全 文 ：辽宁东部山区落叶松人工林林冠降雨
截留观测及模拟*
盛雪娇1,2 摇 王曙光3 摇 关德新1 摇 金昌杰1 摇 王安志1**摇 吴家兵1 摇 袁凤辉1
( 1 中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110016; 2 中国科学院研究生院, 北京 100049; 3 辽宁省水文水资源勘测局抚顺分
局, 辽宁抚顺 110041)
摘摇 要摇 利用 2005—2008 年辽东山区落叶松人工林林冠降雨截留观测数据,并选取 Gash 解
析模型模拟林冠截留过程.结果表明:落叶松人工林林内穿透雨量与林外降雨量呈显著正相
关关系(R2 =0郾 98),年均穿透雨量占总降雨量的 77郾 64% ;林冠截留量与降雨量和降雨强度之
间呈正相关关系;除 2007 年由于降雨间隔时间短导致模拟截留量大于实测截留量外,模型模
拟的林冠截留量均小于实测林冠截留量;模型模拟的绝对误差与林外降水量呈负指数相关,
为 1郾 26% ~68郾 96% ,平均值为 29郾 09% ;模拟值与实测值之间的相关系数为 0郾 91,模型模拟
结果与实测结果相吻合.
关键词摇 Gash模型摇 林冠降雨截留摇 人工林摇 落叶松
文章编号摇 1001-9332(2010)12-3021-08摇 中图分类号摇 S715. 2摇 文献标识码摇 A
Canopy interception in larch plantations: Measurement and modeling in Eastern Liaoning
Mountainous Region. SHENG Xue鄄jiao1,2, WANG Shu鄄guang3, GUAN De鄄xin1, JIN Chang鄄jie1,
WANG An鄄zhi1, WU Jia鄄bing1, YUAN Feng鄄hui1 ( 1 Institute of Applied Ecology, Chinese Academy
of Sciences, Shenyang 110016, China; 2Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing
100039, China; 3Fushun Branch of Liaoning Hydrology Bereay and Water Resources Survey Bureau,
Fushun 110041, Liaoning, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(12): 3021-3028.
Abstract: Based on the 2005-2008 observation data of canopy interception in larch plantation in
eastern Liaoning Province, and by using Gash model, the interception process was simulated. In
the plantation, there was a significant positive correlation between throughfall and rainfall (R2 =
0郾 98), and the annual throughfall accounted for 77郾 64% of the total rainfall. The canopy intercep鄄
tion was positively correlated with rainfall and its intensity. The canopy interception simulated by
Gash model was lower than the measured values, except for the results in 2007 because of the short
intervals between rainfalls. The absolute error of simulated values had a negative exponential correla鄄
tion with rainfall, and the range was 1郾 26% -68郾 96%, and the mean value was 29郾 09% . The esti鄄
mated values were almost equal to the measured values, with the correlation coefficient being 0郾 91.
Key words: Gash model; canopy interception; artificial forest; Larix.
*国家重点基础研究发展规划项目(2009CB421101)、中国科学院知
识创新工程重要方向项目(KZCX2鄄YW鄄Q06鄄2鄄1)和林业公益性行业
科研专项(200804001)资助.
**通讯作者. E鄄mail: waz@ iae. ac. cn
2010鄄05鄄21 收稿,2010鄄09鄄26 接受.
摇 摇 森林是陆地生态系统的主体. 但由于人类的过
度利用,全球范围的森林面积持续下降,迄今为止,
约有 50%的原始林已经消亡[1] .在天然林面积大幅
下降的同时,人工林的面积却在急剧上升,我国人工
林面积已达到 0郾 53 伊108 hm2,居世界首位[2] . 落叶
松林作为辽宁人工林的主要林型,对维持辽宁东部
山区的水源涵养能力具有重要意义[3] .
