全 文 ：第 wv卷 第 u期
u s s z年 u 月
林 业 科 学
≥≤Œ∞‘׌„ ≥Œ∂ „∞ ≥Œ‘Œ≤„∞
∂²¯1wv o‘²1u
ƒ ¥¨qou s s z
林冠截留在杉木林生态系统能量转换过程中的作用
康文星 邓湘雯 赵仲辉
k中南林业科技大学 长沙 wtssswl
摘 要 } 根据会同生态站 usss ) ussx年连续定位观测数据 o研究杉木人工林林冠截留在杉木人工林生态系统能
量转换过程中的作用 ∀结果表明 }林冠层每年吸收的辐射能为 ux1xwv s亿 #°pu o透过林冠层的辐射能为 u1xvs y
亿 #°pu o被冠层反射的辐射能为 u1zwv u亿 #°pu o分别占到达林冠表面辐射能的 {u1z h !{1u h和 |1t h ~林冠截留
水分的蒸发 o使得系统获取的净辐射能向潜热能转化 ∀每年林冠截留水分蒸发耗能 y1vy| x亿 #°pu o占系统净辐
射能的 uu1| h o占系统总蒸发散耗能的 vs1w h o是系统能量支出的一个重要组成部分 ~林冠截留使大气降水中的雨
滴动能消耗在克服枝叶阻力的做功上 o叶面水滴从冠层滴落下 o是一个由势能转化为动能的过程 ~冠层叶片对水滴
有汇聚作用 o使冠滴水直径较冠上大气降水大 o冠滴水的直径主要受冠层结构的影响 o与大气降水量和降水强度的
关系不大 ~林分郁闭度为 s1| o枝下高 z ° o降水量大于 v °°时 o林冠层不能有效地降低雨滴动能 o只有在雨量极小 !
林冠能截留大部分水量 o或者雨强极大 !直径大的雨滴在枝叶表面撞击分散的情况下 o才能显示林冠对大气降水雨
滴动能的降低作用 ∀
关键词 } 林冠层 ~截留作用 ~辐射能 ~潜热能 ~雨滴动能
中图分类号 }≥ztx 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusszlsu p sstx p sy
收稿日期 }ussy p st p sw ∀
基金项目 }国家科技部平台建设项目kussutuusl ~国家林业局重点项目kusstszl共同资助 ∀
Εφφεχτσ οφ ΧανοπψΙντερχεπτιον ον Ενεργψ Χονϖερσιον Προχεσσεσιν Χηινεσε Φιρ Πλαντατιον Εχοσψστεµ
Ž¤±ª • ±¨¬¬±ª ⁄¨ ±ª ÷¬¤±ªº¨ ± «¤² «²±ª«∏¬
k ΧεντραλΣουτη Υνιϖερσιτψοφ Φορεστρψ ανδ Τεχηνολογψ Χηανγσηα wtssswl
Αβστραχτ} ׫¨ ©∏±¦·¬²±¶²©¦¤±²³¼ ¬±·¨µ¦¨³·¬²± ²± ±¨¨ µª¼ ¦²±√¨ µ¶¬²± ³µ²¦¨¶¶¨¶¬± ¤ ≤«¬±¨ ¶¨ ƒ¬µ³¯¤±·¤·¬²± ¦¨²¶¼¶·¨° º¨ µ¨
¶·∏§¬¨§º¬·«·«¨ ²¯±ªp·¨µ° ²¥¶¨µ√¤·¬²± §¤·¤¬± ‹∏¬·²±ªq׫¨ µ¨¶∏¯·¶¶«²º¨ §·«¤··«¨ ¶²¯¤µµ¤§¬¤·¬²± ¤¥¶²µ¥¨§o·µ¤±¶°¬·¨§o¤±§
µ¨©¯ ¦¨·¨§º¨ µ¨ u1xxw vs ¥¬¯¯¬²± kº¬·«¤ ¤¥¶²µ³·¬²± µ¤·¬² ²©s1{uzl os1uxv sy ¥¬¯¯¬²± kº¬·«¤·µ¤±¶°¬¶¶¬√¬·¼ ²©s1s{ul ¤±§
s1uzw vu ¥¬¯¯¬²±#°pu¤ptkº¬·«¤µ¨©¯ ¦¨·¬²±µ¤·¬²²©s1s|tl ²±·«¨ ¦¤±²³¼oµ¨¶³¨¦·¬√¨ ¼¯ q׫¨ ¦²±√¨ µ¶¬²± ²©±¨·¶²¯¤µµ¤§¬¤·¬²±
·² ¤¯·¨±·«¨¤·º¬·«·«¨ ³µ²¦¨¶¶¨¶²© √¨¤³²µ¤·¬²±©µ²° ¦¤±²³¼¬±·¨µ¦¨³·¬²± ¤°²∏±·¶·²s1yvy |x ¥¬¯¯¬²± #°pu¤p tk¤¦¦²∏±·¬±ª©²µ
uu1| h ²©·«¨ ·²·¤¯ ¦¨²¶¼¶·¨° ±¨·µ¤§¬¤·¬²±o¤±§vs1w h ²©·«¨ ¦¨²¶¼¶·¨° √¨¤³²·µ¤±¶³¬µ¤·¬²±ql oº«¬¦«º¤¶¤±¬°³²µ·¤±·³¤µ·²©
