林冠是森林与外界环境相互作用最直接和最活跃的界面层,通过遮荫、截留降水和蒸腾蒸发等作用参与森林生态系统水分循环^[1],林冠截留作为水文过程中的重要一环,是降雨在到达地面过程中发生的第一次水量分配^[2],它不仅影响降水的重新分配,还可以对降雨产生滞留作用及影响雨水中营养元素的输入等^[3],是森林生态系统重要的生态水文功能之一,在森林生态系统文循环中占居重要地位^[4]。森林林冠以其特有的结构,减少水分输入,影响地表径流,进而影响林地土壤的水分空间分布格局以及养分的循环和利用^[5],对林冠水文效应的研究,有利于探明森林对降水的分配机制。

林冠截留研究已经有100多年的历史^[6],国内外许多学者对林冠截留降水做了大量研究,掌握了大量的研究方法^{[2, 7]},获取了大量有关林冠截留量和截留率的实测数据^[8-10]。据研究,在茂密的森林中,林冠对次降雨的截留量可达10—20 mm,而林冠层的年截留量与年降雨量以及年内降雨的次数有关,其量可以达到年降水量的15%—45%^[11-12]。由于植被种类、密度、结构和气象条件的不同,截留量存在很大差异,一些地方的植被截留量可能占到降雨量的50%^[13]。关于林冠截留模型方面很多学者作了很多研究^[14-20],一些学者对杉木人工林对降水的截留作用作了研究^[21-22],但都是针对杉木人工林某一生长阶段对降水的截留作用,而要对杉木林不同生长阶段林冠截留特征进行研究则需要长期的定位观测,因此一直没有关于杉木人工林不同生长阶段对降雨截留的报道。本文以长时间的定位观测研究为基础,研究杉木人工林生态系统随着林分的生长,林冠层对大气降雨的截留动态变化,揭示各生长阶段杉木林林冠层对降水的截留作用,阐明不同生长阶段森林的水分分配机制影响及其生态学意义,为杉木人工林水文生态功能评估提供理论依据。

1 研究区基本情况 1.1 试验地概况

试验地设在湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站(会同生态站),该站位于湖南省西南部会同县境内,站内设有8个面积约2 hm²的试验小集水区,本研究选取第Ⅲ集水区作为研究对象,第Ⅲ集水区概况见表 1；第Ⅲ集水区在1987年年底皆伐第一代杉木人工林,1988年整地营造第二代杉木人工林。根据南方杉木人工林的生长速度规律,按5a为1个龄级,结合龄级将林分分为不同生长阶段^[5]。即1988—1992年为幼苗阶段；1993—1997年为幼龄阶段；1998—2002为中龄阶段；2003—2007年为近熟阶段,各生长阶段林分特征见表 2。林下代表植物主要有杜茎山Maesa japonia(thunb)Moritzi、狗脊Rhizoma cibotti、蕨类Pteridophyta等。

1.2 研究区降水分布概况 1.2.1 研究区降雨量

1983—2007年年降雨量如图 1所示,25a年均降雨量1312.6 mm。表 3为集水区1983—2007年每月林外降水观测数据。从表 3可以看出,25年间每年1—6月降雨次数(2256次)远大于7—12月(1353次),占全年降雨次数的62.51%；但是大的降雨量集中分布在4—8月份,这5个月的降雨次数占总降雨次数的44.22%,但是降雨量却占总降雨量的 62.02%,而其余各月的月平均降水量均不足100 mm。另一方面9—12月,降雨次数和降雨量明显减少,属于相对干旱阶段;从12月到次年3月则进入降雨事件频发但降水量不高的阶段。总之,研究区年降雨量分布不均匀,年降水量主要依赖4—8月降雨。

