王安可，周 洲，林上平，杜旭華，畢毓芳，郭 帆，王玉魁*

(1.國家林業(yè)和草原局竹子研究開發(fā)中心，浙江 杭州 310012; 2.浙江杭嘉湖平原森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，浙江 杭州 310012; 3.龍泉市道太鄉(xiāng)林業(yè)工作站，浙江 麗水 323700)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，具有巨大的水源涵養(yǎng)功能。森林垂直結(jié)構(gòu)包括林冠、灌木、草本、枯落物和地被物等。森林通過不同結(jié)構(gòu)層截留、蒸散以及徑流等途徑分流大氣降水。不同的森林結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致森林水文的多樣性，其涵養(yǎng)水源功能在各層次有不同的體現(xiàn)[1]。

中國是竹子經(jīng)營大國，竹林面積居世界首位，特別是毛竹(Phyllostachysedulis)在經(jīng)濟社會發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，同時在生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的重要作用日顯突出。毛竹是我國南方重要的森林資源，毛竹林涵養(yǎng)水源、保持水土、減少地表徑流的水文生態(tài)效應(yīng)逐漸被認可，但有關(guān)其水文過程及機理研究報道較少。研究以毛竹林為對象，在綜合評述相關(guān)研究成果基礎(chǔ)上，對毛竹林內(nèi)降水再分配及其水文效應(yīng)進行分析，旨在為優(yōu)化毛竹生態(tài)經(jīng)濟型栽培提供參考。

1 降水在毛竹林內(nèi)的分配

1.1 林冠截留

毛竹林內(nèi)的雨水，一部分直接進入林地，但有相當一部分首先滴落在毛竹葉、枝、稈表面，在表面張力和重力共同作用下被吸附，或積蓄在枝、葉的分叉處被保留[2]。被保留的雨水一部分通過蒸發(fā)回到大氣中，另一部分隨著降雨的持續(xù)，保留雨量不斷增加，當其達到一定數(shù)量時，表面張力與重力失去平衡，其中一部分自然地或由于風(fēng)的吹動滴下，或從竹葉轉(zhuǎn)移到枝、從枝再轉(zhuǎn)移到竹稈再流到地面。直接從枝葉滴落的雨量稱之為林冠滴雨量(drip)，通過轉(zhuǎn)移流到地面的雨量稱之為莖流雨量(stem flow)[3]。莖流雨量隨降水量的增大而增加，少量降水一般不會產(chǎn)生樹干莖流。陣雨停止后，毛竹林冠上保留的雨水會逐漸蒸發(fā)。降落到竹林中的雨滴還有一部分未接觸樹體而直接穿過林冠間隙落到竹林下，這一部分雨量稱為林冠通過雨量(throughfall)或稱穿透雨量[4]。林冠滴雨量與通過雨量之和稱其為林內(nèi)雨量[5]。

在降雨持續(xù)期間，毛竹林冠上空的降雨量稱之為林外雨量，從中減去林內(nèi)雨量和莖流雨量，剩余部分即為該時段降雨從毛竹樹體表面通過蒸發(fā)返回到大氣中的雨量和降雨終止時毛竹樹體表面還保留的雨量，通常稱這部分雨量為該時段毛竹林冠截留雨量(crown interception)，或簡稱截留量[6]。截留雨量所占林外雨量的百分比為林冠截留率[7]。截留量一般隨著林外雨量的增加而增大，而截留率則隨林外雨量的增加而減小[8]。相關(guān)測試表明[9]，當一次性降水量<12 mm，降水強度≥1 mm·h-1時，大氣降水在林冠層的截留量僅為降水強度<1 mm·h-1時林冠截留量的76.34%，且后者林冠截留率高出前者的27.78%。由此可見，相同或相近的降水量，對毛竹林分林冠截留量亦有較大差異。此外，對于歷時較長的降水，林冠蒸發(fā)量較大，而對于歷時較短的降水，林冠蒸發(fā)量較小?？梢娊邓畯姸仍酱?，林冠截留量及截留率越小。毛竹林冠截留作用隨其林分立竹度及葉面積指數(shù)的增加而增大，林分立竹度及葉面積指數(shù)的增加使得林分截留降水的枝葉表面積及截留水的蒸發(fā)面積得到提高。此外，降水前林冠濕潤程度及立竹分布均勻度等因子對毛竹林分林冠截留亦有影響。毛竹在其樹體表面(主要是林冠)所保留的雨量中，尚有一部分被吸收到樹體內(nèi)，但這部分占比很小[10]。

