蒙古櫟林對大氣降雨的再分配規律

馮亞琦，郭娜，蔡體久，盛后財，石磊，琚存勇*

(1.東北林業大學 園林學院，哈爾濱 150040；2.黑龍江東方學院 食品與環境工程學部，哈爾濱 150066； 3.東北林業大學 林學院，哈爾濱150040；4.大慶市規劃建筑設計研究院，黑龍江 大慶 163311)

蒙古櫟林對大氣降雨的再分配規律

馮亞琦1，郭娜2，蔡體久3，盛后財3，石磊4，琚存勇3*

(1.東北林業大學 園林學院，哈爾濱 150040；2.黑龍江東方學院 食品與環境工程學部，哈爾濱 150066； 3.東北林業大學 林學院，哈爾濱150040；4.大慶市規劃建筑設計研究院，黑龍江 大慶 163311)

全面認識和了解森林冠層對降雨的再分配規律，有利于揭示森林生態系統水分循環機制。以哈爾濱市城區蒙古櫟人工林為研究對象，通過冠層結構穩定時期的20場降雨數據，分析了蒙古櫟林冠層對降雨的截留再分配規律，結果表明：(1)觀測期內蒙古櫟林的穿透雨量、樹干徑流量和冠層截留量依次為197.6、62.8、78.8 mm，分別占林外降雨量的58.27%，18.52%，23.24%；(2)根據模型估算，當降雨量超過4.3 mm時蒙古櫟林才能夠產生樹干徑流，當降雨量超過6.7 mm開始出現穿透雨；(3)穿透雨、樹干徑流及林冠截留的絕對量均隨降雨量的增大而顯著增加，但其占降雨量的比例卻表現出不同的變化趨勢。(4)穿透雨量的變異系數隨降雨量的增大顯著減小，二者呈極顯著的負相關(p<0.01)；(5)蒙古櫟生物學特征有利于樹干徑流的產生，其樹干徑流量比相同區域內的其他樹種高。

穿透雨；樹干徑流；林冠截留；蒙古櫟人工林；城市森林

0 引言

森林冠層對大氣降雨截留再分配的生態水文意義重大[1]。降雨在輸入森林時被重新轉化分配，一部分被森林冠層截留并幾乎全部蒸發回歸大氣，一部分以穿透雨和樹干徑流進入林地繼續循環。穿透雨是降雨再分配后形成的主要部分，是林地水分補給的主要形式[2]；樹干徑流可將水分輸入到樹木根際土壤，供植物直接利用；而林冠截留能夠影響蒸發和蒸騰過程中的水分輸入和空間分布[3]，是森林生態系統水分利用效率的關鍵指標之一。因此，全面認識和了解森林冠層對降雨的再分配規律，有利于明確森林生態系統內水分傳輸過程，揭示森林生態系統水分循環機制。

蒙古櫟(Quercusmongolica)是東北主要的闊葉樹種之一，具有根系發達、耐瘠薄，萌蘗能力強等特性，是黑龍江省次生林的重要類型之一。由于次生林質量不佳，以往的研究主要注重天然林[4-6]，且對針葉林研究較多，對闊葉林的研究相對欠缺[7]。本研究在降雨集中且冠層穩定時期(6～8月)，通過量化蒙古櫟人工林生態系統降雨截留再分配的各分量，探索降雨再分配規律及其影響因素，為蒙古櫟人工林的經營和管理提供理論依據，為城市人工林生態系統水循環過程的量化提供基礎數據。

1 研究地概況及研究方法

1.1 研究區域概況

哈爾濱屬溫帶季風性氣候區，冬季寒冷干燥，夏季濕潤多雨。多年平均氣溫3.5 ℃，全年最冷月(1月)平均氣溫-19.2 ℃，極端最低溫-38.1 ℃；全年最熱月(7月)平均氣溫22.7 ℃，極端最高溫36.4 ℃，氣溫年較差42.4 ℃。日照時數2600 h，≥10 ℃年均積溫2 757 ℃，無霜期136 d。多年平均降水量500.1 mm，降水分配不均，集中在每年6～8月，占全年降水的60%～70%；多年平均水面蒸發量726 mm。年均相對濕度67%。

東北林業大學城市林業示范研究基地(簡稱示范基地)位于哈爾濱中心城區(45°43′10″N，126°37′15″E)，占地面積44 hm2。示范基地原生植被群落為溝谷草甸，1949年前開墾為耕地，20世紀50年代劃歸東北林業大學后，栽植形成小面積純林的塊狀混交林[8]。

