不同降雨强度下庐山日本柳杉林冠层穿透雨延滞效应

为了探究不同降雨特征下穿透雨过程,依托庐山森林生态系统国家定位观测站,通过观测2017年雨季(4—9月)日本柳杉林内外实时降雨过程定点观测数据,并选取部分典型场次降雨(中雨、大雨和暴雨),分析不同降雨强度下柳杉林冠层时滞效应。结果表明:在2017年雨季,庐山地区降雨呈现出小降雨量(≤5 mm)、短降雨历时(≤2 h)和低降雨强度(≤2 mm/h)的特征。从林外降雨开始至林内出现降雨的起始延滞期内,起始延滞时间(y)随着林外降雨强度(x)的增大而迅速减小,两者之间呈现幂函数关系(y=0.656x^(-0.822),R^(2)=0.8234)。起始延滞时间与林外降雨量之间关系不明显。冠层滞留效应为正滞留效应时,平均降雨强度相对于冠层滞留效应为负滞留效应时更小,且在降雨初期以及降雨末期(≤2 h以及>8 h)时,滞留效应多发生正滞留效应;而在降雨达到峰值时(即降雨中期)滞留效应才会明显出现负滞留效应。在降雨过程中,林冠层对降雨的有效延滞作用主要发生在降雨起始和结束2个阶段,而在中间期冠层拦蓄作用几乎消失,出现林内降雨强度要大于林外降雨强度的情况。在进行水土流失、山洪、泥石流和滑坡等地质灾害预报时,应重点关注降雨中间期。

辽宁西部地区不同生育期玉米穿透雨特征及其影响因素研究

穿透雨是农田土壤水分的重要来源,对于农业用水管理十分重要。然而,以往不同地区的研究结果差异较大,也缺乏对玉米各生育阶段穿透雨过程的深入研究。为量化辽西地区穿透雨特征,了解不同生育期玉米透雨率过程的差异性,通过开展天然降雨试验,系统测定降雨特征、玉米形态特征及玉米全生育期穿透雨,分析辽宁西部地区不同生育期玉米穿透雨及其影响因素。结果表明:穿透雨量随降雨量的增加而增加,降雨量相同的条件下,穿透雨量在不同生育阶段呈现拔节期>成熟期>抽雄期的规律。穿透雨率随玉米叶面积指数的增加而减小。拔节期穿透雨率随降雨强度的增加而增大,但在抽穗期和成熟期这种趋势并不显著。研究区的玉米穿透雨率均值为51.44%。拔节期、抽雄期和成熟期穿透雨率均值分别为64.30%、38.93%和44.80%,同一影响因素在玉米不同生育期对穿透雨的影响效果存在差异。

穿透雨减少对辽西北沙地樟子松树干液流的影响

为探究减少穿透雨情况下樟子松树干液流速率的变化及其与环境因子的关系,采用热扩散式液流探针,对辽西北樟子松人工林的树干液流速率以及林内多个环境因子进行同步连续监测,分减少穿透雨样地(人工截留穿透雨30%)和正常降水样地(对照),测定2018年生长季(4—10月)樟子松树干液流速率,对不同天气情况下樟子松树干液流速率的日变化、夜间变化以及月变化进行分析讨论。结果表明:1)经过长期穿透雨减少处理后樟子松树干液流速率显著高于对照组,不同天气情况下白天和夜间的差异幅度均为:晴天>雨天>阴天。2)经过降水后,减雨处理的樟子松树干液流启动时间早于对照组,而对照组樟子松日树干液流平均速率经过降水后增长幅度高于减雨组。3)樟子松树干液流速率在生长季内先升高后降低,夏季高于春季和秋季。4)减雨样地与对照样地樟子松的树干液流速率均受气象因子的影响较大,与空气温度和光合有效辐射呈显著的正相关,与空气湿度呈负相关关系。降水减少增加了沙地樟子松的树干液流速率,这对未来人工林的管理提供了参考。

