三峽山地不同林型冠層截留特征及再分配過(guò)程研究

王偉杰， 王秋月， 易 軍， 萬(wàn)金紅， 劉目興*

(1.華中師范大學(xué)地理過(guò)程分析與模擬湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430079；2.華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 武漢 430079； 3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院， 北京 100048)

林冠通過(guò)對(duì)降雨的再分配，調(diào)節(jié)林內(nèi)水分平衡，具有良好的水源涵養(yǎng)功能[1-2].降雨到達(dá)森林群落后少部分被林冠攔截，形成冠層截留，林冠截留除小部分被植物吸收利用外，大部分通過(guò)蒸發(fā)返回到大氣中，林冠截留大小影響著植物可利用水的多少，從而影響到林下更新、水分與營(yíng)養(yǎng)循環(huán)；大部分降雨則穿過(guò)林冠到達(dá)地面，形成透流；當(dāng)冠層達(dá)到飽和之后，少量降雨會(huì)沿枝葉和樹(shù)干匯集最終到達(dá)林木根部形成樹(shù)干莖流，樹(shù)干莖流對(duì)植物水分和養(yǎng)分輸入具有重要意義.深入分析林地降雨再分配特征和規(guī)律，有助于了解森林在保持水土、減少地表徑流等方面生態(tài)水文功能[3]．

由于降雨再分配過(guò)程的重要性和復(fù)雜性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究[4-6]，研究范圍廣，包括北美得克薩斯州[7]、亞馬孫河流域[8]，地中海地區(qū)[9]以及國(guó)內(nèi)的東北大興安嶺區(qū)[10]、岷江上游[11]、祁連山[12]和江西大崗山[13]等，結(jié)果表明森林的林冠截留率一般為10%～40%，透流率為60%～90%，樹(shù)干莖流率為0.5%～14%.森林對(duì)降雨的再分配過(guò)程受降水特征、林分結(jié)構(gòu)等多種因素的影響.再分配分量與降雨量呈正相關(guān)的關(guān)系，但再分配分量的比例在不同降雨過(guò)程中具有差異.Owens等[7]發(fā)現(xiàn)，小雨量級(jí)時(shí)，降雨初期林冠截留占主導(dǎo)，降雨累積達(dá)到7.6 mm時(shí)，透流占主導(dǎo)；大雨量級(jí)時(shí)，降雨初期林冠快速飽和，透流占主導(dǎo)地位，只有15%的降雨能被截留.林分結(jié)構(gòu)對(duì)再分配的比例的影響主要源于樹(shù)冠特征、葉形狀、樹(shù)枝角度以及樹(shù)皮特征等林分特征的差異[11，14].當(dāng)前再分配研究多以純林或者某一類(lèi)型樹(shù)木為主，對(duì)針葉林、闊葉林的單獨(dú)或比較研究多，對(duì)分布廣泛的次生針闊葉混交林研究較少.次生林的林分組成遠(yuǎn)較純林復(fù)雜，截留過(guò)程比單一樹(shù)木類(lèi)型更復(fù)雜.此外，局域尺度上不同林型的同步研究相對(duì)較少，對(duì)林地再造中林木選擇缺少參考．