林冠截留是森林分配降雨的首要过程[4] . 正确
了解落叶松人工林截留降雨过程特征并开展模型模
拟研究,对准确理解该林型的生态水文功能,评价辽
宁东部山区森林变化对流域水文过程与区域水资源
安全的影响起到关键作用.目前,国内已经对油松人
工林[5]和杉木人工林[6]等人工林开展了林冠截留
的测量,但是针对辽东落叶松人工林截留降雨过程
的研究尚属鲜见.本研究在开展林冠截留观测的同
时,采用 Gash模型模拟落叶松人工林的降雨截留过
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 12 月摇 第 21 卷摇 第 12 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2010,21(12): 3021-3028
程,以期为正确认识落叶松人工林的降雨截留过程
提供理论依据.
林冠截留模型是估算和评价林冠截留特征的有
效工具,主要包括经验模型、半理论模型和理论模
型[7-9] .经验模型是采用野外实测数据,通过数理统
计等方法,建立回归模型;半理论模型是通过实测数
据确定截留理论中的经验参数而建立的;理论模型
是基于林冠截留动态过程的物理描述、推理过程和
数量基础的模型[10] .半理论模型因其将理论推导和
经验参数相结合,具有较高实用性,得到广泛的应
用,代表模型为 Calder 随机模型[11-12]、Rutter 微气
象模型[13-15]以及 Gash 解析模型[16-18] . 其中,Gash
模型具有工作量小、参数容易确定和运算量低等优
点,使用率较高[19],已应用于热带雨林[20-21]、温带
阔叶林和针叶林[22-23]等林型且获得了较好的模拟
结果,但该模型是否能较好地模拟落叶松人工林尚
未有相关报道.
本研究基于 Gash模型,采用 2005—2008 年 6—
8 月辽宁省五龙林场落叶松人工林林冠降雨截留观
测结果,推导确定模型参数,探讨落叶松人工林冠截
留特征,以及该模型模拟林冠截流特征的模拟精度.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 观测样地
观测样地位于辽宁省抚顺市后安镇五龙林场
(41毅44忆 N, 124毅13忆 E)郾 该地区属受季风影响的温
带大陆山地气候,海拔 240 m,年均温 7 益 ~8 益,年
均降水量 780 mm. 落叶松人工林以长白落叶松
(Larix olgensis)、日本落叶松(Larix kaempferii)和华
北落叶松(Larix principis鄄rupprechtii)为主,40 年生,
密度为 1020 株·hm-2,平均树高 21 m,平均胸径 20
cm,郁闭度 0郾 88.
1郾 2摇 研究方法
1郾 2郾 1 林冠截留观测摇 利用随机固定在五龙林场落
叶松人工林内的 6 个面积为 2郾 0 m伊0郾 2 m的雨量收
集器测定穿透雨,每隔 24 h 收集雨水称量,并换算
为水深,6 个数值的平均值记为穿透雨量.在距样地
200 m处的皆伐地,利用标准自计雨量筒,测定林外
降雨量.根据以往对辽宁东部山区截留观测数据,树
干茎流仅占总降雨量的 0郾 5% ~ 3% [24],可以忽略,
林冠截留量即等于林外降雨与穿透雨之差.
1郾 2郾 2 林冠持水能力的确定 摇 选取长白落叶松、日
本落叶松和华北落叶松各 5 株树作为样木,每株样
木取 10 cm伊10 cm 的树皮 2 片、直径 2 cm 树枝 5
条,用石蜡封住枝条和树皮的切口及内表面,使样品
只有外表面吸水.根据预试验确定样品的浸水时间,
枝条和树皮浸水 3 h 之后吸水量通常不再发生变
化,叶片浸水 5 min 后持水量基本稳定[25] . 测定样
品浸水前、后的质量,二者的差值即为最大持水量,
再用尺度上推法[26],根据面积与吸持水量的回归关
系,以样地生物量指标、叶面积指数等为参数,估算
整个林分的冠层持水能力,得出的林冠枝叶部分的
持水能力(S)为 0郾 36 mm.
