全 文 ：林业科学研究　2008, 21 (5) : 657～661
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2008) 0520657205
水曲柳林冠的降水截留特征
党宏忠 1 , 董铁狮 2 , 赵雨森 3
(1. 中国林业科学研究院林业研究所 ,国家林业局林木培育重点实验室 ,北京 100091;
2. 辽宁省林业厅外资项目办公室 ,辽宁 沈阳　110036; 3. 东北林业大学林学院 ,黑龙江 哈尔滨 150040)
摘要 :对水曲柳林冠在 2003年 5—9月的降水截留特征进行了野外测定与统计分析 ,结果表明 :水曲柳林分林冠截
留量为 68. 77 mm,占同期降水量的 17. 41% ;降水约按以下比例被再次分配 :穿透降水 72. 50% ,林冠截留 17. 41% ,
树干茎流 10. 08%。模拟分析结果表明 : Horton改进模型模拟精度高 ,参数物理意义较明确 ,水曲柳林冠吸附容量为
0. 84 mm,区域降雨蒸发能力的参数值为 11. 83% ,水曲柳林冠截留率随降水变化的曲线可分为快变期 (截留率大于
19. 0% ,降水量小于 10 mm)、渐变期 (截留率 19. 0% ～12. 8% ,降水 10～30 mm )和稳定期 (截留率小于 12. 8% ,降
水大于 30 mm) ,水曲柳林冠稳定截留率为 12. 8%。
关键词 :水曲柳 ;林冠截留 ;树干茎流
中图分类号 : S715. 2　　　　　文献标识码 : A
收稿日期 : 2007207209
基金项目 : 黑龙江省重大科技攻关项目 ( GA02B601)资助
作者简介 : 党宏忠 (1971—) ,男 ,甘肃定西市人 ,博士 ,副研究员 ,主要从事生态水文与水土保持研究.
Study on Canopy In terception of F raxinus m andshu rica
DANG Hong2zhong1 , DONG Tie2shi2 , ZHAO Yu2sen3
(1. Research Institute of Forestry, CAF; Key Laboratory of Tree B reeding and Cultivation, State Forestry Adm inistration, Beijing　100091,
China; 2. Foreign Cap ital Project Office of L iaoning Provincial Forestry Department, Shenyang　110036, L iaoning,
China; 3. Forestry College of Northeast Forestry University, Harbin　150040, Heilongjiang, China)
Abstract: The relationship s between canopy intercep tion of F rax inus m andshurica Rup r. and rainfall were studied
from May to Sep tember in 2003 by surveying and statistic methods. The result showed that the canopy intercep tion of
F raxinus m andshu rica for rainfallwas 68. 77 mm, which accounted for 17. 41% of total rainfall in the same periods.
The rainfall was redistributed by the p roportion of penetration 72. 50% , intercep tion 17. 41% and the stem flow
10. 08% ; the redistribution of rainfall by canopy could be simulated p recisely by the imp roved Horton model , the
canopy rainfall adsorp tion capacity of Fraxinus m andshurica was 0. 84 mm. The parameter which means coefficient
of evaporation of canopy regionally was 0. 118 3. It was indicated that the curve of forest intercep tion with rainfall
marked 3 phase such as descent quickly phase ( intercep tion rate more than 19% while rainfall less than 10 mm ) ,
descent gradually phase ( intercep tion rate is in 19. 0% —12. 8% while rainfall 10—30 mm ) and stable phase
( intercep tion rate less than 12. 8% while rainfall more than 30 mm ) , which could exp lain the relationship s of
intercep tion with canopy geometry shape characteristics of F raxinus m andshurica. The stable intercep tion rate was
12. 8%.
