胡天然 王樹力

摘要 以森林水文學(xué)為理論基礎(chǔ)，從森林涵養(yǎng)水源的角度運(yùn)用生態(tài)定位研究方法，選擇松花江干流方正縣高楞林業(yè)局為觀測(cè)地點(diǎn)，以當(dāng)?shù)鼐哂写硇缘募t松人工林、水曲柳山楊林、水曲柳落葉松林、糠椴次生林、蒙古櫟次生林和胡桃楸混交林為研究對(duì)象，并以就近的空曠地降雨作為對(duì)照，對(duì)不同森林類型的林冠層截水性能、林內(nèi)穿透雨量、樹干徑流等水文特性進(jìn)行了定量研究。

研究結(jié)果表明：各森林類型的林內(nèi)雨透流率都小于50.0%，說明50.0%以上的降雨被林冠層截留。其中胡桃楸混交林和水曲柳山楊林的透流率較高，分別達(dá)到44.2%和40.0%；其次是水曲柳落葉松林和糠椴次生林，透流率分別為37.2%和34.1%；紅松人工林和蒙古櫟次生林的透流率較低，分別為27.9%和24.7%。林內(nèi)降雨量（P′）和大氣降雨量（P）呈現(xiàn)顯著的直線正相關(guān)。樹干徑流量（G）和大氣降雨量（P）之間也呈直線正相關(guān)。

關(guān)鍵詞 松花江；森林類型；水源涵養(yǎng)林；水文特征

中圖分類號(hào) S727.21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）27-154-04

Songhua River Six Water Conservation Forest Canopy Rainfall Distribution

HU Tian-ran1，2， WANG Shu-li1

（1. Forestry School of Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040； 2. Heilongjiang Institute of Water and Soil Conservation Science， Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract Based on the theory of forestry hydrology， with the point of view of forest water conservation， the located research method was adopted. The observation points were established in Gaoleng Forestry Bureau of Fangzheng County which was the trunk stream of Songhua River. The function of water resource conservation which included the crown canopy precipitation interception， water-holding capacity of litter layer， physical chemistry properties of soil layer and water holding capacity were studied quantificationally in different forest types. As compared with clear terra， the local typical forests of Pinus koraiensis plantation， Populus davidiana Dode and Fraxinus mandshurica， Larix gmelini and Fraxinus mandshurica， Tilia mandshuricarupr seconday forest， Quercus mongolica seconday forest and Juglans mandshurica mixed forest were conducted in the permanent sample plots. The results indicated that the throughfall of all the forest types were less than 50.00% and more than half rainfall were intercepted by the canopy layer. The throughfall of P. davidiana Dode and F. mandshurica and J. mandshurica mixed forest were the maximal and reached 44.2% and 40.0%， in the next place， the throughfall of L. gmelini and F. mandshurica and T. mandshuricarupr seconday forest was 37.2% and 34.1%， the throughfall of P. koraiensis plantation and Q. mongolica seconday forest was 27.9% and 24.7%. The relations between rainfall（P′） inside forest and the ether rainfall（P） is the marked plus corraletive. Trunk runoff （G） has linear positive correlation with atmospheric precipitation （P）.

Key words Songhua River； Forest types； Water conservation forest； Hydrographic features

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)的重要參與者，通過對(duì)大氣降水的再分配過程（林冠截留、穿透降雨、樹干徑流）從而影響森林內(nèi)水量分配的格局，進(jìn)而對(duì)整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)、流域甚至陸地整體的水分循環(huán)產(chǎn)生影響[1]。對(duì)林冠層降水分配的影響，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)有大量的研究。研究內(nèi)容涉及不同的地區(qū)、不同森林類型林冠層截留能力[2]、林內(nèi)的穿透水量[3]、樹干徑流量[4]及其相關(guān)模型[5]和各種影響因素[6]等。研究結(jié)果證明，大氣降雨通過林冠層以后，林冠層的截留率為10%～40%，林內(nèi)降水的穿透率為60%～90%，樹干的徑流率為0.5%～14%；林冠層對(duì)降雨的再分配，除了受到不同樹種、不同林木生長特征等個(gè)體因素和林分類型、林分組成、林分密度等群體因素影響外，同時(shí)還受到降雨量、降雨歷時(shí)、次降雨以及與上一次降雨的時(shí)間間隔、降雨時(shí)段的氣溫、相對(duì)空氣濕度及風(fēng)速、風(fēng)向等各種外部因素的影響；林內(nèi)穿透雨量（率）、樹干徑流量（率）以及林冠層截流量（率）與大氣降雨量、降雨強(qiáng)度之間的關(guān)系基本上呈現(xiàn)正相關(guān)模式，但量與量之間的關(guān)系多呈現(xiàn)為線性模型，而率與量或者率與強(qiáng)度之間的關(guān)系多表現(xiàn)為非線性模型。

