中国旱区森林生态系统的林冠截留综述
马孟良1，李 强1,2*，王疆尧1，王亚萍1,2，张明芳3
（1.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100；2.陕西秦岭森林生态系统国家野外科学观测研究站，陕西 杨凌 712100；3.电子科技大学 资源与环境学院，四川 成都 611731）
https://news.nwsuaf.edu.cn//xscg/b6a31a6d0d594b318f0907c4e012e999.htm
森林生态系统在地球水文过程中发挥着至关重要的作用，森林是陆地生态系统水源涵养的主体，森林水源涵养量占到中国水源涵养总量的60.8%[1-2]。林冠截留作为森林生态系统对输入降水发挥水文调节作用的起点，决定着土壤-植被-大气连续体中降雨的时空分布，林冠截留不仅直接控制进入生态系统的潜在可利用水资源，而且在调节径流、保持水土和调节气候等方面发挥着关键作用[3]。
旱区广义上定义为年平均降水量与年平均潜在蒸散量之比（即干旱指数）小于0.65的陆地区域，约占全球陆地面积的41%左右，同时旱区生态系统为全球约40%的人口提供多种生态系统服务[4-5]。这一区域自然条件恶劣，由于周期性干旱和对有限水资源的过度开发日益加剧，使得旱区成为世界上生态系统最脆弱的地区之一，对气候变化和人类活动的响应十分显著[6-7]。由于旱区降水量稀少而潜在蒸散发大，林冠截留量可达到总降水量的45%，导致到达地面的可利用水量减少，进一步加剧区域水资源供需矛盾[8-10]。我国是世界上主要的旱区分布国家之一，占到我国陆地面积的1/2以上[11]，当前我国北方干旱化不断加剧[12]，水资源是限制旱区自然-经济-社会发展的刚性约束条件。因此，准确量化旱区森林生态系统林冠层降雨截留，阐明不同树种和区域的林冠截留规律，并系统探究林冠截留变化的主导因子，对于确保我国水资源的可持续性、森林资源可持续经营和维护中国旱区的水资源安全至关重要。
1 林冠截留的定义及影响因素
冠层降雨再分配是森林生态系统水量平衡的重要过程[13]，林冠层通过改变大气降雨的时空分布，将降雨重新分为林冠截留、穿透雨和树干茎流3个组分，并进一步发挥涵养水源、保持水土和调节径流等功能[14-15]（图1）。林冠截留指被林冠层截留、储存并最终以冠层截留蒸发形式散失的降雨部分。穿透雨是通过雨滴滴落、飞溅和自由穿透森林冠层到达土壤表面的降雨部分。树干茎流是通过树干或茎到达树木底部的降雨部分[16-18]。
林冠截留的概念由Horton[19]提出，百余年来国内外学者对植被冠层截留开展了广泛研究[20]。大量研究表明，植被的冠层截留占总降雨的比例在10%~50%[13,21-22]。我国幅员辽阔，旱区分布面积广，受气候、地形、植被类型等因素的影响，森林冠层对降雨的截留能力亦存在较大异质性。有研究表明，中国主要森林类型的林冠截留占总降雨的比例通常为11.40%~34.34%[23]。陈书军等[24]针对秦岭天然次生油松林地林冠层展开研究，发现林冠层发挥着对降雨的再分配和延滞效应，林冠截留量和树干茎流量分别占总降雨量的33.2%和4.4%。伍倩等[25]采用小集水区径流场综合试验法对1983-2007年湖南会同杉木人工林不同林龄的林冠截留开展分析，发现杉木林幼龄、中龄和近熟阶段的林冠截留分别为26.00%、27.86%和29.47%。王轶浩等[26]基于2010-2011年的野外观测发现，重庆铁山坪的马尾松天然次生林的穿透雨量、干流量、林冠截留量分别占总降雨量的84.66%、0.26%和15.07%。
