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Time lag effects of throughfall in natural Larix gmelinii forest in the north of Great Xing’〖KG-*4〗an Mountains, China.

大兴安岭北部兴安落叶松林穿透雨延滞效应


以黑龙江漠河生态站兴安落叶松天然林为研究对象,对林外雨、穿透雨和树干茎流进行定位观测,分析大兴安岭北部兴安落叶松林穿透雨延滞效应.结果表明: 穿透雨量、树干茎流量和林冠截留量分别占同期降雨总量的76.5%、2.6%和20.9%.降雨发生后,穿透雨与林外雨在产生和终止时间上均存在一定延滞性;随降雨量级增大,穿透雨滞后时间表现出逐渐缩短的趋势,变动范围为(67.8±7.8)~(17.2±3.9) min(穿透雨)和(112.0±38.8)~(48.3±10.6) min(树干茎流);相同降雨量级下,穿透雨滞后时间随降雨强度增大而逐渐降低,且降雨强度>2 mm·h-1时延滞时间显著缩短,同时随雨前干燥期的增加而增长,而当雨前干燥期≥48 h时,降雨量则是影响滞后时间的主要因素;降雨终止时,降雨量>5.0 mm,穿透雨终止时间也存在延滞性,且随降雨强度增加而增大,但与雨前干燥期关系不明显;树干茎流终止时间先于林外雨终止时间,且主要与降雨量级有关,降雨量级越小,终止时间越早.

Based on a natural Larix gmelinii forest from Mohe Ecological Station, located in north of Great Xing’an Mountains, time lag effects of throughfall inside the Larix gmelinii forest were analyzed by measuring rainfall, throughfall and stemflow with the method of location observation. The result showed that forest throughfall, stemflow and canopy interception accounted for 76.5%, 2.6% and 20.9% of total rainfall, respectively. Time lag of rainfall inside L. gmelinii forest was found both in beginning and termination of rainfall compared to outside, and the higher the rainfall level, the shorter the time lag of throughfall. For throughfall and stemflow, variations of time lag were (67.8±7.8)-(17.2±3.9) min and (112.0±38.8)-(48.3±10.6) min, respectively. The time lag of throughfall decreased with the increasing rainfall intensity under the same rainfall level. When the rainfall intensity was greater than 2 mm·h-1, the time lag of throughfall was shortened significantly, but it increased with prolonging the antecedent dry period before rainfall. Rainfall would be the critical factor to affect the time lag of throughfall when the antecedent dry period was longer than 48 h. Termination of throughfall also lagged when rainfall termination happened with a rainfall greater than 5.0 mm. The time lag of throughfall termination increased with increasing the rainfall intensity, but it had no significant relationship with the antecedent dry period before rainfall. However, the termination of stemflow occurred prior to
rainfall, which was relevant to the rainfall level, and the smaller the rainfall level, the sooner the stemflow terminated.


全 文 :大兴安岭北部兴安落叶松林穿透雨延滞效应∗
刘玉杰  满秀玲∗∗  盛后财
(东北林业大学, 哈尔滨 150040)
摘  要  以黑龙江漠河生态站兴安落叶松天然林为研究对象,对林外雨、穿透雨和树干茎流
进行定位观测,分析大兴安岭北部兴安落叶松林穿透雨延滞效应.结果表明: 穿透雨量、树干
茎流量和林冠截留量分别占同期降雨总量的 76.5%、2.6%和 20.9%.降雨发生后,穿透雨与林
外雨在产生和终止时间上均存在一定延滞性;随降雨量级增大,穿透雨滞后时间表现出逐渐
缩短的趋势,变动范围为(67.8±7.8) ~ (17.2±3.9) min(穿透雨)和(112.0±38.8) ~ (48.3±
10.6) min(树干茎流);相同降雨量级下,穿透雨滞后时间随降雨强度增大而逐渐降低,且降雨
强度>2 mm·h-1时延滞时间显著缩短,同时随雨前干燥期的增加而增长,而当雨前干燥期≥
48 h时,降雨量则是影响滞后时间的主要因素;降雨终止时,降雨量>5.0 mm,穿透雨终止时间
也存在延滞性,且随降雨强度增加而增大,但与雨前干燥期关系不明显;树干茎流终止时间先
于林外雨终止时间,且主要与降雨量级有关,降雨量级越小,终止时间越早.
