森林植被对一个区域内的降水量没有显著性的影响，但是对降雨再分配影响明显^[1]。森林植被能够改变降雨特征。通过林冠层枝叶的截留和蓄积，消减洪峰流量，延滞降雨^[2]，降低雨滴对地面的击溅作用，有效地减缓土壤侵蚀^[3]，同时还能够增加枯水期流量，净化水质^[4]。因此，森林与水之间的关系成了近年来森林生态学研究的热门话题^[5]。林冠作为森林水分传输的第一界面层，将降雨分为穿透雨、林冠截留和茎流3个部分^[6]，因此改变降雨的空间分布格局，同时也影响穿透雨的产生时间^[7]。穿透雨在森林生态系统水分循环和水量平衡中占有重要地位, 并对局域或整个集水区的水分循环有重要影响^[8]。穿透雨是林外降雨经过林冠层进行重新分配后产生的，在降雨初期产生的时间相比林外降雨的产生往往要滞后一段时间(穿透雨的延滞效应)^[9-10]，降雨强度也有所减弱，因此对消减降雨洪峰、减缓林内土壤侵蚀有一定的积极作用^[11]。研究穿透雨的延滞效应，对于评价森林的水土保持功能以及揭示冠层的水分循环机制有着重要的意义^[9-11]。

目前，在国内外不同气候类型区、不同森林类型下都有林冠层降雨再分配方面的研究，其关注的重点是不同林分类型林冠截留大小的比较^[12]、降雨再分配空间分布特征的研究^[13]、林冠冠层不同的处理方式对冠层截留的影响^[14]、影响林冠截留和降雨再分配的各种影响因子的探究^[15]以及林冠截留模型的修正和应用^[16]。但是，在降雨与降雨再分配各组分的研究中，鲜有学者将研究目光放在冠层截留作用对穿透雨时间的再分配过程。有学者^[9-10]研究了降雨量级以及降雨强度对于起始延滞时间和终止延滞时间的影响，但是分析并讨论的是场次降雨总体的结果。林内外降雨强度是随时变化的，因此穿透雨的滞留效应也会随着不同的降雨时期变化。林外降雨强度以及不同降雨历时，都会影响冠层对降雨的滞留效应。当林外降雨强度大于林内降雨强度时，冠层的枝叶阻碍降雨进入林内，发挥着正滞留效应；相反，冠层枝叶对降雨进入林内的阻碍作用被抵消。同时可能由于林冠层截留量已达到饱和，或是一些针叶树种的叶片对雨滴的汇集作用^[17]，导致林内降雨强度大于林外降雨强度，此时发挥着负滞留效应。两者相等，则无滞留效应。

日本柳杉(Cryptomeria japonica)人工林最早于20世纪初由江西庐山林场引种，目前在庐山自然保护区的面积超过800 hm²，是主要的针叶树种之一，对庐山水土保持、水源涵养等生态服务功能有重要作用。通过研究降雨中林冠层截留的时间再分配过程，可为今后水土流失、山洪、泥石流和滑坡等地质灾害预报提供数据和理论基础。

试验样地位于江西省九江市庐山风景区(E 115°51′~116°07′，N 29°30′~29°41′)，海拔960 m，样地为30 m×30 m的日本柳杉人工纯林(成熟林，林龄94)。该林分平均胸径28.1 cm、平均树高14.1 m、平均枝下高6.8 m，林冠平均冠幅东西3.4 m、南北3.2 m，柳杉长势良好，不同胸径大小的柳杉均有分布。样地开阔，杂灌较少，样地为北坡向、平均坡度26°、郁闭度0.8，林分密度为1 110株/hm²。土层上多有日本柳杉的枯落物覆盖，土壤类型为山地棕壤，土层厚度约30~50 cm。试验地处于亚热带季风气候地区，雨季明显且集中。

样地设置于2016年夏季，在面积为30 m×30 m的林内样地上，通过五点法选取5个穿透雨样点，分别为TF1(27 m，27 m)、TF2(3 m，27 m)、TF3(15 m，15 m)、TF4(27 m，3 m)、TF5(3 m，3 m)，在样点处布设自计雨量筒(HOBO RG3-M，美国Onset Computer公司)，每0.2 mm记录1次数据，每5 min自动采集1次数据，降雨历时按降雨间隔1 h划分。穿透雨数据通过5个样点平均进行校正。林外降雨样点设在紧邻林外边缘处距样地约100 m且无乔灌木遮挡的空地，并在样点布置1小型气象站(HOBO U30，其包含1个自计雨量筒LW)，林外降雨样点同时布设小型气象站(HOBO，美国Onset Computer公司)，降雨数据收集方法与自计雨量筒相同，同时观测空气温度(℃)、空气相对湿度(%)和风速(m/s)等气象数据。在观测期内，平均1个月前往样地下载1~2次数据，保证数据的连续性和完整性。

