凡国华，韩 城，孙永涛，葛 波，庄家尧*

(1.南京林业大学，江苏 南京 210037；2. 国家林业和草原局华东调查规划设计院，浙江 杭州 310019)

【研究意义】森林不仅具有重要的生态服务功能，也具有重要的水文功能，对降雨也进行着调节和再分配。在陆地生态系统中，森林植被具有较强的水源涵养功能，是一个面积广阔的绿色水库，主要体现在土壤层、枯落物层和林冠层3大结构，不同森林类型由于其树种组成和结构的差异，导致水源涵养能力有别[1]。【前人研究进展】基于此，近年来不少学者对不同森林类型产生的水文效应进行了定量评价，包括林冠层截留与分配降水能力[4-5]、枯落物层及土壤层持水能力等方面[2, 6-7]。林冠是大气降雨接触的第一层界面，通过林冠对降雨的拦截作用，降雨被分配为穿透雨、林冠截留和树干径流3部分，这个过程形成了降雨再分配的时间和空间分布格局，探究森林对降雨再分配功能及影响，不仅为森林生态系统的水养平衡和能量流动提供基础数据，也对了解森林水文生态功能、水资源管理与评价以及科学的土地利用方式有重要意义[8]。林冠层是一个特殊的下垫面，其蒸腾耗水和截留降水的机制涉及土壤、植被和大气等多层界面。繁茂的枝叶组成的粗糙下垫面对森林生态系统的水分进行着调节和再分配。林冠对降水的再分配是水分输入森林的第一个环节，其过程涉及到森林生态、森林水文、森林气象及水土保持等诸多方面，国内外很多学者对全球不同气候带森林生态系统的截留量、透流量和干流量进行观测研究，并对其影响因素进行了分析。森林中降水的一部分在降水过程中附着于枝叶表面或从树干、树体、枝叶表面而后蒸发到大气中，即为林冠截留，它是森林对输入降水发挥调节作用的起点，可使降雨在数量及空间上进行重新分配，也是土壤-植物-大气连续体(SPAC)水分循环的重要环节[9]。研究发现，林冠截留受降水特征、林分结构、树木特征、雨前林冠的湿润程度、风速、地形等多种因素的影响[5]，林冠截留是森林生态系统水分调节的起点，影响着地表—大气能量循环过程和水量平衡，它作为降雨到达地面过程中第一次水量分配，不仅对降雨产生滞留作用，而且对雨水营养元素的输入产生重要影响。由于林冠的截留量有限以及干流量仅占降雨量很小一部分，因此穿透雨往往成为林地水分补给的主要形式;同时，穿透雨可以湿沉降形式把大气中漂浮物及林冠截持物和林冠淋溶物洗脱后输入到林地，因而也是林地养分输入的重要途径[10-12]。树干径流主要是降雨通过枝条、树干最终渗入地下的一个过程，虽然树干径流所占比例很小，但这部分水可以高度集中于根部土壤，在这个过程中径流冲刷树干会携带大量的营养物质，对土壤养分是一个很好的补充[13]。【本研究切入点】长三角地区经济发达、人口密集，对水资源的需求大，马尾松是该地区典型的常绿针叶树之一，是重要的的造林树种。【拟解决的关键问题】目前，有关长三角地区马尾松林降雨再分配关系的研究较少，马尾松林对该区域净化水质、水源涵养及水土保持具有重要的作用，对维持该地区的区域生态安全有着重要意义，对其春、秋、冬季节降雨再分配格局进行深入分析，以期加深马尾松林水文效应机理的认识，为本地区水源涵养林树种的选择以及经营、管理提供理论依据[14-15]。