森林生态系统林冠截留的影响因素包括：林分特征（林分密度、树种组成、林龄等）、冠层结构（郁闭度、季节变化、冠层厚度、枝叶形态和植被面积指数等）和气候条件（降雨量、降雨强度、降雨持续时间、气温和风速等）等[22,27-30]。Niu等[31]利用修正后的Gash模型模拟了中国黄土高原灌丛的林冠截留，发现年截留损失率随着间伐强度的增加而降低。Ma等[32]对半干旱区刺槐人工林林冠截留与森林结构的研究发现，郁闭度、叶面积指数和树皮面积是影响林冠截留的主要因素。Sheng等[33]研究了降雨特征对小兴安岭阔叶红松林林冠截留的影响，结果发现林冠截留量随降雨量和降雨强度的增大而减小，降雨量和降雨强度是估算林冠截留量的重要因子。Wei等[34]基于中国北方典型山区油松样地野外观测的降雨再分配数据，采用线性和曲线分析探究影响油松林林冠截留的主要因素，发现在到达25 mm的降雨量阈值前，穿透雨率随降雨量的增加而增加，穿透雨率与冠层密度、降雨等级之间呈高度正相关。然而不同气候条件和植被类型下林冠截留的主要影响因素存在较强的异质性，有必要针对具体区域开展林冠截留影响因素的探究，有助于深化对特定区域林冠截留特征的认识。
2 林冠截留的量化方法
传统的林冠截留观测方法是在野外样地布设雨量桶和林内水分再分配观测系统等设施观测降雨量、穿透雨量和树干茎流数据，根据降雨通过林冠层的水量平衡间接获得林冠截留量[35-36]。张建国等[37]利用雨量桶（直径20 mm）进行连续降雨野外观测，发现黄土丘陵区辽东栎和刺槐林分穿透雨分别占降雨量的86%和89%。胡旭等[38]基于2022年7-9月的降雨再分配观测，利用增强回归树模型探究了晋西黄土区8种典型林分的林冠截留特征及其影响因素。传统的野外观测在样地、林分等小空间尺度上能准确量化截留损失，但无法对未观测林分进行有效预测，同时由于降水的随机性和植被的多样性，通常需要长期监测，这使得该方法耗时较长且成本高，难以实现林冠截留在不同时空尺度上的可靠量化。为了应对这些挑战，自1919年以来国内外学者先后开发了20余种林冠截留模型，并应用于全球范围内的各种森林树种和气候区域[39-40]。
林冠截留模型可分为经验统计模型[41-42]和物理解析模型[43-46]两大类。经验统计模型通常采用回归分析的方法来探究林冠截留与降雨特征之间的关系，其中Horton[19]最早根据冠层储存量和降雨期间蒸发量两部分构建了林冠截留的概念模型。物理解析模型则是基于林冠层拦截降雨的过程机制，利用实测数据与参数拟合相结合，将野外观测的林冠截留量外推到不同的时空尺度。常见的物理解析模型包括Rutter模型、Gash模型和Liu模型等（表1），其中修正后的Gash模型作为物理解析模型的一种，因为其方法复杂度低、数据需求量小和模拟精度高等优势，在全球不同气候类型和树种中得到了广泛应用[29,47-50]。因此，本文以修正后的Gash模型作为模拟林冠截留的典型模型，探讨林冠截留的模拟机理。
Gash模型最初是在中高纬度林区茂密森林的基础上建立的，后来被修正后也可用于森林冠层稀疏的地区[43-44]。修正后的Gash模型以单次降雨事件为基础，假设在2次连续降雨事件之间有足够的时间让冠层和树干完全干燥[51]。每个降雨事件包括3个连续的阶段：1)湿润阶段，雨量到达冠层；2）饱和阶段，冠层达到最大蓄水能力；3）降雨停止后的干燥阶段。通过将3个阶段的截留损失相加来计算总的林冠截留量[31]（表2）。武秀荣等[52]基于2019年生长季的雨量观测和样地调查数据，采用修正后的Gash模型模拟祁连山北麓中段青海云杉林林冠截留为127.5 mm（占降雨总量的30.46%）。董力轩等[53]将Gash模型与SWAT模型进行耦合，显著提升了SWAT模型对于林冠截留板块的准确模拟。陈妍等[54]以修正后的Gash模型模拟林冠截留发现，南方水土流失区马尾松林的林冠截留为156.9 mm（占比13.17%），平均降雨强度为模型最敏感的参数。修正后的Gash模型已经广泛应用于林冠截留的量化模拟，为森林生态系统水文过程的系统研究提供了参考。
3 中国旱区林冠截留汇总分析
