运剑苇，刘淑婧，张卫华，靳军英，王大可，常 宝，曾凤铃

1.西南大学 资源环境学院，重庆 400715；2.天津市中水科技咨询有限责任公司，天津 300170；3.重庆两江源环境影响评价有限公司，重庆 401120；4.中冶赛迪重庆环境咨询有限公司，重庆 400014；5.重庆市涪陵区水利局，重庆 涪陵 408000

植被林冠层影响降雨在森林生态系统中的分配．近年来，人们对林冠截留的研究大都集中在野外条件下通过实测林外雨量与林内穿透雨及枝干径流等方法来研究林冠截留特征[1-3]．在林冠层的作用下，森林降雨先被树体表面截留，再到达土壤表面，在此过程中降雨部分蒸发[4]．雨水落至林冠层，其动能被枝叶削减，地表水流速度降低，土壤下渗能力得到提高[5-6]．影响林冠截留的因素有很多，如降雨特征、郁闭度、林冠结构、雨前枝叶干燥程度和树木种类等，为了反映这些因子对截留量的影响规律，很多专家学者尝试建立截留量与若干影响因子的回归方程，但研究结果不尽相同[7-9]．此外，亦有研究将林冠截留与水土保持相联系，探究林冠郁闭度、降雨量等对径流产生与土壤侵蚀的影响[10-11]．截至目前，关于林冠截留的研究对象也各有不同，如油松林[12-13]、樟子松林[14]、灌木[15]、草本植物[16]等，都具有很强的地域特色．

天竺桂(CinnamomumjaponicumSieb.)为樟科樟属亚热带常绿乔木，幼年期耐阴，喜温暖湿润气候，在排水良好的微酸性土壤上生长最好，中性土壤亦能适应．具有长势强、主根发达、耐水湿、根深固沙、抗风保土、抗烟尘、抗二氧化硫等特性，加上树姿优美，常被用作绿化树种，也是良好的用材林和防护林造林树种[17]．

三峡库区属太平洋季风气候，雨量丰富但时空分布不均，夏季降雨最多，春秋次之．当地紫色土分布广泛，多丘陵山地，容易发生水土流失．近年来大规模人工种植天竺桂，因此探究该树种对降雨的截留效应很有必要．但迄今为止，人们主要是研究天竺桂的造林、管护及其利用技术，包括育苗、病害防治和生物成分提取等，对天竺桂的降雨截留作用研究甚少．本研究以紫色土模拟下垫面，通过人工模拟降雨，研究天竺桂不同林冠郁闭度对产流以及截留的影响，为防治紫色土区的坡面侵蚀提供科学依据．

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤：三峡库区具有代表性的中性紫色土，采自重庆市北碚区西南大学紫色土试验基地，其成土母质为中生代侏罗系沙溪庙组(J2S)灰棕紫色沙泥岩，在国际土壤系统分类中归属于雏形土[18-19]．pH值6.50，容质量1.35 g/cm3，饱和含水量396.7 g/kg，按照国际制土壤质地划分标准属于粉砂质壤土，粘粒、粉粒和砂粒质量分数依次为73.7，461.5，464.8 g/kg．土样采集深度30 cm，拣去杂物，自然风干，过10 mm筛备用．

供试植被：不同部位天竺桂树枝，采自重庆市北碚区西南大学林学试验基地，枝叶生长良好，分布均匀，植株高度0.4 m，叶面积各不相同，具有代表性．

1.2 试验设计

在室内微型试验小区环境下，采用人工模拟降雨装置进行试验，根据中国科学院水利部西北水土保持研究所建立的土壤侵蚀人工模拟降雨系统技术指标，设置下喷式喷头，距地面高度为2.5 m，由计算机控制降雨历时，由管道泵、缓冲罐、电磁阀、远传压力表控制供水压力、降雨强度，可模拟雨强范围0.2～2.23 mm/min．根据三峡库区降雨丰沛，且多短历时、高强度暴雨的特点，确定试验雨强为0.75 mm/min[20]．试验前率定两次相邻雨强误差不超过5%、降雨均匀度达到90%以上．正式降雨前，先设置雨强0.38 mm/min的裸坡预降雨，至坡面开始产流停止，以保证每次试验前期土壤含水率一致．静置24 h后插上树枝，再进行正式降雨试验．