林内/外降雨强度：1场降雨的不同降雨历时总降雨量除以划分时段(将1场降雨历时划分为每0.5 h/组)。

林内外累计降雨量差：在不同降雨历时林外降雨量累计总量和穿透雨累计总量的差值。

起始延滞时间：穿透雨相比降雨滞后的时间^[9-10]。

降雨历时：为降雨总持续时间，不同降雨历时则指1场降雨已经进行的时间。

收集该5个穿透雨样点和1个林外降雨样点共6个样点2017年4—9月的全部降雨数据，按照不同降雨强度等级来选取场次降雨，并将每场降雨的总降雨历时细分为每0.5 h，通过林外降雨强度、林内外降雨累积量的差值以及不同的降雨历时三者的关系，来分析研究相应的滞留效应情况。

观测期间内林外降雨特征(降雨量、降雨强度、降雨历时等)直接影响冠层截留和再分配特征。如图 1所示，共记录105场有效降雨数据，总累计降雨量1 377 mm，场次最大降雨量为143.93 mm，最小降雨量为0.40 mm，降雨量级≤5 mm场次发生频次最多，占总降雨场次的47.6%，>5~15 mm降雨量级次之，达到25.7%，降雨量级>30 mm的场次仅占11.4%。观测期间内平均降雨强度为3.84 mm/h，最大降雨强度为47.1 mm/h，最小降雨强度为0.31 mm/h，不同降雨强度(≤2、>2~5、>5~10、>10~20和>20 mm/h)下场次降雨事件比例分别为54.29%、30.48%、7.62%、4.76%和2.86%。从降雨历时上看，观测期间内平均降雨历时4.55 h，最长降雨历时38.97 h，最短降雨历时为0.33 h。将不同降雨事件降雨历时划分为≤2、＞2~6、＞6~12、＞12~24和>24 h，其对应的降雨事件发生频数分别为43、40、16、4和2次。说明研究区观测期内降雨主要以小降雨量、低降雨强度和短降雨历时的降雨事件为主。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究期内降雨量分布 Fig. 1 Rainfall distribution in the study period

降雨时，林外降雨经过林冠层进入林内的过程中，经林冠的再分配以后，会导致穿透雨与林外雨在数量和形成过程的差异，如起始穿透雨时间会晚于林外降雨，从而延滞地表径流的产生。这种延滞效应与许多因素有关，如图 2所示。对25场降雨起始延滞时间与期间内降雨量和降雨强度关系进行分析得知，相对于林外降雨，在森林的作用下林内降雨滞后时间范围0.02~2.59 h，且55.5%的降雨事件起始延滞时间在0.5 h以内。统计延滞期内的林外平均降雨强度发现，随着林外降雨强度的增大，起始延滞时间迅速减小，两者之间呈现幂函数关系(y=0.656x^-0.822，R²=0.823 4)，起始延滞时间超过0.5 h后，降雨强度均≤2 mm/h，在同一降雨量级下随着降雨强度的增加延滞时间也呈现出缩短的趋势(图 2a)。延滞期内林外降雨量均≤2 mm，随着降雨量的增加，起始延滞时间变化不规律，两者之间关系不明显。

图 2(Fig. 2)

图 2 降雨强度、降雨量与起始延滞时间的关系 Fig. 2 Relationship between rainfall intensity, rainfall and initial lag time

降雨发生初期，干燥的林冠枝叶表面截持降雨的作用，表现出明显的正滞留效应。降雨穿过林冠时，树冠和叶片通过表面的吸附力以及叶片对雨滴的阻挡作用，改变降雨运动的路径，从而起到正滞留效应；随着降雨历时的推进，往往会出现负滞留效应。降雨特征决定不同的穿透雨过程。

如图 3所示，8月1日降雨总体特征为中雨，降雨历时5 h，降雨强度随降雨历时呈现为前期降雨强度小且平稳，在4.0~4.5 h达到峰值，为9.2 mm/h。林内外累计降雨量差值表现出缓慢增加趋势，且随降雨强度到达峰值时减小；冠层的滞留效应也随着降雨强度发生变化，前期呈现出稳定的正滞留效应，而在降雨强度峰值期表现为负滞留效应。

图 3(Fig. 3)

用气泡大小代表林外降雨强度大小，标签+为正滞留效应，-为负滞留效应，*为无滞留效应。 The bubble size indicates the rainfall intensity outside the forest, the label + indicates the positive retention effect, -indicates the negative retention effect., and * indicates no retention effect. DVB: Difference between accumulated value of rainfall and accumulated value of throughfall. 图 3 各降雨事件随降雨历时变化的效应图 Fig. 3 Changing effect of rainfall events with rainfall duration

