全 文 ：第 24 卷　第 4期
2002 年 7 月
北　京　林　业　大　学　学　报
JOURNAL OF BEIJING FORESTRY UNIVERSITY
Vol.24 , No.4
Jul., 2002
2002-05-07收稿
http: www.chinainfo.gov.cn periodical bjlydxxb
＊国家自然科学基金重点项目(3999130)和教育部博士点基金项目(2000002209)资助.
第一作者:陈丽华 ,女 , 1957年生 ,博士 ,副教授.主要研究方向:水土保持与荒漠化防治.电话:62338043　Email:C-lihua@bjfu.edu.cn　地
址:100083北京林业大学 124信箱.
贡嘎山冷杉林区苔藓层截持降水过程研究＊
陈丽华　余新晓　张东升　高甲荣
(北京林业大学水土保持学院 ,水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室)
摘要　对长江上游贡嘎山的冷杉林研究表明 ,苔藓层具有明显的拦截和调蓄降水的生态水文作用.苔藓层水文作用
过程分解成降雨截留 、非饱和下渗 、饱和下渗 、雨后水分消退 4 个阶段.根据实验数据应用水箱模型 , 确定出了典型场
降雨过程中各作用阶段水文过程模型及参数.通过持水实验 , 确定了冷杉幼龄林 、中龄林 、成熟林和过熟林等不同演
替阶段的天然持水量 、有效持水量和最大持水量 , 在长江上游以冷杉为代表的暗针叶林苔藓层的天然持水量是其最
大持水量的 80%.
关键词　苔藓层 , 持水能力 , 水箱模型 , 水文过程
中图分类号　S715
Chen Lihua;Yu Xinxiao;Zhang Dongsheng;Gao Jiarong.Hydrological process of bryophyte of Abies fabris
forest in Gongga Mountain.Journal of Beijing Forestry University (2002)24(4)60 ～ 63[ Ch , 10 ref.] College
of Soil and Water Conservation ,Beijing For.Univ.,100083 ,P.R.China.
The research of the hydrological process and characteristics of bryophyte in the forest of Abies fabris in the
Gongga Mountain , which locates in the upper reaches of the Yangtze River , indicates that bryophyte has obvious
eco-hydrological functions , such as rainfall interception and rainfall regulation.The hydrological process of bryo-
phyte can be divided into 4 different stages ,namely processes of rainfall interception ,unsaturated infiltration , stat-
urated infiltration and water loss.Based on the experimental data and the tank model , the authors design the dif-
ferent hydrological process models and parameters for the typical rainfall events.By the capacity test of bryophyte ,
the authors determine the different water holding abilities of different succession ages.The available water holding
reached to 80%of the largest water holding for bryophyte layers.
Key words　bryophyte , holding water ability , tank model , hydrological process
　　在长江上游的暗针叶林区 ,由于有良好的森林
生态系统结构和地表覆盖物 ,尤其是苔藓层的作用
非常明显 ,虽然该区年降雨 1 900 mm ,坡度较陡 ,但
坡面几乎不发生侵蚀作用 ,所以研究地区地被物层
尤其是苔藓层对该区具有极其重要的生态水文作
用.苔藓层不仅影响林地土壤的水热状况 、通气状
况 、营养元素的循环及林地生物种群的类型及数量 ,
而且苔藓作为一种疏松多孔物质 ,依靠其强大的表
面能及其类似于海绵性状的弹性力学特性 ,具有明
显的截持降雨 、消减动能 、调节径流及维持土壤结构
的作用[ 1] .同时还通过影响土壤形成和性状及林木的
生长 ,从而对森林水文特性产生间接影响.本文在天
然降雨条件下对苔藓层截持降雨过程进行了研究.
