我國植被冠層降水截留研究進展

呂愛鋒，王蕾，曲波

（1.中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環及地表過程重點實驗室，北京 100101；2.中國科學院大學，北京 100049；3.加拿大蒙特利爾大學，蒙特利爾 H3T 1J4）

植被是生態系統的主要組成部分［1］，其對水分的吸附、攔截等功能在降水再分配過程中具有重要作用。在降水過程中，植被對降水的再分配體現為冠層截留、莖干流以及穿透降水3個方面。作為降水再分配的首個環節，冠層截留通過對降水的攔截改變了到達地面的降水數量及空間分布，進而在調節地表徑流中發揮了極為重要的作用，同時也影響著地表各系統之間的水熱平衡及物質的循環與分配［2-3］。

我國地域遼闊，地跨眾多的溫度帶和干濕地區，植被類型多種多樣，植被冠層截留也表現出明顯的空間差異。目前，我國學者在植被冠層截留研究領域已經開展了大量工作［4］。主要圍繞探究植被冠層截留機理［5-6］、研究和改進冠層截留測定方法［7-8］以及冠層截留模型構建［9-10］三大方面。由于冠層截留的影響因素多，不同學者［11-12］基于植被冠層截留規律對截留影響因素的探究關注點呈現明顯差異性，這為冠層截留容量的準確測定帶來極大的挑戰。就測定方法而言，部分研究［13-15］也發現各類方法對于植被的適用性表現不同。我國冠層截留模型研究起步雖晚，但在經驗和半經驗模型的研發和應用已經相對成熟，尤其體現在特定區域內半經驗半理論模型的參數優化這一方面［9］。因此，針對截留因素、測定方法、模型應用等研究現狀進行分析，對于正確認識冠層截留對陸地水循環的影響具有極為重要的現實意義，有助于植被冠層截留領域研究的深入和發展。

1 植被冠層截留及影響因素

1.1 植被冠層截留過程及重要參數

降水進入植被覆蓋區域后，由于受到植被枝葉的攔截作用，被分為冠層截留（含附加截留）、莖干流以及穿透降水3部分。植被冠層截留是指在降水下落過程中植被冠層吸附、攔截降水的這一過程，通常以冠層截留量或冠層截留率來衡量［4］。一般而言，植被冠層截留只發生于植被覆蓋區域，對于裸露區域的截留量通常視為零［16］。

植被蓋度／郁閉度和葉面積指數（LAI）是植被冠層截留差異性研究關注度最高的2個參數［17-19］，其作為反映作物群體生長結構的重要參數，同樣可應用于衡量植被截留過程中植被的吸附水量，因此在冠層截留研究中得到廣泛應用［20-23］。

1.2 植被冠層截留的影響因素

冠層截留是一個復雜的過程，主要受到降水特性、植被特征以及氣象條件等3方面因素的影響。此外，降水前期枝葉濕度、林分郁閉度等也會影響植被冠層的截留過程。

1.2.1 降水特性

降水作為植被冠層截留過程中的起始環節，在降水總量、降水歷時、強度等降水特性方面影響冠層截留量［4］。萬艷芳等［13］以青海云杉為研究對象，研究林木冠層截留規律發現：在≤5 mm的雨量級中，青海云杉的截留量（28.7 mm）和截留率（67.8%）達到研究時段的最大值；但在降雨量＞30 mm時，截留率達到最低值（10.0%）。在此基礎上，凡國華等［14］利用二次函數擬合了長三角地區的馬尾松林的降水截留率，重點描述了降水強度與林冠最大動能承受限度之間的關系?？紤]到降水的季節變異性，張平等［15］在研究灌叢水分攔截能力時重點關注了冬春季節降水形態變化特征，研究發現固態降水截留率大于液態降水的截留率，植被冠層在相對干燥狀態下可以攔截大部分的降水。盛后財等［24］在天然落葉松截留研究中證實次降水的冠層截留率取決于降水前期的冠層干燥程度。多項研究［25-27］發現降水初期冠層截留量與降水總量呈明顯的正比關系，隨著降水的持續進行，降水總量不斷增加，植被冠層吸附水量逐漸達到飽和，此時冠層截留率的增長趨勢不斷下降，直至植被冠層吸附水量達到飽和，植被的截留量則不再增加或緩慢增加，見圖1?！案郊咏亓簟笔侵率菇亓袈试谥脖晃剿吭陲柡蜖顟B下緩慢增加的主要原因。附加截留作為植被截留中的重要組成部分之一，它是指降水在截留過程中由于蒸發直接返回到大氣中，使得降水未能到達地面，且降水歷時越長，蒸發量逐漸增加，引起附加截留量增大，最終導致冠層截留增加。

