75%；但到中雨時(shí)，截留量分別為132.2 mm和90.1 mm，截留率降低到30%左右；到大雨以至暴雨時(shí)，截留率降低到15%左右。這說(shuō)明，兩塊監(jiān)測(cè)樣地在雨量級(jí)低的時(shí)候截留作用有差異，但是隨著降水量增加，截留率趨于相似。另外從降雨強(qiáng)度角度分析，雨強(qiáng)越小，截留率越高，林冠對(duì)雨水的截留時(shí)間越長(zhǎng)；雨強(qiáng)越大，截留量越小，截留率越低，截留作用的時(shí)間越短，降雨強(qiáng)度與林冠截留量之間存在負(fù)相關(guān)性。

2.6 莖流變化規(guī)律

圖4 市區(qū)林冠截留量和截留率與降雨量的關(guān)系Fig.4 Relationship of interception and interception percentage to rainfall in urban area

從表2和表3可以看出，2011年城郊產(chǎn)生莖流13.7 mm，市區(qū)產(chǎn)生莖流9.3 mm，不足年降水量1%。從表4 看出，在中雨雨量級(jí)及以上才產(chǎn)生莖流，在暴雨下莖流最大，但總量很小，從月降水量角度分析，城郊降雨量最大的6月份，月莖流量也僅為3 mm，市區(qū)降雨量451.2 mm，莖流量為3.5 mm，各月莖流率在0.5%～0.9%之間波動(dòng)。雖然樹(shù)干莖流量所占的比重非常小，但是莖流輸入的養(yǎng)分對(duì)植物生長(zhǎng)、森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的作用卻是不容忽視的。

3 討 論

樟樹(shù)林冠層在各時(shí)段截留能力有所差異，這是因?yàn)榱止诮亓艚涤晔且粋€(gè)復(fù)雜的過(guò)程，截留雨量受到植物本身特性和氣象因素的影響[3]，植物本身的特性,如樹(shù)種、樹(shù)齡、林冠厚度、茂密度等；氣象、氣候因素,如降雨量、降雨強(qiáng)度、雨滴直徑、氣溫、風(fēng)和前期枝葉濕度等。研究地降雨集中在3～6月，降雨事件發(fā)生間隔時(shí)間短，冠層濕度大，截留率相對(duì)較低；7～10月氣溫高，輻射強(qiáng)，空氣濕度小，林冠干燥，大氣的蒸散力大，降雨次數(shù)減少，降雨多為大雨或暴雨，造成單次降雨雨量增加，降雨強(qiáng)度大，林冠截留作用減弱，所以該時(shí)段林冠截留率普遍較低；11月至翌年2月，降雨次數(shù)多但都小雨，降雨量少，冠層濕度處于不飽和狀態(tài)，所以降雨基本上都被冠層截留了。而城市市區(qū)和城郊樟樹(shù)林林冠截留效應(yīng)的差異主要可以從以下兩方面分析：第一，郊區(qū)總降雨量大于市區(qū)，郊區(qū)樟樹(shù)林的穿透水量及穿透率要高于市區(qū)樟樹(shù)林；第二，市區(qū)樟樹(shù)林的齡級(jí)高于郊區(qū)，林分的郁閉度、冠幅高于郊區(qū)，市區(qū)的林冠截留率高于城郊。

4 結(jié) 論

(1) 城郊樟樹(shù)林年降水量為2 028 mm，年截留量為515.8 mm，占年降水量的25.43%，林內(nèi)降水量占總降水量的74.57%，達(dá)1 512.2 mm，但絕大部分為穿透水，占林內(nèi)降水總量的99.1%，達(dá)1 498.5 mm，樹(shù)干莖流量為13.7 mm，僅占林內(nèi)降水總量的0.9%。市區(qū)樟樹(shù)林年降水量、截留量、林內(nèi)降水量均低于城郊，分別為1 381.9、393.21、988.7 mm；雖然年截留量低于城郊，但截留率則高于城郊，為28.45%；而與城郊相似的是，穿透水占林內(nèi)降水比例也達(dá)到了99%。

（2）通過(guò)研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)郊區(qū)和市區(qū)樟樹(shù)人工林林冠截月變化情況呈現(xiàn)相似的季節(jié)性變化格局，即 1、2、11、12月，屬于冬春季節(jié)，降水少且多以小雨為主，林冠對(duì)降水再分配規(guī)律表現(xiàn)為截留量與林內(nèi)林內(nèi)降水量較少，但林冠截留率為全年最大。3～6月，屬于春夏季節(jié)，截留總量比前一個(gè)季度增加，但是截留率呈下降趨勢(shì)，市區(qū)樟樹(shù)林截留率略高于城郊。7～10月份屬于夏季，炎熱干燥，且降雨多為大雨或暴雨，樟樹(shù)林穿透水量增大，穿透率較高，但是截留量和截留率都較低。

（3）通過(guò)對(duì)市區(qū)和城郊樟樹(shù)林穿透水和截留量數(shù)據(jù)的回歸分析，分析結(jié)果表明兩塊樣地的穿透水和截留量隨著降雨量和降雨強(qiáng)度的變化，呈現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律存在差異，但是整體趨勢(shì)還是相似的。

總體而言，通過(guò)對(duì)兩塊樣地的林冠截留效應(yīng)分析可以看出，樟樹(shù)人工林對(duì)降水具有良好的截留作用。兩塊樣地林冠層對(duì)降水的截留改變和減少了雨滴的降落方式及速度，起到了緩和雨勢(shì)、降低和削弱雨滴對(duì)土壤的沖刷作用，林冠截留對(duì)降低地表徑流量和泥沙流失量作用明顯。

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Analysis of canopy interception effects on Cinnamomum camphora plantation

ZHAO Liang-sheng1, YAN Wen-de1,2, XIANG Wen-hua1,2, LIANG Xiao-cui1,2, WU Qian1
(1.National Engineering Lab. for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China;2. Huitong National Field Station for Scientif i c Observation & Experiment for Chinese Fir Ecosystem, Huitong 418307, Hunan, China)

The interception effects of canopy layers between urban and suburban Cinnamomum camphora plantations in 2011 were compared and analyzed. The results show that in the suburban, the annual precipitation of C. camphora artif i cial forest was 2 028 mm,the annual interception quantity was 515.8 mm, the net rainfall accounted for 74.57% of the total through-fall rainfall being 1 512.2 mm;in the urban, the annual precipitation, interception quantity and forest net rainfall were lower than the suburban, but the intercepting rate was higher than the suburban; the urban and suburban’s forest through-fall were different with each other, but the overall trend was similar to each other, when in low level rain interception, the interception actions of two tested samples had obvious differences, but with the increase in precipitation, the intercepting rates tended to be similar to each other. Through the monitoring researches of two samples,the canopy layer was found to have very obvious interception effects to C. camphora.

artif i cial forest of Cinnamomum camphora; canopy interception; interception effects

S715.2；S792.23

A

1673-923X(2013)05-0091-05

2012-12-19

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)：典型森林植被對(duì)水資源形成過(guò)程的調(diào)控研究（201104005）

趙亮生（1986-），男，甘肅敦煌人，碩士研究生，主要從事森林生態(tài)學(xué)、城市生態(tài)學(xué)研究

閆文德（1969-），男，甘肅武威人，教授，博士，主要從事生態(tài)學(xué)的教學(xué)與科研工作

[本文編校：吳 毅]