典型热带森林生态系统林冠穿透雨特征及影响因素

【摘要】橡胶林和槟榔林替代原始林或次生林是热带地区主要的土地利用变化类型, 为了探讨土地利用变化对穿透雨的影响, 在海南岛选取橡胶林、槟榔林和次生林三种典型森林生态系统为对象, 比较研究了33次降雨事件中不同森林生态系统林冠穿透雨特征及其影响因素。结果表明: 三种森林生态系统乔木冠幅内穿透雨率差异显著(P< 0.01), 其大小依次为橡胶林(95.9%)>次生林(80.4%)>槟榔林(64.6%), 冠层厚度是影响次生林和橡胶林穿透雨率的主要因素, 均与穿透雨率呈显著负相关(P<0.05), 增加橡胶林林下植被对穿透雨的截留具有重要意义; 在三种林型不同乔木个体的冠幅内部, 仅槟榔林冠幅内穿透雨率树干旁边显著高于冠幅中央和边缘, 冠幅内部叶面积指数和叶片角度是影响槟榔林穿透雨空间异质性的主要因素(P<0.05); 橡胶林的冠层厚度和次生林的叶片角度也对穿透雨率产生显著影响(P<0.05)。上述结果阐明了次生林转换为人工林后, 穿透雨率及其空间分布产生的差异;发现除冠层厚度和叶面积指数外, 叶片形状或角度对改变穿透雨率具有重要影响, 该结果为合理配置冠层结构、有效降低穿透雨率提供参考, 也可为评估热带地区土地利用变化的生态水文效应提供参数。     

单株华北落叶松树冠穿透降雨的空间异质性

森林与水的关系是生态学和水文学研究的核心问题之一,为了研究降雨通过华北落叶松树木冠层后的空间分异规律,并合理确定准确测定穿透降雨所需的雨量筒数量及位置,2005年生长季在一株样树冠层下按离开树干的位置机械布置了32个雨量筒,测定了11场不同降雨事件的穿透降雨量,并利用传统统计学与地统计学方法分析了叶面积指数和穿透降雨的空间变异性规律.结果表明,树冠的叶面积指数在不同方向上具有空间变异性,随离开树干的距离增大而减小;穿透降雨率与叶面积指数呈负相关性,且随降雨量增大相关性减弱;穿透降雨率半方差函数分析结果表明,基台值C＋C0随降雨量增大而减小,C0/（C＋C0）随降雨量的增大而增大,分维数D随降雨量的增大而增大,随降雨强度的增大而先增大后减小,这说明较小降雨量时,冠层结构是引起穿透降雨率空间变异的主要因素;降雨量较大时,冠层结构的影响减弱,其空间分布差异主要受随机因素影响;通过Kriging插值法绘制的树冠下穿透降雨空间分布图表明,树冠下存在着穿透降雨的最小区域和有汇集降雨作用的＂漏斗＂区域,最小区域一般在树干偏东南或南方向,而降雨汇集区域多不固定.在比较了不同雨量筒布设方案的穿透降雨变化后发现,在距离树干1/2冠幅半径的同心环上至少布设内径不小于9cm的5个雨量筒时,测定的穿透降雨量可基本接近整个树冠下的穿透降雨量平均值.     

两种温带落叶阔叶林降雨再分配格局及其影响因子

林冠对降雨的再分配是森林生态系统的重要生态水文过程,影响着生态系统生物地球化学循环。于2012年5—10月连续测定帽儿山森林生态站的两种温带天然次生林型——蒙古栎林和杂木林的林外降雨、穿透雨及树干径流,旨在量化其降雨再分配过程及其影响因素。结果表明:蒙古栎林的平均穿透雨、树干径流、林冠截留分别占同期林外降雨的76%、7%和17%;杂木林分别占85%、5%和10%。根据模型估算,当降雨量分别超过1.0mm和0.7mm时蒙古栎和杂木林开始出现穿透雨;当降雨量超过3.0mm开始出现树干径流。当降雨量超过5.6mm,树干径流体积会随着树木胸径的增加而显著增加;而当降雨量低于5.6mm则出现相反趋势。穿透雨、树干径流及林冠截留的绝对量均随降雨量的增大而显著增加,但其占降雨量的比例却表现出不同的变化趋势。穿透雨量的空间变异随降雨量和降雨强度的增大显著减小。两种林型的降雨再分配格局因受降雨量、降雨强度等降雨特征和林冠结构的影响而产生差异。     