1 试验区概况

研究点设在南京市东善桥林场铜山分场(31°35′～31°39′N， 118°50′～118°52′E)，试验区属北亚热带季风气候区，年平均气温15.1 ℃，无霜期229 d，年日照时数2199 h，年平均降水量1100 mm, 时间分布上多存在2个多雨期：一是春夏之交的梅雨，二是夏季的台风雨，为每年的4月至9月。地形为苏南丘陵,土壤类型为黄棕壤。海拔在38～388 m,林分类型以马尾松(Pinusmassoniana)，杉木(Cunninghamialanceolata)，毛竹(Phyllostachysedulis)林，麻栎(Quercusacutissima)，和茶(Camalliasinensis)园为主。调查样地位于阴坡中下部，马尾松林平均坡度为21，平均林龄34年，平均郁闭度0.49，平均树高,1.6 m，平均胸径213 cm，密度725株·hm-2。

2 材料与方法

在试验样地外约20 m处的空旷地设置1台翻斗式自记雨量计，持续测定(隔5 min自动采集1次数据林外降雨量和降雨过程)。利用Decagon自动气象站(美国产)对空气温度、湿度、风速以及风向进行测定(隔15 min自动采集1次数据)。选择马尾松林分中生长条件良好的典型坡面设置林冠水文野外观测点，选取1个样地(20 m×20 m)设置3个集水槽(200 cm×20 cm×20 cm)收集穿透雨，布设集水槽时需要除去高于集水槽的植被，将降雨导入称量式自动排液式测定系统，最后根据集水槽的面积以及3个集水槽收集到的穿透雨量换算出林内穿透雨量(mm)。试验采用自制试验装置—树干径流仪。该装置采用喷塑铁皮由模具制成半圆形容器，2个半圆形容器围绕同等直径树干合围，形成树干径流收集装置。铁皮与树干直接用玻璃胶消除缝隙，装置下方有出水口，连接皮管将收集到的雨水导入下方放置的翻斗式雨量计中，通过翻斗式雨量计来计算收集到的树干径流量。按4 cm为1个径级划分分布，选取样地中3株接近各径级平均胸径的样木(共9株)，装置仪器进行观测，然后将径流量按林木径级及其权重进行统计，利用加权平均法推算出林分的树干径流量。利用水量平衡方程I=P-S-T计算林冠截留量，其中：I为林冠截留量(mm)，P为大气降雨量(mm)，S为树干径流量(mm)，T为穿透雨量(mm)。

表1 降雨特征

表2 穿透雨、树干径流、林冠截留与气象因子的Pearson相关系数

注:**表示不在0.01水平(双侧)上显著相关;*表示不在0.05水平(双侧)上显著相关。

3 结果与分析

3.1 林外降雨特征

在观测期2012年10月至2013年6月内，累计72场降雨。为方便研究该地区降雨特征，依据降雨量的大小依次分为：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个降雨等级(X)(表1)。对检测到的大气降雨数据进行分析表明：从降雨量级的分布来看，降雨量<10.0 mm的小雨占总降雨场数的比例最大，总计66.667 %。从降雨量来看，占降雨场数最少的≥30.0 mm的降雨占总降雨量的比例最大，为39.364 %，而占据降雨场数比例优势的小雨仅占降雨量的18.925 %。研究区内降雨强度较小的降雨事件占据优势，<1.5 mm·h-1的降雨占到降雨次数的77.778 %。

3.2 降雨再分配的影响因子

林分特征与气象特征影响林冠层降雨再分配格局。本研究观测的气象因子包括降雨量、降雨强度、空气相对湿度、空气温度、风速、风向，利用SPSS 22.0对气象因子与穿透雨、树干径流以及林冠截留进行相关性分析发现，降雨量、降雨强度与穿透雨、树干径流以及林冠截留相关性极为显著，风速与穿透雨和树干径流呈显著正相关，空气相对湿度、空气温度以及风向与穿透雨、树干径流以及林冠截留并无显著相关性(表2)。

