基于Gash修正模型的元宝槭林分结构对降雨分配的影响

林冠截留是森林生态系统降雨分配的起始点,准确模拟林冠截留是探究森林水文过程的基础。为了研究林分结构中林分密度对林冠截留的影响规律及Gash修正模型的适应性,以北京市八达岭森林公园2种林分密度的元宝槭纯林为研究对象,对其林冠截留过程进行了模拟分析,并针对元宝槭林分结构特征探讨了Gash修正模型的适应性。研究结果表明:(1) 2013年生长季内,元宝槭密林(3 665株/km~2)穿透降雨量、树干茎流量和林冠截留量实测值分别为365.50、38.19、69.82 mm,模拟值分别为386.45、33.86、53.21 mm,相对误差分别为5.73%、4.33%和23.80%;元宝槭疏林(1 090株/km~2)的穿透降雨量、树干茎流量和林冠截留量实测值分别为380.20、19.04、74.25 mm,模拟值分别为368.37、13.71、91.43 mm,相对误差分别为3.12%、27.99%和23.13%。疏林条件下,更多的降雨穿透林冠,进入了森林生态系统的下一水文效应层,Gash修正模型的模拟结果亦呈现基本一致的特征,模型对元宝槭林的模拟精度基本可以满足需要。(2)对Gash修正模型中的平均降雨强度(R)、树干茎流系数(Pt)、饱和林冠持水能力(S)、郁闭度(c)、饱和树干持水能力(St)、平均饱和林冠蒸发速率(E)共6个关键参数的进行敏感性分析,各参数对元宝槭密林林冠截留量模拟的影响程度大小依次为RSEStcPt,对于元宝槭疏林的影响程度大小依次为SREcStPt。通过分析可以得出,选择适宜的时间尺度计算平均降雨强度和饱和林冠持水能力,是提升Gash修正模型模拟精度的关键,适当疏伐可以为林分的生长提供更好的水分条件。     

北亚热带毛竹林林冠截留模型研究

对北亚热带毛竹林冠截留影响因素如林外降雨、透流雨强度、叶面积指数、林冠干燥度和蒸发系数等进行观测研究,构建了林冠截留模型。结果表明：当实际截留量较大时,模拟值误差大;当实际截留量小时,模拟效果较佳。为了反映林冠截留模型相对误差分布状况,按照相对误差绝对值从小到大（<5 %、5 %~10 %、10 %~20 %、>20 %）的顺序分为4段进行累加统计,得到的实际截留量分别为4512、6944、4079、1583 mm,模拟截留量分别为4482、677、3514、1161 mm,全年林冠截留相对误差为93 %,小于10 %,模拟效果较理想。     

北亚热带毛竹林林冠截留特征的研究

对长江三角洲森林生态定位站的北亚热带毛竹林林冠截留作用进行了观测研究,结果表明：研究区毛竹林的林冠全年截留总量为171.7 mm,场均截留率为29.4%,有着较好的生态水文作用。不同雨量级、雨强级下,毛竹林林冠截留效果差异显著,在小雨量级、雨强级下,毛竹林林冠截留效果较好。毛竹林林冠截留量(率)与降雨量、降雨强度、降雨历时、叶面积指数、枝叶雨前干燥度存在不同程度的相关性,降雨历时对林冠截留量起重要作用,降雨强度对林冠截留率起重要作用。在已有的林冠截留模型基础上,引入叶面积指数变化动态加以改进,改进后的模型有更好的适用性。     