三峽庫(kù)區(qū)地處長(zhǎng)江上中游的交接地帶，長(zhǎng)期的墾殖砍伐樵采導(dǎo)致庫(kù)區(qū)植被破壞嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境惡化，水土流失問(wèn)題突出.“長(zhǎng)江防護(hù)林工程”的開(kāi)展為庫(kù)區(qū)生態(tài)恢復(fù)和建設(shè)提供了保障.三峽庫(kù)區(qū)營(yíng)造的次生植被包括山地暖性針葉林、針闊混交林和落葉林，替代了原生的常綠闊葉林，成為主要的植被覆蓋類(lèi)型，在截蓄降水、降低地表產(chǎn)流、保持水土上起到關(guān)鍵作用.當(dāng)前對(duì)三峽庫(kù)區(qū)和長(zhǎng)江中上游不同類(lèi)型的植被降雨再分配的研究，多研究單一林型，如柏木林[15]、高山櫟林[11]、亞高山暗針葉林[16]，缺少不同林型再分配特征的比較.三峽庫(kù)區(qū)年均土壤侵蝕量為19 364.71×104t·a-1，平均土壤侵蝕模數(shù)為2 741.48 t·km-2·a-1)，且侵蝕主要發(fā)生在大到暴雨情況下[17]，因此比較不同降雨特征下不同林型再分配動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)評(píng)價(jià)其截留效果，認(rèn)識(shí)不同林型水土保持能力具有重要意義．

本文以三峽庫(kù)區(qū)大老嶺山地三種典型林型(暖性針葉林、針闊混交林和落葉闊葉林)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)對(duì)透流、樹(shù)干莖流量的觀測(cè)，對(duì)比三種林型降水再分配特征及影響因素.并選取不同特征的大雨、暴雨事件，分析降雨過(guò)程中再分配動(dòng)態(tài)過(guò)程.以全面了解不同林型在降雨過(guò)程中的響應(yīng)機(jī)制，對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地表產(chǎn)流與流域集流具有重要價(jià)值，也為合理營(yíng)造和配置庫(kù)區(qū)林分結(jié)構(gòu)提供參考．

1研究區(qū)概況及研究方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)大老嶺自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，地處湖北省宜昌市夷陵區(qū)、秭歸縣和興山縣交界的中山地帶，海拔介于1 200～1 600 m之間，地理范圍為31°01'～31°08' N，110°52'～111°01' E，距離下游的長(zhǎng)江三峽大壩30 km(圖1).氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性山地濕潤(rùn)氣候，年降水量在1 000～1 500 mm之間，集中在夏季且多暴雨，年平均氣溫16.7 ℃，平均蒸發(fā)量950 mm.地質(zhì)基礎(chǔ)為花崗巖風(fēng)化物，土壤類(lèi)型為山地黃棕壤，黏粒、粉粒含量高[18].土地利用類(lèi)型以林地為主，森林群落既有以闊葉林和針葉林為主的人工純林，也有次生針闊混交林，是研究不同林型下降水再分配過(guò)程的理想場(chǎng)所．

圖1 研究區(qū)位置與地形Fig.1 Location and topographic positions of the study area

在研究區(qū)內(nèi)選擇長(zhǎng)勢(shì)良好的暖性針葉林、落葉闊葉林和針闊葉混交林設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣地，并對(duì)林分特征進(jìn)行調(diào)查.三種林地地理位置相近，暖性針葉林樣地優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)，林下幾乎無(wú)灌木層發(fā)育；針闊混交林樣地優(yōu)勢(shì)喬木樹(shù)種為茅栗(Castaneaseguinii)、馬尾松(Pinusmassoniana)、樺木(Betulaforest)和鵝耳櫪(CarpinusturczaninowiiHance)等；落葉闊葉林樣地喬木樹(shù)種以木姜子(LitseapungensHemsl)、鹽膚木(RhuschinensisMill)、枹櫟(QuercusserrataThunb)和馬桑樹(shù)(CoriarianepalensisWall)為主，林下灌木層蓋度明顯高于針葉林和混交林樣地.具體的林分特征見(jiàn)表1．

