孙向阳，王根绪 ，吴 勇，柳林安，刘光生

(1．中国科学院成都山地灾害与环境研究所山地表生过程与生态调控重点实验室，成都 610041;2．中国科学院研究生院，北京 100049;3．成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

林冠截留指大气降水储存在冠层和从冠层截留中蒸发的水量［1］。森林地表截留是指储存在森林地表，并在降雨期间和降雨停止后蒸发入大气中的水量，包括土壤、灌丛、草地和枯落物等的截留［2］。林冠截留受森林特征［3］、林龄［4］和气候条件［5-7］等多种因素影响。林冠截留占降水比例针叶林可达25%—50%［8-9］，阔叶林可达10%—35%［10-11］。穿过林冠的降水受到地表枯落物截留的影响较大［12］，并不能完全转化为土壤水和径流，同样以蒸发的形式返回到大气中［13］，这部分截留水量在模型中往往被忽略不计，然而这部分水量可以占林下降水量的20%［13］，林下地表枯落物截留能力与枯落物的厚度呈线性关系［12］。截留和蒸发的水量并没有重新补给土壤，因此对植物的生长没有作用，但是，截留作用在空间上对降水进行了重新分配，因此对林地土壤水分平衡具有重要意义。

峨眉冷杉广泛分布于我国川西地区，是四川的特有树种，其主要分布范围在海拔2800—3700 m。据程根伟［14］的研究，贡嘎山亚高山植被群落演替过程为峨眉冷杉与冬瓜杨组成的混交林演替为峨眉冷杉纯林。本研究所选的3种林型，针阔混交林、峨眉冷杉中龄林和峨眉冷杉成熟林即包含了植被演替的各个阶段，又是贡嘎山亚高山森林的主要组成林型。通过分析其林冠截留与枯落物截留特征，阐明贡嘎山亚高山区生态系统截留的水文效应，进而为贡嘎山亚高山区森林生态系统水分评价和森林生态效应评价提供理论指导和科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1．1 研究区概况

贡嘎山位于青藏高原的东南缘，大雪山脉的中南段。在行政区划上处于四川甘孜藏族自治州的泸定、康定、九龙和雅安地区的石棉4县交接区。在地理位置上介于北纬29°20'—30°20'和东经101°30'—102°15'之间，面积约1万km2，主峰海拔7556 m。贡嘎山地处我国东部亚热带温暖湿润季风区与青藏高原东部高原温带半湿润区的过渡带上。研究区位于贡嘎山亚高山海拔3000m的暗针叶林带(E101°59'55″，N29°34'35″)，据历年气象观测资料，年均降水量为1938 mm，贡嘎山降水的季节变化非常明显，具有显著的干湿季之分。一般说来，每年11月至翌年的4月为干季，5月—10月为湿季。湿季降水量占年降水量的80%—90%，年平均气温4℃，年平均风速约0．5 m/s，低风速使得林内蒸发很少，空气湿度超过90%。贡嘎山森林生态系统植被演替层次分明:峨眉冷杉(Abies fabri)过熟林、以峨眉冷杉为优势树种的成熟林、峨眉冷杉-冬瓜杨(Populus purdomii)为主的中幼林和冬瓜杨-杜鹃(Rhododendron sp．)群落［1］，各试验样地详细特征如表1所示。活地被物层有山羽藓(Abietinella abietina)，锦丝藓(Actinothuidium hookri)等。

表1 试验场各样地特征Table 1 Characteristic of the experimental plots

1．2 研究方法

(1)林外降水

针叶林观测点林外降水根据采用气象场内观测数据，气象场处无高大树木，大气降水直接被雨量筒收集并记录，降水的观测步长为1 h。

(2)林下降水

林下降水观测时间为2008年和2009年的5—10月。林下降水观测点分别为辅助林观测场(针阔混交林)，干河坝观测场(峨眉冷杉中龄林)，林下降水观测采用自制的林下降水收集器，规格为305 cm×24 cm的长条形收集装置，该林下降水收集器可以有效减小随机误差的产生，为便于收集降水，每个收集器安装的倾斜角度为5°，每个降水收集装置连接一个双翻斗雨量计进行记录，观测步长为1 h。其中，辅助林观测场安装4个林下降水收集器，干河坝观测场安装3个林下降水收集器，分别观测不同林型下的林下降水。各观测点处的林下降水收集器随机安装。

