林冠穿透雨空间异质性(即不同冠层位置穿透雨量的非均一性)及其在一定时间段内的持续性(即时间稳定性)关系着土壤水分补给数量和效率,通过影响资源有效性作用于植物个体竞争和群落演替.本研究基于关键词检索并分析整理了 Web of Science和中国知网数据库2000-2022年发表的554篇相关主题论文数据,量化并对比了全球不同气候带和植物功能型的穿透雨数量、空间异质性及其时间稳定性特征.结果表明:全球范围内旱区穿透雨比例(72.0％±13.6％)小于湿润(75.1％±9.3％)和半湿润区(79.9％±10.4％),热带(80.9％±14.6％)高于暖温带(74.2％±7.5％)和冷温带(74.1％±14.6％),灌木(68.9％±14.9％)小于乔木(76.7％±9.1％),但阔叶植物(75.2％±11.1％)和针叶植物(75.1％±9.9％)、常绿植物(76.7％±10.0％)和落叶植物(74.7％±11.9％)的林冠穿透雨比例接近,其空间变异系数在上述不同干湿区、温度带和植物功能型之间差异均不显著.穿透雨空间分布格局易保持相对稳定,冠层结构是影响其时间稳定性的主导因子,但缺乏不同时间尺度上典型地理单元(即地理环境条件基本一致的空间单元)之间的对比.建议未来研究通过向上延展至基于全球的空间尺度规律汇总,向下延展至基于过程的时间尺度机制分析,刻画穿透雨空间分布动态变化,并统一观测规范来增进不同研究之间的可参比性,以高效推进林冠穿透雨研究,为保护自然、管理人工、恢复受损生态系统提供生态水文依据.

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.

水分是黄土地区限制植物生长的关键因子,研究不同造林树种在不同水分条件下的水分利用来源对理解干旱半干旱区植物的抗旱机制至关重要.本研究以黄土区主要造林树种刺槐和侧柏为对象,利用稳定同位素(δ18O、δ2H)分析两树种在干旱处理(100％无穿透雨,DT)和自然降雨(CK)下的水分利用深度,探究两树种的干旱适应性.结果表明:在CK中,刺槐在雨月(6、9月)主要利用0～40 cm 土壤水,利用率达68.0％±2.4％,旱月(7、8月)均匀利用4层(0～10、10～40、40～60、60～120 cm)土壤水分.而侧柏在雨月和旱月均主要利用0～40 cm 土壤水,利用率分别为77.0％±2.4％和57.4％±3.0％.在DT中,随着土壤含水量降低,刺槐和侧柏的水分利用深度下移,其中,刺槐的水分利用深度从0～40 cm转为60～120 cm,侧柏从0～40 cm转为均匀利用4层土壤水.综上,刺槐和侧柏均能在不同水分条件下适应性调整水分利用深度,具有较强的干旱适应性,这对评估当地人工林干旱抗逆性和稳定性具有重要意义.

降雨是黄土高原地区土壤水分的最主要来源.为探明降雨减少对黄土高原半湿润区土壤养分和土壤微生物群落的影响,以刺槐人工林为研究对象,通过搭设透光遮雨板将部分穿透雨导流至样地外,实施了4年减少总降雨输入约47％的处理,测定了在不同降雨条件下林地的土壤养分含量、土壤微生物多样性及群落结构特征,分析了土壤养分和土壤微生物对降雨减少的响应.结果表明:减雨处理4年后(1)处理样地土壤有机碳、全氮、全磷含量均低于对照样地,全氮含量差异达到显著水平(P<0.05).(2)对照样地生长季和非生长季土壤微生物多样性差异不显著,减雨处理样地非生长季的细菌均匀度显著低于处理样地生长季和对照样地非生长季(P<0.05);降雨减少对细菌和真菌的群落结构有显著影响(P<0.05),降雨减少显著降低了酸杆菌门(Acidobacteria)的相对丰度,提高了放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、子囊菌门(Ascomycota)和被孢霉门(Mortierellomycota)的相对丰度(P<0.05).(3)土壤有机碳、全氮含量与部分细菌相对丰度显著相关,土壤全氮含量与被孢霉门真菌相对丰度显著正相关(P<0.05).综上所述,减雨处理4年对土壤养分含量影响较弱,对细菌多样性影响显著,对细菌和真菌群落结构有显著影响,且土壤养分含量与土壤微生物相对丰度之间存在相关关系,研究结果为进一步探讨降雨量持续减少对黄土高原半湿润区人工林的影响提供了理论参考.