松花江全長1 045 km，是沿途工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活的重要水源。自1998年發(fā)生特大洪水以及2005年發(fā)生特大水污染事件以來，氣候的不斷變化以及人為活動(dòng)的持續(xù)干擾已經(jīng)使松花江干流的水量和水質(zhì)發(fā)生變化。針對(duì)該地區(qū)的某些森林類型，對(duì)降水再分配的不同影響因素已有一些相關(guān)研究[7]，但是系統(tǒng)比較這一地區(qū)多個(gè)森林類型降水分配過程的研究較少。該文選擇松花江干流具有代表性的水曲柳山楊林、糠椴次生林、蒙古櫟次生林、胡桃楸混交林等6種珍貴樹種的闊葉林為研究對(duì)象，通過對(duì)所選林分林冠層水文功能特征定位觀測(cè)，定量探討林冠對(duì)降水的再分配作用，以期為松花江干流生態(tài)環(huán)境的保護(hù)及沿岸水源涵養(yǎng)林結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和生態(tài)功能的恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究地概況

研究地點(diǎn)位于黑龍江省方正林業(yè)局沙河子經(jīng)營所，地理坐標(biāo)為129°21′ E，45°60′ N。地處張廣才嶺北麓，松花江干流東岸，最高海拔為1 357 m，最低海拔100 m，平均海拔在450 m左右，平均坡度為7°。該地屬中溫帶大陸性濕潤氣候，年平均氣溫2.2 ℃，年≥10 ℃積溫2 300～2 500 ℃，無霜期115～120 d，年平均降水量560～700 mm。森林類型主要是針闊混交林和闊葉混交林。主要喬木樹種為水曲柳（Fraxinus mandshurica）、胡桃楸（Juglans mandsurica）、蒙古櫟（Quercus mongolica）、糠椴（Tilia mandshurica）、紫椴（Tilia amurensis）、山楊（Populus davidiana）、白樺（Betula platyphylla）、春榆（Ulmus japonica）、紅松（Pinus koraiensis）、長白落葉松（Larix olgensis）和紅皮云杉（Picea koraiensis）等。土壤類型主要為暗棕壤、草甸土、棕色針葉林土、沼澤土和白漿土等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

記錄樣地2006年5～9月的降雨，在6種類型林分內(nèi)各設(shè)置面積為25 m×25 m的樣地1塊并進(jìn)行林內(nèi)降雨量、樹干徑流量和樹冠截留量的測(cè)定，樣地概況見表1。

2.2 大氣降雨量的觀測(cè)

在林外空曠地中設(shè)置HOBO氣象站，觀測(cè)降水量、降雨等級(jí)及次數(shù)等，所得觀測(cè)數(shù)據(jù)被自動(dòng)記

錄在氣象站的存儲(chǔ)設(shè)備中，計(jì)算機(jī)讀取數(shù)據(jù)。同時(shí)設(shè)置普通雨量筒和200 cm×20 cm×15 cm的集水槽觀測(cè)大氣降雨量。

2.3 林內(nèi)降雨量的觀測(cè)

在每一類型森林內(nèi)都隨機(jī)放置3個(gè)200 cm×20 cm×15 cm的集水槽，水槽距離地面高度為50 cm，放置時(shí)水槽的一端稍高，出水口端稍低，并接一段塑料管導(dǎo)入塑料桶內(nèi)，每次降雨后及時(shí)測(cè)量各水槽內(nèi)的雨量。

2.4 樹干徑流量的觀測(cè)

在每類型森林內(nèi)按徑階大小分別選取3株標(biāo)準(zhǔn)木，在標(biāo)準(zhǔn)木樹干上距地面50 cm的地方，將3 cm口徑的聚乙烯管剪開，剪去頂端管周的1/4后環(huán)繞樹干2周，用大頭釘固定好后，再用黃油密封聚乙烯管和樹干間的空隙作導(dǎo)水槽，尾端留作導(dǎo)水圓管，下端連接塑料袋（容量50 kg）收集降雨。每次降雨后進(jìn)行測(cè)定，獲得標(biāo)準(zhǔn)木的單株樹干徑流量。通過加權(quán)平均法可以推算出相應(yīng)林分的單位面積徑流量，計(jì)算公式如下：

