中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)林冠層降雨截留特征

鄧雅麗,趙新宇,崔自杰,馮英杰,張衛(wèi)強(qiáng),劉效東,*

1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院,廣州 510642 2 廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院,廣州 510520

森林生態(tài)系統(tǒng)是生物圈生態(tài)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、分布最廣、類(lèi)型最豐富的陸地生態(tài)系統(tǒng),具有極其重要的涵養(yǎng)水源、保持水土、穩(wěn)定氣候等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[1—2]。對(duì)陸地森林生態(tài)系統(tǒng)而言,林冠層是其與外界環(huán)境相互作用、彼此反饋的第一界面層,具有顯著的遮蔭、截留降水、抑制土壤蒸發(fā)等水熱調(diào)節(jié)效應(yīng),深刻影響著生態(tài)系統(tǒng)的水分輸入、下滲、存蓄及產(chǎn)流輸出等的量及過(guò)程[3—5],進(jìn)而對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、生態(tài)服務(wù)功能的形成等發(fā)揮重要作用。因此,一直以來(lái),森林生態(tài)系統(tǒng)林冠層的水文效應(yīng)受到全世界的廣泛關(guān)注[6—7]。

大氣降雨進(jìn)入森林生態(tài)系統(tǒng)時(shí),森林冠層首先對(duì)其進(jìn)行截留并將降雨重新分配為林冠截留、穿透雨、樹(shù)干莖流3個(gè)組分,使大氣降水在數(shù)量、時(shí)間和空間上發(fā)生變化,并進(jìn)一步減緩地表徑流,有效的涵養(yǎng)了水源[8—9]。近幾十年來(lái),我國(guó)針對(duì)不同氣候區(qū)典型森林類(lèi)型的冠層截留特征及其水文效應(yīng)開(kāi)展了較為系統(tǒng)地監(jiān)測(cè)。閆俊華等[10]對(duì)南亞熱帶頂級(jí)生態(tài)系統(tǒng)季風(fēng)常綠闊葉林進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)7年的觀測(cè),指出季風(fēng)常綠闊葉林冠層降雨截留率高達(dá)31.8%,高于歷史時(shí)期該林分冠層截留率的報(bào)道結(jié)果。孫天妙等[11]通過(guò)對(duì)六盤(pán)山8種不同植被類(lèi)型林冠層截留特征的對(duì)比監(jiān)測(cè),揭示了在該地區(qū)白蠟林相對(duì)其它森林類(lèi)型較高的降雨截留能力。胡珊珊等[12]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外針對(duì)林冠層截留過(guò)程中水分變化特征的大量研究表明:大氣降水通過(guò)林冠層后,穿透雨量、樹(shù)干莖流量、林冠截留量占降水總量的比分別處于60%—90%、0.5%—14%和10%—40%。這些研究對(duì)豐富我國(guó)主要森林生態(tài)系統(tǒng)水文過(guò)程、功能及服務(wù)價(jià)值的認(rèn)識(shí)起到了重要作用。然而,長(zhǎng)期以來(lái),由于研究站點(diǎn)數(shù)量、觀測(cè)方法及周期長(zhǎng)短等問(wèn)題的限制,使得宏觀、全面認(rèn)知與評(píng)估我國(guó)主要森林生態(tài)系統(tǒng)林冠層降雨截留特征及其功能效益等問(wèn)題尚存在一定的局限性。

森林生態(tài)系統(tǒng)的林冠層對(duì)大氣降雨的截留是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,它受降雨自身特性(降雨總量、降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時(shí)間以及降雨間隔期等)、林分特征(林分密度、物種組成以及林齡等)、林冠特征(郁閉度、葉面積指數(shù)、冠層厚度、枝葉形態(tài)等)和區(qū)域氣候因子(氣溫、濕度、風(fēng)速等)等諸多因素的綜合影響[13—15],不同地區(qū)、不同氣候條件和不同森林類(lèi)型,森林冠層對(duì)降水的截留能力有很大的差異。Zhang等[6]通過(guò)比較不同森林類(lèi)型的林冠降雨截留特征表明林冠截留能力:混交林>灌木>針葉林>闊葉林。周佳寧等[16]對(duì)不同地區(qū)同種森林類(lèi)型的林冠截留特征的研究指出其因降雨條件、氣候因子的差別而存在明顯差異。我國(guó)幅員遼闊,地形、氣候、植被類(lèi)型等多種多樣,闡明不同類(lèi)型森林生態(tài)系統(tǒng)的林冠層降水截留功能與特征,對(duì)于評(píng)估我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)的水文生態(tài)服務(wù)效益及其價(jià)值具有重要意義。

