为揭示黄土区冠层降雨再分配的潜在分配特征,本研究以晋西黄土区8种典型林分(油松林、刺槐林、侧柏林、油松-刺槐混交林、侧柏-刺槐混交林、辽东栎林、山杨林和辽东栎-山杨混交林)为研究对象,探究降雨再分配过程并利用增强回归树(BRT)模型量化林分结构和气象环境因子的相对贡献,并根据BRT模型提取的最具影响力的因素进行多元回归,同时利用挖掘数据进行模拟验证预测模型.结果表明:研究区8种典型林分的穿透雨、树干茎流和冠层截留占降雨量的比例分别为24.5％-95.1％、0-13.6％和0.7％～55.7％;产生穿透雨的单次降雨阈值中,针叶林(3.06±1.21 mm)显著高于阔叶林(1.97±0.52 mm),但与针阔混交林无显著差异(3.01±0.98 mm);产生树干茎流的单次降雨阈值中,不同组成林分中无显著差异.BRT模型中,对于穿透雨和树干茎流,林分结构因子的影响占比较小,而对于冠层截留,林分结构因子则占主导地位;降雨量是决定穿透雨和树干茎流最重要的因素;树高是决定冠层截留最重要的因素,降雨量、冠幅面积、胸径和林分密度分列其后.对比一般线性函数和幂函数,本研究建立的BRT预测模型对穿透雨和树干茎流的预测效果有所提升,对冠层截留的预测仍需探究.综上,BRT模型可较好定量化评估林分结构和气象环境因子对降雨再分配各组分的影响,且所建预测模型模拟效果良好,可为制定林木配置优化策略提供科学依据.

为揭示高寒半干旱区不同降雨强度对植被差异下沙化土地土壤含水量变化过程的影响.以青海共和盆地东缘黄沙头乔木、灌木和裸地为研究对象,基于2020、2021和2022年5月-9月植物生长季土壤含水量、降雨量和细根分布监测数据,分析2020年、2021年、2022年各生境0-200 cm深度土壤水分对小雨、中雨、大雨的响应.连续动态监测结果表明,大雨、中雨条件下,随土层深度的增加土壤水分对降雨的响应时间延长.乔木林和灌木林土壤水分对中雨、大雨最大响应深度为70 cm、100 cm,裸地对中雨、大雨最大响应深度为50 cm、100 cm.随土层深度的增加,小雨对乔木、灌木、裸地土壤水分的补充作用逐渐降低;中雨对灌木林土壤水分的补充作用逐渐降低,乔木林与之相反;大雨时乔木林、灌木林变异系数呈现S型变化,因此大雨对其土壤水分的补充存在明显的分层利用现象.不同植被类型土壤水分空间变化差异以及对降雨的响应受植被冠层截留对降水再分配的影响,土壤含水量与环境因子间的主成分分析表明,郁闭度、叶面积指数、150-200 cm 土壤容重、细根生物量密度、根表面积密度、根长密度、比根长是反映研究区土壤水分的显著因子(P＜0.05).研究表明不同降雨强度植被土壤含水量存在明显差异,高寒半干旱区沙化土地乔、灌植被的建植可提升深层土壤储水能力;结果可为沙化土地恢复和水土流失防控提供科学依据.

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.

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.

随着全球气候变化加剧,局部地区温度上升和降水量改变将对区域植被的分布与生长产生重要影响.在黄土高原半湿润及半干旱地区植被恢复中,刺槐(Robinia pseudoacacia)是大面积种植的人工林树种.为探究该树种蒸腾耗水特征对降水量改变及水分条件差异的响应,于2015年4月起,在地处黄土高原半湿润区的陕西省永寿县槐平林场,于35年生刺槐人工林样地中布设了人工截留降雨试验,减少了47.5％的降雨输入.处理当年生长季内,截留降雨处理区0 100 cm土层的平均土壤含水量相对于对照区(23.76％)有明显降低(22.59％).采用Granier热扩散探针对截留降雨处理区和对照区的样树树干液流动态进行连续监测,并同步监测主要气象环境因子(太阳辐射、空气温度和湿度)和林地土壤含水量,分析了截留降雨处理区与对照区树干液流通量密度动态特征及其对环境因子的响应.结果表明:截留降雨输入处理降低了刺槐树干液流通量密度,截留降雨处理期间典型天气的平均液流通量密度(1.64 mL·m-2·s-1)不仅低于同组样树在处理前一年同期的水平(2.42 mL·m-2·s-1),而且远低于试验期间对照区样树的平均水平(3.38 mL·m-2·s-1);同时,截留降雨处理还降低了刺槐液流通量密度对气象因子变化的敏感性,截留降雨处理区样树液流通量密度响应空气水汽压亏缺的拟合方程参数值与对照区样树差异显著.分析可知,降水量水平不仅影响土壤水分状况,而且影响刺槐对气象环境因子响应的敏感性,降水量减少导致的土壤含水量整体降低会使得该区域刺槐蒸腾耗水量下降,显示其对环境因子的适应性,但最终会导致生产力的大幅度降低.