(3)树干径流

树干径流观测与林下降水同步进行。采用3 cm宽的薄铁皮按30°的倾斜角度缠绕于树干周围1．5圈左右，缠绕高度为树干基部1．5 m左右，铁皮与树皮的结合处用胶水封口，防止树干径流损失，用胶皮管将收集到的树干径流导入雨量筒，采用单翻斗式传感器记录采集到得雨水，观测步长为1 h。其中辅助林观测场选择6株代表性树木，干河坝观测场选择3株代表性树木，根据优势木原理选择。

(4)枯落物截留

枯落物截留观测采用人工模拟降雨试验方法，该方法可以获得枯枝落叶层自然条件下的最大持水量，并且可以反映降雨过程中枯枝落叶层截留对降水的滞后作用。试验设计为分层试验和不分层试验两部分，分别模拟观测辅助林观测场、干河坝观测场和成熟林观测场枯落物在不同分解条件下及未分层条件下的截留特征。分层试验设计容器大小为0．2 m2;不分层试验设计容器大小为1 m2，每个容器又平均分为四个小容器，四个大容器组合在一起，形成大小为4 m2的容器。设计降水强度为0．35 mm/h。统计分析表明贡嘎山亚高山主要以小于1 mm/h的降雨为主［7］。试验中凋落物厚度根据野外调查结果确定。

2 研究结果

2．1 林冠截留

林冠是大气降水进入森林生态系统的第一个作用层，对降水起到第一次的分配作用。观测发现，辅助林观测场2008年与2009年，林下降水率分别为76．4%和77．0%，干河坝观测场2008年林下降水率为77．3%，其林下降水率较为相近。林下降水量与大气降水具有很好的线性关系(图1)，线性回归方程的R2值均高于0．97(P＜0．01)。2009年贡嘎山5—10月降水量较多年平均值低25．1%［7］，但是研究结果表明，降水量减少并没有显著影响穿透雨的变化。

根据同期树干径流的观测结果，辅助林观测场树干径流占大气降水的比重不足0．4%，在计算林冠截留率时不考虑树干径流对林冠截留率的影响。然而干河坝观测场树干径流可以占大气降水1．82%，与以往的研究结果差别较大［1］，此处的树干径流并不能忽略。据此，确定不同的林冠截留量结算公式:

式中，I为林冠截留量，P为大气降水，Tf为穿透雨量，Sf为树干径流量。辅助林观测场树干径流量较少，在实际计算中不考虑Sf项的影响。

由公式(1)计算可得，辅助林观测场2008年54次降水的林冠截留量为126．2 mm，占降水总量的23．6%，2009年75次降水的林冠截留量为150．1 mm，占降水总量的23．0%;干河坝观测场2008年36次降水的林冠截留量为69．9 mm，占降水量的20．9%。林冠截留量与降水量具有较好的幂函数关系(图2)。大气次降水总量小于2 mm时，随着降水量增加，林冠截留量增加较快，大气次降水总量超过2 mm时，林冠截留量增加趋势变缓，尤其是干河坝观测场，其趋势变化更加明显，分析原因一方面可能是干河坝观测场峨眉冷杉中龄林树干径流量较大所致，另一方面可能与冠层本身的截留能力有关。

图1 辅助林观测场与干河坝观测场大气降水与穿透雨关系图Fig．1 The relationship between gross rainfall and throughfall at Fuzhu and Ganheba plot

图2 辅助林观测场与干河坝观测场大气降水与林冠截留量关系Fig．2 Therelationship between canopyinterception and throughfall at Fuzhu and Ganheba plot

