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。     

中国区域植被叶面积指数时空分布——机理模型模拟与遥感反演比较

叶面积指数是表征植被冠层特征的重要参数,同时也是决定生态系统净初级生产力的重要因子,它对全球变化和生态系统碳循环研究具有重要意义。目前大范围的叶面积指数只能通过遥感反演和机理模型模拟获得,而通过这两种方法获取的叶面积指数都存在一定的不确定性。利用大气-植被相互作用模型(AVIM2)在0.1°×0.1°经纬度网格上模拟产生了中国区域叶面积指数并与两套使用不同遥感反演方法生成的叶面积指数在空间分布和季节变化特征方面进行了比较。通过比较说明中国区域植被叶面积指数分布主要受水分条件限制,整体呈现东南部高西北部低的趋势。中国区域植被生长的季节变化受季风影响显著,与气温及地表太阳辐射的季节变化趋势相一致。中国区域叶面积指数整体呈现夏季高、春秋季次之而冬季低的趋势。     

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。     

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...     

马尾松林分结构对冠层水文效应的影响

了解不同林分结构森林的水文效应及其主要影响因素,可为林分抚育经营管理提供科学依据。本研究在三峡库区九领头林场设置14块20 m×30 m马尾松林样地,观测其林冠截留量、树干茎流量和穿透雨量,调查马尾松林分结构因子,利用Pearson相关分析、主成分分析、冗余分析等方法分析林分结构(叶面积指数、混交度、大小比数、竞争指数等)对水文效应(冠层截留率、穿透雨率、树干茎流率)的影响。研究期间(6—10月)林外降雨总量1008.4 mm,林冠截留量、穿透雨量和树干茎流量分别占总降雨的16.3%、82.3%和1.4%。Pearson相关分析结果表明:叶面积指数、胸高断面积、冠幅面积与冠层截留率呈显著正相关(P<0.05),与穿透雨率呈显著负相关(P<0.05),树干茎流率与树高、冠层厚度呈显著负相关(P<0.05),与叶面积指数、林分密度呈显著正相关(P<0.05);冗余分析结果表明:水文效应的再分配特征能被结构变量组合解释59.6%,蒙特卡罗置换检验结果表明:冠层截留率和穿透雨率主要受蓄积量这类结构组合变量的影响,蓄积量越大,冠层截留率越高,穿透雨率越低,树干茎流率主要受...     

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.     

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。     

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.     

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。     

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%.     

长白山阔叶红松林降雨截留量的估算

林冠截留降雨过程是森林流域水分循环的重要组成部分,以往的研究多为1次或多次降雨量与截留量的关系,很少考虑雨强和树木特征.文中利用林冠截留降雨半经验半理论模型,以雨强和叶面积指数为模型输入,林冠湿润程度为参数,结合Penman-Monteith公式,有效地模拟了长白山阔叶红松林次降雨的截留过程和2004年5～9月的林冠截留总量.结果表明,研究期间的林冠截留总量为39.96 mm,占降雨总量的10.2%,与实测资料吻合.根据模拟结果,探讨了不同时间尺度上截留量与降雨量之间的关系,随着时间尺度的增大,截留量与降雨量的相关关系趋于明显.     

中国森林生态系统林冠层降雨截留特征

森林生态系统作为陆地生态系统的主体,其发达的林冠层通过调节降水量、改变降水强度等深刻影响着流域全过程水文通量及水分输出。以中国广泛开展的典型森林降雨再分配过程的年尺度监测数据为基础,揭示中国不同类型森林生态系统的降雨再分配及林冠层降雨截留特征,阐明森林生态系统林冠层截留特征与降雨、植被要素的关系。结果表明:我国不同森林生态系统年穿透雨量处于141.4-2450.0 mm之间,年穿透雨率为36.3%-92.3%。5种典型森林生态系统多年平均穿透雨量((445.3±252.9)-(1230.6±479.6) mm)占同期多年平均降雨量的(72.6±9.2)%-(77.4±8.9)%。不同森林生态系统年树干茎流量介于0-508.2 mm之间,占同期年降雨量的0-25.8%。5种典型森林生态系统树干茎流量多年平均值((9.8±17.3)-(87.8±81.6) mm)占同期多年平均降雨量的(1.4±1.9)%-(5.4±4.6)%。不同森林生态系统林冠层年降雨截留范围在25.7-812.9 mm之间,占年降雨量的4.2%-55.6%。5种典型森林生态系统多年平均林冠截留量((154.2±81.6)-(392.2±203.5) mm)占同期年平均降雨量的(18.7±7.4)%-(25.9±8.3)%。进一步分析表明,我国森林生态系统穿透雨量、树干茎流量和林冠层截留量随观测区年降雨量的增加而呈显著增大(P<0.05),年穿透雨率、年树干茎流率随年降雨量的增加呈显著线性上升趋势(P<0.05),而年林冠截留率与年降雨量呈显著的负相关关系(P<0.01),降雨量、叶面积指数是深刻影响森林生态系统林冠层降雨截留率等特征的重要因素。整体上,不同类型森林生态系统林冠截留降雨能力存在明显差异,林冠层截留率突出表现为:落叶林大于常绿林、针叶林大于阔叶林。     

岷江上游植被冠层降水截留的空间模拟

 通过对岷江上游实地踏查和定位观测研究,结合MODIS遥感数据,利用“3S”技术对岷江上游植被冠层降水截留进行了空间模拟。研究结果表明：岷江上游植被叶面积指数（LAI）与增强性植被指数（EVI）以二项式关系拟合效果较好。由于归一化植被指数（NDVI）存在的饱和问题,研究采用EVI反演LAI,统计结果表明：岷江上游LAI值在0～2之间的占28.57%,在2～4.5之间的占63.06%,大于4.5的占8.37%,其中LAI最大值为7.394;从冠层最大降水截留模拟结果来看: 植被较好的地区,如卧龙、米亚罗的植被冠层最大降水截留量较大,而干旱河谷、上游高山草甸等地的植被冠层最大降水截留量相对较低;附加冠层降水截留与降雨量呈线性相关,模型验证时以此为基础,模型模拟的结果较为理想。     

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。     

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.     

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.     

秦巴山地植被绿度特征及其对地表水热的响应

地表水热通过影响土壤和大气间的水分交换以及植被生长用水对植被格局起关键作用。使用2000—2020年MODIS叶面积指数(Leaf area index, LAI)作为秦巴山地植被绿度的评价指标,基于遥感技术获取同时段地表温度(Land surface temperature, LST)和温度植被干旱指数(Temperature vegetation drought index, TVDI),用于指示地表水热状况。结合坡向和海拔等地形因素,使用均值和趋势法分析了秦巴山地植被绿度的时空特征;采用时滞相关性分析、主导因素分析探究了植被绿度与地表水热的相关关系,以及影响植被绿度变化的主导因素;借助广义可加模型,结合植被类型探讨了植被绿度与地表水热的非线性关系。结果表明：(1)秦巴山地LAI集中在1—5之间,LAI均值随海拔先增后减,不同坡向LAI差异较大,表现为大巴山北坡>大巴山南坡>秦岭南坡>秦岭北坡>西秦岭。秦巴山地LAI高值区与地表水热较好的地区在空间分布上具有一致性,LAI低值区与LST低值区或TVDI高值区较为一致。(2)秦巴山地LAI以由增变减趋势为主,变...     

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)。