不断增加的大气氯离子 (Cl-) 浓度正在成为影响陆地生态系统过程的全球环境变化因子, 为了解气候变化敏感且观测困难的山区人工林对大气Cl-的过滤效应, 以川西亚高山粗枝云杉人工林为研究对象, 监测分析2015年8月至2016年7月期间, 大气降水 (降雨和降雪) 和穿透水中Cl-的动态变化及林冠对其的截留作用.1年中共进行了33次大气降水的观测与采样, 包括27次降雨和6次降雪.大气降水中Cl-的平均浓度为1.33 mg/L, 降雨中Cl-的平均浓度为1.41 mg/L, 降雪中Cl-的平均浓度为0.98 mg/L.通过降水输入到森林生态系统的Cl-总量为7.56 kg/hm2, 其中, 通过降雨的Cl-输入量为6.31 kg/hm2, 通过降雪的Cl-输入量为1.25 kg/hm2.1年内林冠的总截留量为2.61 kg/hm2, 平均截留率为38.08％.其中, 林冠对降雨过程中Cl-的截留总量为2.20 kg/hm2, 平均截留率为38.90％;对降雪过程中Cl-的截留总量为0.41 kg/hm2, 平均截留率为34.39％.8月的平均截留率最大, 9月的平均截留率最小.林冠对降水过程中Cl-的截留率与降水量呈显著负相关关系.可见, 川西亚高山粗枝云杉人工林林冠对Cl-具有较强的截留作用, 这对于维持和改善长江上游水源涵养地环境具有重要意义;全球变化导致的降水格局变化可能会改变人工林林冠对大气Cl-的截留与过滤作用.

明析马尾松(Pinus massoniana)和红锥(Castanopsis hystrix)纯林降水再分配及冠层淋溶效应的差异,可为南亚热带针叶人工林改造提供水文数据.依托广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站,通过野外测定和室内分析相结合的方法,利用林下布设的30个自记雨量简,测定了2016年1-12月的大气降水、穿透雨及树干径流,同时采集7-12月10次降水事件水样,监测其化学成分.结果表明:观测期间降雨总量为1070.2 mm,马尾松和红锥纯林穿透雨分别为823.0和693.2 mm,占降雨量的76.9％和64.8％;树干径流分别为3.2和9.9 mm,占降雨量的0.3％和0.9％;林冠截留量分别为244.0和367.1 mm,占降雨量的22.8％和34.3％,说明马尾松和红锥纯林对降水再分配的作用是不同的,红锥纯林具有更好的林冠截留能力.降水对红锥纯林冠层4种盐基离子(K+、Mg2+、Na+、Ca2+)的淋溶量为17.53 kg·hm-2,是马尾松纯林的0.7倍,但酸缓冲是马尾松纯林的1.6倍.与马尾松纯林相比,红锥纯林具有更好的避免冠层养分淋溶和应对酸沉降的能力.

2016年12月-2017年11月研究了都江堰灵岩山麻栎-喜树人工混交林林冠对不同物候期(无叶期、展叶期、盛叶期和落叶期)雨水中K+和Na+的再分配作用.结果表明:大气降雨中K+和Na+浓度分别为1.87和1.46 mg·L-1,穿透雨中分别为5.78和1.39 mg·L-1,雨水中的K+浓度在展叶期最高,盛叶期最低,Na+在无叶期和展叶期较高,盛叶期和落叶期较低;大气降雨中K+和Na+的输入量分别为25.47和21.60 kg·hm-2·a-1;降雨对林冠中K+的淋溶量为13.64 kg·hm-2·a-1,无叶期、展叶期、盛叶期和落叶期的淋溶量分别为1.67、6.23、2.28和3.46 kg·hm-2,在展叶期淋溶量最大;林冠对Na+的截留量为11.26 kg·hm-2·a-1,无叶期、展叶期、盛叶期和落叶期的截留率分别为32.6％、18.0％、44.9％和31.5％,盛叶期时截留量最大.可见,麻栎-喜树人工混交林林冠对大气降雨中K+和Na+的再分配作用随物候期而变化,这为深入了解华西雨屏区森林生态系统的K+和Na+循环提供了基础数据.

大气湿沉降是流域生态系统水体中碳氮的重要来源,对生态系统的健康及稳定性有很大的影响.通过对江西千烟洲典型亚热带流域降雨过程的碳、氮湿沉降和径流过程的季节性动态特征进行监测分析,探讨流域沉降、径流输出的C、N耦合及平衡关系.结果表明:千烟洲香溪流域降雨径流中碳氮浓度明显低于雨水,流域大气降水中DOC浓度和TN浓度呈极显著正相关关系.香溪河流域常规水体C∶N均值为2.81,远低于根据Redfield比率得出的适宜浮游生物生长的C∶N(6.6左右),说明外源性N输入导致该流域水体环境处于N过量的状态,长期输出会提高下游鄱阳湖水系的营养化程度.降雨过程对流域碳输入输出平衡影响较小,对氮输入输出平衡的影响较大.流域湿沉降DOC年输入量为69.41 kg hm-2 a-1,TN湿沉降通量为77.23 kg hm-2a-1,碳氮沉降水平受区域降雨量及空气污染情况控制.香溪流域生态系统截留的沉降TN占当地氮肥年均使用量的33.13％,大气降水对亚热带流域生态系统的大量营养物质输入不容忽视.

本研究通过对黄土高原坝系流域的碳(C)、氮(N)湿沉降过程、降雨径流过程及其基流过程的动态监测,揭示C、N湿沉降对流域水体碳氮流失的贡献,探讨C、N流失负荷在降雨-径流中的分布,进一步评估黄土高原雨季水体碳氮流失状况.结果表明,研究区域碳、氮湿沉降通量分别为173.95 kg km-2 mon-1和43.01 kg km-2 mon-1,而通过径流的碳、氮流失量为11.52 kg km-2mon-1和2.19 kg km-2 mon-1.雨季C、N湿沉降对该地区水体C、N流失的贡献率分别为65.81％和100％,其中流水侵蚀引起的C、N流失贡献率为59.20％和56.16％.黄土高原主要以流水侵蚀为主,C、N主要集中在降雨径流后期,因此截留后期径流可以有效控制养分流失.