岷江冷杉针叶林下穿透雨空间分布特征

森林对降水的截留作用、林下穿透雨的水文学及生态学意义一直是生态水文学研究中的热点 ,但是关于林下穿透雨空间分布特征的研究还比较少。在四川西部的卧龙自然保护区研究了岷江冷杉林下穿透雨的空间分布特征。在岷江冷杉针叶林下布设了 8个雨量筒用以测量林下穿透雨 ,对两年共 35次降雨的穿透雨研究结果表明 ,林下各观测点的穿透雨率同林外降雨量之间的关系都可以用逻辑斯谛曲线方程较好地模拟 ,与传统的对数方程模拟相比 ,前者的相关程度显著高于后者 ,而且用逻辑斯谛方程进行模拟时 ,方程中的各参数具有一定的生态学意义。此外 ,研究发现林下各点的穿透雨率具有显著的差异 ,位点 4下的穿透雨存在着明显的聚集效应 ,此处的平均穿透雨率达到了 10 3.2 %。对林下 8个点穿透雨进行聚类分析表明 ,林下位点 4和位点 8的穿透雨特征与其余 6个点的穿透雨特征有显著的差异。对影响岷江冷杉林下穿透雨空间分布的因素分析表明 ,观测点上方的冠层覆盖度、枝叶层厚度与降雨量之间均有一定的负相关关系 ,但其影响未达到显著水平 ;观测点到树干的距离与林下的穿透雨之间的关系可以较好地用二次多项式方程模拟 ,方程的相关程度很高 (R=0 .94 91) ;

六盘山华北落叶松林下穿透雨空间变异特征

受林冠截持影响后形成的林下穿透雨的数量和空间分布会影响林地的入渗、产流、蒸发等水文过程和林木生长及枯落物分解等生态过程,因而精细的森林水文功能评价和森林生态系统经营都需要准确描述林下穿透雨的空间变异规律。在宁夏六盘山香水河小流域设立了面积为30 m×30 m的华北落叶松人工林样地,均匀布设了40个截面面积230.58 cm2的雨量收集器,测定了2015年生长季(5—10月)34次降雨事件的穿透雨量。结果表明,研究期间林外总降雨量567.0 mm,林下总穿透雨量483.5 mm,占同期雨量的85.3%。随着次降雨量增加,林内次穿透雨率呈现先快速增加后趋于稳定的变化。穿透雨量在林内存在较大空间变异,其变异程度随次降雨量增加先快速下降后趋于稳定。林下穿透雨空间分布受树木特征(穿透雨收集器上方的林冠叶面积指数和冠层厚度、穿透雨测点离最近树干的距离)的影响,且其影响随次降雨量大小而变,当次降雨量<10 mm时,穿透雨量与叶面积指数显著负相关;当次降雨量在10—20 mm时,穿透雨量与距最近树干距离显著正相关,与冠层厚度显著负相关;当次降雨量>20 mm时,穿透雨量与3个树木特征均不显著相关。考虑到研究区次降雨量集中在0—10 mm,在95%或90%的置信区间下,若将测定的次穿透雨数值误差控制在10%以内时,在30 m×30 m样地内至少需布设13或9个本研究所用大小的收集器;满足次穿透雨数值误差在5%以内时,至少需布设26或23个这样的收集器。

鼎湖山季风常绿阔叶林大气降雨、穿透雨和树干流的养分特征

对鼎湖山季风常绿阔叶林大气降雨、穿透雨和树干茎流中的5种养分元素K、Ca、Mg、N、P进行了测定,结合水量分配规律,研究了森林降雨过程中养分在水相中的含量变化特征和输入规律。结果表明:(1)所有离子浓度均为大气降水<穿透雨<树干流,且增幅较大,而平均浓度以K+和总氮(TN)含量最高;总磷(TP)、磷酸盐(HPO42-)、总有机磷(TOP)含量均最低。(2)大气降雨中的离子平均浓度中以总有机氮(TON)的变异系数最大,为1.282;最小的是NO3-(0.502);穿透雨中变异系数最大的是TOP(2.357);最小的是TN(0.621)。树干流中各养分元素浓度与树种的相关性不显著(P>0.05)。(3)季风常绿阔叶林树干流和穿透雨各养分对森林土壤的年输入量为TN>K+>Ca2+>Mg2+>TP,树干流和穿透雨对森林土壤层Ca2+的输入大于凋落物分解输入。因此,大气降雨是养分从林冠层转移到土壤层的重要因素。