·«¨ ¶¼¶·¨° ±¨¨ µª¼ ¥∏§ª¨·q ≤¤±²³¼ ¬±·¨µ¦¨³·¬²± ¦²±¶∏°¨ §·«¨ µ¤¬±§µ²³ ®¬±¨·¬¦ ±¨¨ µª¼ ¬± ²√¨ µ¦²°¬±ª·«¨ ¥µ¤±¦«¨¶¤±§¯¨ ¤√¨ ¶
µ¨¶¬¶·¤±¦¨ oº«¬¦« ª¤·«¨µ¨§µ¤¬±§µ²³¶·²ª¨·«¨µ¥¼ ¥µ¤±¦«¨¶¤±§¯¨ ¤√¨ ¶¤±§·«¨ ± ©²¯ ²¯º¨ § º¬·« ³²·¨±·¬¤¯ ±¨¨ µª¼ ¬± µ¤¬±§µ²³¶
¦²±√¨ µ·¨§·²®¬±¨·¬¦ ±¨¨ µª¼ º¬·«©¤¯ ¬¯±ªµ¤¬±§µ²³¶qŒ± ª¨ ±¨ µ¤¯ o§¬¤°¨ ·¨µ²©µ¤¬±§µ²³¶©µ²°·«¨ ¦¤±²³¼¬¶¥¬ªª¨µ·«¤±·«¤·²©·«¨
µ¤¬±§µ²³¶¤¥²√¨ ·«¨ ¦¤±²³¼ ¤¶µ¨¶∏¯·²©ª¤·«¨µ¬±ª ©¨©¨¦·²©¦¤±²³¼q׫¨ ®¬±¨·¬¦ ±¨¨ µª¼ ²©µ¤¬±§µ²³¶©µ²°·«¨ ¦¤±²³¼o·«¨µ¨©²µ¨ o
º¤¶«¬ª«¨µ·«¤± ·«¤·²©µ¤¬±§µ²³¶¬± ·«¨ ¤·°²¶³«¨µ¨ q „±§·«¨ §µ²³p¶¬½¨ §¬¶·µ¬¥∏·¬²± ©µ²° ·«¨ ¦¤±²³¼ º¤¶¬±©¯∏¨±¦¨§ ¥¼ ·«¨
¶·µ∏¦·∏µ¨ ²©·«¨ ¦¤±²³¼ ¤¯¼¨ µµ¤·«¨µ·«¤± ¤°²∏±·²© ³µ¨¦¬³¬·¤·¬²± ¤±§³µ¨¦¬³¬·¤·¬²± ¬±·¨±¶¬·¼q ׫¨ ¦¤±²³¼ «¤§±² ¶¬ª±¬©¬¦¤±·¯¼
©¨©¬¦¬¨±·¨©©¨¦·¶²± §¨¦µ¨¤¶¬±ªµ¤¬±§µ²³®¬±¨·¬¦ ±¨¨ µª¼¬±·«¨ ¦¤¶¨ ¶·∏§¼ º¬·«¥µ¤±¦««¨¬ª«·²©z °¤±§³µ¨¦¬³¬·¤·¬²±¤°²∏±·²©²√¨ µ
v °°q‹²º¨ √¨ µo·«¨ ¦¤±²³¼ º²∏¯§ ³¯¤¼ ¤ ®¨ ¼ µ²¯¨¬± §¨¦µ¨¤¶¬±ªµ¤¬±§µ²³ ®¬±¨·¬¦ ±¨¨ µª¼ ¬± ¥²·«¦¤¶¨¶²©¤ ¬¯·¯¨¤°²∏±·²©
³µ¨¦¬³¬·¤·¬²±¤±§ «¨¤√¼ ³µ¨¦¬³¬·¤·¬²± ¬±·¨±¶¬·¼o º«¬¦«·«¨ ¦¤±²³¼ ¦²∏¯§¬±·¨µ¦¨³·°²¶·¤°²∏±·²© ³µ¨¦¬³¬·¤·¬²± ¬± ·«¨ ©²µ°¨ µ
¦²±§¬·¬²± ¤±§·«¨ ¦¤±²³¼ ¦²∏¯§¶¦¤·¨µ¥¬ªª¨µµ¤¬±§µ²³¶·²¶°¤¯¯¨µµ¤¬±§µ²³¶º¬·«¶·µ¬®¬±ª·²¯¨ ¤√¨ ¶¬±·«¨ ¤¯·¨µq
Κεψ ωορδσ} ¦¤±²³¼~¦µ²º±p¬±·¨µ¦¨³·¬²±~µ¤§¬¤·¬²± ±¨¨ µª¼~ ¤¯·¨±·«¨¤·¨ ±¨ µª¼~µ¤¬±§µ²³®¬±¨·¬¦ ±¨¨ µª¼
林冠是森林群落结构的重要特征之一 o也是森林生态系统与周围环境进行能量和物质交换的重要场所 ∀
林冠的截留作用是森林生态系统一个重要的功能过程 ∀许多学者对林冠的截留作用进行了多方面研究 o如
光在林冠内的传播k刘家冈等 ot|{xl o林冠层的光吸收和光分布规律k朱劲伟等 ot|{ul o林冠对大气降水的截
留作用k谢春华等 oussu ~卫正新等 ot||z ~文仕知等 ot|{| ~周光益等 ot||x ~陈引珍等 oussxl ∀不少学者也开展
了林冠对降雨动能影响的研究k雷瑞德 ot||w ~周国逸 ot||z ~王彦辉 ot|{y ~中野秀章 ot|{xl ∀然而 o对于林冠
截留在系统能量转换过程的功能作用 o却少有报导 ∀本文以连续定位的测定数据 o分析了辐射能在林冠层的
分配格局 o林冠截留水分蒸发耗能规律和林冠对降雨动能的影响 ∀以揭示林冠截留对森林生态系统能量转
化和平衡的影响 ∀
t 研究地概况
本研究在国家重点野外科学观测站 ) ) ) 中南林学院会同生态站第二集水区内进行的 ∀生态站位于湖南
会同县广坪深冲林场kuyβxsχ ‘ots|βwxχ ∞l o年均气温 ty1z ε o年降水量 t tss ∗ t yss °° o相对湿度 {s h以
