全 文 ：樟子松林冠截留模拟实验研究3
曾德慧　裴铁王番　范志平　姜凤岐　朱教君
(中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110015)
【摘要】　林冠截留是林分水量平衡的主要分量之一. 通过选取影响樟子松林冠截留的主
要因子: 雨强、雨量、叶面积指数和雨前枝叶干燥度 4 个因子, 分成 5 个水平, 经正交试验
组合, 进行了 25 场林冠截留实验. 通过分析各因子对截留的影响, 得出叶面积指数的影响
最大, 极显著, 雨强次之; 为此建立了截留量与叶面积指数和雨强关系的模拟方程; 在降水
量小、叶面积指数较大的情况下, 截留量与降水量呈正比, 为此建立了截留量与降水量关
系的模拟方程.
关键词　林冠截留　模拟　樟子松
Simulation of canopy in terception by M ongol ian p ine. Zeng D ehui, Pei T iefan, Fan Zh ip2
ing, J iang Fengqi and Zhu J iao jun ( Institu te of A pp lied E cology , A cad em ia S in ica ,
S heny ang 110015). 2Ch in. J. A pp l. E col. , 7 (2) : 134～ 138.
Canopy in tercep tion is one of m ajo r componen ts of w ater balance in fo rest stand. Each of
four m ajo r facto rs affecting canopy in tercep tion ( I ) of M ongo lian p ine, i. e. , ra infall in2
tensity (R i) and quan tity (R q) , leaf area index (L A I ) and dry degree of tw igs and leaves
befo re rain ing (D d ) , is divided in to five levels. Tw enty2five experim ents are carried ou t in
labo rato ry on the basis of o rthogonal design, and the effects of all facto rs on in tercep tion
are analyzed. Among the facto rs, L A I has the mo st rem arkab le effect. Equations are es2
tab lished betw een I and L A I , R i and R q. T here is no dist inct difference betw een modeling
value and experim ental data, and hence, the equations can be used to calcu la te the in ter2
cep tion rates of differen t M ongo lian p ine stands.
Key words　Canopy in tercep tion, Sim ulation, M ongo lian p ine.
　　3 国家自然科学基金资助项目.
1995 年 10 月 23 日收到, 1996 年 1 月 23 日改回.
1　引　　言
为了明晰林分的水分动态, 必须对林
分水量平衡各分量进行研究, 其中林冠截
留是主要分量之一. 国内外不少学者对此
做了大量的研究[1～ 6, 9～ 11, 13～ 18 ], 但大多集中
在某一特定的林分. 在干旱半干旱的沙地,
水分是林分生产力及稳定性的限制因子,
天然降水是林地水分的主要来源. 樟子松
(P inus sy lvestris var. m ong olica ) 是沙地
造林的主要树种. 为了从水分角度评价不
同年龄林分的合理密度, 要了解樟子松林
下降水情况, 而林下降水等于总降水减去
林冠截留, 因此必须对不同年龄林分的林
冠截留有个正确的了解. 为此, 于 1994 年
8 月 29 日至 9 月 13 日在中国科学院长白
山森林生态系统定位站森林水文实验室进
行了樟子松林冠降水截留模拟实验. 因当
地没有樟子松, 用长白松 (P inus sy lvestri2
f orm is) 代替樟子松. 樟子松为欧洲赤松的
变种, 树皮呈黑褐色的长白松属于欧洲赤
松的种群范围[7 ] , 两个树种特征极近, 不会
对降雨截留产生较大差异.
2　实验设计
2. 1　树样采集
应 用 生 态 学 报　1996 年 4 月　第 7 卷　第 2 期　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CH IN ESE JOU RNAL O F A PPL IED ECOLO GY,A p r. 1996, 7 (2)∶134～ 138
野外采集样树或样枝若干个, 其枝叶生长良
好, 分布均匀, 具有代表性, 叶面积指数满足 1. 0
～ 7. 0 范围.
2. 2　测流装置
将样树固定在下垫面模型上, 使其主干垂直
水平面, 其它枝叶在实验期间与野外相同, 然后
测其样树或样枝投影面积, 再用胶合板做成与样
树投影形状与面积大小一样的集水面, 投影面边
缘用高 10 cm 的薄木板围钉起来, 样树干周围与
周围集水面板要连接无缝隙, 再将集水面板涂上
油漆使其不漏水. 为了使穿透水能顺利流出来,
令集水面板安装与水平面有 1 个 2～ 3°倾角, 并
在集水面板最低点钻 1 个 3 cm 的孔, 用镀锌板制
作 1 个出水嘴, 然后安装在集水面板孔上, 保证
面板与出水嘴接触处不漏水, 将出水嘴出来的水
导入V 型槽测流仪进行流量测量. 本实验的集水
盘面积为 1. 57 m 2.
