林冠截留降雨研究指標的探討

宋丹丹，王　剛，刁艷芳，范世香山東農業大學水利土木工程學院，山東泰安271018

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林冠截留降雨研究指標的探討

宋丹丹，王剛，刁艷芳，范世香*
山東農業大學水利土木工程學院，山東泰安271018

摘要:在研究林冠截留降雨問題中，過去通常采用林冠截留量和截留率指標，最近又提出了林冠截留容量指標。本文結合貢嘎山峨眉冷杉林截留降雨資料對林冠截留容量的概念和確定方法進行闡述，同時對三個指標的特點進行對比，對比結果表明采用截留容量指標是合理且可行的，此外截留容量不僅可以充分揭示林冠對降雨截留作用的大小，而且可以滿足在不同林分之間進行比較的需要。同時，截留容量與降雨量的關系可以用函數公式表達，其中的參數反映了林冠特征。

關鍵詞:降雨截留；截留率；截留容量

林冠對降雨的截留作用，首先表現為降雨在數量上進行了第一次再分配，減少了到達地面的有效雨量。其次，通過林冠對降雨的截留作用，減小了雨滴的動能，從而削弱雨水對地表的沖擊，減少水土流失。再者，林冠通過截留降水，可以調節空氣溫度及濕度。由此可見，林冠對降雨的截留作用不僅具有重要的水文學意義，而且還具有重要的生態學意義。因此，林冠截留降雨問題一直受到人們的關注，長期以來國內外學者對林冠的截留作用進行了大量的試驗研究[1-11]。

不同林分之間林冠對降雨的截留作用的比較可以為林分種植、防洪防澇等提供科學依據，歷來是林冠截留研究的重點。錢金平等[12]取林冠截留量的平均值對太行山油松和側柏的林冠截留作用進行比較，發現油松林冠對降雨的截留作用大于側柏的；宋吉紅等[13]通過比較縉云山三種林分的林冠截留率發現三種林分林冠對降雨的截留作用的大小為針闊混交林的＞常綠闊葉林＞楠竹林；李佳等對北京密云水庫油松和刺槐的林冠截留量和截留率進行對比，得到油松對降雨的截留作用大于刺槐[14]；杜子賢等[15]比較了閩江上游建甌市的木荷和杉木的截留量和截留率，認為木荷對降雨的截留作用大于杉木的。由于林冠截留受氣象因素影響較大，所以研究不同林分林冠對降雨的截留作用時會受到很大限制，只能選取相距較近的若干林分。

在研究林冠截留降雨問題中，降雨量是主導因素，所以，人們經常探討林冠截留與降雨量的關系。目前，常用的林冠截留指標主要有截留量（實測值）與截留率，近年來又提出了林冠截留容量指標[9]。以下針對這些指標并結合引用文獻提供的數據資料進行討論。

1　林冠截留量

林冠截留量一般是指實際觀測值，可以根據一場降雨實測的林上雨量與林下雨量之差計算。實測時，通常根據林上雨量減去林內穿透雨量及樹干徑流量，即得林冠截留量。例如，根據文獻[16]提供的數據資料，可以描繪出截留量與降雨量的關系，如圖1所示的散狀點據。

從圖中可以看出，林冠截留量與降雨量呈現正相關，符合林冠截留降雨的一般規律，但是在一般情況下，這種相關性大多都比較微弱。分析其原因，首先是由于降雨期間伴隨的氣象因素（稱為環境條件）對截留量的影響非常大，如降雨強度、風速等，因此，在雨期不同的氣象條件下，即使雨量相同而截留量也相差很大。例如，雨強大，樹冠枝葉受的沖擊大，截留量就小；反之也然；風速大，就會將附著在枝葉表面的雨水吹落，截留量就小；反之也然。其次，林冠截留量還受到雨前枝葉干濕程度（稱為初始條件）的影響，如果雨前枝葉比較濕潤，那么林冠截留量就會偏??；反之也然。

另外，從圖中還可看出，除非環境條件和初始條件都相同，否則，用這種散點圖很難反映林冠對降雨實際截留作用的大小，也難以在不同林分之間進行林冠截留作用的比較。尤其是林分之間相距很遠時，每次降雨的環境條件和初始條件相差很大，更沒有可比性。

為了克服散點圖的缺陷，以便建立截留量與降雨量之間的相關關系，以往的研究還常常采用平均的方法點繪截留量與降雨的相關圖，方法是：在實測降雨量范圍內，將雨量分成若干級，分別統計每一級的平均實測雨量和平均實測截留量，用平均值繪出兩者的關系。例如，根據文獻[16]資料，做出的這種平均關系如圖2所示，其基本規律是截留量隨著降雨量的增加而增加。雖然這些平均關系大大改善了截留量與降雨量的相關性，而且也趨于單一，但是這種方法過于概化，只能反映兩者之間的大致情況，不足以揭示林冠截留降雨的作用大小。

