重慶四面山暖性針葉林林冠截留及其影響因素1)

張 焜 張洪江 程金花 張靜雯 王 賢 宋 楠

(北京林業大學，北京，100083)

林冠截留作用能夠使降水到達地面的數量減少，時間延緩，降水能量減弱，從而削弱了降水對土壤直接的濺蝕和徑流對土壤的沖刷，使得地表徑流量減少，徑流速度減慢，起到了削減洪峰流量和涵養水源的生態效應。因此，林冠截留對林地的水土保持具有重要意義［1-4］。筆者對四面山暖性針葉林林冠截留的影響因素進行了詳細分析，并闡述了林冠截留和降雨量之間的關系，為評價三峽庫區暖性針葉林的森林水文作用提供依據。

1 研究區概況

四面山位于重慶市江津區南部，江津區四面山管理局轄區面積 213.37 km2，東經 106″17'～106″30'，北緯 28″31'～28″43'，系云貴高原大婁山北側余脈。在地形上屬于中山，最高海拔1 709 m，為四川盆地川東褶皺帶與貴州高原大婁山的過渡地帶。

四面山屬于中亞熱帶季風濕潤氣候，年日照時數867 h，無霜期為285 d。多年平均氣溫13.7℃，月平均最高氣溫(8月份)達31.5℃，月平均最低氣溫(1月份)為-5.5℃，海拔每上升100 m，氣溫遞減0.58℃。年均降水量1 522.3 mm，雨季集中在5—9月，占年平均降水量的62.7%。降雨量變化較大，海拔每上升100 m，降雨量遞增43.3 mm。海拔在500～1 700 m。

四面山水資源豐富，水資源由茶壩河、飛龍河兩大水系組成，天然形成了龍潭湖、洪海湖、珍珠湖等8座高山湖泊，水域面積107.1 hm2。森林覆蓋率為95.41%，生長著桫欏(Alsophila spinulosa)、水杉(Metasequoia glyptostroboides)、珙桐(Davidia involucrata)、禿杉(Taiwania flousiana)等國家一級保護植物。四面山地處四川盆地與貴州高原的過渡地帶，且屬于中山，雖然巖層水平，但地表沖蝕切割強烈，地形破碎，坡度大，溝谷深，小環境差異十分明顯，植被類型比較復雜。

在四面山森林管理局管轄范圍內，暖性針葉林面積為6253.57 hm2，占到四面山總森林面積的26.64%，屬于常綠闊葉林破壞后的次生植被，具有更強的抗性，隨著人為活動的加劇，暖性針葉林的面積不斷增大，逐漸成為四面山的優勢植被類型。組成四面山地區的暖性針葉林包括杉木(Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinus massoniana)、福建柏(Fokienia hodginsii)等樹種，其中以杉木為主［5-6］。

在研究區內選取5塊暖性針葉林地，分別在雙橋溪左側山坡坡上、秦家溝坡下和土地巖坡下、坡中、坡上設置試驗標準地，依次編號為1、2、3、4、5，并對標準地進行林冠截留效應研究。各標準地基本情況見表1和表2。

表1 林地標準地基本狀況

表2 林地植物基本組成

2 研究方法

2.1 林外降雨的測定

在空曠地處建立Vantage PRO 2小型氣象觀測站(美國產)，對林外降雨進行持續測定。小型氣象站每隔1 h自動采集1次數據，用專用數據傳輸軟件接收測定數據。降雨量即為一次降雨歷時氣象數據中降雨量的累加值。

另外，小型氣象站同時進行雨強、風速、氣溫、空氣濕度等其它氣象數據的測定。并取一次降雨歷時各項數據的平均值作為對應場降雨的數據值。

2.2 穿透雨量的測定

根據林分的郁閉狀況和林冠層枝葉分布情況，分別在每塊標準地內選取兩個具有代表性的采樣點布設簡易雨量計。為避免雨量計內水分蒸發引起的觀測誤差，每次降雨后立即測定雨量，并計算兩個雨量計中雨量的平均值，作為對應標準地的穿透雨量。

