樟树人工林林冠截留效应分析

赵亮生，闫文德,2，项文化,2，梁小翠,2，伍 倩

(1.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004；2.湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站，湖南 会同 418307)

樟树人工林林冠截留效应分析

赵亮生1，闫文德1,2，项文化1,2，梁小翠1,2，伍 倩1

(1.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004；2.湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站，湖南 会同 418307)

文章对比分析长沙城区内与城郊樟树人工林2011年林冠层对降水的截留效应，研究得出结论：城郊樟树林年降水量为2 028 mm，年截留量为515.8 mm，林内降水量占总降水量的74.57%，达1 512.2 mm; 市区樟树林年降水量、截留量、林内降水量均低于城郊，虽然年截留量低于城郊，但截留率则高于城郊。市区和城郊樟树林的穿透水变化规律虽存在差异，但整体趋势相似，两块检测样地在雨量极低时截留作用差异较为明显，但随着降雨量的增加，截留率差异变小。通过研究分析两块样地的监测数据可看出无论是在城区还是城郊樟树人工林林冠均有明显的截留效应。

樟树人工林；林冠截留；截留效应

林冠截留作为水文过程中的重要一环，是降雨在到达地面过程中发生的第一次水量分配[1]，它不仅影响降水的重新分配，还可以对降雨产生滞留作用及影响雨水中营养元素的输入等[2]，是森林生态系统重要的生态水文功能之一[3]，在森林生态系统水文循环中占居重要地位[4]。森林林冠以其特有的结构，减少水分输入，影响地表径流[5]，进而影响林地土壤的水分空间分布格局以及养分的循环和利用[5-6]，对林冠水文效应的研究，有利于探明森林对降水分配的机制[7]。

本实验选取中南地区典型乔木树种——樟树，作为研究对象，关于樟树林冠层对降水再分配研究已有较多报道，杨中文等[8]在室内对樟树林冠截留模拟试验研究，闫文德等[9]对樟树人工林冠层对大气降水再分配规律的影响做了研究，但是对于城市市区与城郊的樟树人工林林冠截留效应对比分析却少有报道。本文通过监测两个地区樟树人工林林冠对降雨再分配过程，对比分析林冠截留效应，揭示林冠水文效应的变化规律，探讨降雨特征对林冠水文的影响，为中南地区水源涵养林的树种选择、结构设置和合理经营提供基础数据和理论依据。

1 研究地区概况与研究方法

试验地概况、监测样地的设置和降水量的测定方法详见参考文献[9,10]。两监测样地樟树人工林的林分概况见表1，数据为2011年全年监测值。

表1 城市与城郊樟树人工林林地基本情况Table 1 Basic situation of C. camphora plantation forest land in city and suburban

2 结果与分析

2.1 樟树人工林降水输入与分配

樟树林人工林冠对降水输入的再分配具有它自身的特点，与落叶林相比，樟树叶的新旧更替并不以年为周期，冠层常年都有一定数量的树叶存在[9]。根据2011年近100多次实测降水的资料，统计出城郊与市区樟树人工林降水输入及分配情况(见表2、表3)。由表2可看出，城郊樟树林年降水量为2 028 mm，年截留量为515.8 mm，占年降水量的25.43%，林内的林内降水量占总降水量的74.57%，达1 512.2 mm，但绝大部分为穿透水，占林内降水总量的99.1%，达1 498.5 mm，树干茎流量为13.7 mm，仅占林内降水总量的0.9%。与表2 相比，表3显示市区樟树林年降水量、截留量、林内降水量均低于城郊，分别为1 381.9 mm、393.21 mm、988.7 mm；虽然年截留量低于城郊，但截留率则高于城郊，为28.45%；而与城郊相似的是，穿透水占林内降水比例也达到了99%。

表2 2011年城郊樟树人工林降水输入及分配规律Table 2 Precipitation input and distribution rules of C.camphora plantation in suburban in 2011

