楊中文，唐甜華，陳 野，肖 玲，黃晶晶，張衛(wèi)華

樟樹(shù)林冠截留模擬試驗(yàn)研究

楊中文，唐甜華，陳 野，肖 玲，黃晶晶，張衛(wèi)華

（西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400716）

林冠截留是水文循環(huán)中的重要成分之一。為探究降雨特征和林分特征對(duì)樟樹(shù)林冠截留效應(yīng)的影響，針對(duì)降雨量、降雨強(qiáng)度、葉面積指數(shù)（LAI）和樹(shù)齡這些相關(guān)影響因子，采用室內(nèi)模擬的方法進(jìn)行對(duì)比截留試驗(yàn)。試驗(yàn)得到4種樣樹(shù)的16組降雨量、降雨強(qiáng)度和截留量，以及其各自的LAI值。分析結(jié)果表明：①降雨量、降雨強(qiáng)度和LAI是截留的主要影響因子，樹(shù)齡對(duì)截留的影響效果不明顯；②雨強(qiáng)與截留量呈反比關(guān)系，截留量與降雨量呈二次函數(shù)關(guān)系，葉面積指數(shù)（LAI）與截留量呈正比關(guān)系；③樹(shù)葉伸展方向?qū)亓舢a(chǎn)生較大影響，模擬試驗(yàn)方法仍需進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

樟樹(shù)；林冠截留；LAI；模擬

1 概 述

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是自然功能最完善最強(qiáng)大的資源庫(kù)、基因庫(kù)和儲(chǔ)水庫(kù)，具有調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土、防風(fēng)固沙、改良土壤、美化環(huán)境、保護(hù)生物多樣性等多種功能，對(duì)改善生態(tài)環(huán)境、維護(hù)生態(tài)平衡起著決定性的作用。林冠截留是森林與水文循環(huán)之間的首次相互作用和影響，影響水資源的管理分配甚至氣候的變化。因此，針對(duì)性地對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行林冠截留分配降雨研究，將會(huì)為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)、植被恢復(fù)提供可靠的依據(jù)。

降雨特征、林分特征和氣象因素是影響林冠截留降雨過(guò)程的重要因子，因此三者的變異性會(huì)引起林冠截留效果的差異。在目前國(guó)內(nèi)外研究中，大多采用的是野外實(shí)測(cè)的方法來(lái)分析各個(gè)影響因子對(duì)林冠截留相關(guān)關(guān)系［1－5］。王安志等［6］在室內(nèi)人工模擬試驗(yàn)中通過(guò)控制和改變雨強(qiáng)和葉面積指數(shù)（LAI）研究了截留的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，并構(gòu)建以雨強(qiáng)和LAI為參數(shù)的半理論截留模型。室內(nèi)模擬截留的方法更適于研究林分特征和降雨特征對(duì)林冠截留的影響效果，而應(yīng)用模擬方法的截留研究還比較欠缺。樟樹(shù)是屬于樟科的常綠性喬木，廣泛分布于重慶市境內(nèi)，其對(duì)降雨的截留作用對(duì)當(dāng)?shù)貧夂颉⑺Y源利用、水平衡分析及生態(tài)環(huán)境具有非常重要的意義。開(kāi)展對(duì)樟樹(shù)截留降雨的研究，目的是探究樹(shù)齡、枝葉疏密程度以及降雨特征等影響因子對(duì)樟樹(shù)林冠截留效應(yīng)的影響，以便豐富林冠截留雨水與氣候調(diào)節(jié)和地表徑流相關(guān)關(guān)系研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)為全面認(rèn)識(shí)樟樹(shù)林冠截留機(jī)理提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2．1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)內(nèi)，地理坐標(biāo)為E 106°24′，N 29°48′，距重慶市區(qū)60 km，總面積為640 hm2。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均降雨量為1 100 mm，常年平均溫度18．3℃，年日照1 270 h。該區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度高，分布有多種喬木、灌木，其中以樟樹(shù)覆蓋面積最廣。