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.

为研究气候变化背景下降水格局对森林土壤碳排放机制的影响,在南亚热带马尾松人工林中模拟穿透雨减少50％,采用室内恒温培养法研究减水处理对土壤和不同粒级团聚体有机碳矿化的影响.结果表明:1～2mm团聚体有机碳累积矿化量高于其他粒级团聚体.干湿季减雨样地表层土壤含水量分别是对照样地的82.1％和82.7％,而其0.106 ～ 0.25 mm土壤团聚体质量分数分别比对照增加1.8％和4.2％.与对照相比,穿透雨减少显著降低了干季土壤和微团聚体易矿化碳库的矿化速率(k1),增加了土壤和＜1 mm团聚体难分解碳库的分解速率(k2),但对土壤有机碳累积矿化量无显著影响.相关分析表明,土壤和微团聚体k1呈显著正相关,土壤和0.25～1 mm团聚体k2呈显著正相关.受团聚体结构、水分条件和土壤有机碳含量的影响,穿透雨减少对干季土壤易矿化和难分解有机碳的矿化分别起抑制和促进作用.

为了预测和评估全球气候变化背景下森林生长和生产力对降水格局变化和季节性干旱的响应,以南亚热带红锥和马尾松人工林为对象,设置穿透雨减少50％和不减雨(对照)处理,开展连续3年(2015-2017年)的模拟试验,研究降雨减少对人工林胸径生长、凋落物量和叶面积指数的影响.结果表明:与对照相比,穿透雨减少导致红锥2017年胸径增长量显著降低31.8％,而对马尾松无影响;红锥叶面积指数平均降低8.8％,马尾松叶面积指数降低7.2％或者不变;红锥林2015年枝凋落量和2017年凋落物总量分别增加29.6％和35.8％,马尾松林2015年其他树种(除了马尾松以外)叶凋落量显著减少50.7％,而其他凋落物组分无显著变化.短期穿透雨减少对人工林产生了干旱胁迫作用,这种作用存在年际变异和树种差异.

穿透雨是降雨再分配的主要组分,对干旱半干旱区的土壤水分补给和植被生长具有关键作用.灌丛穿透雨的影响机制特别是植被特征对穿透雨的影响需要进一步的定量研究,且目前对穿透雨空间异质性与聚集效应的研究相对较少.以陕北黄土高原典型灌丛一柠条为研究对象,于2016年对六道沟小流域柠条冠层下8个方位的穿透雨以及降雨和植被因子进行系统观测,分析穿透雨量、穿透雨率、穿透雨空间变异和聚集效应的变化特征,辨识影响穿透雨的主要降雨和植被因子,并建立相应的定量关系.结果表明:次降雨下柠条的穿透雨量、穿透雨率和空间变异系数平均值分别为11.88 mm、75.71％和21.80％.穿透雨量主要由降雨量决定,随降雨量增加而线性增加(R2=0.99).穿透雨率和空间变异系数主要受降雨量和降雨强度影响,穿透雨率随降雨量和I30增加而呈对数增加(R2 =0.71和0.54),渐进值约为95％,而穿透雨空间变异系数则随降雨量和I30增加而呈幂函数递减(R2 =0.71和0.60),稳定值约为10％.冠层厚度和枝倾角是影响穿透雨的主要植被因子,并分别呈显著的线性负相关和正相关(P＜0.05).柠条穿透雨具有一定的聚集效应,平均发生频率为8.53％,且聚集效应在大雨量、高雨强和长历时降雨事件中更加明显.

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.