Key words: F rax inus m andshurica; canopy intercep tion; stem flow
　　林冠是森林生态系统水分传输的第一界面
层 [ 1 ]。林冠截留改变了降水的分配格局 ,显著影响
林分水分供应与流域水文过程 [ 2 - 4 ]。一般认为 ,针
叶树种的林冠截留能力比阔叶树高 ,但也有相反的
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 21卷
报道 [ 5 ]。林冠截留随降雨强度和冠层特性的不同而
异 ,树种间林冠截留损失差异主要来源于不同林冠
湿润过程的差异 [ 6 ] ,降水特征 (雨强、频率 )和雨滴
大小是影响截留损失的主要气象因子 [ 6 ] ,潜在的蒸
发散也影响林冠截留量 [ 7 ]。尽管较普遍的认为林冠
特征和气象因素是影响林冠截留损失的两大主要因
子 [ 8 - 9 ] ,但如何客观地分析与描述林冠截留特征及
其规律仍然没有统一的方法。
林冠截留模型是认识林冠截留物理学过程的重
要手段。目前 , Gash模型 [ 2 ]、Rutter模型 [ 9 ]、坦克模
型 ( Tank model) [ 7 ]以及多种统计模型被用来分析
林冠截留规律与机理。在众多模型中 , Horton模型
及其改进式按截留机制把林冠截留量分解为吸附截
留和树体表面蒸发导致的附加截留 ,较好地描述了
林冠截留机制与过程 ,克服了统计模型与解析模型
在实际应用中模型复杂或参数物理意义不明确、或
与现有气象数据结合不紧密等缺点 ,具有较广泛的
应用前景。王彦辉等 [ 10 ]根据标准模型转化的需要 ,
对 Horton模型进行了必要的简化 ,提出了适合于我
国不同林分的次降雨截留模型 :
Ic = I
3
cm [ 1 - exp ( - PI3cm ) +αP ] (1)
式 (1)中 : Ic 为次降雨截留量 ; I3cm为以林冠投影
面积上的水层厚度表示的林冠吸附降雨容量 ; P为
次降雨量 ;α为降雨蒸发率。
该模型以其结构相对简单 ,参数物理意义明确
而得到我国学者的关注 [ 10 ]。本文运用该模型 ,对我
国东北地区珍贵用材和水源涵养林阔叶树种水曲柳
( F raxinus m andshurica Rup r. )林冠对降水的截留特
征进行了分析研究 ,为进一步认识林冠截留机理提
供了依据。
1　试验地概况
试验地位于东北林业大学老山试验站 ( 127°36′
～127°39′E, 45°23′～45°26′N )。研究区平均海拔
300 m,属大陆性季风气候 ,冬长夏短 ;年平均气温
2～3 ℃,最高气温 32 ℃,最低气温可达 - 31 ℃,无霜
期 120～140 d,年降水量 600～800 mm,年蒸发量 784.
4 mm,降雨主要集中在 7、8月份 ,全年 ≥10 ℃的积温
为 2 526 ℃,地带性土壤为暗棕壤。植被属于长白山
植物区系 ,原始地带性顶极植被为阔叶红松林 ,在遭
受重大破坏后 ,经几个阶段演替逐渐恢复为天然次生
林。试验林分选择阳坡坡下 50年生的水曲柳天然林 ,
林分平均胸径 27. 74 cm,平均树高 20. 21 m,林分密度
550株·hm - 2 ,郁闭度 0. 75。
2　研究方法
2003年 5—9月 ,设置 0. 1 hm2标准地进行林分
因子调查 ,分别在林下设置 3个承雨槽 (用铁皮制
成 ,宽 20 cm,高 15 cm,长 200 cm)收集穿透雨 ,水槽
距离地面约 50 cm。根据固定标准地的每木检尺结
果 (平均树高为 19. 55 m,平均胸径 25. 92 cm) ,选择
3株胸径接近平均木的立木进行树干茎流的测定。
将橡皮管剖开后按 30°蛇形缠绕 1周半 ,用大图钉固