暖温带两种针叶林生态系统中茎流和穿透雨的养分特征研究

通过对暖温带地区两种典型人工针叶林生态系统内树干茎流和穿透雨的收集，对其中N、P、K、Ca、Mg、S和A1等7种元素进行了测定。研究发现这些养分元素在树干茎流和穿透雨中的含量在年内有明显的时间动态变化，这些变化主要受元素在水分中的含量和它们在植物生命活动中的活跃程度等影响，甚至在不同的针叶林生态系统之间都有一定的差异，其中表现最为明显的是N、K和S。

川西亚高山白桦林穿透雨和茎流特征观测研究

观测了川西亚高山白桦次生林一个生长季节内的穿透雨和茎流的特征。结果表明 ,幂函数方程能较好地拟合林冠截留量、茎流量与总降雨量之间的关系 ,而线性方程能较好地拟合穿透雨量和总降雨量之间的关系 ;平均林冠截留量占总降雨量的 1 8 9% ,穿透雨量占总降雨量的 80 9% ,茎流量占总降雨量的 0 3%。

原始红松林穿透雨和树干茎流养分特征研究

对小兴安岭原始红松林穿透雨和树干茎流中的K,Ca,Mg,Mn,Fe共5种养分元素进行了测定,结合水量分配比例,计算了各元素在森林中的净输入量。结果表明:⑴原始红松林穿透雨和树干茎流中,除Fe元素外,所有浓度值均有树干茎流>穿透雨>大气降雨;从各元素平均浓度来看,Ca元素最高,Fe元素最低,其排序为:Ca>K>Mg>Mn>Fe。⑵大气降雨年平均浓度中,K元素变动系数最大,为1.514,Ca元素最小,为0.827;原始红松林穿透雨、树干茎流年平均浓度中变动系数最大的元素分别为Mn,Mg(或Fe);变动系数最小的元素分别为Ca,Mn;各元素年平均浓度的变异系数均为大气降雨>穿透雨>树干茎流。⑶原始红松林各元素净输入量排序为:K>Ca>Mg>Mn>Fe,且Fe元素的净输入量为负值。

川西亚高山3种森林群落穿透雨和茎流养分特征研究

观测了王朗自然保护区紫果云杉林、岷江冷杉林和白桦林3种森林群落一个观测年的大气降雨量、穿透雨量和茎流量,并对其中的养分元素进行了同步取样分析。结果表明:1)3个森林群落穿透雨的硫(S)及铵态氮(NH4+-N)浓度都低于大气降雨中的浓度,说明S和NH4+-N在经过林冠表面时被吸附,而穿透雨中的硝态氮(NO3-N)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、全碳(C)和全磷(P)等元素浓度都高于大气降雨中的浓度;2)所有样地茎流中的养分元素浓度都明显高于大气降雨和穿透雨中营养元素的浓度;3)C、N(NH4+-N、NO3--N)、P、K、Ca、Mg、S等随大气降雨输入林地的量分别为40.57、6.44、0.40、38.69、39.92、8.27和44.25kg·hm-2a-1;4)测定期间,S(岷江冷杉林和紫果云杉林内)、P(紫果云杉林内)及3种森林群落中的NH4+-N、NO3--N和Ca的林地净输入量都为负值,而K、C、Mg、和P(白桦林和岷江冷杉林内)为正值;5)3种森林群落内穿透雨和茎流中的S和C可能主要来自于林冠淋溶,而NH4+-N、NO3--N、K(白桦林和紫果云杉林内)、Ca、Mg和P等主要来自于林冠截获的大气干沉降,岷江冷杉林内K与林冠淋溶和林冠截获的干沉降都密切相关。降雨持续时间长、降雨量小及较高的林冠截留量可能是造成林地净输入量为负值的原因。

