森林对降水的生态效应探究

　　水是一切生物生存和繁衍的必要因素，也是生态系统中物质循环的重要载体[1 -3].大气降水是生态系统的主要水源[4 -5],它对生态系统的组成、结构和功能可产生重要影响[6].森林主要通过冠层截留、凋落物层截持、土壤入渗、蒸散以及径流等环节来分配水分。森林的不同结构和不同生长发育状况导致水文的多样性。例如，大气降水通过林冠时，由于枝叶的吸附和淋溶作用，导致穿透水和树干茎流的养分含量发生较大变化[7].森林生态系统的水分和养分循环是维持系统平衡和物质生产的基本过程，所以研究森林不同组分对降水的生态效应不仅为评价森林的环境效应奠定了基础，也为进一步研究森林生态系统的生物地球化学循环规律提供了重要依据。
　　
　　1 森林对降水的一般作用过程

　　在降水过程中，一部分水分首先落在叶、枝、干等树体表面，由于表面张力作用被吸附并积蓄在枝叶表面，被积蓄的雨水一部分会因蒸发而回到大气中。随着降水的增多，水受重力作用而直接从枝、叶滴落，形成林冠滴落雨量，或者从枝、叶转移到树干，形成树干茎流量，并逐渐转移到地表。降水过程中也有一部分雨水未接触树体直接穿过林冠间隙落到地表，这部分雨量称为林冠穿透雨量[8].林冠滴落雨量与林冠穿透雨量之和即为林内雨量。将一段时间内林冠上空的降水总量（ 即林外雨量） 减去林内雨量和树干茎流量，其差值就是该段时间内的水分蒸发量以及树体的水分截留量[9].经过林冠和树干截留之后流下的雨水到达林地后，一部分被地表凋落物吸附（ 凋落物截留量） ; 另一部分透过凋落物层到达土壤被贮存，也会形成地表径流、壤中流和地下径流而离开该生态系统[10].此外，部分降雨也会被森林生态系统中的植物吸收利用而参与植物内循环[11].

　　2 森林对降水的截留效应

　　2. 1 乔木层的截留效应

　　2. 1. 1 林冠截留林冠层是降水对森林的第 1 个作用面，所以森林对降水的调节作用首先表现为林冠对降水的截留过程[12].国外研究认为，针叶林的林冠截留率一般在20% ~ 40%[13 -14].我国主要森林生态系统的林冠截留率为 11. 4% ~ 36. 5%[15].林冠截留包括枝叶湿润、林冠截留饱和与林冠截留蒸发等 3 个过程，其能够削弱雨滴对地表的冲击力，减少地表侵蚀； 同时也减少了地表径流量，起到削减洪峰流量和涵养水源的生态功效。因此，林冠截留一直是森林水文和水土保持研究的重点。周彬等[16 -17]研究发现林冠截留的基本特点是： 在旱季林冠截留率大于雨季； 截留量随着降雨量的增大而增加，但截留率减小； 林冠截留率的区域性差异较为明显。林冠截留与降水之间存在着密切的正线性关系[18]和幂函数关系[19].林冠截留还受降水强度的影响，即降水强度越小林冠截留率越高，尤其是当降水量小且历时较长时[15].就降水形态而言，林冠对降雪与降雨的截留过程大致相同，但其储存方式却不同。一般认为，同一林冠层对降雪的截留作用要大于降雨[20].

　　林冠截留主要受林分特点（ 如树种、林冠结构、郁闭度等） 和环境因素（ 如降水频率、降水强度、降水历时等） 的共同影响。林冠截留模型的建立与应用是估算和评价林冠截留特征的有效途径[21].已有研究推导出林冠截留的半理论模型[22]、理论模型[23]和经验模型[24],如莱因斯利模型、西里米截留模型等[25].随着建模技术的不断发展和研究手段的不断改进，新模型不断涌现，其适用范围也在不断扩大。

　　例如，Domingo 等[26]改进了 Rutter 模型，并将其应用到半干旱地区的灌丛截留规律研究。Mo 等[27]根据冠层吸湿后光反射特性的变化，利用遥感影像技术研究了林冠截留状况，为今后在大尺度下的林冠截留研究提供了新的方法。

　　2. 1. 2 树干茎流树干茎流量占降雨总量的比例较小，一般在 0 ~5%[28 -29],但在研究降水对森林生态系统养分循环的作用、可溶性物质淋溶及森林对水质的影响中具有重要意义[30 -32],所以在森林生态系统中树干茎流具有重要的生态学意义。树叶形状与大小、叶柄粗细与长短、树枝分枝角度、树皮粗糙程度以及树干直立程度等因子都可能会影响到树干茎流[33 -35].