1　研究地区概况与研究方法
1.1　自然概况
研究地点位于四川西部贡嘎山东坡海螺沟亚高
山暗针叶林地带 , 地理坐标为 29°20′～ 30°20′N ,
101°30′～ 102°15′E.气候冷湿 ,年降雨量 1 900 mm ,
年均温 4.0℃, 1月平均气温-4.5℃,7月平均气温
12.7℃,年雨日 260 d ,大气相对湿度大于 90%,属山
地温带气候类型.该区的峨眉冷杉演替群落中有大
量的苔藓层覆盖 ,苔藓的种类主要有锦丝藓(Acti-
nothuidium hookeri)、垂枝藓(Rhytidium rugosum)、山羽
毛藓(Abietinella abietina)、赤茎藓(Pleurozum schre-
beri)、塔藓(Hylocomium splendens)、毛梳藓(Ptilium
DOI :10.13332/j .1000 -1522.2002.04.015
crista-castrensis)、曲尾藓(Dicranum scoparium)、万年藓
(Climacioum dendroides)、平藓(Neckera pennata)等数
十种.苔藓层的厚度随着冷杉演替群落的不同呈现
出规律性变化 ,在峨眉冷杉幼龄林中苔藓厚度大约
为2 ～ 3 cm ,中龄林中约为 3 ～ 5 cm ,成熟林中为 4 ～
6 cm ,过熟林龄中为 5 ～ 12 cm.草本活地被物层种类
较多 ,但分布不均匀 ,常在林缘或灌木盖度较小的地
方形成小群居 ,草本盖度一般在 5%～ 40%,主要由
星叶草(Circaeeaster agrestis)、独叶草(Kingdonia uni-
flora)、东方草莓(Fragaria orientalis)、细辛(Asarum
himalaicum)、石松(Lycopodium annotinum)等组成[ 2] .
1.2　实验样地基本情况
按峨眉冷杉林自然演替阶段选取幼龄林 、中龄
林 、成龄林 、过熟林 4个典型林分类型 ,共调查 20块
标准地 ,在每块标准地沿对角线方向机械布设 5个
0.5 m×0.5 m 样方 ,进行苔藓层厚度及种类调查.
在样地内对冷杉林木进行每木检尺测定样木的胸
径 ,用测高仪及目测法测定树高 ,用生长锥分别测定
冷杉样木胸高处的年轮数 ,样地基本特征详见表 1.
表 1　冷杉林实验样地基本情况
TABLE 1　Features of Abies fabri plots
样地 林分 密度 (株·m-2) 树高 m 胸径 cm 郁闭度 % 坡度 (°) 坡向 苔藓厚度 cm 土壤类型
样方 1 幼龄林 1 708 15.26 19.56 0.9 12 SW70 3 粗骨土
样方 2 中龄林 1 372 17.94 22.65 0.86 12 SW70 5 山地褐土
样方 3 成熟林 420 20.19 28.14 0.75 15 NE40 7.5 山地褐土
样方 4 过熟林 209 31.86 50.78 0.7 28 NE20 12 山地暗棕壤
1.3　研究方法
1.3.1　持水能力测定　在每块标准地收集 0.5 m×
0.5 m原状苔藓层 ,当场称其鲜重 ,然后带回室内 ,
浸水 24 h后称其湿重 ,最后在 70℃下将苔藓烘干 ,
称其干重 ,鲜重减去苔藓干重为苔藓层的天然持水
量 ,浸水 24 h后的重量减去干重为苔藓层最大持水
量.另外在有充分前期降雨的情况下取充分饱和的
原状苔藓层 ,当场称其鲜重 ,然后带回室内烘干 ,其
鲜重减去干重为苔藓层的最大有效持水量.
1.3.2　截持降水能力　将原状苔藓放置在孔径 10
mm直径为 20 cm 的土壤筛中 ,然后将其置于雨量计
承雨口上 ,雨量计的出水管改装成玻璃滴定管.用同
样方法准备一个测天然降雨的空白雨量计作为对
照 ,由于设计加工使得覆盖苔藓的雨量计与空白雨
量计滴管处产生的雨滴直径相同 ,因此可以通过比
较覆盖有苔藓层的雨量计与空白雨量计产出每滴水
所需要的时间来标定苔藓下渗强度与下渗过程曲
线.当降雨停止后可以用同样的方法标定苔藓的脱
水过程曲线.并且可以通过测定每次雨后透过水量
并与对照雨量简测得的大气降水量相比较 ,便可计
算出苔藓层的截留率.
