许多学者研究了林冠对降水的截留过程。崔启武(2004)研究过林冠截留作用。谢春华等(2002)、卫正新等(1997)探讨了不同林分林冠截留降雨特征。周光益等(1995)、陈云珍等(2005)分析过影响林冠截留的因素。与此同时，文仕知等(1999)就杉木林生态系统水文效益分析林冠截留的作用。李振新等(2004)研究了林冠截留下林下穿透雨的空间分布特征。周跃等(1999)指出林冠截留对土壤有保护作用。鲍文等(2004)分析了森林植被对降水化学性质的影响作用。此外，还有人对林冠截留物理模型和数学规律进行研究(王彦辉等，1999；孔繁智，1990)。然而，他们大都只进行林冠截留过程的物理分析和截留量与截留率的探讨，很少涉及林冠截留的水分在森林生态系统中的运转、能量平衡、营养物质循环和改善环境的功能过程。本文根据4年连续观测的数据，对第2代杉木人工林林冠截留在杉木人工林水分运转和物质循环中的作用进行探讨，以便更清楚地认识森林冠层在森林生态系统结构和功能过程中的作用，同时为森林生态系统服务功能评价提供依据。

1 试验地概况

研究在国家重点野外科学观测站——中南林业科技大学会同生态站第3集水区内进行。生态站位于湖南省会同县广坪镇深冲林场(26°50′ N，109°45′ E)，年均气温16.9 ℃，年降水量1 300~1 600 mm(1999—2002)，相对湿度80%以上，属典型亚热带湿润气候。海拔270~400 m，地貌为低山丘陵，土壤为山地黄壤。

第3集水区原为杉木(Cunninghamia lanceolata)纯林，于1987年冬季皆伐，1988年采伐迹地全垦挖穴营造第2代杉木林，密度2 400株·hm^-2。到2000年，林分平均树高11.6 m，平均胸径11.5 cm，林分郁闭度0.9左右。

2 研究方法

本研究利用会同生态站1999至2002年定位连续测定数据进行分析。

在集水区山坡和山洼建立观测铁塔(高于林冠)，每座铁塔上安置一台SL—I型遥测雨量计和标准雨量筒测定大气降水。

在集水区山坡和山洼分别设计2个18~20 m²的穿透水承接装置，用SW—40型日记水位计自动测定穿过林冠层的水量。

采用聚乙烯塑料管蛇行缠绕于树干基部，其下端插入1个特制的瓷罐，测定树干流，另将10株杉木为一组，将所有导管插入SL-I型遥测雨量计自动记录。

在集水区出口的地表、地下水测流堰口安装SW40型日记水位计自动记录地表和地下水并推算出地表和地下径流量。

林冠的截留雨量通过测定的大气降水减去测定的穿透水和树干流求得。

森林蒸散量应用水量平衡求出，并假设系统内林分和空气蓄水变化量为零，然后采用水量平衡方程计算出杉木人工林的蒸散量：

式中：E、P、F₁、F₂、F₃分别为蒸散量、降雨量、地表径流量、地下径流量和土壤蓄水变化量。

根据不同气候、天气、雨量，不定期收集了46次大气降水、穿透水、树干流、地表水、地下水样品，用纳氏试剂比色法测定NH₄⁺-N含量；用酚二磺酸比色法测定NO₃^--N；用蒸馏比色法测定Organic-N含量；用钼兰比色法测定P含量；用3510原子吸收分光光度计测定K、Ca、Mg含量。

3 结果与分析 3.1 林冠对大气降水的截留

林冠对大气降水的截留，是林冠层对降水的一种反应，是森林水文效应重要组成部分，也是森林结构的功能。因此，对杉木人工林林冠截留动态和规律进行系统分析，有助于加深了解森林冠层对生态系统水分循环和运转过程的功能作用。

369次实测数据(表 1)表明，林冠的截留作用随降雨量级的不同而变化。一次性降水在0.5 mm以下时，能截留全部降水量，截留率为100%；雨量在4.9 mm时，截留量2.1 mm，截留率为42.9%；雨量增大到23.8 mm，截留量增加到3.9 mm，截留率反而减少，只有16.4%。截留量随降雨量增大而增大，但它们不是线性相关，截留率却随降水量增加而减少。林冠对降水的截留量有一个极限值，截留量接近这个极限值以后，降水量增加，截留量不再增加。实际情况中，一次性降水不可能无限大，因此，无法测得集水区杉木人工林林冠截留的极限值。根据3次在100 mm左右降水中实测的截留量(6.1、6.2和6.1 mm)推断，一个郁闭度在0.9左右的杉木林林分，林冠层截留大气降水的极限值可能在7 mm左右。