2.2 降水输入及分配的月变化

由表2可以看出，2011城郊樟树林 1月降水量为34.8 mm，林内降水量为8.2 mm，其中穿透水为8.2 mm，占降雨量23.56%，而截留量为26.6 mm，截留率达到76.44%，为全年最高；于此相比，市区樟树林1月份的降水量比城郊少很多，仅为8.5 mm，但截留量为7.1 mm，截留率达到83.53%； 由表2、表3数据显示，1月、2月、11月、12月林冠对降水再分配规律具有相似的特征，因为该时段属于冬春季节，降水少，且多以小雨为主，所以出现截留量与林内降水量较少，但林冠截留率为全年最大的现象。

表3 2011年市区樟树人工林降水输入及分配规律Table 3 Precipitation input and distribution rules of C.camphora plantation in urban district in 2011

由表2还可以看出，从3月份开始降水量开始增加，3～6月降水1 176.6 mm，占年降水量58%，净降水898.6 mm，占年降水量的44.3%，其中穿透水890.1 mm，茎流量为2.86 mm，该时段截留总量比冬春季节增加，但是截留率呈下降趋势，3～6月平均截留率为26.45%；与表2 相比，表3中3～6月降水810.8 mm，占年降水量58.7%，林内降水量590.9 mm，占年降水量42.8%，其中穿透水为585.3 mm，茎流量为2.53 mm，3～6月平均截留率为30.43%。该时段降水量均占年降水量58%左右，而市区截留率略高于城郊，而总体来看该时段属于春夏季节，降雨量多、降雨强度大，所以截留量与林内降水量较多，但林冠的月平均截留率比冬春季节有所降低。

从表2可以看出，7～10月份降水量为711 mm，占年降水量35.1%，穿透水565.9 mm，占该时段降水量79.6%，同时产生茎流5.1 mm，林冠截留量140 mm，占该时段降水量19.7%，而7～10月平均截留率为20.17%；于此相比市区该时段降水总量为455.21 mm，占年降水量32.9%，穿透水336.8 mm，占该时段降雨量74%，产生茎流3.4 mm，林冠截留量115.01 mm，占该时段降雨量25.3%。总体来看该时段属于夏季，气温高，辐射强，空气湿度小，林冠干燥，大气的蒸散力大，降雨次数减少，降雨多为大雨或暴雨，造成单次降雨雨量增加，降雨强度大，林冠截留作用减弱，所以该时段林冠截留率相对较低。

2.3 林冠对不同类型降雨再分配规律

从表4可以看出，随着降雨的加强，穿透水量会增加，中雨及以上强度才会出现茎流，而且与降雨强度呈正相关；截留量随降雨强度增加而降低，截留率也随之降低。在小雨情况下，截留率最大，城郊全年降水165次，其中小雨112次：市区降雨141次，小雨103次，小雨次数占全年降雨次数的70%左右，但是小雨累计降雨量仅在300 mm左右，城郊总降水量高于市区，主要是由于大雨及暴雨的次数多一些。城郊小雨降雨量329.7 mm，穿透水92.3 mm，截留量237.4 mm，截留率72%；市区小雨累计降雨量296.91 mm，穿透水101.7 mm，截留量195.21 mm，截留率65.75%。表4中暴雨下穿透水量为569.7 mm，穿透率89.48%，截留量为61.6 mm，截留率9.67%，这说明林冠截留能力是有限的，达到饱和后就不再增加，而表4反应出市区林冠层对暴雨截留率高于城郊，可能是因为暴雨次数比较少，累计暴雨降雨量少，所以截留量占的比例会稍微高一点。

表4 城郊与市区樟树人工林林冠对不同类型降雨再分配规律Table 4 Redistribution rules of different types of rainfall by C. camphora plantation canopy in suburban and urban district