蒙古櫟人工林是1959年春季穴狀直播造林，初植密度0.5 m×1 m，出苗成活率達90%。據2015年調查，其面積0.5 hm2，經50多年撫育和管護，林分郁閉度0.9以上，且僅有喬木層，林下無灌木和草本。考慮避免邊緣效應，在人工林中部設立并調查20 m×20 m觀測樣地，林分特征為：蒙古櫟林齡55a，林分密度2 540株/hm2，平均胸徑15.1 cm，平均樹高14.5 m，蓄積量131.2 m3/hm2。

1.2 觀測方法

林外降雨(P)測定：在緊鄰研究基地，高于林冠層的樓頂平臺上設置翻斗式雨量計(HOBO-RG3)，獲取林外大氣降雨數據，并利用“中國氣象科學數據共享服務網”哈爾濱市氣象數據相互校驗，以保證數據的準確性。

穿透雨(T)測定：在樣地中心區域機械十字交叉布設13個直徑20 cm自制雨量筒(截面積314.16 cm2/筒)，雨量筒間距2 m(圖1)，雨量筒上沿距地面50 cm，每次雨后立即測量記錄雨水體積(ml或cm3)，并轉換為穿透雨深(mm)。

樹干徑流(S)測定：人工林樹種單一且胸徑相近(9.8～19.6 cm)，將蒙古櫟劃分為9.8～14.5 cm和14.5～19.6 cm兩個徑階。根據胸徑分布，選5株樹冠中等(非優勢木和被壓木)，能代表各徑階平均情況的蒙古櫟作為標準木(胸徑分別為10.3、12.7、13.7、15.1、16.9 cm)，利用曲面聚氨酯材料在標準木胸高處形成漏斗狀集水器，其最低點連通導管收集樹干徑流。每次雨后及時測量樹干徑流體積(ml或cm3)，并依據公式[9-10]計算林分樹干徑流深(mm)。

(1)

式中：S為樹干徑流量，mm；Mi為i徑階蒙古櫟的株數，Si為i徑階標準木的樹干徑流量(ml)，N為樣地樹木徑階數；A為樣地面積，m2。

林冠截留量(I)計算：根據水量平衡方程I=P-T-S計算林冠截留量，mm。

圖1 觀測樣地內樹木及雨量桶位置分布圖 (〇雨量筒，●樹木)Fig.1 Location distribution of trees and rain gauges for throughfall in research plot(〇 gauge，●tree)

2 結果與分析

2.1 林外降雨特征

按間隔時間超過4 h劃分為不同降雨事件的原則[11]，研究期內(2015年5～10月)共記錄31場降雨，總降雨量430.2 mm，占1995～2010年平均降雨量(432.3 mm)的99.51%[10]；降雨集中于6～8月，總降雨量339.1 mm，占當年降雨總量78.82%，占6～8月平均降水量(320.8 mm)的105.70%，是有代表性的一年(表1)。

研究期間大部分降雨事件具有低雨強、長歷時的特點，單場最小降雨1.5 mm，最大降雨35.4 mm，單場平均降雨量13.9 ± 9.1 mm，變異系數65.24%。按雨量級對降雨事件統計顯示(圖2)，降雨量10.1～20.0 mm的降雨事件發生頻率最高(45.16%)，其次為降雨量5.1～10.0 mm的降雨事件(22.58%)。降雨量≤10 mm的降雨事件發生頻次較多(38.71%)，但其雨量占降雨總量的比例卻很小(16.23%)，低于次降雨量>20 mm的雨量占降雨總量的比例(35.01%)，遠低于次降雨量10.1～20.0 mm的雨量占降雨總量的比例48.77%。

2.2 穿透雨及其變異性

觀測期(6-8月，下同)內蒙古櫟林穿透雨總量為197.6 mm，占同期大氣降雨量58.27%，且不同月差異顯著，其中8月穿透雨最多(79.5 mm)，7月穿透雨量最少(51.8 mm)，分別占總穿透雨量40.23%和26.21%。分析13個觀測點穿透雨數據可知，蒙古櫟林穿透雨率與降雨量無相關性(p> 0.05)；而穿透雨量與降雨量呈極顯著的線性關系(p< 0.01)，其擬合方程為TF=aLn(P)-b(圖3)。方程中a為穿透雨隨降雨量增加的速率；eb/a表示能夠產生穿透雨的最小降雨量[1]。由此可知，蒙古櫟林產生穿透雨的最小降雨量為6.7 mm。

表1 生長季大氣降雨月分配情況

圖2 大氣降雨特征Fig.2 Characteristics of gross rainfall

圖3 穿透雨與降雨之間的關系Fig.3 Relationships of rainfall versus throughfall and throughfall rate

