全 文 ：两种不同林分截留能力的比较研究 3
范世香 3 3 　裴铁番　蒋德明　曹成有　阿拉木萨　(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110015)
【摘要】　根据林冠对大气降雨截留的实测资料 ,采取同雨量下取最大值的方法近似确定了两种不同林分的截
留能力与雨量的关系并进行了比较. 结果表明 ,林冠枝叶空间分布均匀的人工林分 ,截留能力随雨量增加较快 ,
不仅对 < 30mm 的中小雨量表现出了较强的截留作用 ,而且容易满足林冠的饱和截留容量. 尽管天然林对 <
30mm 的雨量截留能力相对较弱 , 但对超过 30mm 的降雨其截留能力大于人工林. 林冠饱和截留容量与冠层枝
叶量有关 ,天然林大于人工林.
关键词 　林分 　林冠特征 　截留能力
Rainfall interception capacity of forest canopy between two different stands. FAN Shixiang , PEI Tiefan ,J IAN G
Deming , CAO Chengyou and Alamusa ( Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang
110015) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2000 ,11 (5) :671～674.
Based on the observation data ,the rainfall interception capacity of the canopy in plantation and natural forest stands and
its relation to rainfall were examined using the method of taking maximum under the same rainfall. The results showed
that the rainfall interception capacity of plantation forest increased rapidly with the increase of rainfall ,because of its
even distribution of branches and leaves ,which was higher under low rainfall less than 30mm , and the saturation inter2
ception capacity was easily reached ,depending on the quantity of branches and leaves in the canopy. Although the in2
terception capacity of natural forest was relatively weak under low rainfall less than 30mm ,compared with plantation
forest , it was much stronger under heavy rainfall more than 30mm. The saturation interception of natural forest was
larger than that of plantation forest .
Key words 　Stands , Characteristics of forest crown , Interception capacity.
　　3 国家自然科学基金 (49871019) 和辽宁省自然科学基金资助项目
(972064) .
　　3 3 通讯联系人.
　　2000 - 04 - 05 收稿 ,2000 - 05 - 30 接受.
1 　引 　　言
不同林分的林冠对大气降雨产生不同的截留效
应. 如何在不同林分之间比较林冠截留作用是一个值
得探讨的问题. 一般说来 ,林冠实际截留量除了与林冠
本身特征因素 (如树种组成、林龄、冠层厚度及郁闭度
等)有关外 ,还与降雨时所伴随的气象环境因素有关 ,
如降雨强度、风速、气温及林冠枝叶的湿润度等[3 ,4 ,6 ] .
因此 ,林冠实际截留量是多种因子综合影响的结果. 当
两种不同林分相距较远时 ,即使在雨量相同的条件下 ,
由于受到其它气象环境因素影响的程度也不尽相同 ,
仍然难以用实际截留量比较因林冠特征有别而对降雨
产生的不同截留效果.
以往的研究大多都采用次降雨或某时段内的林冠
截留率 (实际截留量与降雨量之比)反映不同林分的截
留作用大小[2 ,3 ,8 ] . 因为截留量与降雨量并非线性相
关 ,各种雨量下的截留量并不按一定比例增减. 另外 ,
林冠截留率是用实际截留量计算的 ,没有排除气象环
境因素的影响. 所以林冠截留率不能完全反映出林冠
特征对降雨截留的差别. 为了消除气象环境因素的影
响 ,我们提出了林冠截留能力的概念. 所谓林冠截留能
力是指在不受其它气象环境因素影响的理想条件下 ,
林冠对某一雨量的可能截留量. 林冠截留能力的大小
完全取决于林冠本身的结构特征. 对具体一种林分而
言 ,林冠截留能力与降雨量应该呈现单一的函数关系.
一般情况下 ,由于受到气象环境因素的影响 ,林冠实际
截留量往往要小于它的截留能力 ,因此也可以把林冠
截留能力理解为相同雨量下的最大截留量. 当降雨量
足以使林冠层达到饱和时所表现出的截留能力是林冠
的最大截留能力 ,也就是通常所说的饱和截留容量 ,它
是林冠截留能力的特征值 ,两者应严格加以区别. 无论
从理论上推算还是用实测的方法获得林分的截留能力
都是比较困难的 ,我们将根据实际截留量资料介绍一
种近似确定方法 ,并在两种不同林分之间进行了比较.
