東北黑土區(qū)水土保持林降雨截留特征分析

隋媛媛，許曉鴻，張瑜，歐洋，閻百興，王佩將，崔海鋒，崔斌

(1.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130102；2.吉林省水土保持科學(xué)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130033；3.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049)

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東北黑土區(qū)水土保持林降雨截留特征分析

隋媛媛1,2,3，許曉鴻2，張瑜2，歐洋1*，閻百興1，王佩將2，崔海鋒2，崔斌2

(1.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130102；2.吉林省水土保持科學(xué)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130033；3.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049)

為了解林冠截留對(duì)東北黑土區(qū)水土保持林水分循環(huán)、分配及利用率的影響，以落葉松和落葉松-蒙古櫟混交林為研究對(duì)象，在吉林省東遼縣杏木小流域布設(shè)野外觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)兩種不同林分降雨截留特征進(jìn)行分析。在15次降雨觀測(cè)中，落葉松與落葉松-蒙古櫟混交林的林下穿透雨分別占總降雨量的72.02%和67.42%，樹(shù)干流占2.62%和2.74%，截留量占25.32%和29.80%，兩種林分林冠截留率為8.93%～73.50%，落葉松-蒙古櫟混交林對(duì)降雨的截留作用較佳。落葉松與落葉松-蒙古櫟混交林產(chǎn)生地表徑流各8次，共計(jì)產(chǎn)流3.52 和3.40 mm。不同林分林下穿透雨和截留量隨月份變化表現(xiàn)為8月>7月>6月>5月>9月，樹(shù)干流為7月>8月>6月>5月>9月，9月截留率最高，分別為44.49%和49.02%，7月份截留率最低，分別為20.40%和25.17%。不同林種林下穿透雨、樹(shù)干流及截留量均與降雨量呈顯著線(xiàn)性相關(guān)(P<0.05)，且當(dāng)降雨量<30 mm時(shí)，樹(shù)干流增幅較小，降雨量>30 mm時(shí)，樹(shù)干流迅速增加并逐漸趨于平穩(wěn)。截留率隨著降雨量的增加則逐漸降低，當(dāng)降雨量較小時(shí)(<30 mm)，林冠截留率由73.50%降低到21.90%，隨著降雨量的增大，截留率變化幅度較小，并趨于穩(wěn)定。兩林分林下穿透雨與降雨強(qiáng)度呈顯著線(xiàn)性相關(guān)(P<0.05)，樹(shù)干流與降雨強(qiáng)度以對(duì)數(shù)擬合較好(P<0.05)，降雨強(qiáng)度與林冠截留量和截留率相關(guān)性不顯著。當(dāng)降雨強(qiáng)度≤2.65 mm/h時(shí)，兩林分林冠截留率均大于50%。

東北黑土區(qū)；降雨截留；樹(shù)干流；截留率

樹(shù)冠是樹(shù)木重要組成部分[1-2]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，林冠層能夠?qū)Υ髿饨涤赀M(jìn)行截留和再分配，進(jìn)而影響森林水分利用效率及林內(nèi)徑流產(chǎn)生。它對(duì)森林水循環(huán)及水量平衡具有重要影響[3]，反之，水分條件也會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響[4-5]。已有研究表明，降雨經(jīng)林冠截留分配后，形成林內(nèi)穿透雨、樹(shù)干流及林冠截留部分，其中林內(nèi)穿透雨動(dòng)能明顯減少，使得雨滴對(duì)土壤的擊濺侵蝕作用明顯降低，有利于減少林內(nèi)地表產(chǎn)流[6-8]。Delphis等[9]和Li等[10]研究發(fā)現(xiàn)，樹(shù)干流雖然占降雨比例較小，但能夠沿樹(shù)干直接到達(dá)樹(shù)木基部，對(duì)補(bǔ)充樹(shù)木生長(zhǎng)需要的水分和養(yǎng)分具有重要作用。羅忠和文仕知[11]對(duì)楓香人工林降雨截留后的養(yǎng)分分配特征進(jìn)行研究后指出樹(shù)干流含有的NH4+-N含量最高。而林冠截留量除少量被植物吸收，其余均直接蒸發(fā)返回大氣，是不可忽視的水分損失，直接影響著森林生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)過(guò)程及水資源利用率。因此了解和掌握森林生態(tài)系統(tǒng)林冠層對(duì)降雨截留及再分配情況，對(duì)于充分利用降水資源、提高森林生態(tài)水文效益具有重要意義。目前，已有學(xué)者在北京密云水庫(kù)流域[12]、晉西黃土區(qū)[13]、長(zhǎng)江流域[14]及荒漠區(qū)[15]等地開(kāi)展了相關(guān)研究，分別對(duì)水源涵養(yǎng)林、刺槐人工林、防護(hù)林及喬、灌木林的林冠截留特征進(jìn)行分析，并嘗試?yán)昧止诮亓裟Ｐ皖A(yù)測(cè)林冠截留量，但因受限于實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的缺乏，目前對(duì)不同地區(qū)、不同林種的降雨截留作用及其影響因素分析仍不夠全面，特別是對(duì)林內(nèi)地表徑流觀測(cè)較為少見(jiàn)，有待于進(jìn)一步深入研究。