我國毛竹主要分布區(qū)域也會出現(xiàn)降雪。毛竹對降雪的截留情形類似于降雨。當雪片積留在毛竹林冠上時，通常會形成冠雪，冠雪量的一部分會通過雪面蒸發(fā)返回到大氣中；隨著降雪持續(xù)，冠雪量增加，毛竹林冠變形，當達到其承載極限時，冠雪的一部分從林冠上滑落。此外，冠雪形成融雪水也可能從竹稈流下。降雪時有部分雪片也能從樹冠間隙直接飄落到林地內(nèi)。所以，對毛竹及時鉤梢，能夠增強其抗雪壓、冰凍和風(fēng)害的能力。

從林外降雨和林冠截留過程來看，林內(nèi)雨量隨林外雨量的增加而增加，但在一次性降雨量很小時，林內(nèi)雨量的增加最初緩慢，而后增加較快。林內(nèi)雨量對于林外雨量的比率，在低雨量時隨林外雨量的增加而增加，但達到高雨量級時，逐漸趨于穩(wěn)定。王艷紅等[11]研究了不同森林類型林冠截留的月動態(tài)變化及林冠截留的水文生態(tài)效應(yīng)，7種不同森林類型林冠截留量的變幅從大到小的排序為：麻竹(Dendrocalamuslatifloeu)>馬占相思(Acaciamangium)>桉樹(Eucalyptuswetarensis)>勃氏甜龍竹(Dendrocalamusbrandisii)>混交林>毛竹>紅竹(Phyllostachysiridescens)。林冠截留量從大到小的排序為：麻竹(100.5 mm)>馬占相思(62.4 mm)>勃氏甜龍竹(48.4 mm)>混交林(48.3 mm)>紅竹(26.4 mm)>桉樹(23.0 mm)>毛竹(10.1 mm)。林冠截留率從大到小依次排序為：麻竹(18.70%)>馬占相思(11.80%)>桉樹(8.56%)>勃氏甜龍竹(8.41%)>混交林(8.07%)>毛竹(7.42%)>紅竹(4.10%)。林冠層作為截留降水的第一作用層，對阻擋雨水侵蝕，減小雨滴的濺蝕等具有重要作用。但是，毛竹純林的截留量和截留率與其它不同類型的森林相比優(yōu)勢并不明顯[12]。

1.2 林下植被截留

降雨穿過毛竹林冠或從林冠滴下的雨水，一部分與林冠下的灌木或草叢接觸，會出現(xiàn)與林冠截留類似的截留效果，降雪在融化時也有類似的現(xiàn)象。但是，由于毛竹林下灌木和草叢通常很少，往往不能形成完整的冠層結(jié)構(gòu)，截留量很小。特別是集約經(jīng)營的毛竹林，林下幾乎沒有灌木或草叢，雨水直接下落地面，存在水土流失隱患。

1.3 林下枯枝落葉層截留

經(jīng)過林冠、林下灌木和草叢截留之后，漏下的雨水一部分被枯枝落葉層吸附，這部分雨量稱之為林地枯枝落葉層截留雨量(litter interception)[13]?？萋湮飳涌蓽p輕雨水對地面直接沖擊和對土壤孔隙的堵塞，有效增加或保持林地的下滲容量?？萋湮飳铀春B(yǎng)能力受林分樹種組成、林齡、立地條件和經(jīng)營措施等的綜合影響[14-15]?？萋湮飳幽軌蛭障喈斢谧陨碣|(zhì)量2-4倍的水分，并能夠有效延緩徑流產(chǎn)生和發(fā)生頻次。有研究表明[16]，竹闊混交林(郁閉度0.9，6竹4闊，密度2 300株·hm-2，灌木草本蓋度0.9，枯落物層厚度2～3 cm；木荷(Schimasuperba)葉與毛竹葉、籜和枝，枯落物烘干質(zhì)量9 989.6 kg·hm-2)的枯落物量明顯高于毛竹純林(郁閉度0.85，10竹，密度3 440株·hm-2，灌木草本蓋度0，枯落物層厚度1 cm；毛竹葉、籜和枝，枯落物烘干質(zhì)量1 369.7 kg·hm-2)，枯落物烘干質(zhì)量是毛竹純林的7.2倍。常綠闊葉林(楓香(Liquidambarformosana)、苦楠(Phoebezhennan)、青岡(Quercusglauca)和老鼠矢(Symplocosstellaris)，30～45年)是竹闊混交林的1.95倍，是毛竹純林的14.20倍。由此可見，竹闊混交林枯落物數(shù)量顯著高于毛竹純林，常綠闊葉林無論在枯落物層厚度方面，還是在其烘干質(zhì)量方面都極顯著高于不同結(jié)構(gòu)的毛竹純林。