定在树干上 ,下接雨量桶测量茎流。橡皮管与树皮
接触的地方用石蜡密封。分东西、南北量取冠幅 ,求
算树冠平均面积。在距离最近的林缘空旷地上分别
在东北、西南 2个方向 (避开主风向对降水量的影
响 )放置 2台虹吸式自记雨量器 , 24 h连续记录降水
量和强度。
3　结果与分析
3. 1　水曲柳林冠截留量与降水量模型参数
表 1为 2003年 5—9月降雨及水曲柳林冠截留
观测值 ,进一步统计分析结果 (表 2)表明 ,在 28场
次降水中 ,小雨次数占到一半以上 ,但降水量只占
6. 38% ,平均每场次降水的林冠截留量为 1. 04 mm ,
但平均截留率高达 28. 41% ,分别是中雨、大雨时的
1. 51、2. 07倍 ,这说明林冠对降水的截留再分配量
与降水强度有关 ,林冠对小雨的截留率最高 ,其次依
次为中雨、大雨。中雨、大雨次数都约占 1 /4,每场
次的降水量分别为 18. 13、35. 55 mm,后者是前者的
表 1　2003年 5—9月水曲柳林冠截留观测值
场次 林外雨量 /mm 截留量 /mm 场次 林外雨量 /mm 截留量 /mm
1 1. 10 0. 71 15 8. 75 1. 71
2 1. 15 0. 75 16 11. 60 2. 12
3 1. 20 0. 55 17 14. 15 2. 62
4 1. 50 0. 80 18 14. 90 3. 02
5 1. 65 0. 76 19 19. 60 3. 95
6 2. 00 0. 72 20 20. 40 3. 98
7 2. 60 1. 08 21 22. 45 4. 01
8 2. 75 0. 96 22 23. 80 4. 18
9 2. 85 0. 94 23 27. 10 5. 41
10 3. 40 0. 98 24 31. 80 4. 72
11 5. 50 0. 62 25 35. 25 3. 60
12 5. 70 1. 42 26 35. 40 4. 49
13 6. 80 1. 53 27 37. 25 5. 26
14 7. 90 2. 05 28 46. 50 5. 84
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第 5期 党宏忠等 :水曲柳林冠的降水截留特征
表 2　2003年 5—9月水曲柳林冠截留量
降雨
级别 量 /mm 场次
降水量 /mm
合计 平均
截留量 /mm
合计 平均 平均截留率 /%
小雨 ≤10 15 54. 85 3. 66 15. 58 1. 04 28. 41
中雨 10. 1～25 7 126. 90 18. 13 23. 88 3. 41 18. 82
大雨 25. 1～50 6 213. 30 35. 55 29. 32 4. 89 13. 75
合计 28 395. 05 68. 78
近 2倍 ,但平均每场次降水的林冠截留量分别为
3. 41、4. 89 mm,差异并不大 ,说明随着降水量加大 ,
林冠截留量趋于稳定 ,截留率缓慢下降 ,树木林冠截
留过程呈非线性特征。
表 3为以式 ( 1 )为模型 ,利用 STATISTICA6. 0
统计程序分析的结果。从表 3中可以看出 ,模型中
参数 I3cm的估计值为 0. 843。一般认为 ,阔叶树林冠
吸附容量小于针叶树 ,阔叶树生长季林冠吸附容量
一般为 0. 6～2. 6 mm。地理位置与本研究近似的黑
龙江省尚志县郁闭度为 0. 7的落叶松 ,其林冠吸附
容量为 1. 714[ 10 ] ,高于水曲柳的林冠吸附容量 ,进一
步证实了阔叶树林冠吸附容量小于针叶树。参数α
表示一定地区的降水蒸发率 ,主要受干燥程度和风
速等气候气象条件的影响。本研究中α的估计值为
