三峡山地不同林型冠层截留特征及再分配过程研究

王伟杰， 王秋月， 易 军， 万金红， 刘目兴*

(1.华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室， 武汉 430079；2.华中师范大学城市与环境科学学院， 武汉 430079； 3.中国水利水电科学研究院， 北京 100048)

林冠通过对降雨的再分配，调节林内水分平衡，具有良好的水源涵养功能[1-2].降雨到达森林群落后少部分被林冠拦截，形成冠层截留，林冠截留除小部分被植物吸收利用外，大部分通过蒸发返回到大气中，林冠截留大小影响着植物可利用水的多少，从而影响到林下更新、水分与营养循环；大部分降雨则穿过林冠到达地面，形成透流；当冠层达到饱和之后，少量降雨会沿枝叶和树干汇集最终到达林木根部形成树干茎流，树干茎流对植物水分和养分输入具有重要意义.深入分析林地降雨再分配特征和规律，有助于了解森林在保持水土、减少地表径流等方面生态水文功能[3]．

由于降雨再分配过程的重要性和复杂性，国内外学者做了大量研究[4-6]，研究范围广，包括北美得克萨斯州[7]、亚马孙河流域[8]，地中海地区[9]以及国内的东北大兴安岭区[10]、岷江上游[11]、祁连山[12]和江西大岗山[13]等，结果表明森林的林冠截留率一般为10%～40%，透流率为60%～90%，树干茎流率为0.5%～14%.森林对降雨的再分配过程受降水特征、林分结构等多种因素的影响.再分配分量与降雨量呈正相关的关系，但再分配分量的比例在不同降雨过程中具有差异.Owens等[7]发现，小雨量级时，降雨初期林冠截留占主导，降雨累积达到7.6 mm时，透流占主导；大雨量级时，降雨初期林冠快速饱和，透流占主导地位，只有15%的降雨能被截留.林分结构对再分配的比例的影响主要源于树冠特征、叶形状、树枝角度以及树皮特征等林分特征的差异[11，14].当前再分配研究多以纯林或者某一类型树木为主，对针叶林、阔叶林的单独或比较研究多，对分布广泛的次生针阔叶混交林研究较少.次生林的林分组成远较纯林复杂，截留过程比单一树木类型更复杂.此外，局域尺度上不同林型的同步研究相对较少，对林地再造中林木选择缺少参考．

三峡库区地处长江上中游的交接地带，长期的垦殖砍伐樵采导致库区植被破坏严重，生态环境恶化，水土流失问题突出.“长江防护林工程”的开展为库区生态恢复和建设提供了保障.三峡库区营造的次生植被包括山地暖性针叶林、针阔混交林和落叶林，替代了原生的常绿阔叶林，成为主要的植被覆盖类型，在截蓄降水、降低地表产流、保持水土上起到关键作用.当前对三峡库区和长江中上游不同类型的植被降雨再分配的研究，多研究单一林型，如柏木林[15]、高山栎林[11]、亚高山暗针叶林[16]，缺少不同林型再分配特征的比较.三峡库区年均土壤侵蚀量为19 364.71×104t·a-1，平均土壤侵蚀模数为2 741.48 t·km-2·a-1)，且侵蚀主要发生在大到暴雨情况下[17]，因此比较不同降雨特征下不同林型再分配动态过程，对评价其截留效果，认识不同林型水土保持能力具有重要意义．

本文以三峡库区大老岭山地三种典型林型(暖性针叶林、针阔混交林和落叶阔叶林)为实验对象，通过对透流、树干茎流量的观测，对比三种林型降水再分配特征及影响因素.并选取不同特征的大雨、暴雨事件，分析降雨过程中再分配动态过程.以全面了解不同林型在降雨过程中的响应机制，对准确预测地表产流与流域集流具有重要价值，也为合理营造和配置库区林分结构提供参考．