关键词  大兴安岭;落叶松;穿透雨特征
文章编号  1001-9332(2015)11-3285-08  中图分类号  S791  文献标识码  A
Time lag effects of throughfall in natural Larix gmelinii forest in the north of Great Xing’an
Mountains, China. LIU Yu⁃jie, MAN Xiu⁃ling, SHENG Hong⁃cai (Northeast Forestry University,
Harbin 150040, China) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(11): 3285-3292.
Abstract: Based on a natural Larix gmelinii forest from Mohe Ecological Station, located in north of
Great Xing’an Mountains, time lag effects of throughfall inside the Larix gmelinii forest were ana⁃
lyzed by measuring rainfall, throughfall and stemflow with the method of location observation. The
result showed that forest throughfall, stemflow and canopy interception accounted for 76.5%, 2.6%
and 20.9% of total rainfall, respectively. Time lag of rainfall inside L. gmelinii forest was found both
in beginning and termination of rainfall compared to outside, and the higher the rainfall level, the
shorter the time lag of throughfall. For throughfall and stemflow, variations of time lag were (67.8±
7.8) -(17.2±3.9) min and (112.0±38.8) -(48.3±10.6) min, res⁃pectively. The time lag of
throughfall decreased with the increasing rainfall intensity under the same rainfall level. When the
rainfall intensity was greater than 2 mm·h-1, the time lag of throughfall was shortened significant⁃
ly, but it increased with prolonging the antecedent dry period before rainfall. Rainfall would be the
critical factor to affect the time lag of throughfall when the antecedent dry period was longer than
48 h. Termination of throughfall also lagged when rainfall termination happened with a rainfall grea⁃
ter than 5.0 mm. The time lag of throughfall termination increased with increasing the rainfall inten⁃
sity, but it had no significant relationship with the antecedent dry period before rainfall. However,
the termination of stemflow occurred prior to rainfall, which was relevant to the rainfall level, and
the smaller the rainfall level, the sooner the stemflow terminated.
Key words: Great Xing’an Mountains; Larix gmelinii; throughfall characteristics.
∗国家自然科学基金项目(31170420)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: mannefu@163.com
2015⁃01⁃22收稿,2015⁃07⁃02接受.
    森林植被在涵养水源、减少径流泥沙含量、延缓
径流速率、消减洪峰、增加枯水期流量以及净化水质
等方面有着重要作用[1-4] .森林植被对区域降水量无
显著影响,但对降水再分配有着举足轻重的作
用[5];森林能够降低雨滴对地面的击溅作用,从而
有效地防止土壤侵蚀[6] .因此,关于森林与水之间关
应 用 生 态 学 报  2015年 11月  第 26卷  第 11期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, Nov. 2015, 26(11): 3285-3292
系的研究成为近年来森林生态学领域的热点问
题[7] .林冠是森林生态系统水分传输的第一界面
层[8],不仅改变了降雨的空间分布格局,而且影响
了穿透雨的发生时间[9] .穿透雨在森林生态系统水
分循环和水量平衡中占有重要地位,并对局域或整
个集水区的水分循环有重要影响[10] .森林的存在所
引起的生态系统内降雨时空分布的变化,是一个复
杂的、动态的变化过程,受到林分特征[11]、降雨特
征[12]、林分内外局地小气候等因素直接或综合的影
响[13] .林外雨经过林冠的重新分配后,穿透雨及地
表径流在产生时间上表现出一定的延滞性,从而对
削弱洪峰、减少水土流失等具有一定的积极作
用[14] .研究穿透雨延滞效应,对于评价典型植被的
水土保持作用、揭示植被冠层影响下的水分循环机
理具有十分重要的意义.
