川西亞高山典型森林生態系統截留水文效應

孫向陽，王根緒 ，吳 勇，柳林安，劉光生

(1．中國科學院成都山地災害與環境研究所山地表生過程與生態調控重點實驗室，成都 610041;2．中國科學院研究生院，北京 100049;3．成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059)

林冠截留指大氣降水儲存在冠層和從冠層截留中蒸發的水量［1］。森林地表截留是指儲存在森林地表，并在降雨期間和降雨停止后蒸發入大氣中的水量，包括土壤、灌叢、草地和枯落物等的截留［2］。林冠截留受森林特征［3］、林齡［4］和氣候條件［5-7］等多種因素影響。林冠截留占降水比例針葉林可達25%—50%［8-9］，闊葉林可達10%—35%［10-11］。穿過林冠的降水受到地表枯落物截留的影響較大［12］，并不能完全轉化為土壤水和徑流，同樣以蒸發的形式返回到大氣中［13］，這部分截留水量在模型中往往被忽略不計，然而這部分水量可以占林下降水量的20%［13］，林下地表枯落物截留能力與枯落物的厚度呈線性關系［12］。截留和蒸發的水量并沒有重新補給土壤，因此對植物的生長沒有作用，但是，截留作用在空間上對降水進行了重新分配，因此對林地土壤水分平衡具有重要意義。

峨眉冷杉廣泛分布于我國川西地區，是四川的特有樹種，其主要分布范圍在海拔2800—3700 m。據程根偉［14］的研究，貢嘎山亞高山植被群落演替過程為峨眉冷杉與冬瓜楊組成的混交林演替為峨眉冷杉純林。本研究所選的3種林型，針闊混交林、峨眉冷杉中齡林和峨眉冷杉成熟林即包含了植被演替的各個階段，又是貢嘎山亞高山森林的主要組成林型。通過分析其林冠截留與枯落物截留特征，闡明貢嘎山亞高山區生態系統截留的水文效應，進而為貢嘎山亞高山區森林生態系統水分評價和森林生態效應評價提供理論指導和科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1．1 研究區概況

貢嘎山位于青藏高原的東南緣，大雪山脈的中南段。在行政區劃上處于四川甘孜藏族自治州的瀘定、康定、九龍和雅安地區的石棉4縣交接區。在地理位置上介于北緯29°20'—30°20'和東經101°30'—102°15'之間，面積約1萬km2，主峰海拔7556 m。貢嘎山地處我國東部亞熱帶溫暖濕潤季風區與青藏高原東部高原溫帶半濕潤區的過渡帶上。研究區位于貢嘎山亞高山海拔3000m的暗針葉林帶(E101°59'55″，N29°34'35″)，據歷年氣象觀測資料，年均降水量為1938 mm，貢嘎山降水的季節變化非常明顯，具有顯著的干濕季之分。一般說來，每年11月至翌年的4月為干季，5月—10月為濕季。濕季降水量占年降水量的80%—90%，年平均氣溫4℃，年平均風速約0．5 m/s，低風速使得林內蒸發很少，空氣濕度超過90%。貢嘎山森林生態系統植被演替層次分明:峨眉冷杉(Abies fabri)過熟林、以峨眉冷杉為優勢樹種的成熟林、峨眉冷杉-冬瓜楊(Populus purdomii)為主的中幼林和冬瓜楊-杜鵑(Rhododendron sp．)群落［1］，各試驗樣地詳細特征如表1所示。活地被物層有山羽蘚(Abietinella abietina)，錦絲蘚(Actinothuidium hookri)等。

表1 試驗場各樣地特征Table 1 Characteristic of the experimental plots

1．2 研究方法

(1)林外降水

針葉林觀測點林外降水根據采用氣象場內觀測數據，氣象場處無高大樹木，大氣降水直接被雨量筒收集并記錄，降水的觀測步長為1 h。

(2)林下降水

林下降水觀測時間為2008年和2009年的5—10月。林下降水觀測點分別為輔助林觀測場(針闊混交林)，干河壩觀測場(峨眉冷杉中齡林)，林下降水觀測采用自制的林下降水收集器，規格為305 cm×24 cm的長條形收集裝置，該林下降水收集器可以有效減小隨機誤差的產生，為便于收集降水，每個收集器安裝的傾斜角度為5°，每個降水收集裝置連接一個雙翻斗雨量計進行記錄，觀測步長為1 h。其中，輔助林觀測場安裝4個林下降水收集器，干河壩觀測場安裝3個林下降水收集器，分別觀測不同林型下的林下降水。各觀測點處的林下降水收集器隨機安裝。