1.2.2 研究区降雨强度

表 4为1983—2007年间研究区降雨按降雨强度统计结果,研究区一次性降雨强度在 0.5—5.0 mm/d的日降水量小于10 mm/d的降雨(小雨)总次数为2656次,占总降雨次数的73.59%,小雨的总降雨量为 7660.0 mm/d,占总降雨量的23.34%。在3609次降水中,出现在10—25 mm/d以及25—50 mm/d的中雨和大雨的降雨量,分别占总降雨量的30.76%和28.69%,但其降雨次数分别只占17.21%和7.09%；降雨量大于 50 mm/d的暴雨和大于100 mm/d大暴雨等高强度的降雨次数只有76次,占总降雨次数的2.11%,它们的总降雨量却高达5645.0mm,占总降雨量的17.20%。因此可以看出,在该研究区域内,小雨的降水次数虽然多,但是中雨、大雨和暴雨的降雨量却占了总降雨量主要的一部分。

2 研究方法

本研究选取第Ⅲ集水区杉木人工林为研究对象,采用小集水区径流场综合试验法^[23],从1995年林分接近郁闭开始记录林内穿透水。

第Ⅲ集水区降水数据(P)主要收集装置是气象梯度观测铁塔顶上(22 m高)和距离集水区约200 m的林外空旷地安装遥测雨量计,该装置可以连续测定降水量和降水强度。同时,在相同地点利用普通雨量计测定降水量作为对照。分别在第Ⅲ集水区的山洼、山麓、山坡3个部位设置一个18—20m²的穿透水承接装置,用SW-40型日记水位计测定穿透水的量。

穿透水量(P_t)按下列公式换算成mm：

(1)

式中,P_t为穿透雨量(mm),Δt为时距(min),H为平均水头高(cm),A为穿透水承接装置的水平面积(m²)。

树干径流P_s(mm)采用聚乙烯塑料管蛇形缠绕于树干,并用沥青封好、在适当的位置打孔,将水导入塑料管中,塑料管的下端接入一个特制的盛水溶器中。根据林分的株数密度和林分的径阶分布规律,将样木的树干实测茎流量换算成单位面积的流量(mm)。

截留量P_I根据水量平衡方程估算得出,按下列公式计算截留量P_I(mm):

(2)

式中,P为降雨量(mm),P_t为穿透水(mm),P_s为树干径流(mm)。

3 结果与分析 3.1 不同雨量级下林冠截留特征

由于杉木人工林生态系统的幼龄阶段、中龄阶段和近熟林阶段的冠层结构相差很大,因此,对于林冠截留降雨的研究应根据不同年龄阶段分别进行研究,将各阶段的一次性降水的实测数据按不同年龄阶段及不同雨量级统计成表 5。第Ⅲ集水区的第2代杉木林是1988年春造林,林冠截留是从1995年5月1号开始观测的,所以表 5中没有1995年前的数据。从表中可看出,3个不同林龄阶段的杉木人工林的林冠截留量和截留率在不同的雨量级下发生变化。在降雨量＜1.0 mm时,3个阶段杉木林截留率随降雨量的增加而减小,但是减小的幅度有所不同,一次性降水在0.5 mm以下时,3个阶段杉木林能基本截留全部降水,截留率为98%以上；在中龄和近熟阶段,0.7—1.0 mm时的截留率都能在90%以上,但是在幼龄阶段,却下降到了86%。在1.0—2.0 mm阶段时,各阶段杉木林截留率均有一个巨大的下降。值得注意的是,在雨量级为1.0—2.0 mm阶段时,幼龄阶段、中龄阶段及近熟阶段的截留率分别是48.1%、48.7%和47.1%,各阶段截留率没有显著差异,而到2.0—4.0 mm阶段时,幼龄阶段、中龄阶段和近熟阶段截留率为30.52%、38.4%和44.1%,与1.0—2.0 mm时林冠截留率差值达：17.58%、10.3%和3%,此时各阶段的的林冠截留率就有了很大的差别,这说明对于在降雨量小时,各林龄阶段林冠截留率没有太大的差别,但是在降雨量大时,各林龄阶段林冠截留发生很大的改变,近熟阶段的杉木林林冠能截留住更多的降雨。

