長三角地區馬尾松林降雨再分配特征

凡國華，韓 城，孫永濤，葛 波，莊家堯*

(1.南京林業大學，江蘇 南京 210037；2. 國家林業和草原局華東調查規劃設計院，浙江 杭州 310019)

【研究意義】森林不僅具有重要的生態服務功能，也具有重要的水文功能，對降雨也進行著調節和再分配。在陸地生態系統中，森林植被具有較強的水源涵養功能，是一個面積廣闊的綠色水庫，主要體現在土壤層、枯落物層和林冠層3大結構，不同森林類型由于其樹種組成和結構的差異，導致水源涵養能力有別[1]。【前人研究進展】基于此，近年來不少學者對不同森林類型產生的水文效應進行了定量評價，包括林冠層截留與分配降水能力[4-5]、枯落物層及土壤層持水能力等方面[2, 6-7]。林冠是大氣降雨接觸的第一層界面，通過林冠對降雨的攔截作用，降雨被分配為穿透雨、林冠截留和樹干徑流3部分，這個過程形成了降雨再分配的時間和空間分布格局，探究森林對降雨再分配功能及影響，不僅為森林生態系統的水養平衡和能量流動提供基礎數據，也對了解森林水文生態功能、水資源管理與評價以及科學的土地利用方式有重要意義[8]。林冠層是一個特殊的下墊面，其蒸騰耗水和截留降水的機制涉及土壤、植被和大氣等多層界面。繁茂的枝葉組成的粗糙下墊面對森林生態系統的水分進行著調節和再分配。林冠對降水的再分配是水分輸入森林的第一個環節，其過程涉及到森林生態、森林水文、森林氣象及水土保持等諸多方面，國內外很多學者對全球不同氣候帶森林生態系統的截留量、透流量和干流量進行觀測研究，并對其影響因素進行了分析。森林中降水的一部分在降水過程中附著于枝葉表面或從樹干、樹體、枝葉表面而后蒸發到大氣中，即為林冠截留，它是森林對輸入降水發揮調節作用的起點，可使降雨在數量及空間上進行重新分配，也是土壤-植物-大氣連續體(SPAC)水分循環的重要環節[9]。研究發現，林冠截留受降水特征、林分結構、樹木特征、雨前林冠的濕潤程度、風速、地形等多種因素的影響[5]，林冠截留是森林生態系統水分調節的起點，影響著地表—大氣能量循環過程和水量平衡，它作為降雨到達地面過程中第一次水量分配，不僅對降雨產生滯留作用，而且對雨水營養元素的輸入產生重要影響。由于林冠的截留量有限以及干流量僅占降雨量很小一部分，因此穿透雨往往成為林地水分補給的主要形式;同時，穿透雨可以濕沉降形式把大氣中漂浮物及林冠截持物和林冠淋溶物洗脫后輸入到林地，因而也是林地養分輸入的重要途徑[10-12]。樹干徑流主要是降雨通過枝條、樹干最終滲入地下的一個過程，雖然樹干徑流所占比例很小，但這部分水可以高度集中于根部土壤，在這個過程中徑流沖刷樹干會攜帶大量的營養物質，對土壤養分是一個很好的補充[13]。【本研究切入點】長三角地區經濟發達、人口密集，對水資源的需求大，馬尾松是該地區典型的常綠針葉樹之一，是重要的的造林樹種。【擬解決的關鍵問題】目前，有關長三角地區馬尾松林降雨再分配關系的研究較少，馬尾松林對該區域凈化水質、水源涵養及水土保持具有重要的作用，對維持該地區的區域生態安全有著重要意義，對其春、秋、冬季節降雨再分配格局進行深入分析，以期加深馬尾松林水文效應機理的認識，為本地區水源涵養林樹種的選擇以及經營、管理提供理論依據[14-15]。

1 試驗區概況

研究點設在南京市東善橋林場銅山分場(31°35′～31°39′N， 118°50′～118°52′E)，試驗區屬北亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫15.1 ℃，無霜期229 d，年日照時數2199 h，年平均降水量1100 mm, 時間分布上多存在2個多雨期：一是春夏之交的梅雨，二是夏季的臺風雨，為每年的4月至9月。地形為蘇南丘陵,土壤類型為黃棕壤。海拔在38～388 m,林分類型以馬尾松(Pinusmassoniana)，杉木(Cunninghamialanceolata)，毛竹(Phyllostachysedulis)林，麻櫟(Quercusacutissima)，和茶(Camalliasinensis)園為主。調查樣地位于陰坡中下部，馬尾松林平均坡度為21，平均林齡34年，平均郁閉度0.49，平均樹高,1.6 m，平均胸徑213 cm，密度725株·hm-2。