2．2 樹(shù)樣采集

2009年12月28日在西南大學(xué)校園內(nèi)采集不同年齡階段的樟樹(shù)樣枝若干。其枝葉生長(zhǎng)良好，分布均勻，葉面積指數(shù)各不相同，具有代表性。根據(jù)樹(shù)齡和疏密程度的不同，挑選出具有代表性的幼齡疏葉、幼齡密葉、老齡疏葉和老齡密葉4種樣本。

2．3 測(cè)流裝置

準(zhǔn)備3個(gè)底面積足夠大的平底塑料盆（要求盆底面積足以覆蓋樣樹(shù)樹(shù)冠），用直徑不等的鐵釘在每個(gè)盆底部戳大小均勻的小洞作為降雨器。同時(shí)使各盆底洞大小呈一定梯度，本試驗(yàn)中各盆的底洞直徑分別為0．8，1．8，2．9 mm，各盆底直徑均為31 cm。選取大小適中的木棒插入表面潔凈的礦泉水桶內(nèi)，將樣樹(shù)用膠帶固定到木棒上形成模擬樹(shù)，保證樣樹(shù)主干垂直桶底平面，枝葉在試驗(yàn)期間保持自然狀態(tài)，同時(shí)使木棒和桶以及樣樹(shù)和木棒的接觸處密封防水。另外，選取規(guī)格分別為100，250，500，1 000 mL的量筒各2個(gè)，用于測(cè)量水量；容量足夠大的水桶2個(gè)，分別用于盛裝模擬降雨的水量和承接穿透雨。將足夠大的塑料薄膜鋪于地面，用作集水面，四面用高度適當(dāng)?shù)哪景糁?，防止穿透模擬樹(shù)樹(shù)冠的水量濺出；將模擬樹(shù)放置于薄膜中心位置（要求薄膜下墊面水平）；最后利用建材搭建水平降雨支架，將自制的降雨器平放固定于支架上，要求降雨器底部與模擬樹(shù)樹(shù)冠頂部高差為30 cm左右，并使降雨器垂直投影覆蓋模擬樹(shù)樹(shù)冠投影。從而形成模擬截留裝置。

2．4 試驗(yàn)過(guò)程

2．4．1 附著水測(cè)量

主要針對(duì)試驗(yàn)中量筒、水桶、塑料薄膜、降雨器和礦泉水桶上附著滯留的水量進(jìn)行測(cè)量，方法如下：

用選取的干燥量筒稱重后加入等于其最大測(cè)量值的水量，將水自由倒出后再稱重，利用重量差值得到各量筒的附著水量。重復(fù)5次，取均值。用同樣的方法測(cè)得2個(gè)水桶各自的附著水量M1。量取2 000 mL的自來(lái)水倒在測(cè)流裝置中的塑料薄膜上（僅對(duì)薄膜），濕潤(rùn)后倒入承接水桶中，再用量筒量取桶中水量，重復(fù)5次求均值為W1。根據(jù)水量平衡，薄膜附著水量計(jì)算式為M2＝2 000－W1－M1。將模擬樹(shù)從模擬裝置中移開(kāi)，量取2 000 mL水量迅速倒入降雨器中，待降雨器不再滴水時(shí)，測(cè)量薄膜收集的水量，重復(fù)5次求均值為W2。同理，各降雨器附著水量為M3＝W1－W2。最后將模擬樹(shù)的礦泉水桶部分放置于模擬截留裝置中的同一位置，量取2 000 mL水量迅速倒入降雨器中，待降雨器不再滴水時(shí)，移開(kāi)礦泉水桶，量取薄膜收集的水量，重復(fù)5次求均值為W3。礦泉水桶附著水量為M4＝W2－

