张 焜 张洪江 程金花 张静雯 王 贤 宋 楠

(北京林业大学，北京，100083)

林冠截留作用能够使降水到达地面的数量减少，时间延缓，降水能量减弱，从而削弱了降水对土壤直接的溅蚀和径流对土壤的冲刷，使得地表径流量减少，径流速度减慢，起到了削减洪峰流量和涵养水源的生态效应。因此，林冠截留对林地的水土保持具有重要意义［1-4］。笔者对四面山暖性针叶林林冠截留的影响因素进行了详细分析，并阐述了林冠截留和降雨量之间的关系，为评价三峡库区暖性针叶林的森林水文作用提供依据。

1 研究区概况

四面山位于重庆市江津区南部，江津区四面山管理局辖区面积 213.37 km2，东经 106″17'～106″30'，北纬 28″31'～28″43'，系云贵高原大娄山北侧余脉。在地形上属于中山，最高海拔1 709 m，为四川盆地川东褶皱带与贵州高原大娄山的过渡地带。

四面山属于中亚热带季风湿润气候，年日照时数867 h，无霜期为285 d。多年平均气温13.7℃，月平均最高气温(8月份)达31.5℃，月平均最低气温(1月份)为-5.5℃，海拔每上升100 m，气温递减0.58℃。年均降水量1 522.3 mm，雨季集中在5—9月，占年平均降水量的62.7%。降雨量变化较大，海拔每上升100 m，降雨量递增43.3 mm。海拔在500～1 700 m。

四面山水资源丰富，水资源由茶坝河、飞龙河两大水系组成，天然形成了龙潭湖、洪海湖、珍珠湖等8座高山湖泊，水域面积107.1 hm2。森林覆盖率为95.41%，生长着桫椤(Alsophila spinulosa)、水杉(Metasequoia glyptostroboides)、珙桐(Davidia involucrata)、秃杉(Taiwania flousiana)等国家一级保护植物。四面山地处四川盆地与贵州高原的过渡地带，且属于中山，虽然岩层水平，但地表冲蚀切割强烈，地形破碎，坡度大，沟谷深，小环境差异十分明显，植被类型比较复杂。

在四面山森林管理局管辖范围内，暖性针叶林面积为6253.57 hm2，占到四面山总森林面积的26.64%，属于常绿阔叶林破坏后的次生植被，具有更强的抗性，随着人为活动的加剧，暖性针叶林的面积不断增大，逐渐成为四面山的优势植被类型。组成四面山地区的暖性针叶林包括杉木(Cunninghamia lanceolata)、马尾松(Pinus massoniana)、福建柏(Fokienia hodginsii)等树种，其中以杉木为主［5-6］。

在研究区内选取5块暖性针叶林地，分别在双桥溪左侧山坡坡上、秦家沟坡下和土地岩坡下、坡中、坡上设置试验标准地，依次编号为1、2、3、4、5，并对标准地进行林冠截留效应研究。各标准地基本情况见表1和表2。

表1 林地标准地基本状况

表2 林地植物基本组成

2 研究方法

2.1 林外降雨的测定

在空旷地处建立Vantage PRO 2小型气象观测站(美国产)，对林外降雨进行持续测定。小型气象站每隔1 h自动采集1次数据，用专用数据传输软件接收测定数据。降雨量即为一次降雨历时气象数据中降雨量的累加值。

另外，小型气象站同时进行雨强、风速、气温、空气湿度等其它气象数据的测定。并取一次降雨历时各项数据的平均值作为对应场降雨的数据值。

2.2 穿透雨量的测定

根据林分的郁闭状况和林冠层枝叶分布情况，分别在每块标准地内选取两个具有代表性的采样点布设简易雨量计。为避免雨量计内水分蒸发引起的观测误差，每次降雨后立即测定雨量，并计算两个雨量计中雨量的平均值，作为对应标准地的穿透雨量。

2.3 林冠截留量计算

很多学者都采用水量平衡法［3，7-9］计算林冠截留量，如式(1)所示：

式中：I为林冠截留量(mm);P为林外降雨量(mm);T为穿透雨量(mm);S为树干茎流量(mm)。

但是也有一部分学者［4，10-11］认为树干茎流量较穿透雨量小，一般占到林外降雨量的 0.003～0.030［1，3，9］，基本可以忽略。本研究未对树干茎流量进行测定，将林外降雨量和穿透雨量的差值作为林冠截留量。