1研究区概况及研究方法

1.1研究区概况

研究区位于长江三峡库区大老岭自然保护区内，地处湖北省宜昌市夷陵区、秭归县和兴山县交界的中山地带，海拔介于1 200～1 600 m之间，地理范围为31°01'～31°08' N，110°52'～111°01' E，距离下游的长江三峡大坝30 km(图1).气候属于亚热带季风性山地湿润气候，年降水量在1 000～1 500 mm之间，集中在夏季且多暴雨，年平均气温16.7 ℃，平均蒸发量950 mm.地质基础为花岗岩风化物，土壤类型为山地黄棕壤，黏粒、粉粒含量高[18].土地利用类型以林地为主，森林群落既有以阔叶林和针叶林为主的人工纯林，也有次生针阔混交林，是研究不同林型下降水再分配过程的理想场所．

图1 研究区位置与地形Fig.1 Location and topographic positions of the study area

在研究区内选择长势良好的暖性针叶林、落叶阔叶林和针阔叶混交林设置标准样地，并对林分特征进行调查.三种林地地理位置相近，暖性针叶林样地优势树种为杉木(Cunninghamialanceolata)、马尾松(Pinusmassoniana)，林下几乎无灌木层发育；针阔混交林样地优势乔木树种为茅栗(Castaneaseguinii)、马尾松(Pinusmassoniana)、桦木(Betulaforest)和鹅耳枥(CarpinusturczaninowiiHance)等；落叶阔叶林样地乔木树种以木姜子(LitseapungensHemsl)、盐肤木(RhuschinensisMill)、枹栎(QuercusserrataThunb)和马桑树(CoriarianepalensisWall)为主，林下灌木层盖度明显高于针叶林和混交林样地.具体的林分特征见表1．

1.2研究方法

1.2.1林外降雨(rainfall outside the canopy)的测定 在所选三块样地外的空旷地水平安置美国Spectrum公司生产的WatchDog1120自动雨量计两套，用于观测林外降雨量(图2(a)).雨量计距离地面高度为1.5 m，测量精度为0.2 mm，数据记录时间间隔为5 min.以大于6 h为时间间隔划分降雨场次，降雨间隔时间以自动雨量计数据为准，由于夜间的雾露较大，对降雨再分配有较大的影响，因此，夜间降雨均按一场降雨处理.2018年4月8日至11月15日期间，研究区内降雨总量达1 073 mm，可划分降雨事件56场.依据中国气象局发布降雨等级[19]划分标准，24 h内累积降雨量：<10 mm为小雨，10～25 mm为中雨，25～50 mm为大雨，50～100 mm为暴雨，100～250 mm为大暴雨[19]．

表1 三种林地类型的林分特征Tab.1 Stand characteristics of three forest types

1.2.2降雨再分配各分量的测定 透流率(throughfall rate)测定：在每个样地内随机放置12个直径为 20 cm 的 PVC 雨量筒，确保其不被灌木和草本植物遮挡且完全水平，用以人工测定透流量.同时在林下安置两套WatchDog1120自动雨量计，用以自动监测林内透流量，数据记录时间间隔为5 min(图2 (b)).于2018年4月—11月进行透流的观测，每次降雨事件发生后及时收集数据并清除桶内的枯枝落叶等杂物.每个观测样地共布设自动和手动观测雨量筒14个.透流率为：

RTF=PTF/Pout×100%，

(1)

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

树干茎流(stem flow)测定：根据胸径大小(1～2 cm 为间隔)在3个样地各选9株样木以监测树干茎流，所选树种涵盖各样地优势树种.其中6株在距地面 1.5 m 处，用直径为 1 cm 的聚乙烯塑料管剖开后沿树干螺旋缠绕1周并固定，再用防水结构胶将接缝处封严，环绕树干的聚乙烯管与水平面有 45°左右倾角，以便于水分流下，管子末端连接容积为 50 L 的塑料桶，接口处用普通矿泉水瓶密封以防止透流沿管壁进入容器，每次降雨后逐株称量防止蒸发.人工测定的树干茎流量计算公式为：

