中国太行山区典型物种的降雨分配与截留模拟

《Agricultural and Forest Meteorology》：Rainfall partitioning and interception simulation for typical species in the Taihang Mountains, China

降雨分化和植被类型对水循环的影响研究。通过田间观测和修正Gash模型分析太行山8种典型植被的截留（8.1%-28.7%）、透过（69.6%-90.9%）和茎流（0.9%-10.5%）比例，发现降雨量是主要影响因素，经济树种截留能力显著高于本土物种。模型验证显示，采用平均法计算冠层蒸发率时，修正Gash模型对极端降雨事件的模拟误差在-26.9%至7.2%之间，适用于不同植被类型和降雨条件。

　　

郭波|杨辉|朱春宇|严志邦|曹建生|沈彦军

中国农业水资源重点实验室，河北省农业节水重点实验室，中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，石家庄，050022，中国

摘要

降雨分配在生态系统水循环和流域水分平衡中起着关键作用，了解太行山地区的这一过程对于优化造林策略和改善水资源管理至关重要。自生态恢复项目实施以来，引入了多种造林物种，但它们对降雨分配的影响仍不清楚。在本研究中，我们利用野外观测和修订后的Gash模型来调查太行山典型物种之间的降雨分配及其影响因素。结果表明，研究地点不同物种的截留百分比、穿透百分比和树干流百分比分别占总降雨量的8.1%至28.7%、69.6%至90.9%和0.9%至10.5%。降雨量是影响降雨分配的最显著因素，而降雨持续时间和降雨强度的影响较小。修订后的Gash模型在该地区得到了有效参数化，模拟典型植被截留量的验证模型的相对误差在-11.9%至10.2%之间。修订后的Gash模型中计算冠层平均蒸发率的方法影响了截留量模拟的准确性，Penman-Monteith方法（${\stackrel{￣}{E}}_{\mathrm{PM}}$）对P. bungeana的截留量损失模拟效果较好，而平均方法（${\stackrel{￣}{E}}_{\mathrm{TF}}$）则适用于其他物种。在极端强降雨事件中，不同物种的截留量损失在6.5%至27.0%之间。使用平均方法（${\stackrel{￣}{E}}_{\mathrm{TF}}$）参数化的修订后的Gash模型，在模拟不同物种的极端强降雨事件下的截留量损失时，相对误差在-26.9%至7.2%之间。对于所有物种而言，降雨期间和之后的截留量损失占了截留量损失的最大比例，占92.83%至98.40%。与本地物种相比，经济物种表现出更高的截留能力，表明它们对太行山地区的降雨分配和水文过程有更大的影响潜力。总之，评估该地区典型物种的降雨分配对于评估水文过程和选择造林物种具有科学意义。

引言

降雨分配是水循环的一个关键组成部分。在降雨到达地面之前，它会分为截留损失、穿透雨和树干流（Panahandeh等人，2022年；Zhu等人，2024年）。截留损失是指从树冠蒸发回大气中的降雨部分（Crockford和Richardson，2000年；Muzylo等人，2009年），据一项针对中国（包括森林、灌木丛、农田和草地）的研究的元分析显示，截留损失占降雨量的21.6%（中位数）（Zhang等人，2023b）。穿透雨是指直接穿过树冠缝隙或从叶子滴落到地面的降雨（Sadeghi等人，2015年）。树干流是指沿着树干流到地面的降雨部分（Van Stan和Gordon，2018年；Gordon等人，2020年）。对于大多数物种来说，树干流百分比低于2%（Van Stan和Gordon，2018年）。降雨分配直接影响生态水文过程，如土壤水分的空间异质性（Molina等人，2019年；Zhu等人，2021年）、土壤水分补给（Zhang等人，2021年；Yuan等人，2022年；Cheng等人，2023年）以及径流形成（Lian等人，2022年；Momiyama等人，2023年）。降雨分配还调节植物的水分可用性，对生态系统功能至关重要（Yaseef等人，2010年；Yang等人，2020年）。因此，深入理解降雨分配过程对于理解降雨-入渗-径流水文过程至关重要。

降雨分配受降雨特征和树冠结构的影响（Wu等人，2024a；Hu等人，2024年）。降雨特征包括降雨量、持续时间和强度（Francis等人，2022年；Yu等人，2022年；Zhu等人，2024年）。降雨量是影响降雨分配的最显著因素（Zhang等人，2015年；Zabret等人，2018年）。在轻降雨条件下，由于降雨与树冠之间的强烈相互作用，植被的截留百分比显著更高。在极端暴雨事件中，尽管植被的截留百分比较低，但截留损失可能很大，并且会显著影响径流峰值流的形成（Momiyama等人，2023年）。植被通过树冠结构（如物种类型、树冠覆盖度、树干直径和树木高度等因素）影响降雨分配（Crockford和Richardson，2000年；Staelens等人，2006年；Fathizadeh等人，2017年；Zhu等人，2024年）。先前的研究表明，造林影响了降雨分配（Schw?rzel等人，2020年；Feng等人，2023年）。造林后，植被通过改变降雨分配过程显著影响了区域水循环过程。一些研究调查了本地物种和造林物种的降雨分配（Carlyle-Moses等人，2010年；Zhao等人，2023年）。然而，对于具有经济价值的树种（如Cerasus pseudocerasus和Eucommia ulmoides）的水文过程的研究较少。植被对降雨分配的影响因物种、降雨条件和气候而异（Yue等人，2021年）。目前，与本地物种相比，造林物种对太行山地区降雨分配的影响尚不清楚。这一知识空白阻碍了我们对该地区水文过程的理解。此外，量化不同物种的降雨分配模式对于改进森林水资源管理和预测林业对未来水资源的影响至关重要。