2. 3　影响截留因子的确立
　　林冠截留依赖于降雨特征和林冠特征. 降雨
特征包括雨强和雨量, 林冠特征包括树种、叶面
积指数、枝叶分布、降雨前枝叶干燥程度. 对于一
个具体树种, 因枝叶分布特征基本一致, 故枝叶
分布略去. 在野外, 林冠截留除受上述因子影响
外也与风速和空气湿度有关, 由于风的影响随机
性太大, 有时为正影响, 有时为负作用, 有时降雨
时无风, 可予考虑; 至于空气湿度的影响主要反
映在蒸发上, 由于蒸发不同致使林冠枝叶干燥程
度不同, 但由于降雨期间空气湿度饱和, 对蒸发
的影响也可不考虑. 因此, 本实验选取雨强 (R i)、
雨量 (R q)、叶面积指数 (L A I ) 和雨前枝叶干燥度
(D d ) 4 个因子, 根据实验前对雨强调试结果和野
外采集的长白松实际情况, 将 4 个因子分别划分
5 个水平 (表 1). R i、R q、L A I、D d 4 个因子的单位
分别为mm ·m in - 1、mm、m 2、m in (以饱和后 4 个
风扇吹风时间计) , 雨前枝叶干燥度只分成3个
表 1　截留因子及其水平级划分
Table 1 In terception factors and the ir div ision s
水平 L evels R i R q L A I D d
1 0. 28 5 1. 99 30
2 0. 56 10 2. 82 30
3 1. 11 15 4. 15 60
4 1. 42 20 5. 08 120
5 2. 52 30 6. 12 120
水平, 2 和 4 水平分别用1 和 5 水平替代. 实验设
计按正交表L 25 (56)
[12 ] (表 2) , 共进行 25 场实验.
2. 4　实验过程
每场实验过程都由计算机控制完成, 降雨量
由雨强和降雨时间控制. 每场实验只需将雨强和
降雨时间输入计算机, 计算机将自动控制完成整
个实验, 同时与计算机匹配的磁带机自动记录V
型槽的流量 (通过电压转换成流量). 一场实验结
束后将按设计的时间进行吹风. 每进行 5 场实验
调整一次叶面积指数. 这样共得到 25 场实验结
果 (表 2).
表 2　截留量与各因子的关系
Table 2 Rela tion ship between in terception volume and
factors
试验号
N um ber
列 号 (因子及水平)
Facto rs and their levels
1 2 3 4
截留量
In tercep tion
(kg)
1 1 1 1 1 2. 2
2 1 2 2 2 3. 3
3 1 3 3 3 4. 5
4 1 4 4 4 6. 4
5 1 5 5 5 8. 5
6 2 1 2 3 3. 2
7 2 2 3 4 4. 8
8 2 3 4 5 6. 4
9 2 4 5 1 6. 5
10 2 5 1 2 2. 4
11 3 1 3 5 3. 9
12 3 2 4 1 4. 6
13 3 3 5 2 6. 3
14 3 4 1 3 2. 4
15 3 5 2 4 3. 1
16 4 1 4 2 2. 8
17 4 2 5 3 6. 2
18 4 3 1 4 2. 1
19 4 4 2 5 3. 3
20 4 5 3 1 4. 1
21 5 1 5 4 3. 5
22 5 2 1 5 2. 4
23 5 3 2 1 2. 7
24 5 4 3 2 3. 6
25 5 5 4 3 4. 4
3　结果与分析
3. 1　雨强与截留的关系
同样数量的降雨量, 林冠截留量可能
不同, 特别是降雨强度不同时, 截留量也存
在一定的差别. 一般来说, 降雨强度大, 对
5312 期　　　　　　　　　　曾德慧等: 樟子松林冠截留模拟实验研究　　　
枝叶冲击力比较大, 林冠截留量比较小; 反
之, 降雨强度小, 雨滴也小, 对枝叶冲击力
小, 截留降水能均匀湿润枝叶表面, 其降水
截留量也就越大. 5 个不同强度的降水, 平
均截留量分别为 5. 0、4. 7、4. 1、3. 7、3. 3
kg, 林冠截留量与雨强呈反比关系 (图 1).