用长×宽×高=2 m×1 m×0.32 m的钢制土槽装填土壤模拟下垫面，土槽底部密封，侧面带有地表径流出水口．采用分层装填法控制模拟槽内土壤容质量为1.35 g/cm3，将土壤均匀填装进土槽，每5 cm一层，边填边压实，以减小边壁对入渗、产流、产沙过程及坡面侵蚀的微形态发育等诸多方面的影响，并使下垫面土壤条件的变异性最小．土槽坡度采用三峡库区坡耕地较常见的15°．试验装置如图1所示．

图1 试验装置图

试验于2018年3月15日至4月13日在西南大学资源环境学院水文与水资源实验室内进行．采用5枝不同的天竺桂树枝模拟5种林冠郁闭度，CK为对照试验(裸坡地)，共6个处理，3次重复．记录各场次降雨产生的径流量以及林冠截留量，建立不同郁闭度条件下林冠截留量随降雨量变化的截留模型，再引入郁闭度因子，对模型进行改进．

1.3 测定项目及方法

稳定径流强度：径流样品稳定后，用量筒测得的每分钟采集的径流量．

林冠郁闭度与叶面积指数(LAI)：采用树冠投影法，树冠在坡面上的投影面积与坡面面积比值即为林冠郁闭度；测定叶面积指数时，将树枝树叶摘下计算叶片数，选取一片具有代表性的标准叶片，采用质量比例法计算树叶总面积，树冠叶片总面积与树冠投影面积之比即为叶面积指数[21]．

林冠截留量：采用称质量法(利用泡沫板对水吸附能力弱的特点，移动树枝前将其小心放在树冠下，接住移动过程中不慎掉落的雨水)，通过树枝降雨前后的质量差值来确定截留量．计算公式如下：

(1)

式中：I为树冠截留量(mm)；M1为降雨后树枝的总质量(g)；M2为降雨前树枝的总质量(g)；M3为降雨后泡沫板的总质量(g)；M4为降雨前泡沫板的总质量(g)；ρ为水的密度(1.0 g/cm3)；T为树冠投影面积(cm2)．

1.4 数据处理

采用Excel(2013)，OriginPro(8.0)和MATLAB(2015b)对试验数据进行计算及模型拟合．

2 结果与分析

2.1 林冠郁闭度与叶面积指数

在人工模拟降雨截留试验中，6种处理下的树冠投影面积、相对应叶面积指数和林冠郁闭度如表1所示．

表1 6种覆盖模式下的投影面积及叶面积指数和林冠郁闭度

经过分析发现，林冠郁闭度和叶面积指数呈正相关，两者符合对数函数关系：

y=0.291 6lnx+0.463 2

(2)

式中：x为叶面积指数；y为林冠郁闭度；R2=0.968 9．

2.2 林冠郁闭度对径流与下渗的影响

植被对降雨产流的影响十分复杂，不同植物的生长过程、不同土地利用情况以及不同土质的降雨产流规律均有很大差异[22-23]．本试验以裸露坡面为对照，进行降雨产流试验．径流强度达到稳定时，不同郁闭度条件下的截留量已达到最大值，此时降雨只分为地表径流和下渗两部分，由试验得出不同郁闭度条件下的稳定径流强度，结果如表2所示．

表2 不同郁闭度条件下的稳定径流强度

用OriginPro (8.0)对试验结果进行处理，发现稳定地表径流强度与郁闭度呈抛物线关系：

y=-5.0110-5x2-6.4810-5x+0.402 4

(3)

式中：x为郁闭度；y为稳定地表径流强度；R2=0.973 8．

由于截留量达到最大值时，降雨只转化为地表径流和下渗两部分，由表2可知稳定地表径流强度随林冠郁闭度的增加而降低，所以稳定下渗率随郁闭度的增大而增加．5种林冠层覆盖条件下的稳定地表径流强度比对照分别减少了7.29%，17.09%，25.13%，47.53%和52.76%．

2.3 林冠郁闭度对截留的影响

影响植物截留的因素比较复杂，植物的实际截留量应包括冠层枝叶对雨水的吸附量和雨期蒸发引起的附加截留量．本试验是在室内无风条件下进行的，空气湿度较大，降雨历时较短，故可不考虑林冠截留水分的蒸发．