3 结果与分析

3.1 林冠截留的影响因素

林冠截留是一个复杂的过程，主要受气象因素和林分自身结构特征的影响［8-11］。影响林冠截留的气象因素主要有降雨量、降雨强度、风速、气温、空气湿度;对于海拔相近、起源相同、林龄相同的同一植被型组的林分而言，不同标准地林冠层特征无明显差异，由林分自身因素产生截留差异的主要原因是郁闭度不同。

3.1.1 气象因素对林冠截留的影响

重庆四面山地区雨季集中在5—9月，如表3所示：该地区雨季降雨总量为768.2 mm，场降雨最大降雨量为102.4 mm，最小降雨量为2.2 mm。根据我国气象部门一般采用的降雨强度标准分析得知不同强度的场降雨发生频率依次为：中雨(24 h内降雨量为10.0～24.9 mm)为36%＞大雨(24 h内降雨量为25.0～49.9 mm)为24%＞小雨(24 h内降雨量小于10 mm)为20%＞暴雨为(24 h降雨量为50.0～99.9 mm)12%＞大暴雨(24 h降雨量为100.0～249.9 mm)为8%。

表3 2009年雨季林外降雨状况

为了比较各气象因子对林冠截留的影响程度，采用主成分分析法对降雨量、降雨强度、风速、气温、空气湿度进行分析。表4列出了各主成分的特征值、贡献率和累积贡献率。从表4中可以看出，5项气象因子的特征值和对总方差的贡献率大小顺序均为降雨量＞降雨强度＞气温＞空气湿度＞风速，即对林冠截留影响程度顺序依次为降雨量＞降雨强度＞气温＞空气湿度＞风速。从前2个主成分来看，其累积贡献率依次为40.402%和69.221%。因此，降雨对林冠截留的影响最为突出，降雨量是影响林冠截留的主导因素。

表4 气象因子的特征值和贡献率

3.1.2 郁闭度对林冠截留的影响

为了深刻认识郁闭度作为林分自身的主要因素对林冠截留的影响，综合比较各标准地林冠截留能力，并采用单因素方差分析法对每场降雨的各标准地林冠截留量进行分析。

在2009年5—9月间25场降雨所观测的不同标准地林冠截留数据见表5。

表5 不同标准地林冠截留能力分析

从表5可以看出，不同标准地的林冠截留能力不同。从整个雨季25场降雨的总林冠截留率来看，各标准地的大小顺序为：1(65.05%)＞2(29.77%)＞5(23.16%)＞4(16.25%)＞3(9.15%);从平均的林冠截留率来看，各标准地的大小顺序依然是 1(65.48%)＞2(31.57%)＞5(28.36%)＞4(19.93%)＞3(12.34%)。结合表1可知，本试验中样地1的郁闭度最大，所以对降雨的截留作用最大;而样地3的郁闭度最小，所以其对降雨的截持能力最低。

表6 单因素方差分析结果

从表6单因素方差分析结果中可以看出在0.05的显著性水平时，样地1的显著性(为1.000)最高，而样地3的显著性(仅为0.132)最差，其它3块样地的显著性介于中间水平。结合表1可得出林分郁闭度在95%的情况下林冠截留能力有显著优势，而郁闭度仅为35%时林冠截留能力也相对较差，郁闭度介于中间程度的林分，其截留能力也在中间水平，这与表5的分析结果相同。进而可以得出结论：对于其它影响因素相近的条件下，郁闭度越大，林冠截留量和林冠截留率越大，截留能力越强。

3.2 林冠截留量与降雨量的关系

一般来讲，降雨量是影响林冠截留的主导因素［8-10］。许多学者对林冠截留量与降雨量的关系进行了研究［1，4，7，10］，有的认为二者存在着正相关关系，有的表现为线性相关，还有的表现为幂函数关系。将本试验中每场降雨的降雨量和对应林冠截留量绘成散点图，见图1。

图1 场降雨林冠截留量随降雨量变化关系

从图1中可以看出，该地区整个雨季场降雨量最大时1号标准地并未达到饱和截留量，其林冠截留量随降雨量的增加而增加。在中低雨量级(0～49.9 mm)时，2、3、4、5 号标准地林冠截留量随降雨量的增加而增加，并逐渐趋向于饱和截留量，其饱和截留量依次为 33.79、6.91、13.44、23.70 mm，达到饱和截留量时的降雨量依次为 55.4、37.0、102.4、102.4 mm;林冠截留量接近或达到饱和截留量后，林冠截留量的增加会很少或者不再增加。

