全 文 ：第 ３６ 卷第 １３ 期
２０１６年 ７月
生 态 学 报
ＡＣＴＡ ＥＣＯＬＯＧＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．１３
Ｊｕｌ．，２０１６
ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ
基金项目：国家科技支撑计划子课题（２０１５ＢＡＤ０７Ｂ０５０３０１）；湖南省自然科学创新研究群体基金（湘基金委字［２０１３］７号）
收稿日期：２０１３⁃０１⁃０４； 修订日期：２０１６⁃０５⁃０４
∗通讯作者 Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ．Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｃｓｆｕｙｗｄ＠ ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ
ＤＯＩ： １０．５８４６ ／ ｓｔｘｂ２０１３０１０５００３５
伍倩，闫文德，赵亮生，邓湘雯，宁晨，项文化．湖南会同杉木人工林林冠截留特征．生态学报，２０１６，３６（１３）：４１３１⁃４１４０．
Ｗｕ Ｑ， Ｙａｎ Ｗ Ｄ， Ｚｈａｏ Ｌ Ｓ， Ｄｅｎｇ Ｘ Ｗ， Ｎｉｎｇ Ｃ， Ｘｉａｎｇ Ｗ Ｈ．Ｃａｎｏｐｙ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｆｉｒ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｃｅｎｔｒａｌ ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ．Ａｃｔａ
Ｅｃｏｌｏｇｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，２０１６，３６（１３）：４１３１⁃４１４０．
湖南会同杉木人工林林冠截留特征
伍 倩１，闫文德１，２，３，∗，赵亮生４，邓湘雯１，２，５，宁 晨１，２，３，项文化１，５
１ 中南林业科技大学， 长沙 ４１０００４
２ 南方林业生态应用技术国家工程实验室， 长沙 ４１０００４
３ 城市森林生态湖南省重点实验室， 长沙 ４１０００４
４ 甘肃省白龙江林业管理局林业科学研究所， 兰州 ７３００７０
５ 湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站， 会同 ４１８３０７
摘要：林冠对降水的截留是森林生态系统水分平衡的一个重要组成部分，在水分循环和水资源管理方面起着非常重要的作用。
杉木是我国特有的速生商品材树种，研究杉木人工林各生长阶段的林冠截留，能更好的了解杉木各生长阶段的水循环过程以及
涵养水源的能力。 以湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站第Ⅲ集水区杉木人工林为研究对象，采用小集水区径
流场综合试验法对 １９８３年至 ２００７年杉木人工林幼龄阶段、中龄阶段及近熟阶段 ３ 个不同生长阶段的林冠截留进行分析。 结
果表明：（１）杉木人工林不同生长阶段年均截留率分别为：幼龄阶段 ２６％、中龄阶段 ２７．８６％和近熟阶段 ２９．４７％，３ 个阶段的截
留率季节变化规律相似，但在降雨量较小的月份，近熟阶段的截留率明显高于幼龄阶段。 （２）在雨量级小于 １．０ ｍｍ 时，３ 个阶
段林冠截留率都较高且无明显差别，均在 ８６％以上；在 １．０—２．０ｍｍ雨量级时，３ 个阶段截留率与雨量级小于 １．０ ｍｍ 时均大幅
降低，但 ３个阶段截留率物显著差异，幼龄阶段 ４８．１％、中龄阶段 ４８．７％和近熟阶段 ４７．１％；在进入 ２．０—４．０ ｍｍ雨量级时，３个
阶段截留率差异较大，幼龄阶段 ３０．５％、中龄阶段 ３８．４％和近熟阶段 ４４．１％，近熟阶段的林冠能截留住更多的降雨；当降雨量大
于 １００ ｍｍ时，３个阶段林冠截留率又无明显差异截留率均低于 １０％。 （３）Ｆａｎ模型对各阶段杉木人工林林冠截留的模拟较为
理想。
关键词：杉木人工林；降雨量；林冠截留；模型
Ｃａｎｏｐｙ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｆｉｒ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｃｅｎｔｒａｌ ｓｏｕｔｈ
Ｃｈｉｎａ
ＷＵ Ｑｉａｎ１， ＹＡＮ Ｗｅｎｄｅ１， ２，３，∗， ＺＨＡＯ Ｌｉａｎｇｓｈｅｎｇ４， ＤＥＮＧ Ｘｉａｎｇｗｅｎ１，２，５， ＮＩＮＧ Ｃｈｅｎ１，２，３， ＸＩＡＮＧ Ｗｅｎｈｕａ１，５
１ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０００４，Ｃｈｉｎａ
２ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｆｏｒｅｓｔ Ａｒｅａ ｏｆ Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０００４， Ｃｈｉｎａ
３ Ｈｕｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｆｏｒｅｓｔ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ｃｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０００４，Ｃｈｉｎａ
４ Ｆｏｒｅｓｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｂａｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｂｕｒｅａｕ， Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００７０，Ｃｈｉｎａ
５ Ｈｕｉｔｏｎｇ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｉｅｌｄ Ｓｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ＆ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｆｉｒ Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ， Ｈｕｉｔｏｎｇ ４１８３０７， Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｃａｎｏｐｙ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｂａｌａｎｃｅ ｉｎ ｆｏｒｅｓｔ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｐｌａｙｓ ａｎ
ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｃｙｃｌｅ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ． Ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｏｎ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ａｃｒｏｓｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｇｅｄ
ｓｔａｎｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｆａｓｔ⁃ｇｒｏｗｉｎｇ ｍｅｒｃｈａｎｄｉｓｅ ｗｏｏｄ ｓｐｅｃｉｅｓ⁃Ｃｈｉｎｅｓｅ ｆｉｒ （Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍｉａ ｌａｎｃｅｏｌａｔａ）， ｃａｎ ｈｅｌｐ ｕｓ ｔｏ ｂｅｔｔｅｒ
ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｏｎ ｗａｔｅｒ ｃｙｃｌｉｎｇ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ， ｃａｎｏｐｙ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ
ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｍａｌｌ ｗａｔｅｒｓｈｅｄ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｔ ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｗａｔｅｒｓｈｅｄ （Ｎｏ．Ⅲ） ｉｎ Ｈｕｉｔｏｎｇ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ
ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ
Ｆｏｒｅｓｔ Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｉｏｎ， Ｈｕｎａｎ． Ｆｏｒｅｓｔ ｒａｉｎｆａｌｌ， ｔｈｒｏｕｇｈｆａｌｌ， ａｎｄ ｓｔｅｍｆｌｏｗ ｗｅｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ
ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｗａｓ ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ｉｎ ｙｏｕｎｇ， ｍｉｄ⁃ａｇｅ， ａｎｄ ｅａｒｌｙ⁃ｍａｔｕｒｅ ｓｔａｎｄｓ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｆｉｒ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎｓ ｆｒｏｍ １９８３ ｔｏ ２００７． Ｔｈｅ
ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ Ｆａｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ （ １） ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ
ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ ｗｅｒｅ ２６．０％ ｉｎ ｙｏｕｎｇ ｓｔａｎｄｓ， ２７．９％ ｉｎ ｍｉｄ⁃ａｇｅ ｓｔａｎｄｓ， ａｎｄ ２９．５％ ｉｎ ｅａｒｌｙ⁃ｍａｔｕｒｅ ｓｔａｎｄｓ； ｔｈｅ
ｓｅａｓｏｎａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ ｗａｓ ｓｉｍｉｌａｒ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｓｔａｇｅｓ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｆｉｒ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎｓ， ｂｕｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ
ｗｅｒｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｈｉｇｈｅｒ ｉｎ ｅａｒｌｙ⁃ｍａｔｕｒｅ ｓｔａｎｄｓ ｔｈａｎ ｙｏｕｎｇ ｓｔａｎｄｓ， ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｍｏｎｔｈｓ ｗｈｅｎ ｒａｉｎｆａｌｌ ａｍｏｕｎｔ ｗａｓ
ｓｍａｌｌ． （２） Ｗｈｅｎ ａ ｒａｉｎｆａｌｌ ｅｖｅｎｔ ｗａｓ ａｍｏｕｎｔｅｄ ｔｏ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １． ０ ｍｍ， ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ｎｏ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｒａｉｎｆａｌｌ
ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ ｆｏｒ ａｌｌ ｔｈｒｅｅ ｓｔａｎｄｓ， ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ａｌｌ ｏｖｅｒ ８６％； ｗｈｅｎ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ａ ｒａｉｎｆａｌｌ ｅｖｅｎｔ ｗａｓ １．０—２．０ ｍｍ，
ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｙ ｄｅｃｌｉｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｇｒｏｗｔｈ ｓｔａｎｄｓ． Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｗａｓ ４８．１％ ｉｎ ｔｈｅ ｙｏｕｎｇ ｓｔａｎｄｓ，