林冠的截留能力也随降水强度不同而不同。1999年6月有2次降雨：一次降雨量32.9 mm，历时6 h，截留量3.8 mm；另一次降雨31.6 mm，历时9 h，截留量为4.7 mm。后者的截留量是前者的123.7%，截留率也大3.2%。对于强度大的阵性降雨，一方面由于雨粒的冲击力较大，造成枝叶摇晃，停留在枝叶表面的水滴容易往下滴，削弱了林冠截留的功能。另一方面降雨历时短，林冠截留作用表现的时间也较短，截留的雨量也相应较少。毛毛细雨，历时较长，截留作用得到充分发挥，因而增加了截留量。对不同雨强下林冠截留作用时间进行分析，当降雨量为2.5 mm·h^-1时，林冠对雨水的截留作用达40 h之久。在此以后，林冠将失去截留功能。当降雨量为17.5 mm·h^-1时，起作用时间大为缩短，只有5. 8 h。林冠的截留作用也受枝叶湿润状况的影响。截留量的大小与距前次降水的时间间隔相关，相隔时间越长，截留能力越大，时间越短，截留功能越小。2001年5—6月，对降水为15 ~20 mm的几次降雨研究发现，若降水与前次降水时间相隔4 h，截留量为1.8 mm，相隔10 ~13 h，截留量2.9 mm，相隔1 d以上截留量增加到3.7 mm，可见雨前枝叶越湿润，截留能力越弱。

从表 2可以看出，集水区杉木人工林林冠截留的年变化主要由降雨性质决定，每年1、2、11和12月中雨天虽多，但以小雨为主，林冠截留能力得到充分表现，截留率增大，截留量大都超过降雨量的30%。5和6月雨量多，降雨频率和强度都比较大，林冠常处于湿润状态，林冠截留能力降低，截留率只有15%左右。

林冠的截留对森林“有效水量”和水文效应过程的影响是深刻的，小集水区杉木人工林林冠每年截留水量267.0 mm，截留率为18.97%。

3.2 林冠截留水分的物理蒸发

集水区杉木人工林水量支出的主要方式有径流和蒸散两种形式。根据水量平衡原理，得出集水区杉木人工林年均蒸散量为983.4 mm，集水区降水量的69.9%以水蒸汽的形式返回大气中(表 3)。

在集水区杉木人工林蒸发散过程中，林冠截留物理蒸发量为267.0 mm，占全年蒸散量的27.2%。可见林冠截留的物理蒸发量是杉木人工林蒸散量的一个重要组成部分，也是杉木人工林中水分支出的一个重要组成部分。以往人们早就认识到林冠对雨水的截留以及林冠表面水量分配的水文效应的重要性，却忽略了林冠截留的物理蒸发在水量平衡的另一个环节中的重要作用，即在森林蒸散过程中的作用。一般来说，密集的森林林冠截留蒸散量大都占总蒸散量10%以上，尤其是常绿针叶林中的蒸发散量有20%~30%是由林冠截留雨量的物理蒸发提供的。这提醒人们，在计算蒸散量时，那种用林木的蒸腾量来代替林分的蒸散量，或者忽略了林冠截留水分的物理蒸发量的蒸散量来代替森林蒸散量的方法是不确切的。

从每月林冠截留水分的物理蒸发量与月总蒸发量的比值来看(表 3)，1—4月和10—12月总蒸散量为326.4 mm，而林冠截留的物理蒸发量就有142.6 mm，占该时期蒸发散量的43.7%。其中2—3月最高，超过了蒸散量的50%。即使比值最小的月份(7、8月)，林冠截留的物理蒸发量仍占总蒸散量的11%以上。林冠截留的物理蒸发在集水区杉木林蒸散过程的作用是巨大的，这种作用尤其在雨量较小、降雨均匀的1、2、11和12月更加显著。

3.3 林冠截留对营养物质输入的影响

大气降水投入集水区就遇到了林冠层的截留，林冠截留部分降水，没有被截留的水量以穿透水和树干茎流形式进入林内。在其过程中，雨水对树干、枝叶的淋溶和冲洗作用，以及枝叶对于某些营养物质的吸收，改变了穿透水和树干茎流中某些物质的浓度。

根据小集水区杉木人工林的水文过程和营养动态分析：每年伴随着大气降水输入的营养物质63.924 kg·hm^-2(表 4)。其中Ca最多，K次之，分别为28. 366和19.445 kg·hm^-2，分别占大气降水的44.4%和30.4%。降水中P含量最少，只有0.253 kg·hm^-2，只有输入总量的0.4%。

从表 4看出，每年伴随穿透水和树干流入林内的营养物质量为1 43.329 kg·hm^-2(包括树干流)，比大气降水63.924 kg·hm^-2还多79.405 kg·hm^-2，增加117.2%。其中N(包括NH_-4⁺-N、NO₃⁺-H和Organic-N)、P、K、Ca、Mg分别增加6.397、0.533、6.895、54.605、10.795 kg·hm^-2。增加的比率以Mg最高，为783%；Ca次之，为281%；P为211%；N为44.2%；K增加最少，为24.3%。由于雨水对枝叶和树干的淋溶作用，进入林内的雨水的营养化学发生了富集变化。