大兴安岭北部兴安落叶松(Larix gmelinii)林下穿透雨空间分布特征

森林冠层对降雨的水量和水质再分配是生态水文学研究的热点问题之一。为了研究兴安落叶松林下穿透雨的空间分布规律,探究森林冠层结构对穿透雨影响的生态机制,利用在兴安落叶松林下布设38个雨量筒,测定19场不同降雨事件的穿透雨数据(2013年7—8月),通过统计学方法分析冠层结构各因子与穿透雨的空间变异性规律,结果表明:观测期间,兴安落叶松林穿透雨量为148.3 mm,占同期大气降雨量的80.62%,穿透雨率随着降雨量的增加呈增加趋势;兴安落叶松林下穿透雨具有较大空间异质性,其变异程度随降雨量的增加而减小,以对数方程拟合较好(P0.01);冠层结构特征是影响穿透雨空间变异的重要因素,冠层复杂程度与穿透雨量呈负相关关系(P0.01);距树干距离、冠层厚度、叶面积指数等因素均可影响穿透雨的空间分布,以距树干距离影响最大,其与穿透雨率呈正相关关系(P0.01),而冠层厚度、叶面积指数则均与穿透雨率呈负相关关系(P0.01),但拟合效果不佳;从影响穿透雨的生态学机制来考虑,在冠层结构特征因子中,冠层厚度是决定穿透雨空间分布的最主要因素。     

中亚热带红壤区油桐(Vernicia fordii)林冠水文效应特征

于从2004年7月到2005年9月,对南方红壤区油桐人工林的穿透雨、树干流和林冠截留的水文特征进行了监测,并对其影响因素进行初步分析,结果表明：在整个测定期间,油桐林穿透雨占总降雨量75.6%±8.6%,树干流占3.6%±1.1%,而截留量占20.8%±9.1%。油桐林冠对降雨的再分配受到降雨量和降雨强度的影响,随着雨量的增加,穿透雨、树干流和截留量相应地提高,并且树干流和截留量在高的雨量下逐渐趋于稳定;随着降雨强度的增加,穿透雨率逐渐升高,而树干流率和截留率降低。在不同雨量级间,油桐穿透雨具有显著性的差异,但树干流的差异不显著。油桐林下水分输入存在明显的空间异质性,穿透雨在不同观测点间具有显著性差异,靠近树干的林冠内部穿透雨低于林冠边缘,而且随着降雨量或降雨强度的增加,穿透雨的空间异质性(穿透雨率的变异系数CV)降低;树干流对降雨也具有明显的汇集作用,在树干周围输入的雨量是林外降雨量20~70倍,并且随着降雨量的增加,这种汇集效应（漏斗比率）先提高后降低。同时油桐单株树干流(cm³•mm^-1)与胸径、树高和冠层面积均呈显著正相关(p<0.05),但是与枝下高的相关性不显著(p>0.05)。     

陕北黄土高原柠条灌丛穿透雨特征与影响因素

穿透雨是降雨再分配的主要组分,对干旱半干旱区的土壤水分补给和植被生长具有关键作用。灌丛穿透雨的影响机制特别是植被特征对穿透雨的影响需要进一步的定量研究,且目前对穿透雨空间异质性与聚集效应的研究相对较少。以陕北黄土高原典型灌丛—柠条为研究对象,于2016年对六道沟小流域柠条冠层下8个方位的穿透雨以及降雨和植被因子进行系统观测,分析穿透雨量、穿透雨率、穿透雨空间变异和聚集效应的变化特征,辨识影响穿透雨的主要降雨和植被因子,并建立相应的定量关系。结果表明:次降雨下柠条的穿透雨量、穿透雨率和空间变异系数平均值分别为11.88 mm、75.71%和21.80%。穿透雨量主要由降雨量决定,随降雨量增加而线性增加(R~2=0.99)。穿透雨率和空间变异系数主要受降雨量和降雨强度影响,穿透雨率随降雨量和I_30增加而呈对数增加(R~2=0.71和0.54),渐进值约为95%,而穿透雨空间变异系数则随降雨量和I_30增加而呈幂函数递减(R~2=0.71和0.60),稳定值约为10%。冠层厚度和枝倾角是影响穿透雨的主要植被因子,并分别呈显著的线性负相关和正相关(P0.05)。柠条穿透雨具有一定的聚集效应,平均发生频率为8.53%,且聚集效应在大雨量、高雨强和长历时降雨事件中更加明显。     