東北黑土區(qū)是我國(guó)重要商品糧生產(chǎn)基地，也是我國(guó)水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一[16-17]。水土保持林具有涵養(yǎng)水源、減少土壤侵蝕、改良土壤和改善小氣候等功能，林冠截留量占總降雨量比例達(dá)45.22%～51.49%，在防治水土流失、改善生態(tài)環(huán)境和保障糧食安全方面具有重大作用[18-20]。落葉松和蒙古櫟是該區(qū)域廣泛應(yīng)用的水土保持林種[21]，因此，本研究以純落葉松林和落葉松-蒙古櫟混交林為研究對(duì)象，在對(duì)林外降雨、林下穿透雨及樹(shù)干流等指標(biāo)進(jìn)行野外連續(xù)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，增加了林內(nèi)產(chǎn)徑流量的觀測(cè)，分析了不同林種降雨截留特征及其隨月份變化情況，并對(duì)林冠截留能力與降雨量、降雨強(qiáng)度間的相關(guān)關(guān)系及其對(duì)地表徑流產(chǎn)生影響進(jìn)行探討，以期能夠?yàn)樗帘３至至址N合理配置與管理、提高林地水分利用效率、減少?gòu)搅鳟a(chǎn)生及防治水土流失提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省東遼縣杏木小流域(125°22′40″-125°26′10″ E, 42°58′05″-43°01′40″ N)，地處長(zhǎng)白山余脈，為典型的東北低山丘陵地貌。屬寒溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫5.2℃，有效積溫2700～2800℃，最高氣溫38℃，最低氣溫-40℃，≥10℃的年積溫2900℃。無(wú)霜期平均137 d，年平均日照時(shí)數(shù)為2497.9 h。多年平均降水量658.1 mm，6-9月降水量占全年的67.9%。研究區(qū)土壤類(lèi)型為暗棕壤，植被類(lèi)型屬于長(zhǎng)白山植物區(qū)系，主要包括蒙古櫟(Quercusmongolica)、核桃楸(Juglansmandshurica)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)、紅松(Pinuskoraiensis)、落葉松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestnisvar.mongolica)、紫椴(Tiliaamurensis)、白楊(Populustomentosa)、小葉章(Calamagrostisangustifolia)。

1.2 試驗(yàn)布設(shè)與觀測(cè)

試驗(yàn)布設(shè)及觀測(cè)時(shí)間為2013年5-9月。試驗(yàn)選取2塊長(zhǎng)勢(shì)良好的針葉林和針闊混交林地作為研究對(duì)象，坡度分別為18° 和21°(表1)。用彩鋼板在兩樣地內(nèi)各圍成一個(gè)觀測(cè)場(chǎng)，為100 m2的長(zhǎng)方形觀測(cè)區(qū)域，長(zhǎng)和寬分別為20 和5 m，在觀測(cè)場(chǎng)坡底彩鋼板收口處放置集流桶，觀測(cè)林內(nèi)地表徑流量。為準(zhǔn)確獲取林內(nèi)降雨量，每個(gè)觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)從坡上至坡下平均劃分4行，行間隔為4 m，每行均勻分布2個(gè)口徑為20 cm的雨量桶，每個(gè)觀測(cè)場(chǎng)共布設(shè)10個(gè)雨量筒。去除樣地內(nèi)每株樹(shù)木距離地面1.3 m處的死樹(shù)皮，縱向切開(kāi)內(nèi)徑為2.0 cm的聚乙烯塑料軟管，將其纏繞樹(shù)干一圈，用圓釘固定好，并用玻璃膠粘結(jié)和填補(bǔ)縫隙，保證塑料軟管與樹(shù)干間沒(méi)有滲水和漏水[22-23]。在軟管接縫處安裝集水瓶，使得匯集在塑料半圓軟管中的樹(shù)干流導(dǎo)入其內(nèi)，每次降雨后測(cè)量瓶?jī)?nèi)盛水體積，換算成樹(shù)干流。對(duì)落葉松林地和蒙古櫟-落葉松混交林2個(gè)觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)所有29株樹(shù)木樹(shù)干流進(jìn)行觀測(cè)。

