姚博

(辽宁省森林经营研究所，辽宁 丹东 118003)

森林具有多种生态服务功能，在维持生物多样性、保持水土、涵养水源、调节气候、固碳释氧等方面发挥着重要作用，而且还提供大量的木材与林产品，对于维系区域生态安全、保障社会经济可持续发展等具有无可替代的作用[1]。同时，多数森林分布在江河源头、山地、丘陵等地，其保持水土、涵养水源等功能尤其重要，因而森林水文研究已经成为森林生态学、森林水文学及水资源利用等研究的重要组成部分[2]。

大气降水进入森林生态系统后，首先受到林冠层的截留，之后进一步分配为穿透雨和树干径流[3]，改变了自然降水的分配过程，直接降低了雨水对地面的冲刷。国内外研究表明：降水经过林冠层时，林冠截留10%～40%，穿透雨率为60%～90%，树干径流率为0.5%～14%[4]，主要影响林冠截留分配的原因有林型、树木特征(郁闭度、胸径、树高、树皮粗糙度等)、降雨量、降雨强度等[5]。关于穿透雨的研究主要集中在林冠截留量、穿透雨量、径流量与总降雨量之间的关系以及穿透雨空间分布特征，林冠分配降雨过程模拟与模型等[6-7]，但关于穿透雨形成的过程，及其与降雨量、降雨强度、林分密度的关系尚不十分清楚，影响了对森林水源涵养功能及过程的科学认识，制约了森林生态系统服务功能的优质、高效与持续发挥。

红松(Pinuskoraiensis)是辽宁省东部山区的主要造林树种之一，据统计，辽宁红松人工林面积已经达到10万多 hm2[8]，在提供木材、涵养水源、保持水土等方面发挥着重要作用。在大力发展人工林的背景下，近年来对红松人工林水土保持、水源涵养等方面的研究也在不断增加[9-11]，但主要集中在红松人工林水源涵养功能评价、水土保持等方面[12]，间伐对红松人工林水源涵养功能影响方面的研究尚不多见。为了更好地了解红松人工林的降水再分配过程，本文以不同间伐强度的红松人工林为研究对象，分析不同降雨强度下穿透雨的产生过程，提示不同间伐强度对红松人工林穿透雨产生过程的影响规律，为科学经营红松人工林提供理论依据。

1 研究区概况

研究地点位于辽宁省本溪满族自治县草河口镇辽宁省森林经营研究所实验林场解放林内(123°54′36″E，40°52′5″N)，平均海拔645 m，坡度15°～20°。年平均气温6.1～6.3 ℃，年最低气温-33 ℃，最高气温32 ℃，年均降水量926.3 mm，年均蒸发量1 118 mm，无霜期127 d[13]。该地区属于长白山余脉西南延伸部分，属温带大陆性季风气候。植被为长白植物区系，土壤类型以棕色森林土为主，pH值5.3～6.3，土层厚度30～50 cm。

2 研究方法

2.1 样地布设

试验林于1949年春营造，造林密度为3 500株·hm-2，苗龄6 a，造林前系天然次生林采伐迹地开垦的耕地，造林成活率95%[14]。固定样地试验设置于1967 年，间伐强度以单位面积保留林木株数确定，设置面积各为1 000 m2的试验小区5 个，最初各试验小区分别保留800株·hm-2(极强度)、1 200株·hm-2(强度)、1 600株·hm-2(中度)、2 000株·hm-2(弱度)、对照区为2 380株·hm-2，与对照区相比采伐强度分别为66.39%、49.58%、32.77%及15.97%。此后又经过1984年、1996年、2005年、2012年共4次间伐，其中对照区为从未受过任何人为干扰的林分， 通过自然稀疏保留到2017年，株数为1 070株·hm-2。本研究中按照采伐强度将人为经营干扰等级划分为5 级：其中极强度(150株·hm-2)、强度(210株·hm-2)、中度(310株·hm-2)、弱度(470株·hm-2)及对照区(1 070 株·hm-2)，目前林分基本稳定，林下植被近3年变化较小。本研究选择其中的极强区、中度区和对照区作为研究对象，各试验区林分基本情况见表1。

表1 不同间伐强度红松人工林试验区基本情况表

2.2 降雨量测定

观测点位于辽宁省森林经营研究所实验林场的气象观测站内，该气象站距离试验样地约800 m。在气象观测站内选择距围栏3 m以上，上方无遮挡处设置自动翻斗式雨量计，该雨量计与数据采集系统连接，自动记录脉冲信号，自动转换，精度为0.2 mm，采集间隔时间为5 min，测量降雨量、降雨历程等。

为了便于统计分析，借鉴国家气象局与相关文献对降雨量等级的划分标准[15]，本文将研究期间内的降雨划分为以下5个等级：小雨(24 h内降雨量0.1～9.9 mm)、中雨(24 h内降雨量10～24.9 mm)、大雨(24 h内降雨量25～49.9 mm)和暴雨(24 h内降雨量50～99.9 mm)、大暴雨(24 h内降雨量100～249.9 mm)。