1.2研究方法

1.2.1林外降雨(rainfall outside the canopy)的測(cè)定 在所選三塊樣地外的空曠地水平安置美國(guó)Spectrum公司生產(chǎn)的WatchDog1120自動(dòng)雨量計(jì)兩套，用于觀測(cè)林外降雨量(圖2(a)).雨量計(jì)距離地面高度為1.5 m，測(cè)量精度為0.2 mm，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔為5 min.以大于6 h為時(shí)間間隔劃分降雨場(chǎng)次，降雨間隔時(shí)間以自動(dòng)雨量計(jì)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，由于夜間的霧露較大，對(duì)降雨再分配有較大的影響，因此，夜間降雨均按一場(chǎng)降雨處理.2018年4月8日至11月15日期間，研究區(qū)內(nèi)降雨總量達(dá)1 073 mm，可劃分降雨事件56場(chǎng).依據(jù)中國(guó)氣象局發(fā)布降雨等級(jí)[19]劃分標(biāo)準(zhǔn)，24 h內(nèi)累積降雨量：<10 mm為小雨，10～25 mm為中雨，25～50 mm為大雨，50～100 mm為暴雨，100～250 mm為大暴雨[19]．

表1 三種林地類(lèi)型的林分特征Tab.1 Stand characteristics of three forest types

1.2.2降雨再分配各分量的測(cè)定 透流率(throughfall rate)測(cè)定：在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)放置12個(gè)直徑為 20 cm 的 PVC 雨量筒，確保其不被灌木和草本植物遮擋且完全水平，用以人工測(cè)定透流量.同時(shí)在林下安置兩套WatchDog1120自動(dòng)雨量計(jì)，用以自動(dòng)監(jiān)測(cè)林內(nèi)透流量，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔為5 min(圖2 (b)).于2018年4月—11月進(jìn)行透流的觀測(cè)，每次降雨事件發(fā)生后及時(shí)收集數(shù)據(jù)并清除桶內(nèi)的枯枝落葉等雜物.每個(gè)觀測(cè)樣地共布設(shè)自動(dòng)和手動(dòng)觀測(cè)雨量筒14個(gè).透流率為：

RTF=PTF/Pout×100%，

(1)

式中，RTF為透流率，PTF為透流量(mm)，Pout為林外降雨量(mm)．

樹(shù)干莖流(stem flow)測(cè)定：根據(jù)胸徑大小(1～2 cm 為間隔)在3個(gè)樣地各選9株樣木以監(jiān)測(cè)樹(shù)干莖流，所選樹(shù)種涵蓋各樣地優(yōu)勢(shì)樹(shù)種.其中6株在距地面 1.5 m 處，用直徑為 1 cm 的聚乙烯塑料管剖開(kāi)后沿樹(shù)干螺旋纏繞1周并固定，再用防水結(jié)構(gòu)膠將接縫處封嚴(yán)，環(huán)繞樹(shù)干的聚乙烯管與水平面有 45°左右傾角，以便于水分流下，管子末端連接容積為 50 L 的塑料桶，接口處用普通礦泉水瓶密封以防止透流沿管壁進(jìn)入容器，每次降雨后逐株稱(chēng)量防止蒸發(fā).人工測(cè)定的樹(shù)干莖流量計(jì)算公式為：

PSF-m=Vm/S×10，

(2)

式中，PSF-m為人工測(cè)定的樹(shù)干莖流量(mm)，Vm為人工收集的雨量(mL)，S為冠幅投影面積(cm2)．

另外3株樣木的管子末端連接WatchDog1120自動(dòng)雨量計(jì)(圖2(c))，將樹(shù)干莖流導(dǎo)入其中進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，雨量計(jì)上用塑料薄膜進(jìn)行遮擋，防止透流直接進(jìn)入雨量筒中.每次降雨結(jié)束后，利用樹(shù)冠垂直投影面積計(jì)算樹(shù)干莖流量和樹(shù)干莖流率：

PSF-a=(Va×Sa×0.1)/S×10，

(3)

RSF-a=PSF-a/Pout× 100%，

(4)

式中，PSF-a為自動(dòng)雨量計(jì)測(cè)定的樹(shù)干莖流量(mm)，Va為雨量計(jì)收集的莖流量(mm)，Pout為林外降雨量(mm)，Sa為雨量筒橫截面積(cm2)，S為冠幅投影面積(cm2)，RSF-a為自動(dòng)雨量計(jì)測(cè)定的樹(shù)干莖流率．