隨著學(xué)科的發(fā)展、觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的統(tǒng)一,尤其是隨著國(guó)家生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)(National Ecosystem Research Network of China, CNERN)和中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(Chinese Ecosystem Research Network, CERN)等的宏觀布局,有關(guān)中國(guó)典型森林生態(tài)系統(tǒng)水分要素的觀測(cè)受到了前所未有的重視。為此,本研究通過(guò)整合國(guó)、內(nèi)外已發(fā)表文獻(xiàn)資料、數(shù)據(jù),系統(tǒng)性呈現(xiàn)中國(guó)典型森林生態(tài)系統(tǒng)林冠層對(duì)大氣降雨的再分配特征及其影響要素,以期為我國(guó)森林植被生態(tài)水文功能評(píng)價(jià)、水源涵養(yǎng)林建設(shè)與經(jīng)營(yíng)以及林—水協(xié)同管理等理論與實(shí)踐問(wèn)題提供重要支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

中國(guó)地域廣袤、自然條件復(fù)雜,氣候與地形多樣化造就了豐富的森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型,且整體呈現(xiàn)出明顯的地帶性特征。我國(guó)第九次森林資源清查結(jié)果顯示:我國(guó)森林總面積2.31億hm2,森林覆蓋率達(dá)到了24.02%[17]。從北到南,依次大致發(fā)育著寒溫帶和溫帶山地針葉林、溫帶針闊混交林、溫帶落葉闊葉林、亞熱帶針闊混交林、亞熱帶常綠闊葉林、熱帶雨林和季雨林[18]?；谔囟ㄑ芯磕康暮涂臻g數(shù)據(jù)的可得性[19],依據(jù)《中華人民共和國(guó)植被圖(1∶100萬(wàn))》植被分類(lèi)方法[20],結(jié)合全國(guó)生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型圖[21—22],本研究所梳理森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型如表1。

表1 中國(guó)典型森林生態(tài)系統(tǒng)分類(lèi)Table 1 Classification of typical forest ecosystems in China

1.2 數(shù)據(jù)的收集與篩選

本研究所涉及中國(guó)典型森林生態(tài)系統(tǒng)大氣降雨量、穿透雨量、樹(shù)干莖流量等數(shù)據(jù)以及研究區(qū)地理位置、氣候因子、森林群落結(jié)構(gòu)因子包括林分平均樹(shù)高、胸徑、葉面積指數(shù)(Leaf area index, LAI)等參數(shù)均來(lái)自于CNKI與Web of Science公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)和出版的專(zhuān)著。為了充分、有效地利用所收集的數(shù)據(jù),更好地反映各森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型冠層截留與降雨特征和植被要素的關(guān)系,本研究根據(jù)樣本數(shù)據(jù)獲得方法的統(tǒng)一性對(duì)文獻(xiàn)資料進(jìn)行篩選,同時(shí)為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量,本研究剔除了非年尺度研究等不符合要求的降水再分配數(shù)據(jù),最終得到174篇相關(guān)論文(時(shí)間跨度為1983—2022年)。對(duì)篩選后的論文進(jìn)行降水再分配數(shù)據(jù)收集工作,多年數(shù)據(jù)采用平均值,未提供具體數(shù)值的文獻(xiàn)則利用GetData Graph Digitizer 2.25進(jìn)行數(shù)字化和提取數(shù)據(jù)。此外,由于所收集落葉針葉林生態(tài)系統(tǒng)年降雨集中于生長(zhǎng)季,冬、春季極少降雨,因此本研究從文獻(xiàn)收集的落葉針葉林降水及其再分配過(guò)程數(shù)據(jù)長(zhǎng)度多為生長(zhǎng)季。最終,篩選后獲得297組數(shù)據(jù),其中落葉針葉林39組、常綠針葉林89組、落葉闊葉林43組、常綠闊葉林109組、針闊混交林17組。通過(guò)研究地點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)繪制了中國(guó)典型森林生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)位分布圖(圖1)。這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)全面地涵蓋了我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的分布區(qū)域,能夠代表我國(guó)典型的森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型。