受不同的降雨特征影響，觀測期20場降雨事件中，蒙古櫟林穿透雨率在34.16%～82.49%范圍內變化，平均穿透雨率59.77 ± 13.95%，變異系數為23.34%。利用對應的降雨量和穿透雨率變異系數CV(TH)繪制散點圖(圖4)可知，隨著降雨量增加，穿透雨變異逐漸減小，二者呈極顯著的負相關，可用對數方程擬合，但效果不佳，結果如下：

CV(TH)=-36.61Ln(P)+159.61，R2= 0.3958，n= 20，p< 0.01

式中：CV(TH)為同一場降雨13個觀測點間穿透雨率的變異系數，%；P為降雨量，mm。

圖4 穿透雨變異系數與降雨量的關系Fig.4 Relationship between rainfall and CV of throughfall

2.3 樹干徑流

觀測期內蒙古櫟林樹干徑流總量為62.8 mm，占降雨總量18.52%，且不同月份差異顯著，其中8月樹干徑流量最大(32.8 mm)，6月樹干徑流量最少(8.4 mm)，分別占樹干徑流總量52.23%和13.38%。將降雨量分別與樹干莖流率、樹干徑流量建立關系發現，蒙古櫟林樹干徑流率與降雨量無相關性(p> 0.05)；樹干徑流量與降雨量呈極顯著線性相關(p< 0.01)，其擬合方程為Sf=aP+b(圖5)。方程中a為樹干徑流隨降雨量增加的速率；b/a表示能夠產生樹干徑流的最小降雨量[1]。由此可知，蒙古櫟林產生樹干徑流的最小降雨量為4.3 mm。

2.4 林冠截留特征

蒙古櫟林林冠截留總量為78.8mm，占同期大氣降雨量的23.24%，且不同月份差異顯著，其中8月截留量最大(47.1 mm)，6月截留量最少(9.7 mm)，分別占總截留量59.77%和12.31%。

20場降雨事件的平均截留量為3.9mm，平均截留率為28.35%，變異系數依次為59.44%和83.00%(表2)。分析數據表明，蒙古櫟林冠截留量與降雨量呈顯著的線性關系(p<0.05)，但擬合效果不佳；而截留率與降雨量則呈極顯著負相關(p<0.01)，即截留率隨著降雨量的增大而減小，可以用倒數方程進行擬合(圖6)。

圖5 樹干徑流與降雨的關系Fig.5 Relationship of gross rainfall versus stemflow

項目降雨量林冠截留P/mmI/mmI%年度統計累計值33917882323單次降雨事件統計平均值170392835最小值6510722最大值354868998標準差89232353變異系數527859448300

圖6 林冠截留與降雨的關系Fig.6 Relationship of rainfall versus interception

3 討論

3.1 穿透雨的影響因素

穿透雨是林冠對降雨再分配后形成的主要部分，是林地土壤水分的重要來源[12]，其變化在森林生態系統水量平衡中占有極其重要的地位[13]。穿透雨量和穿透雨率主要受降雨特征和林分特征影響，通常穿透雨量和大氣降雨量二者呈線性關系，當降雨量超過一定閾值時才能出現穿透雨，森林越復雜，郁閉度越高，閾值越大[1]。本研究中，穿透雨量隨降雨量增加而增大，它們之間滿足一定的線性關系，但用對數函數擬合精度更高。穿透雨率與降雨量無相關性，主要是因為研究期間大部分降雨事件具有低雨強、長歷時的特點，大雨(24 h降雨量25～50 mm)的數據少，穿透雨率的變化區間不大造成的。

穿透雨的空間異質性是普遍存在的，通常情況下，森林季相變化是穿透雨空間異質性的主要原因[14]，也有研究表明，穿透雨變異系數隨使用的穿透雨收集器面積增大而減小[15]，且林冠的空間異質性也影響穿透雨變異系數[16]。本研究中，穿透雨收集器的面積(314.16 cm2)大于Fan等使用的收集器截面積，但20場降雨事件穿透雨變異系數(23.34%)高于Fan等研究的雜交林(16.5%)[13]，這可能是由于蒙古櫟林經自然淘汰和人為影響后，其林冠的空間異質性變高(圖1)而導致了穿透雨變異系數變高。并且，降雨特征也會影響穿透雨的變異情況，結合降雨特征分析穿透雨的空間變異將更加有效。