2.3.1 林冠截留量与降雨量

林冠截留能力是指在理想条件下林冠枝叶对任意降雨量的最大吸附量，随降雨量的增加而增加．当降雨量足够大时，林冠截留能力就等于林冠截留容量．所以，林冠截留容量是林冠截留能力的最大值，也是理想状态下的林冠截留量[24-25]．每次降雨结束后计算截留量，其截留量随降雨量的变化如图2所示．截留量随降雨量的变化大致分为3个阶段：快速增长阶段、缓慢增长阶段和稳定阶段．从降雨开始至0.75 mm左右，即降雨时长1 min左右时，5种郁闭度条件下的截留量均呈快速增长趋势；对于处理C4和C5，降雨量达到0.75 mm之前，林冠层截留量急剧增长；之后，降雨量从0.75 mm增大到3 mm时，截留量增长速度较为缓慢；当降雨量超过3 mm后，截留量逐渐趋于稳定，该2种处理的截留容量分别为0.13 mm和0.20 mm．处理C1，C2和C3的郁闭度条件下，其变化规律基本相同，在降雨量为1.8 mm左右时，截留量均达到最大值(0.06，0.08和0.09 mm)；此后均在较小的范围内波动．

图2 5种郁闭度下林冠截留量随降雨量的变化

截留容量随林冠郁闭度变化的趋势如图3所示．由图3可知，林冠截留容量随着郁闭度的增加而增大，且决定系数较高．在郁闭度从28.28%变化至45.19%时，坡面郁闭度增加了16.19%，截留容量增加了0.02 mm；郁闭度从45.19%增大至56.72%时，郁闭度增幅11.35%，截留量增大了0.04 mm；郁闭度从56.72%增大至66.09%时，坡面郁闭度增加了9.93%，而截留容量增大了0.07 mm．由此可见，高郁闭度条件下的截留容量的增幅较大，低郁闭度条件下截留容量的增幅较小．

图3 截留容量与郁闭度的关系

叶面积指数与截留容量的关系如图4所示．截留容量随着LAI的增大而增大，两者呈线性正相关，且相关性很高．

图4 截留容量与叶面积指数的关系

2.3.2 不同郁闭度条件下截留率随降雨量的变化

林冠截留率是林冠截留量与降雨量的比值，各处理郁闭度条件下截留率随降雨量的变化如图5所示．由图可以看出，林冠截留率随降雨量的增加先是快速降低，然后缓慢降低．降雨量为1.5 mm时的5种郁闭度条件下的截留率较0.13 mm时分别减少了5.57%，7.02%，11.06%，25.67%和33.12%；而降雨量从1.5 mm增加至3.8 mm时，5种郁闭度条件下的截留率分别比1.5 mm时减少了2.6%，2.84%，3.44%，4.38%和6.81%．降雨量相同时，郁闭度越高，截留率越大，在降雨初期，5种郁闭度条件下的截留率差别较为明显，当降雨量为0.13 mm时，各处理郁闭度的截留率分别为9.6%，12%，16.8%，34.4%和44.8%．随着降雨量的增大，5条曲线的走势越来越重合，截留率的值趋于相同且趋近于0．

图5 林冠截留率随降雨量的变化

2.4 截留模型拟合

根据本试验所得数据，运用MATLAB(2015b)对试验数据进行曲线拟合，发现5种郁闭度条件下的截留量与降雨量的关系符合模型：

Ic=a·exp(-b·P)+c

(4)

式中：Ic为林冠截流量；P为试验降雨量；a，b，c为模型参数，具体结果如表3所示．

表3 各郁闭度条件下的截留模型

上述截留模型只是反映了某个郁闭度条件下截留量随降雨量的变化趋势，虽然精度较高，但是没有把林冠郁闭度对截留的影响反映在模型中，所以对于这5种郁闭度条件以外的情况不能进行较好估算．因此，在得到5种郁闭度条件下的截流模型之后，借鉴党宏忠等[26]在青海云杉林冠截留与降水、林分郁闭度间的关系研究中构建包含林分郁闭度因子的改进模型方法，引进林冠郁闭度因子，在不改变原模型结构的前提下构建新的模型：

(5)

表4 包含郁闭度因子的改进模型

图6 改进模型的拟合效果图

由表4可得，改进后的模型决定系数为0.864 8，标准差为0.017 9，拟合精度仍然较高；从图6也可以看出，试验数据较为均匀地分布在改进模型拟合的数据面上下．所以，该模型在保证精度的前提下，能更全面地反映不同郁闭度和降雨量条件下天竺桂林冠层的截留效应．

3 结 论

5种郁闭度条件下，稳定地表径流强度分别为0.37，0.33，0.30，0.22，0.19 mm/min，较空白对照分别减少了7.29%，17.09%，25.13%，47.53%和52.76%．林冠层的截留作用有助于雨水下渗，减少径流，降低森林水土流失．郁闭度越高，其减流效果越好，越有助于防治降雨引起的土壤侵蚀．

