不同降雨强度下庐山日本柳杉林冠层穿透雨延滞效应_黄家辉.pdf

第 卷 第 期 年 月中 国 水 土 保 持 科 学 不同降雨强度下庐山日本柳杉林冠层穿透雨延滞效应黄家辉，刘苑秋，许 青，李乐寰，温林生，郑希玲，刘春梅，邓文平，（江西农业大学林学院，南昌；庐山森林生态系统国家定位观测研究站，江西庐山；江西庐山国家级自然保护区管理局，江西庐山）摘要：为了探究不同降雨特征下穿透雨过程，依托庐山森林生态系统国家定位观测站，通过观测 年雨季（月）日本柳杉林内外实时降雨过程定点观测数据，并选取部分典型场次降雨（中雨、大雨和暴雨），分析不同降雨强度下柳杉林冠层时滞效应。结果表明：在 年雨季，庐山地区降雨呈现出小降雨量（）、短降雨历时（）和低降雨强度（）的特征。从林外降雨开始至林内出现降雨的起始延滞期内，起始延滞时间（）随着林外降雨强度（）的增大而迅速减小，两者之间呈现幂函数关系（.，.）。起始延滞时间与林外降雨量之间关系不明显。冠层滞留效应为正滞留效应时，平均降雨强度相对于冠层滞留效应为负滞留效应时更小，且在降雨初期以及降雨末期（以及 ）时，滞留效应多发生正滞留效应；而在降雨达到峰值时（即降雨中期）滞留效应才会明显出现负滞留效应。在降雨过程中，林冠层对降雨的有效延滞作用主要发生在降雨起始和结束 个阶段，而在中间期冠层拦蓄作用几乎消失，出现林内降雨强度要大于林外降雨强度的情况。在进行水土流失、山洪、泥石流和滑坡等地质灾害预报时，应重点关注降雨中间期。关键词：日本柳杉；降雨特征；穿透雨；庐山中图分类号：.文献标志码：文章编号：（）：收稿日期：修回日期：项目名称：国家自然科学基金“庐山针叶林雾水截留、利用机制及其生态效应”（）；江西省林业科技创新专项“水源涵养林提质增效关键技术研究”（）第一作者简介：黄家辉（），男，硕士。主要研究方向：生态水文和同位素水文。：通信作者简介：邓文平（），男，博士，助理研究员。主要研究方向：森林水文和同位素水文。：，（，；，；，）：（），中国水土保持科学 年 （），（），（）（），（.，.），（）（），：；森林植被对一个区域内的降水量没有显著性的影响，但是对降雨再分配影响明显。森林植被能够改变降雨特征。通过林冠层枝叶的截留和蓄积，消减洪峰流量，延滞降雨，降低雨滴对地面的击溅作用，有效地减缓土壤侵蚀，同时还能够增加枯水期流量，净化水质。因此，森林与水之间的关系成了近年来森林生态学研究的热门话题。林冠作为森林水分传输的第一界面层，将降雨分为穿透雨、林冠截留和茎流 个部分，因此改变降雨的空间分布格局，同时也影响穿透雨的产生时间。穿透雨在森林生态系统水分循环和水量平衡中占有重要地位，并对局域或整个集水区的水分循环有重要影响。穿透雨是林外降雨经过林冠层进行重新分配后产生的，在降雨初期产生的时间相比林外降雨的产生往往要滞后一段时间（穿透雨的延滞效应），降雨强度也有所减弱，因此对消减降雨洪峰、减缓林内土壤侵蚀有一定的积极作用。研究穿透雨的延滞效应，对于评价森林的水土保持功能以及揭示冠层的水分循环机制有着重要的意义。目前，在国内外不同气候类型区、不同森林类型下都有林冠层降雨再分配方面的研究，其关注的重点是不同林分类型林冠截留大小的比较、降雨再分配空间分布特征的研究、林冠冠层不同的处理方式对冠层截留的影响、影响林冠截留和降雨再分配的各种影响因子的探究以及林冠截留模型的修正和应用。但是，在降雨与降雨再分配各组分的研究中，鲜有学者将研究目光放在冠层截留作用对穿透雨时间的再分配过程。有学者 研究了降雨量级以及降雨强度对于起始延滞时间和终止延滞时间的影响，但是分析并讨论的是场次降雨总体的结果。林内外降雨强度是随时变化的，因此穿透雨的滞留效应也会随着不同的降雨时期变化。林外降雨强度以及不同降雨历时，都会影响冠层对降雨的滞留效应。当林外降雨强度大于林内降雨强度时，冠层的枝叶阻碍降雨进入林内，发挥着正滞留效应；相反，冠层枝叶对降雨进入林内的阻碍作用被抵消。