1郾 2郾 3 气象要素的获取与计算摇 研究采用的日平均
温度、水汽压和风速,以及日降雨量和日照时数等气
象数据均来自距离研究地分别为 65、30 和 77 km的
抚顺市、清原满族自治县和新宾满族自治县气象观
测站(图 1).取 3 个站的平均值作为气象要素.太阳
净辐射计算公式[27]:
Rn =a+bQ
式中:Q为天文辐射,根据经纬度和日照时数求出;
经验参数 a、b 可用平均水汽压 e 表示:a = -83郾 75-
6郾 24e,b=0郾 45+0郾 03e.
1郾 3摇 GASH模型的建立
Gash模型基于 Horton 林冠降雨截留模型[28]的
过程机制,将林冠截留分为林冠吸附、树干吸附和附
加截留,并根据截留过程中林冠和树干是否达到饱
和持水,有区别地计算林冠截留量.
该模型通过分项求和方式估算林冠截留[29]:
I = n(1 - p - pt)PG - nS + (E / R)移
n
i = 1
(P i - PG)
+ (1 - p - pt)移
m
i = 1
P i + qSt + 移
m+n-q
i = 1
P i (1)
其中,各分项的意义见表 1.
式中: I为林冠截留量(mm);n 为林冠达到饱和的
降雨次数;m为林冠未达到饱和的降雨次数;p为自
图 1摇 研究地示意图
Fig. 1摇 Location of experiment site.
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表 1摇 Gash模型的组成
Tab. 1摇 Components of interception in the Gash model
林冠截留的组成部分
Component of interception loss
表达式
Expression formula
林冠未饱和的 m次降雨
For m small storms, insufficient to saturate the canopy n(1-p-pt)PG-nS
林冠达到饱和的 n次降雨的林冠加湿过程
Wetting up the canopy, for n storms 逸PG which saturated the canopy
(1 - p - pt)移
m
i = 1
Pi - nS
降雨停止前饱和林冠的蒸发
Evaporation form saturation until rainfall ceased (E / R)移
n
i = 1
(Pi - PG)
降雨停止后的林冠蒸发
Evaporation after rainfall ceases nS
树干蒸发,其中 q次降雨树干达到饱和,其余 m+n-q次树干未饱和
Evaporation from trunks, for q storms > St / pt, which saturated the trunks and in the left
column for the n+m-q, or the right column for the n-q, which did not
qSt + Pt 移
m+n-q
i = 1
Pi
由穿透降雨系数,即不接触林冠直接降落到林地的
降雨的比率;P为树干径流系数;R 为平均降雨强度
(mm·h-1);E为平均林冠蒸发速率(mm·h-1);PG
为单次降雨事件的降雨量(mm);P为使林冠达到饱
和的降雨量(mm);St 为树干持水能力(mm).
使林冠达到饱和所必需的降雨量(PG)可根据
式(2)求出[30]:
PG = ( - RS / E)ln[1 - E / R(1 - p - pt) -1]
(2)
式中: S为林冠枝叶部分的持水能力(mm).
饱和林冠的平均蒸发速率 ( E) 由 Penman鄄
Monteith公式[31]来计算:
姿E=(驻Rn+籽cpD / r琢)(驻+酌) -1 (3)
式中: 姿为水的汽化潜热(20 益时,2454 J·g); E
为林冠蒸发速率(mm·h-1);驻 为饱和水汽压曲线
随气温变化的斜率(hPa·益); R为大气净辐射(W
·m-2);籽为空气密度(20 益时为 1204 g·m);cp 为
空气在常压下的比热(1郾 0048 J·g ·益);D为饱和
水汽压差 ( hPa),即气温 ( T)对应的饱和水汽压
(ET)与同温度对应的水汽压(e)之差(D=ET-e).
空气动力学阻力( ra)按下式计算:
ra =
{ln[( z - d) / z0]} 2
k2U
(4)
式中: z为风速观测高度(m); D 为零位移高度; z0
为粗糙长度(m); k 为 von Karman 常数( k = 0郾 4);
U为 z高度的风速(m·s-1).