六盘山华山松(Pinus armandii)林降雨再分配及其空间变异特征

利用2004和2005年生长季(6～9月份)六盘山自然保护区的香水河小流域内华山松天然林的穿透降雨、树干径流和冠层截留量观测资料,通过对华山松林降雨再分配特征和穿透降雨空间变异及其影响因素的综合分析,所得结果表明华山松天然林的穿透降雨量、树干径流量和冠层截留量,分别占大气降雨量的84.34%、0.72%和14.94%.穿透降雨在林内具有较大的空间变异,其变异程度随降雨量的增加而减小,冠层对穿透降雨具有一定的聚集效应,降雨量越高时效应越明显; 华山松冠层结构特征是影响穿透降雨的重要因素, 叶面积指数、冠层覆盖度、冠层厚度及距树干的距离等都会影响穿透降雨的空间分布,其中以叶面积指数的影响最大.由分析结果可知,冠层结构特征是决定大气降雨再分配和空间变异的重要生态因素之一.     

大兴安岭北部兴安落叶松林穿透雨延滞效应

以黑龙江漠河生态站兴安落叶松天然林为研究对象,对林外雨、穿透雨和树干茎流进行定位观测,分析大兴安岭北部兴安落叶松林穿透雨延滞效应.结果表明： 穿透雨量、树干茎流量和林冠截留量分别占同期降雨总量的76.5%、2.6%和20.9%.降雨发生后,穿透雨与林外雨在产生和终止时间上均存在一定延滞性;随降雨量级增大,穿透雨滞后时间表现出逐渐缩短的趋势,变动范围为（67.8±7.8）～（17.2±3.9） min（穿透雨）和（112.0±38.8）～（48.3±10.6） min（树干茎流）;相同降雨量级下,穿透雨滞后时间随降雨强度增大而逐渐降低,且降雨强度>2 mm·h^-1时延滞时间显著缩短,同时随雨前干燥期的增加而增长,而当雨前干燥期≥48 h时,降雨量则是影响滞后时间的主要因素;降雨终止时,降雨量>5.0 mm,穿透雨终止时间也存在延滞性,且随降雨强度增加而增大,但与雨前干燥期关系不明显;树干茎流终止时间先于林外雨终止时间,且主要与降雨量级有关,降雨量级越小,终止时间越早.     

中亚热带红壤区油桐(Vernicia fordii)林冠水文效应特征

于从2004年7月到2005年9月,对南方红壤区油桐人工林的穿透雨、树干流和林冠截留的水文特征进行了监测,并对其影响因素进行初步分析,结果表明：在整个测定期间,油桐林穿透雨占总降雨量75．6％±8．6％,树干流占3．6％±1．1％,而截留量占20．8％±9．1％。油桐林冠对降雨的再分配受到降雨量和降雨强度的影响,随着雨量的增加,穿透雨、树干流和截留量相应地提高,并且树干流和截留量在高的雨量下逐渐趋于稳定;随着降雨强度的增加,穿透雨率逐渐升高,而树干流率和截留率降低。在不同雨量级间,油桐穿透雨具有显著性的差异,但树干流的差异不显著。油桐林下水分输入存在明显的空间异质性,穿透雨在不同观测点间具有显著性差异,靠近树干的林冠内部穿透雨低于林冠边缘,而且随着降雨量或降雨强度的增加,穿透雨的空间异质性（穿透雨率的变异系数CV）降低;树干流对降雨也具有明显的汇集作用,在树干周围输入的雨量是林外降雨量20-70倍,并且随着降雨量的增加,这种汇集效应（漏斗比率）先提高后降低。同时油桐单株树干流（cm^3·mm^-1）与胸径、树高和冠层面积均呈显著正相关（P〈0．05）,但是与枝下高的相关性不显著（p〉0．05）。     

岷江上游亚高山川滇高山栎林的降雨再分配

基于2007年6-9月岷江上游地区的气象数据,采用定位研究方法对该区川滇高山栎林的降雨再分配进行了研究.结果表明：研究期间,林外总降雨量486.7 mm,林内穿透雨量、树干茎流量和林冠截留量分别占总降雨量的82.6%、0.9%和16.5%;穿透雨量和树干茎流量与降雨量均呈极显著的线性关系(P<0.01,n=49),穿透雨率和树干茎流率与降雨量的关系可用非线性曲线表示;当林外降雨量>3.2 mm时开始出现树干茎流,且树干茎流量(L)与树干基面积(cm²)呈明显的指数关系(R²=0.623).林冠截留率随降雨量(mm)的增加呈双曲线递减;林冠截留率与降雨量、降雨持续时间、降雨强度、降雨时空气相对湿度均呈极显著负相关(P<0.01,n=49),而与风速呈极显著正相关(P<0.01,n=49).     

