基于修正的Gash模型对南亚热带季风常绿阔叶林林冠截留的模拟

Gash解析模型及其修正的模型是估算和预测林冠截留的有效工具,探讨其在南亚热带森林植被冠层截留模拟中的适用性,是认识该区域结构相对复杂的自然林分冠层的降雨截留能力及其相关科学问题的重要基础。基于2009年鼎湖山国家级保护区内季风常绿阔叶林样地降雨及其他气象因子的观测数据,采用修正的Gash模型对南亚热带地带性顶极群落季风常绿阔叶林的冠层截留量及其组分进行了模拟量化。结果表明:2009年,季风常绿阔叶林林内穿透雨量、树干径流量和林冠截留量分别为1310.9、85.5和498.9 mm,分别占林外总降雨量的69.2%、4.5%和26.3%。基于修正的Gash模型对林冠降雨截留量的同期模拟值为473.0 mm,模拟截留量比实测值低25.9 mm,相对误差为5.2%。对干季降雨截留模拟的相对误差较小(1.8%),湿季稍大(6.8%)。从林冠截留量的构成来看,降雨停止后的林冠蒸发(231.4 mm)是林冠截留的主要组成部分,占总截留量的48.9%。整体上,国内基于Gash及其修正模型对森林冠层截留的模拟相对误差在0.2%~35.0%。林冠持水能力被视为模型准确估算林冠截留量的先决条件,国内运用不同方法估算的不同林分林冠持水能力大致处于0.23~2.86 mm。修正的Gash模型适用于南亚热带季风常绿阔叶林林冠截留的模拟应用。     

应用修正的Gash解析模型对岷江上游亚高山川滇高山栎林林冠截留的模拟

修正的Gash解析模型具有较好的物理基础,是目前估算和预测林冠截留的有效工具。基于2007年6月到9月的降雨数据、气象和林分结构资料,采用修正的Gash解析模型对岷江上游川滇高山栎林冠截留进行了模拟。结果表明,林冠持水能力为0.23mm,树干持水能力为0.041mm,树干茎流系数为0.013,使林冠饱和的降雨为0.3mm;研究期间实测的林冠截留量为80.2mm,占总降雨量的16.5%,应用模型模拟的林冠截留总量为81.8mm,高于实测值1.6mm(高于实测值2.0%),林冠截留和树干茎流周累积量模拟值均与实测值有很好的一致性,敏感性分析结果显示,应用修正的Gash解析模型进行岷江上游川滇高山栎林冠截留模拟研究中,模型最易受林冠持水能力影响,其次为郁闭度、树干持水能力,影响最小的林分参数为树干茎流系数。     

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。     

西双版纳地区热带季节雨林与橡胶林林冠水文效应比较研究

季节雨林和橡胶林是西双版纳热带森林系统中可以代表原始林和大面积种植的人工林两种林型,采用水量平衡法,利用对以上两种林分林冠水文各分量1996～2001年的观测结果,初步分析其林冠水文效应,结果表明：一年内,季节雨林林冠截留量660．6mm,树干径流量80．7mm,穿透降雨量,853．2mm,分别占同期降雨总量的41．43％、5．24％、53．74％;橡胶林林冠截留量393．5mm,树干径流量104．1mm,穿透降雨量1096．8mm,分别占同期降雨总量的24．68％、6．68％、67．85％;两种林分森林水文各分量干、雨季差异显著,在研究中还发现,季节雨林中树干径流量随径级的增大而减小,干季出现密林(季节雨林)的穿透降雨量大于疏林(橡胶林)的反常现象;与我国其他地区相比,季节雨林和橡胶林有较大的林冠截留率及干流率。     

陇中黄土高原油松人工林林冠截留特征及模拟

以陇中黄土高原安家沟小流域的油松人工林为对象,于2011年生长季(5---9月)观测其林外降雨、穿透雨、树干茎流及林冠结构特征,采用修正的Gash解析模型模拟林冠截留,研究油松人工林的生态水文过程及影响机理.结果表明:研究期间共观测到19次降雨事件,总降雨量为215.80 mm,其中林冠截留48.27 mm,占总降雨量的22.4％;穿透雨165.24 mm,占同期林外降雨量的76.7％;树干茎流量2.29 mm,占同期降雨量的1.1％.模拟的林冠截留量为41.24 mm,比实测值低7.13 mm,相对误差为14.7％,其中,33.8％和60.0％截留分别在降雨期间和降雨之后蒸发.修正的Gash解析模型对林冠盖度、林冠持水能力、蒸发和雨强有较强的敏感性,而对树干茎流率和树干持水能力的敏感性不高.     