表1 樣地基本情況表

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

林外降雨量、降雨強(qiáng)度及降雨歷時(shí)由研究區(qū)配備的自動(dòng)氣象站測(cè)得(型號(hào)DL16)，氣象站位于兩個(gè)觀測(cè)場(chǎng)西北方向的空地，距離230 m；林下穿透雨由各樣地內(nèi)雨量筒收集并測(cè)量；林內(nèi)地表徑流由集流桶收集并觀測(cè)，樹(shù)干流量(C)由公式(1)[24]計(jì)算，

(1)

式中，C為樹(shù)干流量(mm)；Ci為每株樹(shù)木收集樹(shù)干流量(mL)；Si為每株樹(shù)木樹(shù)冠投影面積(m2)；n為各樣地總樹(shù)木株數(shù)。

林冠截留量(I)根據(jù)水量平衡原理由公式(2)[25]計(jì)算得出，

I=P-Pn-C

(2)

式中，I為林冠截留量(mm)；P為林外降雨量(mm)；Pn為林下穿透雨(mm)；C為樹(shù)干流量(mm)。

林冠截留率(i)由公式(3)計(jì)算，

i=I/P×100%

(3)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與作圖，對(duì)不同月份降雨截留的變化特征進(jìn)行分析，并對(duì)林下穿透雨、樹(shù)干流、截留量及截留率與降雨量和雨強(qiáng)進(jìn)行相關(guān)分析；使用SPSS 16.0軟件對(duì)不同林種數(shù)據(jù)集之間差異顯著性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)區(qū)降水情況

研究試驗(yàn)觀測(cè)期間(2013年5-9月)， 共完整觀測(cè)到降雨、 林下穿透雨及樹(shù)干流的次數(shù)為15次(表2)。 其中，2013年5月降雨2次，降雨量>0.1 mm和>25 mm各1次；6月3次，降雨量>10 mm為2次，>25 mm為1次；7月4次，降雨量>25 mm和>50 mm各2次；8月4次，>1.0 mm和>10 mm各1次，>50 mm為2次；9月為2次，降雨量均>10 mm。由表2分析，觀測(cè)期內(nèi)9月的降雨量和平均降雨強(qiáng)度最小，分別為23.87 mm和1.79 mm/h，8月最大，分別為201.63 mm和5.02 mm/h，其次為7月，分別為169.00 mm和3.84 mm/h。

2.2 不同林種降雨截留特征分析

由表3分析，5-9月落葉松林與落葉松-蒙古櫟混交林的林下穿透雨分別為1.51～90.00 mm和1.48～88.00 mm，林下穿透雨總量共計(jì)530.15和381.83 mm，分別占總降雨量的72.02%和67.42%，說(shuō)明在不同林分林冠層對(duì)降雨進(jìn)行分配的過(guò)程中，絕大部分降雨穿透林層并到達(dá)地表；試驗(yàn)觀測(cè)期間，兩樣地產(chǎn)生樹(shù)干流各13次，樹(shù)干流量為0.33～2.01 mm和0.35～2.21 mm，分別占降雨總量的2.62%和2.74%；不同林分總的林冠截留量為134.25和158.00 mm，分別占降雨總量的25.32%和29.80%；兩林分林冠截留率在8.93%～73.50%之間，其中6月27日降雨場(chǎng)次的林冠截留率最低，分別為8.93%和10.17%，而8月8日降雨場(chǎng)次的林冠截留率最高，分別為70.51%和73.50%，這不僅與林分林冠特征及自身生長(zhǎng)環(huán)境狀況有關(guān)，同時(shí)還受降雨量、降雨歷時(shí)、降雨間隔及風(fēng)向、溫度等環(huán)境條件影響；不同林分產(chǎn)生林內(nèi)地表徑流各8次，其中落葉松林產(chǎn)徑流量共計(jì)3.52 mm，落葉松-蒙古櫟混交林產(chǎn)徑流量共計(jì)3.40 mm。兩林分產(chǎn)生林內(nèi)地表徑流的降雨量和林下穿透雨分別為30.01～116.03 mm和19.20～95.00 mm，降雨量低于30.01 mm 或者林下穿透雨小于19.20 mm時(shí)均無(wú)地表徑流產(chǎn)生，說(shuō)明降雨量和林下穿透雨越大，越容易發(fā)生地表徑流。并且，在產(chǎn)生地表徑流的8個(gè)降雨場(chǎng)次中，落葉松和落葉松-蒙古櫟混交林的林冠截留率分別為8.93%～30.90%和10.17%～37.30%，說(shuō)明林冠截留率與地表徑流存在負(fù)相關(guān)，林冠截留率越小，越容易產(chǎn)生林內(nèi)地表徑流。

