林(樹)冠截留容量及其近似確定

范世香， 刁艷芳， 王 剛， 宋丹丹

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院， 山東 泰安 271018)

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林(樹)冠截留容量及其近似確定

范世香， 刁艷芳， 王 剛， 宋丹丹

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院， 山東 泰安 271018)

摘要：[目的] 為了克服在林(樹)冠截留降雨研究中采用“截留率”和“實(shí)測截留量”指標(biāo)的缺陷。[方法] 提出了截留容量的概念及近似確定方法。利用兩個(gè)林分的實(shí)測資料，進(jìn)一步介紹了截留容量的近似確定方法并進(jìn)行相互比較。[結(jié)果] 截留容量更能體現(xiàn)林冠對降雨截留作用的大小，它不僅能在不同林分或樹種之間進(jìn)行截留作用大小的比較，而且不受地域限制。[結(jié)論] 采用截留容量指標(biāo)比較不同林分之間對降雨的截留作用不僅是有效的，也是合理的。

關(guān)鍵詞：林冠； 實(shí)測截留量； 截留率； 截留容量； 近似確定

由于林冠(或樹冠)對降雨的截留作用，將會使得降雨量發(fā)生第一次再分配，減少了到達(dá)地面的有效雨量，從而減少流域的產(chǎn)流量，即減少凈雨量。因此，研究林(樹)冠對降雨的截留作用，不僅具有重要的生態(tài)學(xué)意義，而且還具有重要的水文學(xué)意義[1-6]。

以往，在研究林冠截留降雨問題時(shí)，大多都是采用“實(shí)測(際)截留量”和“截留率”這兩個(gè)指標(biāo)[3-6]。一方面，由于受到許多因素的影響，即使在雨量相同的情況下，實(shí)測截留量也有很大差別[3]。因此，實(shí)測截留量往往難以真實(shí)地反映出林冠對降雨截留作用的大小。另一方面，截留率是指一次降雨的實(shí)測截留量與降雨量的比值，是個(gè)相對值。一般來說，小雨的截留率相對就高，而對于大雨，截留率相對就低，截留率與降雨量往往是呈現(xiàn)出反比關(guān)系，所以采用截留率指標(biāo)也難以反映出林冠對降雨的截留作用的大小。為此，本文提出了能夠客觀衡量林冠對降雨截留作用大小并且比較合理的一個(gè)指標(biāo)，即林冠截留容量。

1基本概念

由樹冠截留降雨的物理現(xiàn)象可知，影響樹冠截留的因素很多，按其性質(zhì)可分為兩類。第一類是林冠特征因素，如樹種組成、樹齡、冠層厚度及冠層的郁閉度等；第二類是降雨及伴隨的氣象因素，如雨量、雨強(qiáng)、風(fēng)速及雨前枝葉的濕潤程度等。對具體林分而言，在一次降雨過程中，林冠特征因素可以認(rèn)為是穩(wěn)定少變的，降雨截留量的大小只與第二類因素有關(guān)。

在第二類因素中，雨量是先決條件，降雨強(qiáng)度和風(fēng)速是環(huán)境條件，雨前枝葉的濕潤程度是初始條件。由于環(huán)境條件和初始條件的不同，在雨量相同的情況下，林冠截留量也往往是不同的，有時(shí)甚至差別很大。如果在雨強(qiáng)很小、無風(fēng)、雨前枝葉十分干燥的理想條件下，對某一林分而言，只要雨量相同，那么林冠截留量應(yīng)該是唯一的，其數(shù)值就不會出現(xiàn)差異。更進(jìn)一步說，在環(huán)境條件和初始條件最有利的情況下，林冠截留量與降雨量應(yīng)該是單值函數(shù)關(guān)系，不同的雨量才會產(chǎn)生不同的截留效應(yīng)，這就是截留容量的概念。因此，可以把林冠截留容量定義為“在理想狀況下林冠對降雨的截留量”，它僅與降雨量有關(guān)。根據(jù)這一概念不難理解，林冠截留容量就是對某一降雨量的最大截留量，它揭示的是林冠對降雨的截留能力。

采用林冠截留容量指標(biāo)研究降雨截留問題，其優(yōu)點(diǎn)是： (1) 消除了第二類影響因素，能夠真實(shí)反映林冠截留作用大??； (2) 可以用于不同林分或不同樹種之間降雨截留作用的比較，而且不受地域和具體降雨事件的限制。

在現(xiàn)實(shí)中，盡管上述的理想條件可能很少出現(xiàn)，但截留容量作為(對某一雨量)特征值是客觀存在的，它與降雨量的函數(shù)關(guān)系也應(yīng)該是存在的，而且是唯一的。然而，由于受到環(huán)境條件和初始條件的影響，林冠的實(shí)際截留量往往會小于、至多等于相同雨量下的截留容量。

根據(jù)以上概念的描述，樹冠實(shí)際截留量I′和截留容量I可分別表示為：

I′=f1(p,i,v,n)

(1)

I=f2(p)

(2)