４８．７％ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｄ⁃ａｇｅ ｓｔａｎｄｓ， ａｎｄ ４７．１％ ｉｎ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ⁃ｍａｔｕｒｅ ｓｔａｎｄｓ ａｎｄ ｎｏ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｗｅｒｅ ｆｏｕｎｄ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ
ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｓｔａｎｄｓ； ｗｈｅｎ ａ ｒａｉｎｆａｌｌ ｅｖｅｎｔ ｒｅａｃｈｅｄ ２．０—４．０ ｍｍ， ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ
ｄｉｆｆｅｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｓｔａｎｄｓ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ３０．５％ ｉｎ ｔｈｅ ｙｏｕｎｇ ｓｔａｎｄ， ３８．４％ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｄ⁃ａｇｅ ｓｔａｎｄ， ａｎｄ ４４．１％ ｉｎ ｔｈｅ
ｅａｒｌｙ⁃ｍａｔｕｒｅ ｓｔａｎｄ； ｗｈｅｎ ａ ｒａｉｎｆａｌｌ ａｍｏｕｎｔ ｗａｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ １００ ｍｍ， ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ ｗｅｒｅ ｎｏｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｓｔａｎｄｓ ｗｉｔｈ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １０％ ｏｆ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ． （３） Ｔｈｅ Ｆａｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔｉｎｇ ｒａｉｎｆａｌｌ
ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｆｉｒ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅｓｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｒｅｇｉｏｎｓ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ： Ｃｈｉｎｅｓｅ ｆｉｒ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ； ｒａｉｎｆａｌｌ； ｃａｎｏｐｙ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ； ｍｏｄｅｌ
林冠是森林与外界环境相互作用最直接和最活跃的界面层，通过遮荫、截留降水和蒸腾蒸发等作用参与
森林生态系统水分循环［１］，林冠截留作为水文过程中的重要一环，是降雨在到达地面过程中发生的第一次水
量分配［２］，它不仅影响降水的重新分配，还可以对降雨产生滞留作用及影响雨水中营养元素的输入等［３］，是
森林生态系统重要的生态水文功能之一，在森林生态系统文循环中占居重要地位［４］。 森林林冠以其特有的
结构，减少水分输入，影响地表径流，进而影响林地土壤的水分空间分布格局以及养分的循环和利用［５］，对林
冠水文效应的研究，有利于探明森林对降水的分配机制。
林冠截留研究已经有 １００多年的历史［６］，国内外许多学者对林冠截留降水做了大量研究，掌握了大量的
研究方法［２，７］，获取了大量有关林冠截留量和截留率的实测数据［８⁃１０］。 据研究，在茂密的森林中，林冠对次降
雨的截留量可达 １０—２０ ｍｍ，而林冠层的年截留量与年降雨量以及年内降雨的次数有关，其量可以达到年降
水量的 １５％—４５％［１１⁃１２］。 由于植被种类、密度、结构和气象条件的不同，截留量存在很大差异，一些地方的植
被截留量可能占到降雨量的 ５０％［１３］。 关于林冠截留模型方面很多学者作了很多研究［１４⁃２０］，一些学者对杉木
人工林对降水的截留作用作了研究［２１⁃２２］，但都是针对杉木人工林某一生长阶段对降水的截留作用，而要对杉
木林不同生长阶段林冠截留特征进行研究则需要长期的定位观测，因此一直没有关于杉木人工林不同生长阶
段对降雨截留的报道。 本文以长时间的定位观测研究为基础，研究杉木人工林生态系统随着林分的生长，林
冠层对大气降雨的截留动态变化，揭示各生长阶段杉木林林冠层对降水的截留作用，阐明不同生长阶段森林
的水分分配机制影响及其生态学意义，为杉木人工林水文生态功能评估提供理论依据。
１ 研究区基本情况
１．１ 试验地概况
试验地设在湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站（会同生态站），该站位于湖南省西南部
会同县境内，站内设有 ８个面积约 ２ ｈｍ２的试验小集水区，本研究选取第Ⅲ集水区作为研究对象，第Ⅲ集水区
概况见表 １；第Ⅲ集水区在 １９８７年年底皆伐第一代杉木人工林，１９８８年整地营造第二代杉木人工林。 根据南
方杉木人工林的生长速度规律，按 ５ａ为 １个龄级，结合龄级将林分分为不同生长阶段［５］。 即 １９８８—１９９２ 年
为幼苗阶段；１９９３—１９９７年为幼龄阶段；１９９８—２００２ 为中龄阶段；２００３—２００７ 年为近熟阶段，各生长阶段林
２３１４ 生 态 学 报 ３６卷
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分特征见表 ２。 林下代表植物主要有杜茎山 Ｍａｅｓａ ｊａｐｏｎｉａ （ ｔｈｕｎｂ） Ｍｏｒｉｔｚｉ、狗脊 Ｒｈｉｚｏｍａ ｃｉｂｏｔｔｉ、蕨类
Ｐｔｅｒｉｄｏｐｈｙｔａ等。
表 １ 第Ⅲ集水区概况
Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ⅲ Ｗａｔｅｒｓｈｅｄ
位置
Ｌｏｃａｔｉｏｎ
面积 ／ ｈｍ２
Ａｒｅａ
海拔 ／ ｍ
Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ
坡度 ／ （ °）
Ｇｒａｄｉｅｎｔ
坡向
Ａｓｐｅｃｔ
地貌类型
Ｇｅｏｍｏｒｐｈｉｃ
ｔｙｐｅ
土壤类型