上 o典型亚热带湿润气候 ∀海拔 uzs ∗ wss ° o地貌为低山丘陵 o土壤为山地黄壤 ∀研究的林分为杉木
kΧυννινγηαµιαλανχεολαταl人工林纯林 o密度为 u sss株#«°pu o郁闭度为 s1| o林分平均高度 ty ° o平均胸径
tx1x ¦°o枝下高平均 z °∀
u 研究方法
将 ⁄ƒ≠u型天空辐射表 !⁄ƒ≠v型直接辐射表安装在林冠表面上和林冠下 o测定到达林冠的总辐射量 !反
射量以及穿过林冠的辐射量 ∀林冠吸收辐射量用总辐射量减去反射量 o再减去穿过林冠的辐射量求得 ∀
在观测铁架上 o用 ≥p t型遥测雨量计测定冠上大气降水 ∀林冠下设 u个 t{ ∗ us °u 的穿透水承接装
置 ∀用 ≥• ws型日记水位仪自动测定穿过林冠层的水量 ∀采用聚乙烯塑料管蛇形缠绕树干基部 o其下端插
入一个容器内 o测定树干流 ∀林冠截留通过测定的大气降水减去测定的穿透水和树干流求得 ∀林冠截留水
分蒸发耗能用林冠截留水量乘上每克水变成相同温度的水汽所需热量k潜热l求得 ∀
在林外和林内都设 t个薄薄的石灰层和 t个过了细筛的风干土层 o面积都为 t °u ∀下雨时 o即刻观测雨
滴直径和分布 ∀
v 结果与分析
311 林冠截留在辐射能分配中的作用
表 t表明 o林冠反射和吸收量的月变化规律与总辐射量的月变化规律一致 o即总辐射量大的月份 o林冠
的吸收和反射量也大 o总辐射量小的月份 o林冠的吸收和反射量也小 ∀t年中反射率出现 u个低峰期 }w ) x
月k反射率只有 z h l和 | ) ts月份k反射率只有 z h ∗ { h l ∀高峰期出现在气温高的月份 o尤其是 {月 o高达
tt1v h ∀反射率的 u个低峰期kw ) x月和 | ) ts月l与杉木生长的高峰期几乎同步 o生长季节杉木生长的低
峰期k{月l与反射率高峰值完全重合 ∀可见 o冠层反射率的变化与杉木生长发育密切相关 ∀
表 1 林冠面上的辐射量和辐射平衡
Ταβ .1 Τοταλ ραδιατιον ενεργψ ρεχειϖεδ ανδ ραδιατιον βαλανχε αβοϖε τηε χανοπψ
月份 总辐射 散射辐射 直接辐射 反射量 吸收量 透射量 反射率 吸收率 透射率
²±·« ײ·¤¯µ¤§¬¤·¬²±Π
„¶·¬ª°¤·¬¦
µ¤§¬¤·¬²±Π
⁄¬µ¨¦·
µ¤§¬¤·¬²±Π
• ©¨¯ ¦¨·¬²±
µ¤§¬¤·¬²±Π
„¥¶²µ³·¬²±
µ¤§¬¤·¬²±Π
°¨ ±¨ ·µ¤·¬²±
µ¤§¬¤·¬²±Π
• ©¨¯ ¦¨·¬²±
µ¤·¨Π
„¥¶²µ³·¬²±
µ¤·¨Π
°¨ ±¨ ·µ¤·¬²±
µ¤·¨Π
kts{ #°pul kts{ #°pul kts{ #°pul kts{ #°pul kts{ #°pul kts{ #°pul h h h
t t1t{u v s1{xt { s1vvs x s1tsw s t1ss{ | s1sy| w {1{ {w1| y1v
u t1ttw v s1{tw t s1vss u s1tsu y s1|uw | s1s{y { |1u {v1s z1{
v t1xvy { t1tyu x s1vzw v s1tvy | t1uzy y s1tuv v |1t {u1| {1s
w u1txx u t1ys{ u s1xwz s s1txt y t1zzx | s1uuz z z1s {u1x ts1x
x v1xv{ u u1xs| y t1su{ y s1uw| v u1|xs { s1vv{ t z1s {v1w |1y
y v1uy{ u u1xv| x s1zu{ z s1vsy v u1y{w v s1uzz y |1w {u1t {1x
z w1{us s v1tuy t t1y|v | s1xty | v1{|s v s1wts t ts1z {s1{ {1x
{ w1uut v u1yyw s t1xxz v s1wz{ t v1v{| u s1vxw s tt1v z|1{ {1|
| v1sxy | t1zsu t t1vxw { s1utx v u1x{t v s1uys v z1s {w1x {1x