式中：p——降雨量(mm)；i——降雨強(qiáng)度(mm/h)；v——雨期風(fēng)速(m/s)；n——雨前枝葉濕潤度(吸附水的含量)(mm)；f1與f2分別為某種函數(shù)關(guān)系。

從式(2)可知，截留容量與降雨量是單一的函數(shù)關(guān)系。無論對任何林分或樹種，在野外試驗(yàn)條件下，確定截留容量與降雨量的關(guān)系并非易事，需要通過觀測數(shù)據(jù)近似確定[7-8]。

2近似確定方法

通過在野外獲得的試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)，可以將各場降雨量與其對應(yīng)的實(shí)際截留量直接點(diǎn)繪關(guān)系。通常會發(fā)現(xiàn)，實(shí)際截留量與降雨量之間并非單一關(guān)系，點(diǎn)據(jù)比較散亂，即同一降雨量對應(yīng)多個(gè)實(shí)際截留量數(shù)值。如前所述，這種現(xiàn)象正是由于環(huán)境條件和初始條件的不同所引起的，這就證實(shí)了實(shí)際截留量不僅取決于降雨量，而且還與其它影響因素有關(guān)，因此采用實(shí)際截留量指標(biāo)揭示林冠截留作用的大小，有時(shí)是很不確切甚至是不可靠的。

如果相同雨量下取最大值，就能描繪出這些點(diǎn)據(jù)的上包線，從而得到一條光滑的曲線，可以近似認(rèn)為這條光滑曲線基本上消除了其它因素(環(huán)境條件和初始條件)影響，反映的是截留容量與降雨量的關(guān)系，這種關(guān)系(曲線)可以用數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)出來。如果林分不同或者樹種不同，這種關(guān)系也是不同的。

實(shí)踐證明，截留容量與降雨量往往都是指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著降雨量的增加，截留容量也增加。當(dāng)降雨量增加到一定程度后，林冠層吸附雨水的能力達(dá)到飽和，截留容量不再隨降雨量增加，呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)的截留容量達(dá)到最大值，稱為飽和截留量。以往，常常把飽和截留量稱作截留容量，這與本文提出的概念是有很大區(qū)別的。

采用實(shí)際截留量與降雨量關(guān)系點(diǎn)據(jù)的上包線近似反映林冠截留容量，即取相同雨量下的最大觀測值，這樣就將雨強(qiáng)、風(fēng)速及雨前枝葉濕潤度的影響程度降到了最小。很顯然，這種近似方法的精度與觀測資料的多少有關(guān)。如果觀測次數(shù)越多，各種條件下林冠對降雨的實(shí)際截留量資料就越多，從而捕獲到的截留容量信息就越豐富，上述近似確定方法的精度就越高，其結(jié)果也就越可靠。以下用兩個(gè)實(shí)例進(jìn)一步加以說明。

3實(shí)際應(yīng)用

3.1　人工林截留容量

人工林位于遼寧省撫順縣后安鎮(zhèn)五龍林場以東約1 km處，東經(jīng)124°13′，北緯41°44′，海拔240 m，多年平均降水量780 mm，林型是針闊混交林。林分結(jié)構(gòu)組成主要有日本落葉松(Larixkaempferi)、春榆(Ulmusdavidianavar.japonica)、蒙古柞(Quercusmongolica)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)及少量黃菠蘿(Phellodendronamurense)、核桃楸(Juglandsmandshurica)，其中日本落葉松約占40%。林齡26 a左右，林木總蓄積量約190 m3/hm2，林木密度為1 020株/hm2，徑級一般在15～25 cm，郁閉度0.95。該林分冠層較薄，且空間分布也較均勻。

林冠實(shí)際截留量的觀測采用常規(guī)方法[8-10]。觀測林內(nèi)降雨量時(shí)，在林內(nèi)隨機(jī)設(shè)置了16個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雨量筒，在附近的林中空曠地設(shè)置1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雨量筒，用于觀測林外的大氣降雨量，其觀測值近似等于林上大氣降雨量。觀測時(shí)，對于時(shí)間間隔大于2 h的降雨，按二次降雨分別記錄。從每年的6下旬至9上旬共觀測了3個(gè)雨季。按照各個(gè)雨量筒的實(shí)測值，林內(nèi)雨量采用算術(shù)平均法計(jì)算。林冠實(shí)際截留量等于大氣降雨量與林內(nèi)雨量之差即：

林冠實(shí)際截留量=大氣降雨量-林內(nèi)雨量

因樹干徑流很小，可以忽略不計(jì)。

按照林冠截留容量概念，點(diǎn)繪出實(shí)際截留量與降雨量的相關(guān)圖，然后取其上包線，即得人工林截留容量與降雨量的函數(shù)關(guān)系(如圖1所示)。

圖1　人工林截留容量與降雨量關(guān)系的確定

3.2　天然林截留容量

天然林位于吉林省安圖縣二道白河鎮(zhèn)以南3 km處，東經(jīng)128°06′，北緯42°25′，海拔740 m，多年平均降水量720 mm，林型為針闊混交林，林分結(jié)構(gòu)組成主要有紅松(Pinuskoraiensis)、椴樹(Tiliatuan)、水曲柳、風(fēng)樺(Betulacostata)及少量的色木槭(Acermono)、春榆、白樺(Betulaplatyphylla)，其中紅松占35%左右。林木總蓄積量約380 m3/hm2，平均樹高為25 m，林木密度為560株/hm2，徑級一般在32～40 cm，郁閉度0.8。該林分冠層較厚，但空間分布不均勻。