2　结果与分析
对同一森林植被而言 ,由于历年的气候不可能
完全相同 ,因而各年的苔藓层降水截留量会有差异.
即使在其它条件相同的情况下 ,不同种类苔藓的截
留量也有明显差异.事实上 ,即使同一种苔藓 ,在不
同的季节阶段 ,对截留降水的影响程度也不相同 ,可
见苔藓对降水的截留作用是一复杂的问题.在特定
的植被条件下 ,苔藓截留降水的大小主要受气象条
件以及苔藓本身湿润程度和结构的影响 ,其截留过
程可以划分为以下四个阶段:Ⅰ为降水截留阶段;Ⅱ
为非饱和下渗阶段;Ⅲ为饱和下渗阶段;Ⅳ为雨后水
分消退阶段.苔藓截留降水的整个过程可以用封底
的 、带有两水平出口的水箱模型(tank model)来描述
(图 1).根据水量平衡原理 ,可将天然降雨作为水箱
入水口的来水量 ,而出水口的流出量是下渗水量.有
两个出水口的原因是 a1 出水口代表开始出现下渗
的初级阶段 ,此时苔藓本身虽已饱和 ,但其孔隙尚未
完全饱和 ,因此虽有部分孔隙进行重力排水 ,但产水
量远远小于输入水量 , a2 的输出水量表示当输入水
量达到一定量值后 ,除 a1 的调蓄产水之外 ,多余的
重力水全部从 a2 排出 ,对于苔藓来说 a2 表示已完
全饱和 ,不能再吸附任何输入水分 ,输入的水分全部
都以重力水的形式从 a2排出.
2.1　降雨截留阶段
在此阶段降雨完全被截留 ,大部分降雨被苔藓
的表面张力吸附 ,苔藓孔隙中以重力水形式截留的
降雨很少 ,此阶段水分输入为天然降雨 ,水分输出为
零 ,图 2中 OA段 ,模型公式表示为:
x1 =p(t)t 1 +h0
y 1 =0
0 ≤ t 1 < tA
式中 , x1 为苔藓拦蓄降水量(mm);h0为苔藓天然持
水量(mm);y 1 为下渗出水量(mm);p 为降水量
(mm);tA 为下渗开始的时间(min).
在此阶段苔藓截留降水的机理主要是:①消减动
61第 4期 陈丽华等:贡嘎山冷杉林区苔藓层截持降水过程研究
P 为降水量(mm);a1 , a2 为下渗系数 ,排水量与总蓄水量的比值;
h 0 为苔藓天然持水量(mm);h 1 为非饱和截留水量(有效持水量)
(mm);h2 为非饱和截留水量(最大持水量)(mm);h3 为饱和重力
水量(mm);x 为苔藓拦蓄水量(mm)
图 1　两出水口封底水箱模型
FIGURE 1　Tank model with two side out lets and no bottom outlet
能 ,雨滴受苔藓拦挡溅散成小水滴 ,下落速度减慢 ,从
而起到滞留降雨作用.②苔藓表面的吸附作用 , 苔藓
作为一种多孔介质其总面积是其表面积的几十倍 ,导
致苔藓具有强大的表面吸附能力.③苔藓具有复杂的
孔径 ,可起到调节作用 ,使水分传输通道复杂 ,同时延
长了传输路径 ,起到延缓降雨历时的作用.