Ｓｏｉｌ ｔｙｐｅｓ
年均降水量
Ａｎ ａｖｅｒａｇｅ
ａｎｎｕａｌ
ｒａｉｎｆａｌｌ ／ ｍｍ
相对湿度 ／ ％
Ｒｅｌａｔｉｖｅ
ｈｕｍｉｄｉｔｙ
年均温 ／ ℃
Ａｎｎｕａｌ
ａｖｅｒａｇｅ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
２６°５０′Ｎ
１０９°４５′Ｅ １．９４８３ ２７０—３５５ ２５ 北 低山丘陵 山地黄壤 １３１２．６ ８０ １７．４
表 ２ 第Ⅲ集水区杉木人工林不同生长阶段林分特征
Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｈａｓｅｓ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｆｉｒ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎｓ
林分各生长阶段
Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｈａｓｅｓ
ｏｆ ｓｔａｎｄ
密度 ／ （株 ／ ｈｍ２）
Ｄｅｎｓｉｔｙ
平均胸径 ／ ｃｍ
Ａｖｅｒｇｅ
ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｔ
ｂｒｅａｓｔ ｈｅｉｇｈｔ
平均树高 ／ ｍ
Ａｖｅｒａｇｅ
ｔｒｅｅ ｈｅｉｇｈｔ
郁闭度
Ｃａｎｏｐｙ
ｄｅｎｓｉｔｙ
冠幅 ／ ｍ
Ｃｒｏｗｎ
ｂｒｅａｄｔｈ
叶面积指数
Ｌｅａｆ ａｒｅａ
ｉｎｄｅｘ
生物量 ／ （ ｔ ／ ｈｍ２）
Ｂｉｏｍａｓｓ
幼龄阶段（１９９３—１９９７）
Ｙｏｕｎｇ ｓｔａｎｄｓ ２４００ ７．１ ７．６ ０．４ ２ ４ ２３．３９７
中龄阶段（１９９８—２００２）
Ｍｉｄ⁃ａｇｅｄ ｓｔａｎｄｓ ２３５０ １３．４ １１．９ ０．６５ ３ ６．２ ６３．８４
近熟阶段（２００３—２００７）
Ｐｒｅ⁃ｍａｔｕｒｅ ｓｔａｎｄｓ ２１７５ １４．５ １４．０ ０．７ ４．５ ７ ７９．２５
１．２ 研究区降水分布概况
１．２．１ 研究区降雨量
１９８３—２００７年年降雨量如图 １所示，２５ａ年均降雨量 １３１２．６ ｍｍ。 表 ３为集水区 １９８３—２００７年每月林外
降水观测数据。 从表 ３可以看出，２５年间每年 １—６月降雨次数（２２５６次）远大于 ７—１２月（１３５３次），占全年
降雨次数的 ６２．５１％；但是大的降雨量集中分布在 ４—８月份，这 ５个月的降雨次数占总降雨次数的４４．２２％，但
是降雨量却占总降雨量的 ６２．０２％，而其余各月的月平均降水量均不足 １００ ｍｍ。 另一方面 ９—１２ 月，降雨次
数和降雨量明显减少，属于相对干旱阶段；从 １２月到次年 ３月则进入降雨事件频发但降水量不高的阶段。 总
之，研究区年降雨量分布不均匀，年降水量主要依赖 ４—８月降雨。
图 １ 第Ⅲ集水区各年降雨量分布（１９８２—２００７年）
Ｆｉｇ．１ Ａｎｎｕａｌ ｒａｉｎｆａｌｌ ａｔ ｔｈｅ Ⅲ Ｗａｔｅｒｓｈｅｄ （１９８２—２００７）
１．２．２ 研究区降雨强度
表 ４为 １９８３—２００７ 年间研究区降雨按降雨强度统计结果，研究区一次性降雨强度在 ０．５—５．０ ｍｍ ／ ｄ 的
日降水量小于 １０ ｍｍ ／ ｄ的降雨（小雨）总次数为 ２６５６次，占总降雨次数的 ７３．５９％，小雨的总降雨量为 ７６６０．０
３３１４ １３期 伍倩 等：湖南会同杉木人工林林冠截留特征
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ｍｍ ／ ｄ，占总降雨量的 ２３．３４％。 在 ３６０９次降水中，出现在 １０—２５ ｍｍ ／ ｄ以及 ２５—５０ ｍｍ ／ ｄ的中雨和大雨的降
雨量，分别占总降雨量的 ３０．７６％和 ２８．６９％，但其降雨次数分别只占 １７．２１％和 ７．０９％；降雨量大于 ５０ ｍｍ ／ ｄ
的暴雨和大于 １００ ｍｍ ／ ｄ 大暴雨等高强度的降雨次数只有 ７６ 次，占总降雨次数的 ２．１１％，它们的总降雨量却
高达 ５６４５．０ｍｍ，占总降雨量的 １７．２０％。 因此可以看出，在该研究区域内，小雨的降水次数虽然多，但是中雨、
大雨和暴雨的降雨量却占了总降雨量主要的一部分。
表 ３ 第Ⅲ集水区林外降水特征分布（按月统计，１９８３—２００７年）
Ｔａｂｌｅ ３ Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ｏｆ ｔｈｅ Ⅲ ｗａｔｅｒｓｈｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｍｏｎｔｈ （１９８３—２００７）
月份
Ｍｏｎｔｈ
月均降水量 ／ ｍｍ
Ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｍｏｎｔｈｌｙ
ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ
月均降水量 ／ ％
Ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ
ｍｏｎｔｈｌｙ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ
ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ
降雨次数
Ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ
降雨次数 ／ ％
Ｒａｉｎｆａｌｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ
月降雨标准偏差
Ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ
ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｏｎ ｒａｉｎｆａｌｌ
变异系数 Ｃｖ
Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ
ｖａｒｉａｔｉｏｎ
１ ６７．３４ ５．１３ ３４０ ９．４２ ３６．７２ ０．５４５
２ ８４．２５ ６．４２ ３７５ １０．３９ ４０．５７ ０．４８２
３ ９８．８３ ７．５３ ４１２ １１．４２ ３７．４４ ０．３７９
４ １４０．５６ １０．７１ ４００ １１．０８ ５１．８６ ０．３６９
５ １９７．０７ １５．０１ ３８９ １０．７８ ６７．４７ ０．３４２
６ ２１３．３４ １６．２５ ３４０ ９．４２ １０２．６４ ０．４８１
７ １４５．２６ １１．０７ ２４３ ６．７３ １２１．６４ ０．８３７
８ １１７．９３ ８．９８ ２２４ ６．２１ ７１．５６ ０．６０７
９ ６４．８３ ４．９４ １８６ ５．１５ ４５．４７ ０．７０１
