荒漠灌丛内降雨和土壤水分再分配

通过对降雨再分配,荒漠灌丛可改变降雨在灌丛内的水平空间分布,进而影响植被冠层下土壤水分的空间响应.本文以腾格里沙漠东南缘人工植被区柠条和油蒿灌丛为研究对象,分析了灌丛干扰下的降雨再分配过程及灌丛下土壤水分的空间响应.结果表明: 柠条和油蒿灌丛的穿透水、树干茎流分别占降雨量的74.4%、11.3%和61.8%、5.5%.次降雨过程中,柠条和油蒿穿透水空间变异性均较大,平均变异系数分别为0.25和0.30;由于可以将更多的降雨以树干茎流形式在根部富集,柠条主干基部土壤湿润锋深度明显比冠层其余位置深,而油蒿仅在大降雨事件时才较为明显.灌丛对降雨的再分配作用改变了降雨达到地表时的空间分配,致使冠层下土壤湿润锋深度呈现明显的不均一性.     

岷江上游两种生态系统降雨分配的比较

植被的降雨分配作用对理解生态系统的水文功能具有重要的意义。该文对四川岷江上游岷江冷杉(Abies faxoniana)针叶林和川滇高山栎(Quercus aquifolioides)灌丛两种生态系统的降雨分配及降雨截留的影响因素进行了研究,探讨了植被分配降雨及截留降雨的影响机制和影响因素。文中采用定位观测的方法研究降雨分配。针叶林中冠层降雨截留占33.33%,树干茎流占0.07%,穿透雨占66.60%;而灌丛的冠层截留降雨为24.95%,穿透雨为75.05%;针叶林地被物的蓄留水能力(1.746 mm)要大于灌丛地被物的持水能力(0.941 mm);针叶林土壤的容积含水率(39.66%)也要高于灌丛土壤的容积含水率(38.19%);两种生态系统中的穿透雨率与降雨量的关系均可用逻辑斯谛方程较好地模拟。文中还选取了降雨量、降雨强度、降雨持续时间、两次降雨的间隔时间和次降雨期间的气温等5种因子分析影响两种生态系统降雨截留的主要因素。根据截留降雨与上述5种因子的偏相关分析结果:针叶林冠层的降雨截留主要受降雨量、降雨持续时间和间隔时间的影响;灌丛的降雨截留主要受降雨量、气温与降雨持续时间的影响。文中从当地的降雨特征与两种生态系统微气候差异的角度分析了两种生态系统降雨分配及降雨截留影响因素差异的原因。     

女儿寨小流域3种植被类型林冠层对降水再分配研究

对女儿寨小流域3种植被类型林冠层林冠层对降水再分配过程进行了研究。研究结果表明: 观测期内降雨量达到1971.80 mm, 降雨次数为83次。不同植被类型杜仲林、枫樟混交林和马尾松林的林冠截留量分别为289.75 mm、358.78 mm和351.46 mm, 林冠截留率分别为14.69%、18.19%和18.79%。随着降雨量增大, 不同植被类型的林冠截留量也增大, 二者呈正相关关系。混交林的穿透雨量和林冠截留量大于纯林, 而纯林的树干茎流量大于混交林; 不同植被类型林冠层对降雨的分配表现为穿透雨最多, 其次是林冠截留, 树干茎流最小。     

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.     

祁连山典型灌丛降雨截留特征

基于2010年6月至10月的野外试验数据,研究了祁连山金露梅、高山柳、沙棘和鬼箭锦鸡儿灌丛降雨截留特征,分析了降雨量和雨强对灌丛降雨截留过程的影响。结果表明:试验期间共降雨298.6 mm,在降雨量<2.1 mm时,降雨被全部截留,实际发生穿透和茎流的降雨为283.1 mm;金露梅灌丛穿透雨量、茎流量和截留量分别为175.8 mm(62.0%)、9.5 mm(3.4%)和62.0 mm(34.6%),高山柳为179.8 mm(63.5%)、9.1 mm(3.2%)和63.5 mm(33.3%),沙棘分别为148.1mm(52.3%)、22.5mm(8.0%)和52.3 mm(39.7%),鬼箭锦鸡儿分别为170.4 mm(60.2%)、11.8 mm(4.2%)和60.2 mm(35.6%);灌丛穿透雨量、茎流量和截留量均与降雨量呈显著线性正相关(P<0.001);穿透率、茎流率和截留率与降雨量呈指数函数关系(P<0.05);平均雨强与截留率关系以指数函数拟合最好(P<0.05)。在降雨性质相同的情况下,植被形态特征是影响灌丛降雨截留的重要因素。     

