川西亚高山不同暗针叶林群落类型的冠层降水截留特征

在林分和小流域尺度上,应用模型研究了四川卧龙亚高山暗针叶林冠层的降水截留特征.结果表明:生长季节(5—10月),箭竹-岷江冷杉原始林冠层截留系数在33%～72%之间,平均48%;冠层截留量与降水量之间呈显著的线性关系,截留系数与降水量之间呈负指数函数关系;试验小流域内,植被冠层最大截留量的平均值为1.74mm,不同林分间的差异显著,其顺序为藓类-箭竹-岷江冷杉林>草类-箭竹-岷江冷杉林>藓类-杜鹃-岷江冷杉林>草类-杜鹃-岷江冷杉林>杜鹃灌丛;冠层最大截留量与叶面积指数(LAI)之间呈极显著的线性关系;冠层截留量、冠层最大截留量、附加截留量分别占同期降水量的39%、25%和14%.所选模型对整个生长季平均截留量的模拟效果较好,相对误差为9%～14%.     

六盘山主要植被类型冠层截留特征

通过野外观测和模型模拟,研究了六盘山主要森林类型的冠层截留量、冠层截留容量和冠层截留模拟参数的变化.结果表明：六盘山主要森林类型的冠层截留率在8.59%～17.94%,穿透降雨率超过80%,树干茎流率在0.23%～3.10%;冠层截留容量在0.78～1.84 mm,其中叶截留容量在0.62～1.63 mm,枝干截留容量在0.13～0.29 mm,且针叶林的冠层截留容量高于阔叶林.考虑冠层叶面积指数的冠层截留改进模型较原有模型具有更好的模拟精度, 其中,研究区红桦林、华山松林、李灌丛和辽东栎-少脉椴混交林的模拟效果较好,辽东栎林、油松林和华西四蕊槭 石枣子灌丛模拟效果相对较差,这可能与冠层结构、叶面积指数以及降水特性等差异有关.     

广东省2004-2016年植被冠层降雨截留模拟及时空变化特征

评价植被冠层降雨截留能力,是生态系统水循环的重要研究内容。以广东省中小流域为例,结合地面监测站点的降雨量数据和MODIS叶面积指数遥感数据,利用植被冠层降雨截留模型,定量模拟和分析了广东省流域尺度2004-2016年的地表植被冠层降雨截留能力及其时空变化特征。结果表明：（1）2004-2012年广东省年均植被冠层降雨截留率持续下降,2016年略有上升,并且随着时间的推移,流域之间的植被冠层降雨截留率差异越来越小。（2）广东省植被冠层降雨截留能力呈现山区东西两翼高,山区中部以及沿海地区低的显著空间差异格局,这种空间格局与植被覆盖LAI主要呈现由珠三角向外围递增的圈层空间格局特征密切相关,而与由南向北逐渐递减的降雨空间格局特征相关性不大。（3）森林覆盖对流域植被冠层降雨截留能力有着一定的影响,其中流域内阔叶林占森林面积的比例对这种影响的程度起着最为关键的作用。     

基于Horton 模型的涟江流域马尾松林冠截留模拟

喀斯特地区林冠截留对降水再分配和水源涵养起到重要的作用。以涟江流域马尾松为研究对象, 以植被截留观测数据为基础, 基于Horton 模型建立涟江流域马尾松林冠截留模型。结果表明: 观测期内, 涟江流域降雨总量为520.67 mm, 叶面积指数平均为0.39; 马尾松林冠截留总量的模拟值为67.79 mm, 与实测值误差16.55 mm, 两者间的决定系数(R²)为0.75, 模型模拟效果较好; 流域内马尾松林冠截留量占全年降水总量的17.04%, 且流域林冠截留空间分布呈现由东北部向南部递减的规律, 流域内黄壤与石灰土上的马尾松林冠截留量较大, 而不同地貌对林冠截留量的影响较小。总体而言, 构建的模型能达到较好的模拟效果, 涟江流域马尾松林具有较强的林冠截留作用。     