圖1 中國(guó)典型森林生態(tài)系統(tǒng)分布圖Fig.1 Distribution map of typical forest ecosystems in China

1.3 研究方法

根據(jù)冠層水量平衡原理,計(jì)算各森林生態(tài)系統(tǒng)林冠層降雨截留量。計(jì)算公式如下:

I=P-SF-TF

(1)

林冠層降雨截留率能夠反映森林生態(tài)系統(tǒng)林冠層對(duì)雨水的攔截能力。林冠截留率計(jì)算公式如下:

WI=I/P

(2)

穿透雨率計(jì)算公式如下:

WTF=TF/P

(3)

樹(shù)干莖流率計(jì)算公式如下:

WSF=SF/P

(4)

式中,I為林冠截留量(mm),P為林外降雨量(mm),TF為穿透雨量(mm),SF為樹(shù)干莖流量(mm),WI為林冠截留率(%),WTF為穿透雨率(%),WSF為樹(shù)干莖流率(%)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本文將所收集得數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2019和SPSS 24.0軟件進(jìn)行處理,對(duì)所得指標(biāo)求取平均值、標(biāo)準(zhǔn)差,同時(shí)采用Pearson相關(guān)分析探究降雨再分配因子的影響要素,并基于擬合結(jié)果(回歸系數(shù)R2)確定最優(yōu)擬合方程,建立各森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型林冠層截留量與降雨量以及降雨再分配比率與降雨量、樹(shù)高、胸徑、LAI之間的關(guān)系。數(shù)據(jù)制圖采用Origin 2022進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 中國(guó)典型森林生態(tài)系統(tǒng)降雨截留再分配特征

本研究中,所觀測(cè)森林生態(tài)系統(tǒng)年降雨量處于236.6—2911.0 mm之間,基本涵蓋了我國(guó)主要森林生態(tài)系統(tǒng)的分布區(qū)域。5種典型森林生態(tài)系統(tǒng)多年平均降雨量波動(dòng)于(613.0±321.5)—(1656.3±544.8) mm,常綠闊葉林觀測(cè)區(qū)域多年平均降雨量顯著高于其他森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型。如圖2所示,我國(guó)不同森林生態(tài)系統(tǒng)的年穿透雨量(141.4—2450.0 mm)占年降雨量比值的36.3%—92.3%;從多年平均值來(lái)看,5種典型森林生態(tài)系統(tǒng)穿透雨量處于(445.3±252.9)—(1230.6±479.6) mm之間,穿透雨率在(72.6±9.2)%—(77.4±8.9)%之間;常綠闊葉林穿透雨量顯著高于其他森林生態(tài)系統(tǒng)(1230.6±479.6 mm),落葉針葉林穿透雨量在各森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型中最低(445.3±252.9 mm);針闊混交林穿透雨量?jī)H次于常綠闊葉林(1122.2±278.8 mm),落葉闊葉林與常綠針葉林穿透雨量接近,分別為(862.3±436.1) mm和(948.4±460.6) mm。從穿透雨率來(lái)看,落葉闊葉林多年平均值(77.4±8.9)%在5種典型森林生態(tài)系統(tǒng)中最高,落葉針葉林多年平均值最低(72.6±9.2)%。

圖2 中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)降雨量、穿透雨量、穿透雨率及樹(shù)干莖流量與樹(shù)干莖流率Fig.2 Rainfall, throughfall, throughfall percentage and stemflow and stemflow percentage in forest ecosystems in China