PSF-m=Vm/S×10，

(2)

式中，PSF-m为人工测定的树干茎流量(mm)，Vm为人工收集的雨量(mL)，S为冠幅投影面积(cm2)．

另外3株样木的管子末端连接WatchDog1120自动雨量计(图2(c))，将树干茎流导入其中进行动态监测，雨量计上用塑料薄膜进行遮挡，防止透流直接进入雨量筒中.每次降雨结束后，利用树冠垂直投影面积计算树干茎流量和树干茎流率：

PSF-a=(Va×Sa×0.1)/S×10，

(3)

RSF-a=PSF-a/Pout× 100%，

(4)

式中，PSF-a为自动雨量计测定的树干茎流量(mm)，Va为雨量计收集的茎流量(mm)，Pout为林外降雨量(mm)，Sa为雨量筒横截面积(cm2)，S为冠幅投影面积(cm2)，RSF-a为自动雨量计测定的树干茎流率．

林冠截留(canopy interception)测定：在某一场次降雨中，林外降雨量减去林内透流量和树干茎流量，即为降雨期间内的林冠截留量，林冠截留量占林外降雨量的百分比被称为林冠截留率.利用水量平衡原理，可以计算林冠截留量：

PCI=Pout-(PTF+PSF)，

(5)

RCI=PCI/PSF×100%，

(6)

式中，PCI为林冠截留量(mm)，Pout为林外降雨量(mm)，PTF为透流量(mm)，PSF为树干茎流量(mm)；RCI为林冠截留率．

1.3数据分析

使用Pearson相关分析法分析透流量和透流率、树干茎流量和树干茎流率、林冠截留量和林冠截留率与林外降雨量之间的关系.通过协方差分析(ANCOVA)验证不同类型林地之间透流量、树干茎流量和林冠截留量是否存在显著差异.选择具有明显间歇期的大雨E8(30.9 mm)与大暴雨E23(117.7 mm)，根据自动雨量计监测数据，分析再分配动态过程.统计分析在SPSS 22.0中完成，绘图利用Origin 9.0完成．

2结果分析

2.1林外降雨特征

2018年4月8日至11月15日期间，研究区内降雨总量达1 073 mm，主要集中在5—7月，10月降雨最少.各场次总降雨量变化范围为0.8～129.2 mm，变异系数为139%.按照实测降雨数据与降雨等级划分标准，研究期间小雨(<10 mm)共28场，中雨(10～25 mm)14场，大雨(25～50 mm)10场，暴雨(50～100 mm)2场，大暴雨(100～250 mm)2场.从频率来看，研究区在监测期间降雨以小雨为主；但从贡献量来看，中雨、大雨和大暴雨对总降雨量贡献率更大，分别占总降雨量的20.73%、32.38%和22.98%(图3)．

图2 林外降雨(a)、透流(b)和树干茎流(c)监测Fig.2 Monitoring of rainfall outside the canopy (a)， throughfall (b) and stem flow (c)

图3 各月份降雨量分配与不同雨量级下的降雨频率和雨量分配Fig.3 Rainfall frequency and rainfall distribution under different rainfall levels

2.2三种林型的降雨再分配特征

暖性针叶林、落叶阔叶林和针阔叶混交林监测到树干茎流的降雨场次分别为33场、46场和39场，平均树干茎流总量分别为77.0 mm、37.8 mm和28.6 mm，树干茎流率分别为7.2%、3.5%和2.7%.三种林型平均树干茎流量具有明显的差异(表2)，表现为暖性针叶林(2.3 mm)、落叶阔叶林(0.8 mm)针阔叶混交林(0.7 mm)，暖性针叶林的树干茎流显著高于落叶阔叶林和针阔叶混交林(p<0.05)，后两种林地树干茎流没有显著差异，但针阔叶混交林在各场次降雨中产生的树干茎流量变化范围较小．