林冠截留(canopy interception)測(cè)定：在某一場(chǎng)次降雨中，林外降雨量減去林內(nèi)透流量和樹(shù)干莖流量，即為降雨期間內(nèi)的林冠截留量，林冠截留量占林外降雨量的百分比被稱(chēng)為林冠截留率.利用水量平衡原理，可以計(jì)算林冠截留量：

PCI=Pout-(PTF+PSF)，

(5)

RCI=PCI/PSF×100%，

(6)

式中，PCI為林冠截留量(mm)，Pout為林外降雨量(mm)，PTF為透流量(mm)，PSF為樹(shù)干莖流量(mm)；RCI為林冠截留率．

1.3數(shù)據(jù)分析

使用Pearson相關(guān)分析法分析透流量和透流率、樹(shù)干莖流量和樹(shù)干莖流率、林冠截留量和林冠截留率與林外降雨量之間的關(guān)系.通過(guò)協(xié)方差分析(ANCOVA)驗(yàn)證不同類(lèi)型林地之間透流量、樹(shù)干莖流量和林冠截留量是否存在顯著差異.選擇具有明顯間歇期的大雨E8(30.9 mm)與大暴雨E23(117.7 mm)，根據(jù)自動(dòng)雨量計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析再分配動(dòng)態(tài)過(guò)程.統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 22.0中完成，繪圖利用Origin 9.0完成．

2結(jié)果分析

2.1林外降雨特征

2018年4月8日至11月15日期間，研究區(qū)內(nèi)降雨總量達(dá)1 073 mm，主要集中在5—7月，10月降雨最少.各場(chǎng)次總降雨量變化范圍為0.8～129.2 mm，變異系數(shù)為139%.按照實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)與降雨等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，研究期間小雨(<10 mm)共28場(chǎng)，中雨(10～25 mm)14場(chǎng)，大雨(25～50 mm)10場(chǎng)，暴雨(50～100 mm)2場(chǎng)，大暴雨(100～250 mm)2場(chǎng).從頻率來(lái)看，研究區(qū)在監(jiān)測(cè)期間降雨以小雨為主；但從貢獻(xiàn)量來(lái)看，中雨、大雨和大暴雨對(duì)總降雨量貢獻(xiàn)率更大，分別占總降雨量的20.73%、32.38%和22.98%(圖3)．

圖2 林外降雨(a)、透流(b)和樹(shù)干莖流(c)監(jiān)測(cè)Fig.2 Monitoring of rainfall outside the canopy (a)， throughfall (b) and stem flow (c)

圖3 各月份降雨量分配與不同雨量級(jí)下的降雨頻率和雨量分配Fig.3 Rainfall frequency and rainfall distribution under different rainfall levels

2.2三種林型的降雨再分配特征

暖性針葉林、落葉闊葉林和針闊葉混交林監(jiān)測(cè)到樹(shù)干莖流的降雨場(chǎng)次分別為33場(chǎng)、46場(chǎng)和39場(chǎng)，平均樹(shù)干莖流總量分別為77.0 mm、37.8 mm和28.6 mm，樹(shù)干莖流率分別為7.2%、3.5%和2.7%.三種林型平均樹(shù)干莖流量具有明顯的差異(表2)，表現(xiàn)為暖性針葉林(2.3 mm)、落葉闊葉林(0.8 mm)針闊葉混交林(0.7 mm)，暖性針葉林的樹(shù)干莖流顯著高于落葉闊葉林和針闊葉混交林(p<0.05)，后兩種林地樹(shù)干莖流沒(méi)有顯著差異，但針闊葉混交林在各場(chǎng)次降雨中產(chǎn)生的樹(shù)干莖流量變化范圍較?。?/p>