苔藓截持天然降雨的能力 ,通常与其自身的蓄
积量有关 ,在贡嘎山冷杉幼龄林林区的研究发现苔
藓的最大持水能力为 14 ～ 26 t hm2 ,冷杉中龄林为
30 ～ 58 t hm2 ,成熟林为48 ～ 82 t hm2 ,过熟林为 60 ～
119 t hm2(表 2).根据表 1 、表 2可以看出同一林种
苔藓层的持水能力是随着林龄的增加而增加的 ,由
于林龄的增加致使苔藓层的厚度加大 ,进而导致其
持水能力增强.但是由于最大持水能力的确定没有
考虑到雨前枯落物层的自然含水状况 ,故与实际情
况有些不相符合 ,苔藓层的最大持水率一般只能反
映枯落物层本身可持水能力的大小 ,不能反映对实
际降水的拦截状况[ 2 ～ 4] .根据已有的研究成果[ 1] ,降
雨达到 20 ～ 30 mm 以后 ,各种林型地被物层的含水
量无论是高还是低 ,其持水率均低于最大持水率的
85%,所以用最大持水率来估算落物层拦蓄降雨的
能力失之偏高.本研究在有充分的前期降雨的条件
下(74 mm d),发现由幼林到过熟林4个相应等级的
林下苔藓层的有效持水量分别是 22.6 , 38.4 , 57.2 ,
77.5 t hm2 , 分别是最大持水量的 80.7%, 83.5%,
82.9%,79.9%.从表 2中可以看出不同林龄的林下
苔藓层的最大持水量相差 5.4倍 ,有效持水量也相
差了 3.4倍 ,但二者的比值却相差甚小 ,不到 4%,
因此可以认为在长江上游以峨眉冷杉为代表的暗针
叶林苔藓的天然持水量是其最大持水量的 80%.
　表 2　不同演替阶段冷杉林下苔藓层的持水能力 t·hm-2
TABLE 2　Moss amount and its water holding ability of the
Abies fabri forest at different succession ages
样地 林分 厚度 cm 天然持水量 最大持水量 有效持水量
样方 1 幼龄林 1.4 5.4 18 22.6
样方 2 中龄林 2.5 7.6 46 38.4
样方 3 成熟林 5 11.8 69 57.2
样方 4 过熟林 7 18.5 97 77.5
2.2　非饱和下渗阶段
当苔藓层开始有下渗水产生时 ,即开始进入非
饱和下渗阶段.此阶段的特点为苔藓的表面吸附能
力已达到最大 ,持续的降水被苔藓孔隙以重力水的
形式截留 ,并且随着苔藓孔隙不断截留降水 ,会有部
分降雨将被排出 ,此时 a1 出口开始产水 ,但 a2出口
仍没有产水 ,并且苔藓仍没有达到最大持水量 ,尚处
于非饱和持水阶段 ,苔藓的下渗水量仍小于降雨量 ,
如图 2中AB段所示 ,在此阶段结束时 ,全部苔藓孔
隙将被饱和.此阶段模型公式为:
x2 =pt 2 +x1 -a1 x1 +h1
y =a1 x1
tA ≤ t2 < t B
式中 , x2 为苔藓的蓄水量(mm);t B 为降水强度与入
渗强度相等时的时间(min);其余同上.
天然降雨的情况下 ,降雨强度随时间变化很大 ,
雨型不稳定 ,而经过苔藓的穿透入渗作用后下渗速
率较稳定(图 2).从土壤侵蚀的角度考虑 ,在单位时
间降雨量相同的情况下 ,降雨强度变化时产生的土
壤侵蚀量大于降雨强度恒定情况下的土壤侵蚀量 ,
原因是降雨强度不恒定时会出现瞬时雨滴动能大于
平均雨滴动能的现象 ,因此会对土壤的打击强度增
加 ,造成土壤侵蚀量增加.因此可以说苔藓具有稳定
下渗速率的作用 ,进而起到防止土壤侵蚀的作用.苔
藓层下渗速率较稳定的原因是苔藓层的结构相对比
较均一 ,因此在不同降雨强度条件下苔藓吸附降水
及消减降雨动能和水分在苔藓孔隙中渗透特性都具
有相似性 ,数值较稳定.