暖性针叶林、落叶阔叶林和针阔叶混交林透流总量分别为665.4 mm、835.4 mm和786.6 mm(表3)，超过一半的降雨在林内以透流的形式降落，其中落叶阔叶林和针阔叶混交林的透流率相差较小，分别为77.9%和73.3%，暖性针叶林明显较低，为62.0%.三种林型之间透流量没有显著差异(p>0.05)，分别为暖性针叶林(12.8 mm)、落叶阔叶林(14.9 mm)、针阔叶混交林(15.4 mm).暖性针叶林在所有降雨中透流量变化范围最小，为0.1～100.26 mm，而落叶阔叶林和针阔叶混交林透流量变化范围较大，分别为0.4～109.1 mm和0.1～102.9 mm．

暖性针叶林、落叶阔叶林和针阔叶混交林的林冠截留总量分别为330.6 mm、199.6 mm和257.7 mm，林冠截留率分别为30.8%、18.6%和24.0%，暖性针叶林的截留效果最好.暖性针叶林和落叶阔叶林的林冠截留量具有显著差异(p<0.05).暖性针叶林的平均林冠截留量(5.9 mm)、针阔叶混交林(4.6 mm)、落叶阔叶林(3.6 mm).针阔叶混交林林冠截留量的变化范围最小(0～23.8 mm)，而暖性针叶林和针阔叶混交林林冠截留量变动范围相对较大，分别为0.4～26.3 mm和0～26.8 mm．

表2 三种林型降雨再分配统计分析Tab.2 Statistical analysis of rainfall redistribution of three forest types

表3 三种林型降雨再分配特征Tab. 3 Characteristics of rainfall redistribution in three forest types

2.3三种林型的降雨再分配分析

1) 降雨量对降雨再分配的影响. 将降雨量与三种林型的透流量、树干茎流量、林冠截留量进行拟合(图4)，分析结果显示透流量、树干茎流量与降雨量呈线性正相关关系，透流总量和树干茎流总量随着降雨量的增加而增加.拟合直线在x轴的截距可视为触发透流的最小降雨量，暖性针叶林、落叶阔叶林和针阔叶混交林触发透流的最小降雨量分别为2.8 mm、1.0 mm、1.5 mm，较小的降雨量即可触发落叶阔叶林的透流.透流率与降雨量呈对数函数关系，随降雨量增加，透流率升高，且当降雨量较小(0～25 mm)时，透流率随降雨量增长的幅度大，而雨量级较高(>25 mm)时，透流率增长速率减小，并逐渐趋于平稳．

树干茎流量与降雨量呈正相关关系.但三条拟合线的斜率有差异，暖性针叶林的斜率明显大于另两种林地，说明三种林型树干茎流受降雨的影响程度不同，暖性针叶林树干茎流量随降雨量增大的速率更快.触发暖性针叶林、落叶阔叶林和针阔叶混交林树干茎流的最低降雨量分别为4.9 mm、2.3 mm、1.7 mm，较高的降雨量才能触发暖性针叶林树干茎流.树干茎流率与降雨量呈对数函数关系，随着降雨量的增加树干茎流率增加，且暖性针叶林增长的速率更大，但当降雨量达到一定限值后，树干茎流率增长速率趋缓．

2) 降雨强度对降雨再分配的影响. 不同降雨强度下三种林型的冠层降雨再分配特征也表现出一定的差异.三种林型的透流率、树干茎流率都随着降雨强度的增加而增加，而林冠截留率则随着降雨强度增加而降低.三种林型的透流率、树干茎流率和林冠截留率在小雨条件下与其他降雨量级显著不同，小雨条件下林冠层对降雨的截留作用较显著，而随着雨强的增加则降低．