由圖2可知,所觀測(cè)各森林生態(tài)系統(tǒng)的樹(shù)干莖流量、樹(shù)干莖流率年際變化分別處于0—508.2 mm與0—25.8%之間;從多年平均值看,5種典型森林生態(tài)系統(tǒng)樹(shù)干莖流量介于(9.8±17.3)—(87.8±81.6) mm之間,占多年平均降雨量的(1.4±1.9)%—(5.4±4.6)%,其中,常綠闊葉林樹(shù)干莖流量、樹(shù)干莖流率分別為(87.8±81.6) mm和(5.4±4.6)%,均在各典型森林生態(tài)系統(tǒng)中最高。落葉闊葉林、常綠針葉林、針闊混交林三者多年平均樹(shù)干莖流量相差不大,介于(27.3±22.6)—(41.4±45.3) mm之間,占同期多年平均降雨量的(1.8±1.3)%—(3.9±4.4)%。落葉針葉林多年樹(shù)干莖流量與多年樹(shù)干莖流率平均值在各森林生態(tài)系統(tǒng)中均為最低,年均樹(shù)干莖流量?jī)H(9.8±17.3) mm,占同期年降雨總量的(1.4±1.9)%。

如圖3所示,中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的林冠層大氣降雨截留量年際變化介于25.7—812.9 mm之間,占同期年降雨量的4.2%—55.6%。從多年平均值來(lái)看,5種典型森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型林冠截留量在(154.2±81.6)—(392.2±203.5) mm,林冠截留率變動(dòng)于(18.7±7.4)%—(25.9±8.3)%;其中,針闊混交林((392.2±203.5) mm)與常綠闊葉林((322.0±158.4) mm)的林冠層降雨截留量顯著高于其他森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型,針闊混交林、常綠闊葉林林冠截留率分別為(24.9±11.1)%、(20.6±10.3)%。常綠針葉林及落葉闊葉林多年平均林冠截留量分別達(dá)到了(251.4±139.7) mm和(218.6±146.6) mm,常綠針葉林多年平均林冠截留率為(21.8±9.1)%,而落葉闊葉林多年平均林冠截留率僅(18.7±7.4)%,在5種典型森林生態(tài)系統(tǒng)中最低。落葉針葉林多年平均林冠截留量顯著低于其他森林生態(tài)系統(tǒng),僅(154.2±81.6) mm,但其多年平均林冠截留率在5種典型森林生態(tài)系統(tǒng)中最高,達(dá)到了(25.9±8.3)%。

圖3 中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)林冠截留量與林冠截留率Fig.3 Canopy interception and canopy interception percentage in forest ecosystems in China

2.2 森林生態(tài)系統(tǒng)降雨再分配特征的影響因素

整體上,中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)年穿透雨量、年樹(shù)干莖流量與年降雨量呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),年林冠截留量隨年降雨量的增大呈對(duì)數(shù)函數(shù)式增加(P<0.01)(圖4)。如圖4所示,5種典型森林生態(tài)系統(tǒng)年穿透雨量與年降雨量回歸方程的決定系數(shù)(R2)介于0.71—0.95之間;從不同類(lèi)型森林生態(tài)系統(tǒng)年樹(shù)干莖流量與年降雨量的相關(guān)性看,落葉針葉林二者相關(guān)關(guān)系最好。由此可見(jiàn),區(qū)域大氣降雨量對(duì)穿透雨量、樹(shù)干莖流量的大小具有的關(guān)鍵性作用。5種典型森林生態(tài)系統(tǒng)年林冠截留量與年降雨量之間均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),不同類(lèi)型森林生態(tài)系統(tǒng)二者間決定系數(shù)(R2)介于0.13—0.64之間(圖4)。在相對(duì)低的年降水量區(qū)間內(nèi),不同類(lèi)型森林生態(tài)系統(tǒng)年林冠降雨截留量均隨年降雨總量的增大而顯著增大,而在高年降水量的研究區(qū)域,林冠截留量隨降雨量增加的趨勢(shì)減緩。