2 　研究地自然概况与研究方法
211 　研究地自然概况
选择了两种完全不同的林分进行了比较 ,一种是天然林 ,
另一种是人工林. 天然林选在长白山自然保护区原始林内 ,位
于吉林省安图县二道白河镇以南 3km 处 ,128°06′E ,42°25′N ,
海拔 740m ,年降雨量 720mm[1 ] . 林型为针阔混交林 ,林分结构
应 用 生 态 学 报 　2000 年 10 月 　第 11 卷 　第 5 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Oct . 2000 ,11 (5)∶671～674
组成主要有红松、椴树、水曲柳和风桦 ,其中红松占 35 %. 另有
少量色木槭、蒙古柞、春榆和白桦. 林分总蓄积量约 380m3 ·
hm - 2 ,平均树高 25m 左右 ,林木株数 560hm - 2 ,径级一般在 32
～40cm 之间 , 郁闭度 0. 8[5 ] . 该林分冠层较厚 ,但空间分布不
均匀. 人工林选在辽宁东部山区 ,位于抚顺县后安镇五龙林场
以东约 1km 处 , 124°13′E , 41°44′N , 海拔 240m , 年降雨量
780mm.林型也是针阔混交林. 经调查 ,林分结构组成主要有日
本落叶松、春榆、蒙古柞和水曲柳 ,其中日本落叶松占 40 %左
右. 另有少量黄菠萝、核桃楸. 林龄均为 26 年左右 ,林分总蓄积
量 190m3·hm - 2 ,林木株数 1020hm - 2 ,径级一般在 15～25cm 之
间 ,郁闭度 0. 95. 该林分冠层较薄 ,而且空间分布比较均匀.
212 　研究方法
林冠实际截留量的观测仍然采用了传统的观测方法 [3 ] . 考
虑到天然林郁闭度小而且空间分布也不均匀 ,设置了 15 个标
准雨量筒测量林内雨量 ,在人工林中设置了 8 个标准雨量筒.
在距观测地点约 150m 和 200m 处的皆伐迹地分别安设另一台
雨量筒观测大气降雨量. 观测时按降雨场次分别进行 ,同时记
录大气降雨和林内雨量. 对天然林和人工林分别观测了 2 个和
3 个雨季. 林冠实际截留量等于林外大气降雨量与林内雨量之
差 (因树干流很小 ,可忽略不计) ,林内雨量用算术平均法计算.
3 　结果与分析
311 　截留能力的近似确定
对任何林分而言 ,由于林冠截留量受到气象环境
因素的影响 ,既然是在雨量相同情况下 ,而实际截留量
往往差别也很大. 一般来说 ,雨强越大 ,雨滴也越大 ,对
林冠枝叶的碰击力越强 ,林冠截留量就会越小. 当降雨
期间有风时 ,也往往把附着在林冠枝叶上的重力水吹
落 ,减少林冠的截留量. 风力越大 ,其影响作用就越大.
另外 ,风会加速雨期蒸发 ,由于雨期空气湿度较大 ,这
种影响作用比较有限. 枝叶的湿润度与前次降雨的时
间间隔有关 ,林冠枝叶越湿润 ,截留量就越小[6 ] . 总
之 ,气象环境因素都对林冠截留量产生减少的效果 ,所
以林冠实际截留量一般情况下都要小于同雨量下的林
冠截留能力. 只有气象环境因素影响很小时 ,两者才有
可能基本接近. 将各次实测雨量与林冠实际截留量作
出相关图 ,就能明显看出气象环境因子对林冠截留综
合影响的程度 (图 1) . 根据林冠截留能力的概念 ,如果
不考虑气象环境因素的影响 ,可以根据实际截雨量资
料采取同雨量下取最大值的方法 ,来近似反映该雨量
下的林冠截留能力 ,这样就最大限度地避免了气象环
境因素的影响.
　　按照同雨量下取最大值的原则 ,就可以根据图 1
中散乱的点据各自绘出一条上包线 ,分别近似代表两
种林分的截留能力与降雨量的关系. 就是说 ,用点据的
上包线就可大致揭示林冠对某种雨量的拦截能力以及
图 1 　长白山天然林 (a)和辽东人工林 (b)降雨与截留的相关关系
Fig. 1 Correlation between rainfall and interception in natural forest of
Changbai Mountain and plantaton of east liaoning.
随雨量的变化情况.
　　用实际截留量最大值近似确定相同雨量下的林冠
截留能力 ,同时用点据的上包线近似反映林冠截留能
力与降雨量的关系 ,其近似程度的好坏与实测资料的
多少有关. 如果实测资料越多 ,捕捉到理想条件下的截
留量信息就越丰富 ,那么近似的程度就越好 ,所能反映
的林冠截留能力也就越可靠. 所以 ,用相同雨量下的实
际截留量最大值近似确定林冠截留能力 ,必须要有足
够的实测资料才能获得满意的效果.