ts u1vtv v t1xvx t s1zz{ u s1tz| | t1|zv z s1tx| z {1t {w1t z1{
tt u1ttt { t1vty x s1z|x v s1tzs s t1{s{ | s1tvu | {1x {x1u y1v
tu t1w|| x s1|ys t s1xv| w s1tvu v t1uzy x s1s|s z {1| {w1| y1u
Ε vs1{ty { us1z{{ y ts1su{ u u1zwv u ux1xwv s u1xvs y {1| {u1| {1u
从表 t中还可以看出 o冠层对辐射的吸收率和透射率取决于林冠层的结构特征和枝叶的发育状况 ∀冬
半年 o林木休眠 o叶子变老 o叶质变硬 o颜色变深暗 o对辐射的截留和吸收能力增强 o林冠的透射率小ky1u h ∗
y1v h l ∀生长季节 o老叶脱落 o新叶没有完全展开 o从而减少了阻拦和吸收辐射的作用面k叶面积l o林冠的透
yt 林 业 科 学 wv卷
射率增大 ∀这种现象在新老叶交换期的 w ) x月最为突出 o透射率为 |1y h ∗ ts1x h ∀
每年到达杉木林林冠的总辐射量为 vs1{ty {亿 #°pu o林冠全年吸收的辐射量为 ux1xwv s亿 #°pu o占
投入辐射总量的 {u1| h o透过林冠层到达地面的辐射量只有 u1xvs y亿#°pu o约为总辐射量的 {1u h ∀林冠
层的反射量 u1zwv u亿#°pu o为总辐射的 {1| h ∀杉木林冠层以它巨大的作用面k叶面积指数 {l和重叠的枝
叶k冠层厚度平均 | °l阻拦和吸收辐射能流 o极大地减少了到达林冠下空间的辐射量 o从而改变了杉木人工
林生态系统内部能量 o造就了林下空间的小气候环境 ∀
312 林冠截留在系统水分蒸发耗能中的作用
林冠截留水分的蒸发 o有一个液态水变为气态水的过程 o这种相变过程需要消耗能量 ∀集水区杉木林冠
每年截留水量 uyt1ys °° o这些水分蒸发消耗能量 y1vy| x亿 #°pu o占杉木林生态系统获得的净辐射能k投
入到林冠层表面的辐射能减去林冠层反射的能量l的 uu1| h ∀
用水量平衡法求出杉木林生态系统每年总蒸发散的水量 {yu1sv °° o由此而消耗的能量 us1|xu w亿 #
°pu ∀林冠截留水分蒸发消耗的能量为 y1vy| x亿 #°pu o占系统总蒸发散耗能的 vs1w h ∀在杉木林生态系
统潜热能的支出中有近 tΠv是林冠截留水分蒸发耗能贡献的 ∀
从表 u可看出 o温度低 !降水频繁且强度不大的 u ) w月 o林冠截留水分蒸发耗能分别占该月净辐射能的
v{1{ h ∗ wz1{ h o占该月总蒸发散耗能的 w|1y h ∗ xx1y h o是该时期森林生态系统能量支出的最大项目 ∀可
见 o越是温度低 !多雨k小雨为主l的季节 o越能显示出林冠截留在森林生态系统能量平衡中的重要作用 ∀
表 2 截留水分蒸发消耗的能量 ≠
Ταβ .2 Ενεργψ οφιντερχεπτιον εϖαπορατιον
月份
²±·«
净辐射
‘•Π
kts{ #°pul
总蒸散量
×∞×Π
°°
林冠截留
蒸发量
≤Œ∞Π
°°
总蒸散
耗能
×∞∞Π
kts{ #°p ul
林冠截留蒸
发耗能
≤Œ∞∞Π
kts{#°pul
冠蒸发耗能与
净辐射比值
≤Œ∞∞·² ‘•Π
h
冠蒸发耗能与
总蒸耗能比值
≤Œ∞∞·² ×∞∞Π
h
t t1sz{ v vu1zv tw1ts s1{tu x s1vxs u vu1w wv1t
u t1stt z vy1|y ut1ss s1{zs v s1w{w w wz1{ xx1y
v t1v|| | wx1sy ux1vs t1tsy { s1yus | ww1w xy1t
w u1ssv y yv1tu vt1vs t1xyz u s1zzz v v{1{ w|1y
x v1u{{ | tsz1uu vw1ts u1yuw u s1{vw x ux1w vt1{
y u1|yt | |y1ys uw1ts u1vtx y s1xzw x t|1w uw1{
z w1vsv t tvs1|z tv1ws v1tv| x s1vus u z1w ts1u