3.3 林内穿透雨特征

基于2012年10月至2013年6月观测到的降雨与穿透雨的数据，马尾松林内累计穿透雨量584 mm，占降雨量比例的73.7 %。影响穿透雨的影响因子包括气象因子和林分因子。本次研究探讨了穿透雨量、穿透雨率与降雨量、降雨强度及叶面积指数的关系。图1显示，长三角地区马尾松林的穿透雨量与降雨量具有显著的线性正相关，穿透雨量随林外降雨量的增加而变大，在降雨量较小时穿透雨会被林冠全部截持。当穿透雨量0 mm时X轴的截距就为形成穿透雨的最小雨量，而这个值可以根据拟合出的方程计算得到长三角地区马尾松林形成穿透雨的最小雨量1.18 mm，降雨量与穿透雨率的回归关系为对数函数关系，降雨量<20.0 mm时随降雨量增大，穿透雨率增加速度较快，之后增加较为缓慢并趋于稳定。根据最大R2值来判断，穿透雨量、穿透雨率与降雨强度的关系用对数函数拟合效果较好，降雨强度<1.3 mm·h-1时，穿透雨量增长较快，之后穿透雨增长速度减缓，穿透雨率在降雨强度<1.6 mm·h-1时增长速度最快，随后增长速度变缓(图2)。穿透雨量与叶面积指数的关系用二次函数拟合较好，叶面积指数和冠层郁闭度在一定程度上也影响穿透雨的空间分布，且降雨量越小其影响效果越明显[5]。叶面积指数0～0.9未有穿透雨产生，原因可能是因为当降雨强度较小时，林外降雨被林冠层全部截留，导致穿透雨量为零。叶面积指数小于1.25时，穿透雨量随着叶面积指数的增大而减小，之后随着叶面积指数的增大而增大，原因可能是在一定降雨强度内，叶面积指数越大，林冠截留越大导致穿透雨量减小，随着降雨强度的增大，林冠截留的那部分雨量被击落下来，导致穿透雨量随着叶面积指数增大而增大(图5)。

图1 穿透雨量、穿透雨率与降雨量的关系Fig.1 Relationship between throughfall, throughfall rate and rainfall

图2 穿透雨量、穿透雨率与降雨强度的关系Fig.2 Relationship between throughfall, throughfall rate and rainfall intensity

图3 树干径流量、树干径流率与降雨量的关系Fig.3 Relationship between stemflow, stemflow rate and rainfall

图4 树干径流量、树干径流率与降雨强度的关系Fig.4 Relationship between stemflow, stemflow rate and rainfall intensity

图5 穿透雨量、树干径流量、树干径流率与叶面积指数的关系Fig.5 Relationship between throughfall,stemflow, stemflow rate andleaf area index

3.4 树干径流特征

树干径流量所占比例小，在研究过程中通常会被很多研究者忽略，但是这部分水分中包含的养分浓度数倍于大气降水和穿透雨，并且可以直达植物根系地区便于植物的吸收和利用，在干旱区这部分水分对植被尤为重要。观测期内马尾松林累计树干径流量7.426 mm，占降雨量的0.94 %。长三角地区马尾松林树干径流量与降雨量呈显著的线性关系，树干径流量随降雨量的增大而增加，雨量较小的降雨形成不了树干径流。形成树干径流的最小雨量为拟合方程与X轴的截距，经计算马尾松林树干径流形成的最小雨量为4.73 mm。树干径流率与降雨量也有显著的线性正相关关系(图3)。树干径流量、树干径流率与降雨强度的相关关系用二次函数可得到较为满意的拟合结果，树干径流量、树干径流率随降雨强度的变化规律都是先增大后减小呈抛物线形，在2.8 mm·h-1左右达到最大值随后开始减小，推测原因降雨强度超过一定范围，雨滴的冲击力过强导致叶片、枝干截留降水减少，因此树干径流量、树干径流率也随之变小(图4)。穿透雨量、树干径流量、树干径流率与叶面积指数的相关关系用二次函数可得到较为满意的拟合结果，树干径流量、树干径流率随叶面积指数的变化规律都是先减小后增大呈抛物线形，叶面积指数在1.25左右达到最小值随后开始增大，推测原因是由于森林的林冠截留作用，在降雨强度较小时，随着叶面积指数的增大，绝大部分降雨被林冠所截留，当降雨强度较小且叶面积指数在1.25左右时降雨被林冠完全截留，随着降雨强度增大，林冠截留的降雨被击落，导致林内穿透雨量和树干径流量增大(图5)。