暖性針葉林、落葉闊葉林和針闊葉混交林透流總量分別為665.4 mm、835.4 mm和786.6 mm(表3)，超過(guò)一半的降雨在林內(nèi)以透流的形式降落，其中落葉闊葉林和針闊葉混交林的透流率相差較小，分別為77.9%和73.3%，暖性針葉林明顯較低，為62.0%.三種林型之間透流量沒(méi)有顯著差異(p>0.05)，分別為暖性針葉林(12.8 mm)、落葉闊葉林(14.9 mm)、針闊葉混交林(15.4 mm).暖性針葉林在所有降雨中透流量變化范圍最小，為0.1～100.26 mm，而落葉闊葉林和針闊葉混交林透流量變化范圍較大，分別為0.4～109.1 mm和0.1～102.9 mm．

暖性針葉林、落葉闊葉林和針闊葉混交林的林冠截留總量分別為330.6 mm、199.6 mm和257.7 mm，林冠截留率分別為30.8%、18.6%和24.0%，暖性針葉林的截留效果最好.暖性針葉林和落葉闊葉林的林冠截留量具有顯著差異(p<0.05).暖性針葉林的平均林冠截留量(5.9 mm)、針闊葉混交林(4.6 mm)、落葉闊葉林(3.6 mm).針闊葉混交林林冠截留量的變化范圍最小(0～23.8 mm)，而暖性針葉林和針闊葉混交林林冠截留量變動(dòng)范圍相對(duì)較大，分別為0.4～26.3 mm和0～26.8 mm．

表2 三種林型降雨再分配統(tǒng)計(jì)分析Tab.2 Statistical analysis of rainfall redistribution of three forest types

表3 三種林型降雨再分配特征Tab. 3 Characteristics of rainfall redistribution in three forest types

2.3三種林型的降雨再分配分析

1) 降雨量對(duì)降雨再分配的影響. 將降雨量與三種林型的透流量、樹(shù)干莖流量、林冠截留量進(jìn)行擬合(圖4)，分析結(jié)果顯示透流量、樹(shù)干莖流量與降雨量呈線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系，透流總量和樹(shù)干莖流總量隨著降雨量的增加而增加.擬合直線(xiàn)在x軸的截距可視為觸發(fā)透流的最小降雨量，暖性針葉林、落葉闊葉林和針闊葉混交林觸發(fā)透流的最小降雨量分別為2.8 mm、1.0 mm、1.5 mm，較小的降雨量即可觸發(fā)落葉闊葉林的透流.透流率與降雨量呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨降雨量增加，透流率升高，且當(dāng)降雨量較小(0～25 mm)時(shí)，透流率隨降雨量增長(zhǎng)的幅度大，而雨量級(jí)較高(>25 mm)時(shí)，透流率增長(zhǎng)速率減小，并逐漸趨于平穩(wěn)．

樹(shù)干莖流量與降雨量呈正相關(guān)關(guān)系.但三條擬合線(xiàn)的斜率有差異，暖性針葉林的斜率明顯大于另兩種林地，說(shuō)明三種林型樹(shù)干莖流受降雨的影響程度不同，暖性針葉林樹(shù)干莖流量隨降雨量增大的速率更快.觸發(fā)暖性針葉林、落葉闊葉林和針闊葉混交林樹(shù)干莖流的最低降雨量分別為4.9 mm、2.3 mm、1.7 mm，較高的降雨量才能觸發(fā)暖性針葉林樹(shù)干莖流.樹(shù)干莖流率與降雨量呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著降雨量的增加樹(shù)干莖流率增加，且暖性針葉林增長(zhǎng)的速率更大，但當(dāng)降雨量達(dá)到一定限值后，樹(shù)干莖流率增長(zhǎng)速率趨緩．