圖1 不同植物降水量與冠層截留率Fig.1 Relationship between precipitation and canopy interception rate of different plants

1.2.2 植被特征

植被特征對于冠層截留過程同樣具有重要影響。冠層的結構和大小、植被的葉傾角及粗糙程度、空間分布等參數影響到冠層對于降水的攔截作用。這些參數取決于植被的種類，在林木、草本、灌木和作物中差異明顯。根據植被類型的不同，將我國近幾十年的冠層截留的研究進行歸類整合，結果見表1。

表1 不同植被類型冠層截留率以及觀測參數Tab.1 Canopy interception rate and observation parameters of different vegetation types

在相似的地理環境下，同種草本或灌木的冠層截留率差別不大。就不同植被類型而言，例如草本和林木，在相同模擬降水條件（2 mm）下，植被的截留率隨著生長時間的增加呈上升趨勢。張瑩等［34］實驗測得生長期為3、4、5個月的偃麥草的截留率分別為35.0%、42.5%、57.0%。馬波等［31］以谷子、小麥為對象研究作物的冠層截留過程，發現谷子在其全生育期內的平均冠層截留量占總降水比例（冠層截留率）為0.52%，而冬小麥的在其全生育期內的平均冠層截留率可達1.64%，并且截留量隨著作物的生長而增加。由于植被冠層結構大小、植株高度、葉片特征以及空間分布等參數不同，二者對于降水量的攔截作用存在較為明顯的差異。在同一植被類型的森林冠層中，對于降水的截留作用也呈現樹種差異性。凡國華等［14］、鞏合德等［28］的研究中發現，由于針葉林的葉片對于水量吸附能力較強，馬尾松在降水期間對于冠層的截留率可達25.38%，而亞熱帶常綠闊葉林冠層截留率只有15.8%。周彬等［30］及田風霞等［27］的研究顯示，在郁閉度相同的情況下，我國油松的林冠截留率可達38.35%，稍高于青海云杉林的平均林冠截留率33.9%。這表明同一樹種對降水的攔截同樣存在明顯差異。

1.2.3 其他氣象條件

在兩次降水期間氣象要素持續影響冠層的蒸發速率進而影響冠層的干燥程度，最終對冠層攔截降水產生影響［24，30］。氣溫下降會減少冠層截留的蒸發及植物的蒸騰［44］?？諝獾乃钜约叭~表面與空氣的相對溫差也會使得單位葉面積的蒸發損失呈現不同程度的差異。有學者研究了風對于冠層截留的主要影響：一方面風會改變植被的機械運動，植被搖動使雨滴快速降落到地表，可導致冠層蓄水量下降30%～50%［45］；另一方面風速也可以通過影響冠層的蒸發速率進而增加冠層截留水量［14］。

2 我國植被冠層截留測定與模擬

2.1 冠層截留的測定方法

冠層截留的測定是研究植被水文效應的重要基礎［1］?？偨Y大量的冠層截留相關文獻可知，植被對于降水的截留測定常使用人工模擬和間接觀測2種方法，并且在森林、草本、灌木以及作物有不同的表現形式，見表1。

人工模擬法多用于少數草本、灌木及農作物冠層截留水量測定。常用的測定方法有覆蓋地表法、浸泡法（也稱簡易吸水法）等。這些方法大多是在噴灌以及降水模擬器下模擬降水條件，對植被冠層截留進行統計。覆蓋地表法是用薄膜或乳膠密封土壤防止滲漏，測量降水量以及實驗區的徑流量，換算得到冠層截留量的一種方法；浸泡法是將植物剪下，測定浸水前后的重量差確定植被冠層的截留量的方法。國內很多研究者［34］用浸泡法研究草本或農作物的截留能力，并且測量樣本葉面積指數及生物量等參數進行分析：卓麗等［46］采用浸泡法研究草地的截留能力，對草坪植物的截留規律進行描述；趙偉霞等［47］、劉戰東等［48］同樣利用簡易吸水法分別研究了耕地草本及冬小麥的冠層截留。這些研究也發現浸泡法能夠測定理想條件下植被的最大吸附水量，但測定結果往往大于實際直接觀測值。