柑桔园林下穿透雨的分布特征

研究了柑桔林下穿透雨的分布特征,结果表明:在测定期间,穿透雨量占总降雨量的68.3%,5月的穿透雨量最大(245.1 mm),而穿透雨率最大值(73.3%)出现在8月。穿透雨量与降雨量具有显著相关性(p<0.01),而穿透雨率与降雨量和降雨强度的相关性均达到显著水平(p<0.05)。柑桔林下穿透雨显示出明显的空间变化,各观测点间穿透雨率具有显著性的差异,而且穿透雨的空间异质性(穿透雨率的变异系数CV)随着降雨量或降雨强度的增加而降低,聚类分析也显示出穿透雨在不同观测点间具有差异性。柑桔林下穿透雨呈现明显的聚集效应。

离子树脂法测定森林穿透雨氮素湿沉降通量--以千烟洲人工针叶林为例

穿透雨是大气氮素输入森林生态系统的重要途径之一,穿透雨中氮素含量的定量评估在森林生态系统氮素循环研究中的作用不可忽视。穿透雨中氮沉降通量的空间异质性很强,传统降水收集法工作量大,且容易带来测定误差。分析了国产离子树脂测定大气氮素湿沉降的可行性,并以千烟洲人工针叶林为例探讨离子树脂法测定森林穿透雨的适用性。结果表明,离子交换树脂法和传统降水收集法测定值之间的相关性显著,离子交换树脂法可以很好的反映大气氮沉降通量和季节变化特征,并且在采样周期较长时也能准确测定氮沉降组分,是适用于野外站点林内穿透雨氮沉降通量的观测方法。千烟洲人工针叶林穿透雨的氮沉降通量为9.19 kgN.hm-2.a-1,夏季的5—7月份和冬季的1—2月份出现氮沉降通量高峰。夏季穿透雨氮沉降以铵态氮为主,而冬季以硝态氮为主。千烟洲人工针叶林的氮沉降通量与附近地区针叶林穿透雨氮沉降通量近似,低于临近区域阔叶林穿透雨的氮沉降通量水平,但已可能接近森林生态系统氮输出出现强烈反应的氮沉降临界值。

南岭常绿阔叶林林冠受损对穿透雨和树干流水化学的影响

通过模拟林冠受损实验,对23次降水过程的林外降雨、穿透雨和树干流水化学进行测定,分析林冠受损对南岭常绿阔叶林生长季节的树干流和穿透雨水质及其冠层淋溶规律的影响。结果表明:(1)在研究区域的生长季节,雨水pH平均为6.521,含盐量、NO-3、NH+4、Cl-、Na+、Ca2+、Mg2+、K+、SO2-4浓度分别为22.000,1.045,0.684,0.456,1.256,7.908,0.113,0.419,2.329mg/L。(2)林冠受损之后,与对照林地相比,穿透雨中绝大多数的离子浓度发生了明显的变化,冠层化学淋溶作用显著减弱;受损林分穿透雨的含盐量、NO-3、NH+4、Cl-、Na+、Ca2+、Mg2+、K+、SO2-4的含量分别是未受损穿透雨各离子含量的0.947,2.587,1.022,1.388,0.501,0.925,0.796,0.528,0.754倍;受损林分穿透雨中各离子浓度增幅按大小排列为K+>NO-3>Cl->SO2-4>Ca2+>Na+>Mg2+>NH+4,而对照林地为K+>SO2-4>Na+>Ca2+>Mg2+>Cl->NH+4>NO-3。表明林冠受损之后,穿透雨中除K+之外,其余离子增幅顺序均有所变化。(3)林冠受损后,树干流中各阳离子浓度与未受损林分相比呈现明显增加趋势,说明林冠受损增强了雨水对树干的冲刷和阳离子淋洗能力,有利于林木对此类养分的吸收;与未受损林分相比,受损林分树干流中各离子浓度的增幅按大小排列为:K+>Ca2+>Na+>SO2-4>Mg2+>NH+4>NO-3>Cl-。(4)从养分的冠层淋溶系数来看,无论是受损林分还是未受损林分,K+、Mg2+是最易淋溶的离子,而NO-3在未受损林分中出现负淋溶,这进一步证实了前人的研究结论;而林冠受损对及其冠层淋溶的长期影响尚需进一步监测。