摇 摇 Gash模型所描述的林冠截留过程与降雨特征、
林冠结构、林地空气温湿状况以及风速大小有关,具
有以下特点:1)模型的应用以一系列的降雨事件为
基础,假设降雨事件间有足够的时间使林冠干燥,且
不考虑间隔期内可能发生的降雨;2)模型需要次降
雨的总雨量和穿透雨量;3)需要计算降雨过程中的
平均降雨强度和平均蒸发速率.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 研究地降雨特征
根据 2005—2008 年 6—8 月辽宁省五龙林场落
叶松人工林林冠的降雨截留观测数据,该地日降雨
量最低为 0郾 1 mm、最高为 185 mm,日平均降雨量
18郾 79 mm;日降雨强度最高 13郾 22 mm·h-1,最低
0郾 1 mm·h-1,日平均降雨强度为 3郾 53 mm·h-1 .由
图 2 可见,研究地最大降雨量和降雨强度最大值均
发生在每年的 8 月(2008 年除外).除 2005 年 8 月 3
场强降雨导致降雨强度达到 4郾 05 mm·h-1,明显高
于 6、7 月外,其他年份的月降雨强度比较接近.
图 2摇 研究地降雨特征
Fig. 2摇 Characteristics of rainfall in experiment site.
320312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 盛雪娇等: 辽宁东部山区落叶松人工林林冠降雨截留观测及模拟摇 摇 摇 摇 摇
2郾 2摇 落叶松人工林冠的穿透降雨
图 3 为林内穿透降雨月总量与林外降雨月总量
之间关系,右上方 3 个点为 2005 年发生的超大降雨
量数据,剔除该数据后,二者之间具有显著的正相关
关系,即穿透雨量随降雨量增大而增大,2007 年的
相关系数 ( R2 )最高,达到 0郾 99,4 年平均 R2 为
0郾 98. 4 年年均穿透雨量占总降雨量的 (77郾 64 依
4郾 25)% ,其中 2007 年的值最大.
2郾 3摇 落叶松人工林冠截留量
由图 4 可以看出, 实测截留量随降雨量增大而
增大, 降雨截留率则随降雨量增大而降低. 在剔除
右侧 3 场超大降雨数据后,截留量与降雨量呈正相
关,但未呈现出明显的指数关系或线性关系[32] . 这
种现象可能是由于该人工林主要树种不同的截留特
图 3摇 林外降雨量与林内穿透降雨量的关系
Fig. 3摇 Relation of throughfall to rainfall.
图 4摇 实测截留量和截留率与降雨量的关系
Fig. 4 摇 Relations of measured interception and interception to
rainfall.
征导致的.有研究表明,日本落叶松林和长白落叶松
林截留量与降雨量呈指数相关,华北落叶松呈线性
相关[33],林冠截留率与降水量呈紧密的负幂指数相
关[34] .本研究中,小降雨量情况下林冠几乎截留了
全部的降雨,此时截留率最大;降雨量大时,林冠蓄
水趋于饱和,截留率也相应减小.
2郾 4摇 Gash模型模拟结果
运用 Gash模型对研究地的落叶松人工林林冠
截留进行模拟,参数与变量见表 2. 根据 Gash 模型
经验假设: d=0郾 75 h,z0 = 0郾 10 h,z = h+2,h 为实测
平均树高 21 m.