大兴安岭是我国唯一的寒温带地区,地带性植
被为兴安落叶松林,大面积的森林是松嫩平原与呼
伦贝尔草原的天然屏障,维护着东北地区的生态平
衡,已有众多学者对其生态水文功能进行研究,如大
兴安岭北坡和南坡的兴安落叶松林降水截留分配特
征[15-16]、不同林型的降雨再分配规律[17-19]等,为深
入了解该地区森林生态系统的生态水文功能和作用
提供了大量可靠的数据.百余年来,大兴安岭林区森
林植被遭到很大程度破坏,水源涵养能力下降,水土
流失严重[15],自从国家实施天保工程以来,该地区
落叶松群落得到较好恢复.本文通过对兴安落叶松
林的定位观测,探讨兴安落叶松林林冠对不同降雨
事件的延滞效应,深入了解了兴安落叶松林的水文
过程和作用机制,揭示其延滞林内降雨、保持水土的
功能,以期为研究区天然林保护、经营与管理提供理
论依据.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
研究区位于黑龙江漠河森林生态系统定位研究
站.该地区属于寒温带大陆性季风气候,冬季漫长而
寒冷,夏季短暂而温热,年平均气温-4.9 ℃,年均降
水量 431.2 mm,降水多集中于 7—8月,初霜在 9 月
初,终霜在 5月中下旬,全年平均无霜期为 89 d.森
林植被系欧亚大陆寒温带明亮针叶林,主要乔木树
种为兴安落叶松(Larix gmelinii)、樟子松(Pinus syl⁃
vestnisvar var. mongolica)和白桦 ( Betula platyphyl⁃
la),还有少量的杨树(Popnulus)、柳树(Salix)、榆树
(Ulmus pumila)等树种.主要灌木有兴安杜鹃(Rho⁃
dodendron dauricum)、杜香 ( Ledum palustre)、越橘
(Vaccinium vitis⁃daea)等.土壤以棕色针叶林土为
主,局部地带有草甸土和沼泽土,并有永冻层存在.
1􀆰 2  样地设置
落叶松天然林固定样地设置于 2012年,样地面
积 100 m×100 m,选择样地内典型地段,安放观测装
置,于 2014年 5—9月对穿透雨和树干茎流进行定
位观测.根据固定样地的每木检尺数据可知:树种组
成为:落叶松 ∶ 白桦 ∶ 杨树= 1 ∶ 1 ∶ 1,落叶松平均胸
径为 12.7 cm,平均树高为 16.52 m,其他树种平均胸
径为 7.5 cm,平均树高为 9.8 m,林分郁闭度为 0.7.
1􀆰 3  测定方法
1􀆰 3􀆰 1林外雨测量   在距离林缘约 200 m 的空旷
处,距离地面 1 m高水平放置美国 ONSET公司生产
的 HOBORG3⁃M翻斗式雨量自记仪,测定林外降雨,
并在附近放置 2个 PVC材料直径 20 cm 的雨量筒,
以备修正.
1􀆰 3􀆰 2穿透雨(TF)测定  在样地内选择 5 处,沿等
高线向外安置直径 20 cm、长 1.6 m 的 U 型收集器,
收集器距地面 1 m高,其中 3处选在林冠下,用以分
析穿透雨延滞性.收集器与美国 RG3⁃M 型雨量自记
仪相连,记录穿透雨量和产生过程.穿透雨量计算公
式如下:
TF = 1
n∑

i = 1
TF i / FAi
式中:n为林内 U型收集器重复数,n = 5;TF i为每次
降雨第 i 个林内收集器穿透雨量(mm);FAi为第 i
个收集器面积(cm2).
1􀆰 3􀆰 3树干茎流(SF) 测定   选择林冠枝叶结构能
代表平均林冠的样木 5 株,将高密度不透水泡沫板
内壁用刀修成斜面,斜面最低处挖 1个导水小槽,小
槽的最低端与聚乙烯塑料管相接将树干茎流导入美
国 RG3⁃M型雨量自记仪,将泡沫板环绕于树干上,
用勒死扣勒紧,并用玻璃胶密封各接缝处,以确保树
干茎流全部流入聚乙烯塑料管下的雨量自计仪中.
树干茎流量计算公式如下:
SF = 1
n∑

i = 1
SF i / FAi
式中:SF为研究地单位面积平均树干茎流量(mm);
n为观测林木的个数,n= 5;SF i为每次降雨第 i 棵树
的树干茎流量(mm);FAi为第 i 棵树林冠投影面积
(cm2).