2 材料與方法

在試驗樣地外約20 m處的空曠地設置1臺翻斗式自記雨量計，持續測定(隔5 min自動采集1次數據林外降雨量和降雨過程)。利用Decagon自動氣象站(美國產)對空氣溫度、濕度、風速以及風向進行測定(隔15 min自動采集1次數據)。選擇馬尾松林分中生長條件良好的典型坡面設置林冠水文野外觀測點，選取1個樣地(20 m×20 m)設置3個集水槽(200 cm×20 cm×20 cm)收集穿透雨，布設集水槽時需要除去高于集水槽的植被，將降雨導入稱量式自動排液式測定系統，最后根據集水槽的面積以及3個集水槽收集到的穿透雨量換算出林內穿透雨量(mm)。試驗采用自制試驗裝置—樹干徑流儀。該裝置采用噴塑鐵皮由模具制成半圓形容器，2個半圓形容器圍繞同等直徑樹干合圍，形成樹干徑流收集裝置。鐵皮與樹干直接用玻璃膠消除縫隙，裝置下方有出水口，連接皮管將收集到的雨水導入下方放置的翻斗式雨量計中，通過翻斗式雨量計來計算收集到的樹干徑流量。按4 cm為1個徑級劃分分布，選取樣地中3株接近各徑級平均胸徑的樣木(共9株)，裝置儀器進行觀測，然后將徑流量按林木徑級及其權重進行統計，利用加權平均法推算出林分的樹干徑流量。利用水量平衡方程I=P-S-T計算林冠截留量，其中：I為林冠截留量(mm)，P為大氣降雨量(mm)，S為樹干徑流量(mm)，T為穿透雨量(mm)。

表1 降雨特征

表2 穿透雨、樹干徑流、林冠截留與氣象因子的Pearson相關系數

注:**表示不在0.01水平(雙側)上顯著相關;*表示不在0.05水平(雙側)上顯著相關。

3 結果與分析

3.1 林外降雨特征

在觀測期2012年10月至2013年6月內，累計72場降雨。為方便研究該地區降雨特征，依據降雨量的大小依次分為：0≤X<1，1≤X<5，5≤X<10，10≤X<15，15≤X<20，20≤X<25，25≤X<30，≥30 mm共,8個降雨等級(X)(表1)。對檢測到的大氣降雨數據進行分析表明：從降雨量級的分布來看，降雨量<10.0 mm的小雨占總降雨場數的比例最大，總計66.667 %。從降雨量來看，占降雨場數最少的≥30.0 mm的降雨占總降雨量的比例最大，為39.364 %，而占據降雨場數比例優勢的小雨僅占降雨量的18.925 %。研究區內降雨強度較小的降雨事件占據優勢，<1.5 mm·h-1的降雨占到降雨次數的77.778 %。

3.2 降雨再分配的影響因子

林分特征與氣象特征影響林冠層降雨再分配格局。本研究觀測的氣象因子包括降雨量、降雨強度、空氣相對濕度、空氣溫度、風速、風向，利用SPSS 22.0對氣象因子與穿透雨、樹干徑流以及林冠截留進行相關性分析發現，降雨量、降雨強度與穿透雨、樹干徑流以及林冠截留相關性極為顯著，風速與穿透雨和樹干徑流呈顯著正相關，空氣相對濕度、空氣溫度以及風向與穿透雨、樹干徑流以及林冠截留并無顯著相關性(表2)。