利用实测数据计算得到的林冠截留总量和
Gash解析模型模拟结果对比,2005—2008 年模拟截
留率(年截留量占降雨量的百分比)为 16郾 60% 、
17郾 63% 、11郾 01%和 30郾 09% .模拟截留累计量和实
测截留累积量进行对比,实测值与模拟值差值为
2郾 51、5郾 01、 2郾 80 和 6郾 40 mm;差值占降雨量的
2 郾 50% 、4郾 12% 、-3郾 2%和16郾 38% (图5) ,Gash模
表 2摇 Gash模型参数与变量
Tab. 2摇 Parameters and variables needed in Gash model
日期
Date
(y鄄m)
R
(mm·
h-1)
Z0
(m)
U
(m·
s-1)
r琢
(s·
m-1)
E
(mm·
h-1)
PG
(mm)
2005鄄06 3郾 57 2郾 1 2郾 79 3郾 43 0郾 17 0郾 74
2005鄄07 3郾 70 2郾 1 2郾 49 3郾 85 0郾 23 0郾 76
2005鄄08 4郾 05 2郾 1 2郾 70 3郾 56 0郾 22 0郾 76
2006鄄06 3郾 63 2郾 1 2郾 54 3郾 78 0郾 16 0郾 74
2006鄄07 3郾 64 2郾 1 2郾 52 3郾 80 0郾 23 0郾 76
2006鄄08 3郾 69 2郾 1 1郾 99 4郾 81 0郾 24 0郾 76
2007鄄06 3郾 49 2郾 1 1郾 88 5郾 10 0郾 23 0郾 76
2007鄄07 3郾 55 2郾 1 1郾 98 4郾 84 0郾 23 0郾 76
2007鄄08 3郾 60 2郾 1 2郾 73 3郾 5 0郾 22 0郾 76
2008鄄06 3郾 00 2郾 1 2郾 24 4郾 28 0郾 13 0郾 74
2008鄄07 3郾 17 2郾 1 1郾 71 5郾 60 0郾 23 0郾 52
2008鄄08 3郾 28 2郾 1 2郾 96 3郾 23 0郾 21 0郾 52
图 5 摇 2005—2008 年实测截留总量(玉)与模拟截留总量
(域)比较
Fig. 5 摇 Comparison of measured (玉) and estimated canopy
(域) interceptions in 2005—2008.
4203 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
型得到的模拟值与实测值基本吻合.
摇 摇 图 6 显示月实测截留量与模拟截留量呈线性相
关(R2 = 0郾 91).除 2007 年以外,模拟值均略低于实
测值.这主要是因为发生超大强度降雨时忽略了小
降雨的截留过程[35-36],从而低估了树冠实际的截留
能力,造成模型模拟值小于实际观测值.
摇 摇 图 7 表明,降雨截留绝对误差与林外降水量呈
负指数关系,即降雨量越大,模拟误差越小,平均误
差率为 29郾 03% ,回归方程为:y = 0郾 69e-0郾 0092x(R2 =
0郾 92).相对误差与降雨强度存在显著负相关,回归
方程为:y= -0郾 56x+2郾 28(R2 =0郾 71).
图 6摇 实测截留量与模拟截留量相关关系
Fig. 6 摇 Correlation between measured and estimated intercep鄄
tions.
图 7摇 降雨截留绝对误差与降雨量及降雨强度的关系
Fig. 7摇 Relations of absolute error rate of interception to rainfall and rainfall intensity.
表 3摇 不同林分的林冠截留 Gash模型参数
Tab. 3摇 Parameters in Gash interception model of canopy for different tree species
研究地
Experiment site
林分类型
Forest type
饱和降雨量
Amount of
rainfall to
saturate canopy
(mm)
平均林冠
蒸发速率
Mean
evaporation rate
(mm·h-1)
平均降雨强度
Mean rainfall
intensity
(mm·h-1)
文献
Reference
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Wuyi Mountain, Fujian
杉木林
Cunninghamia lanceolata forest
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热带雨林
Tropical rain forest
0郾 61 0郾 17 4郾 00 [20]
四川贡嘎山
Gongga Mountain, Sichuan
暗针叶林
Dark coniferous forest
1郾 91 0郾 09 0郾 95 [41]
云南哀牢山
Ai爷lao Mountain, Yunnan
北亚热带地常绿阔叶林
North subtropical evergreen broad鄄leaved forest
5郾 00 0郾 18 5郾 50 [42]
山西太岳山
Taiyun Mountain, Shanxi
油松人工林
Pinus tabulaeformis planted forest
1郾 37 0郾 15 5郾 19 [5]
甘肃泾川
Jingchuan town, Gansu
刺槐人工林
Acacia planted forest
2郾 98 0郾 22 0郾 25 [43]
辽宁后安
Hou爷an, Liaoning
落叶松人工林
Larix gmelinii planted forest
0郾 72 0郾 21 3郾 53 本文
This study
3摇 讨摇 摇 论
由于林冠截留受多种气候因子、林冠因子和林
地因子的影响,单纯分析林冠截留量与降雨量的关
系并不能完全反映林冠截留的规律.本研究中,降雨
量和截留量呈正相关,但非稳定的函数关系,与国内
外大多数研究结果一致. 同年份林冠截留量与林外
降雨量的关系呈显著正相关,但综合 2005—2008 年
520312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 盛雪娇等: 辽宁东部山区落叶松人工林林冠降雨截留观测及模拟摇 摇 摇 摇 摇
全部降雨数据,二者关系不显著,主要是由于降雨量
和气候要素的逐年变化导致相同雨量下的林冠截留
能力有较大差别.