G=1M×ni=1100CiKi×Mi

式中：G為樹干徑流量（mm）；M為單位面積上的樹木株數(shù)；Ci為每個(gè)徑級(jí)樹干徑流量；Ki為每個(gè)徑級(jí)的樹冠平均投影面積（cm2）；Mi為每一徑級(jí)樹木株數(shù)；n為總徑級(jí)數(shù)。

2.5 林冠截留量的計(jì)算

大氣降水（P）落到林冠層后所進(jìn)行的第1次再分配可用下述公式表示：

P=P′+G+I+L+e

式中：P為大氣降雨量（mm）；P′為林內(nèi)降雨量（mm）；G為樹干徑流量（mm）；I 為林冠截留量（mm）；L為枝葉滴流量（mm）；e為同期枝葉表面水汽蒸發(fā)量（mm）。

在實(shí)際觀測(cè)中，L、e的數(shù)值都很小，可近似認(rèn)為大氣降雨量等于林內(nèi)降雨量、樹冠截留量和樹干徑流量三者之和。因此，I = P-P′-G，林冠截留率IR=（I/P）×100%

3 結(jié)果與分析

3.1 大氣降雨特征

研究區(qū)2006年共降雨50次，降雨量為471.87 mm。降雨以小雨為主，雨強(qiáng)普遍較小。單次降雨量的最小值為1.20 mm，最大值為51.20 mm，平均次降雨量為9.44 mm。次降雨小于10.00 mm的雨量級(jí)所占頻率最高，占總降雨次數(shù)的64.0%。雨強(qiáng)小于2.50 mm/h的小雨最多，占總降雨次數(shù)的64.0%，雨強(qiáng)達(dá)到2.50～7.90 mm/h的中雨次數(shù)占觀測(cè)降雨總次數(shù)的28.0%，雨強(qiáng)大于或等于8.00 mm/h的大雨和暴雨占總降雨次數(shù)的8.0%。從降雨的總體進(jìn)程來看，由于5月份尚未進(jìn)入雨季，所以僅有少量的降雨，同時(shí)雨量均較小，都不超過10.00 mm。進(jìn)入6月份以后，小雨和中雨較為集中，僅有1次大雨的降水過程。大氣降水主要集中在植物生長、新陳代謝活動(dòng)最旺盛的6、7、8這3個(gè)月份，大雨和暴雨全部出現(xiàn)在這3個(gè)月份內(nèi)，特別是8月份的大雨和暴雨次數(shù)最多，這段時(shí)期內(nèi)的降水總量占整個(gè)雨季的91.9%。進(jìn)入9月下旬以后，隨著雨季的結(jié)束，氣溫也逐漸轉(zhuǎn)涼，大氣降雨的次數(shù)及降雨量銳減，降雨均以小雨為主（表2）。

3.2 林內(nèi)降雨量及其與大氣降雨量的關(guān)系

觀測(cè)期間6種森林類型的林內(nèi)雨透流率都小于50.0%，說明50.0%以上的降雨被林冠層截留。其中胡桃楸混交林和水曲柳山楊林的透流率較高，分別是44.2%和40.0%，其次是水曲柳落葉松林和糠椴次生林，透流率分別為37.2%和34.1%，紅松人工林和蒙古櫟次生林的透流率較低，分別為27.9%和24.7%（表3）。

紅松人工林和蒙古櫟次生林相對(duì)較低的大氣降雨透流率與二者較高的郁閉度有關(guān)，2種類型林分的郁閉度均達(dá)到90%（表4），都有較為茂密的樹冠結(jié)構(gòu)，樹冠之間交錯(cuò)縱橫，枝葉密布，形成了有效的林冠層截留表面積，對(duì)大氣降水的截持作用較為顯著；水曲柳落葉松林的郁閉度雖然也達(dá)到了90%，樹冠層結(jié)構(gòu)也較為發(fā)達(dá)，但由于水曲柳樹種本身的分枝情況沒有落葉松的生長致密，雖然從樹冠投影面積上看，其樹冠是能夠相互銜接的，但是林冠層的空間組成相對(duì)較稀疏，分枝數(shù)量和葉片的數(shù)量也較少，因此使得整個(gè)林分內(nèi)部的林冠層截留能力有所降低；糠椴次生林的郁閉度比前3個(gè)林分都低，這也就說明了糠椴森林類型比前3種林分林冠層之間的孔隙要多，使得更多的降雨在沒有林冠層攔阻的情況下直接落到林地內(nèi)；水曲柳山楊林和胡桃楸混交林這2種林分的郁閉度相對(duì)較低，組成這2種類型林分的樹種林冠層結(jié)構(gòu)較稀疏，這就導(dǎo)致了2種林分的透流率相對(duì)較高，產(chǎn)生更多的降雨穿過林冠層進(jìn)而形成林內(nèi)降雨。