2.3 林冠截留量計算

很多學者都采用水量平衡法［3，7-9］計算林冠截留量，如式(1)所示：

式中：I為林冠截留量(mm);P為林外降雨量(mm);T為穿透雨量(mm);S為樹干莖流量(mm)。

但是也有一部分學者［4，10-11］認為樹干莖流量較穿透雨量小，一般占到林外降雨量的 0.003～0.030［1，3，9］，基本可以忽略。本研究未對樹干莖流量進行測定，將林外降雨量和穿透雨量的差值作為林冠截留量。

3 結果與分析

3.1 林冠截留的影響因素

林冠截留是一個復雜的過程，主要受氣象因素和林分自身結構特征的影響［8-11］。影響林冠截留的氣象因素主要有降雨量、降雨強度、風速、氣溫、空氣濕度;對于海拔相近、起源相同、林齡相同的同一植被型組的林分而言，不同標準地林冠層特征無明顯差異，由林分自身因素產生截留差異的主要原因是郁閉度不同。

3.1.1 氣象因素對林冠截留的影響

重慶四面山地區雨季集中在5—9月，如表3所示：該地區雨季降雨總量為768.2 mm，場降雨最大降雨量為102.4 mm，最小降雨量為2.2 mm。根據我國氣象部門一般采用的降雨強度標準分析得知不同強度的場降雨發生頻率依次為：中雨(24 h內降雨量為10.0～24.9 mm)為36%＞大雨(24 h內降雨量為25.0～49.9 mm)為24%＞小雨(24 h內降雨量小于10 mm)為20%＞暴雨為(24 h降雨量為50.0～99.9 mm)12%＞大暴雨(24 h降雨量為100.0～249.9 mm)為8%。

表3 2009年雨季林外降雨狀況

為了比較各氣象因子對林冠截留的影響程度，采用主成分分析法對降雨量、降雨強度、風速、氣溫、空氣濕度進行分析。表4列出了各主成分的特征值、貢獻率和累積貢獻率。從表4中可以看出，5項氣象因子的特征值和對總方差的貢獻率大小順序均為降雨量＞降雨強度＞氣溫＞空氣濕度＞風速，即對林冠截留影響程度順序依次為降雨量＞降雨強度＞氣溫＞空氣濕度＞風速。從前2個主成分來看，其累積貢獻率依次為40.402%和69.221%。因此，降雨對林冠截留的影響最為突出，降雨量是影響林冠截留的主導因素。

表4 氣象因子的特征值和貢獻率

3.1.2 郁閉度對林冠截留的影響

為了深刻認識郁閉度作為林分自身的主要因素對林冠截留的影響，綜合比較各標準地林冠截留能力，并采用單因素方差分析法對每場降雨的各標準地林冠截留量進行分析。

在2009年5—9月間25場降雨所觀測的不同標準地林冠截留數據見表5。

表5 不同標準地林冠截留能力分析

從表5可以看出，不同標準地的林冠截留能力不同。從整個雨季25場降雨的總林冠截留率來看，各標準地的大小順序為：1(65.05%)＞2(29.77%)＞5(23.16%)＞4(16.25%)＞3(9.15%);從平均的林冠截留率來看，各標準地的大小順序依然是 1(65.48%)＞2(31.57%)＞5(28.36%)＞4(19.93%)＞3(12.34%)。結合表1可知，本試驗中樣地1的郁閉度最大，所以對降雨的截留作用最大;而樣地3的郁閉度最小，所以其對降雨的截持能力最低。