由于林木、灌木等較高大植被樣本難以獲取，其截留一般采用氣象站設置自記雨量計對樹干徑流量、林外降水量以及穿透雨量進行測定，并根據水量平衡方程進行截留量的估算，該方法即間接觀測法，也稱水量平衡法。間接觀測法一般需要一段時間的觀測資料，通過觀測量之間的關系推算冠層的截留量以及截留率規律，在我國的研究中被廣泛應用［35］。武秀榮等［49］、魏曦等［9］在模擬青海云杉林、華北落葉松林及人工油松林時使用野外間接觀測法研究大氣降雨量與林冠最大持水量之間的關系，為模型模擬提供大量數據支持。灌木的測定方法大致與林木相同，但因枝干繁茂莖流量較難測定，主要用林外降水量和穿透雨量對冠層截留量進行估算。為控制環境因子的影響，間接測量法也用于測定矮小植被冠層的截留，這類研究大多是在噴灌以及降水模擬器模擬降水條件下對植被冠層截留進行統計。

眾多研究表明，間接測量法可以較好地獲得截留水量隨時間的動態變化，有利于探究降水強度、降水歷時及冠層參數對截留量的影響規律。但由于實際操作過程較為復雜，冠層截留的實際測定結果存在較大的不確定性，尤其是對復雜結構的灌木莖干流的忽視往往會對截留估算產生較大影響。無論是人工模擬還是間接觀測法，都無法準確解釋冠層截留的內在機理。

2.2 冠層截留模型的研究及應用

在近百年的時間里，由于林木冠層截留效應顯著，各類模型的開發和應用研究多圍繞林冠進行。當前我國對截留模型的研究逐漸成熟且成果豐富，大體可分為經驗模型、半經驗半理論模型和理論模型3種。經驗模型一般適用于與研究條件相同或類似的狀態；理論模型由于注重冠層截留機制推導而使模型參數較復雜，在冠層截留研究過程中應用較少；相比之下，半經驗半理論模型由于參數少且具有相對明確的物理意義，在區域尺度上的林冠截留模擬過程中具有明顯的優勢。

2.2.1 經驗模型

經驗模型是在已有的統計資料的基礎上通過對數據的分析模擬建立起來的統計或回歸模型。在植被的冠層截留研究過程中所總結的經驗模型大多以一元回歸模型為主，概括的形式為

式中：I表示截留量；P表示降水量；f為截留量與降水量的函數關系。

對于經驗模型的研究除基于實測數據所建立的截留率和降水量的一元回歸模型外，崔啟武等［16］在觀測天然紅松闊葉林截留過程中還建立了降水量與截留量、截留率的指數以及冪函數模型。曹群根［50］利用多因子逐步回歸分析法研究毛竹林冠層截留，選用多種函數模型擬合截留量、截留率與降水量的關系，綜合考慮林分葉面積、溫度等多因子提出多元回歸預測模型。

2.2.2 半經驗半理論模型

在經驗模型的基礎上發展半經驗半理論模型，建立相關截留經驗參數可以較大程度地模擬單次降水量的植被冠層攔截狀況［51］。由于我國對于模型的研究起步較晚，大多數的半經驗半理論模型都集中于對國外模型（如Horton模型、Gash模型等）的改進，尤其體現在模型在區域研究中的參數校正?？紤]到Horton模型只適用于單次降水量超過林冠最大吸附水量與冠層蒸發量之和的降水情況，無法模擬未達到林冠吸附水量飽和狀態的降水事件，王彥輝等［10］在1998年結合我國的實際情況對Horton模型進行轉換并確定了冠層截留過程中的幾個參數，具體模型表述為

式中：Ic為冠層截留量；Icm為林冠最大吸附水量；P為降水量；α為經驗參數，且受干燥程度和風速等影響較大，在不同地區取值范圍不同，受林分特征影響極大，取值在0.99～2.90。

由于常規氣象數據往往缺乏單次降水歷時，并且樹體表面的動態變化難以把控，王彥輝等［10］附加截留部分轉換為降水量的比例進行計算。簡化后的模型有助于利用經驗數據對森林的截留過程進行模擬和評估。此后，王彥輝等又結合林冠郁閉度與冠層截留的關系，將模式再一次進行改進：