5月8日降雨总体特征为中雨，降雨历时3.5 h，降雨强度随降雨历时呈现出前期降雨强度迅速增大，在1.0~1.5 h达到峰值8.8 mm/h，后期逐渐减小。林内外累计降雨量差值变化趋势与降雨强度变化一致。冠层的滞留效应在前期呈现为正滞留效应，降雨强度达到峰值以后则多表现为负滞留效应。

9月19日降雨总体特征为大雨，降雨历时6 h，降雨强度随降雨历时总体呈现出单峰型变化，前期逐渐增加，在3.0~3.5 h达到峰值12 mm/h，后期波动减小。林内外累计降雨量差值变化趋势前期呈逐渐增加的趋势，并在4.5~5.0 h达到峰值，后期随降雨强度的减小而减小。冠层的滞留效应在降雨强度达到峰值前呈现正滞留效应，之后则为负滞留效应。

8月13日降雨总体特征为大雨，降雨历时5.5 h，降雨强度在前期0~1 h迅速增加到峰值17.7 mm/h，后期逐渐减小。林内外累计降雨量差值变化在起始0~0.5 h达到峰值，之后随降雨强度增大迅速减小并稳定。冠层的滞留效应除在起始0.5 h以及末期4 h以后呈现出正滞留效应外，中间均为负滞留效应。

4月25日降雨总体特征为暴雨，降雨历时长达13.5 h，降雨强度变化特征具有分段性，前期0~4 h逐渐增加并达到峰值4.8 mm/h，中期在6.0~8.5 h再度达到峰值6 mm/h，而后期降雨强度逐渐减小。冠层的滞留效应也呈现出前期0~2 h和后期8.0~13.5 h的正滞留效应，中间期正负滞留效应交替出现。

8月12日降雨总体特征为暴雨，降雨历时长达8.5 h，降雨强度变化特征具有分段性，前期0~1.5 h迅速增加并达到峰值25.6 mm/h，中期4.0~6.5 h又再度稳定在峰值6 mm/h左右，在2次峰值后，降雨强度均逐渐减小。林内外降雨量差值也随着降雨强度的变化而变化，在前期降雨强度达到峰值时迅速降低，中期4 h降雨强度到达峰值后逐渐降低至稳定状态。冠层的正滞留效应主要出现在0~1 h和1.5~4.0 h，其余时段冠层多呈现负滞留效应或无滞留效应。依据林冠层滞留效应随降雨的动态响应过程，以及不同场次降雨过程间其变化规律的对比，发现不同降雨阶段冠层滞留效应有差异，但在降雨初期阶段均表现出正的滞留效应，降雨强度到达峰值阶段滞留效应变为负，而经过峰值降雨强度后，降雨持续时间短则多表现为负滞留效应，而持续时间长时则在末期会呈现出正滞留效应。

林内外累计降雨量差随降雨历时的变化区分为：在0.5 h的分段时间内，只要林内穿透降雨强度小于林内降雨，就认为冠层在这段时间内发挥着滞留效应(也称为正滞留效应)；如果穿透降雨强度大于林外降雨则认为林冠未发挥滞留作用，称为负滞留效应；林内外降雨强度相等，则无滞留效应。

林冠层对降雨的滞留效应随着降雨强度、降雨历时的变化而变化。在对典型次降雨过程中延滞效应分析的基础上进行统计分析(图 4)，降雨过程中冠层为正滞留效应时，林外降雨强度为(2.8±2.26) mm/h；而冠层滞留效应表现为负滞留效应时，林外平均降雨强度为(3.9±3.43) mm/h。

图 4(Fig. 4)

图 4 正负滞留效应的统计分析 Fig. 4 Statistical analysis of the positive and negative retention effects

将降雨历时分组统计后(图 5)发现，在≤2 h时冠层主要以正滞留效应为主，而在>4~8 h时，冠层出现负滞留效应的频率大于正滞留效应，而在降雨历时>8 h的后期则冠层主要以正滞留效应为主，正是这种滞留使在林外降雨结束后，林内出现后期滴落雨；因此，冠层滞留效应在降雨过程中，表现出在降雨起始和结束期，发挥着延滞降雨的作用。

图 5(Fig. 5)

图 5 正负滞留效应次数频次统计 Fig. 5 Frequency statistics of times of positive and negative retention effects