{ v1zwv u ttz1t{ t|1|s u1{wy x s1w{v { tu1| ts1z
| u1{wt y {v1y{ uu1us u1stz { s1xvx z ty1t uy1x
ts u1tvv w yw1wt uv1ss t1xvu w s1xwz s ux1y ux1z
tt t1|wt { wx1|v tz1zs t1t|x w s1wyx z uw1t v|1s
tu t1vyz u v{1tz tx1xs s1|uw u s1vzx v uz1w ws1y
总量 ײ·¤¯ uz1{zv y {yu1sv uyt1ys us1|xu w y1vy| x uu1| vs1w
≠ ‘• }‘¨·µ¤§¬¤·¬²±~×∞× } ײ·¤¯ √¨¤³²·µ¤±¶³¬µ¤·¬²±~ ≤Œ∞} ≤µ²º± ¬±·¨µ¦¨³·¬²± √¨¤³²µ¤·¬²±~ ×∞∞} ײ·¤¯ √¨¤³²µ¤·¬²± ¤¯·¨±·«¨¤· ±¨¨ µª¼~ ≤Œ∞∞} ≤µ²º±
¬±·¨µ¦¨³·¬²± √¨¤³²µ¤·¬²± ¤¯·¨±·¨ ±¨ µª¼q
313 林冠截留对降雨动能的影响
雨滴动能是裸露土地发生侵蚀的主要动力 o一些研究者根据自己的试验得出了一些计算雨滴动能的经
验公式k≥¤¯¯¨ ¶ ετ αλqoussu ~Ž¬±±¨ ¯¯ ot|{t ~˜¯ ¥µ¬¦« ετ αλqot|{x ~徐锐 ot|{v ~蔡丽君 oussv¤~ussv¥~贡力 oussx ~周
佩华等 ot|{t ~王万忠 ot|{z ~江忠善等 ot|{v ~⁄¬¶µ∏§ot|zsl o并普遍认为林冠能削弱雨滴动能 !大大减少雨滴对
表土的溅击 ∀但一些研究结果却与之相反k雷瑞德 ot||w ~周国逸 ot||z ~王彦辉 ot|{yl ∀
v1v1t 大气降水中雨滴到达林冠面的速度 牟金泽等kt|{vl研究出的雨滴速度计算经验公式一直被研究
者采用 ~钱允祺等kt||{l根据 …¨ ¶·kt|xsl提出的雨滴直径分布函数 o导出了符合黄土高原降雨雨滴最终速度
的分布规律 ~姚文艺等kusstl根据水力侵蚀模拟方程也提出了计算雨滴速度的经验方程 ∀本研究直接根据
雨滴降落过程进行推导 ∀一滴雨滴降落过程中 o同时受几种力的作用 }重力 o它使水滴下落 o并在最初阶段作
加速运动 ~空气浮力 o它的作用与重力方向相反 o一般很小 o计算中可忽略不计 ~压差阻力和粘滞阻力 o它们与
重力方向相反 o正是这种阻力使雨滴的运动速度最终趋向平衡 ∀理论证明k¤¬·²±ot|{sl粘滞阻力和压差阻
力之和为 }
zt 第 u期 康文星等 }林冠截留在杉木林生态系统能量转换过程中的作用
Φt € ®Π∆Υv ktl
式中 }Φt 为粘滞阻力和压差阻力之和 o®为系数kv1vsz x ≅ tsp x ®ª#¶pt °p vl o∆为雨滴直径 oΥ为雨滴速度 oΠ
为圆周率 ∀雨滴的重力为 }
Φu € ty Π∆
v Θγ kul
式中 }Φu 为重力k°ªl oΘ为雨滴密度 oγ 为重力加速度 ∀下降雨滴达到平衡状态时 o即 Φt € Φu o此时的速度
为平衡速度 o也即雨滴的终速度 ∀根据公式ktl和kul o其大小为 }
Υ¤ €
v ∆u Θγy® kvl
式中 }Υ¤为平衡稳定速度 ∀从公式kvl可以看出 o给出一个雨滴的直径 o就可以求出相应的平衡速度k表 vl ∀
表 3 不同直径滴水的稳定速度
Ταβ .3 Σταβλε σπεεδ οφ ραινφαλλ ωιτη διφφερεντ διαµετερσ °#¶pt
项目 Œ·¨° 直径 ⁄¬¤°¨ ·¨µΠ°°s1x t1s t1x u1s u1x v1s v1x w1s w1x x1s x1x y1s z1s
速度 ∂¨¯²¦¬·¼ u1vt v1yz w1{t x1{u y1zx z1yv {1wy |1uw ts1ss ts1zv tt1wv tu1tu tv1wv
现在求出雨滴下降多少高度就可以达到平衡速度 ∀雨滴开始在高空降落时具有势能 o在重力作用下 o根
据牛顿第二定律 o其下降的加速度为 }
§Υ
§τ €
Φu p Φt
µ €
µγ p ®Π∆Υv