3.5 林冠截留特征

林冠层是产生森林水文生态效应的第一个作用层，是森林耗水减少地表径流的一种方式。林冠层截留量除与降雨特点、气温、风速等气象因素有关外，还与树木本身特性如树种、树龄、郁闭度、林冠蒸发能力等多种因素有关。研究林分马尾松林冠截留量201.17 mm占降雨量的25.38 %。由图6可知:马尾松林林冠截留量与降雨量呈线性关系，林冠截留率与降雨量的关系可以用对数函数曲线来拟合，拟合效果较好。林冠截留量随降雨的增大而增大，但增长速率渐缓，林冠截留率在<6 mm阶段下降速度快，之后随降雨量的增加而减少并趋于稳定。林冠截留量与降雨强度的相关关系用二次函数拟合可得到较满意的效果，林冠截留量并不是一直随降雨强度的增大而增大，而是随降雨强度的增大先增大后减小呈抛物线形。推测原因，是由于降雨强度较小时林冠层可以截留大部分的降水，随着降雨强度的增大截留量也紧跟着增大，但当降雨强度超过一定值之后，雨滴的动能过大造成林冠层机械晃动剧烈导致冠层截持不住降水，导致截留量反而下降。

图6 林冠截留量、林冠截留率与降雨量的关系Fig.6 Relationship between canopy interception, canopy interception rate and rainfall

图7 林冠截留量、林冠截留率与降雨强度的关系Fig.7 Relationship between canopy interception, canopy interception rate and rainfall intensity

