森林和水是森林生态系统的重要组分，而林冠对降水的再分配功能是森林生态系统水文生态功能之一，具有重要的水文生态意义(邓世宗等，1990；周光益，1997)。穿透雨、树干流和林冠截留在森林生态系统的水文循环和水量平衡中占有极其重要的地位(刘世海等，2005；Van et al., 2001；Domingo et al., 1994；Gómez et al., 2001)。森林的存在引起生态系统内降雨时间和空间分布的变化，同时森林管理措施和土地利用类型的转变，也将会对林地水文过程及其流域水资源利用产生显著性的影响(Stednick，1996；Sun et al., 2002；Aboal et al., 1999)。所以关于森林水文作用的研究已成为森林生态学，森林水文学以及水资源利用等研究中的重要组成部分(Crockford et al., 2000；Dunkerley，2000；王彦辉，2001)。

马尾松(Pinus massoniana)是我国松属树种中分布最广的一种，也是我国亚热带湿润地区典型的针叶乡土树种，马尾松以其适应能力强、耐干旱、耐贫瘠而被广泛用于荒山植树造林，是南方山地丘陵区群落演替的先锋树种，具有较高的经济生态价值(莫江明等，2002；项文化等，2002；武红敢等，1998)。马尾松林的面积和木材蓄积量均占全国针叶林树种的首位，是我国南方最具代表性的森林类型之一(肖祥希，2000)。

虽然对马尾松林林冠水文作用已有较多的研究(唐常源，1992；杨茂瑞，1992；李飞等，1996；莫江明等，2002)，但是关于林冠对降雨再分配在不同雨量和雨强下的变化，以及林下穿透雨空间变化特征等方面，很少深入探讨。所以本文对马尾松林的穿透雨、树干流、截留等水文特征进行定位观测，探讨了马尾松林降雨再分配的变化和影响因素，以及林下水分输入的空间异质性，为马尾松林地水量平衡以及小流域森林水文功能机理研究提供基础数据和理论依据。

1 试验区概况

试验选在湖南红壤区国家长江防护林生态效益监测站内进行，位于湖南省张家界市慈利县(29°30′ N，110°10′ E)，沟口海拔210 m，最高峰917.4 m。母岩主要为板页岩、石灰岩，土壤为山地红壤和黄壤，整个小流域面积为3 km²(李锡泉等，2003)。试验区处于亚热带湿润季风气候区，年均降雨量1 347.0 mm，7—9月降雨量占全年的47.5%，年均气温16.7 ℃，无霜期269 d(张维涛等，1994)。

通过人工造林和封山育林方式，目前该流域主要植被类型有：马尾松林、樟树( Cinnamomum camphora)林、杉木(Cunninghamia lanceolata)林、杜仲(Eucommia ulmoides)人工林、油桐(Vernicia f ordii)人工林以及一些杂灌林，其中防护林占65.2%，用材林占17.3%，经济林占17. 5%(李锡泉等，2003)。

马尾松林样地林龄为25年，土壤为红壤。乔木层盖度90%，平均胸径为9.5 cm，树高为8.2 m，冠幅2.70 m×2.82 m，冠层厚度3~5 m；灌木层盖度15%，以油茶(Camellia oleifera)为主，平均高度1.5 m，冠幅0.77 m×0.71 m；草本盖度为15%，以铁芒萁(Dicranopteris linearis)、淡竹叶(Herba loophatheri)等占优势。

2 研究方法

本试验从2004年7月到2005年9月，在典型马尾松林内布置测量仪器，雨后进行测定。

2.1 林外雨测定

利用小流域原有气象站的虹吸式自记雨量计和自动气象站(WatchDog Model 900ET Weather Stations，Spectrum，U.S.A)测定林外雨。

2.2 林内穿透雨的测定

根据马尾松林冠分布特征，在林下不同位置随机布置自制雨量桶(40个雨量桶，每个桶的截面积为808.9 cm²)，为了避免灌木及草本植物对穿透雨的影响，雨量桶距离地面不低于1 m，雨后测定穿透雨体积(cm³)，然后换算成雨量深(mm)。

2.3 树干流的测定

按马尾松林的径级和数目的多少来划分，共选择代表性植株18株，在树干基部5 0~130 cm处，将剖开的聚乙烯塑料管螺旋状嵌入树干四周，并将其导入下部的容器，收集树干流量。同时按每棵树的林冠投影面积换算成单位面积的树干流量。

