高寒河谷灌丛冠层降雨再分配特征及影响因素

通过植被冠层的降雨被分割成冠层截留、穿透雨和树干茎流3个部分,这个过程（冠层降雨再分配）是高寒河谷灌丛生态演变的关键驱动因子之一,对于认识高寒河谷灌丛的水文循环过程及水分收支规律也具有重要意义。选取青海湖流域最重要的河谷灌丛--具鳞水柏枝作为研究对象,通过野外定点观测,深入分析了冠层降雨再分配特征及影响因素\.结果显示:①穿透雨量、树干茎流量、冠层截留量占同期降雨量的比例平均为48.40%、4.04%和47.56%,并在不同降雨量等级之间存在显著差异;②冠层降雨再分配各组成要素（穿透雨、树干茎流、冠层截留）与降雨特征参数存在高度相关性,伴随降雨量和降雨历时的增加,穿透雨量、树干茎流量、冠层截留量占同期降雨量的比例均逐渐趋于稳定,极限稳定值分别介于60.45%～61.07%、6.45%～7.42%、33.11%～34.17%;③产生穿透雨和树干茎流的临界降雨量分别为1.10 mm和1.87 mm,表明2 mm以下的降雨对土壤水分的补给基本没有贡献。因此,高寒河谷灌丛冠层降雨再分配与其他林木类型存在明显差异,需要深入研究其内在机制及水分利用规律。     

基于机载雷达数据的青海云杉(Picea crassifolia)林降雨截留空间模拟

以祁连山天老池流域青海云杉(Picea crassifolia)林为对象,以2013年降雨截留观测数据和机载雷达数据,结合GIS技术对青海云杉林进行流域尺度上的截留模拟。先以样方尺度上观测的数据建立截留量统计模型,然后利用机载雷达数据计算冠层激光穿透指数(LPI),根据LPI与叶面积指数(LAI)的关系实现对青海云杉LAI的反演,最后利用青海云杉林区降雨量和LAI空间分布数据,在GIS的空间分析中,模拟研究区青海云杉林截留的空间分布。结果表明:2013年生长季研究区青海云杉林林冠截留量0~331.0mm,平均161.9mm,林冠截留率在0~67.97%,平均33.89%;整个生长季,流域青海云杉林冠截留量约5.26×105 m3,占整个流域生长季总降雨量的7.38%。     

半干旱沙地樟子松林降雨再分配特征

森林植被的降雨再分配过程是影响区域水资源利用效率以及生态系统生产力的重要因素。于2018年5-8月观测27 a生樟子松人工林降雨再分配特征,探究降雨再分配的比例变化对林地水分平衡的影响机制,分析、量化林内穿透雨、林冠截留、树干径流、枯落物层入渗部分产生的阈值。结果表明:樟子松林内穿透雨量占同期降雨量的86.45%,穿透雨量随着降雨量的增加呈线性增加趋势,降雨量>0.63 mm时产生穿透雨;林冠截留量和树干径流量分别占降雨量的10.44%和2.54%,树干径流量与降雨量之间呈正线性关系,降雨量>1.19 mm时,产生树干径流;枯落物层截留量占降雨量的12.37%,枯落物层截留量随着降雨量的增加而增加;枯落物在0~24 h内平均吸水速率为1.83 mm·h^-1,其最大持水量为3.23 mm,并且枯落物层截留量占其最大持水量的42.37%。从林冠到枯落物各层截留总量为25.35%,其中有74.65%的雨水最后从枯落物层入渗进入地表,用于补充土壤水分、下渗或补充地下水。半干旱沙地樟子松林可以有效地发挥截留降雨、贮存雨水的功能,继而改善沙地土壤含水量和地下水的有效补给量,提高森林生态系统生产力。     