Fo rd 在南苏格兰也曾观测到人工云杉林
冠截留量与雨强呈反比[15 ].
图 1　雨强与截留量关系
F ig. 1 Relationsh ip betw een rain in tensity and in tercep2
t ion.
3. 2　雨量与截留的关系
一般来说, 降雨量大时截留量大, 但两
者并非呈直线关系. 雨量的影响表现在随
着降水的不断进行, 截留量越来越多, 到一
定时间截留达到一个极限值, 此后随着降
水再增加, 截留量基本保持不变 (图 2). 5
个不同降水量的平均截留量分别为 3. 1、
4. 3、4. 4、4. 4、4. 5 kg. 通过V 形槽测流仪
记录发现有 2 组实验在叶面积指数较大
( 分别为 6. 12、5. 08) 而降水量较小 ( 5
mm )的情况下 (表 2 第 16、21 号试验) , 未
达到截留饱和 , 即降雨量为5mm 的平均
图 2　雨量与截留量关系
F ig. 2 Relationsh ip betw een p recip itation and in tercep2
t ion.
林冠截留量只有 3. 1 kg. 历时较长的降
雨, 由于附加截留的影响, 其总截留量则有
可能超过林冠的饱和截留量的极限
值[1, 4, 8 ].
3. 3　叶面积与截留的关系
叶面积指数作用效果与雨强相反, 即
叶面积指数越大, 冠层深厚, 叶表面积大,
透过林冠降水的时间出现越晚, 林冠截留
达到饱和的时间越长, 附着叶表面的截留
量也越大. 5 个不同叶面积指数的平均截
留量分别为 2. 3、3. 1、4. 2、4. 9、6. 2 kg, 表
现出正比线性关系 (图 3). A ston 通过实
验模拟 8 个树种林冠截留得到截留量是叶
面积指数的线性函数[14 ].
图 3　叶面积指数与截留量关系
F ig. 3 Relationsh ip betw een LA I and in tercep tion.
3. 4　雨前枝叶干燥度与截留的关系
雨前枝叶越干燥, 林冠截留量越大, 两
者呈正比关系. 3 个不同枝叶干燥度其平
均截留量分别为 3. 9、4. 1、4. 4 kg (图 4).
图 4　雨前枝叶干燥度与截留量关系
F ig. 4 Relationsh ip betw een D d and in tercep tion.
3. 5　方差分析
　　表 3 分析结果表明, 叶面积指数对林
冠截留的影响最大, 极显著; 雨强次之; 雨
631 应　用　生　态　学　报 7 卷
表 3　正交方差分析结果
Table 3 Results of orthogonal square der ia tion analysis
变差来源
D eviation
source
离差平方和
Sum of squa2
res of
deviations
自由度
D egree
of free2
dom
均方
M ean
square
均方比
F2
ratio
R i 9. 2416 4 2. 3115 2. 8175
R q 6. 3978 4 1. 5994 1. 9495
LA I 46. 3976 4 11. 5994 14. 13873
D d 0. 9616 4 0. 2404 0. 2930
剩余
Rem nan t 6. 5632 8 0. 8204
总计
To tal 69. 5616 243 F0. 01= 7. 01.
量和雨前枝叶干燥度均不显著.
3. 6　回归方程的建立
　　 根据方差分析的结果, 选取影响林冠
截留 ( I ) 的主要因子L A I、R i, 用二元回归
来描述 I 的特征规律:
I = 0. 7074 - 0. 4992R i + 1. 0465L A I
　　 (r = 0. 9539) (1)
方程 (1) 的适用范围: R i≥10 mm ; 或 R q<
10 mm ,L A I < 5. 08.
考虑到在L A I 较大而R q 较小, I 未达
到饱和的情况, I 随着 R q 增加而增加, 因
此应分别建立模型:
I = 0. 9 + 0. 45R q (r = 0. 8766) (2)
方程 (2) 的适用范围: R q < 10 mm , L A I ≥
5. 08.
用方程 (1)、(2) 求出的 I 为 1. 57 m 2
的面积范围, 对于面积为A m 2 的林分, 则
截留量 ( IA ) 为 IA ö1. 57 (kg) , IA 用除以降
水量 (将mm 换算成 kg) , 则得到截留率.
4　结　　论
4. 1　在各项因子对截留量的贡献中, 叶面
积指数最大, 极显著; 雨强次之; 雨量和雨
前枝叶干燥度不显著.
4. 2　林冠截留量与雨强呈反比关系, 雨强
越大, 林冠截留量越小.