太岳山不同郁闭度油松人工林降水分配特征

利用2011年5-9月生长季观测的30场降雨数据,分析了山西太岳山不同郁闭度下油松人工林林冠截留、穿透雨以及树干茎流与降雨量的关系,以及林冠截留过程的特点.结果表明:(1)实验观测期间,该地区降雨总量为634.79mm,单次平均降雨量为21.16mm,单次最大降雨量为58.15mm,单次最小降雨量为0.54mm.其中,8月份的降雨总量最大,为190.77mm,6月份的降雨总量最小,为41.81mm.(2)郁闭度为0.8的油松人工林林冠截留量与降雨量呈一元线性关系,郁闭度为0.7、0.6和0.5均呈幂函数关系;对于各郁闭度的油松人工林,其林冠截留率与降雨量均呈对数函数关系;穿透雨量、树干茎流量与降雨量均呈明显的一元线性关系,穿透雨量和树干茎流量都随着降雨量的增加而增加.(3)不同郁闭度油松人工林之间林冠截留、穿透雨和树干茎流不同,总的趋势为随着郁闭度的减小,林冠截留量减小,穿透雨量增大,树干茎流量增大.林冠截留量与郁闭度表现出正相关关系,而穿透雨量、树干茎流量都与郁闭度表现出负相关关系.(4)各郁闭度林冠截留量、穿透雨量和树干茎流量的月动态变化与总降水量的月变化基本一致.     

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。     

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).     

祁连山青海云杉林冠生态水文效应及其影响因素

以位于祁连山中段大野口关滩森林站的青海云杉林为研究对象,利用2008年观测期间(6月12日至10月8日)34场降雨的大气降雨量、穿透雨量和树干茎流量观测资料,对青海云杉林的降雨再分配特征及其影响因素进行综合分析。结果表明:青海云杉林的总穿透雨量、截留量和干流量分别为212.6、64.5 mm和3.4 mm,分别占大气降雨量的75.8%、23.0%和1.2%;穿透雨在林内具有较大的空间变异性,其变异程度随降雨量的增大而减小,叶面积指数和冠层郁闭度在一定程度上也影响穿透雨的空间分布,且降雨量越小其影响效果越明显;青海云杉林的总干流量为3.4 mm,平均干流率为0.58%,雨前林冠的湿润程度对树干流的产生有很大影响,导致当降雨量为5.6 mm时就开始产生树干茎流;青海云杉林冠截留率的大小主要取决于降雨量,且随着降雨量的增大先减小并逐渐趋于稳定,林冠截留量总体上随冠层郁闭度和叶面积指数的增大而增大,但当观测点位于树冠边缘或多个树冠重叠处时出现负截留现象。所以,就特定林分而言,冠层结构特征对于其林冠生态水文效应起着重要的作用。     

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）。     

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)。     

西藏原始林芝云杉林雨季林冠降水分配特征

利用2006-2007年对西藏米林县南伊沟原始林芝云杉(Picea likiangensis var.linzhiensis)林林外降水、穿透水和树干茎流定位观测数据,对林芝云杉林的林冠降水再分配特征进行研究。结果表明:西藏南伊沟的年降水量为716.4mm,主要集中在4-9月份,占全年降雨量的86.95%。在林芝云杉的生长季节(4-10月份),林冠截留量为338.6mm,占同期林外降水量的51.60%;林内穿透水量为316.3mm,占同期林外降水量的48.21%;树干茎流量仅为1mm,仅占0.19%。林内穿透水(Tp)、树干茎流(Sf)、林冠截留量(Ip)及林冠截留率(PIp)与林外降水量(p)之间的关系分别为:Tp=0.8622p-3.5229,r=0.9964;Sf=0.0004p1.4586,r=0.9458;Ip=1.2222p0.6341,r=0.874;PIp=253.6p-0.7008,r=0.9732。林芝云杉林雨季林冠降水的分配规律与该森林结构复杂、林分年龄高、胸高断面积大密切相关,说明该森林在涵养水源和保持水土等方面发挥着重要的作用。     

秦岭天然次生油松林冠层降雨再分配特征及延滞效应

为了研究秦岭典型地带性植物油松林冠层降雨再分配特征及延滞效应,选择陕西宁陕县秦岭森林生态系统国家野外科学观测研究站55龄天然次生油松林,从2006-2008年(5-10月份)对林外降水、穿透降雨和树干茎流进行定位观测。利用其中100次实测数据进行分析研究,结果表明:总降雨量为1576.4 mm,穿透降雨量为982.9 mm,树干茎流量为69.5 mm,冠层截留量为524. 0mm,分别占总降雨量的62.4%、4.4%和33.2%。降雨分配与降雨量级密切相关,降雨量级增大,穿透降雨率和茎流率呈增大趋势,截留率呈降低趋势,变化幅度分别为46.6%-68.9%、0.8%-9.2%、53.4%-22.0%。穿透降雨量、树干茎流量和林冠截留量与林外降雨量之间的关系分别为:TF=0.6548P-0.4937,R²＝0.9596;SF=-0.2796+0.0452P+0.0005P²,R²＝0.8179;I=0.5958P^0.8175,R²＝0.8064。降雨事件发生后,穿透降雨和树干茎流出现的时间与降雨发生的时间并不同步,均表现出一定的延滞性,随着降雨量级增大,滞后时间表现出逐渐缩短的趋势((78.5±8.8)-(16.0±0.0) min,(111.0±33.0)-(41.2±0.0) min)。降雨终止时,特别是当降雨量>10.0 mm,穿透降雨终止时间也存在一定的延滞性((3.2±2.6)-(12.0±0.0) min)。但树干茎流终止时间先于降雨终止时间,降雨量级越小,树干茎流终止时间愈早((-58.3±21.5)-(-9.8±0.0) min)。     