同时可能由于林冠层截留量已达到饱和，或是一些针叶树种的叶片对雨滴的汇集作用，导致林内降雨强度大于林外降雨强度，此时发挥着负滞留效应。两者相等，则无滞留效应。日本柳杉（）人工林最早于 世纪初由江西庐山林场引种，目前在庐山自然保护区的面积超过 ，是主要的针叶树种之一，对庐山水土保持、水源涵养等生态服务功能有重要作用。通过研究降雨中林冠层截留的时间再分配过程，可为今后水土流失、山洪、泥石流和滑坡等地质灾害预报提供数据和理论基础。第 期黄家辉等：不同降雨强度下庐山日本柳杉林冠层穿透雨延滞效应 试验区概况试验 样 地 位 于 江 西 省 九 江 市 庐 山 风 景 区（，），海拔，样地为 的日本柳杉人工纯林（成熟林，林龄）。该林分平均胸径.、平均树高.、平均枝下高.，林冠平均冠幅东西.、南北.，柳杉长势良好，不同胸径大小的柳杉均有分布。样地开阔，杂灌较少，样地为北坡向、平均坡度、郁闭度.，林分密度为 株。土层上多有日本柳杉的枯落物覆盖，土壤类型为山地棕壤，土层厚度约 。试验地处于亚热带季风气候地区，雨季明显且集中。材料与方法样地设置于 年夏季，在面积为 的林内样地上，通过五点法选取 个穿透雨样点，分别为（，）、（，）、（，）、（，）、（，），在样点处布设自计雨量筒（，美国 公司），每.记录 次数据，每 自动采集 次数据，降雨历时按降雨间隔 划分。穿透雨数据通过 个样点平均进行校正。林外降雨样点设在紧邻林外边缘处距样地约 且无乔灌木遮挡的空地，并在样点布置 小型气象站（，其包含 个自计雨量筒），林外降雨样点同时布设小型气象站（，美国 公司），降雨数据收集方法与自计雨量筒相同，同时观测空气温度（）、空气相对湿度（）和风速（）等气象数据。在观测期内，平均 个月前往样地下载 次数据，保证数据的连续性和完整性。林内 外降雨强度：场降雨的不同降雨历时总降雨量除以划分时段（将 场降雨历时划分为每.组）。林内外累计降雨量差：在不同降雨历时林外降雨量累计总量和穿透雨累计总量的差值。起始延滞时间：穿透雨相比降雨滞后的时间。降雨历时：为降雨总持续时间，不同降雨历时则指 场降雨已经进行的时间。收集该 个穿透雨样点和 个林外降雨样点共 个样点 年 月的全部降雨数据，按照不同降雨强度等级来选取场次降雨，并将每场降雨的总降雨历时细分为每.，通过林外降雨强度、林内外降雨累积量的差值以及不同的降雨历时三者的关系，来分析研究相应的滞留效应情况。结果与分析.观测期间林外降雨特征观测期间内林外降雨特征（降雨量、降雨强度、降雨历时等）直接影响冠层截留和再分配特征。如图 所示，共记录 场有效降雨数据，总累计降雨量 ，场次最大降雨量为.，最小降雨量为.，降雨量级 场次发生频次最多，占总降雨场次的.，降雨量级次之，达到.，降雨量级 的场次仅占.。观测期间内平均降雨强度为.，最大降雨强度为.，最小降雨强度为.，不同降雨强度（、和 ）下场次降雨事件比例分别为.、.、.、.和.。从降雨历时上看，观测期间内平均降雨历时.，最长降雨历时.，最短降雨历时为.。将不同降雨事件降雨历时划分为、和 ，其对应的降雨事件发生频数分别为、和 次。说明研究区观测期内降雨主要以小降雨量、低降雨强度和短降雨历时的降雨事件为主。图 研究期内降雨量分布 .林冠层对降雨输入的延滞效应降雨时，林外降雨经过林冠层进入林内的过程中，经林冠的再分配以后，会导致穿透雨与林外雨在数量和形成过程的差异，如起始穿透雨时间会晚于林外降雨，从而延滞地表径流的产生。这种延滞效应与许多因素有关，如图 所示。对 场降雨起始延滞时间与期间内降雨量和降雨强度关系进行分析得知，相对于林外降雨，在森林的作用下林内降雨滞后时间范围.，且.的降雨事件起始延滞时间在.以内。统计延滞期内的林外平中国水土保持科学 年均降雨强度发现，随着林外降雨强度的增大，起始延滞时间迅速减小，两者之间呈现幂函数关系（.，.），起始延滞时间超过.后，降雨强度均 ，在同一降雨量级下随着降雨强度的增加延滞时间也呈现出缩短的趋势（图）。延滞期内林外降雨量均，随着降雨量的增加，起始延滞时间变化不规律，两者之间关系不明显。