2) 降雨強(qiáng)度對(duì)降雨再分配的影響. 不同降雨強(qiáng)度下三種林型的冠層降雨再分配特征也表現(xiàn)出一定的差異.三種林型的透流率、樹(shù)干莖流率都隨著降雨強(qiáng)度的增加而增加，而林冠截留率則隨著降雨強(qiáng)度增加而降低.三種林型的透流率、樹(shù)干莖流率和林冠截留率在小雨條件下與其他降雨量級(jí)顯著不同，小雨條件下林冠層對(duì)降雨的截留作用較顯著，而隨著雨強(qiáng)的增加則降低．

3) 林型效應(yīng)和冠層結(jié)構(gòu)對(duì)林冠截留的影響.三種林型之間的降雨再分配特征差異也受到林型效應(yīng)和冠層結(jié)構(gòu)的影響， 森林生態(tài)系統(tǒng)中，林冠截留主要受林冠郁閉度、林冠葉面積指數(shù)、林冠的干燥程度、葉片及樹(shù)皮表面的吸水能力等因素影響，高的林冠層及小的降雨量很可能導(dǎo)致較大的林冠截留量. 林冠截留量與降雨量的關(guān)系用冪函數(shù)擬合效果最好(圖4)，當(dāng)降雨量較小(0～25 mm)時(shí)，林冠截留量隨降雨增加幅度較大，但隨著降雨量增大，林冠截留量增長(zhǎng)速率變小.落葉闊葉林截留量隨降雨的增長(zhǎng)幅度最小.林冠截留率與降雨量呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，當(dāng)雨量較小時(shí)，隨降雨量增加林冠截留率顯著減小，雨量較大時(shí)截留率減小并趨于平穩(wěn)．

圖4 透流量和透流率、樹(shù)干莖流量和樹(shù)干莖流率以及林冠截留量和林冠截留率與累積降雨量的關(guān)系Fig.4 Relationship between throughfall， throughfall rate， stem flow， stem flow rate canopy interception， canopy interception rate and cumulative rainfall

本研究中林冠截留量受林外降雨特征的影響較大，此外三種林型的直線(xiàn)距離較小，但暖性針葉林和落葉闊葉林在生長(zhǎng)季的林冠截留量相差超130 mm(表3)，這說(shuō)明在小的局域尺度上，林型效應(yīng)對(duì)于降雨再分配過(guò)程的影響很大.本研究中暖性針葉林的郁閉度為0.8，要高于落葉闊葉林的0.65和針闊葉混交林的0.7，落葉闊葉林的平均冠幅最大為1.7 m.暖性針葉林的冠層截留能力要顯著高于落葉闊葉林和針闊混交林，這是三種林型冠層結(jié)構(gòu)差異的結(jié)果.

2.4不同特征的單場(chǎng)降雨下再分配的動(dòng)態(tài)過(guò)程

1) 具有明顯間歇期的大雨下的再分配動(dòng)態(tài)過(guò)程.5月17日到5月18日持續(xù)7 h降雨量為30.9 mm的大雨事件中，有長(zhǎng)達(dá)1 h的間歇期(圖5)，再分配過(guò)程分為兩個(gè)階段：1點(diǎn)以前為前期干燥期較長(zhǎng)的降雨過(guò)程；1點(diǎn)以后則為前期濕潤(rùn)的再降雨過(guò)程.第一階段，降雨初期雨量較小，林冠截留在再分配中占主導(dǎo)地位，但暖性針葉林和針闊葉混交林的截留比例要大于落葉闊葉林.22時(shí)到23時(shí)累積降雨量迅速增加，雨強(qiáng)增大，林冠截留比例顯著下降，同時(shí)透流比例逐漸增加，此時(shí)樹(shù)干莖流量幾乎為零.23時(shí)到01時(shí)累積降雨量增長(zhǎng)少，雨強(qiáng)小，暖性針葉林截留量顯著減小，再分配以透流和樹(shù)干莖流為主，而落葉闊葉林和針闊葉混交林的林冠截留比例仍大于樹(shù)干莖流.第二階段，經(jīng)過(guò)一小時(shí)干燥，三種林型的林冠截留能力有所恢復(fù)，1點(diǎn)到3點(diǎn)的強(qiáng)降雨期間，針闊葉混交林和落葉闊葉林的截留量所占比例要高于暖性針葉林，表明在林冠濕潤(rùn)狀態(tài)下，針闊葉混交林和落葉闊葉林的截留效果更好.降雨末期，雨量和雨強(qiáng)都較小，再分配以林冠截留為主導(dǎo)．