(3)樹干徑流

樹干徑流觀測與林下降水同步進行。采用3 cm寬的薄鐵皮按30°的傾斜角度纏繞于樹干周圍1．5圈左右，纏繞高度為樹干基部1．5 m左右，鐵皮與樹皮的結合處用膠水封口，防止樹干徑流損失，用膠皮管將收集到的樹干徑流導入雨量筒，采用單翻斗式傳感器記錄采集到得雨水，觀測步長為1 h。其中輔助林觀測場選擇6株代表性樹木，干河壩觀測場選擇3株代表性樹木，根據優勢木原理選擇。

(4)枯落物截留

枯落物截留觀測采用人工模擬降雨試驗方法，該方法可以獲得枯枝落葉層自然條件下的最大持水量，并且可以反映降雨過程中枯枝落葉層截留對降水的滯后作用。試驗設計為分層試驗和不分層試驗兩部分，分別模擬觀測輔助林觀測場、干河壩觀測場和成熟林觀測場枯落物在不同分解條件下及未分層條件下的截留特征。分層試驗設計容器大小為0．2 m2;不分層試驗設計容器大小為1 m2，每個容器又平均分為四個小容器，四個大容器組合在一起，形成大小為4 m2的容器。設計降水強度為0．35 mm/h。統計分析表明貢嘎山亞高山主要以小于1 mm/h的降雨為主［7］。試驗中凋落物厚度根據野外調查結果確定。

2 研究結果

2．1 林冠截留

林冠是大氣降水進入森林生態系統的第一個作用層，對降水起到第一次的分配作用。觀測發現，輔助林觀測場2008年與2009年，林下降水率分別為76．4%和77．0%，干河壩觀測場2008年林下降水率為77．3%，其林下降水率較為相近。林下降水量與大氣降水具有很好的線性關系(圖1)，線性回歸方程的R2值均高于0．97(P＜0．01)。2009年貢嘎山5—10月降水量較多年平均值低25．1%［7］，但是研究結果表明，降水量減少并沒有顯著影響穿透雨的變化。

根據同期樹干徑流的觀測結果，輔助林觀測場樹干徑流占大氣降水的比重不足0．4%，在計算林冠截留率時不考慮樹干徑流對林冠截留率的影響。然而干河壩觀測場樹干徑流可以占大氣降水1．82%，與以往的研究結果差別較大［1］，此處的樹干徑流并不能忽略。據此，確定不同的林冠截留量結算公式:

式中，I為林冠截留量，P為大氣降水，Tf為穿透雨量，Sf為樹干徑流量。輔助林觀測場樹干徑流量較少，在實際計算中不考慮Sf項的影響。

由公式(1)計算可得，輔助林觀測場2008年54次降水的林冠截留量為126．2 mm，占降水總量的23．6%，2009年75次降水的林冠截留量為150．1 mm，占降水總量的23．0%;干河壩觀測場2008年36次降水的林冠截留量為69．9 mm，占降水量的20．9%。林冠截留量與降水量具有較好的冪函數關系(圖2)。大氣次降水總量小于2 mm時，隨著降水量增加，林冠截留量增加較快，大氣次降水總量超過2 mm時，林冠截留量增加趨勢變緩，尤其是干河壩觀測場，其趨勢變化更加明顯，分析原因一方面可能是干河壩觀測場峨眉冷杉中齡林樹干徑流量較大所致，另一方面可能與冠層本身的截留能力有關。

圖1 輔助林觀測場與干河壩觀測場大氣降水與穿透雨關系圖Fig．1 The relationship between gross rainfall and throughfall at Fuzhu and Ganheba plot

圖2 輔助林觀測場與干河壩觀測場大氣降水與林冠截留量關系Fig．2 Therelationship between canopyinterception and throughfall at Fuzhu and Ganheba plot