图 降雨强度、降雨量与起始延滞时间的关系 ，.典型场降雨过程林冠对降雨的滞留效应降雨发生初期，干燥的林冠枝叶表面截持降雨的作用，表现出明显的正滞留效应。降雨穿过林冠时，树冠和叶片通过表面的吸附力以及叶片对雨滴的阻挡作用，改变降雨运动的路径，从而起到正滞留效应；随着降雨历时的推进，往往会出现负滞留效应。降雨特征决定不同的穿透雨过程。如图 所示，月 日降雨总体特征为中雨，降雨历时 ，降雨强度随降雨历时呈现为前期降雨强度小且平稳，在.达到峰值，为.。林内外累计降雨量差值表现出缓慢增加趋势，且随降雨强度到达峰值时减小；冠层的滞留效应也随着降雨强度发生变化，前期呈现出稳定的正滞留效应，而在降雨强度峰值期表现为负滞留效应。月 日降雨总体特征为中雨，降雨历时.，降雨强度随降雨历时呈现出前期降雨强度迅速增大，在.达到峰值.，后期逐渐减小。林内外累计降雨量差值变化趋势与降雨强度变化一致。冠层的滞留效应在前期呈现为正滞留效应，降雨强度达到峰值以后则多表现为负滞留效应。月 日降雨总体特征为大雨，降雨历时 ，降雨强度随降雨历时总体呈现出单峰型变化，前期逐渐增加，在.达到峰值 ，后期波动减小。林内外累计降雨量差值变化趋势前期呈逐渐增加的趋势，并在.达到峰值，后期随降雨强度的减小而减小。冠层的滞留效应在降雨强度达到峰值前呈现正滞留效应，之后则为负滞留效应。月 日降雨总体特征为大雨，降雨历时.，降雨强度在前期 迅速增加到峰值.，后期逐渐减小。林内外累计降雨量差值变化在起始 .达到峰值，之后随降雨强度增大迅速减小并稳定。冠层的滞留效应除在起始.以及末期 以后呈现出正滞留效应外，中间均为负滞留效应。月 日降雨总体特征为暴雨，降雨历时长达.，降雨强度变化特征具有分段性，前期 逐渐增加并达到峰值.，中期在.再度达到峰值 ，而后期降雨强度逐渐减小。冠层的滞留效应也呈现出前期 和后期.的正滞留效应，中间期正负滞留效应交替出现。月 日降雨总体特征为暴雨，降雨历时长达.，降雨强度变化特征具有分段性，前期 .迅速增加并达到峰值.，中期.又再度稳定在峰值 左右，在 次峰值后，降雨强度均逐渐减小。林内外降雨量差值也随着降雨强度的变化而变化，在前期降雨强度达到峰值时迅速降低，中期 降雨强度到达峰值后逐渐降低至稳定状态。冠层的正滞留效应主要出现在 和.，其余时段冠层多呈现负滞留效应或无滞留效应。依据林冠层滞留效应随降雨的动态响应过程，以及不同场次降雨过程间其变化规律的对比，发现不同降雨阶段冠层滞留效应有差异，但在降雨初期阶段均表现出正的滞留效应，降雨强度到达峰值阶段滞留效应变为负，而经过峰值降雨强度后，降雨持续时间短则多表现为负滞留效应，而持续时间长时则在末期会呈 第 期黄家辉等：不同降雨强度下庐山日本柳杉林冠层穿透雨延滞效应 用气泡大小代表林外降雨强度大小，标签 为正滞留效应，为负滞留效应，为无滞留效应。，：图 各降雨事件随降雨历时变化的效应图 现出正滞留效应。林内外累计降雨量差随降雨历时的变化区分为：在.的分段时间内，只要林内穿透降雨强度小于林内降雨，就认为冠层在这段时间内发挥着滞留效应（也称为正滞留效应）；如果穿透降雨强度大于林外降雨则认为林冠未发挥滞留作用，称为负滞留效应；林内外降雨强度相等，则无滞留效应。.降雨过程中林冠滞留效应统计分析林冠层对降雨的滞留效应随着降雨强度、降雨历时的变化而变化。在对典型次降雨过程中延滞效应分析的基础上进行统计分析（图），降雨过程中冠层为正滞留效应时，林外降雨强度为（.）；而冠层滞留效应表现为负滞留效应时，林外平均降雨强度为（.）。将降雨历时分组统计后（图）发现，在 时冠层主要以正滞留效应为主，而在 时，冠层出现负滞留效应的频率大于正滞留效应，而在降雨历时 的后期则冠层主要以正滞留效应为主，正是这种滞留使在林外降雨结束后，林内出现后期滴落雨；因此，冠层滞留效应在降雨过程中，表现出在降雨起始和结束期，发挥着延滞降雨的作用。图 正负滞留效应的统计分析 讨论林冠截留是降雨的第一次再分配。降雨截留被认为是水资