基于Gash修正模型模拟侧柏及其混交林的林冠截留过程

为探究Gash修正模型对纯林及混交林林冠截留模拟的适用性和差异性,以北京市八达岭森林公园侧柏纯林和侧柏黄栌混交林为研究对象,以研究区2013年5—10月的实测资料为基础数据,运用Gash修正模型对其林冠截留过程进行模拟,并分析模型参数敏感性。结果表明:(1)侧柏(Platycladus orientalis)纯林的穿透降雨量、树干茎流量和林冠截留量的实测值分别为395.2、22.3和129.5 mm,相对应的Gash修正模型模拟值分别为415.80、18.04和113.09 mm,相对误差分别为5.2%、19.0%和12.7%;侧柏黄栌(Cotinus coggygria)混交林的穿透降雨量、树干茎流量和林冠截留量的实测值分别为414. 6、12. 2和120.1 mm,相对应的Gash修正模型模拟值分别为454.26、10.27和82.40 mm,相对误差分别为9.6%、15.6%和31.4%;(2)选择Gash修正模型中的饱和林冠持水能力(S)、平均降雨强度(R)、饱和林冠平均蒸发速率(E)、郁闭度(c)、树干持水能力(St)和树干茎流系数(Pt)共6项参数,进行敏感性分析。对于侧柏纯林,当各参数在-50%～-20%范围内变化时,模拟林冠截留量对各项参数的变化敏感性排序为ScERcStPt,而当参数在-20%～50%范围内变化时,其排序为SERcS_tP_t;对于侧柏黄栌混交林,模拟林冠截留量对各项参数的变化敏感性排序为SERcS_tP_t。综上,Gash修正模型对于侧柏黄栌混交林的模拟精度较侧柏纯林小,但可满足应用需要;参数S是影响侧柏黄栌混交林和侧柏纯林中的Gash修正模型模拟精度的重要因素。     

西双版纳热带季节雨林与橡胶林林冠的持水能力

基于2003～2004年的实验室和野外实测数据,采用尺度上推法对西双版纳地区热带季节雨林和橡胶林林冠持水能力进行了研究.结果表明,热带季节雨林林冠持水 能力为0.45～0.79 mm、橡胶林为0.48～0.71 mm,其中林冠木质部分（枝和树皮）的持水能力占较大优势;雾凉季（11月至翌年2月）和干热季（3～4月）的 林冠持水能力高于雨季（5～10月）;林冠各部分达到饱和所需的时间为叶（5 min）＜树皮（2～3 h）＜枝（2.5～4 h）.对两种林分林冠各部分在浸水/风干过程 的分析结果表明,叶易吸水和风干,在历时较短的降雨事件中是林冠截留的主体,在林地中,面积指数较大的枝和树皮吸水和风干较难,在强度大、历时长的降雨事件中可 以较好地发挥截留作用.与橡胶林相比,热带季节雨林林冠持水能力虽较小,但是其多层林冠结构林冠持水能力较强.     

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.     

辽宁东部山区落叶松人工林林冠降雨截留观测及模拟

利用2005-2008年辽东山区落叶松人工林林冠降雨截留观测数据,并选取Gash解析模型模拟林冠截留过程.结果表明：落叶松人工林林内穿透雨量与林外降雨量呈显著正相关关系(R²=0.98),年均穿透雨量占总降雨量的77.64%;林冠截留量与降雨量和降雨强度之间呈正相关关系;除2007年由于降雨间隔时间短导致模拟截留量大于实测截留量外,模型模拟的林冠截留量均小于实测林冠截留量;模型模拟的绝对误差与林外降水量呈负指数相关,为1.26%～68.96%,平均值为29.09%;模拟值与实测值之间的相关系数为0.91,模型模拟结果与实测结果相吻合.     