兴安落叶松林降雨再分配及其穿透雨的空间异质性

【目的】探究大兴安岭北部兴安落叶松林对降雨的截留再分配及树冠下穿透雨空间分布规律,了解兴安落叶松林生态水文过程。【方法】通过长期定位观测研究的方法,获取了2013年兴安落叶松林19场降雨事件的林外降雨、穿透雨和树干径流的观测数据,采用相关分析,总结了兴安落叶松林降雨再分配规律,比较了树冠下不同位置处穿透雨的变异性。【结果】观测期内兴安落叶松林的林冠截留量、穿透雨量和树干径流量依次为35.14、148.61和0.250 7 mm,分别占大气降雨量的19.10%、80.77%和0.14%; 不同降雨事件中,树冠不同位置处的穿透雨具有空间异质性; 当降雨量、温度等气象因子一致时,3/4树冠半径处的穿透雨变异最小,树冠外缘(4/4树冠半径处)变异最大; 当冠层结构稳定时,穿透雨的变异程度均随降雨量的增加而减小,二者呈一定的负相关性(P<0.01)。【结论】穿透雨是兴安落叶松林降雨再分配的主要水文分量(约占降雨量的81%),选择变异最小、最接近林分穿透雨率(误差约1%)的3/4树冠半径处布设穿透雨收集装置,能够适当减少野外工作量,提高科研观测效率,可为落叶松林区森林水文模型的参数化提供依据。     

降雨量级和强度对秦岭油松林林冠截留的影响

2006—2008年生长季,以秦岭中山地带主要植被类型天然次生油松林为对象,采用长期定位观测方法,研究不同降雨量级和降雨强度对林冠截留的影响.结果表明,研究区降雨年度差异较大,干湿季表现明显,各月间分配不均,降雨主要集中在每年的5—10月.低雨量级和小雨强降雨事件频发,但占总降雨量的比重较低;高雨强和大雨量级的暴雨、大暴雨时有发生.2006—2008年林冠平均截留率分别为32.9%、33.0%和33.6%,不同年度间变化不大;单次降雨事件间截留率变幅较大,2006—2008年截留率最小值分别为11.0%、11.4%和7.8%,最大值分别为64.4%、72.5%和74.6%.林冠截留是一个动态变化过程,林冠截留率在不同降雨量级和降雨强度下,存在较大的差异.随着降雨量级或降雨强度的增高,截留率呈递减趋势.降雨强度相同时,截留速率随降雨量的增加而降低;降雨量一定时,截留速率随降雨强度的增高而增高.当降雨量足够大时,平均截留速率越高,林冠达到饱和截留量所需时间越短.随着林冠截留量逐渐接近饱和状态,林冠对大气降雨的截留作用逐渐减弱.     

苏南丘陵区麻栎林冠层水文效应及其影响因素

为探讨苏南丘陵区麻栎林生态水文过程及其影响因素,采用定位观测的方法,于2012年4月至9月对麻栎林的降雨分配过程进行了监测研究。结果表明:研究期内,累计降雨量470.7 mm,平均场降雨量10.0 mm,小雨占据降雨事件的绝大部分,频率达到70.21%。穿透雨量、树干径流量、林冠截留量与降雨量呈极显著正相关关系。根据回归模型确定了林冠部分的持水能力和树干持水能力分别为0.87 mm和0.11 mm,形成树干径流的最小雨量为3.42 mm。林冠截留率与降雨量、降雨强度以及空气湿度有显著的负相关关系。小雨量级下,随月平均叶面积指数的增加各月林冠截留率增大。月平均林冠截留率与叶面积指数有极显著的线性关系。林冠平均截留率为20.48%。     

3种亚高山森林群落林冠截留量及穿透雨量与降雨量的关系

研究了岷江冷杉林、川滇高山栎林及灌竹林等3种典型亚高山森林群落的林冠截留、穿透雨和径流的月动态变化,分析了林冠截留量、穿透雨量与总降雨量的数量关系.结果表明:川滇高山栎林、灌竹林、岷江冷杉林林冠平均截留量分别为278.2,362.1和353.7mm;林冠平均截留率分别占降雨量的35.77%,46.55%和45.47%.岷江冷杉林径流量为5.9mm,仅占降雨量的0.76%.3种群落穿透雨量分别占降雨量的53.77%,53.45%和64.23%.另外,建立了3种群落类型的穿透雨量、林冠截留量与大气降雨量之间的回归模型,用于定量评价该地区亚高山森林的生态水文效应.     

