浅析城市森林生态系统内降雨特征——以东北林业大学城市林业示范研究基地为例

◎ 石磊 薛婷

近年来，沙尘暴、雾霾、空气污染物PM2.5 等问题成为人们关注的焦点，良好的生态环境是每个人的追求。城市森林通过物质循环、能量转换、养分元素吸收以及水分利用等方式，时时刻刻都在影响并改善城市的土壤环境、大气环境和水环境，是城市生态环境建设的主体，拥有不可替代的生态环境效应。本文通过对城市森林生态系统内降雨过程的研究，全面揭示了林内降雨再分配的机理，对提升城市森林的经营与管理提供了理论支持，为科学营造城市森林提供了指导，对增强城市森林的生态服务功能与美化环境功能具有重要意义。

一、什么是城市森林？

城市森林是指在城市规划区以内的大面积人工林带、片林或森林，不仅包括苗圃、育种基地的片状林或带状林，还包括城市公园内一定面积的片林等。城市森林在净化城市空气改善城市空气质量、降低城市噪声、美化城市环境、调节空气温湿度等方面，具有重要生态作用。城市森林的概念与理论，最早由美国和加拿大学者提出，目的在于解决当时城市环境问题，从而为市民提供优质的生活居住、休憩观赏空间。上世纪80年代，城市森林开始在我国发展。

二、城市森林的结构特征

城市森林的结构决定其功能，而功能反映其结构，城市森林的结构是森林功能实现的基础。目前，绝大多数城市森林均由人工栽种，人工化严重，林分组成相对单一，80%以上的树种为本地乡土树种，植物群落配置形式简单，且木本植物应用较集中，乔灌搭配不合理，地被植物缺乏，这些特点是城市森林的普遍特征。

三、研究样地的基本特征

东北林业大学城市林业示范研究基地（简称“示范基地”）位于黑龙江省哈尔滨市中心城区，占地面积为44公顷。示范基地内土壤类型为黑土，且土层深厚，土壤肥沃。其原生植被群落为沟谷草甸，1949年以前被开垦为耕地，20 世纪50年代划归东北林业大学后栽种了兴安落叶松、黄波罗、樟子松、黑皮油松、胡桃楸、蒙古栎、水曲柳、白桦、糖槭等针叶和阔叶树种，目前形成小面积纯林（面积多为70m×70m）块状混交。（表1）

表1 示范基地内四种城市人工林样地基本特征

四、示范基地内降雨过程的特征

城市森林生态系统是城市内较为重要的生态系统之一。因为植被对陆地生态系统水分循环有着重要的调节作用，城市森林的水文效应是其生态系统中林木和水相互作用及其功能的综合体现。在不同的城市，由于气候、地质条件、土壤和地形等因素的综合影响，城市森林的存在和变化将呈现出不同的水文功能。而植被的变化对城市森林水文过程的影响将会改变水量平衡的各个环节，影响城市森林的水分状况和养分通量。

1.林冠层对降雨的截留

当降雨发生时，雨水会与林冠层发生接触，部分降水被树叶树枝吸附截持，产生林冠截留，截留不仅减少了雨水到达地面的降水量，同时也降低了降雨功能，延缓了降雨发生的时效。林冠层的截留能力受降雨特征（降雨量、降雨强度、降雨历时）、森林冠层结构（叶面积指数LAI、冠层厚度、分枝角度、冠型）、森林群落结构（树种组成、林龄、林分郁闭度）等多种因素的综合影响，其中最主要的影响因素为降雨量。林冠截留作用是城市森林水文作用的一个重要方面。研究数据表明，林冠层的截留率一般在2.2%—67.5%之间，而在我国，由于森林类型的特点及降雨量的不同等因素，林冠截留率一般介于11.4%—36.5%之间。影响降水分配格局及截留能力的主要因素是林分结构的差异，其中叶面积指数的影响最大。

通过观测得知，林冠截留率最高的是落叶松林为37.63%。（表2）

表2 四种城市人工林降雨再分配——林冠截留占比

2.林内穿透雨

林内穿透雨是林冠对降雨再分配后形成的主要部分，穿透雨的强弱、雨量的大小不仅会改变林下水分、林地养分输入的空间分布，而且还会影响穿透雨中的物质浓度。因此，穿透雨在城市森林生态系统水文过程和养分循环中，占有极其重要的地位。

通过观测发现，在四种城市人工林中，林内穿透雨量占比最低的为樟子松林54.76%，其次为蒙古栎林58.27%，落叶松林为58.66%，胡桃楸林穿透雨量占比最高59.28%。（表3）

表3 四种城市人工林降雨再分配——林内穿透雨占比

3.树干径流

树干径流指雨水经树叶和树枝沿着树干流向地面的部分，常被简称为干流或茎流，是大气降雨被森林冠层截留再分配后的一个林内雨分量，是森林冠层水量平衡的重要组成部分，通常在水量平衡中所占比例最小。随着对树干径流认识的不断深入，研究人员发现，树干径流在森林生态水文过程中起着重要作用。树干径流能减少雨滴的动能与动量，降低水土流失程度，同时通过淋洗树体表面所得到的营养因子，会在树木根部下渗分布，被树木更好地吸收，从而促进森林养分和水分的再循环。因此，树干径流对树木生长与发育起着重要作用，特别是在干旱、半干旱地区，树干径流对于造林树种的成活起着至关重要的作用。

观测结果表明，树干径流量占比最大的为胡桃秋林19.08%，蒙古林次之18.52%，再次为樟子松林8.76%，占比最小的为落叶松林3.72%。（表4）

表4 四种城市人工林降雨再分配—树干径流占比

五、结语

通过对四种城市人工林降雨再分配的观测，可以得到胡桃楸林与蒙古栎林对降雨再分配后，林内获得雨水量要大于落叶松林与樟子松林，而雨水量的多少是关系到林木生长发育的重要因素，充分有效的利用降雨对城市人工林的经营与管理至关重要。因此，在城市人工林的种植方式上可以多选择针叶阔叶混交的种植方式栽种，这样既可以分发挥混交林中各种林分对降雨分配所产生的不同作用，又可以形成良好的城市森林景观，对增强城市森林的生态服务功能与美化城市环境功能具有重要意义。