在中国知网和Web of Science中，根据“降雨再分配”“林冠截留”“Rainfall redistribution”“Canopy interception”作为主题进行文献检索（检索时间为2024年5月6日），再将检索出来的1944篇文献按照4个条件筛选：1）降雨再分配数据通过野外观测获得；2）研究区域位于中国旱区；3）文章发表在2010年以后；4）研究植被类型聚焦森林和灌木。最终获得137篇相关文献（中国知网92篇，Web of Science 45篇）。2010-2024年针对中国旱区林冠截留研究的文章数量呈现“先增后减”的变化趋势。我们从筛选得到的文献中提取穿透雨、树干茎流、林冠截留和林分结构特征等共249条数据，其中包括森林178条（针叶林109条、阔叶林50条、混交林19条）和灌木71条（图2）。中国旱区林冠截留野外观测研究主要集中在400~800 mm的年平均降雨量和0~10 ℃的年平均温度。
3.1 森林（灌木）生态系统降雨再分配特征及其与年降雨量的关系
本研究收集的文章所观测生态系统年降雨量范围为120.0~1 938.0 mm，其中森林生态系统的年降雨量为284.4~1 938.0 mm，灌木生态系统为120.0~531.0 mm。中国旱区不同灌木生态系统野外观测的穿透雨占总降雨量的比重为29.3%~88.6%（平均值为69.6%），树干茎流占比为0%~49.3%（6.7%），林冠截留占比为8.2%~48.2%（22.5%）（图3a）。中国旱区森林生态系统野外观测的穿透雨占总降雨量的比重为44.9%~90.2%（平均值为74.0%），树干茎流占比为0%~20.0%（3.1%），林冠截留占比为0%~51.6%（24.4%）（图3b）。针对不同的森林植被类型，林冠截留占比也存在差异，其中针叶林和混交林林冠截留占比的平均值大于阔叶林，分别为25.6%（8.6%~51.6%，n=100），25.5%（10.0%~42.5%，n=18）和21.1%（0%~49.4%，n=46），针叶林和混交林的林冠截留占比相近（图3c）。
降雨特征是影响中国旱区降雨截留再分配的重要因素，其中穿透雨量和林冠截留量与年降雨量呈现显著正相关，而树干茎流量与年降雨量的关系在不同植被类型中存在较大差异。灌木和森林生态系统的穿透雨量与年降雨量呈现显著的正相关关系（P<0.01），同时灌木和森林生态系统的树干茎流量与年降雨量也呈现显著的正相关关系（P<0.01），随着年降雨量的增加，灌木和森林生态系统的林冠截留量呈显著的增加趋势（P<0.01）。不同森林类型的降雨再分配组分与年降雨量的关系存在差异。针叶林、阔叶林和混交林的穿透雨量与年降雨量均呈现显著的正相关关系（P<0.01）；除针叶林树干茎流量与年降雨量呈现显著正相关（P<0.01）外，阔叶林和混交林树干茎流量均随年降雨量的增加呈不显著的上升趋势（P>0.05）；针叶林、阔叶林和混交林林冠截留量随年降雨量的增加呈显著的对数函数式增长（P<0.01），表明在年降雨量较低的情况下，不同类型森林生态系统林冠截留量均随年降雨量的增加而显著增加，而在年降雨量增加到一定阈值后，林冠截留量增加的趋势减缓（图4）。
3.2 森林生态系统林冠截留与林分结构的关系
受林分结构特征（林分密度、林龄、树高、胸径、冠层覆盖、叶面积指数和树种组成等）的影响，森林生态系统林冠截留占比具有显著的变异性。降雨再分配组分与林分结构特征的Pearson相关性分析结果表明，森林生态系统的林冠截留与穿透雨呈现显著的负相关关系（P<0.01），与树干茎流没有明显相关性，林龄、树高、胸径和冠层覆盖是林冠截留占比的重要影响因子（图5）。通过林冠截留占比与不同林分结构特征的拟合分析发现，林冠截留占比与林龄、树高和胸径呈现显著的正相关关系（P<0.05），林冠截留占比随冠层覆盖的增加呈不显著的上升趋势（P>0.05），随林分密度的增加呈不显著的下降趋势（P>0.05），随叶面积指数的增加呈不显著的“先升后降”趋势（P>0.05）（图6）。