由于观测仪器故障，峨眉冷杉成熟林观测未能取得结果，根据谢春华等的研究结果，成熟林林冠截留率为28%，林冠截留量与大气降雨量之间具有较好的幂函数关系(I=1．8046P0．3184，n=14，r=0．9027)。根据该幂函数关系分析得出，当大气降水量小于2 mm时，林冠截留量随着降水量增加而显著增加，当大气降水量超过该阈值时，林冠截留量增加趋势相对缓慢。

树冠的饱和截留量描述的树冠截留降水的能力。树冠饱和截留量计算可采用Preira［15］介绍的计算方法，公式表述如下:

2．2 枯落物截留

林下降水降落到地表，同时还受到森林枯落物层截留的影响。枯落物层可以减缓雨滴对地表的侵蚀和冲刷，同时还可以阻滞地表径流的发生。研究结果表明，枯落物不同分解程度的截留降水作用具有显著差异(图3)，全分解层对降水的截留效果最显著，而未分解层的截留效果最小，分析原因可能是因为全分解层的孔隙度较大，能够吸持更多的降水，而未分解层只是由枯死的枝叶等组成，其蓄持降水的能力较弱，并且其持水面积也相对较小。不同林型不同分解状态下枯落物的蓄持水能力也不尽相同，由峨眉冷杉与冬瓜杨组成的针阔混交林的蓄持水能力较强，未成熟针叶林与成熟针叶林的蓄持水能力相对较低。

根据不分层试验结果，针阔混交林的蓄持水能力仍是最大的，同时验证了分层试验结果的正确性(图4)。据野外实地调查确定枯落物层得试验厚度分别为未分解层、半分解层和全分解层的厚度分别为5、3、3 cm，不分层试验枯落物厚度为11 cm。将体积截留量转化为截留深分别为5．1、5．1 和 5．7 mm，枯落物层具有比林冠更大的饱和截留量。

图3 不同分解条件下的枯落物截留量Fig．3 Forest litter interception under different decomposed condition

3 讨论

3．1 林冠截留的影响因素

理论上，风速越大，林冠截留量越小［16］。然而在林冠郁闭度较高的热带雨林地区，林冠截留量随风速增大而增加［17］，在北方森林和热带森林同样有相似的研究结果［6］。在本研究中，分析了不同降雨量级条件下风速对林冠截留率的影响，结果发现，只有大气次降水总量在1—3 mm和10—20 mm区间内，林冠截留率随着风速的增加而增加，其他降水量级条件下林冠截留率与风速变化无关(图5)。分析原因可能是贡嘎山亚高山区由于森林茂密，以及高山的阻挡作用，导致该区的风速值较低，据气象场风速资料结果统计，全年平均风速仅为0．5 m/s，最大风速也不超过4 m/s，较低的风速并不足以对林冠截留造成影响，因此认为，虽然风速可以对林冠截留率有一定的作用，但是主要发生在风速值较高地区，而对于贡嘎山地区，风速变化不会对截留率造成较大的影响，分析林冠截留的变化，主要应该考虑降雨特征及林冠特征的影响。

图4 不分层试验条件下的枯落物截留量Fig．4 Forest litter interception for different forest type

图5 风速对林冠截留影响Fig．5 The influence of wind speed on canopy interception

当次降水量增加时，林冠截留率逐渐减少(图6 a)，但是在统计中发现，降水量级在30—40 mm时，林冠截留率最小，原因可能是该次降水过程受到前期降水的影响，林冠层没有完全干燥，仍然有部分的降水滞留在冠层之中。同时，分别分析了降雨历时、降水强度和降水量对林冠截留的影响，结果表明，林冠截留率皆表现为当该3个值较小时，随着降水历时、降水强度和降水量增加而迅速减小，当该3个值较大时，林冠截留率变化较小，甚至趋于稳定的现象(图6 b，c，d)。Toba等的研究结果也表明，林冠截留率随着降水量、降雨历时和降雨强度的增加而显著降低。Tsukamoto等的研究结果同样发现降雨强度小于7．0 mm/h时，截留率随降雨强度的增加成比例的减少［18］。当降雨量较低时，林冠截留率变化的离散程度较大，Llorens等对针叶林的研究［5］和Carlyle-Moses对阔叶林的研究［19］同样得到了相似的结论。