µ €
®Π∆
µ
µγ
®Π∆ p Υ
v kwl
式中 } µ 为雨滴质量 ∀对上式进行不定积分 o用分离变数法求解得 }
t
y µγ®Π∆
u
v
±¯
Υu n µγ®Π∆
t
v Υ n µγ®Π∆
u
v
Υu p u µγ®Π∆
t
v Υ n µγ®Π∆
u
v n
v
v µγ®Π∆
u
v
¤µ¦·ª vv
u Υ
µγ
®Π∆
t
v
n t € ®Π∆µ τ n ≤ kxl
式中 }τ为时间 ~≤为积分常数 ∀上式必须满足初始条件 o当 τ € s时 oΥ€ s o于是 ≤为 }
≤ € v
v µγ®Π∆
u
v
¤µ¦·ª vv kyl
将kyl式代入kxl式 o其微分方程的解是 }
±¯
Υu n µγ®Π∆
t
v Υ n µγ®Π∆
u
v
Υu p u µγ®Π∆
t
v Υ n µγ®Π∆
u
v n u v¤µ¦·ª
v
v
u Υ
µγ
®Π∆
t
v p y γµγ
®Π∆
t
v
τ € s kzl
利用kvl式给出某雨滴的直径求出相应的平衡速度值代入上式 o可得该直径的雨滴从下降开始到达平衡
速度所需的时间 ∀然后用所需时间值代入下式k{l积分 }
Θ§Υ €Θ γ p y®Υv∆u Θ §τ k{l
算出雨滴达到平衡速度时所下降的高度 ∀根据计算 o一个直径为 z1s °°的雨滴 o下降 uv °后 o就达到
了平衡速度 ∀直径小的雨滴 o其高度距离就更小了 ∀因此 o有理由认为 o大气降水的雨滴远未到达林冠以前
就已达到了平衡速度 ∀
v1v1u 冠滴水到达地面的速度 大气降水所具有的动能在林冠截留过程中完全消耗在林冠枝叶的阻滞上 ∀
冠滴水起初所具有的能量为势能 ∀冠滴水降落到林地的过程是一个由势能转变为动能的过程 ∀可见 o冠滴
水和大气降水过程的原理是一样的 ∀于是 o将公式kzl的 Υ写成时间 τ的显式并积分可得到 }
Η € s qsss ztw ∆
u Θγy®
u
t n uw{ qvz| u y®τ∆u Θγ
vΠu
p ∆
u Θγtu® τ p s qsss ztw
∆u Θγy®
u
k|l
这样 o可用上式 o根据杉木林枝下高 o算出冠滴水到达林地面所需时间 τ∀把 τ值代入公式kzl o可得到
{t 林 业 科 学 wv卷
不同直径冠滴水到达林地的速度k表 wl ∀
表 4 不同直径的冠滴水到达地面的速度
Ταβ .4 Σπεεδ οφ ραινφαλλ δροπ ον γρουνδ °#¶pt
项目 Œ·¨° 直径 ⁄¬¤°¨ ·¨µΠ°°s1x t1s t1x u1s u1x v1s v1x w1s w1x x1s x1x y1s z1s
速度 ∂¨¯²¦¬·¼ u1v v1z w1{ x1{ y1z z1t z1w z1z z1| {1t {1v {1x {1|
v1v1v 大气降水雨滴与冠滴水直径大小与分布 雨滴动能除受速度影响外 o还受质量控制 ∀对于一个近
似圆球的水滴 ∀只要得知它的直径 o就可以求出它的质量 ∀
任何一次降水都是由大小不同的雨滴构成的 o随着降雨强度增大 o雨滴直径也趋于增大 ∀根据 uzs多次
降水资料分析 o杉木林外大气降水强度大都为 s1x ∗ us °°#«pt ∀实测 vs多次大气降水k雨强 s1x ∗ tx °°#
«ptl雨滴直径大小与分布表明 o当雨强在 ts °°#«pt以下 o|s h的雨滴直径为 s1x ∗ v1s °°∀当降雨强度为
ts ∗ us °°#«pt时 o直径为 s1x ∗ v1s °°的雨滴占总雨滴数的 {s h以上 ∀根据实测林内降水雨滴直径的结果
发现 o在观测的雨强范围ks1x ∗ tx °°#«ptl内 o无论哪一次林内降水的雨滴直径均大于林外k表 xl ∀尤其是
雨强不大的情况下更为突出 ∀这是因为雨滴降落在叶片表面后在逐渐湿润的表面边缘形成水滴 ∀当重力作
用超过张力时 o水滴即从边缘落下 ∀可见 o冠层枝叶对降水雨滴具有汇聚作用 o使得林内降雨中的雨滴直径
增大 ∀同时也发现 o由于林冠的作用 o冠滴水直径受大气降水强度的影响较少 ∀据观测 o尽管大气降水强度
有所变化 o但冠滴水的直径大部分为 t1u ∗ v1s °° o其直径的变化主要受林分郁闭度 !冠层厚度 !枝叶取向 !