祁连山北坡青海云杉林冠对降雨截留空间模拟——以排露沟流域为例

林冠截留在干旱、半干旱区水量平衡中起着非常重要的作用,但目前的研究主要以样方尺度上的降水截留特征研究为主,基于遥感与GIS方法进行流域或区域景观尺度上的林冠降水截留模拟研究还比较少。以青海云杉(Picea crassifolia)林为研究对象,在典型的青海云杉-苔藓林内按照不同林冠结构布设林冠截留样方,通过2008年42次降雨事件的观测,将林冠截留模型与降雨及林冠结构特征联系起来。把表征冠层结构的叶面积指数引入到模型中对模型进行改进,经检验改进的截留模型对林冠截留模拟结果较好。为此,将模型中的降雨和叶面积指数进行空间化,通过改进模型实现小流域尺度上的林冠截留模拟。利用GIS工具对祁连山排露沟流域林冠截留量的空间分布分析,该流域2008年青海云杉林冠截留量在97.9～236.6 mm之间,平均为161.8 mm,林冠降雨截留量随海拔增加而增加;林冠截留率在27.92%～58.00%之间,平均为41.70%,截留率随海拔增加先增加而后减小;排露沟流域青海云杉林冠年截留量约为1.6×105m3,占整个流域总降雨量的13.25%左右。     

干旱荒漠区绿洲边缘典型固沙灌木的降水截留特征

在民勤绿洲边缘,降水对维持固沙灌木持续稳定发挥固沙功能具有重要作用。本文选择民勤绿洲边缘3种主要固沙灌木为研究对象,观测了降雨条件下降水穿透量和冠层截留量,分析了降水穿透量和冠层截留量与降雨量之间的关系以及截留率与降水强度之间的关系,比较了不同灌木群落的降水截留特征。结果表明,不同灌木的降水截留存在明显差异,梭梭、柽柳、生长良好白刺、衰退白刺冠层最大截留量和截留容量分别为0.6 mm、0.6 mm、0.4 mm、0.3 mm和0.8 mm、0.8 mm、0.5 mm、0.2 mm;在两年总降水量255.3 mm条件下,梭梭、柽柳和生长良好白刺3种灌木群落冠层截留损失分别为44 mm、88 mm和32 mm,占降水总量的16.6%、33.1%和12.0%;当降雨强度<0.8 mm·h-1,梭梭和柽柳降水截留率随降水强度增加均呈递减趋势;当降水强度>0.8 mm·h-1时,梭梭冠层截留量与降水量的比率基本稳定在0.2～0.3之间,柽柳在0.3～0.4之间;当降水强度<0.5 mm·h-1,生长良好白刺灌丛的降水截留率随降水强度增加呈下降趋势;当降雨强度>0.5 mm·h-1,生长良好白刺灌丛截留率基本维持在0.1～0.2之间;降雨强度>0.4 mm·h-1时,衰退白刺截留率稳定在0.05～0.1之间。     

祁连山东部地区苔藓青海云杉林降水截留研究

根据野外观测,运用统计建模的方法,研究了不同郁闭度条件下青海云杉林冠截留与降水的关系,确定了最佳降水截留模型。结果表明:在郁闭度为0.4的情况下,模拟模型为S曲线函数,相关系数(R2)可达0.698,在郁闭度为0.6和0.8的情况下,模拟模型为幂函数,相关系数(R2)分别为0.832和0.886,降水量较小时,模拟的精度较高,雨量较大时模型的误差很大。林冠对降水的再分配是干旱区水资源评估的一个重要方面,准确描述降水截留过程是干旱区生态水文过程研究的重要内容,因此考虑林冠特征和截留机制是未来降水截留研究的重点,以期精确定量评价该地区青海云杉林的生态水文效应。     