滇中3种林冠层对降雨的再分配作用

 与云南松林、常绿阔叶林比较,对滇中区域桉树林的林冠层对降雨的再分配特点进行研究.结果表明,不同植被类型降雨再分配比率受到自身特性与环境影响较大.场降雨与连续降雨的降雨再分配比率不同;场降雨事件中,云南松林的林冠截留率较大;除云南松林在降雨量和雨强较小时,树干茎流比率较小,达到2.40%以外,穿透降雨和树干茎流的分配比率接近;连续降雨事件发生时,3种群落林冠截留、穿透降雨和树干茎流分配比率一致,穿透降雨量、茎流产生量与降雨量成正相关,林冠截留趋于恒值.     

宁夏六盘山3种针叶林蒸散及其组分特征研究*

为了揭示林分结构对蒸散组分的影响,在2012年5～10月,通过树干液流仪和传统水文学法,对宁夏六盘山华北落叶松人工林、油松人工林和华山松次生林的蒸散及其组分进行对比分析。结果表明:各林分的蒸散量和组分差异较大,华北落叶松林、华山松林、油松林生长季总蒸散量为568.2、413.2、377.6 mm,分别占同期降水量的112.0%、81.5%和74.5%。3种针叶林的林分蒸散在垂直层次上分配比例相似,但各分量所占比例明显不同。生长季内华北落叶松林、华山松林和油松林的林冠截留量分别为177.2、146.8和115.1 mm,占蒸散总量的31.19%、35.53%、30.48%,这主要是受叶面积指数影响(华山松5.16华北落叶松4.78油松3.66);受林分密度影响,林冠蒸腾量为华北落叶松林(209.8 mm)油松林(152.8 mm)华山松林(88.3 mm);灌木层蒸腾量以华山松林最大(106.9 mm),华北落叶松林次之(26.8 mm),油松林最小(24.7 mm),这与人工林林下灌木盖度较低紧密相关;华北落叶松林和油松林的林下蒸散量分别为154.4 mm、102.3 mm,是天然林的2.17倍和1.44倍,与人工林林下地被物接收到更多太阳辐射有关。可以认为,林分结构是导致人工林蒸散量高于天然林的重要因素,选择合理的树种和林分结构是保持区域水资源安全的关键。     

宁夏六盘山3种针叶林蒸散及其组分特征

为了揭示林分结构对蒸散组分的影响,在2012年5～10月,通过树干液流仪和传统水文学法,对宁夏六盘山华北落叶松人工林、油松人工林和华山松次生林的蒸散及其组分进行对比分析。结果表明:各林分的蒸散量和组分差异较大,华北落叶松林、华山松林、油松林生长季总蒸散量为568.2、413.2、377.6 mm,分别占同期降水量的112.0%、81.5%和74.5%。3种针叶林的林分蒸散在垂直层次上分配比例相似,但各分量所占比例明显不同。生长季内华北落叶松林、华山松林和油松林的林冠截留量分别为177.2、146.8和115.1 mm,占蒸散总量的31.19%、35.53%、30.48%,这主要是受叶面积指数影响(华山松5.16华北落叶松4.78油松3.66);受林分密度影响,林冠蒸腾量为华北落叶松林(209.8 mm)油松林(152.8 mm)华山松林(88.3 mm);灌木层蒸腾量以华山松林最大(106.9 mm),华北落叶松林次之(26.8 mm),油松林最小(24.7 mm),这与人工林林下灌木盖度较低紧密相关;华北落叶松林和油松林的林下蒸散量分别为154.4 mm、102.3 mm,是天然林的2.17倍和1.44倍,与人工林林下地被物接收到更多太阳辐射有关。可以认为,林分结构是导致人工林蒸散量高于天然林的重要因素,选择合理的树种和林分结构是保持区域水资源安全的关键。     

