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.

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.

林冠水文过程对大气降雨氮磷营养特征的影响,对于森林生态系统营养物质循环、森林演替和生物多样性维持具有重要意义.在神农架地区次生林中选择了8个优势树种,定期收集、测定了林外降雨及各树种穿透雨、树干茎流的氮磷浓度和pH值,分析了该地区的湿氮、磷沉降强度以及种特异性的茎流、穿透雨氮、磷浓度和pH值的影响.结果表明:该地区生长季节的湿氮、湿磷沉降强度分别为11.89 kg N·hm-2·a-1和1.98 kg P·hm-2·a-1,其中,硝酸盐氮占全氮的40.75％,亚硝酸盐氮占15.19％,铵态氮占44.08％;降雨偏酸性,全年pH平均值为5.84;8个树种穿透雨和树干茎流的氮、磷年均浓度显著高于大气降雨,表现出较强的淋溶作用,同时,各树种林内雨氮、磷特征存在显著的月度差异和种间差异,尤其是原生树种巴山冷杉的硝酸盐氮、铵态氮、总氮及P浓度均较高,而引进树种华山松和阔叶树种的浓度则较低;8个树种的茎流和穿透雨的pH值分别介于5.42～6.82和6.23～6.83,均略高于大气降雨;在种组水平,引进树种的pH值显著低于原生树种,但氮、磷浓度在两组间不显著.因此,该地区次生林演替过程中林分变化对林内雨氮磷营养特征的影响值得进一步关注.

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.

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.

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.

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 mx30 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,树干茎流率主要受林分竞争状况及水平结构(R2 =0.46,P＜0.05)和蓄积量(R2=0.51,P＜0.05)的影响.林分结构与冠层水文效应密切相关,林分生长状况越好,蓄积量越大,马尾松林涵养水源效果越好.

外源染液导入技术是从花纹色泽角度提升杨树木材附加值较为有效的方法.以6年生107杨为试材,采用外源液体导入技术将不同浓度活性红染液(0.2％、0.4％和0.6％)导入树体内,利用Li-6400光合仪和热扩散式TDP茎流计分别测定其光合气体交换参数和树干液流速率,研究外源染液对107杨光合生理与液流特征的影响,并分析各光合参数、液流速率与染料染着量的关系.结果 表明:外源染液导入对107杨树干液流速率抑制作用显著,0.2％染液处理显著低于0.4％和0.6％染液处理;不同浓度染液处理107杨净光合速率(Pn)、气孔导度(gs)、蒸腾速率(Tr)显著低于对照,胞间CO2浓度(Ci)呈先下降后上升的趋势,0.4％和0.2％染液对各光合参数抑制作用高于0.6％染液;染着量随染液浓度的升高而下降,最大液流速率、Png、gs、Tr均与染料染着量呈显著负相关.处理后期107杨叶绿素(a+b)含量、叶绿素a和叶绿素b含量均显著低于对照.染液浓度和染液导入时间决定染料染着量,向树体导入0.4％浓度染液3d,能在保证适当染着量的基础上减缓对107杨生理活动的抑制作用.

明晰沙地人工植被蒸腾耗水规律,对于荒漠化地区生态建设具有至关重要的意义.本研究应用热扩散式插针茎流计(TDP)与自动气象站,对科尔沁沙地人工杨树林树干液流及周边环境因子进行了长期监测,分析了杨树液流的动态变化规律,揭示了液流与环境因子的响应关系.结果 表明:液流日变化基本呈单峰“几”字型曲线,偶尔会出现多峰曲线;不同气象条件对液流速率具有明显影响,晴天液流速率最大,阴天次之,雨天最小;生长季液流速率与太阳辐射强度、饱和水汽压差和空气温度呈较强正相关关系,决定系数R2分别为0.88、0.81和0.76,与空气相对湿度呈显著负相关,决定系数R2为0.79;结合各气象因子建立Penman-Monteith(P-M)模型对杨树林地的潜在蒸散发能力进行模拟并结合树干液流实测数据进行验证,结果显示模拟效果精度较高,决定系数R2为0.83;对地下水位变化情况进行监测显示,杨树蒸腾耗水主要依赖于地下水,地下水位在杨树蒸腾能力较强的9:00-18:00下降明显,随后水位出现不同程度的回升现象.

森林群落在净化空气、截留沉降污染物、改善地表水质等方面具有重要作用.本研究以北亚热带地区3种典型森林群落(毛竹林、杉木林、青冈阔叶林)为研究对象,通过分析沉降污染物(NH4+-N、NO3-N、NO2-N、TP和SO42-)在大气降水、林内穿透雨、树干茎流、枯透水和地表径流中的浓度和通量变化特征,探讨不同森林群落对氮、磷、硫的截留净化作用和分配特征.结果 表明,该区域大气降水中NH4+-N、NO3-N、NO2-N、TP和SO42-年均浓度分别为1.06、0.61、0.04、0.07、1.84 mg/L,其年均pH为5.88;各森林群落林冠层能够调升降雨的pH且全年稳定,对TP和NH4+-N均有吸附作用,截留率分别为79.09％-84.68％和30.88 ％-69.36％;而枯落物层则是林下氮、磷、硫的主要释放源,对NH4+-N、NO3-N、TP和SO42-均具有淋溶作用;此外,由地表径流(输出)与大气降水(输入)的对比分析可知,各林地对沉降污染物中氮、磷、硫的截留率均超过98％;3种森林群落对沉降污染物中氮、磷、硫的截留能力依次为:青冈阔叶林＞毛竹林＞杉木林,阔叶林对沉降污染物的净化能力要高于毛竹林及针叶的杉木林.