表2 2018年8-9月试验区降雨情况

注：林外总降雨量合计279.7 mm，降雨次数合计5次

观测在2018年8-9月进行，选择不同降雨级别(小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨)各一次，各降雨情况见表2。

2.3 穿透雨测定

在3种间伐强度的红松人工林标准地内，随机设置2个穿透雨承接器(由PVC材料制作而成，其水平截面为长方形，长×宽×高为110 cm×54 cm×25 cm，上方设有开口以承接降雨，下方一端设有出水口)，承接器距地面高度1.5 m(减少林下灌木草本的影响)，放置的水平倾斜角度为5°，出水口位于一端的最低点。将穿透雨承接器出水口用导管与自动翻斗式雨量计相连(HOBO自记雨量计改装、采集间隔时间为5 min、精度0.2 mm)。每次降雨前将穿透雨承接器提前安放到采样地点。

3 结果与分析

3.1 间伐强度对红松人工林穿透雨率的影响

图1为8-9月不同间伐强度红松人工林试验样地穿透雨量与降雨量的比例，随间伐强度的增加，红松人工林的穿透雨率显著增加(P<0.05)，表现为对照区穿透雨率(84.8%)<中度区(92.6%)<极强区(93.3%)。在统计5 场降雨(总计279.7 mm)，中度区与极强区的穿透雨总量比对照区分别增加了20.2 mm与21.8 mm。

图1 不同间伐强度红松人工林穿透雨率

3.2 降雨等级对红松人工林穿透雨量的影响

由图2可知，当降雨等级为小雨时(3.5 mm)，中度区的穿透雨最大(97.1%)，对照区穿透雨量最小(77.1%)；当降雨等级为中雨、大雨及暴雨时，穿透雨量随间伐强度的增加而增加，极强区的穿透雨量最大，对照区穿透雨量最小；当降雨等级为大暴雨时(129.5 mm)，中度区与极强区的穿透雨量为降雨的101.1%和100.3%，说明当降雨量等级大于大暴雨，中度区与极强区林冠截留降雨达到了饱和状态[16]，林冠截留降雨的能力减弱，这可能受空间异质性的影响[17]。

小雨 中雨 大雨 暴雨 大暴雨

图2不同降雨等级下红松人工林的穿透雨率

3.3 降雨等级及林分间伐强度对红松人工林穿透雨进程的影响

图3 3.5 mm降雨时穿透雨产生进程

当降雨等级为小雨条件时(3.5 mm)(图3)，降雨初始强度为2.1 mm·(5 min)-1，各间伐强度区穿透雨产流起始时间与林外相同，极强区由于间伐强度相对较大，因此极强区穿透雨峰值时间与林外相同，为1.3 mm·(5 min)-1，5 min后林外降雨强度逐渐下降，此时对照区与中度区的穿透雨才达到最高值，为对照(1.1 mm)<中度(1.6 mm)。当降雨结束时，各间伐强度区穿透雨并没有因降雨结束而停止，产流结束时间相对延迟，表现为对照区(延迟5 min)<极强区(延迟10 min)<中度区(延迟15 min)。

图4 18.3 mm降雨时穿透雨产生进程

当降雨等级为中雨时(18.3 mm)(图4)，降雨初始强度为0.2 mm·(5 min)-1，当5 min后降雨强度逐渐增强至0.6 mm·(5 min)-1，此时各间伐强度区分别产生穿透雨，其穿透雨量与间伐强度成正比，表现为对照(0.1 mm)<中度(0.2 mm)<极强(0.3 mm)，10 min后降雨强度开始减弱，但各间伐强度区穿透雨量此时才出现第1个峰值，比林外降雨峰值延迟5 min，随降雨强度减弱各间伐强度区穿透雨没有而停止产流，35 min后出现第2个峰值时〔1.3 mm·(5 min)-1〕，各间伐强度区穿透雨量峰值表现为中度(0.7 mm)<极强与对照(1.0 mm)，各间伐强度区穿透雨产生峰值及延迟规律与第1个峰值一致，当出现第3次峰值时〔3.9 mm·(5 min)-1〕，各间伐强度区穿透雨量峰值表现为对照(2.6 mm)<中度(2.7 mm)<极强(2.8 mm)，穿透雨峰值及延迟时间与前两次相同，随后降雨逐渐减弱至结束，产流结束时间相对延迟，表现对照区与极强区(延迟10 min)<中度区(延迟15 min)。