式中：T為單次降水歷時；e為單位時間內蒸發量；ΔH為冠層厚度；A為林分郁閉度；ΔT為前后兩次降水時間間隔；a、b、c、d為經驗參數：其余符號含義同前。

此外，Gash模型也是我國冠層截留模擬與改進研究領域中最常用的基礎冠層截留模型之一。Gash結合Horton模型的截留機制，在測定氣象要素的基礎上，將林冠對于降水的截留分為林冠加濕、林冠飽和和降水后林冠干燥3個過程，并且根據降水量與冠層最大吸附水量的關系把降水事件劃分為能使林冠達到飽和吸附狀態的降水和不能使林冠達到飽和吸附狀態的降水，分別計算冠層截留吸附量和附加截留量［52］。許多學者應用Gash模型進行林分冠層研究，均獲得了較好的模擬效果，但考慮到Gash模型的假定條件與實際情況有明顯差異，高嬋嬋等［53］發現在不同時間尺度下利用Gash模型模擬的結果均比實際測定結果小，并指出提高模型精度的關鍵在于區分不同的降水事件?？偟膩碚f，Gash模型的邏輯分析較強，各部分的物理意義明確，能夠解釋多種降水狀態下冠層截留組成，但其設計旨在計算特定降水事件截留量，無法準確反映截留過程。部分研究在利用Gash模型的同時對于模型參數進行了敏感性分析，分析結果顯示，不同林分參數的敏感性均表現出明顯差異［49］，這也是Gash模型在我國實際應用中需要改進的不足之一。

很多學者基于Gash模型在我國的適用性進行修正并應用于實際研究：王馨等［54］利用平均降水強度來判斷林冠是否飽和，進而確定林冠最大吸附水量；武秀榮等［49］通過Leyton模型進行回歸分析確定林冠的持水能力，由樹干莖流與大氣降水量的關系確定Gash模型輸入參數，并在此基礎上對于各個參數進行－50%～50%的敏感性分析；魏曦等［9］研究證實Gash模型在針葉林冠層研究中效果理想。

我國的半經驗半理論模型仍以截留機制理論分析為基礎，結合實測數據建立含有某些可求解的參數的經驗公式而構建。該類模型可以根據不同植被類型進行歸納確定參數，計算相對容易，所以模型的應用較為廣泛［55］，但模型中的參數依舊依靠經驗數據而定，存在與經驗模型相同的缺陷，并且對于附加截留蒸發評估的不確定性較大。

2.2.3 理論模型

當觀測資料積累到一定程度后，在經驗以及半經驗半理論的模型的基礎上建立理論模型逐漸成為冠層截留模型研究的主要方向之一。在理論模型研究中，我國學者提出的具有代表性的理論模型有Liu模型［55］、電路暫態模型［56］等。這類模型能夠清晰地解釋冠層截留、莖干流以及穿透降水3個過程，理論性極強，但模型的構建要求研究者熟練掌握各種數學方法，且具有較高的數學計算能力，這阻礙了理論模型的發展與應用。

表2 冠層截留模型對比Tab.2 Comparison of canopy interception model

3 全球環境變化背景下的植被冠層截留變化研究

在全球環境變化大背景下，不論是氣候變化還是土地利用變化，均會直接或間接地對區域的冠層截留過程產生影響。

3.1 水分循環的變化深刻影響植被冠層的截留率

據IPCC第5次評估報告及相關研究［57］可知，中國的氣候變暖趨勢與全球保持一致，且由于強降水的增加以及小降水事件的減少，全球的降水強度呈現增加趨勢［58-59］，我國過去幾十年的降水強度也在顯著增強［60-61］。降水的改變深刻影響著植被冠層的截留效率。此外，QU等［62］研究證實在不考慮植被的生理調控的情況下，冠層截留蒸發速率要高于傳統意義上的蒸散發，其面對氣溫、空氣濕度以及太陽輻射等氣象環境因子的顯著變化也會產生積極響應。吳艷宏等［63］、崔勝輝等［64］關注了環境因子相互作用的內在機制，其研究表明氣溫的升高將加速大氣環流過程，大氣環流變化將引起降水總量及其強度、頻率的變化，以及空氣濕度、風速以及太陽輻射強迫的變化，進而導致冠層截留受區域的氣候的影響發生顯著變化。

3.2 植被的物候效應可能改變植被攔截降水的能力

鄭景云等［65］研究了近40年植物的物候響應發現氣候變化對植被冠層截留的影響還體現在氣溫升高會導致植被春、秋季節變得活躍，加速并延長植被生長發育期［66］，進而增加植被覆蓋面積或延長植被覆蓋地表的時間［67-68］。植被葉面積與冠層截留水量密切相關，我國植被覆蓋度的變化必定會影響區域的冠層截留效應［69］。氣候也是決定植被類型分布的主要因素之一，樸世龍等［70］、劉國華等［71］研究發現未來氣候變化將對森林、草地等生態系統造成溫度及水分脅迫，強烈地改變生態系統的結構和物種組成，同時有可能改變我國植被的分布規律。不同植被類型對降水的攔截具有顯著的差異性，生態系統中的植被結構越復雜攔截的降水量越大。植被類型、結構及其分布規律的變化也會導致冠層截留產生相應變化。趙茂盛等［72］分析了氣候變化的環境影響，結果認為增溫在一定程度上會加劇土壤干燥程度，從而抑制地表植被的生長，尤其體現在生態環境脆弱地區。