　　一般而言，降水量较小时不会产生树干茎流，因为降水可能全部被林冠层所截留。陈祥伟等[36]研究发现，林外降雨量小于 2 mm 时红松林内几乎不产生树干茎流。对于杉木林[37]而言，10 mm 以下的降水难以形成树干茎流； 当降水量达 15 ~20 mm 时，树干茎流量所占比例为 0. 2%; 当降水量达到 40 mm 时，树干茎流量所占比例为 0. 6%.周国逸[37]研究发现，马占相思林的树干茎流量较大，当降水量达到0. 6 mm 左右时就能观测到树干茎流。

　　在对树干茎流的模拟试验中，范世香等[38]发现，降水强度对树干茎流量的影响不明显，但降雨量的影响较大。Aboal 等[39]认为，树皮粗糙程度、树枝分枝角度以及叶片大小是造成不同树种间树干茎流量差异的主要原因。

　　2. 2 林下灌草的截留效应

　　林下灌草能够截留一定量的降水，同时缓解降水对地表的冲击[40 -41].林下灌草往往个体小、种类多、冠形多种多样，所以准确测定其降水截留量和截留规律比较困难； 再则，与林冠的截留作用相比，林下灌草的重要性也比较小[37]; 所以目前有关林下灌草对降水生态效应的研究比较少，且无统一的研究方法[42].

　　但从有限的资料看，林下灌草对降水的截留量与其盖度呈显着正相关关系，与林分郁闭度呈显着负相关关系[43].总体而言，林下灌草对降水的截留量约为林冠截留量的 1/10[44].

　　2. 3 凋落物层的截留效应

　　凋落物层作为森林生态系统中独特的结构层次，不仅对森林土壤发育和改良具有重要意义，而且在降水过程中具有良好的缓冲作用。凋落物层结构疏松、持水能力强，可以避免雨滴对土壤的直接冲击和侵蚀，也可以吸收和贮存大量水分，减少地表径流的产生，具有保持水土、涵养水源的作用。

　　凋落物层对降水的截留与贮蓄作用取决于凋落物的现存量及其性质。凋落物的现存量决定于凋落物的生产力和分解速率，而凋落物的持水能力通常与其成分、分解程度、含水量以及林外降水特征等密切相关[45].森林凋落物层的最大持水量一般是其干量的 2 ~5 倍，换算为降水量则为 0. 70 ~ 7. 12 mm[44].周晓峰等[46]研究发现，蒙古栎林经疏伐后林分郁闭度从 0. 95 降低到 0. 6 时，凋落物量从 6. 79 t/hm2减少到 5. 82 t/hm2,凋落物最大持水量从 2. 2 mm 降到1. 9 mm; 在皆伐地，凋落物量和最大持水量则降低到2. 73 t / hm2和 0. 9 mm.吴钦孝等[47]观测发现，山杨林凋落物对降水的截留量占大气降水的 7% 左右，而油松林凋落物对降水的截留量占大气降水的 12% 左右，所以不同林分凋落物对降水的截留效应并不相同。凋落物层吸持水分的重要意义还在于其对有机物的分解与养分的供应上。A. Tietema 等研究[48]表明，凋落物层的矿化速率与其含水量呈正相关。

　　目前对凋落物的截留总量研究得较多[49 -52],而对截留动态过程研究得较少，深入了解凋落物的截留动态过程是正确评价森林水源涵养与水土保持效应的重要前提。因此，今后有必要加强对凋落物截留过程的研究，以为正确评价森林的水文效应提供依据。