１０ ８６．２２ ６．５７ ２６６ ７．３７ ６６．９７ ０．７７７
１１ ６１．０３ ４．６５ ２００ ５．５４ ３４．８２ ０．５７０
１２ ３５．９８ ２．７４ ２３４ ６．４８ ２４．４０ ０．６７８
表 ４ 第Ⅲ集水区林外降水特征分布（按降雨强度统计，１９８３—２００７年）
Ｔａｂｌｅ ４ Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ｏｕｔｓｉｄｅ ｔｈｅ Ⅲ ｗａｔｅｒｓｈｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｉｔｓ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ （１９８３—２００７）
降雨强度 ／ （ｍｍ ／ ｄ）
Ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ０—０．５ ０．５—５．０ ５—１０ １０—２５ ２５—５０ ５０—１００ ＞１００ 合计 Ｔｏｔａｌ
降雨次数
Ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ５０１ １６２７ ５２８ ６２１ ２５６ ６７ ９ ３６０９
降雨次数 ／ ％
Ｒａｉｎｆａｌｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ １３．８８ ４５．０８ １４．６３ １７．２１ ７．０９ １．８６ ０．２５ １００
降雨量 ／ ｍｍ
Ｒａｉｎｆａｌｌ １５７．２ ３５１４．２ ３９８８．６ １００９５．３ ９４１５．３ ４５３８．６ １１０６．４ ３２８１５．６
降雨量 ／ ％
Ｒａｉｎｆａｌｌ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ０．４８ １０．７１ １２．１５ ３０．７６ ２８．６９ １３．８３ ３．３７ １００
２ 研究方法
本研究选取第Ⅲ集水区杉木人工林为研究对象，采用小集水区径流场综合试验法［２３］，从 １９９５ 年林分接
近郁闭开始记录林内穿透水。
第Ⅲ集水区降水数据（Ｐ）主要收集装置是气象梯度观测铁塔顶上（２２ ｍ高）和距离集水区约 ２００ ｍ的林
外空旷地安装遥测雨量计，该装置可以连续测定降水量和降水强度。 同时，在相同地点利用普通雨量计测定
降水量作为对照。 分别在第Ⅲ集水区的山洼、山麓、山坡 ３ 个部位设置一个 １８—２０ｍ２的穿透水承接装置，用
ＳＷ⁃４０型日记水位计测定穿透水的量。
穿透水量（Ｐ ｔ）按下列公式换算成 ｍｍ：
Ｐ ｔ ＝
Δｔ × ０．４３３２０３５ × Ｈ１．７８９２９７
Ａ
（１）
４３１４ 生 态 学 报 ３６卷
ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ
式中，Ｐ ｔ 为穿透雨量（ｍｍ），Δｔ为时距（ｍｉｎ），Ｈ为平均水头高（ｃｍ），Ａ为穿透水承接装置的水平面积（ｍ２）。
树干径流 Ｐｓ（ｍｍ）采用聚乙烯塑料管蛇形缠绕于树干，并用沥青封好、在适当的位置打孔，将水导入塑料
管中，塑料管的下端接入一个特制的盛水溶器中。 根据林分的株数密度和林分的径阶分布规律，将样木的树
干实测茎流量换算成单位面积的流量（ｍｍ）。
截留量 ＰＩ 根据水量平衡方程估算得出，按下列公式计算截留量 ＰＩ（ｍｍ）：
ＰＩ ＝Ｐ－（Ｐ ｔ＋Ｐｓ） （２）
式中，Ｐ为降雨量（ｍｍ），Ｐ ｔ 为穿透水（ｍｍ），Ｐｓ 为树干径流（ｍｍ）。
３ 结果与分析
３．１ 不同雨量级下林冠截留特征
由于杉木人工林生态系统的幼龄阶段、中龄阶段和近熟林阶段的冠层结构相差很大，因此，对于林冠截留
降雨的研究应根据不同年龄阶段分别进行研究，将各阶段的一次性降水的实测数据按不同年龄阶段及不同雨
量级统计成表 ５。 第Ⅲ集水区的第 ２代杉木林是 １９８８年春造林，林冠截留是从 １９９５年 ５月 １号开始观测的，
所以表 ５中没有 １９９５年前的数据。 从表中可看出，３ 个不同林龄阶段的杉木人工林的林冠截留量和截留率
在不同的雨量级下发生变化。 在降雨量＜１．０ ｍｍ 时，３ 个阶段杉木林截留率随降雨量的增加而减小，但是减
小的幅度有所不同，一次性降水在 ０．５ ｍｍ以下时，３个阶段杉木林能基本截留全部降水，截留率为 ９８％以上；
在中龄和近熟阶段，０．７—１．０ ｍｍ时的截留率都能在 ９０％以上，但是在幼龄阶段，却下降到了 ８６％。 在 １．０—
２．０ ｍｍ阶段时，各阶段杉木林截留率均有一个巨大的下降。 值得注意的是，在雨量级为 １．０—２．０ ｍｍ阶段时，
幼龄阶段、中龄阶段及近熟阶段的截留率分别是 ４８．１％、４８．７％和 ４７．１％，各阶段截留率没有显著差异，而到
２．０—４．０ ｍｍ阶段时，幼龄阶段、中龄阶段和近熟阶段截留率为 ３０．５２％、３８．４％和 ４４．１％，与 １．０—２．０ ｍｍ时林
冠截留率差值达：１７．５８％、１０．３％和 ３％，此时各阶段的的林冠截留率就有了很大的差别，这说明对于在降雨量
小时，各林龄阶段林冠截留率没有太大的差别，但是在降雨量大时，各林龄阶段林冠截留发生很大的改变，近
熟阶段的杉木林林冠能截留住更多的降雨。
表 ５ 不同林龄阶段不同雨量级下降雨分配
Ｔａｂｌｅ ５ Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒｏｗｔｈ ｐｈａｓｅｓ
林分生长阶段
Ｇｒｏｗｔｈ ｐｈａｓｅｓ
雨量级
Ｒａｉｎｆａｌｌ ｃｌａｓｓ ／ （ｍｍ ／ ｄ）
样本数
Ｓａｍｐｌｅ
平均降雨量
Ｒａｉｎｆａｌｌ ／ ｍｍ
平均截留量
Ｉｎｔｅｒ． ／ ｍｍ
截留率
Ｉｎｔｅｒ． Ｒａｔｅ ／ ％
幼龄阶段 ０—０．５ ７４ ０．３４ ０．３３８ ９９．４１１７６
Ｙｏｕｎｇ ｓｔａｎｄｓ ０．５—０．７ ４０ ０．６４４ ０．６２４ ９６．８９４４１
０．７—１．０ ３１ ０．８７６ ０．７５７ ８６．４１５５３
１．０—２．０ ２３ １．５５９ ０．７５ ４８．１０７７６
２．０—４．０ １９ ２．９７１ ０．９０７ ３０．５２８４４
４．０—６．０ １４ ５．１７９ １．３９１ ２６．８５８４７
６．０—１０．０ ８ ７．７５６ １．９５５ ２５．２０６２９
１０．０—１５．０ １２ １２．８５４ ３．９８３ ３０．９８６４６
１５．０—２０．０ ８ １７．９３１ ５．２７ ２９．３９０４４
２０．０—３０．０ ７ ２５．２６４ ８．０６６ ３１．９２６８５
３０．０—４０．０ ５ ３３．４２ １０．２２２ ３０．５８６４８
４０．０—６０．０ ３ ４８．０１７ １０．９７３ ２２．８５２３２
６０．０—１００．０ ２ ６７ １１．４４５ １７．０８２０９
＞１００．０ １ １００．４ １２．０６８ １２．０１９９２
合计 Ｔｏｔａｌ ２４７ １３２５．０３１ ４０８．４４１ ３０．８２５０１