大多数研究认为,截留量( I)、截留率( i)与降雨
量(P)的数量关系均为幂函数:I(或 i)= aPb . 苏南
丘陵地区松林和杉木林林冠的截留量 a 介于 0郾 44
~0郾 80,b值介于 0郾 51 ~ 0郾 72[37],本研究中二者之
间也存在幂函数关系:a = 0郾 65,b = 0郾 51,但相关不
显著.不同树种的截留率差异很大,如蒙古栎(Que鄄
cus mongolica)为 19郾 9% ,白桦(Betula platyphylla)
林和红松(Pinus koraiensis)林为 25郾 9% [38],本研究
中落叶松仅为 18郾 8% ,低于温带针叶林林冠截留率
一般在 20% ~40%的结果[39] .
摇 摇 由表 3 可见,不同林型林冠饱和降雨量在 0郾 61
~5郾 00 mm,阔叶林饱和降雨量大于针叶林,其中本
研究的人工落叶松林饱和降雨量较低. 平均林冠蒸
发速率为 0郾 07 ~ 0郾 22 mm·h-1,不同研究地和林分
类型导致了林冠蒸发速率差别很大,刺槐人工林和
落叶松人工林的蒸发率较高,主要是受当地夏季高
温和风速较大的影响.但总体上看,我国不同林型林
冠蒸发速率低于国外相关研究(0郾 17 ~ 0郾 7 mm·
h-1) [44-45],主要是由于我国研究地多属于山地类
型,水汽压饱和差低所致[46-47] .
本研究中 Gash 模型对人工落叶松林林冠截留
的模拟效果较好,模型对林冠截留量的估算是以林
冠自身截留能力(S)为基础,S值的准确性直接影响
着模拟精度.本研究预试验测得的 S 值并不包括枝
叶表面暂时附着、叶腋处存留以及其他生物截留的
水分,以致 S估值偏低,进而低估了截留总量,这解
释了试验中模拟结果小于实测值的情况.此外,由于
观测结果中没有考虑树干径流,也是造成模拟值小
于实测值的原因之一.
比较 2005—2008 年同月实测降雨量与截留量
的关系发现,在发生同等量级降雨情况下,2007 年
的截留量明显低于其他年份.这是由于与其他 3 年相
比, 2007年降雨间隔较短,林冠没有充分时间恢复到
干燥状态,从而影响了下一次降雨发生时的林冠截留
能力,林冠截留量减少,所以出现了模拟值高于实测
值的结果.
与其他截留模型一样,Gash 模型未充分考虑了
风对林冠截留的影响.风不仅会加快蒸发增加截留
量,也会引起树枝摇动促使水滴下落,从而降低截留
量.目前对风引起水滴下落的研究尚未见报道 郾 风也
是多风地区林冠截留的影响因素之一,今后需要加强
这方面的研究工作,以进一步提高模型的模拟精度.
参考文献
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作者简介摇 盛雪娇,女,1983 年生,硕士研究生.主要从事森
林水文方面的研究. E鄄mail: shengxuejiao83@ 126. com
责任编辑摇 李凤琴
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