1􀆰 3􀆰 4树冠截留量  忽略降雨过程中蒸发量的树冠
截留量计算公式如下:
6823 应  用  生  态  学  报                                      26卷
I=P-(TF+SF)
式中: I 为林冠截留量 ( mm); P 为林外降雨量
(mm);TF 为穿透雨量 ( mm); SF 为树干茎流量
(mm).
应用 Excel 2010 和 SPSS 20.0 软件进行图表绘
制及统计分析.
2  结果与分析
2􀆰 1  观测期间林外雨特征
由图 1 可以看出,研究区降雨量级<5.0 mm 的
降雨事件发生频率最大, 达 75%, 降雨量级
>20.0 mm的发生频率相对较低,仅为 7.1%,平均降
雨量为 5.17 mm,变异系数为 1.66,说明观测期内研
究区降雨量呈不均匀分布.最大降雨强度达 22􀆰 40
mm·h-1,最小雨强为 0. 11 mm·h-1,平均雨强为
2􀆰 39 mm·h-1,变异系数为 1.42,雨强<0.5 mm·h-1
的降雨事件占 21.4%.单场降雨最长历时为 48.92 h,
最短历时为 0.08 h,平均历时为 5.84 h,变异系数为
1.63;降雨历时 < 2 h 的降雨发生频率最高,达
48􀆰 2%,降雨历时≥12 h的降雨发生频率最低,均为
7􀆰 1%.雨前干燥期为 12~24 h 的降雨事件发生频率
最高,为 28.6%,雨前干燥期<8 h 的降雨发生频率
最低,仅为 5.4%,其他各区段频率变化不大.观测期
内降雨事件表现出小雨强、长历时、降雨集中的特
征,且以降雨量级<5.0 mm的降雨为主.
2􀆰 2  林冠层降雨的输入与分配
穿透雨由穿透雨和树干茎流两部分组成.由表 1
可知,随降雨量级增大,穿透雨率呈递增趋势,从降
雨量级<2.0 mm时的 52.1%上升到降雨量级 20.0 ~
50.0 mm时的 84.1%,增加了 0.62倍;林冠截留率的
变化规律与穿透雨率相反,降雨量级<2.0 mm时,林
冠截留率最高,为 47.9%,之后随降雨量级的增加而
逐渐降低至 12.5%.降雨量级≥2.0 mm时,产生树干
茎流,树干茎流率为 2.1%,且随降雨量级增大呈波
动式变化.研究发现,降雨事件发生时,降雨特征不
同,穿透雨特征也会发生相应的变化(如穿透雨与
林外雨发生时间上的不一致性),其中,降雨量级是
影响穿透雨特征的最主要因素.类似的研究结论在
其他不同类型林分中也有报道[20-21] .
2􀆰 3  降雨量与穿透雨延滞效应的关系
降雨经林冠向下传输进入林内的过程中,林冠
对降雨进行了重新分配,致使穿透雨与林外雨在数
量和形成过程上有很大不同.由表 2 可以看出,降雨
量级<2.0 mm时,林外雨发生(67.8±7.8) min 后才
产生穿透雨,而降雨量级为 20.0 ~ 50.0 mm 时,穿透
雨的产生仅需要(17.2±3.9) min,两者相差近4倍,
图 1  研究区降雨分布特征
Fig.1  Rainfall distribution characteristics in the study area.