当雨量较小时一般不产生树干流 ,只有当林冠层
充分湿润后并达到饱和时才会明显产生树干流[3 ,7 ] .
但在一年中树干流充其量也仅占年降雨量的 1 %～
8 %. 因为我们讨论的截留能力并非在林冠达到饱和状
态 ,所以不考虑干流量并无多大影响.
312 　两种林分截留能力的比较
因为林冠的截留能力取决于林冠的本身特征 ,而
与气象环境因子无关 ,所以在不同林分之间比较林冠
的截留能力就能充分体现出林冠特征对降雨截留作用
的差别. 为便于比较图 1 中近似确定的林冠截留能力
及与降雨量的关系 ,将两者绘在同张图上就会更加清
楚 (图 2) .
　　由图2可看出 ,两种林分的截留能力曲线大致趋
势是相同的 ,反映了林冠截留的一般规律[4 ] . 即随着
276 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　11 卷
图 2 　两种不同林与截留能力的比较
Fig. 2 Comparison of interception capacity in two different stands.
Ⅰ1 长白山天然林 Natural forest of Changbai Mounttain , Ⅱ1 辽东人工林
Plantation of east Liaoning.
降雨量的增加 ,林冠截留能力随之增加. 当降雨量增加
到一定程度后 ,截留能力增加趋缓 ,最终将达到一稳定
值 ,这个稳定值就是最大截留能力 ,或称为饱和截留容
量.但是从图 2 也看出两种林分的截留能力有 3 个不
同之处. 一是人工林截留能力曲线弯曲度比天然林大 ,
表明人工林满足饱和截留容量的速度要比天然林快.
其次 ,当雨量 < 30mm 时 ,人工林截留能力大于天然
林 ,当雨量 > 30mm 时 ,天然林截留能力大于人工林.
再者 ,天然林的最大截留能力 (饱和截留容量) 大于人
工林. 为什么会存在这 3 种差别 ,完全是由两种林分本
身的冠层特征所决定的.
首先 ,人工林郁闭度较高 ,冠层枝叶的空间分布也
较均匀. 当发生降雨时 ,直接穿透雨的比重较小 ,受枝
叶拦截的雨量比重较大. 所以随着雨量的增加 ,林冠截
留量增加较快 ,而且容易满足林冠的最大截留能力. 天
然林的情况则不同 ,由于郁闭度低 ,冠层空间分布不
均 ,对中小雨量而言 ,林冠拦截降雨的能力较弱. 因此
就表现出了人工林的截留能力曲线弯曲度比天然林
大 ,即对 < 30mm 的中小雨量 ,人工林比天然林的截留
能力强. 其次 ,尽管天然林的郁闭度低及冠层空间分布
不均匀 ,它对中小雨量的截留能力相对较弱 ,但是天然
林的冠层较厚 ,树木高大 ,林冠的枝叶量总体上比人工
林多 ,中小雨量很难达到它的饱和截留容量. 对于 >
30mm 以上的雨量 ,天然林的截留能力仍在显著增加 ,
所以天然林对大雨量表现出了较强的截留能力 ,并且
它的饱和截留容量比人工林大 ,显示出较大的截留潜
力. 由此不难推断 :林冠层枝叶分布越均匀对中小雨量
的截留能力越强 ,例如茂密的灌木林或苗圃地可能大
于稀疏的大森林. 然而当雨量充分大时 ,它的最大截留
能力则取决于林分的枝叶量.
根据图 2 ,对一次降雨而言 ,当雨量 < 30mm 时人
工林的截留率大于天然林 ,而当雨量 > 30mm 时 ,天然
林的截留率大于人工林. 另外 ,在一定时段内当 <
30mm 的降雨次数较多 ,而且总量比重较大时 ,同样也
表现出人工林的截留率大于天然林. 反之 ,就表现出天
然林的截留率大于人工林. 所以林冠截留率就不能有
效地反映出不同林分对降雨截留作用的大小. 另外 ,在
实际计算林冠截留率时 ,以往都是采用实测降雨截留
资料 ,而实测资料中都包含了气象环境因子的影响. 因
此 ,用林冠截留率就难以将不同林分的截留作用显示
清楚. 利用近似确定的截留能力与降雨量的关系比较
不同林分的截留效应 ,一方面最大限度地消除了气象
环境因素的影响 ,突出了林冠本身的作用 ,因此具有可
比性. 另一方面也反映了在不同雨量级情况下的林冠
截留降雨的能力.