六盘山华北落叶松林下穿透雨空间变异特征

受林冠截持影响后形成的林下穿透雨的数量和空间分布会影响林地的入渗、产流、蒸发等水文过程和林木生长及枯落物分解等生态过程,因而精细的森林水文功能评价和森林生态系统经营都需要准确描述林下穿透雨的空间变异规律。在宁夏六盘山香水河小流域设立了面积为30 m×30 m的华北落叶松人工林样地,均匀布设了40个截面面积230.58 cm2的雨量收集器,测定了2015年生长季(5—10月)34次降雨事件的穿透雨量。结果表明,研究期间林外总降雨量567.0 mm,林下总穿透雨量483.5 mm,占同期雨量的85.3%。随着次降雨量增加,林内次穿透雨率呈现先快速增加后趋于稳定的变化。穿透雨量在林内存在较大空间变异,其变异程度随次降雨量增加先快速下降后趋于稳定。林下穿透雨空间分布受树木特征(穿透雨收集器上方的林冠叶面积指数和冠层厚度、穿透雨测点离最近树干的距离)的影响,且其影响随次降雨量大小而变,当次降雨量10 mm时,穿透雨量与叶面积指数显著负相关;当次降雨量在10—20 mm时,穿透雨量与距最近树干距离显著正相关,与冠层厚度显著负相关;当次降雨量20 mm时,穿透雨量与3个树木特征均不显著相关。考虑到研究区次降雨量集中在0—10 mm,在95%或90%的置信区间下,若将测定的次穿透雨数值误差控制在10%以内时,在30 m×30 m样地内至少需布设13或9个本研究所用大小的收集器;满足次穿透雨数值误差在5%以内时,至少需布设26或23个这样的收集器。     

模拟降雨条件下玉米植株对降雨再分配过程的影响

为系统测定玉米(Zea mays)不同生长阶段的穿透雨、茎秆流和冠层截留,采用室内模拟降雨法测定了不同降雨强度、不同叶面积指数玉米冠下穿透雨和茎秆流,采用喷雾法测定了玉米不同生长阶段的冠层截留。对其进行了量化分析,并探讨了三者与玉米叶面积指数和降雨强度的关系,阐明了玉米冠下穿透雨的空间分布特征。结果表明:玉米冠下穿透雨量占冠上总降雨量比例为30.97%—94.02%,平均为63.92%;茎秆流量占降雨量比例的变化范围为5.68%—75.70%,平均为35.28%;冠层截留量在其全生育期内变化范围为0.02—0.43 mm,平均为0.16 mm,所占总降雨量比例最大仅为1%。随玉米生长,穿透雨量逐渐降低,茎秆流量和冠层截留量逐渐增加。穿透雨与茎秆流呈现此消彼长的关系,其中穿透雨率平均由93.55%降至36.23%;茎秆流率平均由5.98%增加至70.42%。降雨强度与穿透雨量和茎秆流量呈正相关关系,但是二者占总降雨量的比例与降雨强度关系不显著(P0.05)。随着玉米生长,穿透雨冠下空间分布由均匀逐渐趋向于不均匀,使降雨经过冠层后趋于向行中汇集,但在玉米生长后期,集中于行中的穿透雨量也因叶片衰败而随之降低。揭示了玉米对降雨的再分配作用特征,可为农田水分有效利用、农田生态水文过程机理和坡耕地土壤侵蚀防治提供理论依据。     

岷江冷杉针叶林下穿透雨空间分布特征

森林对降水的截留作用、林下穿透雨的水文学及生态学意义一直是生态水文学研究中的热点 ,但是关于林下穿透雨空间分布特征的研究还比较少。在四川西部的卧龙自然保护区研究了岷江冷杉林下穿透雨的空间分布特征。在岷江冷杉针叶林下布设了 8个雨量筒用以测量林下穿透雨 ,对两年共 35次降雨的穿透雨研究结果表明 ,林下各观测点的穿透雨率同林外降雨量之间的关系都可以用逻辑斯谛曲线方程较好地模拟 ,与传统的对数方程模拟相比 ,前者的相关程度显著高于后者 ,而且用逻辑斯谛方程进行模拟时 ,方程中的各参数具有一定的生态学意义。此外 ,研究发现林下各点的穿透雨率具有显著的差异 ,位点 4下的穿透雨存在着明显的聚集效应 ,此处的平均穿透雨率达到了 10 3.2 %。对林下 8个点穿透雨进行聚类分析表明 ,林下位点 4和位点 8的穿透雨特征与其余 6个点的穿透雨特征有显著的差异。对影响岷江冷杉林下穿透雨空间分布的因素分析表明 ,观测点上方的冠层覆盖度、枝叶层厚度与降雨量之间均有一定的负相关关系 ,但其影响未达到显著水平 ;观测点到树干的距离与林下的穿透雨之间的关系可以较好地用二次多项式方程模拟 ,方程的相关程度很高 (R=0 .94 91) ;各观测点正上方的冠层以及枝叶性质也对穿透雨的空间分布特征有一定的     