0. 118,与在前述落叶松研究结果 0. 115[ 10 ]非常接
近 ,进一步表明这一参数在表征区域森林截留蒸发
中具有较强的稳定性。从图 1也可以看出 ,用式 (1)
对次降水截留进行模拟的结果与观测值比较接近 ,
进一步表明 Horton改进模型不仅具有意义较明确
的物理参数 ,模型较简单 ,同时具有较强的精度。观
测期间水曲柳林分的平均截留率为 17. 41% ,模型
预估的平均截留率为 15. 66% ,二者比较接近。国
内外研究结果一般认为 ,温带针叶林的平均林冠截
留率为 20% ～40% ,阔叶林平均截留率一般在 20%
以下 [ 11 ] ,本研究结果与这一变化趋势一致。
表 3　水曲柳林分林冠截留模型参数
参数
I3cm α 残差 R 解释方差 /%
0. 843 0. 118 7. 45 0. 95 91
3. 2　水曲柳林冠截留率与降水量的关系
从图 1中可以看出 :林分对降水的截留率与降
水量呈负相关。对曲线中各观测点前后 2点斜率变
化分析表明 ,在降水量小于 10 mm时 ,水曲柳林冠
截留率都能达到 19%以上 ,林冠对降水的再分配作
用非常明显。当降水小于 4 mm时 ,截留率随降水
量的增加下降的幅度较大 ,林冠对降水截留的效果
最为明显 ,可以认为 4 mm 降水是水曲柳林冠截留
发生明显变化的拐点 ,此时截留率为 31% ,对应的
截留量为 1. 23 mm,其最主要的组分是林冠吸附降
水容量。之后随着降水量增加 ,截留率缓慢下降。
到次降水达到 30 mm时 ,曲线斜率小于 0. 1,林冠截
留率随降水增加而减小的趋势缓慢 ,此时截留量为
3. 83 mm,截留率为 12. 8% ,比 10 mm降水时的截留
率下降了 5. 6 %。到本次试验观测的最大次降水量
46. 5 mm时 ,截留率为 12. 55% ,相对于 30 mm降水
时的截留率 ,下降幅度仅为 0. 25 % ,可见对于水曲
柳林来说 , 12. 8%的林冠截留率反映了水曲柳树冠
的截留特征 ,这个值虽然也受降水及地域环境因素
的影响 ,但更多的反映了水曲柳的树冠生物学特征 ,
是树种对水分传输的一个重要阙值 ,通常称之为稳
定截留率。
从图 1还可以看出 :水曲柳林冠截留过程可分
为 3阶段 ,分别为快变期 (截留率大于 19. 0% ,降水
量小于 10 mm )、渐变期 (截留率 19. 0% ～12. 8% ,
降水 10～30 mm )和稳定期 (截留率小于 12. 8% ,降
水量大于 30 mm )。在 1次降水截留过程中 ,随着降
水量的增加 ,由于蒸发、树体吸收等因素的持续作
用 ,林冠对降水的实际截留量仍在增加 ,但林分截留
率趋于稳定。
图 1　水曲柳林分林冠截留率与降水量的关系
3. 3　水曲柳树干茎流与降水的关系
一般认为森林茎流量很小 ,通常占降水量的
956
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 21卷
5%以下 ,很少超过 10% [ 4 ]。本次树干茎流观测结
果 (图 2)表明 ,水曲柳在降水量达到 3. 0 mm时开始
有少量的树干茎流出现 ,随着降水增加而增加。水
曲柳树干茎流占同期降水量的比例较大 ,观测期间
平均茎流率为 10. 08% ,是目前研究报道中较高的
树种之一 ,其中最大的 1次树干茎流率是在降水量
最大值 46. 5 mm 时出现 ,茎流率平均为 16. 51%。
水曲柳树干茎流明显高于红松 ( P inus kora iensis
Sieb. et Zucc. )、落叶松 (Larix spp. )、樟子松 ( P inus
sy lvestris var. m ongolica L itv. )、青海云杉 ( P icea cras2