如果把两种林分的截留能力曲线以数学公式的形
式表达出来 ,则可以用莱因斯利截留公式来拟合[6 ] .
这样 ,不同林分的截留能力就可以用参数来反映. 由于
林冠截留能力是反映林冠特征的 ,与气象环境因素无
关 ,所以不再考虑莱因斯利公式中的雨期蒸发项. 因
此 ,莱因斯利公式可以改写成如下形式 :
Im = Io〔1 - exp ( - kp) 〕 (1)
式中 , Im 为林冠截留能力 , P 为降雨量 , Io 与 k 为反映
林冠特征的参数.
在图 2 的两条曲线上各取若干点进行回归拟合 ,
得出两种林分的截留能力与降雨量的经验关系式分别
为 :
人工林 : Im = 7 . 3〔1 - exp ( - 0 . 12 P) 〕
　　　　　　　　( n = 16 , r = 0 . 998) (2)
天然林 : Im = 9 . 2〔1 - exp ( - 0 . 05 P) 〕
　　　　　　　　( n = 16 , r = 0 . 997) (3)
从上式看出 ,对参数 k 而言 ,人工林大于天然林 ;
对参数 Io 而言 ,天然林大于人工林. 参数 k 反映了林
冠空间分布的均匀程度. 当林分郁闭度较高并且冠层
分布比较均匀时 , k 的取值就大 ,表明林冠达到最大截
留能力的速度较快. Io 反映了林冠截留降雨的最大能
力 ,与冠层枝叶量有关. 林冠层枝叶量越多 ,它的最大
截留能力越高 ,那么 Io 的取值就越大. 实际上 , Io 就是
林冠的饱和截留容量 ,反映了林冠截留量的最大允许
值. 由式 (2)和 (3) 表明 ,对于选定的辽东人工林 ,一次
降雨的林冠截留量最多不会超过 7. 3mm ,对于长白山
天然原始林最多不会超过 9. 2mm. 用式 (1) 表达的林
冠截留能力与降雨量的一般关系 ,体现了不同林分对
降雨截留作用的大小. 这种作用反映在两个参数上 ,如
3765 期 　　　　　　　　　　　　　　　范世香等 :两种不同林分截留能力的比较研究 　　　　　　　　　
果将两参数与林冠特征因子建立起数量关系 ,则由定
性描述进一步向定量化完善 ,尚有待深入研究.
4 　结 　　论
411 　根据相同雨量下取最大值的方法 ,用实测降雨截
留相关点据的上包线近似确定林冠截留能力与雨量的
关系符合降雨截留一般规律 ,也反映出不同林分特征
截留作用的差别 ,所以这种方法是可靠的. 用林冠截留
能力反映林分对降雨的截留作用具有较强的说服力 ,
从实质上揭示了不同林分类型截留降雨的作用机理 ,
克服了用截留率作比较时的某些不足. 所以 ,林冠截留
能力这一概念的提出 ,为深入研究不同林分的截留问
题将会产生积极的作用.
412 　冠层分布均匀的人工林对中小雨量截留能力较
强 ,随着雨量的增加林冠截留能力增加较快 ,对超过
30mm 的雨量截留能力较弱 ,而且基本达到饱和状态.
天然林对中小雨量的截留能力虽然较弱 ,但对超过
30mm 的雨量表现出较强的截留能力 ,而且随着雨量
的增加仍在显著增加. 天然林由于树高枝叶多 ,其饱和
截留容量大于人工林. 因此 ,林冠枝叶空间分布越均
匀 ,在中小雨量下其截留能力随雨量增加越快 ;林冠枝
叶量越多 ,其饱和截留容量越大. 所以 ,林分对降雨的
截留能力不仅与枝叶量有关 ,而且与枝叶的空间分布
有关. 枝叶量的多少决定着林冠的最大截留能力 ,空间
分布决定着对中小雨量的截留能力.
413 　莱因斯利截留公式应用于截留能力与雨量的关
系拟合取得很好的效果 ,参数 k 反映了林冠层枝叶的
空间分布 ,决定着截留能力与雨量关系曲线的形状 ;参
数 Io 反映了林冠枝叶量的多少 ,体现了林分的最大截
留能力.
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作者简介 　范世香 ,男 ,1957 年生 ,副研究员. 主要从事生态水
文及水资源研究工作 ,已发表论文 20 余篇. E2mail : dmjiang @
iae. syb. ac. cn
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