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.

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.

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(尺)、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S＞c＞(E)＞(R)＞c＞St＞Pt,而当参数在-20％～50％范围内变化时,其排序为S＞(E)＞(R)＞c＞St＞Pt;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S＞(E)＞(R)＞c＞St＞Pt.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.

为了研究南水北调中线水源区汛期森林的水源涵养功能,以丹江口库区龙口林场马尾松人工林为对象,于2018年6-9月采用野外观测与室内分析相结合的方法,对高、中、低3种密度马尾松人工林,从林冠层、枯枝落叶层和土壤层进行分析,探究其丰水期水源涵养功能的林分密度效应.结果 表明:(1)3种密度马尾松人工林林冠截留量为56.13～77.68 mm,且随林分密度增加林冠截留量增大,林内穿透雨量则趋势相反;(2)3种密度马尾松人工林枯落物总生物量为12.76～19.56 t·hm-2,随着林分密度增加枯落物总生物量增大,且半分解层枯落物生物量均大于未分解层枯落物生物量;高密度枯落物总厚度最大,中密度次之,低密度最小;枯落物最大持水量为21.32～28.24 mm,有效持水量为16.82～22.51mm,且均表现为中密度＞高密度＞低密度;枯落物持水量、吸水速率与浸泡时间分别呈对数函数和幂函数关系式;(3)3种密度马尾松人工林O～ 30 cm土层土壤容重为1.45～ 1.54g·cm-3,总孔隙度均值为42.18％ ～45.71％,土壤有效持水量为2.94～4.81 mm,且土壤容重大小为低密度＞高密度＞中密度,土壤总孔隙度排序则与之相反,土壤有效持水量表现为中密度＞低密度＞高密度;(4)3种密度马尾松人工林综合水源涵养能力为204～237.55 mm,表现为中密度＞高密度＞低密度.综上,丹江口库区中密度马尾松人工林水源涵养服务能力最优,建议在今后库区森林抚育过程中,合理控制林分密度.

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.

为探究北方典型人工林生态系统在干旱条件下的水量平衡及其影响因素,本研究分析了干旱年份(2014年)北京山区油松(Pinus tabuliformis)和侧柏(Platycladus orientalis)林分的水量平衡组分及其影响因素.结果 表明:2014年降水仅为多年(1958-2011年)平均的47％.蒸腾为两种林分最大水分输出项,油松为247.16 mm,侧柏为259.89mm.其余水分输出项依次为土壤蒸发(油松87.26 mm,侧柏60.02 mm)＞林冠截留(油松56.63 mm,侧柏50.23 mm)＞枯落物蒸发(油松9.99 mm,侧柏8.30 mm).两种林分土壤水补给整体为亏缺状况,仅在生长季中、后期出现水分补给.油松林生态系统年水分亏缺量为81.24 mm,侧柏林生态系统为67.45 mm.环境因子对水分输出各项影响显著.此外,蒸腾还与胸径有显著相关,林冠截留则受到郁闭度及风速的共同影响.根据本研究观测,侧柏和油松林分在干旱年份无法仅依靠自然降水维持水量平衡.因此,未来气候变化导致降水减少情境会对这些林分的自然存活带来较大挑战.

明析红锥人工林降雨特征对降水分配格局的影响,为南亚热带人工林可持续经营提供基础支撑.以34年生红锥人工林为研究对象,测定了2017年1-12月的大气降水、穿透雨和树干茎流.结果 表明:年降雨总量945.9 mm,穿透雨、树干茎流、林冠截留分别占大气降水的43.9％、0.5％、55.6％.产生穿透雨和树干茎流的最小降雨量分别为0.6和3.8mm.降水分配格局具有季节波动性,穿透雨率夏季最小,冬季最高,树干茎流率和林冠截留率则反之.小而短的降雨事件导致低的净雨量输入和高的林冠截留量.4个降雨因子中(降雨量、降雨强度、降雨历时和雨前干燥期),降雨量是对降水分配格局最具影响力的变量,降雨强度对树干茎流率有显著影响,降雨历时对穿透雨率和林冠截留率有显著影响,而雨前干燥期对降水分配格局中的3个分量均没有显著性影响.多元线性回归分析表明,降水分配格局中的3个分量对降雨特征的响应并不是同步的,树干茎流受降雨特征的影响小于穿透雨和林冠截留.