大兴安岭北部兴安落叶松(Larix gmelinii)林下穿透雨空间分布特征

森林冠层对降雨的水量和水质再分配是生态水文学研究的热点问题之一。为了研究兴安落叶松林下穿透雨的空间分布规律,探究森林冠层结构对穿透雨影响的生态机制,利用在兴安落叶松林下布设38个雨量筒,测定19场不同降雨事件的穿透雨数据(2013年7—8月),通过统计学方法分析冠层结构各因子与穿透雨的空间变异性规律,结果表明:观测期间,兴安落叶松林穿透雨量为148.3 mm,占同期大气降雨量的80.62%,穿透雨率随着降雨量的增加呈增加趋势;兴安落叶松林下穿透雨具有较大空间异质性,其变异程度随降雨量的增加而减小,以对数方程拟合较好(P<0.01);冠层结构特征是影响穿透雨空间变异的重要因素,冠层复杂程度与穿透雨量呈负相关关系(P<0.01);距树干距离、冠层厚度、叶面积指数等因素均可影响穿透雨的空间分布,以距树干距离影响最大,其与穿透雨率呈正相关关系(P<0.01),而冠层厚度、叶面积指数则均与穿透雨率呈负相关关系(P<0.01),但拟合效果不佳;从影响穿透雨的生态学机制来考虑,在冠层结构特征因子中,冠层厚度是决定穿透雨空间分布的最主要因素。

祁连山区甘青锦鸡儿灌丛单株的穿透雨分布特征

【目的】探讨祁连山西水林区甘青锦鸡儿灌丛冠下穿透雨分布特征及其影响因素,为定量评价祁连山区甘青锦鸡儿灌丛的生态水文功能和基于生态过程的灌丛水文模型的参数化提供数据支撑。【方法】基于祁连山甘青锦鸡儿种群特征调查,在坡中位选取3株代表性甘青锦鸡儿灌丛,沿冠层枝条辐散方向选取观测断面,在断面上布设承雨器,对叶量稳定期内12次降雨事件的冠层穿透雨及其空间分布进行测定,分析穿透雨与降雨特征的关系以及冠下穿透雨空间分布格局及其影响因素。【结果】甘青锦鸡儿灌丛冠下穿透雨在不同降雨事件中差异较大,观测期内单株灌丛的平均穿透雨率为45.9%;穿透雨量与降雨量之间呈线性关系（y=0.626 2x-1.018 1,R2=0.983）,穿透雨率与降雨量之间呈二次函数关系（y=-0.033 6x2＋1.806 8x＋34.094,R2=0.575 3）;穿透雨率具有明显的空间异质性,平均穿透雨率沿径向由距灌丛基部10 cm处的28.98%单调递增至距基部90 cm处的62.19%,受冠层结构特征的影响,在距灌丛基部30~50 cm的区间内增加量最大,占总增加量的61%;穿透雨率沿径向的空间变异系数随降雨量的增大而降低,在降雨量小于10 mm的小降雨事件中穿透雨率的空间变异性尤为显著;穿透雨率的空间分布格局还受降雨强度的影响,当降雨强度为0.97和4.27 mm·h-1时,距灌丛基部10~30和50~90 cm的穿透雨率有明显差异,而当降雨强度为25.06 mm·h-1时,穿透雨率沿径向的差异被弱化。【结论】单株甘青锦鸡儿灌丛的穿透雨特征同时受降雨特征和冠层结构特征的影响,其冠下穿透雨量与降雨量及穿透雨率与降雨量间的关系与前人相关研究结果一致。冠层特征决定了冠下穿透雨的空间分布总格局,但穿透雨的空间分布格局也受降雨量和降雨强度的影响,降雨量增大或降雨强度达到一定程度时均会降低冠下穿透雨的空间异质性。