W3。

2．4．2 模擬截留

設(shè)計(jì)介于2～40 mm之間的16個(gè)特征雨量分別為：2，3，5，7，8，10，13，15，18，20，22，24，27，30，35，40 mm。通過(guò)更換不同的降雨器以及改變倒水速度的方式對(duì)每個(gè)特征雨量進(jìn)行5次不同雨強(qiáng)的模擬截留試驗(yàn)。根據(jù)水量平衡，每場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)量取的水量計(jì)算公式為

式中：W為每場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)量取的水量（mL）；P特為每場(chǎng)降雨的特征雨量（mm）；A盆為降雨器的底面積（cm2），本試驗(yàn)為754．39 cm2；M降為每場(chǎng)試驗(yàn)采用的降雨器的附著水量（mL）；M桶為倒水水桶的附著水量（mL）；M量為每次實(shí)驗(yàn)量取水量所用量筒的附著量（mL）。試驗(yàn)過(guò)程中記錄模擬降雨量、降雨歷時(shí)、薄膜收集的穿透水量。一場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)束后，待模擬樹(shù)枝干晾干后方可進(jìn)行下一場(chǎng)試驗(yàn)。模擬降雨截留量的計(jì)算式為

式中：I為樣樹(shù)樹(shù)冠截留量（mm）；P特為每場(chǎng)降雨的特征雨量（mm）；A盆為降雨器的底面積（cm2）；W0為測(cè)得的薄膜收集水量（mL）；M量′為所測(cè)量筒的附著水量（mL）；M桶′為承接水桶的附著水量；M薄為薄膜附著水量（mL）；M礦為礦泉水桶的附著水量（mL）；A冠為所測(cè)樣樹(shù)樹(shù)冠投影面積（cm2）。

2．4．3 葉面積指數(shù)（LAI）的測(cè)定

將各樣樹(shù)枝干垂直立于均質(zhì)白紙之上，用白熾燈垂直投影的方法在紙上描繪樹(shù)冠輪廓。利用分析天平稱重，采用重量比例法測(cè)得4類(lèi)樣樹(shù)樹(shù)冠投影面積。將各樣樹(shù)所有樹(shù)葉摘下，計(jì)算各自葉片數(shù)，從中挑選一片具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)葉片，用重量比例法測(cè)量各樣樹(shù)的總?cè)~面積。樟樹(shù)樣樹(shù)葉面積指數(shù)計(jì)算公式為

式中：LAI為葉面積指數(shù)；AL為樹(shù)冠葉片總面積（cm2）；T為樹(shù)冠投影面積（cm2）。

3 結(jié)果與分析

2009年12月，對(duì)挑選的4種樹(shù)樣分別進(jìn)行了80次不同雨量和雨強(qiáng)的人工降雨模擬試驗(yàn)，得到設(shè)計(jì)模擬降雨量對(duì)應(yīng)4種樣樹(shù)各自的平均降雨強(qiáng)度和平均截留量見(jiàn)表1。由于模擬雨量一定，4種樣樹(shù)的平均雨強(qiáng)均介于1．1～11．7 mm／min之間，在同一模擬雨量下平均雨強(qiáng)相差不大，但平均截留量有所差別。其中，幼齡疏葉樣樹(shù)最小平均截留量為0．03 mm，最大平均截留量為0．31 mm；幼齡密葉樣樹(shù)最小平均截留量為0．02 mm，最大平均截留量為0．12 mm；老齡疏葉樣樹(shù)最小平均截留量為0．04 mm，最大平均截留量為0．17 mm；老齡密葉樣樹(shù)最小平均截留量為0．07 mm，最大平均截留量為0．25 mm。

表1 4類(lèi)樣樹(shù)雨量、雨強(qiáng)和截留量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Rainfall，rainfall intensity and intercept quantity statistics of the four samp le trees