表2 試驗(yàn)區(qū)降雨情況分析

在同一降雨場(chǎng)次下，落葉松林的林下穿透雨均大于落葉松-蒙古櫟混交林，而樹(shù)干流、林冠截留量及截留率則表現(xiàn)為落葉松-蒙古櫟混交林>落葉松林，說(shuō)明與純落葉松林相比，落葉松與蒙古櫟混交林對(duì)降雨的截留作用更好，對(duì)雨水動(dòng)能的降低作用更為顯著，從而可以削弱降雨對(duì)地表土壤的擊濺侵蝕，減少林內(nèi)地表徑流的產(chǎn)生。

2.3 不同月份降雨截留特征分析

由圖1和圖2分析，落葉松和落葉松-蒙古櫟混交林降雨截留特征隨月份變化存在差異。兩不同林分林下穿透雨和截留量隨月份變化均表現(xiàn)為8月>7月>6月>5月>9月，8月林下穿透雨分別為145.62和134.29 mm，林冠截留量為51.58和62.66 mm；9月林下穿透雨分別為12.47和11.34 mm，林冠截留量為10.62和11.70 mm。樹(shù)干流與林下穿透雨和截留量具有相近的變化趨勢(shì)，表現(xiàn)為7月>8月>6月>5月>9月，7月為4.72和4.97 mm，9月為0.78和0.83 mm。截留率隨月份變化具有不同的變化趨勢(shì)，其中9月截留率最高，分別為44.49%和49.02%；7月兩個(gè)樣地林冠截留率最低，分別為20.4%和25.17%。

2.4 林下穿透雨、樹(shù)干流隨降雨量和雨強(qiáng)變化

由圖3分析可知，落葉松與落葉松-蒙古櫟不同林分林下穿透雨均隨降雨量的增加而增大，降雨量與林下穿透雨呈顯著線(xiàn)性相關(guān)，回歸方程分別為ZPn=0.83P-3.87 (R2=0.98，P<0.05)，HPn=0.76P-3.19 (R2=0.98，P<0.05)。由擬合曲線(xiàn)分析，落葉松林下穿透雨略高于落葉松-蒙古櫟混交林，這主要是由不同林種林冠特征決定的，由表1分析，落葉松-蒙古櫟混交林郁閉度較落葉松林稍大些，有利于林冠層對(duì)降雨的截留，減少林下穿透雨。試驗(yàn)區(qū)不同林分樹(shù)干流與降雨量均表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)性，回歸方程分別為ZC=0.02P+0.22 (R2=0.82，P<0.05)，HC=0.021P+0.22 (R2=0.85，P<0.05)，且落葉松-蒙古櫟混交林樹(shù)干流高于落葉松林，這與降雨量、林冠及樹(shù)干浸潤(rùn)屬性特征有關(guān)。同時(shí)，由表3和圖3分析，當(dāng)降雨量<5 mm時(shí)，不同林分均無(wú)樹(shù)干流；降雨量<30 mm時(shí)，樹(shù)干流為0.33～0.82 mm，且隨降雨量的增加樹(shù)干流增幅較小。當(dāng)降雨量>30 mm時(shí)，樹(shù)干流迅速增加到1.22和1.25 mm，并逐漸趨于平穩(wěn)。

表3 不同林種降雨截留特征分析

注：不同字母代表差異顯著(P<0.05)。

Note: Different letters represent significant differences at the level ofP<0.05.