4. 3　雨量的影响表现在随着降水的不断
进行, 截留量越来越多, 到一定时间截留达
到一个极限值, 后随着降水再增加, 截留量
基本保持不变.
4. 4　雨前枝叶干燥度与截留量呈正比关
系, 雨前枝叶越干燥, 林冠截留量越大.
4. 5　叶面积指数越大, 附着叶表面的截留
量也越大.
4. 6　截留量与叶面积指数、降水强度的关
系可用下列方程表示:
I = 0. 7074 - 0. 4992R i + 1. 0465L A I
方程 I = 0. 9+ 0. 45R q 是上述方程的补充,
在降水量< 10 mm、叶面积指数≥5. 08 的
情况下适用.
4. 7　本实验采用正交实验, 每个因子分成
5 个水平, 因此作图中的实验数据少, 如果
每个因子分成更多的水平意味着实验工作
量太大, 难以进行, 但是多因子综合作用结
果比较客观地反映了实际状况. 对于单个
因子的影响需要在以后的实验中细分更多
的水平以达到更精确的效果.
致谢　韩绍文参加实验的调试工作, 牛丽华帮助
完成计算机操作, 特此一并致谢.
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中国生态学学会第五届全国会员代表大会
暨学术讨论会在珠海举行
　　中国生态学学会第五届全国会员代表大会暨学术讨论会于 1995 年 11 月 7 日至 11 日在广东省珠
海市白藤湖举行. 来自全国各地的科研、教学和其它有关部门的生态学工作者代表共 425 人出席了大
会. 来自香港、澳门的代表、中华海外生态学者协会的代表以及几位在华的外国留学生和外国朋友也应
邀参加了大会. 本届大会由华南农业大学和广东省生态学会承办, 广东省、珠海市和斗门县政府及有关
部门给予此次会议以大力支持和协助, 珠海市政府、斗门县政府、珠海市白藤湖蝴蝶世界等单位为本次
大会提供了赞助.
　　本次大会共收到论文和论文摘要 500 余篇, 其中有 415 篇被选编于大会论文和摘要集中. 论文数量
居历次大会之冠. 有 10 篇论文在全体大会上宣读, 有 200 多篇论文在分组会议上报告和交流. 这些论文
和报告集中反映了我国生态学工作者自四届大会以来在生态学基础、理论方法、全球变化对生态系统的
影响, 中国生物多样性保护和持续利用, 可持续发展的生态学方法与 21 世纪议程、农业生态学、生态农
业与生态工程、城镇及人口密集区生态建设理论、方法和实践等方面的研究的丰硕成果. 其中特别显示
了我国生态学工作者对当前生态学研究前沿的三大热点问题, 即全球变化、生物多样性保护与持续利用
和可持续发展方面的研究成果.
全体与会代表听取了中国生态学学会第四届理事会徐汝梅秘书长所做的四届理事会工作报告. 报
告回顾了 4 年来中国生态学学会在中国科协领导下, 在各省市科协、各省生态学会及有关单位, 特别是
学会挂靠单位中国科学院动物研究所和中国科学院生态环境研究中心的支持下, 在全体会员的热情关
心与努力下, 在学术活动为政府有关部门提供咨询、承担学术任务以及学会组织建设、科学普及、青少年
活动、生态学教育与人才培养、出版及国际交流等方面都取得了明显成绩. 学会主办的刊物《生态学报》、
《应用生态学报》和《生态学杂志》, 在刊物编委会和编辑部的积极努力下, 在学会和刊物承办单位中国科
学院生态环境研究中心和中国科学院沈阳应用生态研究所的大力支持下, 4 年来共发表论文 1200 多
篇, 近千万字, 这些刊物分别获得国家、中国科协和中国科学院颁发的优秀期刊奖. 与会代表对四届大会
以来的学会工作给予充分的肯定.
本次大会通过民主选举, 产生了中国生态学学会第五届理事会. 在本次大会期间还举行了中国生态
学学会第五届理事会第一次理事会议. 会议选出了以王祖望为理事长, 李博、王菊思、高琼、孙铁珩、宋永
昌、梁广文为副理事长, 王如松为秘书长的由 26 名常务理事组成的常务理事会. 新一届理事会决心团结
广大会员, 深入扎实地抓好学会工作, 加大改革开放的力度, 为发展具有中国特色的生态学, 迎接 21 世
纪的到来做出更大的贡献.
(本刊编辑部)
831 应　用　生　态　学　报 7 卷