2.4 林冠截留量

采用水量平衡法，计算截留量，公式为I=P-(T+S)，式中：I为林冠截留量(mm)；P为林外降雨量(mm)；T为穿透雨量(mm)；S为树干流量(mm)。

2.5 数据分析

使用SPSS 11.0统计软件对数据进行分析。

3 结果与分析 3.1 降雨特征

该流域降雨量的季节分配不均匀(图 1)，降雨主要集中在5—8月，其降雨量达到了888.7 mm，占年降雨量的53.7%。从降雨强度的分级可以看出(图 2)，低降雨强度的降雨次数多，雨量多，而高降雨强度的降雨次数少，雨量相对较少。3.0~4. 0 mm·h^-1雨强的降雨最多，降雨量为415.7 mm，占总降雨量的25.1%；< 4.0 mm·h^-1雨强的降雨次数占总降雨次数的75.0%，降雨量达到了1 235.1 mm，占总降雨量的74.6%。从雨量分级来看(图 3)，< 40.0 mm的降雨出现频率为71.2%，降雨量为700.4 mm，占总降雨量的42.3%；尽管≥90.0 mm降雨出现的频率仅为5.8%，但是其降雨量占总降雨量的27.4%。因此，该流域降雨主要集中于5—8月，以雨强 < 4.0 mm·h^-1 、雨量 < 40.0 mm的降雨为主，但是高降雨强度和大雨量的降雨依然存在。

3.2 穿透雨量

穿透降雨量的大小不仅与林型、林分密度有关，也受大气降雨量及强度的制约(张一平等，2003；Cheng et al., 2002)。从图 4可见，实验期间马尾松林穿透雨量累计最大值出现在5月，最小值出现在12月，2005年5月到8月的穿透降雨量为541. 5 mm，达到总穿透降雨量的52.6%。穿透雨量的月变化与降雨量的变化趋势一致，二者相关性达到了极显著水平(P < 0.001)。马尾松林的穿透雨量(mm)与降雨量(mm)之间存在明显的线性关系(图 5)，方程Y = 0.747 1 X-1.230 6，R² =0.972 4，N=50(Υ为穿透雨量，X为降雨量)。马尾松林穿透雨率也受到降雨强度的影响，基本随雨强的增加而增加(图 6)。

马尾松林下穿透雨具有明显的空间异质性(图 7)。从林冠的内部向外，穿透雨率逐渐减小，而且方差分析也显示，距树干不同距离的穿透雨率具有显著的差异(P < 0.05)。靠近林冠内部的平均穿透雨最高，是外部雨量的1.4倍，而且穿透雨的空间异质性(穿透雨率的变异系数)随着降雨量的增加先升高后降低，在30.0 mm左右的降雨量下，穿透雨空间异质性达到最大，之后随降雨量增加，穿透雨的空间异质性降低，林下穿透雨变化减小(图 8)。

3.3 树干流量

从树干流量的月变化可以看出(图 9)，2005年5月的树干流量最大9.8 mm，2004年1 2月最小0.3 mm，而且2005年5—8月的树干流量占全年树干流量的68.6%。树干流量月变化与降雨量呈显著相关(P < 0.001)。树干流量(mm)与降雨量(mm)存在明显线性关系(图 10)，回归方程：Y= 0.029 1 X-0.141，R² = 0.926 5，N=50 (Y为树干流量，X为降雨量)。树干流率与降雨强度也呈正相关性(r=0.51，P < 0.05)，随着雨强的增加而逐渐升高(图 11)。

为了检测马尾松胸径和冠幅面积对树干流的影响，本研究将每mm降雨的树干流量与2个因子进行了相关分析，结果表明胸径(r=0.81，P < 0.01)和冠幅面积(r =0.87，P < 0.01)均与树干流呈极显著正相关，即树干流随着胸径和冠幅面积的增加而增加(图 12，13)。可能是因为马尾松胸径与冠幅面积呈显著的正相关(r=0.82，P < 0.01)，也就是随胸径的增加，冠幅面积增加，进而提高树干流量。

3.4 林冠截留量

从马尾松截留量的月变化可以看出(图 14)，截留量最大值出现在2005年5月，截留量最小值出现在1月。2005年5—8月马尾松截留量为220.6 mm，占全年截留总量的55.4%。截留量与降雨量相关性达到极显著水平(P < 0.001)，而截留率与降雨量也具有显著的负相关性(P < 0.05)。马尾松截留量与降雨量存在明显线性关系，随着降雨量增加，林冠截留量呈上升趋势(图 15)，但是截留率随着降雨强度的增加而降低(图 16)。