3．1 降雨強(qiáng)度與截留的關(guān)系

對(duì)于同一降雨量條件下，降雨強(qiáng)度不同可能表現(xiàn)出不同的截留效果。為此，將幼齡疏葉、幼齡密葉、老齡疏葉和老齡密葉4樣本分別選取22，35，27，22 mm降雨量下5個(gè)不同雨強(qiáng)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，4樣樹(shù)在雨量恒定條件下截留量隨雨強(qiáng)的增加而減小，呈明顯的反比關(guān)系（圖1），與曾德慧［7］、吳旭東［8］等研究結(jié)果一致。降雨強(qiáng)度越大雨滴越大，對(duì)枝葉的打擊力越大，使枝葉產(chǎn)生較強(qiáng)的震動(dòng)不易于附著降雨，從而降雨截留量越??；反之截留量越大。

圖1 降雨強(qiáng)度與截留量的關(guān)系Fig．1 Relationship between rainfall intensity and interception

3．2 降雨量與截留關(guān)系

圖2 各樣樹(shù)次模擬降雨量與截留量的關(guān)系Fig．2 Relationship between modeling rainfall and interception of four sam ple trees

將16個(gè)特征降雨量與其平均截留量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明4個(gè)樣本的截留量隨降雨量的增加而增加，用二次函數(shù)擬合較好（圖2），幼齡疏葉、幼齡密葉、老齡疏葉和老齡密葉4樣本R2值分別為0．64，0．65，0．77，0．75。許多研究認(rèn)為，降雨量與截留量呈冪函數(shù)關(guān)系［9－12］。幼齡疏葉、老齡疏葉和老齡密葉3種樣樹(shù)隨降雨量增加，截留量增大到截留容量后出現(xiàn)下降態(tài)勢(shì)，是由于模擬試驗(yàn)中隨降雨量的增大降雨強(qiáng)度也不斷增大，達(dá)到截留容量后降雨強(qiáng)度成為影響截留的主要因子。而自然界中的降雨幾乎不可能達(dá)到模擬的雨強(qiáng)大小，林冠達(dá)到截留容量后其截留量將保持在一個(gè)穩(wěn)定的值，從而大多表現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系。由于樣樹(shù)樹(shù)冠郁閉度低，以上3種樣樹(shù)達(dá)到的截留容量值均較小，分別為0．2，0．16，0．22 mm。另外，幼齡密葉樣樹(shù)在試驗(yàn)中未達(dá)到截留容量，其模擬降雨量與截留量更符合線性關(guān)系。主要是由于其葉片面積大且嫩，在雨滴的打擊下失去原有形態(tài)，導(dǎo)致其葉片幾乎全部朝下伸展利于水滴匯集，同時(shí)嫩葉表面過(guò)于光滑降低了其截留降雨的能力，使得模擬降雨量達(dá)到40 mm時(shí)仍無(wú)法達(dá)到截留容量。

3．3 葉面積指數(shù)與截留的關(guān)系

測(cè)得4種類(lèi)型樣樹(shù)的LAI值均較低，分別為：幼齡疏葉1．287、幼齡密葉2．469、老齡疏葉0．991、老齡密葉2．064（表2），疏葉樣本均小于密葉樣本且各自相差不大，分別約為0．29和0．4。一般來(lái)說(shuō)葉面積指數(shù)（LAI）的作用效果與雨強(qiáng)相反，LAI越大林冠郁閉度越高，降雨透過(guò)林冠所需的時(shí)間越長(zhǎng)，同時(shí)附著在葉表面的截留水量越多。但幼齡密葉樣本未達(dá)到截留容量且截留量明顯低于其他3種樣本，主要原因在于該樣本葉片朝下伸展不利于截留。因此，即使樹(shù)冠LAI值足夠大，在葉片伸展方向的影響下其截留量也可能會(huì)很小。此外，另3種樣本的截留容量分別為0．2，0．16，0．22 mm，與LAI呈正比關(guān)系（圖3）。該結(jié)果與曾德慧等模擬試驗(yàn)結(jié)果相一致［7］。