不同郁闭度天山云杉林林冠截留量及穿透雨量特征研究

天山云杉(Picea schrenkiana var.tianschanica(Rupr.)Chen et Fu)是构成天山山地森林生态系统的主体。选取天山森林生态系统定位研究站不同郁闭度天山云杉林作为研究对象,研究了不同郁闭度条件下天山云杉林冠截留量及穿透雨量的月变化特征、林冠截留量及穿透雨量与总降雨量间的数量关系,通过研究得出结论:林冠截留率与郁闭度表现出显著正相关关系,而穿透雨比率与郁闭度表现出显著负相关关系;穿透雨量、穿透雨比率及林冠截留量的月变化与总降雨量基本一致,林冠截留率则相反;郁闭度为0.8和0.6、0.4和0.2之间的穿透雨量无显著性差异,0.8和0.6与0.4和0.2之间差异明显,林冠截留量相邻郁闭度间均无显著性差异,而不相邻郁闭度之间均差异显著;建立了穿透雨量及林冠截留量与总降雨量间的数学关系,用以定量评价该地区天山云杉林水文生态效益。     

荒漠灌木树干茎流及其生态水文效应研究进展

树干茎流作为林冠层降雨截留再分配过程中的重要组成部分,影响着土壤-植物-大气连续体（SPAC）中不同尺度和圈层间的水分和养分循环的速度与方向,对荒漠地区灌木的生存和生长具有深远影响,对于土壤养分的溶解、利用,土壤水、地下水的循环与补给,土壤侵蚀过程等方面都有重要意义。本文系统总结了近年来荒漠地区灌木树干茎流研究的主要手段与方法,对影响树干茎流形成的主要因素、形成过程、变化趋势进行了具体论述,对主要的荒漠灌木树种树干茎流经验模型进行了归纳,并具体分析了树干茎流在生态水文学方面研究意义及主要进展。针对荒漠树干茎流尚有以下方面的问题需要进一步深入研究:(1）不同灌木树干茎流的形成过程、主要影响因素及其相互作用机制;(2）树干茎流集水系统的空间结构配置特征和降雨径流作用机制;(3)树干茎流补给在荒漠地区群落格局形成以及演替中的作用机理、荒漠植被特征与动态对截留、树干茎流、蒸散发以及入渗过程的反馈机制等。     

祁连山南麓退耕地主要植物群落植冠层的截留性能

退耕地人工群落植冠层的截留能力,是群落生态效益的重要组成部分,这一研究不仅可以掌握退耕还林还草工程作用的机理,还可以更好地指导工程实践,促进工程建设步伐。通过“简易吸水法”,可以快速掌握退耕地植冠层的最大截留潜力。青海省大通县退耕较早、平均年龄约10a以上的青海云杉、华北落叶松等几种人工群落,它们的林冠截留量较高,平均达1．93mm,为当地3种截留量最高、林龄50a之上天然群落的61％。青海云杉、华北落叶松、白桦、青杨、中国沙棘等退耕地人工群落的截留量,基本上显示出与林龄之间呈线性或Cubic、Quadratic正相关关系。在植物群落分层截留、消化吸收降雨的这一空间垂直序列中,植冠层截留量虽然较低,平均仅1．29mm(0．25～2．38mm),但植冠层的主要作用还在于减轻、缓冲雨水直接打击地面,改变降水的侵蚀性危害,而这些作用要远远高于截留量自身的区区数量。     

荒漠灌丛降雨再分配对土壤pH值的影响

对腾格里沙漠东南缘沙坡头地区1989年建植人工植被区优势固沙灌木柠条（Caragana korshinskii）和半灌木油蒿（Artemisia ordosica）树干茎流及穿透雨的pH值,以及灌丛基部、灌丛下和灌丛外裸地0～10 cm和10～20 cm剖面深度土壤pH值分别进行测定,并与大气降雨pH值进行比较,以探讨荒漠灌丛降雨再分配对土壤pH值空间变异的影响。结果表明:大气降雨pH值最高,穿透雨pH值次之,树干茎流pH值最低,三者之间具有显著差异（p<0.05）。灌丛外裸地土壤pH值最高,灌丛下次之,树干基部最低。总体而言,0～10 cm剖面深度土壤pH值小于其下方10～20 cm剖面深度土壤pH值。柠条灌丛产生的树干茎流对土壤的酸化作用强于油蒿灌丛。树干茎流和穿透雨的酸化作用是导致土壤pH值从灌丛间裸地到灌丛基部方向上降低的一个重要原因。     