圖4 中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)年穿透雨量、樹(shù)干莖流量、林冠截留量與年降雨量的關(guān)系Fig.4 Relationship between annual throughfall, stemflow, canopy interception and annual rainfall in forest ecosystems in China

森林生態(tài)系統(tǒng)降雨再分配比率受氣候條件和植被特征的影響。隨年降雨量的增加,森林生態(tài)系統(tǒng)年穿透雨率、樹(shù)干莖流率均呈顯著增大,而年林冠截留率呈顯著冪函數(shù)式下降(P<0.01)(圖5)。如圖5所示,隨林分平均胸徑的增大,森林年林冠截留率呈顯著上升趨勢(shì)(P<0.05),而年穿透雨率顯著下降(P<0.05),樹(shù)干莖流率與平均胸徑之間沒(méi)有達(dá)到顯著水平;年林冠截留率隨林分平均樹(shù)高的增加顯著增大(P<0.05),年樹(shù)干莖流率整體隨樹(shù)高的上升而顯著下降(P<0.05),年穿透雨率與平均樹(shù)高之間的相關(guān)性沒(méi)有達(dá)到顯著水平但整體呈下降趨勢(shì);此外,年穿透雨率隨森林冠層葉面積指數(shù)的增加而呈冪函數(shù)式降低(P<0.05),樹(shù)干莖流率隨森林冠層葉面積指數(shù)的增加呈現(xiàn)不顯著上升趨勢(shì)(P>0.05),林冠層年降雨截留率隨森林葉面積指數(shù)的升高呈現(xiàn)顯著的冪函數(shù)式上升(P<0.05)。綜合分析結(jié)果表明,對(duì)中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)而言,年降雨量、平均胸徑、平均樹(shù)高、LAI對(duì)林冠層降雨截留特征均有顯著影響。

圖5 中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)年穿透雨率、樹(shù)干莖流率、林冠截留率與年降雨量、平均胸徑、平均樹(shù)高、葉面積指數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationships of annual throughfall percentage, stemflow percentage, and canopy interception percentage with annual rainfall, mean diameter at breast height, mean tree height, and leaf area index in forest ecosystems in China, respectively

3 討論

3.1 中國(guó)典型森林生態(tài)系統(tǒng)降雨再分配特征

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,林冠層是森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣降雨發(fā)揮調(diào)節(jié)作用的起點(diǎn)。大氣降雨在通過(guò)森林冠層后其時(shí)空格局發(fā)生了劇烈變化,并賦予了森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)等功能與效益[23—24]。整體上,中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)年穿透雨率處于36.3%—92.3%。從5種典型森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型來(lái)看,多年平均穿透率變化范圍在(72.6±9.2)%—(77.4±8.9)%之間,高于世界上溫帶和北方森林的穿透雨所占比值(62.3%—70.6%)[25]。本研究表明,年平均穿透雨率最高的是落葉闊葉林(77.4±8.9)%,與Mahendrappa等[26]對(duì)落葉闊葉林開(kāi)展的長(zhǎng)達(dá)13年的相關(guān)監(jiān)測(cè)結(jié)果(77.0%—83.0%)相近;年穿透雨率(56.6%—90.8%)與Llorens等[27]對(duì)地中海地區(qū)落葉闊葉林(58.5%—94.4%)的報(bào)道結(jié)果接近,且亞熱帶落葉闊葉林年穿透雨率的變幅稍大于溫帶落闊葉林。常綠闊葉林多年平均穿透雨率(74.0±10.8)%僅次于落葉闊葉林,年穿透雨率浮動(dòng)范圍(36.3%—89.9%)與地中海氣候下同一森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型(55.2%—89.4%)的報(bào)道結(jié)果相近[27]。落葉針葉林多年平均穿透雨率(72.6±9.2)%在5種森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型中最小,低于美國(guó)落葉松林多年平均穿透雨率(81.0%)[26],主要是與分布地域、降雨特征、對(duì)象樹(shù)種的差異等因素有關(guān)。