由于觀測儀器故障，峨眉冷杉成熟林觀測未能取得結果，根據謝春華等的研究結果，成熟林林冠截留率為28%，林冠截留量與大氣降雨量之間具有較好的冪函數關系(I=1．8046P0．3184，n=14，r=0．9027)。根據該冪函數關系分析得出，當大氣降水量小于2 mm時，林冠截留量隨著降水量增加而顯著增加，當大氣降水量超過該閾值時，林冠截留量增加趨勢相對緩慢。

樹冠的飽和截留量描述的樹冠截留降水的能力。樹冠飽和截留量計算可采用Preira［15］介紹的計算方法，公式表述如下:

2．2 枯落物截留

林下降水降落到地表，同時還受到森林枯落物層截留的影響?？萋湮飳涌梢詼p緩雨滴對地表的侵蝕和沖刷，同時還可以阻滯地表徑流的發生。研究結果表明，枯落物不同分解程度的截留降水作用具有顯著差異(圖3)，全分解層對降水的截留效果最顯著，而未分解層的截留效果最小，分析原因可能是因為全分解層的孔隙度較大，能夠吸持更多的降水，而未分解層只是由枯死的枝葉等組成，其蓄持降水的能力較弱，并且其持水面積也相對較小。不同林型不同分解狀態下枯落物的蓄持水能力也不盡相同，由峨眉冷杉與冬瓜楊組成的針闊混交林的蓄持水能力較強，未成熟針葉林與成熟針葉林的蓄持水能力相對較低。

根據不分層試驗結果，針闊混交林的蓄持水能力仍是最大的，同時驗證了分層試驗結果的正確性(圖4)。據野外實地調查確定枯落物層得試驗厚度分別為未分解層、半分解層和全分解層的厚度分別為5、3、3 cm，不分層試驗枯落物厚度為11 cm。將體積截留量轉化為截留深分別為5．1、5．1 和 5．7 mm，枯落物層具有比林冠更大的飽和截留量。

圖3 不同分解條件下的枯落物截留量Fig．3 Forest litter interception under different decomposed condition

3 討論

3．1 林冠截留的影響因素

理論上，風速越大，林冠截留量越?。?6］。然而在林冠郁閉度較高的熱帶雨林地區，林冠截留量隨風速增大而增加［17］，在北方森林和熱帶森林同樣有相似的研究結果［6］。在本研究中，分析了不同降雨量級條件下風速對林冠截留率的影響，結果發現，只有大氣次降水總量在1—3 mm和10—20 mm區間內，林冠截留率隨著風速的增加而增加，其他降水量級條件下林冠截留率與風速變化無關(圖5)。分析原因可能是貢嘎山亞高山區由于森林茂密，以及高山的阻擋作用，導致該區的風速值較低，據氣象場風速資料結果統計，全年平均風速僅為0．5 m/s，最大風速也不超過4 m/s，較低的風速并不足以對林冠截留造成影響，因此認為，雖然風速可以對林冠截留率有一定的作用，但是主要發生在風速值較高地區，而對于貢嘎山地區，風速變化不會對截留率造成較大的影響，分析林冠截留的變化，主要應該考慮降雨特征及林冠特征的影響。

圖4 不分層試驗條件下的枯落物截留量Fig．4 Forest litter interception for different forest type

圖5 風速對林冠截留影響Fig．5 The influence of wind speed on canopy interception

當次降水量增加時，林冠截留率逐漸減少(圖6 a)，但是在統計中發現，降水量級在30—40 mm時，林冠截留率最小，原因可能是該次降水過程受到前期降水的影響，林冠層沒有完全干燥，仍然有部分的降水滯留在冠層之中。同時，分別分析了降雨歷時、降水強度和降水量對林冠截留的影響，結果表明，林冠截留率皆表現為當該3個值較小時，隨著降水歷時、降水強度和降水量增加而迅速減小，當該3個值較大時，林冠截留率變化較小，甚至趨于穩定的現象(圖6 b，c，d)。Toba等的研究結果也表明，林冠截留率隨著降水量、降雨歷時和降雨強度的增加而顯著降低。Tsukamoto等的研究結果同樣發現降雨強度小于7．0 mm/h時，截留率隨降雨強度的增加成比例的減少［18］。當降雨量較低時，林冠截留率變化的離散程度較大，Llorens等對針葉林的研究［5］和Carlyle-Moses對闊葉林的研究［19］同樣得到了相似的結論。