中龄阶段 ０—０．５ ２３９ ０．３０２ ０．２９７ ９８．３４４３７
Ｍｉｄ⁃ａｇｅｄ ｓｔａｎｄｓ ０．５—０．７ ６７ ０．６３２ ０．５８４ ９２．４０５０６
５３１４ １３期 伍倩 等：湖南会同杉木人工林林冠截留特征
ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ
续表
林分生长阶段
Ｇｒｏｗｔｈ ｐｈａｓｅｓ
雨量级
Ｒａｉｎｆａｌｌ ｃｌａｓｓ ／ （ｍｍ ／ ｄ）
样本数
Ｓａｍｐｌｅ
平均降雨量
Ｒａｉｎｆａｌｌ ／ ｍｍ
平均截留量
Ｉｎｔｅｒ． ／ ｍｍ
截留率
Ｉｎｔｅｒ． Ｒａｔｅ ／ ％
０．７—１．０ ５０ ０．８８１ ０．８０５ ９１．３７３４４
１．０—２．０ ２０ １．６３８ ０．７９７ ４８．６５６９
２．０—４．０ ３４ ２．７７６ １．０６８ ３８．４７２６２
４．０—６．０ ２５ ４．９３８ １．９３７ ３９．２２６４１
６．０—１０．０ ３４ ７．８１ ２．６７１ ３４．１９９７４
１０．０—１５．０ ２２ １１．４９８ ３．９６８ ３４．５１０３５
１５．０—２０．０ １８ １７．３８１ ５．８９９ ３３．９３９３６
２０．０—３０．０ １２ ２３．９３３ ８．２３５ ３４．４０８５６
３０．０—４０．０ ７ ３２．２５７ １０．９４２ ３３．９２１３２
４０．０—６０．０ ７ ４６．２４３ １１．１４９ ２４．１０９５９
６０．０—１００．０ １ ６７．５ １１．９４５ １７．６９６３
＞１００．０ １ １４４．８ １２．２４６ ８．４５７１８２
合计 Ｔｏｔａｌ ５３７ ２２８９．５１６ ８１２．９７８ ３５．５０８７３
近熟阶段 ０—０．５ １１７ ０．３３６ ０．３２６ ９７．０２３８１
Ｐｒｅ⁃ｍａｔｕｒｅ ｓｔａｎｄｓ ０．５—０．７ ５６ ０．６５３ ０．６３３ ９６．９３７２１
０．７—１．０ ５３ ０．８６８ ０．８１ ９３．３１７９７
１．０—２．０ １２ １．４９２ ０．７１２ ４７．７２１１８
２．０—４．０ １８ ２．６６９ １．１７７ ４４．０９８９１
４．０—６．０ １０ ４．８１５ １．８０５ ３７．４８７０２
６．０—１０．０ １８ ８．０９７ ３．２０７ ３９．６０７２６
１０．０—１５．０ ２２ １２．５５７ ３．０６９ ２４．４４０５５
１５．０—２０．０ ８ １６．９８１ ５．８２４ ３４．２９７１６
２０．０—３０．０ ７ ２４．４０７ ８．００６ ３２．８０２０６
３０．０—４０．０ ３ ３４．９ １０．９８５ ３１．４７５６４
４０．０—６０．０ ３ ４８．５６７ １１．６１６ ２３．９１７４７
６０．０—１００．０ １ ６５．７ １１．７７５ １７．９２２３７
＞１００．０ ２ １２２．７２５ １１．９２３ ９．７１５２１７
合计 Ｔｏｔａｌ ３３０ １５２６．２２８ ４９５．６０２ ３２．４７２３４
此外，近熟龄阶段的杉木人工林生态系统中，当降雨量在 ４．８ ｍｍ时，截留水量 １．８ ｍｍ，截留率为 ３７．５％；
雨量增加到 ２４．４ ｍｍ，截留量增加到 ８．０ ｍｍ，截留率反而减少到 ３２．８％，一次降水量在 ４０ ｍｍ时，林冠截留雨
量达到了 １１．６ ｍｍ，当降水量增加到 ６５．７ ｍｍ，截留量只增加到 １１．７ ｍｍ，截留率从 ３１．５％下降到了 ２３．９％，截
留量随降水量增大而增大，但它们不是呈线形相关，当截留量达到饱和时，随着降雨量的增加，截留量不会再
有很大的变化，而截留率却是随着降雨量的增加而减小。 林冠截留作用不是无限的，林冠对降水的截留量有
一个阈值，这个阈值将随着林分的年龄不同而改变，一般林分刚好完全郁闭时，其叶面积指数达到最大值，此
时的林分截留量最大。 根据推导和表 ５中 ６０ ｍｍ以上雨量级的截留量结果表明，阈值在 １１—１２ ｍｍ之间，随
着降雨强度的进一步增大，林冠截留的能力逐渐降低。
３．２ 杉木林林分各生长阶段林冠截留作用
从表 ６可以看出，杉木人工林不同生长阶段林冠对降水输入再分配的月分布规律相近但又存在差异，林
分各生长阶段穿透水都会随着降雨量的增加而增加；同时随着年龄的增加，林冠截留能力加强，所以各生长阶
段林分年平均林冠截留率会有差异。
林分不同生长阶段年均截留率分别为：幼龄阶段（２７％）＜中龄阶段（２７．８６％）＜近熟阶段（２９．４７％）。 分析
林分生长各阶段月截留率，可以看出，处于不同生长阶段的杉木林林分截留率季节变化规律相似，即 １—３月
份降雨量较少，截留率较高，从 ４月份开始进入雨季，随着降雨量和降雨强度的增加，截留率开始减小，这一状
６３１４ 生 态 学 报 ３６卷
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况一直持会续到 ８月，随着雨季的结束截留率也会反弹；而进入 ９月份后降雨总量和降雨天数相对减少，两次
降雨间隔期变长，冠层一直处于不饱和状态，林冠截留率会增加；并且在 １０月份降雨量又有一个反弹的现象，
所以 ９、１０、１１ ３ 个月份的截留率变化幅度非常大，一直到 １２ 月份，截留率才趋于稳定。 一年中，截留率的最
小值一般会出现在 ５—７月，这段时间也是大雨和暴雨频发的时期。 总之，４—８月，由于月平均降雨量增加，
降雨截留量也增加，但是截留率处于较低水平；而在其他月份，林冠截留损失量较少，截留率比较高。 在降雨
量较少的几个月份（１—３月及 ９—１２月），随着林分的生长，林冠的截留率增大的比较明显，比如幼龄阶段 １
月份平均截留率为 ２６．５％，到中龄阶段 １月份平均截留率增加到 ３０．７０％，近熟阶段增加到 ３３．１０％；但是在降
雨量较高的月份（４—８月），林分各生长阶段截留率的差异不大，在月降雨量在 ２４０ ｍｍ 以上时，林分各生长
阶段截留率均不到 ２５％。 对比林分不同生长阶段各月的截留率，也可以看出随林分的生长截留率也在增大。
表 ６ 第Ⅲ集水区林分各生长阶段林冠对降水输入再分配情况
Ｔａｂｌｅ ６ Ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｒｕｌｅ ｂｙ ｃａｎｏｐｙ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｈａｓｅｓ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｆｉｒ Ｐｌａｎｔａｔｉｏｎｓ ａｔ ｔｈｅ
Ⅲ Ｗａｔｅｒｓｈｅｄ
林分生长阶段
Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｈａｓｅｓ
项目
Ｉｔｅｍ
月份 Ｍｏｎｔｈ
１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ １１ １２
合计
Ｔｏｔａｌ
幼龄阶段 降雨量 ／ ｍｍ ７６．７７ １０９．７０ １２７．５７ １５０．８０ １８２．９７ １９４．２７ ２９７．４３ ７９．６０ ８４．９３ １３８．６７ ７８．４７ ４６．０７ １５６７．２３