對(duì)比眾多學(xué)者對(duì)林冠層透流狀況研究發(fā)現(xiàn)，林內(nèi)降雨量（P′）和林外雨量（P）二者呈現(xiàn)顯著的直線正相關(guān)[8-9]。該研究通過對(duì)觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸模擬，也得出了相同的規(guī)律。即隨著降雨量的增大，林冠層的穿透雨量也隨之呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。紅松人工林林內(nèi)降雨量（P′）隨林外雨量（P）的增加而增加較快，水曲柳山楊林增加最緩慢。

同時(shí)，對(duì)透流率與林外雨量進(jìn)行回歸模擬，結(jié)果表明同樣可以用直線方程來描述透流率（Y）與林外雨量（P）的相關(guān)性，不同類型林分二者之間的直線方程為：

紅松人工林 Y= 3.889 1P + 1.725 5，R2 = 0.798 7；

水曲柳山楊林 Y = 5.032 7P - 2.984 4，R2 = 0.776 7；

水曲柳落葉松林 Y = 2.576 1P + 4.529 2，R2 = 0.774 7；

糠椴次生林 Y = 3.379 2P + 11.275 0，R2 = 0.874 9；

蒙古櫟次生林 Y =2.341 2P +4.565 7，R2=0.821 8；

胡桃楸混交林 Y = 3.243 1P + 0.454 4，R2 = 0.878 6

3.3 樹干徑流量及其與大氣降雨量的關(guān)系

樹干徑流又稱作樹干莖流，是指在大氣降水過程中順著樹干流到林地內(nèi)的林內(nèi)雨量。樹干徑流除了受到樹木冠層特征的影響外，還與樹干粗細(xì)、樹體表面的光滑度和林木枝葉的主側(cè)枝夾角大小等有關(guān)。國內(nèi)外學(xué)者通常采用直線方程或者拋物線方程來描述樹干徑流量（G）與大氣降雨量（P）的關(guān)系[10]，通過該研究觀測(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，用直線方程擬合效果較好。

紅松人工林 G = 0.143 1P - 0.045 1，R2 = 0.853 6；

水曲柳山楊林 G = 0.123 3P - 0.153 9，R2 = 0.920 1；

水曲柳落葉松林 G = 0.072 1P - 0.058 4，R2 = 0.881 8；

糠椴次生林 G = 0.333 4P - 0.361 2，R2 = 0.886 6；

蒙古櫟次生林 G = 0.036 0P - 0.048 7，R2 = 0.863 7；

胡桃楸混交林 G = 0.007 9P - 0.002 0，R2 = 0.875 7

通過分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，6種類型森林的樹干徑流率都是隨著降雨量的增加而增大，變化范圍為0.74%～16.61%（表4），其中胡桃楸混交林的樹干徑流率較低，而糠椴次生林較高。冠幅相對(duì)小的林分其相應(yīng)的樹干徑流率相對(duì)高，而冠幅相對(duì)大的林分，樹干徑流率偏低。6種類型森林的冠幅從大到小順序依次為：胡桃楸混交林、蒙古櫟次生林、水曲柳落葉松林、紅松人工林、水曲柳山楊林、糠椴次生林。6種類型森林的樹干徑流率從大到小順序依次為：糠椴次生林、水曲柳山楊林、水曲柳落葉松林、紅松人工林、蒙古櫟次生林、胡桃楸混交林（表4），可以很好地反映出二者之間的關(guān)系，即在降雨大小相同的條件下，樹干徑流率受到樹木冠幅的影響，呈負(fù)相關(guān)。

3.4 林冠截留量及其與大氣降雨量的關(guān)系

林冠截留量是包括林冠層的蓄水量和降雨過程中林冠層的截留水分蒸發(fā)量。跟林冠層蓄水量相比，林冠層截留水分的蒸發(fā)一般較小，所以通常而言林冠層的蓄水量就表示為林冠截留量。林冠截留量和大氣降雨量呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性，隨著降雨量的增加，林冠層的截留量也隨之上升并且逐漸趨于穩(wěn)定，這主要是由于林冠層截留量存在限制，在林冠層的截留量達(dá)到飽和以后，林冠層截留量的增加就只是由于大氣降雨過程中林冠層所能截持雨量的持續(xù)蒸發(fā)導(dǎo)致的[11]，林冠層的截留率與降雨的雨強(qiáng)相關(guān)程度并不緊密。國內(nèi)外的眾多研究都是使用指數(shù)函數(shù)來描述林冠層的截留量和林外大氣降雨量的函數(shù)關(guān)系，通常都能得到較好的擬合效果[12-15]。該研究中的大氣降雨量（P）和6種類型森林的林冠層截留量（I）之間的指數(shù)函數(shù)關(guān)系為：