同時研究人員還認為，枯落物持水過程可分為2個階段：階段Ⅰ(0～8 h)和階段Ⅱ(8～24 h)。不同林分的枯落物在階段Ⅰ，其持水量約占飽和持水量(24 h)的23.85%～30.39%，枯落物持水量隨浸泡時間延長而增加，6～8 h后基本趨于穩(wěn)定。在浸泡2～8 h后，毛竹純林枯落物持水率是竹闊混交林的1/3～1/8。階段Ⅱ，各林分枯落物在不同時段的持水量表現(xiàn)出相似規(guī)律，即在8～12 h呈現(xiàn)下降趨勢，12 h后各時段枯落物持水量又有所回升至24 h達到飽和。不同類型林分林地枯落物存量變動很大[17]，通常封山育林后的常綠闊葉林最大，竹闊混交林次之，毛竹純林最小。不同類型林分枯落物對降水的攔蓄能力排序為：常綠闊葉林>竹闊混交林>毛竹純林。由此可見，竹闊混交林的水文生態(tài)效應(yīng)優(yōu)于毛竹純林而次于常綠闊葉林。

1.4 下滲與滲透

降落到毛竹林地的雨水或融雪水，大部分會通過土壤孔隙滲入到土壤層中，下滲強弱取決于土壤層的孔隙度。毛竹林地下鞭根系統(tǒng)包括竹林根系和鞭系(散生竹和混生竹)，竹株根系由支撐根(竹根)及其各級支根組成，鞭系則由橫走地下、相互連接的竹鞭(地下莖)以及鞭根和各級支根組成。竹林鞭根系統(tǒng)包括竹稈的地下部分，即稈基和稈柄[18]。由于毛竹根系(根鞭)與土壤之間形成管狀的粗大孔隙，加之昆蟲活動和土壤有機質(zhì)等改變了土壤結(jié)構(gòu)，使竹林地土壤層孔隙度增加。毛竹根系分布通常在0～70 cm左右(有時深達1 m)。毛竹根系含量、不同徑級根系長度和體積所占比例隨土層深入逐漸減小，0～40 cm土層中集中了80%以上的根系[19]。在一定降水條件下，土壤水分含量受土壤結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響。范少輝等[20]研究了1 200，1 800，2 400和3 000 株·hm-24個密度下毛竹純林的土壤物理性質(zhì)，結(jié)果表明，在相同密度下毛竹林土壤密度隨土層深度的增加而增大，且土壤總孔隙度隨土層深度增加而減小。土壤含水率和總孔隙度均以2 400株·hm-2竹林密度情況下最大。由此可見，立竹密度會直接影響到林地土壤持水量及水分平衡。

滲入的水分通過土層、土壤母質(zhì)層的孔隙、基巖風(fēng)化層的間隙移動，這種移動由重力、毛管引力和下滲壓引起。下滲水在土層中的移動稱之為滲透(percolation)或滲漏。在單位時間內(nèi)透過單位面積的地中水(淺層地下水)稱之為滲透率(percolation rate)或滲透強度。滲透率隨上部土層的下滲強度和地層的性質(zhì)而變化，在某個地層所能達到的最大滲透強度稱為滲透能。在降水初期，下滲水主要依靠重力作用向下滲透，之后進入與粗大孔隙相連接的粗孔隙，由于毛管力的作用再進入細孔隙，并逐漸向四周擴散。在非毛管孔隙量發(fā)生變化的土層分界面附近，會出現(xiàn)重力水沿傾斜面方向滲透。如果下層存在不透水層，上層的橫向滲透會特別明顯。因此在各層中間如果存在粗大孔隙，也可能透過這種孔隙形成斜向的線狀滲透。因此，坡度是決定毛竹林地產(chǎn)生徑流的決定性因素之一。

2 毛竹林水量平衡

毛竹林主要水分收入為大氣降水，水分支出主要為蒸散、土壤蓄水和徑流。其中，蒸散是竹林分水量輸出的最大項，地表徑流支出水量較小[21]。在毛竹林自然分布(或栽培)區(qū)，2-3月份和8-l0月份，會出現(xiàn)蒸散量大于降水量的情形。劉廣路等[22]通過對閩北地區(qū)毛竹林水分平衡動態(tài)研究驗證了蒸散水量是毛竹林水量輸出的最大項(約占降水量的97.69%～99.12%)，而地表徑流為支出水量最小項(僅為0.52%～1.11%)。2月份是毛竹冬筍生長的關(guān)鍵時期，10月是毛竹孕筍的關(guān)鍵時期。因此，在干旱季節(jié)及時補水對竹林的生長更為有利。