3) 林型效应和冠层结构对林冠截留的影响.三种林型之间的降雨再分配特征差异也受到林型效应和冠层结构的影响， 森林生态系统中，林冠截留主要受林冠郁闭度、林冠叶面积指数、林冠的干燥程度、叶片及树皮表面的吸水能力等因素影响，高的林冠层及小的降雨量很可能导致较大的林冠截留量. 林冠截留量与降雨量的关系用幂函数拟合效果最好(图4)，当降雨量较小(0～25 mm)时，林冠截留量随降雨增加幅度较大，但随着降雨量增大，林冠截留量增长速率变小.落叶阔叶林截留量随降雨的增长幅度最小.林冠截留率与降雨量呈对数函数关系，当雨量较小时，随降雨量增加林冠截留率显著减小，雨量较大时截留率减小并趋于平稳．

图4 透流量和透流率、树干茎流量和树干茎流率以及林冠截留量和林冠截留率与累积降雨量的关系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响较大，此外三种林型的直线距离较小，但暖性针叶林和落叶阔叶林在生长季的林冠截留量相差超130 mm(表3)，这说明在小的局域尺度上，林型效应对于降雨再分配过程的影响很大.本研究中暖性针叶林的郁闭度为0.8，要高于落叶阔叶林的0.65和针阔叶混交林的0.7，落叶阔叶林的平均冠幅最大为1.7 m.暖性针叶林的冠层截留能力要显著高于落叶阔叶林和针阔混交林，这是三种林型冠层结构差异的结果.

2.4不同特征的单场降雨下再分配的动态过程

1) 具有明显间歇期的大雨下的再分配动态过程.5月17日到5月18日持续7 h降雨量为30.9 mm的大雨事件中，有长达1 h的间歇期(图5)，再分配过程分为两个阶段：1点以前为前期干燥期较长的降雨过程；1点以后则为前期湿润的再降雨过程.第一阶段，降雨初期雨量较小，林冠截留在再分配中占主导地位，但暖性针叶林和针阔叶混交林的截留比例要大于落叶阔叶林.22时到23时累积降雨量迅速增加，雨强增大，林冠截留比例显著下降，同时透流比例逐渐增加，此时树干茎流量几乎为零.23时到01时累积降雨量增长少，雨强小，暖性针叶林截留量显著减小，再分配以透流和树干茎流为主，而落叶阔叶林和针阔叶混交林的林冠截留比例仍大于树干茎流.第二阶段，经过一小时干燥，三种林型的林冠截留能力有所恢复，1点到3点的强降雨期间，针阔叶混交林和落叶阔叶林的截留量所占比例要高于暖性针叶林，表明在林冠湿润状态下，针阔叶混交林和落叶阔叶林的截留效果更好.降雨末期，雨量和雨强都较小，再分配以林冠截留为主导．

图5 大雨条件下三种林型再分配过程Fig.5 Redistribution processes of three forest types under heavy rainfall

2) 大暴雨下的再分配动态过程.7月5日持续14小时的降雨量为117.7 mm的大暴雨期间(图6)，降雨前5小时累积降雨量比例达到整场降雨总量的90%，雨强非常大，所有林型均形成透流，其中暖性针叶林和落叶阔叶林透流占据主导地位，而针阔叶混交林透流与林冠截留比例相当，表明其截留能力好.累积降雨量的快速增长阶段(4—6时)，针阔叶混交林截留比例呈现增长趋势，而落叶阔叶林和暖性针叶林则减小.整场降雨中针阔叶混交林透流和林冠截留比例相当，波动变化.降雨末期，降雨量和雨强趋于零，三种林型林冠截留比例大，透流几乎为零．

图6 大暴雨条件下三种林型再分配过程Fig.6 Redistribution processes of three forest types under torrential rain

3结论与讨论

1) 降雨在三种林型的再分配特征具有明显差异.暖性针叶林的透流量、树干径流量、林冠截留量分别占同期林外降雨的62.0%、7.2%、30.8%；落叶阔叶林分别占77.9%、3.5%、18.6%；针阔混交林分别占73.3%、2.7%、24%．