圖1 不同月份林下穿透雨和樹(shù)干流分布特征Fig.1 Changes of throughfall under forest and stemflow with monthsZPn:落葉松林下穿透雨 Throughfall under forest of L. gmelinii; HPn:落葉松-蒙古櫟林下穿透雨 Throughfall of Q. mongolica-L. gmelinii; ZC:落葉松樹(shù)干流 Stemflow of L. gmelinii; HC:落葉松-蒙古櫟樹(shù)干流 Stemflow of Q. mongolica-L. gmelinii.下同The same below.

圖2 不同月份林冠截留量和截留率分布特征Fig.2 Changes of interception and interception percentage with months ZI:落葉松截留量 Interception of L. gmelinii; HI:落葉松-蒙古櫟截留量 Interception of Q. mongolica-L. gmelinii; Zi:落葉松截留率 Interception percentage of L. gmelinii; Hi:落葉松-蒙古櫟截留率 Interception percentage of Q. mongolica-L. gmelinii.

由圖4分析，隨降雨強(qiáng)度的增大，落葉松與落葉松-蒙古櫟林分林內(nèi)穿透雨量逐漸增大。林下穿透雨與降雨強(qiáng)度呈顯著線(xiàn)性相關(guān)。它們的回歸方程分別為ZPn=2.44RZ+12.12 (R2=0.76，P<0.05)，HPn=0.25RZ+11.52 (R2=0.76，P<0.05)。當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到最大為35.47 mm/h(8月15日)時(shí)，兩林分的林下穿透雨也達(dá)到最大，分別為95.00和88.00 mm。樹(shù)干流隨降雨強(qiáng)度的增大總體表現(xiàn)為升高的趨勢(shì)，但線(xiàn)性相關(guān)不顯著，可分別用對(duì)數(shù)方程ZC=0.48lnRZ+0.39 (R2=0.62，P<0.05)和HC=0.51lnRZ+0.39 (R2=0.64，P<0.05)進(jìn)行擬合，但當(dāng)降雨強(qiáng)度為35.47 mm/h時(shí)，落葉松與落葉松-蒙古櫟產(chǎn)樹(shù)干流均最大，分別為2.01和2.21 mm。

2.5 截留量、截留率隨降雨量和雨強(qiáng)變化分析

由圖5分析，落葉松和落葉松-蒙古櫟混交林林冠截留量均隨降雨量的增加而增加，兩者呈顯著正相關(guān)，可分別用線(xiàn)性方程ZI=0.15P+3.65 (R2=0.68，P<0.05)，HI=0.21P+2.98 (R2=0.80，P<0.05)擬合。分析表明，在相同降雨場(chǎng)次中，同一林分的林冠截留量存在差異，且落葉松-蒙古櫟混交林林冠截留量大于落葉松林。然而，林冠截留率與降雨量并不存在顯著的線(xiàn)性相關(guān)性，隨著降雨量的增加，截留率總體上均表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)。由圖2分析可知，當(dāng)降雨量較小時(shí)(P<30 mm)，林冠截留率隨降雨量增加由73.5%降低到21.9%，降幅較大；之后，隨著降雨量的增大，截留率變化幅度較小，并最終趨于穩(wěn)定。

降雨強(qiáng)度與林冠截留量、截留率的相關(guān)分析表明(圖6)，落葉松和落葉松-蒙古櫟混交林林冠截留量和截留率與降雨強(qiáng)度均不具有顯著的相關(guān)性。當(dāng)降雨強(qiáng)度≤2.65 mm/h時(shí)，落葉松林和落葉松-蒙古櫟混交林的截留率均大于50%，為50.75%～73.50%；當(dāng)降雨強(qiáng)度>2.65 mm/h時(shí)，林冠截留率較小，為8.93%～40.94%。

圖3 林下穿透雨、樹(shù)干流隨降雨量變化Fig.3 Changes of throughfall under forest and stemflow with precipitation of different varieties of forests

圖4 林下穿透雨、樹(shù)干流隨降雨強(qiáng)度變化Fig.4 Changes of throughfall under forest and stemflow with rainfall intensity of different varieties of forests