Ｙｏｕｎｇ ｓｔａｎｄｓ 截留量 ／ ｍｍ ２０．２７ ２６．０７ ３７．７３ ４１．３７ ５０．２０ ５２．８３ ６８．４７ ２６．５０ ２２．７３ ３９．３７ ２２．９０ １４．７３ ４２３．１７
截留率 ／ ％ ２６．５０ ２４．１５ ２８．０９ ２９．０１ ２７．３０ ２７．７４ ２３．９０ ３３．６６ ２６．３７ ３１．１５ ２９．７８ ３７．８９ ２６．００
中龄阶段 降雨量 ／ ｍｍ ６４．９２ ７４．４ １０７．４２ １６８．４６ ２６５．１２ ２６２．９ １５０．０２ １５１．１６ ５２ １１６．７８ ６３．２６ ３５．１２ １５１１．５６
Ｍｉｄ⁃ａｇｅｄ ｓｔａｎｄｓ 截留量 ／ ｍｍ １９．９３ ２６．３２ ３０．９１ ４４．８６ ６４．５７ ６８．６１ ４１．３６ ４７．５１ １４．００ ３１．１５ １９．５７ １２．３９ ４２１．１６
截留率 ／ ％ ３０．７０ ３５．３７ ２８．７７ ２６．６３ ２４．３５ ２６．１０ ２７．５７ ３１．４３ ２６．９２ ２６．６８ ３０．９３ ３５．２８ ２７．８６
近熟阶段 降雨量 ／ ｍｍ ７３．７２ ９０．８４ ８９．３２ １５８．３４ １６９．０６ ２４０．４４ １４５．５８ １１４．６４ ５３．２ ３０．１６ ４９．９６ ３９．１ １２５４．３６
Ｐｒｅ⁃ｍａｔｕｒｅ ｓｔａｎｄｓ 截留量 ／ ｍｍ １９．４０ ２４．７７ ２３．７９ ４１．２０ ４７．１１ ４７．４０ ３１．８８ ２８．３３ １３．１３ ８．３８ １４．０８ １０．２５ ３０９．７２
截留率 ／ ％ ３３．１０ ３２．７７ ３２．２３ ２９．１８ ３０．８２ ２１．７９ ２５．３４ ２９．０８ ３４．０８ ４４．３６ ３８．１９ ３９．００ ２９．４７
总体而言，杉木人工林不同生长发育阶段林冠对降水输入的再分配情况存在一定差异，而这些差异可能
是因为林分自身因素改变造成的，如林分结构变化，随着林分的生长发育，林冠层的结构特征不断变化，速生
阶段随着林冠层冠幅和冠层厚度的增加，林冠层开始发挥截留作用，当进入中龄阶段后，林冠层进一步郁闭，
所以相比幼龄阶段而言，中龄阶段林冠对降水输入的再分配作用更为明显，当林分生长到近熟阶段后，林冠层
结构达到稳定，对降水输入的再分配过程基本上也趋于稳定。
３．３ Ｆａｎ模型对杉木人工林林冠截留的模拟
３．３．１ Ｆａｎ模型参数确定
林冠截留模型是模拟和估算林冠截留量的重要方法之一，国内外学者已在不同地区、不同林分类型建立
了许多林冠截留模型。 范世香模型（简称 Ｆａｎ模型） ［１２］推导逻辑性较强，参数较少物理意义明确，应用简便，
限制因素少，特别是不受气象因子限制。 Ｆａｎ模型在具体应用过程中，根据林分特征，将林分划分为完全郁闭
和不完全郁闭两种情况，本研究中属于林分不完全郁闭情况，因此以下计算公式：
采用当 Ｐ＜Ｈ 时，
Ｉ ＝ αＷ １ － １ Ｐ
Ｈ
æ
è
ç
ö
ø
÷
β＋１é
ë
êê
ù
û
úú （３）
当 Ｐ≥Ｈ 时，
Ｉ ＝ αＷ （４）
式中，Ｐ为降雨量，Ｈ为冠层最厚密处的饱和截留量，Ｗ为林分最大截留能力，α 为郁闭度，β 为综合参数。 模
型推导过程参见参考文献［１２］。
取 ３阶段的最大截留量对应的降雨量为冠层最厚密处的饱和截留量 Ｈ，所对应的数值为冠层最大截留能
７３１４ １３期 伍倩 等：湖南会同杉木人工林林冠截留特征
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力 Ｉ，３个阶段的郁闭度分布为：０．４，０．６５，０．７，通过公式（４）计算 Ｗ。 所以，３ 个阶段的林冠截留能力模型分
别为：
幼龄阶段
Ｉ＝ １２．０６８ １－ １ Ｐ
１００．４
æ
è
ç
ö
ø
÷
３．３２８é
ë
êê
ù
û
úú Ｐ ＜ １００．４
Ｉ＝ １２．０６８ Ｐ ≥１００．４
中龄阶段
Ｉ＝ １２．２４６ １－ １ Ｐ
１４４．８
æ
è
ç
ö
ø
÷
７．６８６é
ë
êê
ù
û
úú Ｐ ＜ １４４．８
Ｉ＝ １２．２４６ Ｐ ≥１４４．８
近熟阶段
Ｉ＝ １１．９２３ １－ １ Ｐ
１２２．７２５
æ
è
ç
ö
ø
÷
７．２０５é
ë
êê
ù
û
úú Ｐ ＜ １２２．７
Ｉ＝ １０．８８ Ｐ ≥１２２．７
３．３．２ 模拟结果
表 ７为各阶段的实测值与模拟结果，从实测林冠截留与模拟值比较来看，Ｆａｎ 模型对各阶段杉木人工林
林冠截留的模拟较为理想。
表 ７ 不同雨量级下 Ｆａｎ模型模拟值与实际值比较
Ｔａｂｌｅ ７ Ｔｈｅ Ｆａｎ ｍｏｄｅｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒａｉｎｆａｌｌ ｌｅｖｅｌ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｖａｌｕｅ
雨量级
Ｒａｉｎｆａｌｌ ｃｌａｓｓ ／
（ｍｍ ／ ｄ）
幼龄阶段 Ｙｏｕｎｇ ｓｔａｎｄｓ 中龄阶段 Ｍｉｄ⁃ａｇｅｄ ｓｔａｎｄｓ 近熟阶段 Ｐｒｅ⁃ｍａｔｕｒｅ ｓｔａｎｄｓ
实测值
Ｏｂｓｅｒｖｅｄ ／ ｍｍ
模拟值
Ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ／ ｍｍ
实测值
Ｏｂｓｅｒｖｅｄ ／ ｍｍ
模拟值
Ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ／ ｍｍ
实测值
Ｏｂｓｅｒｖｅｄ ／ ｍｍ
模拟值
Ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ／ ｍｍ
０—０．５ ０．３３８ ０．１３５４７２ ０．２９７ ０．１９４９４２ ０．３２６ ０．１９７９０９
０．５—０．７ ０．６２４ ０．２５５６９７ ０．５８４ ０．４０４８６７ ０．６３３ ０．３８２０２６
０．７—１．０ ０．７５７ ０．３４６８７５ ０．８０５ ０．５６１１５２ ０．８１ ０．５０５４７９
１．０—２．０ ０．７５ ０．６１２４４１ ０．７９７ １．０２５３１９ ０．７１２ ０．８５７３６
２．０—４．０ ０．９０７ １．１４８０６７ １．０６８ １．６９２９１５ １．１７７ １．４９５７２２
４．０—６．０ １．３９１ １．９５０１５４ １．９３７ ２．８６６５９６ １．８０５ ２．５７８３０２
６．０—１０．０ １．９５５ ２．８３３０７３ ２．６７１ ４．２４９１７３ ３．２０７ ４．０４６５８
１０．０—１５．０ ３．９８３ ４．４１８５９ ３．９６８ ５．７６２３１８ ３．０６９ ５．７２０９０７
１５．０—２０．０ ５．２７ ５．７９７８０５ ５．８９９ ７．６６２９２４ ５．８２４ ７．０６９３５５
２０．０—３０．０ ８．０６６ ７．４６８７４１ ８．２３５ ９．１９１４７ ８．００６ ８．７６９５９３