表 1  兴安落叶松天然林不同降雨量级降雨再分配
Table 1  Redistribution of rainfall under different rainfall levels in larch forest
雨量级
Rainfall level
(mm)
降雨量
Precipitation
(mm)
穿透雨
Throughfall
mm %
林冠截留
Interception
mm %
树干茎流
Stemflow
mm %
<2.0 16 8.33 52.1 7.67 47.9 0.00 0.0
2.0~5.0 44.8 29.56 66.0 14.31 31.9 0.93 2.1
5.0~10.0 28.8 21.58 74.9 6.86 23.8 0.36 1.3
10.0~20.0 74.6 56.53 75.8 17.88 24.0 0.20 0.3
20.0~50.0 125.2 105.34 84.1 15.59 12.5 4.27 3.4
合计 Total 289.4 221.33 76.5 60.54 20.9 7.53 2.6
782311期                        刘玉杰等: 大兴安岭北部兴安落叶松林穿透雨延滞效应           
表 2  落叶松林在不同降雨量级下穿透雨与树干茎流产生和终止的滞后时间
Table 2  Time lag of appearing and termination time of the throughfall and stemflow under different rainfall levels in larch
forest
雨量级
Rainfall
level
(mm)
穿透雨的滞后时间
Time lag of
throughfall
(min)
降雨与穿透雨终止的时间差
Time difference of
termination between rainfall
and throughfall (min)
树干茎流的滞后时间
Time lag of
stemflow
(min)
降雨与树干茎流终止的时间差
Time difference of
termination between rainfall
and stemflow (min)
<2.0 67.8±7.8 -14.2±3.6 0.0±0.0 0.0±0.0
2.0~5.0 45.8±7.3 -9.8±3.0 112.0±38.8 51.3±20.1
5.0~10.0 36.5±6.7 8.3±2.5 90.0±27.3 45.8±15.7
10.0~20.0 21.3±4.5 11.7±3.4 77.0±16.5 14.0±3.5
20.0~50.0 17.2±3.9 13.8±3.8 48.3±10.6 10.6±2.8
但均表现出一定的延滞性,且随降雨量级增大,穿透
雨滞后时间逐渐缩短.降雨终止时,穿透雨终止时间
也存在一定的延滞性,降雨量级<5.0 mm时,穿透雨
先于林外雨结束;降雨量级≥5.0 mm 时出现延滞
性,且随降雨量级增大这种延滞效应逐渐增强,当降
雨量从 5.0 ~ 10.0 mm 增加到 20.0 ~ 50.0 mm 时,穿
透雨滞后时间从 ( 8. 3 ± 2. 5) min 增加到 ( 13. 8 ±
3.8) min.这与陈书军等[14]在秦岭所做的研究结果
相似.
树干茎流受降雨特征及林分特征影响较大[20],
只有林外雨达到一定量后,才会出现树干茎流,因此
相对于穿透雨而言,树干茎流出现的时间更为滞后,
是穿透雨滞后时间的 3 ~ 4 倍.随降雨量级增大,树
干茎流出现的时间显著缩短,由降雨量级<5.0 mm
时的(112.0±38.8) min 降低到降雨量级为 20.0 ~
50􀆰 0 mm时的(48.3±10.6) min.树干茎流终止时间
表现出先于林外雨结束时间,降雨量级为 2􀆰 0 ~
5.0 mm时,茎流与林外雨终止时间差为 ( 51. 3 ±
20.1) min,而降雨量级为 20􀆰 0~50.0 mm时,终止时
间差为(10.6±2.8) min,说明降雨量级越小,茎流终
止时间越早.
2􀆰 4  降雨强度与穿透雨延滞效应的关系
高强度降雨会加快枝叶、树干的湿润速率,促进
穿透雨产生,因此降雨强度对穿透雨延滞效应的影
响也较为明显.由表 3可以看出,降雨量级<5.0 mm、
降雨强度 < 0. 5 mm·h-1时,穿透雨在降雨发生
(34􀆰 17 ± 3. 12) min 后产生,而降雨强度≥ 4􀆰 0
mm·h-1时,仅需(5.67±1.35) min,两者相差 6 倍有
余,但都表现出一定的延滞性.相同降雨量级下,随
着降雨强度增大,穿透雨滞后时间表现出逐渐缩短
的趋势.降雨终止时,穿透雨终止时间也表现出一定
的延滞性,且在相同降雨量级下,降雨强度越大这种
效应越明显,如降雨量级<5.0 mm 时,延滞时间由
(1.92±0􀆰 11) min(降雨强度<0.5 mm·h-1)增加到
(47.22±3.47) min(降雨强度≥4.0 mm·h-1),增幅为
23.59倍.