3.3 林內穿透雨特征

基于2012年10月至2013年6月觀測到的降雨與穿透雨的數據，馬尾松林內累計穿透雨量584 mm，占降雨量比例的73.7 %。影響穿透雨的影響因子包括氣象因子和林分因子。本次研究探討了穿透雨量、穿透雨率與降雨量、降雨強度及葉面積指數的關系。圖1顯示，長三角地區馬尾松林的穿透雨量與降雨量具有顯著的線性正相關，穿透雨量隨林外降雨量的增加而變大，在降雨量較小時穿透雨會被林冠全部截持。當穿透雨量0 mm時X軸的截距就為形成穿透雨的最小雨量，而這個值可以根據擬合出的方程計算得到長三角地區馬尾松林形成穿透雨的最小雨量1.18 mm，降雨量與穿透雨率的回歸關系為對數函數關系，降雨量<20.0 mm時隨降雨量增大，穿透雨率增加速度較快，之后增加較為緩慢并趨于穩定。根據最大R2值來判斷，穿透雨量、穿透雨率與降雨強度的關系用對數函數擬合效果較好，降雨強度<1.3 mm·h-1時，穿透雨量增長較快，之后穿透雨增長速度減緩，穿透雨率在降雨強度<1.6 mm·h-1時增長速度最快，隨后增長速度變緩(圖2)。穿透雨量與葉面積指數的關系用二次函數擬合較好，葉面積指數和冠層郁閉度在一定程度上也影響穿透雨的空間分布，且降雨量越小其影響效果越明顯[5]。葉面積指數0～0.9未有穿透雨產生，原因可能是因為當降雨強度較小時，林外降雨被林冠層全部截留，導致穿透雨量為零。葉面積指數小于1.25時，穿透雨量隨著葉面積指數的增大而減小，之后隨著葉面積指數的增大而增大，原因可能是在一定降雨強度內，葉面積指數越大，林冠截留越大導致穿透雨量減小，隨著降雨強度的增大，林冠截留的那部分雨量被擊落下來，導致穿透雨量隨著葉面積指數增大而增大(圖5)。

圖1 穿透雨量、穿透雨率與降雨量的關系Fig.1 Relationship between throughfall, throughfall rate and rainfall

圖2 穿透雨量、穿透雨率與降雨強度的關系Fig.2 Relationship between throughfall, throughfall rate and rainfall intensity

圖3 樹干徑流量、樹干徑流率與降雨量的關系Fig.3 Relationship between stemflow, stemflow rate and rainfall

圖4 樹干徑流量、樹干徑流率與降雨強度的關系Fig.4 Relationship between stemflow, stemflow rate and rainfall intensity

圖5 穿透雨量、樹干徑流量、樹干徑流率與葉面積指數的關系Fig.5 Relationship between throughfall,stemflow, stemflow rate andleaf area index

3.4 樹干徑流特征

樹干徑流量所占比例小，在研究過程中通常會被很多研究者忽略，但是這部分水分中包含的養分濃度數倍于大氣降水和穿透雨，并且可以直達植物根系地區便于植物的吸收和利用，在干旱區這部分水分對植被尤為重要。觀測期內馬尾松林累計樹干徑流量7.426 mm，占降雨量的0.94 %。長三角地區馬尾松林樹干徑流量與降雨量呈顯著的線性關系，樹干徑流量隨降雨量的增大而增加，雨量較小的降雨形成不了樹干徑流。形成樹干徑流的最小雨量為擬合方程與X軸的截距，經計算馬尾松林樹干徑流形成的最小雨量為4.73 mm。樹干徑流率與降雨量也有顯著的線性正相關關系(圖3)。樹干徑流量、樹干徑流率與降雨強度的相關關系用二次函數可得到較為滿意的擬合結果，樹干徑流量、樹干徑流率隨降雨強度的變化規律都是先增大后減小呈拋物線形，在2.8 mm·h-1左右達到最大值隨后開始減小，推測原因降雨強度超過一定范圍，雨滴的沖擊力過強導致葉片、枝干截留降水減少，因此樹干徑流量、樹干徑流率也隨之變小(圖4)。穿透雨量、樹干徑流量、樹干徑流率與葉面積指數的相關關系用二次函數可得到較為滿意的擬合結果，樹干徑流量、樹干徑流率隨葉面積指數的變化規律都是先減小后增大呈拋物線形，葉面積指數在1.25左右達到最小值隨后開始增大，推測原因是由于森林的林冠截留作用，在降雨強度較小時，隨著葉面積指數的增大，絕大部分降雨被林冠所截留，當降雨強度較小且葉面積指數在1.25左右時降雨被林冠完全截留，隨著降雨強度增大，林冠截留的降雨被擊落，導致林內穿透雨量和樹干徑流量增大(圖5)。