紅松人工林 I = 1.031 3e（0.164 2P），R2 = 0.851 8；

水曲柳山楊林 I = 0.489 3e（0.198 6P），R2 = 0.790 9；

水曲柳落葉松林 I = 0.868 2e（0.163 8P），R2 = 0.717 6；

糠椴次生林 I = 0.749 4e（0.173 5P），R2 = 0.785 0；

蒙古櫟次生林 I = 0.834 2e（0.177 7P），R2 = 0.908 3；

胡桃楸混交林 I = 0.614 8e（0.186 6P），R2 = 0.771 3

不同類型森林的林冠層截留量都隨著降雨量的增加而增大，當(dāng)降雨量<25 mm時(shí)，各種類型森林林冠層的截留量隨降雨量的增加變化不大，但是當(dāng)降雨量達(dá)到25 mm的時(shí)候，各種森林類型的林冠層截留量均發(fā)生了飛躍性的增長。6種不同類型森林林冠層截留量的變化規(guī)律稍微有些差異，這主要與不同的森林類型其林冠層的生物學(xué)特征、郁閉度、通透狀況和冠層厚度等因素有關(guān)。當(dāng)大氣降雨先落到林冠層時(shí)，受到樹葉及樹枝表面張力的作用，雨水被吸持在林冠層內(nèi)，由于林冠能夠吸持雨水的表面積很大，所以林冠層在一定的降雨量范圍內(nèi)，所能吸持的水分可以隨著大氣降雨量的增加而增加。隨著冠層吸持水分量的增加，林冠的枝葉表層被降雨充分浸潤，林冠層的持水量就趨于飽和，林冠表層的吸持能力逐漸降低。當(dāng)林冠層吸持足夠多的水分達(dá)到其飽和持水量（飽和截留量）后，即使降雨量再繼續(xù)增加其截留量也不會(huì)增加了，倘若降雨量增加過高、過快，會(huì)使林冠層的吸持表面出現(xiàn)過飽和吸持作用，然后在重力的作用下帶走部分已經(jīng)吸持的水分，反而可能會(huì)使冠層的截留量有所降低。從研究結(jié)果來看，6種不同類型森林的截留量均未達(dá)到最大值，即在研究地區(qū)當(dāng)年的單次降雨量達(dá)到50 mm時(shí)6種不同林冠層仍具有截留能力（圖2）。

4 結(jié)論

（1）6種類型森林的透流率狀況是：各類型森林的林內(nèi)雨透流率都小于50.0%，說明50.0%以上的降雨被林冠層截留。其中胡桃楸混交林和水曲柳山楊林的透流率較高，分別達(dá)到44.2%和40.0%；其次是水曲柳落葉松林和糠椴次生林，透流率分別為37.2%和34.1%；紅松人工林和蒙古櫟次生林的透流率較低，分別為27.9%和24.7%。

（2）6種森林類型的樹干徑流率變化范圍為0.74%～16.61%，從大到小順序依次為：糠椴次生林、水曲柳山楊林、水曲柳落葉松林、紅松人工林、蒙古櫟次生林、胡桃楸混交林。在相同的降雨條件下，各種森林類型的樹干徑流率均與林木冠幅呈負(fù)相關(guān)。

（3）6種森林類型的林冠層截留量從大到小排序依次為：蒙古櫟次生林、紅松人工林、糠椴次生林、水曲柳落葉松林、水曲柳山楊林、胡桃楸混交林。6種類型森林的林內(nèi)雨量和大氣降雨均存在顯著的直線相關(guān)。林冠層的截留量與大氣降雨均呈指數(shù)相關(guān)。當(dāng)降雨量<25 mm時(shí)，6種類型森林的林冠層截留量隨降雨量的增加變化不大，而當(dāng)降雨量達(dá)到25 mm時(shí)，6種類型森林的林冠層截留量都有大幅度的增長。研究地區(qū)單場降雨量達(dá)50 mm時(shí)林冠層仍具有截留能力。

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