相对于穿透雨而言,树干茎流延滞效应更为明
显.相同降雨量级下,树干茎流产生时间随降雨强度
增大而显著缩短,如降雨量级<5.0 mm时,降雨强度
从 0.5 mm·h-1增加到 4.0 mm·h-1时,延滞时间从
(50.65±2.31) min 降低到(5.70±1.20)min,降幅达
88.8%.降雨终止时,树干茎流先于林外雨结束,且在
相同降雨量级下,随降雨强度增大呈波动式降低,这
种波动式变化规律可能主要与降雨强度的时间分布
特征有关.有研究表明,降雨强度随降雨历时表现出
先增大后逐渐减小的趋势[14] .
2􀆰 5  雨前干燥期与穿透雨延滞效应的关系
雨前干燥期对林冠湿润程度有显著影响[21],进
而制约穿透雨的产生速率.由图 2 可以看出,随雨前
干燥期延长,穿透雨滞后时间逐渐增加,且雨前干燥
期 < 48 h 时,滞后时间变化明显,从 ( 10. 00 ±
0.79) min增加到(26.00±1.54)min,增加近 3 倍,而
雨前干燥期≥48 h 时,滞后时间变化不大,说明雨
前干燥期<48 h 时对穿透雨滞后时间影响显著,当
雨前干燥期≥48 h 时,影响滞后时间的主导因素则
是降雨量.穿透雨终止时间也表现出一定的延滞性,
且随雨前干燥期的增长呈波动式变化,但无明显变
化规律.由此表明,雨前干燥期对穿透雨产生时间影
响较明显,而对其终止时间的影响并不显著.
相对于穿透雨,理论上树干茎流的产生时间更
滞后,但观测表明,雨前干燥期对这种滞后差异影响
并不大.分析发现,不同降雨量级下,树干茎流与穿
透雨的滞后时间差在 0 ~ 12.10 min 内变动.相同降
雨量级下,产生树干茎流的滞后时间随雨前干燥期
的增长而增长,降雨量<5.0 mm 时,雨前干燥期从
<8 h延长到≥72 h时,树干径流滞后时间从(15.00±
0.16)min 增加到(48.50±4.41)min,但当雨前干燥
期≥48 h后,这种延滞效应并不明显.茎流均先于林
8823 应  用  生  态  学  报                                      26卷
表 3  不同降雨强度下穿透雨与树干茎流产生和终止的滞后时间
Table 3  Time lag of appearing and termination time of the throughfall and stemflow under different rainfall intensities in
larch forest
雨量级
Rainfall
level
(mm)
降雨强度
Rainfall intensity
(mm·h-1)
穿透雨滞后时间
Time lag of
throughfall
(min)
降雨与穿透雨
终止的时间差
Time difference of
termination between
rainfall and throughfall
(min)
树干茎流滞后时间
Time lag of
stemflow
(min)
降雨与树干茎
流终止的时间差
Time difference of
termination between
rainfall and stemflow
(min)
<5 <0.5 34.17±3.12 1.92±0.11 50.65±2.31 12.00±1.25
0.5~1.0 29.72±2.86 4.17±0.21 42.33±3.82 16.67±2.10
1.0~2.0 27.60±2.41 23.61±1.25 30.35±1.28 21.67±2.88
2.0~3.0 12.22±1.60 25.44±1.89 0.00±0.00 0.00±0.00
3.0~4.0 5.83±1.15 33.00±2.62 0.00±0.00 0.00±0.00
≥4.0 5.67±1.35 47.22±3.47 5.70±1.20 25.00±3.14
5.0~10.0 0.5~1.0 26.67±2.11 5.42±1.03 37.50±4.24 20.15±1.83
1.0~2.0 20.00±0.00 8.85±0.00 25.00±0.00 22.65±0.00
≥4.0 6.67±1.81 31.67±3.58 10.00±1.73 10.25±1.37
10.0~20.0 0.5~1.0 11.67±1.35 6.33±1.44 25.00±4.21 15.00±1.77
1.0~2.0 9.75±1.66 8.82±1.64 17.75±3.40 0.00±0.00
3.0~4.0 5.00±1.20 14.50±2.36 10.30±1.28 30.00±2.71
≥4.0 1.67±0.44 20.55±3.48 5.00±1.08 41.25±3.59
>20.0 0.5~1.0 25.00±2.18 15.00±1.36 42.50±2.48 27.50±2.16
1.0~2.0 10.12±1.37 20.20±1.82 20.60±2.41 10.45±1.18
2.0~3.0 2.50±0.88 23.26±2.14 5.75±1.24 5.80±0.94
图 2  不同雨前干燥期下穿透雨和树干茎流的滞后时间
Fig.2  Time lag of the throughfall and stemflow under different antecedent dry periods in larch forest.