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.     

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。     

Episodic stemflow inputs of magnesium and potassium to a tropical forest floor during heavy rainfall events

Summary Stemflow inputs of magnesium and potassium were measured from 57 canopy trees representing eight species under heavy rainfall conditions in two tropical forest sites in northeast Queensland, Australia. In the premontane tropical moist forest site on the Atherton Tableland, the stemflow input per unit trunk basal area of 51 canopy trees was found to be 0.46 g m^-2 of Mg²⁺ and 4.22 g m^-2 of K⁺ for an average wet season rainday of 99 mm. In the wetter montane tropical rainforest site on Mount Bellenden Ker, the stemflow input per unit trunk basal area of six canopy trees was 5.55 g m^-2 of Mg²⁺ and 9.12 g m^-2 of K⁺ for a wet season rainday of 38 mm. These stemflow inputs from single raindays are greater than the mean annual rainfall input and are almost of the same order of magnitude as the mean annual throughfall input of these cations to areas equal to the trunk basal area from which the stemflow was collected. Stemflow cation fluxes of this magnitude are mainly attributable to the funnelling of large quantities of rainwater down the trunks of these canopy trees by their thoroughly wetted, upwardly inclined branches.     

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。     

川西亚高山典型森林生态系统截留水文效应

截留是水文循环的一个重要过程,水文功能是森林生态系统功能的重要方面,林冠和枯落物截留实现对大气降水的二次分配过程.为深入认识生态系统截留的水文效应,采用野外观测和人工降雨模拟试验相结合的方法,研究了2008年和2009年5-10月贡嘎山亚高山峨眉冷杉中龄林、峨眉冷杉成熟林和针阔混交林的冠层枯落物截留能力.结果表明,峨眉冷杉中龄林2008年林冠截留率为20.9％,针阔混交林2008年和2009年林冠截留率分别为23.0％和23.6％,林冠截留率的年际间变化不大,林冠截留主要受到降雨特征影响.3种林型枯落物饱和持水能力分别为5.1、5.1和5.7 mm,显著高于林冠的饱和持水能力,但由于冠层的截留蒸发速率较高,林冠截留蒸发仍是生态系统截留蒸发的主要组成部分.     

麻竹山地笋用林水文过程及养分动态

在福建省南靖国有林场的小山城工区设置试验地,进行了麻竹林生态系统水文特征和养分动态研究.实验表明在一定降雨量级范围内,林冠截留量随着降水量的增加而增加,且较小雨量级时增加较快,较大雨量级时增加较慢,并趋于一定值;林冠截留量与一次性降雨量的关系可以用Richards函数较好地拟合.由于雨季降雨量大,林冠截留、穿透水和茎流量都具有明显的季节性,穿透水和茎流量明显多于旱季,林冠截留率则明显小于旱季.全年林冠截留、穿透水和竹秆茎流量分别是283.10、1720.45和99.09 mm.年均林冠截留率、穿透率和竹秆茎流率分别为13.47%,81.82%和4.71%.在养分动态方面,在实验地分别实施全翻、带翻及扩穴(即按农户常规土壤管理,每年3月扩穴,不深翻)3 种不同的土壤垦复措施,结果显示全翻垦复措施地表径流的N,P,K的流失量最大,其中又以中K的流失量最大(3.84 kg/hm2),N,P,K的年流失量大小顺序为全翻>带翻>扩穴.就林地养分利用率而言,带翻是3 种措施中最高的为21.22%,其次为全翻为20.46%,最小为扩穴19.61%,且N、P和K的年盈余量也是3 种措施中最少的,分别为783.18 kg/hm2,120.68kg/hm2和184 .50kg/hm2,所以带翻的经营方式,在带来最好的经济效益的同时,不至于显著提高水土流失,是值得推广的一种麻竹林经营方式.