叶量 !叶面积和叶表面对雨水的粘滞性的影响 ∀
表 5 雨滴平均直径
Ταβ .5 Μεαν διαµετερ οφ ραινφαλλ °°
项目 Œ·¨° 降雨强度 •¤¬±©¤¯¯¬±·¨±¶¬·¼Πk°°#«
ptl
s1x t1s u1s v1s w1x y1s {1s |1s
大气降水 •¤¬±©¤¯¯²∏·¶¬§¨ ¶·¤±§¶ s1xt s1yz s1|u t1st t1tv t1uv t1v{ t1xy
林内降水 •¤¬±©¤¯¯¬±¶¬§¨ ¶·¤±§¶ t1sx t1tt t1t{ t1ux t1vu t1wz t1yv t1|y
v1v1w 林冠表面和林内地面降水动能 根据不同降水强度的雨滴直径大小和分布数量 !雨滴到林冠表面
的稳定速度 !冠滴水的不同直径分布数量和到达林地的速度 o计算了 {次不同降雨强度和降水量林冠表面和
林地表面承受的动能k表 yl ∀表 y中林内地面降雨动能包含 u个部分 o一部分动能是由直接穿透林冠的雨水
给予的 o它的大小可由林冠表面的总动能乘上系数 „k„为 t减去郁闭度l得出 ~另一部分是冠滴水给予的 o
计算它的方法前面已述 ∀
表 6 降雨动能
Ταβ .6 Κινετιχ ενεργψ οφ ραινφαλλ
雨强
•¤¬±©¤¯¯¬±·¨±¶¬·¼Πk°°#«ptl
降雨历时
׬°¨²©µ¤¬±©¤¯ Π¯«
雨量
•¤¬±©¤¯ Π¯°°
林冠表面动能
Ž¬±¨·¬¦ ±¨¨ µª¼ ²± ¦µ²º±Πk#°pul
林地表面动能
Ž¬±¨·¬¦ ±¨¨ µª¼¬±¶¬§¨ ¶·¤±§¶Πk#°pul
s1x y v ty1u| z1zu
s1x ts x t|1vy uz1s|
v1s v tx tv{1zv tyy1|x
y1s x vs vy{1uu v|x1xw
|1s u1uu u vsz1xu vyx1w{
tu1s t1ux tx uyz1x{ u{v1vy
tx1s s1yz ts t|x1zu uty1{v
us1s u ws {vu1tz {tz1xv
从表 y看出 o大气降水经过郁闭度为 s1|的林冠截留后 o枝下高 z °的杉木林林内降水动能一般都大于
林冠上的动能 o而且在雨强小的情况下更为突出 ∀这是由于叶对雨水的汇聚使冠滴水的直径增大造成的 ∀
实际上 o只有 u种情况下林冠才能有效地降低降雨动能 o一是雨量极少kv °°以下l o林冠层截留了大部分水
量 ~二是雨强极大 o直径大的雨滴撞击在枝叶表面时 o雨滴动能使雨滴本身击散 o直径大的雨滴变成直径小的
雨滴进入林内 ∀直径小的雨滴具有的动能较小 ∀
林地土壤被微弱侵蚀的根本原因在于凋落物层对林地的覆盖 o森林冠层使林地免受雨水的侵蚀 o其作用
并不是林冠层对雨水动能的削弱 o而是冠层产生凋落物层对林地的保护 ∀
|t 第 u期 康文星等 }林冠截留在杉木林生态系统能量转换过程中的作用
w 结论与讨论
杉木林冠层每年吸收的辐射能 ux1xwv s亿 #°pu o占总辐射能 {u1z h o透过林冠层的辐射量 u1xvs y亿
#°pu o占总辐射的 {1u h o林冠层的反射量 u1zwv s亿#°pu o占总辐射的 |1t h ∀林冠层对辐射能的吸收率 !
透射率和反射率与冠层结构特征因子及枝叶的生长发育状况有关 ∀由于林冠层对辐射能的吸收与反射 o减
少了到达林下空间的辐射量 o改变了系统内能量 o造就了林下空间小气候环境 ∀
每年林冠截留水分蒸发耗能 y1vy| x亿 #°pu o占森林生态系统获取的净辐射能的 uu1| h o占系统总蒸
发散耗能的 vs1w h ∀林冠截留水分蒸发耗能使得系统获取的辐射能一部分转化为潜热能 o在降雨均匀k雨
量和雨强都不大l的月份 o林冠截留蒸发耗能在系统能量平衡中占有很重要的位置 ∀
林冠对降水的截留 o使大气降水中的雨滴动能消耗在克服枝叶阻力做功上 o叶表面汇聚水滴从冠层滴落
下来 o是一个由势能转变成动能的过程 ∀
杉木林林冠对大气降水雨滴有汇聚作用 o使冠滴水水滴直径较林外大 ∀林冠滴水雨滴直径变化和分布
范围主要受林分特征因子和叶表面对雨水的粘性的影响 o与大气降水强度和降水量关系不大 ∀一般而言 o一
次性降水中 o林冠滴水雨滴动能一般都大于大气降水中雨滴动能 o而且在雨强小的情况下更为突出 ∀杉木林
冠枝下高度超过 z ° o在降水量大于 v °°的情况下 o林冠层不能有效地降低降雨动能 ∀只有在雨量极小 !林
冠层截留大部分水量或是雨强极大 !直径大的雨滴在枝叶表面撞击分散的情况下 o林冠才能有效地降低降水
动能 ∀森林冠层使林地免受雨水的侵蚀 o其作用并不是林冠层对雨水动能的削弱 o而是冠层产生凋落物层对
林地的保护 ∀
参 考 文 献
陈引珍 o何 凡 o张洪江 o等 qussx1 缙云山影响林冠截留因素的初步分析 q中国水土保持科学 ov kvl }vt{ p vuv