针叶林的树干径流率明显大于落叶阔叶林和针阔叶混交林，鲍文等[20]在岷江上游发现暖性针叶林的树干茎流率达到8.4%，与本文得到的结果相近，但黄承标等[21]对广西亚热带地区不同林地研究发现，阔叶林和针阔混交林的树干茎流率要大于针叶林，这可能与林冠层厚度差异和林外降雨特征不同有关，研究区针叶林冠幅和冠层厚度相对较大，容水能力也较强.相关研究表明我国主要森林生态系统的透流率一般为60%～90%林冠截留率为11.4%～36.5%[21-25].本文研究的三种林型透流率和林冠截留率均在这一范围内.本文暖性针叶林样地树种以杉木为主，叶片光滑不易吸水，枝叶容易达到饱和，同时树木冠层厚度较大，郁闭度高，容水量更大，枝叶饱和后水分向树干汇聚，加上树木胸径较大，能汇集更多水分，因而其林冠截留量和树干茎流率大；而针阔叶混交林优势树种为马尾松，树干粗糙，易吸水，且树枝分支角度比较大，使冠层的水分不能汇集于树干，因而针阔叶混交林树干茎流率最小．

2) 再分配参数与降雨量的相关分析显示，三种林型下树干茎流量、透流量均与降雨量呈线性正相关关系，冠层截留量与降雨量呈幂函数关系.当林外降雨分别超过2.8 mm、1.0 mm、1.5 mm时，暖性针叶林、落叶阔叶林和针阔混交林发生透流，而当林外降雨分别超过4.9 mm、2.3 mm、1.7 mm时，三种林型分别发生树干茎流．

森林透流与冠层特征和林型效应密切相关，树干茎流量普遍较低，其与冠幅面积、叶形、枝叶方向与角度、树皮糙度等相关，而林冠截留则主要受林冠郁闭度、林冠叶面积指数、林冠的干燥程度、叶片及树皮表面的吸水能力等因素影响.三种林型透流量、树干茎流量与降雨量均呈正相关关系，而透流率和树干茎流率与降雨量呈现对数函数关系，这与周佳宁等[22]、孙忠林等[14]的研究结果一致.落叶阔叶林透流率随降雨增加的增幅更大，这也说明了暖性针叶林的截留能力更强.触发暖性针叶林树干茎流需要的降雨量最多，这是由于其树冠容水量大，达到饱和需要更长时间.在降雨量级较小时，三种林型树干茎流率均随降雨量增长，而暖性针叶林增长幅度最大，降雨达到一定量级后，树干茎流率趋于稳定.这表明植物叶片、枝条对雨水的吸收及蒸发散有一个极限，降雨初期或降雨量较小时，雨水多被冠层截留、蒸发散而消耗掉，随着降雨量增加，冠层截留能力达到饱和，截留率就逐渐下降，最终趋于平稳[26].林冠截留量和林冠截留率与降雨量的关系分别呈幂函数关系和对数函数关系，这与周佳宁等[21]在三峡库区的研究结果相似．

3) 场次降雨特征也会影响再分配，大雨和暴雨时三种林型内降水再分配的动态过程存在明显差异.三种林型的降雨再分配过程因受降雨量、降雨强度等降雨特征和林冠结构的影响而产生差异.

大雨条件下，再分配动态过程在降雨初期以截留占主导，累积降雨达到一定量(13.8 mm)时，透流逐渐占主要比例，而大暴雨条件下，降雨一开始再分配就以透流占主导地位，这与Owens等[7]的研究结果相同.降水发生时树木的干湿程度对再分配也有很大影响[13].大雨量级下，林分在降雨发生时的干湿程度影响其截留能力.在林冠较干燥时，暖性针叶林冠层的林冠截留能力更好，而在林冠较湿润的情况下，落叶阔叶林和针阔叶混交林的截留能力更强.雨强较大，此时针阔叶混交林的截留能力最好，而暖性针叶林截留能力持续减小，可见针阔叶混交林在强降雨条件下能够更有效地减缓雨滴对地表土壤的强烈冲击，防止水土流失.因此，建议在长江中上游防护林建设中，科学合理地发展针阔混交林的种植，这有利于保持水土，涵养水源，更好发挥森林抚育的作用．