3.5 林冠截留特征

林冠層是產生森林水文生態效應的第一個作用層，是森林耗水減少地表徑流的一種方式。林冠層截留量除與降雨特點、氣溫、風速等氣象因素有關外，還與樹木本身特性如樹種、樹齡、郁閉度、林冠蒸發能力等多種因素有關。研究林分馬尾松林冠截留量201.17 mm占降雨量的25.38 %。由圖6可知:馬尾松林林冠截留量與降雨量呈線性關系，林冠截留率與降雨量的關系可以用對數函數曲線來擬合，擬合效果較好。林冠截留量隨降雨的增大而增大，但增長速率漸緩，林冠截留率在<6 mm階段下降速度快，之后隨降雨量的增加而減少并趨于穩定。林冠截留量與降雨強度的相關關系用二次函數擬合可得到較滿意的效果，林冠截留量并不是一直隨降雨強度的增大而增大，而是隨降雨強度的增大先增大后減小呈拋物線形。推測原因，是由于降雨強度較小時林冠層可以截留大部分的降水，隨著降雨強度的增大截留量也緊跟著增大，但當降雨強度超過一定值之后，雨滴的動能過大造成林冠層機械晃動劇烈導致冠層截持不住降水，導致截留量反而下降。

圖6 林冠截留量、林冠截留率與降雨量的關系Fig.6 Relationship between canopy interception, canopy interception rate and rainfall

圖7 林冠截留量、林冠截留率與降雨強度的關系Fig.7 Relationship between canopy interception, canopy interception rate and rainfall intensity