sifolia Kom. )等针叶树种 [ 12 ] ,这可能与水曲柳枝干
光滑 ,枝条分枝角度较小 (约 43°) ,增加了枝条表面
上水分的下滑力 ,使得枝干上截留的水分极易下滑
或滴落 ,更不利于枝干对于水分的截持保存有关。
图 2 水曲柳树干茎流随降水量的变化
从图 2还可以看出 ,降水量在 3～10 mm时 ,水
曲柳树干茎流率随降水量的增加快速升高 ,降水量
约在 10～30 mm时 ,随着降水量的增加 ,茎流量虽然
在增加 ,但树干茎流率变化趋势平缓 ;当降水量超过
30 mm之后 ,茎流率又呈快速增加趋势。不难发现 ,
树干茎流率发生较大变化时的降水量与林冠截留率
变化时的降水量具有一致性 ,分析其原因可以认为 ,
在降雨主要为小雨时 ,林冠在以浸润吸附截留基本
达到饱和后 ,叶片积聚水分的效应较明显 ,故树干茎
流率增加幅度相对也较大 ;当降雨为中雨时 ,林冠截
留率、树干茎流率都基本保持较稳定状态 ,这主要是
由枝叶分布密度等特征所决定的。在降水为大雨
时 ,树干茎流率增加较快 ,枝叶可能有瓦片的作用形
成“股流 ”,从而有利于降水向树干汇集 ,提升了茎
流率。
4　结论与讨论
本文通过对水曲柳林分降雨的 28场次观测数
据的统计分析表明 ,水曲柳林冠截留率较小 ,观测期
间林冠平均截留率为 17. 41% , 稳定截留率为
12. 8% ,林冠截留率随降水的变化曲线可基本划分
为快变期、渐变期和稳定期 3个阶段 ,随着降雨量的
逐渐增大而递减 ,并在达到一定雨量时趋于稳定。
Horton改进模型参数物理意义明确 ,结构形式简单 ,
适合于对不同地区、不同林分林冠截留特征的比较
研究。王彦辉等 [ 10 ]通过该模型对我国杉木 ( Cun2
n ingham ia lanceola ta (Lamb. ) Hook)、马尾松、油松
( tabu laeform is Carr. )、青海云杉、落叶松、樟子松、毛
竹 ( Phy llostachys pubescens Mazei ex H. de Lebaie. )、
麻栎林 (Q uercus acu tissim a Carr. )、常绿阔叶林等不
同树种的林分进行了标准模型转化和模型参数的求
解 ,研究表明 ,林冠吸附容量 I3cm虽然也受地域性气
候特征的影响 ,但更直接地受林分特征影响 ,多变化
在 0. 99～2. 90之间 ,本研究中水曲柳林冠吸附容量
比较低 ,只有 0. 843,这可能与水曲柳叶片革质、表
面光滑有关。
林冠截留在达到饱和吸附后 ,保留的水分主要
以蒸发形式向大气扩散 ,其机理类似于水面蒸发 ,因
而在很大程度上是气候、气象因子的函数 ,如果忽略
降水的不平稳性 ,冠层蒸发在一定时段内近似于常
数。王彦辉等 [ 10 ]的标准模型转换结果表明 ,地域间
参数α的变化没有林冠截留量那样明显 ,主要受干
燥程度和风速等影响较大 ,在亚热带地区、温带半湿
润地区及温带半干旱地区的变化范围分别为 0. 031
～0. 047、0. 063～0. 093、0. 17～0. 20,但尚没有寒带
和寒温带地区的试验结果 ,本研究中对分布于寒温
带水曲柳林分α的模拟值为 0. 118。
水曲柳树干茎流率比较高 ,平均为 10. 08% ,这
与水曲柳树皮光滑 ,枝的开张角度较小 ,枝叶分布与
排列有利于树冠承接降水向树干集中 ,形成树干茎
流有关。有报道指出 ,除了矮冠树木、分枝角度小、
树皮表面光滑等因素外 ,有些树种叶片具有斥水性 ,
也会增加树干茎流 [ 13, 4 ] ,水曲柳叶片是否具有这种
特征还有待进一步深入观测研究。
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