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。     

Canopy Interception for a Tallgrass Prairie under Juniper Encroachment

Rainfall partitioning and redistribution by canopies are important ecohydrological processes underlying ecosystem dynamics. We quantified and contrasted spatial and temporal variations of rainfall redistribution for a juniper (Juniperus virginiana, redcedar) woodland and a tallgrass prairie in the south-central Great Plains, USA. Our results showed that redcedar trees had high canopy storage capacity (S) ranging from 2.14 mm for open stands to 3.44 mm for closed stands. The canopy funneling ratios (F) of redcedar trees varied substantially among stand type and tree size. The open stands and smaller trees usually had higher F values and were more efficient in partitioning rainfall into stemflow. Larger trees were more effective in partitioning rainfall into throughfall and no significant changes in the total interception ratios among canopy types and tree size were found. The S values were highly variable for tallgrass prairie, ranging from 0.27 mm at early growing season to 3.86 mm at senescence. As a result, the rainfall interception by tallgrass prairie was characterized by high temporal instability. On an annual basis, our results showed no significant difference in total rainfall loss to canopy interception between redcedar trees and tallgrass prairie. Increasing structural complexity associated with redcedar encroachment into tallgrass prairie changes the rainfall redistribution and partitioning pattern at both the temporal and spatial scales, but does not change the overall canopy interception ratios compared with unburned and ungrazed tallgrass prairie. Our findings support the idea of convergence in interception ratio for different canopy structures under the same precipitation regime. The temporal change in rainfall interception loss from redcedar encroachment is important to understand how juniper encroachment will interact with changing rainfall regime and potentially alter regional streamflow under climate change.     

基于修正的Gash模型模拟小兴安岭原始红松林降雨截留过程

原始红松林是我国小兴安岭地区的顶级植物群落,理解它的降雨截留过程,对区域生态、水文环境具有重要意义.采用定位研究法,于2010-2011年21场降雨数据对原始红松林的降雨截留和分配效应进行系统研究,并结合当地的气象和林分资料,利用修正的Gash模型对小兴安岭原始红松林进行林冠截留模拟.该模型对穿透雨、树干茎流、截留量的模拟值分别为:370.91、16.14、130.07 mm.穿透雨模拟值比实测值低2.28 mm,相对误差1.75％,树干茎流模拟值高于实测值8.12 mm,相对误差50.3％,林冠截留量模拟值比实测值低2.35 mm,相对误差为1.81％.穿透雨和林冠截留量的模拟值和实测值有较好的一致性,树干茎流的模拟值和实测值相差较大.综合结果表明:修正的Gash模型对小兴安岭地区原始红松林降雨截留拟合具有很好的适用性.     

半湿润地区城市绿地灌木的截留集水功能及其影响因素

在半湿润地区,创新节水型城市绿地建设模式,实现绿地由耗水型向节水型转变,是学术界关注的热点问题。通过模拟降雨的方法,对半湿润地区城市绿地中的金叶女贞、大叶黄杨、小叶黄杨、红叶石楠、龙柏和侧柏等6种灌木的截留集水功能及其影响因素进行研究。结果表明: 冠层截留和茎流集水是水文过程的两个不同阶段,常绿灌木冠层截留大,但其茎流集水差;随着雨强增大,所有灌木的穿透雨率和茎流率都明显增加,但截留率却相对减少;穿透雨率表现为阔叶灌木显著大于针叶灌木,茎流率趋势与之相同,而截留率则相反。冠层投影中心区域穿透雨率最小,随着与冠层投影中心距离的加大,叶面积指数降低,穿透雨率也呈逐步减少趋势;当雨强为小雨时,冠层投影中心的穿透雨率小,即截留率和茎流率大,当雨强为大雨时,冠层投影中心的穿透雨率大,即截留率和茎流率小;随着雨强增大,冠层外围穿透雨率增大,漏斗形截留集水系统呈缩小趋势。雨强和叶面积指数是显著影响灌木截留集水功能的重要因素;半湿润地区城市绿地在林下配置阔叶灌木更有利于截留集水。     

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。