物候变化对落叶松人工林降雨分配过程中钾和钠离子迁移的影响

目的 森林冠层导致的穿透雨和树干茎流中离子通量的季节变化,能够影响森林生态系统生物地球化学循环,对物候变化明显的温带落叶林的影响更为突出。探究不同物候期(展叶期、盛叶期和落叶期)森林水化学过程,深入了解森林生态系统养分元素循环过程,为温带落叶林生物地球化学循环提供基础数据。方法 以东北林业大学城市林业示范基地内落叶松人工林为研究对象,在观测样地的中心位置十字交叉布设13个直径20 cm自制雨量筒,并选择5株落叶松安装树干茎流收集器,同时在林外布置1台翻斗式雨量计和3个自制雨量筒。在前期观察期(2015年5月1日—10月31日)每次降雨事件后,对林外降雨、穿透雨和树干茎流进行观测、取样,水样过滤酸化处理后用火焰原子吸收分光光度计测定Na⁺和K⁺质量浓度,探索冠层的物候变化对降雨分配过程中Na⁺和K⁺的质量浓度和净输入量的影响。结果 整个观测期间,林外降雨中Na⁺、K⁺的质量浓度分别为0.45 和1.89 mg/L,穿透雨中分别为0.44 和2.48 mg/L,树干茎流中分别为1.98和18.63 mg/L;大气降雨中Na⁺质量浓度在落叶期最高,盛叶期最低,K⁺质量浓度则在落叶期最高,展叶期最低;各时期穿透雨中Na⁺和K⁺质量浓度大小均为落叶期>盛叶期>展叶期;树干茎流中Na⁺和K⁺质量浓度大小均为展叶期>盛叶期>落叶期;生长季内林冠对降雨中Na⁺的截留量为0.252 kg/hm²,其中展叶期和落叶期的截留量分别为0.143和0.193 kg/hm²,截留率分别为30.63%和48.22%,盛叶期则表现为淋溶,淋溶量为0.083 kg/hm²;生长季内降雨对林冠中K⁺的淋溶量为0.903 kg/hm²,其中展叶期和盛叶期的淋溶量分别为0.999和0.157 kg/hm²,落叶期则为截留,截留量为0.254 kg/hm²,截留率为20.25%。结论 大气降雨经过森林冠层后离子质量浓度发生明显改变,且不同物候期、不同离子的变化强度不同。生长季内,兴安落叶松林对Na⁺总体表现为截留作用,对K⁺总体表现为淋溶作用。即落叶松叶片的物候变化能够影响大气降雨中Na⁺和K⁺的迁移。研究结果可为进一步探明我国温带森林生态系统伴随水文过程的养分循环过程及促进可持续经营管理提供借鉴。     

不同林型兴安落叶松林土壤团聚体及其有机碳特征

【目的】团聚体是土壤结构的基本单元,其对有机碳的保护作用是稳定土壤碳库的重要机制。采用野外调查与室内分析相结合的方法,探讨林型对兴安落叶松林土壤团聚体的分布、稳定性及有机碳含量的影响,为兴安落叶松林的可持续经营、碳汇功能提升提供参考。【方法】在内蒙古大兴安岭兴安落叶松原始林内,依据不同林型(草类-兴安落叶松林、杜香-兴安落叶松林和杜鹃-兴安落叶松林)设置28块30 m×30 m的样地,以距地面0~10 cm、≥10~20 cm、≥20~40 cm和≥40~60 cm分层取土样,测定土壤理化指标、不同粒径土壤团聚体及有机碳含量;基于单因素方差分析、相关分析和逐步回归分析方法,分析各林型间土壤团聚体各特征值的差异,以及各土壤理化指标对土壤团聚体分布、稳定性及有机碳含量的影响,筛选对各林型土壤团聚体有显著影响的主导因子。【结果】①兴安落叶松林土壤团聚体含量以粒径≥0.250~2.000 mm团聚体占比最高,且表层(0~10 cm)含量显著大于其他各层;各林型土壤大团聚体(粒径≥0.250~2.000 mm)含量大小表现为杜鹃-兴安落叶松林>草类-兴安落叶松林>杜香-兴安落叶松林,林型对20 cm以下土层各粒径的团聚体含量影响显著。②兴安落叶松林表层(0~10 cm)土壤的团聚体稳定性较高,其平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)显著大于其他各层,但各林型间无显著差异;稳定性指标在各林型间的显著差异主要发生在≥40~60 cm土层,杜鹃-兴安落叶松林土壤团聚体的稳定性较好。③各林型土壤团聚体有机碳含量由多到少依次为粒径≥0.250~2.000 mm团聚体、粒径<0.053 mm团聚体、粒径≥0.053~0.250 mm团聚体,各粒径均表现出杜香-兴安落叶松林的土壤团聚体有机碳含量最高;不同林型各粒径土壤团聚体有机碳含量均随土层深度增加而递减,递减速率随粒径大小依次减小,且具有明显的表聚特征。④土壤总有机碳是各林型粒径<0.053 mm和≥0.250~2.000 mm团聚体的共同主导因子,而粒径≥0.053~0.250 mm团聚体的主导因子因林型不同而存在明显差异。【结论】兴安落叶松林土壤团聚体及其有机碳含量均以大团聚体为主,林型对土壤团聚体的粒径分配和稳定性具有一定影响,其中,≥0.250~2.000 mm团聚体含量以杜鹃-兴安落叶松林的最高,<0.250 mm团聚体含量和各粒径土壤团聚体有机碳含量均以杜香-兴安落叶松林的最高。土壤理化性质对土壤团聚体的形成和稳定具有一定影响,不同林型的土壤团聚体主导因子存在差异;有机质是粒径≥0.250~2.000 mm土壤团聚体的主要胶结物质,而金属氧化物有利于<0.250 mm土壤团聚体的形成,土壤水分和养分含量高的酸性土壤有利于兴安落叶松林土壤大团聚体的形成和土壤结构的稳定。     