苏南丘陵区毛竹林冠截留降雨分布格局

降雨穿过林冠层时,由于林冠的拦截作用,改变了降雨分布格局。林冠截留是一个复杂的水文过程,受降水特征及林分特性的影响较大。本文以北亚热带苏南丘陵地区人工毛竹林(Phyllostachys edulis)为研究对象,利用2007年度各场次降雨观测数据,分析了降雨量和降雨强度与林冠截留降雨的关系,研究了林冠截留过程的特点。结果表明：（1） 研究期间共观测到102次降水事件,降水总量为1110.8mm,单次最大降雨量为110.0㎜,最小为0.55㎜,事件平均降水量为10.89mm,且绝大部分降雨为低雨强、中雨量级的降雨事件。（2） 研究期间林冠截留总量为171.72mm,占同期降雨总量的15.46%。单次林冠截留量变幅为0.21—4.55mm,截留率变幅为1.3%—100%,且随林外降雨量的递增,林冠截留率呈现递减的变化趋势,二者的关系用幂函数（I0=117.34P-0.9106）拟合效果较好。（3）在林外次降雨量小于5㎜的条件下,事件降雨量占年降雨总量的5.0%,相应的降雨事件频率为9.8%,此时林冠截留量随降雨量的增大而增加,其变幅为0.55—1.9㎜,截留量与降雨量的关系用对数函数（I=0.4931Ln(P) 0.9493）进行拟合效果较好;在单场降雨量大于5㎜时,林冠截留量随各场次降雨量的增加,其变动幅度和频率均大大增强,变化范围在0.21—4.55㎜之间,二者相关性较差。（4）降雨在7—10mm雨量级范围内时,林外降雨量和林冠截留量分别为245.14mm和47.9㎜,占其全年总量的比例均为最大,分别为22.07%和27.9%;各雨量级林冠平均截留量与平均降雨量的关系表现为对数函数关系（R2=0.7287）,而截留率与平均降雨量的关系表现为极显著的幂函数关系（R2=0.9817）,且林冠对降雨的截留作用在雨量级较小时,表现十分显著。（5）全年单场降雨强度小于0.06mm/min时,降雨事件频数为73.53%,降雨量占其总量的57.93%,林冠截留量占其总量的89.34%,降雨事件平均截留率（23.84%）远高于雨强大于0.06mm/min时的降雨事件平均截留率（3.92%）。本研究结果为长江中下游丘陵山区水土保持林和水源涵养林体系建设提供了理论依据。     

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。     

土丘陵沟壑区苹果树冠截留规律

以陕北黄土丘陵沟壑区的盛果期山地苹果为研究对象,2008-2010年连续3年监测其树冠外大气降水、树冠穿透降水和树干径流,分析不同降水因子对树冠截留能力的影响.结果表明： 研究区苹果树干径流率为0.8%,树冠截留率为8.9%,且株间的截留量高于行间,距树干越近,截留量越高.苹果树冠在雨季截留量较大而截留率较低,旱季截留量较小但截留率较高.苹果树冠截留量随降水量、降水强度、降水历时、降水间隔的增大而增加,为幂函数或对数函数关系;截留率随降水量、降水强度、降水历时的延长而降低,随降水间隔的延长而增加,呈幂函数关系.不同降水因素中,降水量对苹果树冠截留能力的影响最大.     

MODIS植被指数与水稻叶面积指数及叶片叶绿素含量相关性研究

利用光谱分辨率为3nm的ASD FieldSpec UV／VNIR光谱仪获得了2002和2003年水稻整个生长期的高光谱数据,同时对水稻叶面积指数(LAI)和叶绿素含量(CHL．Ｃ)进行了测定,对中分辨率成像光谱仪(MODIS)的增强植被指数(EVI)、归一化植被指数(NＤVI)以及红边位置(REP)与LAI及CHL．C之间的关系进行了研究．结果表明。LAI与冠层光谱在可见光、近红外波段相关性较好,叶绿素含量与冠层光谱在红光波段相关性较好．EVI、REP和LAI之间的相关关系不受水稻覆盖率的影响;NDVI与LAI的相关关系在水稻低覆盖率情况下较好;在水稻高覆盖率情况下。EVI和REP比NDVI与LAI之间的相关关系要好．MODIS-NDVI、EVI及REP与叶片叶绿素含量相关性较好．由此可见,EVI和REP可以有效地监测水稻LAI和CHL．C．     

黄土丘陵沟壑区苹果树冠截留规律

以陕北黄土丘陵沟壑区的盛果期山地苹果为研究对象,2008-2010年连续3年监测其树冠外大气降水、树冠穿透降水和树干径流,分析不同降水因子对树冠截留能力的影响.结果表明:研究区苹果树干径流率为0.8％,树冠截留率为8.9％,且株间的截留量高于行间,距树干越近,截留量越高.苹果树冠在雨季截留量较大而截留率较低,旱季截留量较小但截留率较高.苹果树冠截留量随降水量、降水强度、降水历时、降水间隔的增大而增加,为幂函数或对数函数关系;截留率随降水量、降水强度、降水历时的延长而降低,随降水间隔的延长而增加,呈幂函数关系.不同降水因素中,降水量对苹果树冠截留能力的影响最大.     