西北干旱区泡泡刺灌丛的降雨再分配特征及影响因素分析

定量分析植被冠层对降雨再分配过程的影响,是认识陆地生态系统水文循环的重要环节。然而,由于干旱区天然植被分布稀疏、形态结构特殊,其降雨再分配过程的测算较为困难,相关研究较少,特别是关于荒漠低矮灌丛的降雨再分配研究鲜有报道。本文以河西走廊中段临泽绿洲—荒漠过渡带的天然建群种泡泡刺灌丛(Nitraria sphaerocarpa)为研究对象,基于3年逐个单次降雨事件的观测数据分析了生长季泡泡刺灌丛的降雨再分配特征及主要影响因素,量化了泡泡刺灌丛覆盖下实际进入土壤的有效降雨量及其空间分布特征。结果表明:(1)生长季泡泡刺灌丛的平均穿透率、树干茎流率和冠层截留损失率分别为87.89%、1.61%和10.50%;(2)降雨量是影响泡泡刺灌丛降雨再分配特征的关键气象因素,其与穿透雨量、树干茎流量、冠层截留损失量之间具有显著的统计关系(P<0.001);(3)与干旱区其他稀疏植被相比,泡泡刺灌丛的穿透率和集流率较高,冠层截留损失率较低,与其特殊的植被形态特征有关,相关分析的结果表明,泡泡刺灌丛的穿透雨量与植被面积指数和株高呈显著的负相关关系(P<0.001),树干茎流量与树干倾角呈显著的正...     

林冠截持降雨模型的初步研究

通过对林冠截持过程的研究,将单场降雨划分成很多个小的时段,顺序计算各小时段内降雨在林冠内的分配,建立了一个林冠降雨截持模型.模型考虑了冠层和树干干燥度对冠层雨期蒸发的影响,并在计算雨期蒸发时引入冠层叶面积指数、单位林地面积上树干表面积.运用模型对华北落叶松林的降雨截持进行模拟,结果表明,模拟穿透雨与实测穿透雨基本吻合,误差在±1 mm范围内,但在小降雨(＜6 mm)时模拟值偏低;树干茎流量模拟值偏低,茎流模拟相对误差随着降雨量增大而减小.同时模拟了穿透降雨的过程,结果与林内自动气象站实测穿透降雨的过程基本吻合,模拟效果较好.     

Gash模型在黄土区人工刺槐林冠降雨截留研究中的应用

为了验证Gash林冠截留解析模型在黄土高原人工林中的适用性,基于2009年黄土丘陵沟壑区吕梁市王家沟小流域刺槐林样地降雨观测数据,采用Gash模型对林冠截留进行了模拟。所选刺槐林分为人工纯林,林龄约30a,阴坡,坡度24°,密度为990株/hm2,平均树高10.8 m,平均胸径12.4 cm,郁闭度0.76。根据回归方法确定了Gash模型中的主要参数,包括饱和林冠的平均蒸发速率(E珔)、林冠枝叶部分的持水能力(S)、自由穿透降雨系数(p)、树干持水能力(St)和树干茎流系数(Pt)。结果显示,2009年5月至10月人工刺槐林样地实测降雨量为366.9 mm,穿透降雨量为317.5 mm,树干茎流为10.2 mm,林冠截留量为39.2 mm。模型模拟的林冠截留量为42.4 mm,高于实测值3.2 mm,相对误差为8.2%。敏感性分析表明,S、E珔、St和pt每增加10%,林冠截留量分别增加4.7%,3.1%,1.7%和0.5%;p增加10%,林冠截留量则减少2.6%。说明树干持水能力(St)和树干茎流系数(pt)两个参数对黄土高原人工刺槐林冠截留量的预测值影响程度较小。模拟值与实测值有较好的一致性,显示Gash模型适用于黄土高原人工刺槐林冠的截留计算。