不同森林类型的林冠截留占比与林分结构特征的关系存在差异。Pearson相关性分析的结果表明，针叶林和阔叶林的林冠截留与穿透雨呈现出显著的负相关关系（P<0.01）；随着树干茎流的增加，针叶林和阔叶林林冠截留呈不显著的下降趋势（P>0.05）；林分密度、林龄、树高和胸径对针叶林和阔叶林林冠截留占比具有重要影响（图7）。通过林冠截留占比与不同林分结构特征的拟合分析发现，针叶林的林冠截留占比与胸径和冠层覆盖呈现显著正相关关系（P<0.01），随林龄的增加，林冠截留占比呈显著的“先升后降”趋势（P<0.01），林冠截留占比随林分密度的增加呈现不显著的下降趋势（P>0.05），随树高的增加呈现不显著的上升趋势（P>0.05），随叶面积指数的增加呈现不显著的“先升后降”趋势（P>0.05）；阔叶林的林冠截留占比随冠层覆盖的增加呈现显著下降趋势（P<0.05），随林分密度的增加呈现不显著的下降趋势（P>0.05），随林龄和树高的增加呈现不显著的上升趋势，随胸径和叶面积指数的增加呈现不显著的“先升后降”趋势（P>0.05）；混交林的林冠截留占比与林分密度和林龄紧密相关，林冠截留占比随林分密度的增加呈现不显著的下降趋势，随林龄的增加呈现不显著的上升趋势（P>0.05）（图8）。
4 讨论与展望
4.1 讨论
中国旱区林冠截留的野外观测数据表明，林冠截留占总降雨量的比重为森林（平均值为24.4%）大于灌木（22.5%），针叶林（25.6%）>阔叶林（21.1%），混交林（25.5%）介于针叶纯林和阔叶纯林之间。针对不同植被和林分类型林冠截留的比较，国内外学者开展了广泛研究。罗跃初等[56]分林冠层、枯落物层和土壤层对辽西半干旱区森林水源涵养功能开展定量评价，结果表明沙棘林、油松沙棘混交林、杨树沙棘混交林、油松纯林、杨树纯林的林冠截留率分别为37.19%、27.55%、22.49%、20.44%和14.58%，混交林由于形成立体复层林冠结构，郁闭度高于纯林，导致截留作用高于纯林。Zhang等[57]对中国植被降雨再分配特征的meta分析发现混交林的林冠截留率（35.0%）>灌木（29.0%）>针叶林（25.2%）>阔叶林（19.9%）。基于丹麦温带橡树和挪威云杉长期的野外观测，Andreasen等[58]发现常绿针叶林的截留损失（266 mm）要大于落叶阔叶林（186 mm），并观察到落叶阔叶林在生长期（41%）和落叶期（29%）截流损失率的显著变化[59]。Wu等[60]结合黄土高原安塞站的野外观测和修正后的Gash模型模拟，发现油松刺槐混交林的林冠截留率（26.0%）居于油松纯林（27.8%）和刺槐纯林（22.0%）之间。大量研究表明，森林生态系统林冠截留占比存在较大异质性，通常认为针叶林>阔叶林，常绿林>落叶林，混交林>纯林，复层异龄林>单层林[61-62]。
本研究发现，林分结构特征是决定森林生态系统林冠截留的重要影响因素，针叶林、阔叶林和混交林等不同林分类型与林分密度、林龄、冠层覆盖等林分结构特征的关系存在较大差异，针叶林林冠截留占比与胸径和冠层覆盖呈现显著的正相关关系，随林龄的增加呈显著的“先升后降”趋势，阔叶林林冠截留占比与不同林分结构特征的相关性较弱，混交林林冠截留占比与林分密度和林龄密切相关。针对林分结构对林冠截留的影响已经开展了大量研究，Ma等[63]比较了间伐对黄土高原刺槐人工林林冠截留影响，在38%间伐强度后的林冠截留占比由17.5%下降到11.3%。在相似的降雨条件下，随着林龄的增加，杉木林林冠截留有增加的趋势[25]。Dong等[64]基于河北省辽河源自然保护区油松林2013-2014年的野外实测数据，发现40、50、60年生油松的林冠截留占降雨量的比值分别为20.4%、24.8%和32.8%，林冠截留随着林分年龄的增加而增加。在不同的林分密度、林龄和树高等林分结构特征下，森林冠层拦截降雨的差异很大，进而影响到达地面的可利用水量，加强林冠截留影响因素的研究在水资源短缺的旱区显得尤为重要。
4.2 林冠截留研究展望
1）明确旱区不同造林营林措施的林冠截留差异。旱区生态环境脆弱，水资源供需矛盾突出，同时也是气候变化影响最显著的地区之一，植被恢复是旱区生态建设的重要措施。1978年以来，我国在旱区实施了“三北风沙防护林工程”“天然林保护工程”和“退耕还林工程”等一系列生态恢复工程[65-66]，以减少水土流失、防治沙漠化和改善区域生态环境[67]。生态恢复工程的实施成效显著，但旱区不合理的土地利用和盲目造林，可能会导致植被退化、土壤干层、水资源短缺等问题[68-69]，给区域水资源的优化配置和自然-经济-社会的可持续发展带来挑战。