2.4 穿透水的变化规律

从图1和图2可以看出，两块样地林内穿透水与降雨量都呈明显的线性关系方程分别为：y= 0.927x-2.8247，R2=0.99，N=165；y=0.8718x-2.011，R2=0.98，N=141；（y为穿透水，x为降雨量）。而穿透率与降雨量之间存在的非线性关系，从图中可以看出，当雨量小的时候穿透率不高，从表4可以看出，在小雨雨量级下，城郊平均穿透率为28%，而市区为34.5%；随着雨量的增大，穿透率也随之提高并在大雨到暴雨雨量情况下趋于稳定，由表4可知，在中雨时，两块样地穿透率在70%左右，到大雨或暴雨时，穿透率则在80%以上。

2.5 截留量变化规律

图1 城郊穿透水和穿透率与降雨量的关系Fig.1 Relationship of through-fall and though-fall percentage to rainfall in suburban area

图2 市区穿透水和穿透率与降雨量的关系Fig.2 Relationship of through-fall and though-fall percentage to rainfall in urban area

图3 城郊林冠截留量和截留率与降雨量的关系Fig.3 Relationship of interception and interception percentage to rainfall in suburban

从图3和图4可以看到，截留量与降雨量之间关系为指数函数关系，函数关系是分别为：y=0.812 8x0.645 2，R2=0.868 9，N=165；y=0.7754x0.6571，R2=0.823，N=141（y为截留量，x为降雨量）。同时，从图中还可以看出截留率与降雨量呈对数函数关系。总体来看，降雨量越小截留率越高，随着降雨量的增加，截留量减少，截留率也降低。同样，从表4中可以看出，小雨雨量级下，城郊截留量237.4 mm，截留率为72%，市区截留量195.21 mm，截留率为65.75%；但到中雨时，截留量分别为132.2 mm和90.1 mm，截留率降低到30%左右；到大雨以至暴雨时，截留率降低到15%左右。这说明，两块监测样地在雨量级低的时候截留作用有差异，但是随着降水量增加，截留率趋于相似。另外从降雨强度角度分析，雨强越小，截留率越高，林冠对雨水的截留时间越长；雨强越大，截留量越小，截留率越低，截留作用的时间越短，降雨强度与林冠截留量之间存在负相关性。

2.6 茎流变化规律

图4 市区林冠截留量和截留率与降雨量的关系Fig.4 Relationship of interception and interception percentage to rainfall in urban area

从表2和表3可以看出，2011年城郊产生茎流13.7 mm，市区产生茎流9.3 mm，不足年降水量1%。从表4 看出，在中雨雨量级及以上才产生茎流，在暴雨下茎流最大，但总量很小，从月降水量角度分析，城郊降雨量最大的6月份，月茎流量也仅为3 mm，市区降雨量451.2 mm，茎流量为3.5 mm，各月茎流率在0.5%～0.9%之间波动。虽然树干茎流量所占的比重非常小，但是茎流输入的养分对植物生长、森林生态系统养分循环的作用却是不容忽视的。

3 讨 论

樟树林冠层在各时段截留能力有所差异，这是因为林冠截留降雨是一个复杂的过程，截留雨量受到植物本身特性和气象因素的影响[3]，植物本身的特性,如树种、树龄、林冠厚度、茂密度等；气象、气候因素,如降雨量、降雨强度、雨滴直径、气温、风和前期枝叶湿度等。研究地降雨集中在3～6月，降雨事件发生间隔时间短，冠层湿度大，截留率相对较低；7～10月气温高，辐射强，空气湿度小，林冠干燥，大气的蒸散力大，降雨次数减少，降雨多为大雨或暴雨，造成单次降雨雨量增加，降雨强度大，林冠截留作用减弱，所以该时段林冠截留率普遍较低；11月至翌年2月，降雨次数多但都小雨，降雨量少，冠层湿度处于不饱和状态，所以降雨基本上都被冠层截留了。而城市市区和城郊樟树林林冠截留效应的差异主要可以从以下两方面分析：第一，郊区总降雨量大于市区，郊区樟树林的穿透水量及穿透率要高于市区樟树林；第二，市区樟树林的龄级高于郊区，林分的郁闭度、冠幅高于郊区，市区的林冠截留率高于城郊。