杜仲林下穿透雨时间及空间分布特征

通过对杜仲林下穿透雨的定位监测,结果表明:在测定期间,穿透雨量占总降雨量的72.5%,2004年7月的穿透雨量最大(319.9 mm),而穿透雨率最大值(85.5%)出现在2004年12月;在水平空间分布上,林下穿透雨显示出明显的空间变化,各观测点的穿透雨率具有显著性差异,而且穿透雨的空间变化率随着降雨量和降雨强度的增加而减小;杜仲林下穿透雨呈现明显的汇集效应,其中50%的观测点和28.8%的降雨出现了穿透雨率大于100%的情况;林冠特征影响穿透雨的空间分布,冠层的厚度和盖度与穿透雨之间均有显著的负相关性,但是穿透雨率与距主干的距离和分枝角度呈正相关.

华北油松人工林冠层穿透雨空间变异性研究

为说明林冠截留的空间分布特征,揭示其空间异质性,采用网格状机械布设采样点测定穿透降雨量。结果表明:穿透雨的变异系数随降雨量和降雨强度的增加而减小,当冠层达到饱和后变异系数趋于一稳定值,接近林冠叶面积指数的变异系数0.18。认为冠层叶面积指数的变异系数是穿透雨量变异系数的极限值。由于油松针叶的特殊排列方式,并且下层枝干下垂引起林冠截留负值,出现林冠截留负值的穿透雨样本占总样本数的13%,其中最大超出林外降雨高达70%。

庐山日本柳杉林下穿透雨时空分布特征

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。

间伐强度对华北落叶松林穿透雨和树干茎流的影响

量化间伐强度和林分特征对降雨分配的影响,可为基于水文基础的森林管理提供科学依据。利用传统水文学方法,在宁夏六盘山香水河小流域华北落叶松人工林设置4个间伐强度的处理与未经过间伐的对照林分,进行穿透雨、树干茎流对比。结果表明:研究期间总降雨量为507.2 mm,华北落叶松对照林分穿透雨量为56.6%,穿透雨量随着间伐强度增大而增大,分别占总降雨量的62.1%、60.9%、68.6%和74.5%;树干茎流量随着间伐强度增大而减小,分别占总降雨量的0.91%、0.73%、0.54%、0.37%和0.36%;与对照相比,截留量分别减少5.3%、4.0%、11.5%和17.3%。穿透雨量与叶面积指数、郁闭度、胸高断面积和林分密度都呈线性负相关,这些变量和总降雨量形成的指数方程(T=Rea X)可以很好地模拟穿透雨量(R2=0.95)。华北落叶松林为30年左右时,间伐强度为43.0%~53.4%(林分密度844~1 033株/hm2)是增加六盘山地区华北落叶松穿透雨量的最优范围,有利于实现林分结构稳定和区域用水安全等多重要求。

晋西黄土区单株油松树下穿透雨空间分布特征研究

为了更好地解析黄土高原森林水文过程,为基于生态过程的森林水文模型的发展与参数化提供基础,在单株尺度上探讨了晋西黄土区典型油松林穿透雨的空间分布特征。在选取的2棵油松标准木的两侧树冠下,根据离树干的不同距离布置自记雨量计各7个,研究期间共观测了15场不同降雨和穿透降雨量。利用统计学方法分析了林外降雨和冠层结构特征与穿透雨之间的关系。结果表明:(1)部分观测点出现穿透雨率大于100%的状况,最大的穿透雨率达155.8%,这主要是因为降雨在冠层的作用下发生了聚集效应;(2)穿透雨量与降雨量呈显著正相关关系(p<0.05),穿透雨率与降雨强度也呈正相关关系,但其影响未达到显著水平;(3)距树干距离对穿透雨的影响是多重因素综合作用的结果,并且在穿透雨的空间分布中起到主导作用;(4)穿透雨率与郁闭度和冠层厚度呈负相关关系。