蔡丽君 o王国栋 o张仕奇 qussv¤q黄土高原降雨雨滴动能的分布律 q水土保持通报 ouvkwl }u{ p vu
蔡丽君 o王国栋 qussv¥q风矢量对坡面降雨动能分布的影响 q中国农业大学学报 o{kyl }tx p tz
贡 力 qussx1 黄土高原降雨雨滴动能的侵蚀计算 q兰州交通大学学报 ouwkwl }wv p wx
江忠善 o宋文经 o李秀英 qt|{v1 黄土地区天然降雨雨滴特征研究 q中国水土保持 ott kvl }vu p vy
雷瑞德 qt||w1中国森林生态系统定位研究 q哈尔滨 }东北林业大学出版社 ouwx p uxt
刘家冈 o张文杰 qt|{x1 光在林冠中传播 q林业科学 outkvl }uvw p uws
牟金泽 qt|{v1 雨滴速度计算公式 q中国水土保持 ottkvl }ws p wu
钱允祺 o陶士珩 qt||{1 黄土高原降雨雨滴最终速度的分布律 q西北农林大学学报 ouykxl }us p uw
王万忠 qt|{z1 黄土地区降雨侵蚀力 • 指标的研究 q中国水土保持 otxktul }t{ p uu
王彦辉 qt|{y1 陇东黄土地区刺槐林水土保持效益定量研究 q东北林业大学学报 o{ktl }vx p wu
卫正新 o李树怀 qt||z1 不同林地林冠截留降雨特征研究 q中国水土保持 ouxkxl }xuw p xvs
文仕知 o潘维俦 o田大伦 o等 qt|{|1 杉木人工林生态系统的水文效应 q中南林学院学报 o|k增刊l }u| p vy
谢春华 o关文彬 o吴建安 o等 qussu1 贡嘎山暗针林生态系统林冠截留特征研究 q北京林业大学学报 ouwktl }y{ p zt
徐 锐 qt|{v1 关于天然降雨和人工降雨的动能计算方法 q中国水土保持 ottkvl }vz p v|
姚文艺 o汤立群 qusst1 水力侵蚀产沙过程及模拟 q郑州 }黄河水利出版社 otsv p ts|
周光益 o曾庆波 o黄 全 o等 qt||x1 热带山地雨林林冠对降雨的影响分析 q植物生态学报 ot|kvl }ust p usz
周国逸 qt||z1 几种常用造林树种冠层对降水动能分配及其生态效益分析 q植物生态学报 outkvl }uxs p ux|
周佩华 o豆葆璋 o孙清芳 o等 qt|{t1 降雨能量的试验研究初报 q水土保持通报 ouktl }xt p ys
朱劲伟 o崔启武 qt|{u1 林冠结构和光分布 ) 光的吸收理论的探讨 q林业科学 ot{kvl }ux{ p uyx
中野秀章 qt|{x1 森林水文学 q李云森 o译 q北京 }中国林业出版社 otx p uu
…¨ ¶·„ ≤ qt|xs1 ׫¨ ¶¬½¨ §¬¶·µ¬¥∏·¬²± ²©µ¤¬±§µ²³¶q ±∏¤µ·¨µ¯¼ ²∏µ±¤¯ ²©·«¨ •²¼¤¯ ° ·¨¨²µ²¯²ª¼ ozyktyl }ty p vy
⁄¬¶µ∏§„ qt|zs1 ¤ª±¬·∏§¨ o³µ²¥¤¥¬¯¬·¼ ¤±§ ©¨©¨¦·²©®¬±¨ ·¬¦ ±¨¨ µª¼ ²© º¬±§¶¤¶¶²¦¬¤·¨§º¬·«µ¤¬±¶¬± Ž¤±¶¤¶qŽ¤±¶¤¶„¦¤§¨ °¼ ²©≥¦¬¨±¦¨ okzvl }uvz p uwy
Ž¬±±¨ ¯¯ ° Œ „ qt|{t1 •¤¬±©¤¯¯¬±·¨±¶¬·¼p®¬±¨ ·¬¦ ±¨¨ µª¼ µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³©²µ¶²¬¯ ²¯¶¶³µ¨§¬¦·¬²±q≥²¬¯ ≥¦¬¨±¦¨ ≥²¦¬¨·¼q „° µ¨¬¦¤± °µ²¦¨¶¶okwxl }txv p txx
¤¬·²± qt|{s1 生物系统的流体动性 q北京 }科学出版社 ou{z p u|s
≥¤¯¯¨ ¶≤ o°²¨ ¶¨√ o≥ °¨³¨ µ¨pײµµ¨¶⁄qussu qŽ¬±¨·¬¦ ±¨¨ µª¼ ²©µ¤¬± ¤±§¬·¶©∏±¦·¬²±¤¯ µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³º¬·«¬±·¨±¶¬·¼q²∏µ±¤¯ ²© ‹¼§µ²¯²ª¼ ouxzkt p wl }uxz p uzt
˜¯ ¥µ¬¦« ≤ • o „·¯¤¶⁄qt|{x1 ׫¨ ©¨©¨¦·¶²©§µ²³¶¬½¨ §¬¶·µ¬¥∏·¬²±·µ∏±¦¤·¬²± ²±µ¤¬±©¤¯¯¬±·¨ªµ¤¯ ³¤µ¤° ·¨¨µ¶¤±§ °¨³¬µ¬¦¤¯ µ¨ ¤¯·¬²±¶q²∏µ±¤¯ ²© ≤¯ ¬°¤·¨ ¤±§„³³¯¼
 ·¨¨²µ²¯²ª¼okuwl }x{s p x|s
k责任编辑 于静娴l
su 林 业 科 学 wv卷