集水区杉木人工林的营养物质主要来源为地质和大气输入。我们知道，母岩的风化要近百年乃至几个世纪。因此，短时间内的营养物质主要来自大气。大气中的尘降含有较多的营养物质，这些干尘降大部分被林冠截留。大气降水时，大气中的营养物质伴随降水输入森林内部，同时通过大气降水对冠层的淋溶，将冠层截留干尘降中的营养物质也带入了森林生态系统。

3.4 林冠截留对营养物质输出的影响

集水区杉木人工林营养物质的输出，主要是通过径流进行的(砍伐木材运出的营养物质除外)。无可非议，营养物质的输出取决于径流量，而径流的形成与地表枯枝落叶的拦截、土壤物理结构、渗透和蓄水的性能紧密相关。然而，形成径流的一个最基本的条件是必须有水。集水区的唯一水分来源为大气降水。林冠截留了部分降水，也就减少了到达林地和入渗土壤的水量，也必然影响径流的形成及其大小，进而影响了伴随径流输出的营养物质量。

连续4年径流测定结果表明(表 5)，集水区年均径流量423.5 mm(径流系数0.301)，地下水输出量为394.0 mm(径流系数0.280)，地表径流很小，只有29.5 mm(径流系数0.02 1)。每年伴随地表径流损失的营养物质为3.919 kg·hm^-2，被地下水带走的也有40.667 kg·hm^-2，共计44.586 kg·hm^-2，分别为大气降水和林内净降水中的69.7%和31.1%。这种径流和营养物质的输出量，是在林冠截留26 7.0 mm水量后产生的。

如果没有林冠截留，到达林地的水量将增加267.0 mm，这部分水量若都形成地表径流，集水区营养物质的损失将增加35.470 kg·hm^-2，是林冠截留后的营养物质输出量的1.80倍。这部分水量若按集水区现在的径流格式分配, 地表径流将增加18.6 mm，地下径流将增加248.4 mm，由此比林冠截留后多流失营养物质28.110 kg ·hm^-2。若按现在的降水量支出分配，这部分水量70%用于蒸发散，30%用于产生径流，并以目前集水区地表、地下径流比例分配，流量将增加到503.6 mm，其中地下水增加74.5 mm，地表水增加5.6 mm。每年的营养物质输出量也将增加8.644 kg·hm^-2。

从上面的分析可以看出，林冠的截留能减少到达林地表面和入渗土壤的水量，也就减少了地表水和土壤渗透水的流出。由于地表水和土壤渗透水中的营养物质含量高，减少地表水和土壤渗透水的输出，也就意味着减少了营养物质的损失。

我们也可以从另外一个角度分析，集水区水分的输出主要有蒸散和径流2种形式。水以气态形式逸散，并没有丢失任何营养物质，失去的仅仅只有水分。林冠截留的作用，使大气降水中一部分水量以气态形式蒸发，减少了到达林地的水量，也就减少了径流量，同时也减少了营养物质的流失量。从这个意义上来讲，林冠截留作用是森林生态系统营养物质保存的一个重要机制。

4 结语和讨论

小集水区杉木人工林林冠每年截留的水量为267.0 mm，截留率18.97%。林冠截留的水量不仅受冠层湿润程度和降雨时间等气象条件的影响，而且与降水量大小、降雨强度、降水历时以及林冠特征有关。在一次性降水中，林冠的截留能力不是无限的，林冠截留量的变化率随降水量的增加呈指数衰减，直至截留量趋近于常量。我们研究的杉木人工林(密度为2 400株·hm^-2，平均树高11.5 m，平均胸径11.6 cm，郁闭度0.9)的林冠截留极限值约7 mm。

集水区每年林冠截留蒸发量267.0 mm，占杉木人工林总蒸散量的27.2%。尤其在降雨均匀(雨量雨强都不大)的1、2、11和12月，林冠截留蒸发量占同期总蒸散量的40%以上。在计算森林蒸散量时，那种用森林蒸腾量来代替蒸散量，或者用忽略林冠截留的物理蒸发量的蒸散量来代替森林的蒸散量都是不确切的。

集水区水分以径流和蒸散的形式输出系统。林冠截留水分蒸发量就占集水区输出水分的18. 97%。可见，林冠截留水分物理蒸发是集水区水分输出的一个重要途径。

林冠对降雨的截留，增大了雨水对枝叶、树干的淋溶和冲洗作用。改变了穿透水和树干茎流中某些物质的浓度，形成了营养物质浓度与大气降水中不同的林冠到林地的营养物质流。穿透林冠和沿树干流入林内的水流中，营养物质总量为143.329 kg·hm ^-2a^-1，比大气降水的63.924 kg·hm^-2a^-1多79.405 kg·hm ^-2a^-1，增加117.2%。

林冠截留作用对于森林生态系统营养物质输出的影响是深刻的。林冠截留减少了到达林地的雨水量，同时也减少了伴随径流输出的营养物质量。另一方面，林冠截留使水分以气态形式逸散，不会损失任何营养物质，从这个意义来讲，林冠截留作用是森林生态系统营养物质保存的一个重要机制。