三峡山地不同林型冠层截留特征及再分配过程研究

森林冠层对降雨的截留和再分配是生态水文学的重要研究内容.截留过程因降雨特征、森林类型及立地环境存在差异.以三峡库区山地的暖性针叶林、落叶阔叶林和针阔叶混交林三种林型为研究对象，对比了2018年植物生长季(4—11月)56场降雨的再分配特征及影响因素.结果表明：1) 降雨在三种林型的再分配特征具有明显差异.暖性针叶林的透流量、树干径流量、林冠截留量分别占同期林外降雨的62.0%、7.2%、30.8%；落叶阔叶林分别占77.9%、3.5%、18.6%；针阔混交林分别占73.3%、2.7%、24%. 2) 再分配参数与降雨量的相关分析显示，三种林型下树干茎流量、透流量均与降雨量呈线性正相关关系，冠层截留量与降雨量呈幂函数关系. 3) 场次降雨特征也会影响再分配，大雨和暴雨时三种林型内降水再分配的动态过程存在明显差异.三种林型的降雨再分配过程因受降雨量、降雨强度等降雨特征和林冠结构的影响而产生差异.针阔叶混交林在强降雨条件下能够更有效地减缓降雨对地表土壤的强烈冲击，减少水土流失.     

基于流域蓄满产流理论的林冠截留降雨新模型

根据林冠截留降雨的物理现象,借鉴流域蓄满产流理论建立了一个林冠截留降雨新模型.结合两片林分的实测资料,介绍了该模型参数的确定方法,并且对模型进行了有效性验证.结果表明:计算值与观测值吻合,表明该模型可揭示林冠截留降雨的基本特征,如果已知模型参数,可以用于林冠截留降雨的预测计算.     

闽北不同类型毛竹林冠层降水再分配特征

以中亚热带杉木纯林(Ⅰ)和常绿阔叶林(Ⅴ)为对照,对闽北地区竹杉混交林(Ⅱ)、毛竹纯林(Ⅲ)、竹阔混交林(Ⅳ)冠层降水再分配特征进行了研究。结果表明：各林分穿透雨率为462 %～862 %,平均穿透雨率排序由大到小为Ⅰ(770 %)、Ⅲ(750 %)、Ⅳ(737 %)、Ⅱ(703 %)、Ⅴ(677 %);各林分树干茎流量排序由大到小为Ⅳ(692 mm)、Ⅲ(520 mm)、Ⅱ(373 mm)、Ⅴ(230 mm)、Ⅰ(176 mm),树干茎流量随雨量增大而增大,不同类型毛竹林增加的比例大于杉木纯林和阔叶林;各林分产生树干茎流的最小响应雨量排序由小到大为Ⅱ(64 mm)、Ⅳ(69 mm)、Ⅲ(75 mm)、Ⅴ(89 mm)、Ⅰ(104 mm);各林分林冠截留率为141 %～535 %,平均林冠截留率排序由大到小为Ⅴ(313 %)、Ⅱ(282 %)、Ⅳ(235 %)、Ⅲ(229 %)、Ⅰ(223 %)。5种林分穿透雨、树干茎流和林冠截留均与林外降雨量显著正相关（p＜001）,其中穿透雨量和降雨量的关系用模型Y=a+bX拟合较好;林冠截留量和降雨量之间的关系用三次曲线（Y=β0+β1X+β2X2+β3X3）方程较拟合最好。综合分析表明,毛竹纯林对小到中雨的截留能力较好,竹杉、竹阔混交林对大到暴雨的截留能力较好。     