3.2 樹干徑流的影響因素

研究表明，除降雨特征外，樹木胸徑、樹皮吸水能力、樹皮粗糙程度、樹枝分角、冠形結構均能夠影響樹干徑流量[17-18]。并有研究發現，枝條向上伸展和樹皮光滑是形成樹干徑流的有利因素，具有如此特征的樹種，其樹干徑流量一般較大[19]。在本研究中，蒙古櫟樹葉革質、大而厚，樹葉向上傾斜或稍平展；樹枝分角小；樹皮堅實光滑、不易吸水，且密布縱向細密紋路，這些特征綜合導致了本研究中蒙古櫟樹干徑流率較大(18.52%)的結果。本研究與早期魏曉華[20]在黑龍省東部山區的研究結果(15.6%)基本一致，但與孫忠林(7%)[1]、姜海燕(0.71%)[21]等的近期研究結果差異較大。這可能是林木胸徑、密度、郁閉度的差異而導致的結果。

3.3 林冠截留的影響因素

蒙古櫟林對降雨的再分配格局顯示(表3)，除6月份截留率略低外，其林冠截留率處于我國主要森林平均林冠截留率(14.7%～31.8%)的范圍內[5]，與亞熱帶山地常綠落葉闊葉混交林(鐵椎栲、亮葉水青岡混交林)林冠截留率接近[4]。與同一區域山地天然蒙古櫟林(7蒙古櫟1色木槭1春榆1水曲柳)相比[1]，本研究中蒙古櫟林的穿透雨率低，樹干徑流率較高，林冠截留率偏高，這很可能源于林分特征(樹種組成、密度等)和降雨特征的綜合影響。與郁閉度相近的人工針葉林相比，蒙古櫟林的葉面積指數略低，更容易產生樹干徑流，因此其林冠截留率相對較低，而穿透雨率較高[10]。當然，本研究僅僅觀測了一個生長季，共計20場降雨的數據，且降雨量低于5 mm的降雨事件很少，降雨特征對林冠截留變異的影響尚不明確，仍需長期積累林冠截留觀測數據，并增加林分冠層結構的觀測，才可能準確揭示蒙古櫟林的降雨分配規律。

表3 蒙古櫟林降雨再分配格局

注：括號內數值表示占降雨的比例。

4 結論

根據哈爾濱城區蒙古櫟人工林對大氣降雨再分配規律的研究，得到以下結論：

(1)蒙古櫟林穿透雨、樹干徑流和林冠截留會隨降雨量的變化而變化，隨著降雨量的增加，穿透雨的空間變異逐漸減小，林冠截留量也趨于其最大截留量。

(2)林分特征和物種生物學特性能夠影響降雨再分配過程，降雨量超過4.3 mm時蒙古櫟人工林才能夠產生樹干徑流，降雨量超過6.7 mm開始出現穿透雨。

(3)受不同的降雨特征影響，蒙古櫟林穿透雨率變幅較大(34.16%～82.49%)，且降雨量與對應穿透雨率變異系數呈極顯著的負相關(p<0.01)。

(4)與全國其它地區森林相比，蒙古櫟人工林林冠截留率處于全國主要森林類型平均林冠截留率(14.7%～31.8%)的中等水平。

[1] 孫忠林，王傳寬，王興昌，等.兩種溫帶落葉闊葉林降雨再分配格局及其影響因子[J].生態學報，2014，34(14)：3978-3986.

[2] Shinohara Y，Onozawa Y，Chiwa M，et al.Spatial variations in throughfall in a Moso bamboo forest：sampling design for the estimates of stand-scale throughfall[J].Hydrological Processes，2009，24(3)：253-259.

[3] Peng H H，Zhao C Y，Feng Z D，et al.Canopy interception by a spruce forest in the upper reach of Heihe River basin，Northwestern China[J].Hydrological Processes，2014，28(4)，1734-1741.

[4] 溫遠光，劉世榮.我國主要森林生態系統類型降水截留規律的數量分析[J].林業科學，1995，31(4)：289-298.

[5] Wei X H，Liu S R，Zhou G Y，et al.Hydrological processes in major types of Chinese forest[J].Hydrological Processes，2005，1(19)：63-75.

[6] 劉春霞，王玉杰，王云琦，等.西南亞熱帶天然混交林林冠截留效應[J].東北林業大學學報，2013，41(7)：9-14.

[7] 張會儒，李超，董希斌.小興安嶺低質林林冠對降水截留量的影響[J].東北林業大學學報，2012，4(4)：90-91，105.

[8] 孫慧珍，王巖，陸小靜，等.哈爾濱市不同類型人工林枯枝落葉層重金屬質量分數特征[J].東北林業大學學報，2011，39(3)：61-64.