2.3　饱和下渗阶段
随着大气降水继续进行到某一时间会出现苔藓
的下渗速率大于大气平均降水强度的情况 ,这说明
苔藓层已达到充分饱和.此阶段苔藓的下渗水量除
了由即时降雨提供外还有前期截留的降雨 ,因此造
成苔藓的下渗强度大于降雨强度 ,当苔藓含水量大
于 h2 , a2开始产水.此时因为苔藓已达到完全饱和
状态 ,故 a1 , a2 出水口都有水分排出 ,在此阶段天
然降水以重力水的形式 100%的通过 a2 排出 ,并且
62 北　京　林　业　大　学　学　报 第 24卷　
前期拦蓄的水量仍然继续通过 a1排出 ,出现苔藓的
下渗水量大于降水量的情况.此阶段的模型公式为:
x3 =pt 3 +x1 -a1 x1 +x2 -a2 x2 +h2
y3 =a1 x1 +a2(x2 -h2)
t B ≤ t 3 < tC
　　图2还反映了大气降水和苔藓下渗强度随时间
变化趋势的一致性 ,与大气降水相比 ,下渗强度峰值
明显减小 ,持续历时较长.
2.4　雨后水分消退阶段
此时降雨已经停止 ,但是苔藓下渗继续进行 ,本
时段开始时的排出水量由 a1 , a2 共同提供 ,经过一
段时间后 ,即饱和重力水完全排出后 , a2 停止排水 ,
下渗排水由非饱和重力水提供.公式可以表达为:
x =0
y = a1 x +a2(x -h1 -h2), h3 ≠0
a1 x +a2(x -h1), h3 =0
t C ≤ t 3 < tD
　　苔藓的水分消退过程持续了近 2 h ,表现出明显
的截留降水 、调节径流的能力.
2.5　模型参数的确定
图2为实测的2001年 8月 16日的降水过程中
大气降水强度 、降水穿透苔藓的入渗强度随降水历
时的变化曲线.降水从当日 14:28开始到 17:35结
束 ,历时 187 min.本次降水的前 2 d ,天气晴朗 ,气温
较高 ,苔藓层相对干燥 ,因此前期降水的影响基本可
以忽略.通过对观测到的十几场降雨的雨型 、降雨历
时 、降雨强度 、苔藓层的前期土壤水分状况的分析 ,
认为这次降雨在当地十分具有代表性 ,因此本文以
本场降雨为例说明水箱模型的建立和应用.
图 2　苔藓层下渗强度和天然降雨强度与降雨历时关系曲线
FIGURE 2　The curve of precipitation intensity , filter intensity
of moss and rainfall duration
在前期含水量相同即 h0 相等的情况下 ,苔藓截
留降水历时的长短随降雨特性而变化.降雨量小 ,截
留历时较长 ,降雨量大 ,截留历时较短 ,据实测厚度
为 5 cm 的苔藓截留时间为 33 min.当苔藓层在 33
min开始有下渗水产生时 ,大气降水为 3.5 mm ,基本
可以认为 3.5mm是本次降水的苔藓非饱和截留量.
模型中各参数为:
Ⅰ阶段:h0=1.03 mm , tA =33 min
Ⅱ阶段:a1 =0.2 ～ 0.8 , h1 =3.5 mm , t B =110
min
Ⅲ阶段:a1 =0.2 ～ 0.8 , a2 =0.8 ～ 1.0 , h2 =
57.5 mm , t C=187 min
Ⅳ阶段:tD=250 min
将上述各模型参数代入模型 ,即可求得各时段
末苔藓截留量 xi 和降雨通过苔藓的渗透排水量 yi .
3　结　　论
(1)苔藓的截留过程可以分为以下 4个阶段:降
雨截留阶段 、非饱和下渗阶段 、饱和下渗阶段和雨后
水分消退阶段.
(2)建立了封底的 、具有两个水平出口的水箱模
型 ,并通过实测的具有代表性的降雨过程确定了各
阶段的模型参数.
(3)苔藓最大持水能力并不能反映苔藓实际有
效持水能力 ,在长江上游以峨眉冷杉为代表的暗针
叶林苔藓层的天然持水量是其最大持水量的80%.
参 考 文 献
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(责任编辑　胡　涌　董晓燕)
63第 4期 陈丽华等:贡嘎山冷杉林区苔藓层截持降水过程研究