圖5 林冠截留量和截留率隨降雨量變化Fig.5 Changes of interception and interception percentage with precipitation of different varieties of forests

圖6 林冠截留量和截留率隨降雨強(qiáng)度變化Fig.6 Changes of interception and interception percentage with rainfall intensity of different varieties of forests

3 討論與結(jié)論

與落葉松林相比，落葉松-蒙古櫟混交林對(duì)降雨的截留作用較佳，樹(shù)干流、林冠截留量及截留率均大于落葉松林。這與林冠特征、郁閉度及飽和持水量等緊密相關(guān)。同一林分，不同降雨場(chǎng)次下截留量和截留率也不同，說(shuō)明降雨特征和氣象條件也是影響林冠截留能力的重要因素[26]。在觀測(cè)期內(nèi)，兩林分樹(shù)干流分別占大氣降雨的2.62%和2.74%，雖然所占比例較小，但樹(shù)干流能夠攜帶淋洗樹(shù)干及樹(shù)冠得到的養(yǎng)分直接進(jìn)入根際土壤，對(duì)于樹(shù)木生長(zhǎng)及促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)水分和養(yǎng)分再循環(huán)具有重要意義[27-30]。兩林分林下穿透雨分別占大氣總降雨的72.02%和67.42%，是林冠降雨截留分配的主要部分，其與林內(nèi)地表徑流存在相關(guān)關(guān)系。由表3分析，在8次產(chǎn)生地表徑流的降雨中，林下穿透雨占降雨總量達(dá)65%以上，林下穿透雨越大，越容易產(chǎn)生地表徑流，并且落葉松林內(nèi)地表徑流量大于落葉松-蒙古櫟混交林，說(shuō)明林冠截留作用對(duì)地表徑流產(chǎn)生具有一定影響，種植合適的樹(shù)種，提高其截留量，有利于減少林內(nèi)地表徑流產(chǎn)生。

不同林分降雨截留特征隨月份變化存在差異。在7和8月，兩林分林下穿透雨、樹(shù)干流和截留量均最大，而在9月均最小。研究區(qū)7和8月屬于雨季(表2)，降雨量和降雨強(qiáng)度均為最大，這是降雨截留特征隨月份變化的最主要原因。而9月的截留率最高，這主要是因?yàn)榻亓袈适墙亓袅颗c大氣降雨量的相對(duì)值，9月降雨量相對(duì)較小，并且樹(shù)木枝葉繁茂，氣候相對(duì)干燥，有利于增強(qiáng)林冠層截留能力[31]。

大氣降雨量與林下穿透雨、樹(shù)干流及林冠截留量呈顯著相關(guān)關(guān)系。這與李佳[22]對(duì)槲樹(shù)(Quercusdentata)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)降雨分配的研究結(jié)果一致，但張卓文等[32]研究表明，大氣降雨量與馬尾松林林下穿透雨呈線(xiàn)性相關(guān)，與樹(shù)干流和截留量不具有線(xiàn)性相關(guān)性，這說(shuō)明不同林種林冠層對(duì)降雨的截留作用和再分配具有差異。在本研究中，降雨量相同或相近的降雨場(chǎng)次下，同一林分的林冠截留量也存在差異。這是由于截留量不僅受降雨量影響，還可能受到其他氣象因素及降雨強(qiáng)度、降雨間隔的影響，若降雨間隔較大，林冠層較為干燥，則有利于增大林冠截留量。根據(jù)本文研究結(jié)果，當(dāng)降雨量較小時(shí)，樹(shù)干流增大幅度較小，降雨量達(dá)到一定量時(shí)，樹(shù)干流增幅較大。這是由于當(dāng)降雨量較小時(shí)，大部分降雨被樹(shù)冠截留，樹(shù)干流增幅不大。而當(dāng)降雨量較大時(shí)，林冠得到充分的浸潤(rùn)后，樹(shù)干流產(chǎn)生量逐漸增大。隨著降雨量的增大，落葉松和落葉松-蒙古櫟混交林的截留率降幅逐漸縮小，并最終趨于穩(wěn)定。這主要是由于隨著降雨量的增大，林冠截留能力趨于飽和[33]，截留量增加幅度減小。