图6 辅助林观测场降雨特征对林冠截留影响Fig．6 The influence of rainfall characteristics on canopy interception at FUZHU plot

3．2 枯落物截留试验的尺度效应

枯落物截留试验大多采用的是模拟试验，一种是将枯落物层进行浸泡得到其截留量［20］;另一种利用人工降雨方式喷洒使其枯落物达到饱和，根据人工降水量和水分渗出量的差值计算枯落物的饱和持水量［12，21］。相比于浸泡法，第二种方法能够更真实的反应枯落物的实际饱和持水量，而第一种方法浸泡后枯落物的最大持水量并不等于枯落物对降水的实际截留量，它只能反应枯落物持水能力的大小。人工模拟降水试验虽能更真实的反映枯落物截留量，但是试验容器尺度的大小对模拟结果也有一定的影响(图7)。

图7 不同研究尺度对枯落物滞后截留时间的影响Fig．7 Different experimental scale effect on lag-time of forest litter interception

随着试验尺度的增加，枯落物截留的滞后时间逐渐缩短，试验尺度在2—4 m2时，滞后时间逐渐趋于稳定，本实验未分层试验结果来自4 m2的组合试验，因此认为人工模拟试验结果稳定可靠。

3．3 林冠与枯落物截留作用

截留是认识和理解水文循环的一个重要方面，截留降水以蒸发形式返回到大气中，构成大气水汽的重要组成部分，进而重新以降水形式降落到地表。人们认识到除林冠截留过程［6-7，16］，森林地表枯落物等对林下降水的二次截留作用同样很重要［13］。Gerrists采用一种称重式的试验装置，测定了山毛榉森林地表的截留作用，结果表明地表截留占穿透雨量的20%，林冠与地表截留量总和冬季和夏季分别占大气降水量的24%和40%。时忠杰等根据浸泡法得出桉树人工林凋落物层的饱和持水量为4．27 mm。李振新对四川岷江上游岷江冷杉针叶林和川滇高山栎灌丛的研究发现，针叶林林冠截留率为33．33%，灌丛林冠截留率为24．95%，其地被物在单次降水过程中最大蓄积潜力分别可达1．746 mm和0．941 mm［22］。本研究也发现，枯落物层的饱和持水量显著高于冠层，其中针阔混交林和峨眉冷杉中龄林凋落物层的饱和持水量为冠层的4倍多。

尽管枯落物饱和持水量显著高于冠层的饱和持水量，但枯落物截留的蒸发速率要低于冠层的蒸发速率。根据Lin Y等在贡嘎山的研究结果［23］，林冠截留蒸发占总蒸发的比重最大，林冠截留蒸发占总蒸发比重可达75%，而地表蒸发量仅占总蒸发比重的7%，原因可能是因为林冠上方的空气对流比较强烈，有效的促进了水汽扩散运动;而地表风速较小，且受到冠层的遮挡作用，阳光并不能完全照射到林下，蒸发动力不足;另外一个原因可能是因为贡嘎山降水量较大，尤其是5—10月份年均降水量可以达到1500 mm，林冠截留阻滞了森林蒸腾作用的水分损失［24］。在降水量较小的地区，地表截留蒸发与林冠截留蒸发的差别并没有这么显著［24］。因此，虽然在贡嘎山亚高山区枯落物层具有较大的饱和持水能力，但是林冠截留蒸发仍然是截留的主要组成部分。

4 结论

(1)贡嘎山亚高山地区峨眉冷杉成熟林具有最大的林冠降水截留率，针阔混交林次之，峨眉冷杉中龄林林冠截留率最低;林冠截留量与降水量之间表现为幂函数关系;该区林冠截留主要受降雨特征的影响;

(2)不同分解条件下枯落物截留能力不同，全分解层枯落物截留能力最强;不分层试验条件下，针阔混交林的截留能力最强;枯落物层具有较林冠层更强的截留降水能力，但是由于热力学和空气动力学条件的限制，林冠截留蒸发仍是截留蒸发的主要组成部分。

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