林冠截留是降雨的第一次再分配。降雨截留被认为是水资源管理中非常重要的水文过程，特别是在气候变化的条件下^[18]。对于森林来说尤其如此，年均截留损失量常常占到降雨总量的1/4以上^[19]。对于小的降雨事件会更高^[20]，拥有频繁小降雨事件以及茂密冠层的森林年均降雨截留损失高达50%^[21]。

林冠对降雨的再分配是一个复杂的过程，受林分特征^[18-20]、降雨特征和气象因素的综合影响^[21]。在雨滴降落过程中林冠的阻挡和截留过程，导致林内外降水产生的时间差异，称为冠层时滞效应^{[9-11, 22]}。本研究针对日本柳杉冠层降雨截留及其时滞效应发现，相比林外降雨，林内穿透雨的出现时间会滞后。起始延滞期内，随着林外降雨强度的增大，起始延滞时间迅速减小，两者之间呈现幂函数关系；起始延滞时间超过0.5 h后，降雨强度均≤2 mm/h，在同一降雨量级下随着降雨强度的增加滞留时间也呈现出缩短的趋势。这一结论与前人^[22]关于延滞时间与降雨强度关系的研究一致。但目前相关研究由于并未基于过程来考虑起始滞留时间问题，多数是基于次降雨事件尺度，因此采用单次降雨事件的降雨量进行分析，得出降雨量级影响时滞效应的结论，即小雨量级下产生穿透雨的延滞时间是大降雨量级下的3~5倍^[10-11]。这掩盖了降雨过程中降雨强度对延滞时间的决定作用。笔者认为，起始延滞时间与次降雨量关系不显著，即林内降雨起始延滞时间不受次降雨事件规模的影响，而取决于降雨过程中降雨强度的变化^[22]。另外，降雨前干燥期长度和降雨期间的风速都是影响时滞效应的重要因素。降雨前干燥期越长，林分越干燥，林冠截持水分能力越强^[23]；而降雨期间的风力能够为滞留树木枝叶上雨滴提供动能，减少雨滴滞留时间，理论上会对林内降雨时滞效应起到削减作用^[22]。但由于本研究并未对这2个因素进行数据分析，无法得到它们对滞留时间的影响规律。同时林分类型以及由此而产生的冠层结构(如叶面积指数)的差异，导致冠层截留能力的差别，也可能会带来滞留时间的变化。

考虑降雨过程中冠层的滞留效应，即在起始延滞时间之后的降雨过程中，冠层对林外降雨强度有削弱作用时称为正滞留效应。本研究的结果发现正滞留效应频率在≤2 h以及>8 h远高于负滞留效应，而在＞4~8 h时负滞留效应的频率高于正滞留效应。林内降雨产生时林冠层截留降雨也并未达到最大截留量，林冠层对降雨的滞留作用依然是普遍存在的。林外降雨结束后的一段时间里，停留在叶片和枝干上的水滴仍具有一定的动能和重力势能。在重力和风力等多种因素作用下，一部分水滴仍会继续滴落至地面，从而造成林内降雨结束时间较林外有所延滞^[22]。同时这一结果也与研究区降雨特征有关。降雨过程中降雨强度随着历时先增加后减小，降雨峰值一般在降雨中期，起始期和结束期均较小，降雨强度较小时冠层发挥正滞留效应的概率更大。与降雨强度相比，穿透雨强度的滞后和衰减是冠层截留的结果；如果在高降雨强度期间，截留不随时间增加，滞后和衰减在野外条件下常常是不会出现的。在降雨期间，冠层截留的野外测量常常很少会发觉更高的降雨强度期间会增加^[24]。冠层截留能力随降雨强度增加而增加的理论和实验证据缺乏，对于拥有很高降雨强度的暴雨冠层截留反而会减小^[25]。这导致在降雨中期时林内降雨强度大于林外降雨，冠层此时滞留效应大概率为负；因此，林冠滞留效应受降雨强度和降雨历时共同作用。

1) 在2017年4—9月研究期内，庐山降雨特征主要以小降雨量(≤5 mm)、低降雨强度(≤2 mm/h) 和短降雨历时(≤2 h)的降雨事件为主。

2) 相比林外降雨，林内穿透雨的出现时间会滞后。随着林外降雨强度的增大，起始延滞时间迅速减小，两者之间呈现幂函数关系(y=0.656x^-0.822，R²=0.823 4)，起始延滞时间超过0.5 h后，降雨强度均≤2 mm/h，在同一降雨量级下随着降雨强度的增加延滞时间也呈现出缩短的趋势。

3) 冠层滞留效应取决于降雨特征的变化，冠层滞留效应的正负是动态变化的，但是在降雨初期及末期(≤2 h及>8 h)，林冠层滞留效应多呈现正滞留效应。而在每场降雨达到降雨强度峰值时(即降雨中期)，负滞留效应才会明显出现。