此外,近熟龄阶段的杉木人工林生态系统中,当降雨量在4.8 mm时,截留水量1.8 mm,截留率为37.5%;雨量增加到24.4 mm,截留量增加到8.0 mm,截留率反而减少到32.8%,一次降水量在40 mm时,林冠截留雨量达到了11.6 mm,当降水量增加到65.7 mm,截留量只增加到11.7 mm,截留率从31.5%下降到了23.9%,截留量随降水量增大而增大,但它们不是呈线形相关,当截留量达到饱和时,随着降雨量的增加,截留量不会再有很大的变化,而截留率却是随着降雨量的增加而减小。林冠截留作用不是无限的,林冠对降水的截留量有一个阈值,这个阈值将随着林分的年龄不同而改变,一般林分刚好完全郁闭时,其叶面积指数达到最大值,此时的林分截留量最大。根据推导和表 5中60 mm以上雨量级的截留量结果表明,阈值在11—12 mm之间,随着降雨强度的进一步增大,林冠截留的能力逐渐降低。

3.2 杉木林林分各生长阶段林冠截留作用

从表 6可以看出,杉木人工林不同生长阶段林冠对降水输入再分配的月分布规律相近但又存在差异,林分各生长阶段穿透水都会随着降雨量的增加而增加；同时随着年龄的增加,林冠截留能力加强,所以各生长阶段林分年平均林冠截留率会有差异。

林分不同生长阶段年均截留率分别为：幼龄阶段(27%) ＜中龄阶段(27.86%)＜近熟阶段(29.47%)。分析林分生长各阶段月截留率,可以看出,处于不同生长阶段的杉木林林分截留率季节变化规律相似,即1—3月份降雨量较少,截留率较高,从4月份开始进入雨季,随着降雨量和降雨强度的增加,截留率开始减小,这一状况一直持会续到8月,随着雨季的结束截留率也会反弹；而进入9月份后降雨总量和降雨天数相对减少,两次降雨间隔期变长,冠层一直处于不饱和状态,林冠截留率会增加；并且在10月份降雨量又有一个反弹的现象,所以9、10、11 3个月份的截留率变化幅度非常大,一直到12月份,截留率才趋于稳定。一年中,截留率的最小值一般会出现在5—7月,这段时间也是大雨和暴雨频发的时期。总之,4—8月,由于月平均降雨量增加,降雨截留量也增加,但是截留率处于较低水平；而在其他月份,林冠截留损失量较少,截留率比较高。在降雨量较少的几个月份(1—3月及9—12月),随着林分的生长,林冠的截留率增大的比较明显,比如幼龄阶段1月份平均截留率为26.5%,到中龄阶段1月份平均截留率增加到30.70%,近熟阶段增加到33.10%；但是在降雨量较高的月份(4—8月),林分各生长阶段截留率的差异不大,在月降雨量在240 mm以上时,林分各生长阶段截留率均不到25%。对比林分不同生长阶段各月的截留率,也可以看出随林分的生长截留率也在增大。

总体而言,杉木人工林不同生长发育阶段林冠对降水输入的再分配情况存在一定差异,而这些差异可能是因为林分自身因素改变造成的,如林分结构变化,随着林分的生长发育,林冠层的结构特征不断变化,速生阶段随着林冠层冠幅和冠层厚度的增加,林冠层开始发挥截留作用,当进入中龄阶段后,林冠层进一步郁闭,所以相比幼龄阶段而言,中龄阶段林冠对降水输入的再分配作用更为明显,当林分生长到近熟阶段后,林冠层结构达到稳定,对降水输入的再分配过程基本上也趋于稳定。

3.3 Fan模型对杉木人工林林冠截留的模拟 3.3.1 Fan模型参数确定

林冠截留模型是模拟和估算林冠截留量的重要方法之一,国内外学者已在不同地区、不同林分类型建立了许多林冠截留模型。范世香模型(简称Fan模型)^[12]推导逻辑性较强,参数较少物理意义明确,应用简便,限制因素少,特别是不受气象因子限制。Fan模型在具体应用过程中,根据林分特征,将林分划分为完全郁闭和不完全郁闭两种情况,本研究中属于林分不完全郁闭情况,因此以下计算公式：