在森林降雨再分配的過(guò)程中,樹(shù)干莖流所占比例較小,一般在0—5%[28],因而常被認(rèn)為是水文循環(huán)中可以忽略不計(jì)的組成部分[29—30]。然而,也有研究表明樹(shù)干莖流率可高達(dá)5%甚至10%以上[3,31—32]。此外,樹(shù)干莖流還為林木根部及周?chē)┙o了大量養(yǎng)分,對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的水養(yǎng)循環(huán)起著不可替代的作用[33]。本研究中,5種典型森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型多年平均樹(shù)干莖流量介于(9.8±17.3)—(87.8±81.6) mm之間,占多年平均降雨量的(1.4±1.9)%—(5.4±4.6)%,該結(jié)果處于以往相關(guān)研究報(bào)道結(jié)果的范圍內(nèi)[34—35]。其中,樹(shù)干莖流率多年平均值最高的是常綠闊葉林(5.4±4.6)%,其年樹(shù)干莖流率變幅(0—25.8%)高于Su等[36]對(duì)國(guó)外亞熱帶常綠闊葉林年樹(shù)干莖流率(0.3%—12.5%)的研究結(jié)果,這可能是與本研究部分觀測(cè)站點(diǎn)其林分特征、枝葉特性及降雨特性有關(guān)。而落葉闊葉林多年平均樹(shù)干莖流率(3.9±4.4)%略低于常綠闊葉林,其年際變化(0.5%—21.5%)與地中海氣候下落葉闊葉林樹(shù)干莖流率(0.2%—20.4%)的研究結(jié)果接近[27],但遠(yuǎn)高于Price等[37]對(duì)美國(guó)和加拿大落葉闊葉林(3.0%—6.0%)的研究結(jié)果。這主要與研究區(qū)域及其氣候特征有關(guān),本研究中落葉闊葉林在中溫帶、暖溫帶、亞熱帶均有分布,使得我國(guó)落葉闊葉林年樹(shù)干莖流率的變幅較大。落葉針葉林多年平均樹(shù)干莖流率在各森林生態(tài)系統(tǒng)中最小(1.4±1.9)%,年樹(shù)干莖流率變動(dòng)在0.1%—8.3%,這主要與落葉針葉林物候特征、樹(shù)冠及樹(shù)皮特性等有關(guān)。

中國(guó)5種典型森林生態(tài)系統(tǒng)多年平均林冠截留量((154.2±81.6)—(392.2±203.5) mm)、林冠截留率((18.7±7.4)%—(25.9±8.3)%)均在我國(guó)主要森林生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)研究報(bào)道范圍內(nèi)[38—39]。本研究中,多年平均林冠截留率最高的森林類(lèi)型是落葉針葉林((25.9±8.3)%),這與陳健果等[40]對(duì)我國(guó)季風(fēng)氣候下針葉林((24.1±10.2)%)的研究結(jié)果接近,常綠針葉林林冠截留率((21.8±9.1)%)與Miralles等[41]利用衛(wèi)星遙感對(duì)全球針葉林林冠截留率(22.0%)的估測(cè)結(jié)果相近。落葉針葉林、常綠針葉林年林冠層截留率分別變動(dòng)在14.7%—46.5%、7.5%—51.9%,與以往關(guān)于我國(guó)南北不同氣候帶針葉林(14.5%—50.0%)[42]以及國(guó)外溫帶針葉林(9.0%—48.0%)[43]林冠截留率的報(bào)道一致。落葉闊葉林多年平均林冠截留率((18.7±7.4)%)在5種生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型中最低,這與利用衛(wèi)星遙感估測(cè)的全球尺度落葉闊葉林截留率(19.0%)[41]結(jié)果相近;從年林冠截留率(7.1%—41.9%)來(lái)看,與以往國(guó)外學(xué)者對(duì)溫帶落葉闊葉林林冠截留率(11.0%—36.0%)的研究報(bào)道結(jié)果接近[43]。