当降雨等级为大雨时(30.5 mm)，林外降雨强度为0.2 mm·(5 min)-1(图5)，降雨15 min内没有加强，各间伐区中只有对照区在第15 min时产生1次穿透雨〔强度为0.1 mm·(5 min)-1〕，之后降雨暂停了15 min，此时各间伐区没有产生穿透雨。30 min后再次降雨并持续了15 min后结束，平均强度为0.3 mm·(5 min)-1，此时各间伐区与林外相比5 min后开始产生穿透雨，强度为0.2 mm·(5 min)-1。当出现第2次峰值时〔4.1 mm·(5 min)-1〕，各间伐强度区穿透雨产流起始时间及峰值产生时间与林外降雨一致，穿透雨量为中度(1.8 mm)<极强区(2.0 mm)<对照区(2.5 mm)，降雨结束后各间伐区的穿透雨产流结束时间与林外相比延迟20 min。

图5 30.5 mm降雨时穿透雨产生进程

当降雨等级为暴雨时(97.9 mm)，降雨初始强度为0.4 mm·(5 min)-1(图6)并在20 min内是迅速增强至3.9 mm·(5 min)-1，各间伐强度区穿透雨产流起始时间与林外降雨一致，峰值时强度均为2.2 mm·(5 min)-1，随后降雨强度开始减弱，在4 h内平均降雨强度仅为0.1 mm·(5 min)-1，但各间伐强度区穿透雨继续产流，当出现第2次峰值时〔强度为3.9 mm·(5 min)-1〕，林内随即产生穿透雨，时间与林外一致，穿透雨量为极强(2.4 mm)<对照(2.7 mm)<中度(2.8 mm)。本次降雨共出现3次较为明显的峰值，最高峰时降雨强度达7.6 mm·(5 min)-1，第3次峰值期间各间伐强度区穿透雨峰值产生时间与林外一致，各间伐区峰值时降雨强度为对照区〔3.1 mm·(5 min)-1〕，中度与极强区为3.0 mm·(5 min)-1，15时20分降雨开始逐渐减弱，强度在0.2 mm～0.4 mm·(5 min)-1之间，并持约9 h，产流结束时间表现为对照区(延迟0 min)<极强区(延迟5 min)<中度区(延迟10 min)。

图6 97.9 mm降雨时穿透雨产生进程

当降雨等级为大暴雨时(129.5 mm)，降雨初始强度为0.2 mm·(5 min)-1(图7)，并且较低的降雨强度持续约13 h，林内各间伐强度区穿透雨产流起始时间表现为对照区(延迟20 min)<极强区(延迟30 min)<中度区(延迟35 min)，穿透雨强度在0.1～0.5 mm·(5 min)-1之间，当降雨强度最大时〔3.2 mm·(5 min)-1〕，此时各间伐强度区穿透雨峰值时间与林外一致，穿透雨量表现为对照(2.2 mm)<极强(2.4 mm)<中度(2.7 mm)，随后降雨强度开始减弱，在当天21时55分降雨结束，各间伐区产流结束时间均延迟5 min

图7 129.5 mm降雨时穿透雨产生进程

总体上看，林内穿透雨产流起始时间与瞬时降雨强度关系密切，5 min内降雨强度大于1.3 mm以上时，林内穿透雨产流起始时间基本与林外相等，降雨强度低于0.4 mm以下时，林内穿透雨产流起始时间在5～30 min，不同间伐强度下降雨峰值都有所降低并且延迟5 min，降雨结束时的雨强越大，各间伐强度区穿透雨产流结束时间延迟越长；降雨结束时雨强越小、时间越长穿透雨产流结束时间延迟越短。起始降雨强度越弱，林内穿透雨产流时间越慢，各间伐区产流最早的是对照区，这是因为相对较密的林冠层在低强度降雨条件下能充分截留大部分降雨，使林冠层提前进入饱和状态，从而造成林分产流时间提前。相对于林外降雨，各间伐区都能降低达到峰值时降雨量，峰值时的穿透雨量与前期降雨强度、降雨时长密切相关，前期降雨强度大则各间伐强度区穿透雨量与间伐强度成正比，前期降雨强度越弱、降雨时间越长则穿透雨量与间伐强度成反比。

4 结论

穿透雨主要受降雨量、观测点与树干之间的距离以及林冠密度等影响。红松人工林穿透雨率随间伐强度增加而显著增加(P<0.05)。不同间伐强度红松人工林穿透雨量随降雨量增大而增大，当降雨量等级大于大暴雨级别时，中度区及极强区林冠截留降雨的能力达到了饱和状态，林冠截留能力减弱。

穿透雨产流的起始时间与降雨等级无关，与起始降雨强度有关，起始降雨强度越强，林内穿透雨产流时间越早，各间伐区起始产流强度与间伐强度成正比，即间伐强度越大，穿透雨强度越大。不同间伐强度均能减少降雨过程中的峰值，并延迟5 min。降雨结束时，雨强越大，各间伐强度区穿透雨产流结束时间延迟越长；降雨结束时雨强越小、时间越长穿透雨产流结束时间延迟越短。