[9] 段旭，王彥輝，于澎濤，等.六盤山分水嶺溝典型森林植被對大氣降雨的再分配規律及其影響因子[J].水土保持學報，2010，24(5)：120-125.

[10] 石磊.城市人工林生態系統降雨分配過程與營養元素通量研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2016.

[11] 李振新，鄭華，歐陽志云，等.岷江冷杉針葉林下穿透雨空間分布特征[J].生態學報，2004，24(5)：1015-1021.

[12] Gómez J A，Vanderlinden K，Giráldez J V，et al.Rainfall concentration under olive trees[J].Agricultural Water Management，2002，55(1)：53-70.

[13] 盛后財，蔡體久，俞正祥.大興安嶺北部興安落葉松(Larixgmelinii)林下穿透雨空間分布特征[J].生態學報，2016，36(19)：6266-6273.

[14] Hopp L，McDonnell J J.Examining the role of throughfall patterns on subsurface stormflow generation[J].Journal of Hydrology，2011，409(1-2)：460-471.

[15] Fan J L，Oestergaard K T，Guyot A，et al.Spatial variablility of throughfall and stemflow in an exotic pine plantation of subtropical coastal Australia[J].Hydrological Processes，2015，29(5)：793-804.[16] 劉澤彬，王彥輝，鄧秀秀，等.六盤山華北落葉松林下穿透雨空間變異特征[J].生態學報，2017，37(10)：1-11.

[17] Staelens J，De Schrijver A，Verheyen K，et al.Rainfall partitioning into throughfall，stemflow，and interception within a single beech(Fagus sylvatica L.)canopy：influence of foliation，rain event characteristics，and meteorology[J].Hydrological Processes，2008，22(1)：33-45.

[18] 黃承標，梁宏溫.廣西亞熱帶主要林型的樹干徑流[J].植物資源與環境，1994，3(4)：10-17.

[19] Llorens P，Domingo F.Rainfall partitioning by vegetation under Mediterranean conditions.A review of studies in Europe[J].Journal of Hydrology，2007，335(1-2)：37-54.

[20] 魏曉華，周曉峰.三種闊葉次生林的莖流研究[J].生態學報，1989，9(4)：325-329.

[21] 姜海燕，趙雨森，信小娟，等.大興安嶺幾種典型林分林冠層降水分配研究[J].水土保持學報，2008，22(6)：197-201.

RainfallRedistributionofMongolianOakPlantationinHarbin

Feng Yaqi1，Guo Na2，Cai Tijiu3，Sheng Houcai3，Shi Lei4，Ju Cunyong3*

(1.College of Landscape Architecture，Northeast Forestry University，Harbin 150040； 2.Department of Food and Environment Engineering，East University of Heilongjiang，Harbin 150040； 3.School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040； 4.Daqing planning and Architectural Design Institute，Daqing 163000)

Exploring forest canopy redistributing regime of rainfall contributes to reveal water recycle mechanism of forest ecosystem.The Mongolian oak(Quercus mongolica)plantation in Harbin city was selected to study its rainfall redistribution effect and variability via 20 rainfall events in a growing season.The following results were concluded：1)the throughfall，stemflow and canopy interception in Mongolian oak plantation were respectively 197.6，62.8 and 78.8mm，which accounted for 58.27%，18.52% and 23.24% of the rainfall in open field；2)throughfall occurred when the outer rainfall exceeded 6.7 mm and stemflow occurred only if the rainfall exceeded 4.3 mm according to the model estimates；3)the amount of throughfall，stemflow and interception all increased significantly with increasing rainfall，while their ratios to rainfall showed different trends；4)The coefficients of variability in throughfall decreased significantly with the amount of rainfall increasing，and the two showed a negative correlation(p<0.01)；5)the biologic character of Mongolian oak is beneficial to stemflow producing，thus the Mongolian oak produced more stemflow than other species did in common region.

Throughfall；stemflow；canopy interception；Mongolian oak plantation；urban forest

S715.2；S152.7

：A

：1001-005X(2017)05-0024-05

2017-06-05

林業公益性行業科研專項(201404303)；東北林業大學學術名師支持計劃(PFT-1213-21)

馮亞琦，本科生。研究方向：風景園林規劃。

琚存勇，博士，副教授。研究方向：森林水文與遙感應用。E-mail：qucy09@nefu.edu.cn

馮亞琦，郭娜，蔡體久，等. 蒙古櫟林對大氣降雨的再分配規律[J].森林工程，2017，33(5)：24-28.