基于改进SW模型的千烟洲人工林蒸散组分拆分及其特征

蒸散组分拆分是准确评估陆地生态系统生产力以及估算水分利用效率的重要基础。利用改进后的Shuttleworth-Wallace模型,将蒸散拆分为植被蒸腾、土壤蒸发和冠层截留蒸发,并采用Monte Carlo随机参数化方案对模型参数进行优化。将模型与千烟洲亚热带人工针叶林站点的2011年涡度相关及小气候观测资料结合,对千烟洲人工林蒸散及其组分进行模拟。研究结果表明:半小时尺度上蒸散量模拟值与实测值的一致性在晴天和雨天都较高。半小时尺度上全年蒸散模拟值与实测值的决定系数、均方根误差和平均偏差为0.73、1.55 mmol m~(-2)s~(-1)和0.21 mmol m~(-2)s~(-1)。蒸散是该生态系统水分输出的最主要贡献项,占全年降水的80%。在蒸散中,植被蒸腾约占总蒸散量的85%,可推测2011年千烟洲人工林生态系统有较高的水分利用效率。该生态系统的蒸腾量季节变化明显,主要受饱和水汽压差和气温两种环境因素以及植被的叶面积指数影响且与三者均呈正相关;土壤蒸发约占总蒸散量的5%,季节变化平缓;模拟的冠层截留蒸发量约占总蒸散量的10%,季节变化大,与降水量呈正相关,与暴雨频次呈负相关,说明冠层无法有效截留强降水。该模型参数较少、时间分辨率高且可以有效模拟蒸散及其组分特征,是陆地生态系统水分循环过程研究有力的模型工具。     

The effects of tree characteristics on rainfall interception in urban areas

Trees in urban areas have significant effects on the urban ecosystem. They can be used to improve the water cycle in urban areas by increasing evaporation and reducing runoff through rainfall interception. Street trees placed in planters on impervious areas reduce runoff by intercepting rainfall and by temporarily storing raindrops on leaves. Therefore, understanding tree canopy geometry and the effect of rainfall interception is important in urban hydrology. In this study, we assessed the effect of tree canopy morphology on rainfall interception using four major street tree species, Sophora japonica L., Ginkgo biloba L., Zelkova serrata (Thunb.) Makino, and Aesculus turbinata Blume, in Seoul, South Korea. We measured throughfall for each tree and also derived three-dimensional data of tree canopy morphology with a terrestrial laser scanner. Tree height, canopy crown width, leaf area index (LAI), leaf area density, mean leaf area, and mean leaf angle were used to determine canopy morphology. The interception rate was mostly affected by the LAI; a higher LAI tended to result in a higher interception rate. Leaf area affected the rainfall interception rate when trees had similar LAIs. These findings on individual tree canopy rainfall interception can help us to understand the importance of rainfall interception in hydrology and for ecological restoration when planning urban green spaces.

     

祁连山区青海云杉林冠层叶面积指数的反演方法

叶面积指数(Leaf area index, LAI)是陆地生态系统的一个十分重要的结构参数。随着空间精细化模型的发展和基于过程的分布式模拟技术的应用, 对LAI的区域估算显得越来越重要, 但目前尚缺乏有效的估算手段。该项研究以青海云杉(Picea crassifolia)林为研究对象, 利用LAI-2000冠层分析仪、鱼眼镜头法和经验公式法对林冠层LAI进行了测定, 观测值分别为1.03~3.70、0.48~2.26和2.27~8.20, 显然, 仪器测定值偏低。针对针叶的集聚效应导致仪器测定值偏低的现象, 利用跟踪辐射与冠层结构测量仪(TRAC)测定的青海云杉林聚集系数计算调整系数, 对鱼眼镜头法获取的LAI值进行订正。根据高分辨率的遥感数据反演青海云杉林的植被指数与LAI的关系, 最后获得了较合理的该地区林冠层LAI的空间分布图。     