3．4 樹(shù)齡與截留的關(guān)系

將4種樣樹(shù)的截留量與降雨量的關(guān)系作對(duì)比分析（圖4）。在目前的截留研究中，極少有人嘗試探究樹(shù)齡與截留之間的關(guān)系，一般的樹(shù)齡越大葉片表面越粗糙，對(duì)降雨的截留作用越強(qiáng)。樣樹(shù)幼齡疏葉、老齡疏葉的LAI值相近，分別為1．29和0．99，在降雨量小于5 mm時(shí)老齡疏葉截留作用強(qiáng)于幼齡疏葉，隨后由于LAI的關(guān)系，老齡疏葉的截留量遠(yuǎn)小于幼齡疏葉。分析認(rèn)為，在雨量小于5 mm時(shí)，樣老齡疏葉截留作用強(qiáng)于幼齡疏葉的原因可能是樣老齡疏葉齡較大。由于本試驗(yàn)較粗糙，可能存在潛在的人為誤差，目前還不能確定這一點(diǎn)。因此，針對(duì)樹(shù)齡與截留的影響關(guān)系，還需要更為細(xì)致地研究加以驗(yàn)證。

表2 4類(lèi)樣樹(shù)的LAI值表Table 2 LAI value of four sample trees

圖3 葉面積指數(shù)與截留容量的關(guān)系Fig．3 Relationship between leaf area index（LAI）and interception capacity

圖4 4種樣本截留對(duì)比Fig．4 Comparison among the four sample trees

4 結(jié)論與討論

4．1 結(jié) 論

（1）與許多截留研究結(jié)果相同，樟樹(shù)林冠截留量與雨強(qiáng)呈明顯的反比關(guān)系，在相同降雨量下隨雨強(qiáng)的增大截留量減小。

（2）降雨量是影響樟樹(shù)林冠截留的最主要因素，截留量隨雨量的增加而增加，當(dāng)林冠達(dá)到截留容量后截留量隨雨強(qiáng)的增加而呈減小的態(tài)勢(shì)。樟樹(shù)林冠截留量與降雨量呈很好的二次函數(shù)關(guān)系。同時(shí)，截留量還受到林冠樹(shù)葉伸展方向的影響，葉片向下伸展不利于截留，表現(xiàn)出較小的截留能力。

（3）正常情況下葉面積指數(shù)（LAI）與樟樹(shù)林冠截留量呈正比關(guān)系。但在樹(shù)葉葉片伸展方向的影響下，即使LAI值較大截留量也可能會(huì)很小。

（4）通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，雨量、雨強(qiáng)以及LAI是影響截留的主要因素，樹(shù)齡對(duì)截留的影響效果不明顯，期待更細(xì)致的研究加以驗(yàn)證。

4．2 討 論

（1）由于人工模擬的方式與野外實(shí)測(cè)不同，使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)際情況有所區(qū)別。本試驗(yàn)?zāi)M的最小雨量為2 mm，最大雨量為40 mm，平均雨強(qiáng)介于1．1～11．7 mm／min之間。而宋吉紅等［13］在與本研究區(qū)相鄰的縉云山自然保護(hù)區(qū)觀測(cè)的降雨量可達(dá)到127．3 mm之多，觀測(cè)到的大于40 mm雨量次數(shù)將近總觀測(cè)次數(shù)的50%；但陳引珍等［14］觀測(cè)到縉云山區(qū)雨強(qiáng)介于6．24～94．20 mm／h之間，且大多數(shù)在6．24 mm／h左右，而本研究模擬雨強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該范圍。此外，選取的樣樹(shù)在林分特征上與實(shí)際樟樹(shù)林冠結(jié)構(gòu)有所差異，導(dǎo)致LAI值均較小。在今后的研究中加強(qiáng)野外實(shí)測(cè)研究對(duì)模擬結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證顯得尤為重要。