寒温带4种森林类型土壤团聚体有机碳氮特征

【目的】 大兴安岭是我国唯一的寒温带地区,森林资源丰富,但大兴安岭地区土层较薄,且存在永冻层,对于该地区土壤结构、养分循环存在巨大影响。探讨该地区土壤团聚体的结构组成和有机碳、氮的含量与分布规律,了解不同粒径团聚体对土壤有机碳、氮的固存与保护作用,为深入研究我国寒温带地区土壤结构与碳氮循环提供依据。【方法】 在黑龙江大兴安岭地区,以我国寒温带4种主要森林类型(兴安落叶松林、樟子松林、山杨林、白桦林)为研究对象,测定生长季林地0~5、≥5~10和≥10~20 cm土层粒径<0.053、≥0.053~0.250、≥0.250~0.500、≥0.500~1.000和>1.000 mm水稳性团聚体的分配比例并结合有机碳、氮含量,分析各粒径团聚体有机碳、氮对土壤总有机碳、全氮的贡献率,进行多因素方差分析。【结果】 ①樟子松林、山杨林和白桦林0~10 cm土层和兴安落叶松林0~5 cm土层以大团聚体(粒径≥0.250 mm)为主,占50%以上,随着土层的加深,大团聚体质量分数下降,各个林型生长季中期大团聚体质量分数均高于初期和末期,且阔叶林大团聚体质量分数高于针叶林。②团聚体有机碳含量与全氮含量呈现出大致相同的变化规律,4种森林类型以粒径≥0.500 mm团聚体有机碳、全氮含量较高,大致表现为随粒径的减小含量递减。阔叶林团聚体有机碳、全氮含量比针叶林的高,且阔叶林的在生长季中后期含量相对较高,而兴安落叶松林的呈波动式变化趋势,樟子松林的则以生长季前期含量较高。③4种森林类型0~10 cm土层,团聚体有机碳、全氮以粒径≥0.500 mm团聚体贡献率较高,最高达到90%;随着土层的加深,≥0.250 mm的大团聚体的贡献率下降,≥10~20 cm土层以粒径<0.250 mm的微团聚体贡献率最高。④森林类型、土层和月份对土壤团聚体组成和团聚体有机碳、全氮含量均具有显著影响,且粒径≥0.500 mm团聚体有机碳、全氮含量与对应粒径团聚体含量呈正相关,粒径>1.000 mm团聚体有机碳、全氮含量与该粒径团聚体含量呈极显著正相关。【结论】 森林类型、土层和月份的变化均对土壤团聚体组成及其结合的有机碳、全氮含量产生影响,阔叶林大团聚体含量以及团聚体结合的有机碳氮含量均高于针叶林。4种森林类型以生长季中期大团聚体含量更高,阔叶林团聚体有机碳、全氮含量在生长季中后期较高,针叶林则在生长季内呈波动式变化趋势。随着土层的加深,大团聚体含量、团聚体有机碳、全氮含量以及大团聚体贡献率均逐渐降低。本研究区粒径≥0.500~1.000 m和>1.000 mm团聚体是有机碳和全氮的主要载体。由此可见,寒温带4种森林类型团聚体组成及其结合的有机碳、全氮特征各异,在一定程度上反映了寒温带主要森林类型下的土壤结构与碳氮固存特征。