3 毛竹林徑流與土壤侵蝕

毛竹對林地地表徑流產(chǎn)生和土壤侵蝕具有一定的抑制作用。但在毛竹分布區(qū)4月份雨量相對充沛，期間是集中挖春筍季節(jié)，對林地擾動較大，土壤疏松容易形成地表徑流。5-6月份當新竹形成后，對林地施肥(溝施、塊狀穴施等)、9-10月墾復(fù)施肥以及11-l2月進行撫育割灌、伐竹等，一定程度上改變了土壤結(jié)構(gòu)。耕作雖然對徑流產(chǎn)生的影響不顯著，但加重了對表層土壤擾動，會增加對土壤沖刷的風(fēng)險[23]。在遇到季節(jié)性降雨和極端天氣事件(臺風(fēng)、干旱、暴雨等)時，會增大林地土壤侵蝕和造成水土流失[24]。徑流所產(chǎn)生的水土流失與林地坡度、植被和枯枝落葉覆蓋度及土壤結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[25]，同時與林內(nèi)降水特征有關(guān)。

4 討論

林冠截留是一個復(fù)雜的過程，截留量的大小不僅受林冠層特征因素的影響，而且受降水特征(如降水量、降水強度等)的影響[26-27]。一般情況下，降水量是影響林冠截留的主導(dǎo)因素[28]。毛竹林冠層中大部分枝葉較小且易擺動，可以托起毛毛細雨，但遇到急雨的沖擊時，枝葉晃動，存留在枝葉表面的截留水很容易下落。毛竹林冠層對降水截留作用往往小于闊葉林；此外，因毛竹枝稈表面光滑且披有堅硬的硅質(zhì)蠟層，因而大大降低了其林冠的蓄水能力。毛竹林冠截留作用的意義在于其阻止了雨水直接降落到地表，使得降水到達地面的數(shù)量有所減少，時間延遲，降水能量有所減弱，起到一定的緩沖作用，從而使得地表徑流形成的次數(shù)和徑流量相對減少，速度減緩。同時，有利于雨水的滲透和貯存以滿足毛竹生物個體的代謝活動及速生需要[29]。

通常在一定的降水量范圍內(nèi)，毛竹林冠截留量隨降水量的增加而增加。降水量較小時，林冠截留量隨著降水量的增加而增加；降水量較大時，林冠截留量隨著降水量的增加其增加量逐漸趨緩，最終達到飽而趨于一個定值。毛竹林冠截留后的水分蒸發(fā)量占比很小。

當降雨強度超過入滲速率時，有可能發(fā)生地表徑流，即便如此，只有地表積存雨水達到一定數(shù)量時才能溢出成為徑流。地形的陡緩和土壤表面平整程度對徑流產(chǎn)生起關(guān)鍵作用。

5 結(jié)論

(1)大氣降水進入毛竹林后，由于毛竹林四季常綠，林冠茂密，毛竹的葉、枝和稈均可以截留一定量的雨水，當被截留的雨水再次降落時，其降落速度和強度均有所減弱，從而緩解了大氣降水對土壤的直接濺蝕、沖刷，從而降低了產(chǎn)生地表徑流的機率，并起到涵養(yǎng)水源的功效。

(2)毛竹純林的截留量和截留率與其它不同類型的森林相比優(yōu)勢并不明顯。特別是集約經(jīng)營的毛竹純林，林下幾乎沒有灌木或草叢，枯落物積存量少，雨水直接下落地面，存在水土流失隱患。竹闊混交林枯落物數(shù)量顯著高于毛竹純林，常綠闊葉林枯落物層厚度和烘干質(zhì)量均顯著高于不同結(jié)構(gòu)的毛竹純林，具有較強的蓄水能力，其水文生態(tài)效應(yīng)優(yōu)于毛竹純林。因此，毛竹林經(jīng)營應(yīng)考慮竹闊樹種的適度混交。

(3)坡度是決定毛竹林地產(chǎn)生徑流的決定性因素之一。徑流所產(chǎn)生的水土流失與林地坡度、植被、枯枝落葉覆蓋度、土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)及孔隙度密切相關(guān)；立竹密度會直接影響林地土壤持水量及水分平衡。根據(jù)不同立地條件，確定適宜的立竹密度和營造竹闊混交林，是構(gòu)建毛竹生態(tài)經(jīng)濟型栽培經(jīng)營體系的關(guān)鍵。在毛竹林經(jīng)營過程中注意保護林下灌叢植被是減輕水土流失的重要措施。