圖5 大雨條件下三種林型再分配過(guò)程Fig.5 Redistribution processes of three forest types under heavy rainfall

2) 大暴雨下的再分配動(dòng)態(tài)過(guò)程.7月5日持續(xù)14小時(shí)的降雨量為117.7 mm的大暴雨期間(圖6)，降雨前5小時(shí)累積降雨量比例達(dá)到整場(chǎng)降雨總量的90%，雨強(qiáng)非常大，所有林型均形成透流，其中暖性針葉林和落葉闊葉林透流占據(jù)主導(dǎo)地位，而針闊葉混交林透流與林冠截留比例相當(dāng)，表明其截留能力好.累積降雨量的快速增長(zhǎng)階段(4—6時(shí))，針闊葉混交林截留比例呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，而落葉闊葉林和暖性針葉林則減小.整場(chǎng)降雨中針闊葉混交林透流和林冠截留比例相當(dāng)，波動(dòng)變化.降雨末期，降雨量和雨強(qiáng)趨于零，三種林型林冠截留比例大，透流幾乎為零．

圖6 大暴雨條件下三種林型再分配過(guò)程Fig.6 Redistribution processes of three forest types under torrential rain

3結(jié)論與討論

1) 降雨在三種林型的再分配特征具有明顯差異.暖性針葉林的透流量、樹(shù)干徑流量、林冠截留量分別占同期林外降雨的62.0%、7.2%、30.8%；落葉闊葉林分別占77.9%、3.5%、18.6%；針闊混交林分別占73.3%、2.7%、24%．

針葉林的樹(shù)干徑流率明顯大于落葉闊葉林和針闊葉混交林，鮑文等[20]在岷江上游發(fā)現(xiàn)暖性針葉林的樹(shù)干莖流率達(dá)到8.4%，與本文得到的結(jié)果相近，但黃承標(biāo)等[21]對(duì)廣西亞熱帶地區(qū)不同林地研究發(fā)現(xiàn)，闊葉林和針闊混交林的樹(shù)干莖流率要大于針葉林，這可能與林冠層厚度差異和林外降雨特征不同有關(guān)，研究區(qū)針葉林冠幅和冠層厚度相對(duì)較大，容水能力也較強(qiáng).相關(guān)研究表明我國(guó)主要森林生態(tài)系統(tǒng)的透流率一般為60%～90%林冠截留率為11.4%～36.5%[21-25].本文研究的三種林型透流率和林冠截留率均在這一范圍內(nèi).本文暖性針葉林樣地樹(shù)種以杉木為主，葉片光滑不易吸水，枝葉容易達(dá)到飽和，同時(shí)樹(shù)木冠層厚度較大，郁閉度高，容水量更大，枝葉飽和后水分向樹(shù)干匯聚，加上樹(shù)木胸徑較大，能匯集更多水分，因而其林冠截留量和樹(shù)干莖流率大；而針闊葉混交林優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為馬尾松，樹(shù)干粗糙，易吸水，且樹(shù)枝分支角度比較大，使冠層的水分不能匯集于樹(shù)干，因而針闊葉混交林樹(shù)干莖流率最小．

2) 再分配參數(shù)與降雨量的相關(guān)分析顯示，三種林型下樹(shù)干莖流量、透流量均與降雨量呈線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系，冠層截留量與降雨量呈冪函數(shù)關(guān)系.當(dāng)林外降雨分別超過(guò)2.8 mm、1.0 mm、1.5 mm時(shí)，暖性針葉林、落葉闊葉林和針闊混交林發(fā)生透流，而當(dāng)林外降雨分別超過(guò)4.9 mm、2.3 mm、1.7 mm時(shí)，三種林型分別發(fā)生樹(shù)干莖流．