林冠截留率与降雨强度呈显著的对数函数关系，在0～0.7 mm·h-1阶段下降十分迅速，之后随降雨强度的变大而减小，但趋势较缓和(图7)。

4 讨 论

本研究采用定位观测的方法对南京市东善桥林场铜山分场马尾松林的降雨再分配进行了测定。通过相关性分析，筛选出的影响降雨再分配的主要气象因子为降雨量、降雨强度以及风速，并详细分析了降雨量、降雨强度与穿透雨、树干径流以及林冠截留的关系，分析结果如下:①2012年10月至2013年6月之间，长三角地区马尾松林内穿透雨占降雨量的73.7 %。针叶林的穿透雨低于阔叶林，常绿林低于落叶林，随着林分的演替或林龄的增加，穿透雨量也不断下降，主要是因为林分断面积的增加[16]。马尾松林的穿透雨量与降雨量具有极显著的线性正相关，形成穿透雨的最小雨量为0.8 mm，在某些降雨量很小但降雨强度较大的降雨事件中，降雨量未达到0.8 mm穿透雨量也会出现，但0.8 mm这个结果与观测到的绝大多数降雨数据吻合。穿透雨率与降雨量的回归关系为对数函数关系。穿透雨量、穿透雨率与降雨强度的关系用对数函数拟合效果较好，曲线变化趋势均是前期增长较快，随后增加速度变缓并趋于稳定。穿透雨量与叶面积指数的关系用二次函数拟合较好，叶面积指数0～0.9未有穿透雨产生，原因可能是因为当降雨强度较小时，林外降雨被林冠层全部截留，导致穿透雨量为零。叶面积指数小于1.25时，穿透雨量随着叶面积指数的增大而减小，之后随着叶面积指数的增大而增大，原因可能是在一定降雨强度内，叶面积指数越大，林冠截留越大导致穿透雨量减小，随着降雨强度的增大，林冠截留的那部分雨量被击落下来，导致穿透雨量随着叶面积指数增大而增大。②观测期内，马尾松林累计树干径流量7.426 mm，占降雨量的0.94 %。低于张文猛在江西省鹰潭市余江县中国科学院红壤生态实验站内监测的马尾松林树干径流率(3.23 %)[17]，推测原因本研究区为2012年10月至2013年6月观测，降水较多的夏季未计算在内，加之年平均降水量较低，且小雨量低强度的降雨占据优势，导致了树干径流率较低。马尾松林树干径流量、树干径流率与降雨量呈极显著的线性正相关关系，均随林外降雨量的增加而增大。马尾松林树干径流量、树干径流率与降雨强度的关系用二次函数拟合可得到较满意的结果，两者随降雨强度的变化趋势都呈抛物线形，先增大后减小，这可能是雨强较小时林冠层截持的降雨顺着枝干到达根部底端转化为树干径流，降雨强度变大，降雨较强的冲击力导致林冠层可截留的降雨减少，最终到达根部的树干径流量也变少。树干径流量、树干径流率与叶面积指数的相关关系用二次函数可得到较为满意的拟合结果，树干径流量、树干径流率随叶面积指数的变化规律都是先减小后增大呈抛物线形，叶面积指数在1.25左右达到最小值随后开始增大，推测原因是由于森林的林冠截留作用，在降雨强度较小时，随着叶面积指数的增大，绝大部分降雨被林冠所截留，当降雨强度较小且叶面积指数在1.25左右时降雨被林冠完全截留，随着降雨强度增大，林冠截留的降雨被击落，导致林内穿透雨量和树干径流量增大。③研究林分马尾松林冠截留量201.17 mm占降雨量的25.38 %，马尾松林林冠截留量与降雨量呈线性关系，林冠截留率与降雨量的关系可以用对数函数曲线来拟合，拟合效果较好。林冠截留量与降雨强度的相关关系用二次函数拟合可得到较满意的效果，林冠截留量并不是一直随降雨强度的增大而增大，而是随降雨强度的增大先增大后减小呈抛物线形。林冠截留率与降雨强度呈显著的对数函数关系，在0～0.7mm·h-1阶段下降十分迅速，之后随降雨强度的变大而减小，但趋势较缓和。林冠截留量与降雨强度的相关关系用二次函数拟合可得到较满意的效果，林冠截留量并不是一直随降雨强度的增大而增大，而是随降雨强度的增大先增大后减小呈抛物线形。当雨强超过3.2 mm·h-1左右时，林冠层受到雨滴的冲击过大导致截留的降水变少。随降雨强度的增大，截留率持续降低，前期下降较快，之后下降速率变缓。万艳芳[18]研究得出穿透雨量(率)、树干茎流量(率)和截留量与降雨量、降雨历时、降雨持续时间、降雨强度、空气相对湿度均呈正相关，与空气温度和风速均呈负相关，而截留率与空气温度和风速呈正相关，与其它气象因素呈负相关。John等[19]研究得出风速风向、空气温湿度等气象因子也会对树干径流、穿透雨以及林冠截留产生影响，此次研究中降雨再分配与空气相对湿度、气温以及风向等气象因子并无显著的相关性，仅仅与风速有一定的相关性，在今后的观测中需要进行连续长期的定位观测，以获得更加准确的结论。

5 结 论

(1)马尾松林的穿透雨量与降雨量具有极显著的线性正相关，穿透雨率与降雨量，穿透雨量、穿透雨率与降雨强度的关系用对数函数拟合效果较好；穿透雨量与叶面积指数的关系用二次函数拟合较好，马尾松林树干径流量、树干径流率与降雨量呈极显著的线性正相关关系，均随林外降雨量的增加而增大。马尾松林树干径流量、树干径流率与降雨强度的关系用二次函数拟合较好，树干径流量、树干径流率与叶面积指数的相关关系用二次函数可得到较为满意的结果。马尾松林林冠截留量与降雨量呈线性关系，林冠截留率与降雨量的关系可以用对数函数曲线来拟合，拟合效果较好。林冠截留量与降雨强度的相关关系用二次函数拟合可得到较满意的效果，林冠截留量并不是一直随降雨强度的增大而增大，而是随降雨强度的增大先增大后减小呈抛物线形。林冠截留率与降雨强度呈显著的对数函数关系，林冠截留量与降雨强度的相关关系用二次函数拟合可得到较满意的效果，林冠截留量并不是一直随降雨强度的增大而增大，而是随降雨强度的增大先增大后减小呈抛物线形。

(2)试验区马尾松林形成穿透雨的最小雨量为1.18 mm，形成树干径流的最小雨量为4.73 mm。