A: 穿透雨出现的滞后时间 Time lag of throughfall; B: 降雨与穿透雨终止的时间差 Time difference of termination between rainfall and throughfall;
C: 树干茎流出现的滞后时间 Time lag of stemflow; D: 降雨与树干茎流终止的时间差 Time difference of termination between rainfall and stemflow.
外雨终止,但无明显规律性,表明树干茎流的终止时
间主要受降雨量影响.
3  讨    论
林冠对降雨的再分配是一个复杂的过程,受林
分特征[11,22-24]、降雨特征和气象因素的综合影
响[13,25-27],可对局地或整个集水区的水分循环产生
重要影响[10] .降雨经林冠重新分配后,穿透雨与林
外雨在发生和终止时间上并不同步.降雨发生时,林
冠和枝叶表面比较干燥,且附着大气沉降物,在雨滴
982311期                        刘玉杰等: 大兴安岭北部兴安落叶松林穿透雨延滞效应           
从上向下运动的过程中,前期大量降雨将会被林冠
阻挡和截持,从而使林外降雨与穿透雨在产生和结
束时间上表现出明显的差异,形成延滞效应.陈丽华
等[28]对华北土石山区油松人工林研究也存在相似
结论.降雨量级增大时,林冠的湿润过程加快,有效
地缩短了穿透雨产生的时间.如本研究中降雨量级
<2.0 mm时,降雨发生(67.8 ± 7.8) min 后产生穿透
雨,降雨量级为 20. 0 ~ 50. 0 mm 时仅需 ( 17􀆰 2 ±
3.9)min,两者之间相差近 4 倍.降雨量级≥5.0 mm
时,穿透雨结束时间表现出延滞性,且随降雨量级增
大逐渐明显.森林对降雨的延滞效应,延缓了林内地
表径流的形成,削弱了径流对土壤的冲刷,加强了森
林的水土保持作用[29] .
相对于穿透雨的延滞性,树干茎流表现更为明
显,是穿透雨所需时间的 3 ~ 4 倍.这是由于只有林
冠及枝叶表面水量达到饱和后,降水才会沿着树干
汇集,形成树干茎流.研究发现,树干茎流的滞后时
间随着降雨量级的增大而逐渐缩短,变化范围为
(112.0±38.8) ~ (48.3±10.6)min,与陈书军等[14]研
究结果相似.本研究结果表明,茎流先于林外雨结
束,且降雨量级越小,茎流终止时间越早.可能原因
是落叶松树皮较厚,且不规则开裂,表面附着物丰
富,吸水能力较强,从冠层到树基,距离较远,除了树
皮和树干的吸附,还会产生一定量的蒸发[30-32],只
有水量达到一定程度,雨水才可汇流向下,降雨一旦
变小,水量不能保证,茎流便相应停止.
野外实测发现,降雨强度随降雨历时的变化总
是呈现出从小变大再逐渐减缓的趋势,延滞时间随
降雨强度变化也表现出一定的规律性.相同降雨量
级,降雨强度越大,穿透雨产生时间越早,但当降雨
强度增加到一定值(降雨强度>2 mm·h-1)时,滞后
时间降低明显,主要是由于高强度降雨时雨滴密集
且动能较大,超出林冠、枝叶及树干的吸附能力,加速
穿透雨的产生.相同降雨量级,穿透雨终止时间表现
出一定的延滞性,且降雨强度越大,延滞效应越明显.