實(shí)際截留量觀測與計(jì)算方法同上。點(diǎn)繪出實(shí)際截留量與降雨量相關(guān)圖，然后取其上包線，即得天然林截留容量與降雨量的關(guān)系(如圖2所示)。

圖2　天然林截留容量與降雨量關(guān)系的確定

3.3　兩種林分的比較

為便于比較，將以上兩種林分截留容量與降雨量關(guān)系繪在同一張圖上(如圖3所示)。

圖3　兩種不同林分截留容量的比較

(1) 當(dāng)降雨量增加時(shí)，截留容量也隨之增加。然而，當(dāng)降雨量較小時(shí)，截留容量的增加速率較快；反之，當(dāng)降雨量較大時(shí)，截留容量的增加速率較慢。

(2) 當(dāng)降雨量很大時(shí)，林冠截留容量趨于穩(wěn)定并接近常數(shù)，這個(gè)常數(shù)就是飽和截留容量，或稱為最大截留容量，顯然，兩種林分的飽和截留容量也是不同的，天然林飽和截留容量為9 mm左右，人工林的飽和截留容量為7 mm左右。從總體上來看，這種現(xiàn)象揭示出天然林的截留作用大于人工林截留作用。

(3) 當(dāng)降雨量較小時(shí)，人工林的截留容量大于天然林，表明人工林的降雨截留作用大小天然林；當(dāng)降雨量較大時(shí)，人工林的截留容量小于天然林，表明人工林的降雨截留作用小于天然林。由此可見，對不同的降雨量級，兩種林分的截留容量是不同的。分析表明，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于林分枝葉的多少及空間分布有關(guān)。

降雨量與截留容量的關(guān)系，即公式(2)的具體形式符合如下函數(shù)：

I=I0(1-e-KP)

(3)

式中：I——截留容量(mm)；P——降雨量(mm)；I0——飽和截留量(mm)，反映林冠枝葉量的多少；K——參數(shù)，反映林冠枝葉分布的均勻性。通過曲線相關(guān)分析并進(jìn)行擬合，就可以定出公式中兩個(gè)參數(shù)。

4結(jié)果與討論

本文提出的截留容量概念，反映了林冠(或樹冠)本身固有的特性，如枝葉的多少和空間分布情況，實(shí)質(zhì)上揭示的林冠對降雨截留的內(nèi)在潛力。

通過研究實(shí)例可以清楚地看到，采用這一指標(biāo)就可以避免其它因素的影響，并能用于林分之間截留作用大小的比較，一方面克服了采用截留率指標(biāo)的不合理性，另一方面避免了采用實(shí)際觀測值不能在不同林分之間進(jìn)行比較(不可比性)的缺陷。因此，截留容量指標(biāo)對于正確評價(jià)不同林分的截留作用具有積極意義。

截留容量的確定是極其困難的，在野外試驗(yàn)條件下，必須具備較為豐富的實(shí)測資料才能做到近似確定。就是說，資料越多，獲得的截留容量信息就越豐富，從而得到的降雨量與截留容量之間的關(guān)系才越真實(shí)可靠。如果根據(jù)兩者的關(guān)系曲線建立經(jīng)驗(yàn)公式，林分的固有特征必定反映在公式的參數(shù)中。

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Interception Capacity and Its Approximate Determination of Forest(Trees) Canopy to Rainfall

FAN Shixiang, DIAO Yanfang, WANG Gang, SONG Dandan

(CollegeofWaterResourcesandCivilEngineering,ShandongAgriculturalUniversity,Tai’an,Shandong271018,China)

Abstract：[Objective] To overcome defects on index of “interception rate” and “actual interception” in study of intercepting rainfall of forest canopy. [Methods] The conception on interception capacity of forest canopy and approximate determination way were posed. Through the actual data, approximate determination way and mutual comparison of two stands were introduced further for interception capacity. [Results] The conception of interception capacity can better reflect effect and degree of forest canopy intercepting rainfall. The comparison of interception impact between different stands (or tree kinds) not only was made by means of interception capacity, but also was not restricted by regions. [Conclusion] The interception capacity is an effective and rational index on comparing the interception impact of rainfalls among different stands.

Keywords:forest canopy; actual interception; interception rate; interception capacity; approximate determination

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)03-0222-03

中圖分類號：S715.2

通信作者：宋丹丹(1989—),女(漢族),山東省青州市人，碩士研究生,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)水文學(xué)。E-mail:1012254067@qq.com。

收稿日期：2014-05-05修回日期：2014-05-09

資助項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于高密度電阻率成像技術(shù)的巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)特征”(41202174)

第一作者：范世香(1958—),男(漢族),山東省濟(jì)南市人,教授,從事生態(tài)水文學(xué)研究工作。E-mail:fsx1016@163.com。