３０．０—４０．０ １０．２２２ ８．９３０３０３ １０．９４２ １０．４８０９３ １０．９８５ １０．２８８３１
４０．０—６０．０ １０．９７３ １０．６８３３８ １１．１４９ １１．６０９４８ １１．６１６ １１．２９５０９
６０．０—１００．０ １１．４４５ １１．７５８３３ １１．９４５ １２．１４７６３ １１．７７５ １１．７７０１
＞１００．０ １２．０６８ １２．０６８ １２．２４６ １２．２４６ １１．９２３ １１．９２２９８
总计 ６８．７４９ ６８．４０６９３ ７２．５４３ ８０．０９５７２ ７１．８６８ ７６．８９９７１
４ 讨论
研究结果表明，杉木人工林林分不同生长阶段对降雨的截留存在差异，特别是幼龄阶段和近熟阶段的差
异尤为明显。 一些研究结果表明，不同的林冠类型的截留量存在显著差异，主要是林分年龄差异造成
的［２４⁃２５］。 谢刚等［２６］在对不同林龄香椿对林冠截留雨水的影响中也发现，随着林龄的增长，林内穿透水量减
小。 不同龄级之间降水截留的差异，主要是因为各龄级冠层结构不同引起的；幼龄林处于林分的幼龄阶段，林
分的郁闭度只有 ０．４，林冠层没有充分郁闭，降雨会通过这些空隙直接到达林地，有研究报道，林冠层的持水能
力与叶面积指数有关，持水能力随叶面积指数的增大而增大［２７］，在该阶段林分的叶面积指数仅为 ４，所以这
个阶段截留量相对较低；当林分生长到到中龄阶段，林分随着枝条伸展林冠郁闭度达到了 ０．６５，叶面积指数达
到 ６．２，此时林冠的持水能力增强，林冠的截留量也随之增强；林分进入近熟阶段时，林分的郁闭度达到 ０．７，叶
８３１４ 生 态 学 报 ３６卷
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面积指数为 ７，林冠的截留量会进一步增多。 随着林分不同演替阶段，林冠郁闭度和叶面积的改变，截留量会
增加，穿透水则会减少，与彭焕华等［２８］对祁连山青海云杉林冠层持水能力的研究结果相似，林外降雨量和林
冠穿透雨量之间呈显著的线性关系。
杉木人工林林冠截留率与总降雨量呈负相关关系：低降雨量时，会有较高的林冠截留率。 这与以前的研
究结论相似［２５，２９⁃３１］。 在本研究中，当降雨量在 ０．５ ｍｍ 时，林分各生长阶段截留率均为 １００％；而总降雨量在
１３０ ｍｍ时，幼龄阶段林分截留率仅为 ５％，中龄阶段及近熟阶段林分截留率为 ９％。 有研究发现［３１］阵雨时随
降雨量增大，截留率减少的变化非常显著， 降雨量在 ５ ｍｍ以下时，截留率为 ８０％，而降雨量增加到 ６０ ｍｍ以
上时截留率仅为 ２０％。 此时截留率的减少的主要是林冠饱和截留容量已经达到上限。 在小雨事件时，降雨
通过凝聚力和表面张力被截留在冠层，而截留量达不到林冠饱和截留容量时，林内就会出现穿透水，这也是为
什么小雨时会出现相对较高的截留率；但在大雨时，林冠饱和截留容量很快就被暴雨饱和，冠层只能截持很小
比例的降雨量，大部分的降雨几乎都会通过穿透水和树干径流形式到达地面，所以大暴雨时林冠截留率相对
较低，这也说明降雨量是影响降雨再分配的关键因子［３２］。 值得注意的是，截留率对于不同的降雨量或者暴雨
不同阶段有不同的响应。 在小雨或暴雨初期时，冠层表面湿度随着截留降雨量的增加迅速变化，截留率也迅
速变化；在降大雨或者林冠截留容量达到饱和后，降雨量持续增加，冠层湿度还是保持在一个恒定的状态，林
冠截留量也不会增加，而截留率也随之变小。 所以，可以说冠层结构式是小雨时控制截留量的主导因素，而在
大雨时降雨雨情在截留过程中起决定性作用。 从降雨强度与林冠截留的关系上来看，随着降雨强度的增强，
林冠截留量相对增强，截留率降低，近熟林比幼龄林暴雨的情况下，能够截留更多的降水，这说明近熟林在暴
雨气候条件下，能够更好地发挥其林冠的截留作用，相对地减少林内降雨。
杉木人工林截留量的季节变化格局主受当地气候条件及降雨类型的影响。 在研究区，绝大多数降雨量集
中分布在 ４—８月，并且暴雨频发，冠层表面经常保持湿润，因此，在这段时期截留降率相对较低，幼龄林阶段
为 ２０．２％，中林龄为 ２３．５％，２６．５％；而在 ９—１１月，降雨总量和降雨天数相对减少，林冠层很容易在两次降雨
间隔期内变得干燥，冠层一直处于不饱和状态，林冠截留降水量增加，截留率增加，此时 ３ 个阶段的截留率为
２７．５％，２８．１％和 ３０．１％；从 １２月到次年 ３月，降雨主要以小雨为主，截留量相对较高，这主要是因为林冠截留
容量达不到饱和。 罗忠［３３］２００９年对 ２３ａ生的枫香林林冠截留进行研究，其研究结果小于本研究中杉木人工
林近熟林，这主要是由于选择的枫香林，虽然林龄 ２３ａ，与本研究中近熟阶段一致，但其林分密度，胸径，郁闭
度都小于本研究中近熟阶段的杉木人工林，因此其林冠截留能力也小于近熟阶段的杉木人工林。
从本研究结果中可得知杉木人工林幼龄阶段截留能力最小，而近熟阶段截留能力最大，根据邓湘雯［５］对
同时期杉木人工林径流的研究表明，在杉木的幼龄阶段，地表径流系数为 １．９８，中龄阶段为 ２．２２，近熟阶段则
为 ０．９３，在杉木的幼龄阶段，这并不能说采伐森林或幼林具有很强的调控能力，而是人为干扰增大了土壤的渗
透性能，使那些本来可以形成地表径流的水量渗入到土壤中，从地下径流系数上来看，近熟阶段（１６．００） ＜中
龄阶段（２３．３７）＜幼龄阶段（２６．５２），近熟阶段的地表径流和地下径流系数明显降低，说明杉木人工林生态系统
对径流的调配能力增强，这首先与近熟阶段能截留更多的降雨，减少穿透水的形成，其次与近熟阶段形成的较
厚的枯落物层有关，此外，在近熟阶段杉木林蒸腾作用增大，近成熟林分的蒸腾作用将消耗大量的水分，加速
了土壤水流动速率，促进了林分水循环过程。
５ 结论
（１）随着杉木人工林林分生长发育，林分降雨截留量增大，林分各生长阶段林冠截留率排序为近熟阶段
（２９．４７％）＞中龄阶段（２７．８６％）＞幼龄阶段（２６％）。 （２）不同生长阶段的杉木人工林的林冠截留量随着降雨
量的增大首先呈现上升趋势，当到了稳定阶段，不再随雨量的增加或增加极小。 截留率与降雨量有很大的关
系，在相同降雨量的情况下，近熟林的截留率＞中龄林的截留率＞幼龄林的截留率。 （３）降雨强度对林冠截留
有较大影响，在小雨和中雨情况下，截留率呈现出近熟阶段＞中龄阶段＞幼龄阶段；在大、暴雨的情况下近熟阶
９３１４ １３期 伍倩 等：湖南会同杉木人工林林冠截留特征
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段和中龄阶段截留率依然明显大于幼龄阶段，杉木人工林各生长阶段林冠截留作用不同，在针对杉木人工林
保持水土作用经营方针时，应考虑林分各生长阶段林冠截留的差异。 （４）Ｆａｎ 模型对杉木林各阶段林冠截留
模拟效果较好，可运用于会同杉木林生态系统。 （５）近熟杉木人工林涵养水源功能更强。
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