圖1　貢嘎山峨眉冷杉林林冠截留量與降雨量的關系Fig.1　Relationship between rainfall and canopy interception in Abies fabri of Gongga Mountain

圖2　貢嘎山峨眉冷杉林林冠截留量與降雨量的平均關系 Fig.2　Average relationship between rainfall and canopy interception in Abies fabri of Gongga Mountain

2　林冠截留率

林冠截留率是截留量的相對值，即一場降雨的實際截留量與降雨量的比值，用%表示。例如，根據文獻[16]提供的數據資料，可以描繪出截留率與降雨量的關系，如圖3所示的散狀點據。

因為截留率是截留量的相對值，產生這些散點據的原因與截留量是相同的，因此在一般情況下，這種相關性大多也比較微弱。

如果也點繪出截留率與降雨量的平均關系，如圖4所示，截留率是隨著降雨量的增加而減小的，這是由于當降雨量較小時，截留量雖然也較小，但相對值卻很大，有時高達95%以上。當降雨量增加時，雖然截留量也增加，但相對值卻逐漸變小，尤其是當降雨充分大時，截留量達到飽和而穩定，但截留率卻仍在下降。與截留量情況一樣，雖然這種平均關系大大改善了截留率與降雨量的相關性，而且關系也趨于單一，但是這種方法也同樣是過于概化，也只能反映兩者之間的大致情況。

正如分析截留量與降雨量的關系那樣，由于環境條件和初始條件的影響，采用截留率指標也難以真實反映林冠截留作用的大小，這是因為影響因素太多，也太復雜，如果不是在同一條件下，截留率指標也沒有可比性，尤其是林分之間相距很遠更是如此。

圖3　貢嘎山峨眉冷杉林林冠截留率與降雨量的關系Fig.3　Relationship between rainfall and canopy interception percentage in Abies fabri of Gongga Mountain

圖4　貢嘎山峨眉冷杉林林冠截留率與降雨量的平均關系Fig.4　Average relationship between rainfall and canopy interception percentage in Abies fabri of Gongga Mountain

3　林冠截留容量

3.1基本概念

林冠截留容量是指在某一雨量下，林冠對降雨截留的最大值，它揭示的是林冠對某一降雨量的截留潛力。對于特定林分來說，其本身特征（如樹種組成、樹齡、冠層厚度及郁閉度等）可以認為是穩定少變的。為了克服前述兩種指標的缺陷，可以消除環境條件和初始條件的影響，即考慮一種比較理想的情況：即降雨強度很小、無風且雨前枝葉十分干燥的條件。這樣，對某一林分來說，只要雨量相同，那么截留量應該是唯一的，不會出現差異，而且取得最大值。進一步說，林冠截留容量與降雨量應該呈單值函數關系，而且這種關系具有唯一性。因此，可以把林冠截留容量定義為“理想狀態下的截留量”[9]，顯然，這種理想狀態是指雨強較小、無風且雨前枝葉十分干燥，因此，截留容量既不受初始條件的影響，也不受環境條件的影響。

如果在圖1中，按照散狀點據的分布趨勢，描出這些點據的上包線而得到一條光滑的曲線，這條光滑曲線就可以認為是基本上消除了其他因素干擾后的林冠截留容量與降雨量的關系，如圖5中的實線所示。由圖可知，當降雨量增加時，截留容量也增加，而當降雨量充分大時，截留容量達到極限值，不再隨降雨量增加而增加，這一極限值稱為飽和截留量（過去也曾稱為截留容量）。很明顯，采用實測點據上包線確定截留容量是一種近似方法，其實質就是取了相同雨量下的最大觀測值，這樣就將雨強、風速及枝葉濕潤度的影響程度降到了最小。但是用這條光滑曲線近似代表截留容量與降雨量的關系，其精度與觀測資料的多少有關，如果觀測次數越多，捕獲到的理想條件下的截留容量信息越豐富，那么結果就越可靠，精度也就越高。

圖5　貢嘎山峨眉冷杉林冠截留容量與降雨量的關系Fig.5　Relationship between rainfall and canopy interception capacity in Abies fabri of Gongga Mountain

對于特定的林分，林冠截留容量僅與降雨量有關，降雨量不同，截留容量也不同，而且截留容量與降雨量之間存在唯一的單值關系。這種關系僅與林冠特征有關，能充分揭示林分自身特征對降雨的截留潛力，而排除了環境條件和初始條件的影響。