降雨強(qiáng)度是表征降雨特性的重要指標(biāo)，也是影響林冠截留特征的重要因素之一。已有研究表明降雨強(qiáng)度與沙地灌叢[24,34-35]、高山灌叢[36]冠層截留率呈非線(xiàn)性相關(guān)，岳祥飛等[15]對(duì)科爾沁沙地黃柳(Salixgordejevii)灌叢降雨截留特征的研究結(jié)果表明，截留率與降雨強(qiáng)度呈對(duì)數(shù)相關(guān)，并且認(rèn)為當(dāng)降雨強(qiáng)度較小時(shí)，截留率較高。在本研究中，降雨強(qiáng)度僅與林下穿透雨呈顯著的線(xiàn)性相關(guān)，而樹(shù)干流隨降雨強(qiáng)度的增大呈對(duì)數(shù)增加，這也是受林冠特征、自身生長(zhǎng)狀況及其他氣象因素共同作用的結(jié)果。本研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)降雨強(qiáng)度≤2.65 mm/h時(shí)，兩林分林冠截留率較高，均大于50%，而當(dāng)降雨強(qiáng)度>2.65 mm/h時(shí)，林冠截留率則降低到8.93%～40.94%。這說(shuō)明雖然降雨強(qiáng)度與林冠截留量和截留率不存在顯著相關(guān)關(guān)系，但可能存在閾值，需要在以后的研究中進(jìn)一步分析和驗(yàn)證。

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Characteristics of precipitation interception in soil and water conservation forests of the Northeast black soil areas of China

SUI Yuan-Yuan1,2,3, XU Xiao-Hong2, ZHANG Yu2, OU Yang1*, YAN Bai-Xing1, WANG Pei-Jiang2,CUI Hai-Feng2, CUI Bin2

1.KeyLaboratoryofWetlandEcologyandEnvironment,NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,Changchun130102,China; 2.SoilandWaterConservationResearchInstituteofJilinProvince,Changchun130033,China; 3.GraduateUniversityofChineseAcademyofScience,Beijing100049,China

A study of forests for soil and water conservation has been undertaken to learn the effect of canopy interception on water circle, allocation and utilization in the Northeast black soil areas of China. Field monitoring data was used to investigate precipitation interception in two forest types [Larixgmelinii(LG) andQuercusmongolica-Larixgmelinii(QM-LG)] in the Xingmu small watershed of Dongliao County, Jilin Province. During the 15 rainfalls from May to September 2013, throughfall accounted for 72.0% and 67.4% of LG and QM-LG total precipitation respectively. Stemflow made up 2.6% and 2.7% of total rainfall and 25.3% and 29.8% of interception respectively. Interception percentages in the two forests varied from 8.9% to 73.5%. Compared with LG, QM-LG had higher interception efficiency. 8 rainfall events generated surface runoff for LG at 3.52 mm and QM-LG at 3.40 mm. Monthly throughfall and interception in the two forests ranked as August>July>June>May>September, and stemflow as July>August>June>May>September. Monthly interception percentages in the two forests were the highest in September (44.5% and 49.0%) and the lowest in July (20.4% and 25.2%). Throughfall, stemflow and interception had significant linear associations with total rainfall. Stemflow increased slightly with light rain and more significantly when rainfall was above 30 mm. Interception percentages gradually decreased with increases in precipitation. Throughfall in LG and QM-LG was significantly positively correlated with rainfall intensity. Stemflow and rainfall intensity could be fitted with logarithmic curve. However, the relationship between rainfall intensity and interception or interception percentage was not significant. The interception percentage of the two forests was more than 50% when rainfall intensity was equal to or less than 2.65 mm/h.

Northeast black soil areas of China; precipitation interception; stemflow; interception percentage

10.11686/cyxb2014305

http://cyxb.lzu.edu.cn

2014-07-03；改回日期：2014-10-15

國(guó)家十二五科技支撐項(xiàng)目(2011BAD31B01)，國(guó)家自然科學(xué)基金(41201534)，水利部公益性行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201401025)和吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20130522072JH, 20150224046SF)資助。

隋媛媛(1986-)，女，吉林磐石人，博士。E-mail: suiyuanyuan0429@163.com *通訊作者Corresponding author. E-mail: ouyayng@126.com

隋媛媛，許曉鴻，張瑜，歐洋，閻百興，王佩將，崔海鋒，崔斌. 東北黑土區(qū)水土保持林降雨截留特征分析. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2015, 24(6): 16-24.

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