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.

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.

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.

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.

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.

林冠是降水到达地面前的第一个作用层,其对降水的再分配作用,导致穿透雨的数量和空间分布具有很大的变异性,这既阻碍了对其的精确评估,也常常被认为是水文模型中蒸发量化的不确定来源之一.在庐山自然保护区日本柳杉(Cryptomeria japonica)人工林内设置了面积30 m×30 m的样地,机械布置了37个截面面积为314.15 cm2穿透雨收集器,于2017年生长季(4-9月)共监测21次降雨事件下穿透雨量.分析林冠下穿透雨率及其时空分布特征和影响因素.日本柳杉林下穿透雨率变化范围为2％-222％,平均穿透雨率为80％,穿透雨率随着林外次降雨量的增加而逐渐增大,降雨量达到28 mm时穿透雨率趋于最大值,之后变化规律复杂未见稳定,二者之间最优拟合关系为二次多项式;与叶面积指数呈显著负相关,叶面积指数小于4.5时对穿透雨率的影响显著.不同叶面积指数下,穿透雨率达到最大时的林外降雨量不同.穿透雨率的空间变异系数的变化范围为15％-114％,随林外降雨量的增加而减小,并在林外次降雨量大于20 mm以后,逐渐趋于稳定,二者之间以对数函数关系式拟合.观测点位的时间变异系数随着叶面积指数的增加而增大.叶面积指数小于5,降雨量小于20 mm时,降雨量是影响穿透雨空间变异性的关键因素.