1号标准地林冠截留量与降雨量呈一元线性关系，如式(2)：

式中：I为林冠截留量(mm);P为降雨量(mm);a、b为常数。

2、3、4、5 号标准地林冠截留量与降雨量呈幂函数关系，如式(3)：

式中：I为林冠截留量(mm);P为降雨量(mm);c、d为常数。

为进一步研究林冠截留量与降雨量的相关性，对各标准地林冠截留量与降雨量进行相关性分析，表7列出了二者之间的相关系数。结果表明，各标准地的林冠截留量与降雨量的相关系数分别为 0.977、0.670、0.617、0.790、0.817，且在 0.01水平(单侧)上显著相关。

表7 林冠截留量与降雨量相关系数

4 结论与讨论

本研究采用实地观测的方法对重庆四面山暖性针叶林林冠截留进行测定，比采用通过测定林冠层最大容水量计算林冠截留量和截留率的方法更具有真实性与准确性。主要对林冠截留影响因素做了详细分析，并阐述了林冠截留量与降雨量之间的关系，具体结论如下：

该地区暖性针叶林林冠截留主要受气象因素和林分郁闭度的影响。各气象因子对林冠截留影响程度顺序依次为降雨量＞降雨强度＞气温＞空气湿度＞风速，降雨对林冠截留的影响最为突出，降雨量是影响林冠截留的主导因素，这与一些学者［8，10］的研究结果相似;其它影响因素相近的条件下，林分郁闭度越大，林冠截留量和林冠截留率越大，截留能力越强。

1号标准地林冠截留量与降雨量呈一元线性关系，其关系式为：I=aP+b;2、3、4、5号标准地林冠截留量与降雨量呈幂函数关系，其关系式为：I=cPd，其达到饱和截留量时的降雨量依次为55.4、37.0、102.4、102.4 mm。5 块标准地林冠截留量与降雨量的相关系数依次为 0.977、0.670、0.617、0.790、0.817，并且在0.01水平(单侧)上显著相关。从总的趋势来看，在未达到饱和截留量之前，林冠截留量随降雨量的增加而增加，并逐渐趋向于饱和截留量;当林冠截留量接近或达到饱和截留量后，林冠截留量的增加会很少或者不再增加。

但是，该论文也有不足之处：本研究虽考虑到林下灌草对林冠截留也有一定贡献，可并未研究出不同灌草对林冠截留的具体贡献率;另外，本研究未曾考虑生长季不同时期林分的树冠截留量是否存在差异，日后需对这方面做更全面更深入的研究。

［1］党宏忠，周泽福，赵雨森.青海云杉林冠截留特征研究［J］.水土保持学报，2005，19(4)：60-64.

［2］刘剑斌.杉木天然林和人工林涵养水源功能研究［J］.福建林业科技，2003，30(3)：19-22.

［3］夏体渊，吴家勇，段昌群，等.滇中3种林冠层对降雨的再分配作用［J］.云南大学学报：自然科学版，2009，31(1)：97-102.

［4］宋吉红，张洪江，孙超，等.缙云山自然保护区不同森林类型林冠的截留作用［J］.中国水土保持科学，2008，6(3)：71-75.

［5］马惠.重庆市四面山森林植物群落类型及其分布［D］.北京：北京林业大学水土保持学院，2010.

［6］张洪江，杜士才，程云，等.重庆四面山森林植物群落汲取土壤保持与水文生态功能［M］.北京：科学出版社，2010.

［7］韩永刚.木荷、杉木人工林水文效应的研究［D］.福州：福建农林大学林学院，2005.

［8］王艳红，宋维峰，李财金.不同森林类型林冠截留效应研究［J］.亚热带水土保持，2008，20(3)：5-10.

［9］蒋俊明，费世民，余英，等.长宁竹海主要林分林冠降雨分配格局［J］.四川林业科技，2007，28(1)：13-18.

［10］陈引珍，何凡，张洪江，等.缙云山区影响林冠截留量因素的初步分析［J］.中国水土保持科学，2005，3(3)：69-72.

［11］赵凤军.辽东地区五种树种林冠截留问题的研究［J］.丹东纺专学报，2005，12(1)：23-25.

［12］杜紫贤，韩永刚，谢锦升，等.木荷与杉木人工林林冠截留初步探讨［J］.亚热带水土保持，2007，19(2)：5-9.

［13］Crockford R H，Richardson D P.Partitioning of rainfall into through fall stem flow and interception：effect of forest type，ground cover and climate［J］.Hydrological Processes，2000，14：2903-2920.

［14］Wallace J，Mcjannet D.On interception modelling of a lowland coastal rainforest in northern Queensland，Australia［J］.Journal of Hydrology，2006，329：477-488.