4 结 论

(1) 城郊樟树林年降水量为2 028 mm，年截留量为515.8 mm，占年降水量的25.43%，林内降水量占总降水量的74.57%，达1 512.2 mm，但绝大部分为穿透水，占林内降水总量的99.1%，达1 498.5 mm，树干茎流量为13.7 mm，仅占林内降水总量的0.9%。市区樟树林年降水量、截留量、林内降水量均低于城郊，分别为1 381.9、393.21、988.7 mm；虽然年截留量低于城郊，但截留率则高于城郊，为28.45%；而与城郊相似的是，穿透水占林内降水比例也达到了99%。

（2）通过研究对比发现郊区和市区樟树人工林林冠截月变化情况呈现相似的季节性变化格局，即 1、2、11、12月，属于冬春季节，降水少且多以小雨为主，林冠对降水再分配规律表现为截留量与林内林内降水量较少，但林冠截留率为全年最大。3～6月，属于春夏季节，截留总量比前一个季度增加，但是截留率呈下降趋势，市区樟树林截留率略高于城郊。7～10月份属于夏季，炎热干燥，且降雨多为大雨或暴雨，樟树林穿透水量增大，穿透率较高，但是截留量和截留率都较低。

（3）通过对市区和城郊樟树林穿透水和截留量数据的回归分析，分析结果表明两块样地的穿透水和截留量随着降雨量和降雨强度的变化，呈现出来的规律存在差异，但是整体趋势还是相似的。

总体而言，通过对两块样地的林冠截留效应分析可以看出，樟树人工林对降水具有良好的截留作用。两块样地林冠层对降水的截留改变和减少了雨滴的降落方式及速度，起到了缓和雨势、降低和削弱雨滴对土壤的冲刷作用，林冠截留对降低地表径流量和泥沙流失量作用明显。

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Analysis of canopy interception effects on Cinnamomum camphora plantation

ZHAO Liang-sheng1, YAN Wen-de1,2, XIANG Wen-hua1,2, LIANG Xiao-cui1,2, WU Qian1
(1.National Engineering Lab. for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China;2. Huitong National Field Station for Scientif i c Observation & Experiment for Chinese Fir Ecosystem, Huitong 418307, Hunan, China)

The interception effects of canopy layers between urban and suburban Cinnamomum camphora plantations in 2011 were compared and analyzed. The results show that in the suburban, the annual precipitation of C. camphora artif i cial forest was 2 028 mm,the annual interception quantity was 515.8 mm, the net rainfall accounted for 74.57% of the total through-fall rainfall being 1 512.2 mm;in the urban, the annual precipitation, interception quantity and forest net rainfall were lower than the suburban, but the intercepting rate was higher than the suburban; the urban and suburban’s forest through-fall were different with each other, but the overall trend was similar to each other, when in low level rain interception, the interception actions of two tested samples had obvious differences, but with the increase in precipitation, the intercepting rates tended to be similar to each other. Through the monitoring researches of two samples,the canopy layer was found to have very obvious interception effects to C. camphora.

artif i cial forest of Cinnamomum camphora; canopy interception; interception effects

S715.2；S792.23

A

1673-923X(2013)05-0091-05

2012-12-19

林业公益性行业科研专项：典型森林植被对水资源形成过程的调控研究（201104005）

赵亮生（1986-），男，甘肃敦煌人，硕士研究生，主要从事森林生态学、城市生态学研究

闫文德（1969-），男，甘肃武威人，教授，博士，主要从事生态学的教学与科研工作

[本文编校：吴 毅]