3.3 土地利用／覆蓋變化（LUCC）直接影響冠層截留

土地利用／覆蓋變化既受到全球變化的影響，又驅動著全球環境不斷變化。為滿足人口不斷增長的需求，全球土地利用呈現由森林向農田轉化的基本趨勢［5，73］，鄧慧平［44］研究發現植被的減少會降低蒸發和截留。尤其在青藏高原地區，不同的輪牧制度在改變地表覆蓋的同時，也通過草本的截留變異改變土壤水的時空分布。范月君等［74］分別從輕度、中度、重度放牧強度研究了其對三江源地區植被冠層截留容量的影響，研究結果發現在不同放牧干擾強度下單位面積截留量呈現極大的差異，且不同草本類型的截留容量隨放牧干擾強度呈增加或減少趨勢。

此外，劉春蓁［3］指出LUCC除了直接改變地表下墊面覆蓋以外，還通過影響區域大氣成分改變局地區域的小氣候，其中最直接的影響就是化石燃料燃燒、汽車尾氣排放等增加了大氣中氣溶膠的濃度；城市熱島效應造成局部地區氣溫上升，增加區域蒸發量促使降水形成。城市化的建設還會加大地表板結程度，進而削弱地表輻射影響植被截留［75］。

4 討論與展望

植被的冠層截留是陸地水循環的重要組成部分，其受到降水、植被和風速等多種因素的影響。我國學者針對不同植被類型選用人工模擬觀測或水量平衡進行截留容量的測定，為大尺度冠層截留估算和觀測截留模型的發展提供了重要基礎?；诮亓粲^測數據，我國在冠層截留模型方面也取得了較好的進展。目前我國自主構建的冠層截留模型以經驗模型為主，半經驗與半理論模型方面主要通過改進國外代表模型進行區域性參數校正。綜合對我國在觀測截留觀測、模擬等方面研究進展的分析，有以下幾點值得未來關注。

4.1 低矮草本植被冠層截留理應受到進一步關注

高寒地區草地退化往往容易造成草原水資源的污染［74］。就研究內容而言，當前冠層截留研究對草本、灌木及農作物關注度較低。加強對低矮草本植被的截留相應研究對干旱及高原地區的生態維護尤為重要［76］。除此之外，隨著城市化進程的不斷加快，綠色城市建設中的草坪用水、耗水是水資源管理的內容之一，草本植被作為綠色城市建設的重要組成部分［77］，其截留容量的變化具有極為重要的現實意義，理應受到熱切關注。

4.2 植被冠層截留監測尺度和方法可以結合遙感技術進行深入研究

通過分析國內的冠層截留研究現狀及發展動態可見，森林、草本、灌木以及作物往往根據植被特點選取人工模擬或間接觀測2種方法進行點狀空間尺度的研究，而在較大空間尺度的冠層攔截降水研究中，孫彩虹等［78］將冠層截留研究尺度擴展至流域，在此基礎上將廣東省劃分成高、中、低截留區，有效呈現了廣東省植被冠層截留的空間變化。林下植被結構及其差異性也是影響區域截留量的不確定性因素之一，在區域水源涵養研究選擇觀測點進行大尺度的截留模擬計算結果常與實際結果不符［48，79］。因此，對于復合植被類型的截留研究和模型建立同樣需要開展大量工作。就冠層截留研究方法而言，很多學者［78，80］借助遙感技術觀測所得的LAI、降水、蒸散發等多種高分辨率遙感數據進行截留水量計算。結合模型進行反演可以通過確定植被的生態參數提高測定精度，但相關遙感產品的開發和應用尚未完全成熟，還需進一步完善。

4.3 冠層截留模型與全球環境變化模型耦合可以增強模型的適用性

全球變化多項研究表明未來極端氣候事件頻率增加將會加速水文循環過程。冠層截留作為重要的水文環節也被納入全球變化情景陸面模擬方案［81］。冠層截留對全球環境變化的響應及反饋不僅僅體現在全球陸面蒸散發及徑流調節。已有研究證實不同的冠層截留方案的參數會改變全球陸氣耦合模式的敏感性，且對氣候的影響需要進一步探究［82］?？紤]到目前關于全球環境變化的研究缺乏小尺度下的可靠數據和模型，全球氣候模擬與LUCC模型尺度的不匹配會增加植被冠層截留區域性研究的難度［83］，這從側面也反映出在全球環境變化的背景下結合不同區域的截留差異揭示植被冠層截留規律需要進一步擴大研究范圍。