表6 單因素方差分析結果

從表6單因素方差分析結果中可以看出在0.05的顯著性水平時，樣地1的顯著性(為1.000)最高，而樣地3的顯著性(僅為0.132)最差，其它3塊樣地的顯著性介于中間水平。結合表1可得出林分郁閉度在95%的情況下林冠截留能力有顯著優勢，而郁閉度僅為35%時林冠截留能力也相對較差，郁閉度介于中間程度的林分，其截留能力也在中間水平，這與表5的分析結果相同。進而可以得出結論：對于其它影響因素相近的條件下，郁閉度越大，林冠截留量和林冠截留率越大，截留能力越強。

3.2 林冠截留量與降雨量的關系

一般來講，降雨量是影響林冠截留的主導因素［8-10］。許多學者對林冠截留量與降雨量的關系進行了研究［1，4，7，10］，有的認為二者存在著正相關關系，有的表現為線性相關，還有的表現為冪函數關系。將本試驗中每場降雨的降雨量和對應林冠截留量繪成散點圖，見圖1。

圖1 場降雨林冠截留量隨降雨量變化關系

從圖1中可以看出，該地區整個雨季場降雨量最大時1號標準地并未達到飽和截留量，其林冠截留量隨降雨量的增加而增加。在中低雨量級(0～49.9 mm)時，2、3、4、5 號標準地林冠截留量隨降雨量的增加而增加，并逐漸趨向于飽和截留量，其飽和截留量依次為 33.79、6.91、13.44、23.70 mm，達到飽和截留量時的降雨量依次為 55.4、37.0、102.4、102.4 mm;林冠截留量接近或達到飽和截留量后，林冠截留量的增加會很少或者不再增加。

1號標準地林冠截留量與降雨量呈一元線性關系，如式(2)：

式中：I為林冠截留量(mm);P為降雨量(mm);a、b為常數。

2、3、4、5 號標準地林冠截留量與降雨量呈冪函數關系，如式(3)：

式中：I為林冠截留量(mm);P為降雨量(mm);c、d為常數。

為進一步研究林冠截留量與降雨量的相關性，對各標準地林冠截留量與降雨量進行相關性分析，表7列出了二者之間的相關系數。結果表明，各標準地的林冠截留量與降雨量的相關系數分別為 0.977、0.670、0.617、0.790、0.817，且在 0.01水平(單側)上顯著相關。

表7 林冠截留量與降雨量相關系數

4 結論與討論

本研究采用實地觀測的方法對重慶四面山暖性針葉林林冠截留進行測定，比采用通過測定林冠層最大容水量計算林冠截留量和截留率的方法更具有真實性與準確性。主要對林冠截留影響因素做了詳細分析，并闡述了林冠截留量與降雨量之間的關系，具體結論如下：

該地區暖性針葉林林冠截留主要受氣象因素和林分郁閉度的影響。各氣象因子對林冠截留影響程度順序依次為降雨量＞降雨強度＞氣溫＞空氣濕度＞風速，降雨對林冠截留的影響最為突出，降雨量是影響林冠截留的主導因素，這與一些學者［8，10］的研究結果相似;其它影響因素相近的條件下，林分郁閉度越大，林冠截留量和林冠截留率越大，截留能力越強。

1號標準地林冠截留量與降雨量呈一元線性關系，其關系式為：I=aP+b;2、3、4、5號標準地林冠截留量與降雨量呈冪函數關系，其關系式為：I=cPd，其達到飽和截留量時的降雨量依次為55.4、37.0、102.4、102.4 mm。5 塊標準地林冠截留量與降雨量的相關系數依次為 0.977、0.670、0.617、0.790、0.817，并且在0.01水平(單側)上顯著相關。從總的趨勢來看，在未達到飽和截留量之前，林冠截留量隨降雨量的增加而增加，并逐漸趨向于飽和截留量;當林冠截留量接近或達到飽和截留量后，林冠截留量的增加會很少或者不再增加。

但是，該論文也有不足之處：本研究雖考慮到林下灌草對林冠截留也有一定貢獻，可并未研究出不同灌草對林冠截留的具體貢獻率;另外，本研究未曾考慮生長季不同時期林分的樹冠截留量是否存在差異，日后需對這方面做更全面更深入的研究。

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