圖6 輔助林觀測場降雨特征對林冠截留影響Fig．6 The influence of rainfall characteristics on canopy interception at FUZHU plot

3．2 枯落物截留試驗的尺度效應

枯落物截留試驗大多采用的是模擬試驗，一種是將枯落物層進行浸泡得到其截留量［20］;另一種利用人工降雨方式噴灑使其枯落物達到飽和，根據人工降水量和水分滲出量的差值計算枯落物的飽和持水量［12，21］。相比于浸泡法，第二種方法能夠更真實的反應枯落物的實際飽和持水量，而第一種方法浸泡后枯落物的最大持水量并不等于枯落物對降水的實際截留量，它只能反應枯落物持水能力的大小。人工模擬降水試驗雖能更真實的反映枯落物截留量，但是試驗容器尺度的大小對模擬結果也有一定的影響(圖7)。

圖7 不同研究尺度對枯落物滯后截留時間的影響Fig．7 Different experimental scale effect on lag-time of forest litter interception

隨著試驗尺度的增加，枯落物截留的滯后時間逐漸縮短，試驗尺度在2—4 m2時，滯后時間逐漸趨于穩定，本實驗未分層試驗結果來自4 m2的組合試驗，因此認為人工模擬試驗結果穩定可靠。

3．3 林冠與枯落物截留作用

截留是認識和理解水文循環的一個重要方面，截留降水以蒸發形式返回到大氣中，構成大氣水汽的重要組成部分，進而重新以降水形式降落到地表。人們認識到除林冠截留過程［6-7，16］，森林地表枯落物等對林下降水的二次截留作用同樣很重要［13］。Gerrists采用一種稱重式的試驗裝置，測定了山毛櫸森林地表的截留作用，結果表明地表截留占穿透雨量的20%，林冠與地表截留量總和冬季和夏季分別占大氣降水量的24%和40%。時忠杰等根據浸泡法得出桉樹人工林凋落物層的飽和持水量為4．27 mm。李振新對四川岷江上游岷江冷杉針葉林和川滇高山櫟灌叢的研究發現，針葉林林冠截留率為33．33%，灌叢林冠截留率為24．95%，其地被物在單次降水過程中最大蓄積潛力分別可達1．746 mm和0．941 mm［22］。本研究也發現，枯落物層的飽和持水量顯著高于冠層，其中針闊混交林和峨眉冷杉中齡林凋落物層的飽和持水量為冠層的4倍多。

盡管枯落物飽和持水量顯著高于冠層的飽和持水量，但枯落物截留的蒸發速率要低于冠層的蒸發速率。根據Lin Y等在貢嘎山的研究結果［23］，林冠截留蒸發占總蒸發的比重最大，林冠截留蒸發占總蒸發比重可達75%，而地表蒸發量僅占總蒸發比重的7%，原因可能是因為林冠上方的空氣對流比較強烈，有效的促進了水汽擴散運動;而地表風速較小，且受到冠層的遮擋作用，陽光并不能完全照射到林下，蒸發動力不足;另外一個原因可能是因為貢嘎山降水量較大，尤其是5—10月份年均降水量可以達到1500 mm，林冠截留阻滯了森林蒸騰作用的水分損失［24］。在降水量較小的地區，地表截留蒸發與林冠截留蒸發的差別并沒有這么顯著［24］。因此，雖然在貢嘎山亞高山區枯落物層具有較大的飽和持水能力，但是林冠截留蒸發仍然是截留的主要組成部分。

4 結論

(1)貢嘎山亞高山地區峨眉冷杉成熟林具有最大的林冠降水截留率，針闊混交林次之，峨眉冷杉中齡林林冠截留率最低;林冠截留量與降水量之間表現為冪函數關系;該區林冠截留主要受降雨特征的影響;

(2)不同分解條件下枯落物截留能力不同，全分解層枯落物截留能力最強;不分層試驗條件下，針闊混交林的截留能力最強;枯落物層具有較林冠層更強的截留降水能力，但是由于熱力學和空氣動力學條件的限制，林冠截留蒸發仍是截留蒸發的主要組成部分。

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