吳光艷，成 婧，祝振華，吳發(fā)啟，于小玲

(西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌712100)

降雨能量的大小直接影響土壤侵蝕的強弱，是水力侵蝕研究中的重點問題，也是水土保持研究中的熱點問題。早在20世紀50年代，自從Best[1]研究了天然降雨雨滴分布特征，提出了著名的Best雨滴大小分布式開始，天然降雨雨滴特性的研究進入了一個新的階段，受到國內(nèi)外廣大學者的關注。近年來，植被與土壤侵蝕的研究也越來越受到重視。天然降雨通過林冠層時，林冠對其阻擋、滯留和削能，以穿透降雨、二次降雨和干流的形式到達地表[2-4]，使得其降雨特征和林外降雨顯著不同。因此，了解植被冠層對降雨特征的影響，是深入研究森林水文作用機制的重要環(huán)節(jié)，也是研究植被水土保持作用的重要內(nèi)容之一。目前，國內(nèi)對于林冠降雨特征的研究并不多[5-7]，且觀測降雨的次數(shù)少。筆者以色斑法為基礎，觀測了黃土高原南部的楊凌地區(qū)天然降雨15場，采集了不同樹種林下降雨雨滴譜各200份，較為深入地研究了林冠降雨特征。

1 研究區(qū)概況

楊凌地處黃土高原南部，陜西省關中平原中西部，渭河以北，三面環(huán)水，東以漆水河與武功縣接界，南依渭河同周至相望，北有沛水和武功，西與扶風接壤。位于東經(jīng) 107°59′-108°09′，北緯 34°14′-34°24′，海拔418.0～540.1 m，地勢北高南低，由南向北依次形成一、二、三級階地，整體分為 5種地貌，即渭河灘地、一級階地、二級階地、三級階地以及溝坡地。氣候類型屬暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，四季分明，年平均氣溫 12.9℃，極端最高氣溫 42℃，最低氣溫-19.4℃，全年無霜期 221 d。年均降水量 637.6 mm，多集中在7-10月，占多年平均降水量的60%，年平均蒸發(fā)量884 mm。植被多為落葉闊葉林樹種。

2 試驗設計

本實驗選取黃土地區(qū)主要造林樹種刺槐(Robinia pseudoacacia Linn)、桉樹(Eucalyptus exserta)、元寶楓(Acer truncatum Bunge)單株為研究對象，3種喬木特征見表1。場降雨的觀測時間主要集中于降水集中的6-9月，降雨強度分布范圍選定為0.6～60 mm/h之間。在充分觀測天然降雨的基礎上，利用色斑法進行雨滴的采集和測定，應用Image-J、Excel和SPSS軟件進行數(shù)據(jù)處理，對各樹種林冠下降雨特征進行對比分析。

表1 三種喬木測樹指標

3 研究方法

3.1 降雨觀測

本試驗采用上海儀器廠生產(chǎn)的SJ型虹吸式自記雨量計記錄降雨全過程。雨量計主要包括承水器、記錄筆和自記鐘筒，自記鐘筒上有記錄紙。此雨量計可以較完整地記錄降雨隨時間的變化、次降雨量、降雨歷時，雨量計24 h時間誤差為5 min。

將雨量計布設在開闊無遮擋物區(qū)域，避免降雨受建筑物和高大樹木的影響。當降雨開始時，在記錄紙上記下降雨開始的具體時間，在降雨的過程中，只需要檢查記錄筆是否正常即可，待降雨結束后取下記錄紙，進行降雨強度的計算。

3.2 雨滴取樣及測量

我國目前研究雨滴大小所采用較普遍的方法是濾紙色斑法[8]，本研究同樣采用此方法觀測雨滴直徑。濾紙使用新華造紙廠出品的直徑為15 cm的定性中速濾紙;涂料用天津登峰化學試劑廠生產(chǎn)的曙紅和滑石粉的混合粉末，按其重量比為1∶10混合均勻，用刷子將曙紅和滑石粉混合粉末均勻地涂抹在濾紙上備用。在干燥的情況下，濾紙不顯色，當雨滴降落在濾紙上時，每個雨滴就產(chǎn)生近似圓形的色斑。

降雨開始后，對應自記紙上的時間取雨滴樣，取樣高度距地面20 cm，并記下對應的時間，取樣間隔10 min一次，同一時間取樣重復3次。取樣結束后，將雨滴譜放置實驗室自然風干。

將采集雨滴的濾紙按1∶1進行計算機掃描，然后用Image-J軟件進行處理，具體步驟如下:

(1)進入Image-J界面系統(tǒng)，將掃描文件導入編輯窗口中。

(2)將圖片放大到合適大小，用直尺功能測出色斑直徑，每個色斑按垂直方向測兩次。測量精度為0.001 mm。

(3)將測量結果導入Excel中，計算色斑平均直徑，進而推求雨滴實際直徑。

利用Image-J軟件克服了以往用色斑法量測雨滴直徑精度低的缺陷，使測量精度提高了一個數(shù)量級，使得林冠降雨雨譜的精確測量成為可能。

3.3 色斑直徑和雨滴直徑關系率定

用普通醫(yī)用注射器針管和不同型號的針頭充當雨滴發(fā)生器，先向針管內(nèi)注入一定量的水，裝上針頭，然后將針管內(nèi)的水通過針頭滴在涂有混合粉末的濾紙上，同一針頭取10個點，滴時保持水滴滴在濾紙上的距離，距離太近水滴在濾紙上浸潤相互間有影響，誤差大。用萬分之一天平稱100滴水重，每種型號的針頭各稱取一次，并一一對應，計算出每一滴水的質量mi[9]。假定水滴是球體狀的，算出水滴直徑d(mm)，即:

式中:ρ——水的密度(g/cm3)。計算出色斑直徑 Di，這樣水滴實際直徑和色斑直徑形成一一對應關系，用Excel進行回歸分析，并得到色斑直徑D與水滴直徑d的關系式:

運用上述公式可以求得實際雨滴的直徑d，進而進行以下分析。

4 結果與分析

天然降雨經(jīng)過林冠層，林冠截留改變了其雨滴特性，使得林下降雨雨滴直徑、雨滴大小分布、雨滴速度和雨滴動能均有所改變[10]。

4.1 雨滴大小分布

雨滴大小和分布是降雨的基本特征。從兩次林下降雨2010年7月15日、9月6日和一次林外降雨2009年8月3日的降雨資料中(圖1)，可以看出雨滴大小分布呈近似正態(tài)分布，雨滴直徑主要集中于0.5～2 mm之間，且大于5 mm的雨滴很少。同時，林下雨滴較林外雨滴偏大，且大雨滴數(shù)有明顯增加的趨勢，這說明林冠降雨中，林冠對雨滴的分配和匯集十分明顯。從實際取樣中，可以觀察到林冠下大雨滴數(shù)有明顯增加的趨勢，尤其是在有風的作用下，大雨滴數(shù)量明顯增加。

圖1 三次降雨的雨滴大小分布情況

通過大量的雨滴譜觀測和統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)林外降雨過程中，雨滴中數(shù)直徑隨著降雨強度的增加而增加，且增加的趨勢是減弱的。在林冠降雨過程中，這一現(xiàn)象就顯得很微小(圖2-4)。從圖中可以看出，與林外降雨不同。(1)當降雨強度小于0.1 mm/min時，林冠降雨的雨滴中數(shù)直徑較林外降雨雨滴中數(shù)直徑大;而當降雨強度增大時，這種趨勢卻相反，即林外降雨雨滴中數(shù)直徑大于林冠下雨滴中數(shù)直徑。在圖1中，取樣的降雨強度介于0.02～0.07 mm/min之間，林冠雨滴中數(shù)直徑明顯較林外大，但這種差別隨著雨強增大而減少。(2)3種林冠下雨滴中數(shù)直徑在一個值附近上下波動。例如:圖2中元寶楓林冠下雨滴中數(shù)直徑介于2～6 mm之間;圖3中桉樹林冠下雨滴中數(shù)直徑介于1～4.5 mm之間;圖4中刺槐林冠下雨滴中數(shù)直徑介于1～6 mm之間。說明林下降雨中，由于受林冠的作用，尤其是相對林冠郁閉度較大的林分，雨滴中數(shù)直徑受降雨強度的影響很小，這與林外降雨有顯著區(qū)別。

圖2 元寶楓林冠下雨滴中數(shù)直徑與降雨強度關系

4.2 降雨動能特征

雨滴動能是根據(jù)雨滴大小及其組成計算求得。雨滴的降落速度，根據(jù)雨滴大小的不同，分別用不同的公式進行計算[11-12]。

當雨滴直徑d＜1.9 mm時，用修正的沙玉清公式計算:

其中:x=〔28.32+6.524lg(0.1d)-(lg0.1d)2〕0.5-3.665

當d≥1.9 mm時，用修正的牛頓公式:

式中:V——雨滴終點速度(m/s);d——雨滴直徑(mm)。

圖3 桉樹林冠下雨滴中數(shù)直徑與降雨強度關系

圖4 刺槐林冠下雨滴中數(shù)直徑與降雨強度關系

由于林冠降雨高度有限，雨滴難以達到充分降落條件下的雨滴終點速度。忽略雨滴在空氣中下落過程中的變形，采用徐銳[13]給出的雨滴降落速度與降落高度的關系式:

式中:Vm——雨滴降落速度(m/s);H——雨滴下落高度(m);g——重力加速度(m/s2)。

對于單個雨滴，其動能可表示為:

將雨滴譜上每個雨滴的動能累加，得到濾紙上全部雨滴的總動能E;再將濾紙上每個雨滴質量累加，除以水的密度和濾紙面積，得降雨深;雨滴的總動能除以降雨深和濾紙面積，即得到該次降雨在單位面積上單位降雨深所具有的能量。這樣可以得到降雨動能的計算公式:

其中:E——降雨動能〔J/(m2?mm)〕

圖5 元寶楓林冠下降雨動能與降雨強度關系

圖6 桉樹林冠下降雨動能與降雨強度關系

圖7 刺槐林冠下降雨動能與降雨強度關系

從大量的雨滴譜資料可以得到每個降雨時刻的降雨動能，降雨強度與降雨動能見圖5-7。從直觀上看，林冠降雨動能與林冠雨滴中數(shù)直徑類似，在某一個值附近波動，沒有明顯的相關關系;而林外降雨動能有著較顯著的相關關系。從本質來說，這一現(xiàn)象是正常的，通過前面的分析，林冠雨滴中數(shù)直徑在一定區(qū)間波動，而降雨動能最主要的因子就是雨滴直徑，雖然有雨滴速度的影響，但是，雨滴速度又直接受到雨滴直徑的影響，所以說，雨滴直徑的大小與降雨動能有很大的聯(lián)系，即二者的變化趨勢是一致的。

同時，從圖5-7中可以看到，3種喬木冠下降雨有一個共同過的特點，即在小雨強下，林冠下降雨動能較林外大，這個雨強在0.1 mm/min左右;而當雨強大于0.1 mm/min時，林外雨滴動能有大于林冠降雨的趨勢。這說明在小雨強時，林冠有增大降雨動能的作用，而在大雨強時，林冠有削減降雨動能的作用，這對于植被減少土壤侵蝕有著重要意義。元寶楓林冠下降雨動能介于15～16 J/(m2?mm)之間;桉樹則介于8～16 J/(m2?mm)，變化相對前者較大;刺槐介于10～15 J/(m2?mm)。這種差異的原因是3種喬木的葉面積指數(shù)不同，葉面積越大匯集雨滴的能力就強，雨滴直徑就相對較大，降雨動能就大。對于降雨動能上下波動，而不是跟天然降雨一樣，隨著降雨強度的增大而增大。在取樣的過程中，林冠降雨和林外降雨不同，林冠降雨有更大的隨機性，即林冠降雨不均勻。在雨滴譜上，出現(xiàn)的大雨滴數(shù)會直接影響著降雨動能的大小，這里大雨滴直徑在5 mm以上。如果雨譜上只有一個大雨滴，那么這個大雨滴的體積可以占到總體積的50%或者更多。在取樣時，大雨滴數(shù)是隨機出現(xiàn)的，這就導致了降雨能量時大時小，而不是一個穩(wěn)定值。

5 結論

天然降雨經(jīng)過林冠層以后，雨滴特性發(fā)生了改變，與林外降雨有明顯的區(qū)別。林冠下雨譜分布呈近似的正態(tài)分布，其中大雨滴數(shù)明顯多于林外降雨。林冠下雨滴中數(shù)直徑受降雨強度的影響很小，主要取決于林冠的郁閉度和葉面積指數(shù)。林冠下降雨動能與雨滴中數(shù)直徑有著同樣的趨勢，其值在一個范圍內(nèi)波動，與降雨強度沒有明顯的相關關系。

林冠降雨與林外降雨不同，即在小雨強時(小于0.1 mm/min)，林冠有增大降雨動能的作用;而當雨強大于0.1 mm/min時，林冠降雨動能有減小的趨勢。同時，從降雨動能計算公式可以看出林冠的高度也是影響林冠降雨動能的一個重要因子。林冠低，雨滴速度降低，降雨動能減少。這就為實際水土保持林建設中，要堅持林、灌、草相結合的方針相吻合。通過林灌草的綜合作用，來消除雨滴對地面的擊濺侵蝕。

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