Throughfall and its spatial variability in a temperate rainforest of simple structure

There are few throughfall data from southern hemisphere closed-forest, and none from Tasmanian callidendrous cool-temperate rainforest, which has a simpler structure than most primary rainforests. We determined throughfall, measured its local spatial variation, and tested its relationships with rainfall, rainfall intensity, wind speed, canopy dryness, canopy cover, and other structural variables in a cool-temperate callidendrous rainforest in Tasmania. Eighty-two percent of the precipitation was measured as throughfall, which occurred after 2.3 mm of rain fell on dry canopies. The cumulative rainfall in 25 randomly located funnel rain gauges on the forest floor varied from 160 to 567 mm. Canopy cover and other structural variables did not predict the spatial pattern of throughfall. While throughfall in rainfall events was related to rainfall amount and intensity, wind speed did not affect throughfall as a percentage of rainfall. Percentages of throughfall to rainfall over 100 for many low rainfall events may indicate a contribution of fog drip to precipitation on the forest floor. The high local spatial variability in throughfall indicates the mean moisture conditions on the forest floor may not be a good indicator of the potential for localised fire damage.     

黄河中游大尺度植被冠层截留降水模拟与分析

大尺度植被冠层截留降水定量模拟与分析是揭示气候变化和人类活动综合作用下区域水沙变化机制的重要研究内容。以黄河中游河口镇—潼关区间为研究区,耦合遥感等空间数据与植被冠层截留估算模型,利用地面监测站点降水数据、GLASS叶面积指数遥感数据和地理信息空间分析技术,定量模拟和分析了黄河中游20 世纪80 年代以来3 个典型年份的地表植被冠层截留降水及其时空变化特征。结果表明：（1） 20 世纪80 年代以来,特别是20 世纪末实施的生态修复政策,使得黄河中游叶面积指数显著提高,植被覆盖明显改善;（2） 20 世纪80 年代以来,黄河中游植被冠层截留降水发生了明显变化,1984 年、1995 年和2010 年研究区植被冠层截留降水量区域年平均值分别为19.57 mm、13.66 mm和22.68 mm,截留率分别为3.24%、3.32%和4.92%;（3） 黄河中游植被冠层截留降水特征及其变化受降水特征和地表植被状况共同影响,其中,降水量是决定植被冠层截留降水特征的控制性因素,而叶面积指数年际变化是影响植被冠层截留降水特征变化的主要因素。     

祁连山大野口流域森林空间结构及水源涵养功能

林分空间结构及其水源涵养功能关系一直是森林生态水文学研究的热点.我们在祁连山大野口流域选取林分空间结构、林冠截留和河川径流等监测样地,采用特征参数统计分析、多度分析和相关系数分析等方法,研究了林分空间结构因子及其水源涵养功能之间的关系.结果表明:(1)祁连山大野口流域49块样地的2 819株青海云杉(Picea crassifolia)的胸径、树高、冠长、冠幅、冠幅面积的分布曲线比正态分布平缓,树龄、胸径断面的分布曲线比正态分布剧烈;径级从1～5 cm到26～30 cm、高度级从2～4 m到18～20 m、冠长级从2～4 m到12～14 m、冠幅级从2～4 m到4～6 m,其多度分别为89.4%、94.4%、77.8%和82.7%.(2)林冠截留年总量和平均截留率分别为139.1 mm和35.28％;(3)从相关系数分析来看,海拔对树高影响较大,对冠长影响较小,与其他因子不相关;坡向对冠幅影响最大,对冠长、树高影响较小;坡度对这些因子几乎没有影响.径级与多度、冠长与多度均符合三次多项式关系;胸径与树高、冠长、冠幅、树龄符合线性多元回归函数;雨量级与林冠截留率呈反比.本文可为流域林分空间结构特征与水源涵养功能之间的机理研究提供基础数据和参考资料.     