樟子松林冠截留模拟实验研究

林冠截留是林分水量平衡的主要分量之一．通过选取影响樟子松林冠截留的主要因子：雨强、雨量、叶面积指数和雨前枝叶干燥度４个因子,分成５个水平,经正交试验组合,进行了２５场林冠截留实验．通过分析各因子对截留的影响,得出叶面积指数的影响最大,极显著,雨强次之;为此建立了截留量与叶面积指数和雨强关系的模拟方程;在降水量小、叶面积指数较大的情况下,截留量与降水量呈正比,为此建立了截留量与降水量关系的模拟方程．     

Test of Accuracy of LAI Estimation by LAI-2000 under Artificially Changed Leaf to Wood Area Proportions

The accuracy of LAI-2000 Plant Canopy Analyzer for leaf (LAI) and plant (PAI) area indexes measurements was tested in 20-year-old Norway spruce stand using the reduction of canopy biomass. Needle and branch areas were reduced progressively upward every one meter. Values of effective leaf area index (LAI_e), as an uncorrected product of LAI-2000, were compared with directly estimated LAI and PAI values after each reduction step. LAI-2000 underestimates PAI and LAI values according to LAI-2000 rings readings, and varied proportions between leaf and wood areas. The values of LAI_c have been increased with decreasing of the view angle of the relevant LAI-2000 rings. Therefore, the underestimation of LAI becomes smaller when the readings near the horizon are masked. More accurate results, for projected LAI (LAI_p) calculation, are produced by LAI-2000 when some dense grids of measurement points and the most vertical ring readings (0 –13 °) are used. Correction factor 1.6 is possible to use for unreduced canopy hemi-surface LAI estimation, when the last rings (i.e. 5^th and 4^th rings, 47 –74 °) are excluded. Correction factor of 1.25 can be used to compute LAI_p if the angle readings under 43 °are also masked.     

Spectral vegetation indices as the indicator of canopy photosynthetic productivity in a deciduous broadleaf forest

Aims Understanding of the ecophysiological dynamics of forest canopy photosynthesis and its spatial and temporal scaling is crucial for revealing ecological response to climate change. Combined observations and analyses of plant ecophysiology and optical remote sensing would enable us to achieve these studies. In order to examine the utility of spectral vegetation indices (VIs) for assessing ecosystem-level photosynthesis, we investigated the relationships between canopy-scale photosynthetic productivity and canopy spectral reflectance over seasons for 5 years in a cool, temperate deciduous broadleaf forest at 'Takayama' super site in central Japan.Methods Daily photosynthetic capacity was assessed by in situ canopy leaf area index (LAI), (LAI × V cmax [single-leaf photosynthetic capacity]), and the daily maximum rate of gross primary production (GPP max) was estimated by an ecosystem carbon cycle model. We examined five VIs: normalized difference vegetation index (NDVI), enhanced vegetation index (EVI), green–red vegetation index (GRVI), chlorophyll index (CI) and canopy chlorophyll index (CCI), which were obtained by the in situ measurements of canopy spectral reflectance.Important findings Our in situ observation of leaf and canopy characteristics, which were analyzed by an ecosystem carbon cycling model, revealed that their phenological changes are responsible for seasonal and interannual variations in canopy photosynthesis. Significant correlations were found between the five VIs and canopy photosynthetic capacity over the seasons and years; four of the VIs showed hysteresis-type relationships and only CCI showed rather linear relationship. Among the VIs examined, we applied EVI–GPP max relationship to EVI data obtained by Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer to estimate the temporal and spatial variation in GPP max over central Japan. Our findings would improve the accuracy of satellite-based estimate of forest photosynthetic productivity in fine spatial and temporal resolutions, which are necessary for detecting any response of terrestrial ecosystem to meteorological fluctuations.     

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。     

不同放牧制度下呼伦湖流域草原植被冠层截留

冠层截留是降雨过程中的水量分配和流域水平衡的一个重要组成部分,通过水浸泡法和降雨模拟实验研究呼伦湖流域草原3种放牧制度下(休牧、轮牧、自由放牧(超载放牧))植被冠层截留量的变化规律,并利用遥感解译植被归一化指数(NDVI),确定3种放牧制度下草原面积,估算呼伦湖流域草原降雨截留量。研究表明:在休牧、轮牧、自由放牧3种制度下,水浸泡法测定的截留量分别是0.468、0.320、0.271 mm。降雨模拟实验法测得的结果分别是0.957、0.613、0.431 mm。休牧、轮牧、自由放牧草场叶面积指数、盖度、容重、生物量等指标差异显著(P0.05),且单株植被高度、鲜重对截留量影响显著呈线性正相关关系。呼伦湖流域草原一次降雨量为大于等于30 mm全流域降雨,其植被截留量为6.462×106m3。