3.2 中國(guó)典型森林生態(tài)系統(tǒng)降雨截留的影響因素

森林生態(tài)系統(tǒng)降雨截留再分配受降雨量、降雨強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間等降雨特征及氣候條件和林分特征(樹(shù)高、胸徑、LAI等)的綜合影響[44—45],不同森林生態(tài)系統(tǒng)降雨再分配及其截留特征存在顯著差異。本研究所觀測(cè)森林生態(tài)系統(tǒng)年穿透雨量均隨區(qū)域年降雨量的增加而顯著增大,這與在中國(guó)各主要溫度帶的研究結(jié)果相似[46—48]。受不同氣候區(qū)降雨特征的影響,常綠闊葉林多年平均穿透雨量在各森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型中最高,針闊混交林次之,落葉針葉林最小;其中,福建武夷山自然保護(hù)區(qū)境內(nèi)常綠闊葉林年穿透雨量高達(dá) 2320.0 mm[49],江西省中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)常綠針葉林年穿透雨量達(dá)2450.0 mm[50],年穿透雨量均為其相應(yīng)森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型中最高。不同森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型穿透雨率較穿透雨量呈現(xiàn)出不同的規(guī)律,落葉闊葉林多年平均穿透雨率高于其他森林生態(tài)系統(tǒng),可能是與本研究落葉闊葉林分布地域降雨特征有關(guān),此外群落結(jié)構(gòu)、冠層物理及物候特征也造就了其較高的穿透雨率[51—52]。5種典型森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型中落葉針葉林多年平均穿透雨率最小,這可能是由于所收集落葉針葉林降雨再分配的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要源于生長(zhǎng)季,且針葉截留能力較強(qiáng)[53—54],加之該研究區(qū)域年降雨量低,低總量、長(zhǎng)歷時(shí)降水格局有利于林冠層的截留蒸發(fā)并導(dǎo)致穿透雨率相對(duì)較低[55—56]。此外,也有研究表明冠層結(jié)構(gòu)特征是影響穿透雨的重要因素[57—58],這進(jìn)一步支持了本研究得出的森林生態(tài)系統(tǒng)年穿透雨率隨LAI的增加呈顯著下降趨勢(shì)的研究結(jié)果。

本研究中,常綠闊葉林多年平均樹(shù)干莖流率在各類(lèi)型森林生態(tài)系統(tǒng)中最高,落葉闊葉林樹(shù)干莖流率僅次于常綠闊葉林。其中,位于福建省武夷山、江西省鷹潭市的常綠闊葉林年樹(shù)干莖流量顯著高于其他地區(qū)同類(lèi)型以及其他類(lèi)型森林生態(tài)系統(tǒng),分別達(dá)到508.2 mm[49]和444.0 mm[50],這與兩地常綠闊葉林區(qū)觀測(cè)期間年降雨量較高,且群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜、郁閉度高等有關(guān)。一般認(rèn)為葉革質(zhì)、分支角小、冠層厚、郁閉度高的森林樹(shù)干莖流率大[59—60],本研究中落葉針葉林年樹(shù)干莖流率在5種典型森林生態(tài)系統(tǒng)中最低。以華北落葉松為主的落葉針葉林其錐形樹(shù)冠結(jié)構(gòu)與近乎水平的分支角度使雨水不易到達(dá)主干,樹(shù)皮粗糙、吸附雨水能力強(qiáng),不易產(chǎn)生樹(shù)干莖流。以往研究表明,樹(shù)干莖流不僅受降雨特征的影響,還與樹(shù)高、胸徑等林分特征、LAI等林冠特征、枝葉特性等多種因素有關(guān)[59,61]。此外,樹(shù)干寄附生植物等也能通過(guò)影響冠層截留而間接作用于樹(shù)干莖流[62—63]。本研究結(jié)果表明,樹(shù)干莖流量、樹(shù)干莖流率均與降水量顯著相關(guān),樹(shù)高因子亦顯著影響樹(shù)干莖流率,而林分平均胸徑、LAI與年樹(shù)干莖流率之間相關(guān)性未達(dá)到顯著水平,這可能與不同區(qū)域森林類(lèi)型、樹(shù)種特性及降雨特性的耦合、交織作用影響有關(guān)[45,62,64]。