中国天山西部山区森林积雪消融过程观测分析——以巩乃斯河谷为例

通过对2013年春季中国科学院天山积雪与雪崩研究站区内阳坡无林地和阴坡不同开阔度森林内积雪深度、融雪速率以及常规气象的观测,分析了融雪期不同开阔度森林积雪的消融过程以及积雪表面能量平衡特征。结果表明:不同开阔度林冠下积雪深度具有相同的变化趋势,森林的林冠开阔度越大,林下积雪深度越大,林下积雪开始消融和完全消融的时间越晚,消融期也越长。森林积雪融雪开始和结束时间比阳坡无林地区晚20~30 d左右。融雪前期林冠开阔度越大,其林下融雪速率越小。融雪后期则森林开阔度越大,森林积雪的融雪速率越大。不同时期由于不同开阔度林冠下雪面能量收支以及雪层深度等物理特性的差异,从而使不同开阔度林冠下森林积雪融雪速率的相对大小,融雪速率最大值出现时间和日变化特征均不相同。晴天森林积雪的消融速率和日变化特征取决于净短波辐射和长波辐射变化特征。降水期间,其融雪速率的变化则主要受降水形式、降水量以及积雪深度等雪层特性的影响。     

Snow depth simulated by BATS-SAST model and its improvement

A BATS-SAST model was employed to simulate the snow processes in four snow cases of Sk_OJP 2001/2002, 2002/2003, 2003/2004 and Sk_HarvestJP 2003/2004 of Canada. At Sk_OJP site we modified the long-wave radiation and precipitation schemes. Considering the different interceptions between rain and snow and the effect of wind and canopy temperature on snow download, we improved the canopy interception model. At Sk_HarvestJP site we modified the snow cover fraction scheme. Results show that the model reasonably simulates the basic processes of snow cover. The modified model, which considers the part of the long-wave radiation and precipitation transmitted through the canopy at Sk_OJP site, can increase the simulation of snow depth which is closer to the observations. The improved canopy interception model, which influences the variation of snow depth under the canopy by changing canopy interception, is a great improvement on simulation of snow depth, especially on the ablation of snow cover. At Sk_HarvestJP site, there are obvious improvements on simulation of snow depth on the ablation of snow cover.     

Rainfall partitioning by desert shrubs in arid regions

We measured the rainfall partitioning among throughfall, stemflow, and interception by desert shrubs in an arid region of China, and analyzed the influence of rainfall and canopy characteristics on this partitioning and its ecohydrological effects. The percent-ages of total rainfall accounted for by throughfall, stemflow, and interception ranged from 78.85±2.78 percent to 86.29±5.07 per-cent, from 5.50±3.73 percent to 8.47±4.19 percent, and from 7.54±2.36 percent to 15.95±4.70 percent, respectively, for the four shrubs in our study (Haloxylon ammodendron, Elaeagnus angustifolia, Tamarix ramosissima, and Nitraria sphaerocarpa). Rain-fall was significantly linearly correlated with throughfall, stemflow, and interception (P < 0.0001). The throughfall, stemflow, and interception percentages were logarithmically related to total rainfall (P < 0.01), but were quadratically related to the maximum 1-hour rainfall intensity (P < 0.01). The throughfall and stemflow percentages increased significantly with increasing values of the rainfall characteristics, whereas the interception percentage generally decreased (except for average wind speed, air temperature, and canopy evaporation). Regression analysis suggested that the stemflow percentage increased significantly with increasing crown length, number of branches, and branch angle (R2 = 0.92, P < 0.001). The interception percentage increased significantly with increasing LAI (leaf area index) and crown length, but decreased with increasing branch angle (R2 = 0.96, P < 0.001). The mean funnelling percentages for the four shrubs ranged from 30.27±4.86 percent to 164.37±6.41 percent of the bulk precipitation. Much of the precipitation was funnelled toward the basal area of the stem, confirming that shrub stemflow conserved in deep soil layers may be an available moisture source to support plant survival and growth under arid conditions.