截留容量作為林冠對降雨截留作用的一個特征指標是客觀存在的，因此相對于林冠截留量和林冠截留率來說，用林冠截留容量指標來評價林冠截留作用的大小，更切合實際。

3.2截留容量的應用

截留容量指標的最大優點是，它既不受地域條件限制，也不受具體降雨事件的限制，可以在任意林分之間進行截留作用大小的比較或評價，以下取三個實例加以闡述。

實例一概況及觀測方法[16]：

試驗區位于四川省境內的貢嘎山東坡黃崩溜溝流域，東經102°00′5″北緯29°34′40″，海拔3000m。氣溫年變化和日變化都比較緩和，年平均氣溫3.9℃，降水比較充沛，年降水量為1937.5mm。實驗區面積522hm2，樹種組成為林齡大于150年的峨眉冷杉過熟林，密度209株/hm2，平均高31.86m，胸徑50.78cm，郁閉度0.7，森林的突出特點是林內的空中層片較發達。

其林冠截留量為林外降雨量與林內降雨量的差值。林外降雨量由貢嘎山高山氣象站標準氣象觀測場內的AMS-2自動氣象系統進行觀測。林內降雨量是在試驗區內選擇有代表性的地段，設置10 m×100m觀測樣帶，在每個樣方的四個角上布設用鐵絲和塑料袋自制直徑為20cm的簡易雨量采集器進行觀測，然后取每個樣方四角上的林內降雨量的平均值，作為此樣方內的林內降雨量。樹干徑流量忽略不計。

實例二概況及觀測方法[17]：

試驗區位于北京市密云縣翁溪莊水資源保護林試驗站和林業站，地處密云水庫西岸水源保護林一、二級保護區內，北緯40°29′50″～40°29′54″，東經116°48′39″～116°48′44″，海拔約210m，坡向為北偏東40°，坡度為32°。屬于暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候，年平均氣溫10.8℃，年平均降雨量為699.1 mm，年際和年內變幅大，86%集中在6至9月份，多年平均水面蒸發量為1115.1mm。樹種組成為油松純林，林相整齊，屬同齡林，林齡為39年生，郁閉度為0.85，林下灌木較少。

其林冠截留量為林外降雨量減去林內降雨量與樹干徑流量之和的差值。林外降雨量采用美國HOBO小型自動氣象站自動記錄的降雨量，同時在林外5～10m處布設雨量筒對照。在試驗區內隨機布設10個雨量筒，每次降雨后用雨量杯來計算林內降雨量；樹干徑流量測定采用收集槽法，在選好的樹干上將粗糙不平的樹皮修平，將直徑為3.0mm的聚乙烯塑料管剖開后沿樹干周圍呈螺旋狀固定在樹干上，至少保證塑料管沿樹干環繞2周以上，塑料管下端接容器承接樹干徑流，及時測定容器中收集的水量。

實例三概況及觀測方法[18]：

試驗區位于內蒙古大興安嶺落葉松林生態系統定位研究站，地處大興安嶺西北坡根河上游，北緯50°49′～50°51′，東經121°30′～121°31′，海拔在810m至116m之間。該區面積約1.1×104hm2，屬于寒溫帶濕潤氣候，平均氣溫-5.4℃，年降水量450～550mm，多集中在7、8月份，占總降雨量的60%。主要樹種為興安落葉松，其面積占總面積的79%。樹高8.7～22.7m，胸徑6.6～33.9cm，林齡最大在160年左右，郁閉度0.8。

其林冠截留量也為林外降雨量與林內降雨量的差值。林外雨量的測定是在林外空地上，設置2個長3m、上口寬20cm、三角形尖底的槽式受雨器并將其出水口連接電腦降雨量記錄儀，同時在大興安嶺森林生態站院內用標準雨量筒測量進行對照。林內雨量的測定，在實驗區水量平衡場標準地中，隨機布設4個與林外規格相同的槽式受雨器并連接電腦降雨量記錄儀進行測定，槽式受雨器高出林地70cm。樹干徑流量忽略不計。

按照三個實例的實測資料，首先將三種林分的截留量與降雨量點繪關系，并描出其上包線（如圖5中的實線所示，其它兩種林分的散點圖從略），就得到截留容量與降雨量的關系，再將三種林分的關系繪在同一張圖上，如圖6所示，可以更清楚地看到它們之間的差別，這種差別不僅表現出三者之間飽和截留量的不同，而且在不同的雨量級，截留容量也是不同的。盡管三個實例相距遙遠，但是這種差別的實質揭示了三種林分對降雨截留的不同效果，即它們對降雨的截留作用大小依次為：峨嵋冷杉林＞油松林＞落葉松林。

圖6　三種不同林分對降雨截留作用的比較Ⅰ.貢嘎山峨眉冷杉林；Ⅱ.密云水庫油松林；Ⅲ.大興安嶺落葉松林Fig.6　Comparison of ability of rainfall interception in three different standsⅠ. Abies fabri of Gongga Mountain；Ⅱ.Pinus tabulaeformis of Miyun reservoir；Ⅲ. Larix gmelinii of Greater Xing’an Mountains