中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)年林冠截留量隨年降雨量的增加呈顯著上升趨勢(shì)(P<0.01),年林冠截留量在相對(duì)低的年降水量區(qū)間內(nèi)隨年降雨總量的增大而顯著增大,在高年降水量的研究區(qū)域,林冠截留量隨降雨量增加的趨勢(shì)減緩。此外,中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)年林冠層截留率與樹(shù)高、胸徑、LAI等林分特征呈顯著正相關(guān)關(guān)系。其中,LAI作為綜合反映群落冠層結(jié)構(gòu)特征的重要參數(shù),相對(duì)于其他林分特征因子,其對(duì)林冠層截留率的影響更為明顯[65—66]。這與林冠層對(duì)降雨截留的生態(tài)學(xué)機(jī)制有關(guān),大氣降雨到達(dá)森林生態(tài)系統(tǒng)時(shí)首先被復(fù)雜的林冠層截留,冠層厚、郁閉度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的森林類(lèi)型其LAI相對(duì)較高導(dǎo)致林冠截留率相應(yīng)較高[67—68]。但當(dāng)林冠超過(guò)其最大截留能力時(shí),LAI則不再發(fā)揮主導(dǎo)作用,此時(shí)降雨量、雨強(qiáng)、歷時(shí)等持續(xù)發(fā)揮其作用[3,65]。Yang等[69]研究也指出降雨量、降雨強(qiáng)度等降雨特征是影響林冠截留率主要因素,本研究中林冠截留量最大值(812.9 mm[70])與林冠截留率(55.6%[71])最大值分別出現(xiàn)在亞熱帶氣候區(qū)的常綠針葉林和常綠闊葉林。5種森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型中,落葉針葉林具有最大的林冠截留率、落葉闊葉林林冠截留率最低,如前所述這主要與落葉針葉林區(qū)域觀測(cè)期內(nèi)相對(duì)低的降雨量((613.0±321.5) mm)及其格局特征以及落葉闊葉林群落與冠層結(jié)構(gòu)、物候特征等的深刻影響有關(guān)。

4 結(jié)論

本文以中國(guó)典型森林生態(tài)系統(tǒng)降雨再分配過(guò)程的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),探究中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的降雨再分配、林冠層降雨截留特征及其與降雨、植被要素的關(guān)系。我國(guó)不同森林生態(tài)系統(tǒng)年穿透雨量、樹(shù)干莖流量和冠層截留量變化范圍分別為141.4—2450.0 mm、0—508.2 mm和25.7—812.9 mm,分別占年降雨總量的36.3%—92.3%、0—25.8%和4.2%—55.6%。從多年平均值來(lái)看,5種典型森林生態(tài)系統(tǒng)穿透雨量、樹(shù)干莖流量和冠層截留量分別變動(dòng)在(445.3±252.9)—(1230.6±479.6) mm 、(9.8±17.3)—(87.8±81.6) mm 和(154.2±81.6)—(392.2±203.5) mm,分別占同期降雨量的(72.6±9.2)%—(77.4±8.9)%、(1.4±1.9)%—(5.4±4.6)%和(18.7±7.4)%—(25.9±8.3)%;其中,常綠闊葉林多年平均穿透雨量、樹(shù)干莖流量均最高,多年平均冠層截留量?jī)H次于針闊混交林,落葉針葉林均最低,但落葉針葉林冠層截留率在5種森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型中最高。整體上,我國(guó)不同類(lèi)型森林生態(tài)系統(tǒng)林冠降雨截留調(diào)節(jié)能力存在差異,林冠層截留率突出表現(xiàn)為:落葉林大于常綠林、針葉林大于闊葉林。此外,不同類(lèi)型森林生態(tài)系統(tǒng)年穿透雨量、樹(shù)干莖流量和林冠層截留量均隨觀測(cè)區(qū)年降雨量的增加而呈顯著增大。年穿透雨率、年樹(shù)干莖流率隨年降雨量的增加呈顯著上升趨勢(shì),而年林冠截留率與年降雨量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。除氣候要素降雨量因子外,林分結(jié)構(gòu)因子如胸徑、樹(shù)高與LAI深刻影響森林生態(tài)系統(tǒng)冠層降雨截留率的高低。