采用当 P＜H 时,

(3)

当 P≥H 时,

(4)

式中,P为降雨量,H为冠层最厚密处的饱和截留量,W为林分最大截留能力,α为郁闭度,β为综合参数。模型推导过程参见参考文献^[12]。

取3阶段的最大截留量对应的降雨量为冠层最厚密处的饱和截留量H,所对应的数值为冠层最大截留能力I,3个阶段的郁闭度分布为：0.4,0.65,0.7,通过公式(4) 计算W。所以,3个阶段的林冠截留能力模型分别为：

幼龄阶段

中龄阶段

近熟阶段

3.3.2 模拟结果

表 7为各阶段的实测值与模拟结果,从实测林冠截留与模拟值比较来看,Fan模型对各阶段杉木人工林林冠截留的模拟较为理想。

4 讨论

研究结果表明,杉木人工林林分不同生长阶段对降雨的截留存在差异,特别是幼龄阶段和近熟阶段的差异尤为明显。一些研究结果表明,不同的林冠类型的截留量存在显著差异,主要是林分年龄差异造成的^[24-25]。谢刚等^[26]在对不同林龄香椿对林冠截留雨水的影响中也发现,随着林龄的增长,林内穿透水量减小。不同龄级之间降水截留的差异,主要是因为各龄级冠层结构不同引起的；幼龄林处于林分的幼龄阶段,林分的郁闭度只有0.4,林冠层没有充分郁闭,降雨会通过这些空隙直接到达林地,有研究报道,林冠层的持水能力与叶面积指数有关,持水能力随叶面积指数的增大而增大^[27],在该阶段林分的叶面积指数仅为4,所以这个阶段截留量相对较低；当林分生长到到中龄阶段,林分随着枝条伸展林冠郁闭度达到了0.65,叶面积指数达到6.2,此时林冠的持水能力增强,林冠的截留量也随之增强；林分进入近熟阶段时,林分的郁闭度达到0.7,叶面积指数为7,林冠的截留量会进一步增多。随着林分不同演替阶段,林冠郁闭度和叶面积的改变,截留量会增加,穿透水则会减少,与彭焕华等^[28]对祁连山青海云杉林冠层持水能力的研究结果相似,林外降雨量和林冠穿透雨量之间呈显著的线性关系。

杉木人工林林冠截留率与总降雨量呈负相关关系：低降雨量时,会有较高的林冠截留率。这与以前的研究结论相似^{[25, 29-31]}。在本研究中,当降雨量在0.5 mm时,林分各生长阶段截留率均为100%；而总降雨量在130 mm时,幼龄阶段林分截留率仅为5%,中龄阶段及近熟阶段林分截留率为9%。有研究发现^[31]阵雨时随降雨量增大,截留率减少的变化非常显著,降雨量在5 mm以下时,截留率为80%,而降雨量增加到60 mm以上时截留率仅为20%。此时截留率的减少的主要是林冠饱和截留容量已经达到上限。在小雨事件时,降雨通过凝聚力和表面张力被截留在冠层,而截留量达不到林冠饱和截留容量时,林内就会出现穿透水,这也是为什么小雨时会出现相对较高的截留率；但在大雨时,林冠饱和截留容量很快就被暴雨饱和,冠层只能截持很小比例的降雨量,大部分的降雨几乎都会通过穿透水和树干径流形式到达地面,所以大暴雨时林冠截留率相对较低,这也说明降雨量是影响降雨再分配的关键因子^[32] 。值得注意的是,截留率对于不同的降雨量或者暴雨不同阶段有不同的响应。在小雨或暴雨初期时,冠层表面湿度随着截留降雨量的增加迅速变化,截留率也迅速变化；在降大雨或者林冠截留容量达到饱和后,降雨量持续增加,冠层湿度还是保持在一个恒定的状态,林冠截留量也不会增加,而截留率也随之变小。所以,可以说冠层结构式是小雨时控制截留量的主导因素,而在大雨时降雨雨情在截留过程中起决定性作用。从降雨强度与林冠截留的关系上来看,随着降雨强度的增强,林冠截留量相对增强,截留率降低,近熟林比幼龄林暴雨的情况下,能够截留更多的降水,这说明近熟林在暴雨气候条件下,能够更好地发挥其林冠的截留作用,相对地减少林内降雨。