林冠截留率與降雨強度呈顯著的對數函數關系，在0～0.7 mm·h-1階段下降十分迅速，之后隨降雨強度的變大而減小，但趨勢較緩和(圖7)。

4 討 論

本研究采用定位觀測的方法對南京市東善橋林場銅山分場馬尾松林的降雨再分配進行了測定。通過相關性分析，篩選出的影響降雨再分配的主要氣象因子為降雨量、降雨強度以及風速，并詳細分析了降雨量、降雨強度與穿透雨、樹干徑流以及林冠截留的關系，分析結果如下:①2012年10月至2013年6月之間，長三角地區馬尾松林內穿透雨占降雨量的73.7 %。針葉林的穿透雨低于闊葉林，常綠林低于落葉林，隨著林分的演替或林齡的增加，穿透雨量也不斷下降，主要是因為林分斷面積的增加[16]。馬尾松林的穿透雨量與降雨量具有極顯著的線性正相關，形成穿透雨的最小雨量為0.8 mm，在某些降雨量很小但降雨強度較大的降雨事件中，降雨量未達到0.8 mm穿透雨量也會出現，但0.8 mm這個結果與觀測到的絕大多數降雨數據吻合。穿透雨率與降雨量的回歸關系為對數函數關系。穿透雨量、穿透雨率與降雨強度的關系用對數函數擬合效果較好，曲線變化趨勢均是前期增長較快，隨后增加速度變緩并趨于穩定。穿透雨量與葉面積指數的關系用二次函數擬合較好，葉面積指數0～0.9未有穿透雨產生，原因可能是因為當降雨強度較小時，林外降雨被林冠層全部截留，導致穿透雨量為零。葉面積指數小于1.25時，穿透雨量隨著葉面積指數的增大而減小，之后隨著葉面積指數的增大而增大，原因可能是在一定降雨強度內，葉面積指數越大，林冠截留越大導致穿透雨量減小，隨著降雨強度的增大，林冠截留的那部分雨量被擊落下來，導致穿透雨量隨著葉面積指數增大而增大。②觀測期內，馬尾松林累計樹干徑流量7.426 mm，占降雨量的0.94 %。低于張文猛在江西省鷹潭市余江縣中國科學院紅壤生態實驗站內監測的馬尾松林樹干徑流率(3.23 %)[17]，推測原因本研究區為2012年10月至2013年6月觀測，降水較多的夏季未計算在內，加之年平均降水量較低，且小雨量低強度的降雨占據優勢，導致了樹干徑流率較低。馬尾松林樹干徑流量、樹干徑流率與降雨量呈極顯著的線性正相關關系，均隨林外降雨量的增加而增大。馬尾松林樹干徑流量、樹干徑流率與降雨強度的關系用二次函數擬合可得到較滿意的結果，兩者隨降雨強度的變化趨勢都呈拋物線形，先增大后減小，這可能是雨強較小時林冠層截持的降雨順著枝干到達根部底端轉化為樹干徑流，降雨強度變大，降雨較強的沖擊力導致林冠層可截留的降雨減少，最終到達根部的樹干徑流量也變少。樹干徑流量、樹干徑流率與葉面積指數的相關關系用二次函數可得到較為滿意的擬合結果，樹干徑流量、樹干徑流率隨葉面積指數的變化規律都是先減小后增大呈拋物線形，葉面積指數在1.25左右達到最小值隨后開始增大，推測原因是由于森林的林冠截留作用，在降雨強度較小時，隨著葉面積指數的增大，絕大部分降雨被林冠所截留，當降雨強度較小且葉面積指數在1.25左右時降雨被林冠完全截留，隨著降雨強度增大，林冠截留的降雨被擊落，導致林內穿透雨量和樹干徑流量增大。③研究林分馬尾松林冠截留量201.17 mm占降雨量的25.38 %，馬尾松林林冠截留量與降雨量呈線性關系，林冠截留率與降雨量的關系可以用對數函數曲線來擬合，擬合效果較好。林冠截留量與降雨強度的相關關系用二次函數擬合可得到較滿意的效果，林冠截留量并不是一直隨降雨強度的增大而增大，而是隨降雨強度的增大先增大后減小呈拋物線形。林冠截留率與降雨強度呈顯著的對數函數關系，在0～0.7mm·h-1階段下降十分迅速，之后隨降雨強度的變大而減小，但趨勢較緩和。林冠截留量與降雨強度的相關關系用二次函數擬合可得到較滿意的效果，林冠截留量并不是一直隨降雨強度的增大而增大，而是隨降雨強度的增大先增大后減小呈拋物線形。當雨強超過3.2 mm·h-1左右時，林冠層受到雨滴的沖擊過大導致截留的降水變少。隨降雨強度的增大，截留率持續降低，前期下降較快，之后下降速率變緩。萬艷芳[18]研究得出穿透雨量(率)、樹干莖流量(率)和截留量與降雨量、降雨歷時、降雨持續時間、降雨強度、空氣相對濕度均呈正相關，與空氣溫度和風速均呈負相關，而截留率與空氣溫度和風速呈正相關，與其它氣象因素呈負相關。John等[19]研究得出風速風向、空氣溫濕度等氣象因子也會對樹干徑流、穿透雨以及林冠截留產生影響，此次研究中降雨再分配與空氣相對濕度、氣溫以及風向等氣象因子并無顯著的相關性，僅僅與風速有一定的相關性，在今后的觀測中需要進行連續長期的定位觀測，以獲得更加準確的結論。

5 結 論

(1)馬尾松林的穿透雨量與降雨量具有極顯著的線性正相關，穿透雨率與降雨量，穿透雨量、穿透雨率與降雨強度的關系用對數函數擬合效果較好；穿透雨量與葉面積指數的關系用二次函數擬合較好，馬尾松林樹干徑流量、樹干徑流率與降雨量呈極顯著的線性正相關關系，均隨林外降雨量的增加而增大。馬尾松林樹干徑流量、樹干徑流率與降雨強度的關系用二次函數擬合較好，樹干徑流量、樹干徑流率與葉面積指數的相關關系用二次函數可得到較為滿意的結果。馬尾松林林冠截留量與降雨量呈線性關系，林冠截留率與降雨量的關系可以用對數函數曲線來擬合，擬合效果較好。林冠截留量與降雨強度的相關關系用二次函數擬合可得到較滿意的效果，林冠截留量并不是一直隨降雨強度的增大而增大，而是隨降雨強度的增大先增大后減小呈拋物線形。林冠截留率與降雨強度呈顯著的對數函數關系，林冠截留量與降雨強度的相關關系用二次函數擬合可得到較滿意的效果，林冠截留量并不是一直隨降雨強度的增大而增大，而是隨降雨強度的增大先增大后減小呈拋物線形。

(2)試驗區馬尾松林形成穿透雨的最小雨量為1.18 mm，形成樹干徑流的最小雨量為4.73 mm。