根據圖6可知，截留容量的一般規律是：當降雨量較小時，隨著降雨量的增加，截留容量增加較快，當降雨量較大時，隨著降雨量的增加，截留容量增加較慢。當降雨量充分大時，截留容量基本趨于穩定而達到極限值（飽和截留量）。但是由于林分特征的不同，在各種不同雨量級下，每種林分截留容量的取值是不同的，所以很方便地比較出各種林分對降雨截留作用的大小。

截留容量指標的另一個優點是，可以用公式對曲線進行擬合，并且林冠對降雨的截留作用可以通過公式中的參數來體現，即：

式中，Im為林冠截留容量，mm；p為降雨量，mm；I0為林冠飽和截留量，mm；k為反映林冠枝葉分布均勻性的參數。

在三條曲線上分別取若干點進行回歸分析計算得到下列結果：

三個公式的r值均為0.999，近似于1，表明林冠截留容量的計算值與實測值基本一致，因此說明用以上公式對三種林分的截留容量曲線進行擬合效果較好。

以上公式表明，貢嘎山峨眉冷杉林的飽和截留量最大，為11.55mm；密云水庫油松林次之，為9.71mm；大興安嶺落葉松林最小，為8.64mm。

4　討論

首先對于不同的林分林冠截留降雨的基本規律是一致，本文對材料[16]的數據進行分析，描繪其三個指標與降雨量的關系圖，僅用于分析其一般規律，更加形象的對三種指標的特點進行討論。

其次林冠截留機制較為復雜，林冠實際截留量和截留率受氣象因素影響影響非常大，相距較遠的林分之間無法進行比較，截留容量卻是客觀存在的，不受環境條件和初始條件的影響，因此可以以林冠截留容量為指標在任意若干林分之間進行比較。但是林冠截留容量公式中兩個參數與林冠特征參數之間的關系尚不明確。如果確定兩類參數之間的關系，就可以通過林冠特征參數計算出無實測資料的林分的林冠截留容量，確定其林冠對降雨截留作用的大小。因此進一步探討林冠截留容量公式中的兩參數與林冠特征參數之間的關系，可以使得林冠截留容量擁有更加廣泛的應用前景。

5　結論

（1）林冠實際截留量和截留率指標，由于受多因素（即環境條件和初始條件）影響，難以反映出林冠對降雨截留作用大小，尤其是在對相距較遠的不同林分之間進行比較時，將會更加困難。

（2）林冠截留容量指標反映的是林冠對降雨截留潛力，它是客觀存在的，不受環境條件和初始條件的影響，僅與降雨量有關。它不僅可以揭示出不同降雨量條件下，林冠對降雨截留作用的大小，還可以用以評價不同森林類型對降雨截留作用，而且不受地域和具體降雨事件的影響，因此在研究林冠截留降雨問題中，是一個比較合適的指標。

（3）在野外觀測條件下，林冠截留容量的近似確定方法簡單，便于操作。雖然采用這種指標的前提是有一定數量的觀測資料，才能夠保證其精度，但一般的林冠截留試驗都會獲得較多的資料，能夠滿足研究需要。

（4）林冠截留容量與降雨量的關系可以用數學函數來表達，而且擬合度都很好。在比較不同林分對降雨截留作用大小時，可以體現在公式的參數取值上，即參數I0和k隨林分不同而不同。

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Discussion on Indexes of Rainfall Interception by Forest Canopy

SONG Dan-dan，WANG Gang，DIAO Yan-fang，FAN Shi-xiang*
College of Water Resources and Civil Engineering/Shandong Agricultural University, Tai’an 271018，China

Abstract:When we study on the problem of forest canopy intercepting rainfall，the canopy interception and interception percentage used to be the index and the canopy interception capacity is proposed recently. Combined with the rainfall interception data of Abies fabri forest on Gongga mountain，we describe the concept of capacity of canopy interception and method to measure the capacity of canopy interception approximately. At the same time，we compare the features of three indexes and the results showed that the interception capacity as the index is reasonable and feasible and the interception capacity not only can fully reveal the ability of rainfall interception by forest canopy but also can be used to compare the abilities of different forest-stands. At the same time，the relationship between interception capacity and rainfall can be expressed by function formula，whose parameters can reflect the characteristics of canopies.

Keywords:Rainfall interception；interception percentage；interception capacity

*通訊作者：Author for correspondence. E-mail:fsx1016@163.com

作者簡介：宋丹丹（1989-），女，碩士.研究方向:生態水文. E-mail:1012254067@qq.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目（41202174）

收稿日期：2015-01-10修回日期：2015-03-11

中圖法分類號:P426.62

文獻標識碼:A

文章編號:1000-2324（2016）01-0077-06