因此，有必要综合比较不同林分结构特征、造林树种以及营造纯林、混交林等造林营林措施对降雨再分配的影响差异，阐明不同林分下林冠截留的变化规律，为正确合理地评价中国旱区植被恢复对水资源的综合影响提供科学依据。
2）加强旱区林冠截留对气候变化响应的研究。气候条件是决定植被降雨再分配特征的重要影响因素，同时有研究表明降雨事件的雨量、雨强和持续时间等特征对修正后的Gash模型模拟林冠截留的准确性也有影响，特别是在气候变化的背景下。修正后的Gash模型在模拟林冠截留时会出现不同程度的低估，且随着降雨事件雨强的增加，林冠截留模拟值的低估更加明显[8,21,51]。Sadeghi等[29]模拟了伊朗北部半干旱地区典型针叶林的林冠截留，发现修正后的Gash模型在预测小降雨量事件（2.6~5.0 mm）的林冠截留方面表现良好，但在模拟降雨量较大的事件中表现出较低的准确性。全球气候变化的背景下，暴雨、高温、干旱等极端气象事件频发，对旱区的水循环过程产生了显著影响，使得森林生态系统的降雨再分配过程更加复杂，威胁着旱区的生态安全和水资源优化配置[70-71]。因此，加强气候变化对旱区森林生态系统林冠截留的影响研究，探究林冠截留模拟在极端气象条件下的适用性，对于旱区森林的水源涵养和水资源可持续具有重要意义。未来研究应基于旱区未来气候变化趋势及时空特征，综合考虑极端气象事件的影响，系统研究林冠截留过程对气候变化的响应，并根据不同林分类型和气候变化特征，提出气候变化背景下的适应性森林经营对策。
3）探索多时空尺度林冠截留准确量化的路径。林冠截留具有多时空尺度的特征。传统林冠截留研究多在林分和样地尺度开展，然而随着机器学习、卫星遥感和地理信息系统等技术的发展，将遥感的植被参数与理论模型相结合，为更大空间尺度林冠截留的量化提供了可靠途径[72]。He等[73]将多源卫星遥感数据和修正后的Gash模型结合，阐明了中国植被冠层截留的时空变化。Zheng等[74]基于卫星地球观测的遥感产品，采用Gash模型估算了2001-2015年的全球林冠截留量，研究发现林冠截留的空间差异很大，高值出现在植被覆盖密集和总降雨量高的地区。同时，基于野外实验观测站点数据，将林分和样地尺度的林冠截留研究扩展至较大空间尺度，为林冠截留量的时空异质性和空间尺度转换难题提供了新的解决方案[17,57,75]。在时间尺度上，长期降雨再分配监测数据的缺失易导致林冠截留在多时间尺度上的研究欠缺，考虑到林冠截留模型参数随冠层结构和气候条件的动态变化[59]，有必要在野外长期观测的基础上，加强对林冠截留模型在不同时间尺度（日、月、季节、年）的动态模拟研究。
5 结语
林冠截留是中国旱区森林生态系统水量平衡和水循环过程中的重要组成部分，对旱区水资源的合理配置具有重要意义。本文通过分析2010-2024年间中国旱区森林降雨再分配的249条野外观测数据，发现中国旱区不同森林生态系统野外观测的穿透雨占总降雨量的比重为44.9%~90.2%（平均值为74.0%），树干茎流占比为0%~20.0%（平均值为3.1%），林冠截留占比为0%~51.6%（平均值为24.4%），针叶林和混交林林冠截留占比的平均值大于阔叶林，分别为25.6%，25.5%和21.1%；穿透雨量与年降雨量呈显著正相关关系（P<0.01），林冠截留量随年降雨量的增加呈显著增加趋势（P<0.01），而树干茎流量与年降雨量的关系在不同森林类型中存在较大差异；林分密度、林龄、树高、胸径和冠层覆盖等林分结构特征是影响不同森林类型林冠截留占比的重要因素。以上结论对正确认识中国旱区森林生态系统的降雨再分配特征、不同造林营林措施下的林冠截留差异和旱区植被林冠截留对气候变化的响应机制有着积极的作用，能够为旱区植被恢复和水资源可持续利用提供坚实科学支撑。