林冠截留量随降雨量的增大，其变化分为3个阶段：快速增加-缓慢增加-稳定阶段；截留容量与郁闭度和叶面积指数分别呈指数正相关和线性正相关；5种郁闭度条件下，截留率与降雨量呈幂函数关系．

5种郁闭度条件下建立的截留模型拟合效果很好，而包含郁闭度因子C的改进模型(Ic=-a·exp(-b·PC)+c·C)决定系数为0.864 8，标准差为0.017 9，拟合精度仍然较高，能更全面地反映三峡库区天竺桂不同郁闭度和降雨量下冠层的截留效应．

4 讨 论

降雨、植被、地形、土壤特性等都会对水土流失造成一定的影响[27]，其中降雨是水土流失的原动力，雨滴打击地表造成土壤颗粒分离，被降雨形成径流搬运，最终导致土壤侵蚀，且诸多研究表明地表径流量与降雨量呈正相关[28-30]．植被向来是治理水土流失的首要选择，其林冠层能削减雨滴动能并截留降雨，其茎及落叶对径流流速起到减缓作用，根系能够改良土壤结构，改变土壤水分垂直运动通道和过水断面，增加土壤中的孔隙量[31]，增加水分入渗，这些都能够直接或间接地减少径流，从而减少水土流失．树枝林冠层与根系对水土流失的控制作用是不同方面的，本试验主要研究的是天竺桂林冠层对截留的影响，降雨过程中，林冠层的作用相当于一层屏障，可缓冲降雨强度，冠层郁闭度越高，就会有越多的雨水被削减动能、被截留及下渗，径流的产生也越少，对于坡面土壤起到很好的防护作用，对水土流失的控制也有好处．

降雨前期，枝叶比较干燥，在降雨发生后的一段时间，雨水吸收速度较快，截留量增幅较大，随着枝叶湿润程度的增加，吸水速率逐渐变慢，当枝叶达到饱和时，截留量稳定，因此，在一定郁闭度条件下，截留量随着降雨进行，会经历快速增加、缓慢增加、保持稳定3个阶段，其他专家学者也有相同的研究结果[32-33]．截留率是某一时段内的截留量与此时段降雨量的比值Ic/P，在降雨强度一定的情况下，降雨量随降雨历时线性增长，而截留量的增幅则随着枝叶湿润程度的增加而逐渐降低，此种情况下，截留率也逐渐降低．

目前，关于截留容量的测定方法包括人工降雨法和吸水法，吸水法测定简单易行，但其是一种理想状态下的林冠可吸附水量[34]，而人工降雨法与之相比更能反映真实的截留特征，并且在多次实验后也能根据测定的不同降雨量对应的截留量来确定截留容量，更具真实性．根据试验结果，对截留容量与郁闭度和叶面积指数进行相关性拟合，发现截留容量与林冠郁闭度呈指数关系，与叶面积指数呈线性正相关，此结果与杨中文等[22]、曾德慧等[35]的模拟实验结果一致．郁闭度较小时，随着郁闭度的增加，截留容量的增幅较小；而在郁闭度较大的情况下，随郁闭度的增加，截留容量的增幅较大．本试验截留量达到稳定状态时，并不是一个固定的值，而是在一个范围内变动，这可能是由于在降雨过程中，雨滴对树枝有一定的打击作用，使树叶的角度发生变化，从而使树叶的截留作用也发生改变，所以截留量的波动在雨强和降雨方向不变的情况下，可能与树叶的承重面走向和承重能力有关，而对于其具体的影响机理，还需要进一步研究．

本研究的截留模型是在经验模型的基础上通过试验数据拟合而成的半经验半理论模型，此类模型具有较强的实用性，研究应用较多．张焜等[32]、田凤霞等[36]的研究都表明其他影响因素相近的条件下，截留量与降雨量存在正相关关系，本研究结果与此类研究基本一致．Rutter等[37]利用水量平衡原理考虑了降雨期间蒸发带来的附加截留量来建立模型，本研究建立的模型由于降雨历时短，未考虑附加截留量的影响，对于历时长的降雨，可采用降雨期间蒸发强度及降雨历时资料扣除附加截留量即可．通过试验数据建立的不同郁闭度条件下的天竺桂截留模型拟合效果较好，建立的包含郁闭度因子的改进模型精确度亦较高，对天竺桂的截留情况具有很好的模拟效果．