杉木人工林截留量的季节变化格局主受当地气候条件及降雨类型的影响。在研究区,绝大多数降雨量集中分布在4—8月,并且暴雨频发,冠层表面经常保持湿润,因此,在这段时期截留降率相对较低,幼龄林阶段为20.2%,中林龄为23.5%,26.5%；而在9—11月,降雨总量和降雨天数相对减少,林冠层很容易在两次降雨间隔期内变得干燥,冠层一直处于不饱和状态,林冠截留降水量增加,截留率增加,此时3个阶段的截留率为27.5%,28.1%和30.1%；从12月到次年3月,降雨主要以小雨为主,截留量相对较高,这主要是因为林冠截留容量达不到饱和。罗忠^[33]2009年对23a生的枫香林林冠截留进行研究,其研究结果小于本研究中杉木人工林近熟林,这主要是由于选择的枫香林,虽然林龄23a,与本研究中近熟阶段一致,但其林分密度,胸径,郁闭度都小于本研究中近熟阶段的杉木人工林,因此其林冠截留能力也小于近熟阶段的杉木人工林。

从本研究结果中可得知杉木人工林幼龄阶段截留能力最小,而近熟阶段截留能力最大,根据邓湘雯^[5]对同时期杉木人工林径流的研究表明,在杉木的幼龄阶段,地表径流系数为1.98,中龄阶段为2.22,近熟阶段则为0.93,在杉木的幼龄阶段,这并不能说采伐森林或幼林具有很强的调控能力,而是人为干扰增大了土壤的渗透性能,使那些本来可以形成地表径流的水量渗入到土壤中,从地下径流系数上来看,近熟阶段(16.00) ＜中龄阶段(23.37) ＜幼龄阶段(26.52) ,近熟阶段的地表径流和地下径流系数明显降低,说明杉木人工林生态系统对径流的调配能力增强,这首先与近熟阶段能截留更多的降雨,减少穿透水的形成,其次与近熟阶段形成的较厚的枯落物层有关,此外,在近熟阶段杉木林蒸腾作用增大,近成熟林分的蒸腾作用将消耗大量的水分,加速了土壤水流动速率,促进了林分水循环过程。

5 结论

(1) 随着杉木人工林林分生长发育,林分降雨截留量增大,林分各生长阶段林冠截留率排序为近熟阶段(29.47%)>中龄阶段(27.86%)>幼龄阶段(26%)。(2) 不同生长阶段的杉木人工林的林冠截留量随着降雨量的增大首先呈现上升趋势,当到了稳定阶段,不再随雨量的增加或增加极小。截留率与降雨量有很大的关系,在相同降雨量的情况下,近熟林的截留率>中龄林的截留率>幼龄林的截留率。(3) 降雨强度对林冠截留有较大影响,在小雨和中雨情况下,截留率呈现出近熟阶段>中龄阶段>幼龄阶段；在大、暴雨的情况下近熟阶段和中龄阶段截留率依然明显大于幼龄阶段,杉木人工林各生长阶段林冠截留作用不同,在针对杉木人工林保持水土作用经营方针时,应考虑林分各生长阶段林冠截留的差异。(4) Fan模型对杉木林各阶段林冠截留模拟效果较好,可运用于会同杉木林生态系统。(5) 近熟杉木人工林涵养水源功能更强。