3.5 马尾松林对降雨的再分配

在测定期内(2004年7月到2005年9月)，共测定降雨52场，降雨量达1 841.9 mm。从马尾松林对降雨的再分配状况可以看出(表 1、2)，对于不同雨量级，在降雨量最多的≥ 90.0 mm的雨量级中，穿透雨量(342.0 mm)、穿透率(75.2%)、截留量(101.9 mm)和树干流量(10.8 mm)均达到了最大，但是截留率在最小雨量级中(< 10.0 mm)达到最大(55.0%)，树干流率在60.0~70.0 mm雨量级中到达最大(3.5%)。对于不同的降雨强度(表 2)，在中等雨强(3.0~4.0 mm·h^-1)并且雨量最多(430.7 mm)时，穿透雨量(302. 1 mm)、截留量(117.7 mm)和树干流量(11.0 mm)均达到了最大，这说明降雨量是影响林内雨分配的关键因子。

马尾松林穿透雨率最大值分别出现在高的雨量级(≥90.0 mm)和大的雨强范围(≥9.0 mm·h^-1)内，但是截留率最大值分别出现在小的雨量级(< 10.0 mm)和小的雨强范围(< 1.0 mm·h^-1)内，且随着雨量和雨强级增加而减小；而树干流率最大值分别出现在中等雨量(60.0~70.0 mm)和雨强范围(2.0~3.0 mm·h^-1)内。

4 结论与讨论

1) 本研究结果显示，马尾松林截留量为481.3 mm，树干流量为37.4 mm，分别占同期降雨量的29.0%和2.3%。对马尾松树干流的研究显示，树干流变化较大，一般占同期降雨量的0.2%~4.7%(莫江明等，2002；杨茂瑞，1992；唐常源，1992；李飞等，1996)。对于马尾松的截留，唐常源(1992)和李飞等(1996)研究发现：其截留率均值为20%；但是杨茂瑞(1992)的研究结果显示截留率仅为10.2%。一般不同森林类型的截留率明显不同，林冠平均截留率为21.6%，针叶林树冠截留率大于阔叶林(刘世荣等，1996；马雪华，1993)，其中常绿阔叶林对暴雨的截留率为5%~20%，对于少量的降雨，截留率可以高达5 0%，甚至100%，截留率变化范围为10%~20%(Cheng et al., 2002)，热带山地雨林截留率为14%(陈步峰等，1998；周光益等，1995)，温带针叶林为20% ~ 40%(闫俊华，1999)。刘世荣等(2001)研究长江上游森林植被水文功能时发现，森林林冠截留量与林分郁闭度呈正相关。而本研究中马尾松林林冠截留率较大，这可能与其较高林分郁闭度(90%)以及同期降雨条件有关。

2) 林冠截留受降雨特征、林分类型、林冠特征、雨前林冠的湿润程度、风速、地形等多种因素的影响(巩合德等，2005)，但是对于某一指定林分来讲，林冠截留量主要决定于降雨量(Cheng et al., 2002；蔡体久等，1996；周择福等，2003)。与多数研究结果相似，本研究中马尾松林截留量与降雨量，具有强的相关性，随着降雨量的增加，林冠截留量增加(Cheng et al., 2002；巩合德等，2005；莫江明等，2002；周择福等，2003)。林冠降雨再分配不仅受到降雨量多少的影响，而且也受到降雨强度的影响(张一平等，2003；王彦辉等，1993)。降雨强度与马尾松林穿透雨率呈正相关性，与截留率均呈负相关性，即随着降雨强度的增加，穿透雨率逐渐增加，而截留率逐渐减小。

3) 树干流变化主要取决于降雨特征和林分特征(Aboal et al., 1999；巩合德等，2005；万师强等，2000)。马尾松树干流与降雨量呈明显的线性相关，随着降雨量的增加，树干流逐渐增加；树干流率也随降雨强度增加而升高。这与前人对马尾松的研究结果基本相似(莫江明等，2002；杨茂瑞，1992)。本研究也发现马尾松树干流与胸径和冠幅面积呈显著的正相关。

4) 马尾松林内雨(穿透雨与树干流之和)占降雨量的71.0%，以穿透雨为主，且穿透雨在林下存在明显的空间变化，靠近树干的林冠内部的穿透雨率最大，平均达到80. 0 %。在其他林地类型中，也发现了相似的空间异质性的现象(Jackson，2000；Schroth, et al., 1999)。马尾松穿透雨率具有明显的空间变化规律性，随着距树干距离的增加，林冠下穿透雨率逐渐减小，而且其空间异质性，受到降雨量的影响，即随着降雨量的增加，穿透雨的空间异质性先增加后减少。