降雨量级<5.0 mm、降雨强度<1.0 mm·h-1时,
树干茎流的延滞效应相对明显,几乎是穿透雨的 2
倍,而降雨量级≥5.0 mm 时,随降雨强度变化树干
茎流与穿透雨的延滞效应相差不大,但总体表现出
延滞时间随降雨强度增大而缩短的趋势,主要是由
于低强度、小雨量情况下,前期大部分降雨被林冠、
树干截持吸附,显著延缓了树干茎流的产生,而当降
雨强度较大时,林冠、树干来不及吸附降水,降水迅
速汇集以茎流形式进入林内,有效缩短了树干茎流
的产生时间. Owens 等[33]研究表明,降雨强度较大
时,降雨 1 h 后出现树干茎流,与本研究结果相似.
树干茎流终止时间先于林外雨结束时间,且随降雨
强度增大呈波动式降低,这种波动性受降雨强度随
降雨历时变化的影响.
从观测数据分析可知,降雨量、降雨强度对穿透
雨的延滞时间均有显著影响.通常雨前干燥期越长,
林分越干燥,林冠截持水分能力越强[34],穿透雨的
延滞效应更明显,但降雨量较大时,林分很快被湿
润,雨前干燥期对穿透雨延滞效应的影响会相对减
弱.本研究中穿透雨延滞时间虽然随雨前干燥期的
增长而增长,但当雨前干燥期≥48 h 后,延滞时间
增加幅度不大,均在 0~3 min内波动.穿透雨的终止
时间虽表现出一定的延滞性,但规律性并不明显.本
研究中降雨间隔期<48 h 的降雨比例较高,降雨相
对集中,导致雨前干燥期对穿透雨延滞效应的影响
未能明显体现.相对于树干茎流而言,相同降雨量级
下,延滞时间随雨前干燥期的增长而增长,终止时间
无明显延滞性,主要是由于降雨满足林冠、枝叶、树
干持水阈值后,降雨量便成为影响树干茎流终止时
间的主要因素.
4  结    论
研究期间的降雨主要以小雨为主,表现出降雨
强度小、历时长、降雨事件分布不均匀等特征.穿透
雨量、树干茎流量和林冠截留量分别占同期降雨总
量的 76.5%、2.6%、20.9%.
降雨发生时,穿透雨表现出一定的延滞性,且随
降雨量级增大,滞后时间表现出逐渐缩短的趋势,如
降雨量级从 2.0 mm增加到 50.0 mm时,穿透雨滞后
时间却从(67.8±7.8)min 降低到(17.2±3.9)min,降
低了近 3 / 4;相同降雨量级下,穿透雨延滞时间随降
雨强度增大而逐渐降低,随雨前干燥期的增加而增
长,且降雨强度在 2 mm·h-1左右时延滞时间显著
缩短.
降雨终止时,当降雨量>5.0 mm,穿透雨终止时
间也存在延滞性,且随降雨强度增加而增大,如降雨
强度由 0.5 mm·h-1增加到 4.0 mm·h-1时,穿透雨
终止的滞后时间由(1.92±0.11)min 增加到(47.22±
3.47)min,但与雨前干燥期关系不明显;茎流先于降
雨终止,且主要受降雨量级影响,降雨量级越小,终
止时间越早.
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作者简介  刘玉杰,男,1988年生,硕士研究生. 主要从事森
林水文研究. E⁃mail: 1103639954@ qq.com
责任编辑  杨  弘
封 面 说 明
封面图片由四川农业大学林学院刘洋于 2009 年 8 月 6 日在四川阿坝州米亚罗林区鹧鸪山
(31°51′428″ N,102°41′230″ E)拍摄.鹧鸪山位于青藏高原东缘,杂谷脑河上游,是大渡河与岷江的
分水岭,气候属于冬寒夏凉的高寒气候,冬季雪被期明显.山体海拔 3200~4800 m,山地的垂直地带
性明显,河谷至山顶依次分布的植被类型为针阔混交林、暗针叶林、高山疏林灌丛、高山草甸、高山
荒漠和积雪带.高山林线约在海拔 4000 m 的位置,位于暗针叶林和高山疏林灌丛交界处且保存完
好.暗针叶林以高山杜鹃⁃岷江冷杉林为主要景观,土壤类型为山地棕色针叶林土,地被物种类丰富.
近年来,围绕高山林线交错带生物多样性分布格局、凋落物分解及其对气候变化的响应开展了系列
研究.
2923 应  用  生  态  学  报                                      26卷