（2）試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)樟樹(shù)樹(shù)葉的伸展方向?qū)亓粲休^大影響。一般的，若樹(shù)葉與水平面的傾角較大，水滴在重力和雨滴打擊力的作用下向低處匯集，利于水滴沿葉表面滴落，從而降低了截留能力。樹(shù)齡的大小主要表現(xiàn)為樹(shù)葉表面的粗糙程度和在雨滴的打擊下保持原有形態(tài)的能力，一般來(lái)說(shuō)樹(shù)齡越大截留能力越強(qiáng)。在本研究中還沒(méi)有很好地驗(yàn)證樹(shù)葉伸展方向和樹(shù)齡與截留的相關(guān)關(guān)系，因此需通過(guò)更細(xì)致的研究以進(jìn)一步探究?jī)烧吲c樟樹(shù)林冠截留能力的相關(guān)性。

（3）影響林冠截留的因子很多，不僅包括林分特征和降雨特征，氣象因子也是影響截留的重要因素。本研究采用室內(nèi)模擬法，忽略了氣象因子（如溫度、風(fēng)速、濕度、太陽(yáng)輻射等）對(duì)截留的影響。由于氣象因子的影響，在一定條件下降雨期間林冠表面會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用從而附加截留，在一場(chǎng)很大的降雨條件下雨期林冠蒸發(fā)量甚至可以達(dá)到截留量的50%～70%［15］。而在大量的野外截留研究中［16－19］，雨期林冠蒸發(fā)量的估算是成功應(yīng)用截留模型的關(guān)鍵，在截留過(guò)程中扮演著及其重要的角色。

致謝：金思凡和王琳參加試驗(yàn)多項(xiàng)工作，特此一并致謝。

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［10］盧俊峰，馬欽彥，劉世海，等．北京密云油松人工林林冠降水截留特征研究［J］．北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（增刊2）：129－132．（LU Jun-feng，MA Qin-yan，LIU Shi-hai，et al．Rainfall Interception Capacity of a Pinust-abulaeformis Plantation in Miyun，Beijing［J］．Journal of Beijing Forestry University，2005，27（Sup．2）：129－132．（in Chinese））

［11］鮑 文，包維楷，何丙輝，等．岷江上游油松人工林對(duì)降雨的截留分配效應(yīng)［J］．北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26（5）：10－16．（BAO Wen，BAO Wei-kai，HE Bing-hui，etal．Redistribution Effects of Tree Canopy of the Ar-tificial Pinustabulaeformis Forest on Precipitation in the Upper Stream of Minjiang River［J］．Journal of Beijing Forestry University，2004，26（5）：10－16．（in Chinese））

［12］鞏合德，王開(kāi)運(yùn)，楊萬(wàn)勤，等．川西亞高山原始云杉林內(nèi)降雨分配研究［J］．林業(yè)科學(xué)，2005，41（1）：198－201．（GONG He-de，WANG Kai-yun，YANGWan-qin，et al．Throughfall and Stemflow in a Primary Spruce Forest in the Subalpine ofWestern Sichuan［J］．Scentia Silvae Sini-cae，2005，41（1）：198－201．（in Chinese））

［13］宋吉紅，張洪江，孫 超，等．縉云山自然保護(hù)區(qū)不同森林類(lèi)型林冠的截留作用［J］．中國(guó)水土保持科學(xué)，2008，6（3）：71－75．（SONG Ji-hong，ZHANG Hong-jiang，SUN Chao，et al．Canopy Interception of Different Forest Types in the Three Gorges Region of Yangtze River［J］．Science of Soiland Water Conservation，2008，6（3）：71－75．（in Chinese））

S78

A

1001－5485（2011）03－0005－05

2010-04-12

西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院科技創(chuàng)新基金“光炯”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

楊中文（1990-），男，四川內(nèi)江人，本科生，主要從事水文水資源的研究，（電話）023-68259062（電子信箱）wing＿zwyang＠163．com。

張衛(wèi)華（1974-），男，河北沙河人，講師，碩士，主要從事水文水資源、土壤水分的研究，（電話）13637822374（電子信箱）swuwater＠126．com。