森林透流與冠層特征和林型效應(yīng)密切相關(guān)，樹(shù)干莖流量普遍較低，其與冠幅面積、葉形、枝葉方向與角度、樹(shù)皮糙度等相關(guān)，而林冠截留則主要受林冠郁閉度、林冠葉面積指數(shù)、林冠的干燥程度、葉片及樹(shù)皮表面的吸水能力等因素影響.三種林型透流量、樹(shù)干莖流量與降雨量均呈正相關(guān)關(guān)系，而透流率和樹(shù)干莖流率與降雨量呈現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，這與周佳寧等[22]、孫忠林等[14]的研究結(jié)果一致.落葉闊葉林透流率隨降雨增加的增幅更大，這也說(shuō)明了暖性針葉林的截留能力更強(qiáng).觸發(fā)暖性針葉林樹(shù)干莖流需要的降雨量最多，這是由于其樹(shù)冠容水量大，達(dá)到飽和需要更長(zhǎng)時(shí)間.在降雨量級(jí)較小時(shí)，三種林型樹(shù)干莖流率均隨降雨量增長(zhǎng)，而暖性針葉林增長(zhǎng)幅度最大，降雨達(dá)到一定量級(jí)后，樹(shù)干莖流率趨于穩(wěn)定.這表明植物葉片、枝條對(duì)雨水的吸收及蒸發(fā)散有一個(gè)極限，降雨初期或降雨量較小時(shí)，雨水多被冠層截留、蒸發(fā)散而消耗掉，隨著降雨量增加，冠層截留能力達(dá)到飽和，截留率就逐漸下降，最終趨于平穩(wěn)[26].林冠截留量和林冠截留率與降雨量的關(guān)系分別呈冪函數(shù)關(guān)系和對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，這與周佳寧等[21]在三峽庫(kù)區(qū)的研究結(jié)果相似．

3) 場(chǎng)次降雨特征也會(huì)影響再分配，大雨和暴雨時(shí)三種林型內(nèi)降水再分配的動(dòng)態(tài)過(guò)程存在明顯差異.三種林型的降雨再分配過(guò)程因受降雨量、降雨強(qiáng)度等降雨特征和林冠結(jié)構(gòu)的影響而產(chǎn)生差異.

大雨條件下，再分配動(dòng)態(tài)過(guò)程在降雨初期以截留占主導(dǎo)，累積降雨達(dá)到一定量(13.8 mm)時(shí)，透流逐漸占主要比例，而大暴雨條件下，降雨一開(kāi)始再分配就以透流占主導(dǎo)地位，這與Owens等[7]的研究結(jié)果相同.降水發(fā)生時(shí)樹(shù)木的干濕程度對(duì)再分配也有很大影響[13].大雨量級(jí)下，林分在降雨發(fā)生時(shí)的干濕程度影響其截留能力.在林冠較干燥時(shí)，暖性針葉林冠層的林冠截留能力更好，而在林冠較濕潤(rùn)的情況下，落葉闊葉林和針闊葉混交林的截留能力更強(qiáng).雨強(qiáng)較大，此時(shí)針闊葉混交林的截留能力最好，而暖性針葉林截留能力持續(xù)減小，可見(jiàn)針闊葉混交林在強(qiáng)降雨條件下能夠更有效地減緩雨滴對(duì)地表土壤的強(qiáng)烈沖擊，防止水土流失.因此，建議在長(zhǎng)江中上游防護(hù)林建設(shè)中，科學(xué)合理地發(fā)展針闊混交林的種植，這有利于保持水土，涵養(yǎng)水源，更好發(fā)揮森林撫育的作用．