有几种方法可以计算截留损失，包括直接测量和模拟（Muzylo等人，2009年）。直接测量方法主要包括水量平衡法和称重法。水量平衡法需要在植被下放置多个雨量计来测量穿透雨并计算截留损失（Crockford和Richardson，2000年）。称重法通过在降雨后称量叶子或树枝来估计截留量（Yan等人，2021年）。然而，称重法容易因处理过程中可能的水分损失而产生误差，常常导致截留损失被低估。直接测量方法在实践中需要大量的人力和物力资源，并且难以预测未来气候情景下的截留量变化。截留模型可以模拟截留损失，这对于预测未来气候变化下的截留量至关重要，也可以扩展到更大的空间尺度（Zhao等人，2023年）。截留模型分为经验模型和机制模型（Muzylo等人，2009年）。经验模型（如线性和多元回归方程）依赖于降雨和截留量之间的统计关系。这些模型缺乏物理基础，通常仅限于特定的树种或生态系统（Gash，1979年；Muzylo等人，2009年）。机制模型（如Rutter模型（Rutter等人，1971年）、Liu模型（Liu，1997年）、Calder模型（Calder，1977年）和Gash模型（Gash，1979年；Gash等人，1995年）因其坚实的理论基础和捕捉树冠相互作用复杂性的能力而被广泛用于模拟截留损失。这些模型基于对降雨截留、储存、蒸发和排水等过程的机制理解，因此在各种环境条件下更为可靠。修订后的Gash模型因其参数简单和模拟结果优越而在这些模型中得到广泛应用（Gash，1979年；Muzylo等人，2009年；Su等人，2022年）。其设计有效地整合了降雨分配机制，考虑了树冠结构、降雨强度等因素，这些因素对于理解截留损失至关重要。修订后的Gash模型已在不同地区得到有效应用，包括西北干旱地区（Tu等人，2021年；Zhao等人，2023年）、黄土高原（Wang等人，2022年；Wu等人，2024a）、东北地区（Deng等人，2022年）以及热带和亚热带地区（Sun等人，2022年）。

太行山是一个典型的半湿润和半干旱地区，是华北平原的重要生态屏障和源头（Liu等人，2022年）。自20世纪90年代以来，太行山的大规模造林项目引入了多种物种，包括Robinia hartwigii、Pinus tabulaeformis、Pinus bungeana和Pistacia chinensis。此外，还引入了经济物种，如Cerasus pseudocerasus、Eucommia ulmoides和Garcinia multiflora。这些造林措施显著增加了太行山的植被覆盖率，植被覆盖率从11%增加到22.4%（国家林业和草原管理局，2020年）。虽然这些变化带来了显著的生态效益，如减少土壤侵蚀和改善栖息地质量，但也引发了关于水资源可用性的担忧（Alonso等人，2024年；Zan等人，2024年），特别是在低山区。植被覆盖率的增加可能导致截留损失增加和径流减少，从而改变该地区的水资源平衡（Lian等人，2022年；Li等人，2023年）。越来越多的证据表明，造林项目的实施减少了华北地区的水资源产量（Guo和Shen，2015年；Li等人，2024年）。太行山地区每年通过径流和地下水补给为华北平原提供36亿立方米的水（Liu等人，2022年）；该山区面临水资源短缺的严重问题。鉴于水资源压力不断增加，研究太行山地区的水资源形成过程至关重要。

本研究的目的是探讨造林物种如何影响小尺度上的降雨分配过程，并评估修订后的Gash模型在太行山的适用性。为此，选择了八种物种来监测太行山的降雨分配。研究了修订后的Gash模型在不同物种和降雨水平下的表现。具体而言，我们的目标是：（1）量化和比较八种物种（包括本地物种和造林物种）的降雨分配。（2）评估修订后的Gash模型在不同物种（包括本地物种和造林物种）下的适用性。（3）评估修订后的Gash模型在极端降雨条件下的适用性。

研究地点

本研究在中国科学院太行山生态农业实验站进行（114°15′E，37°54′N，海拔350米）。实验站位于太行山中部地区（图1）。2007年至2023年，年平均降雨量为554.1毫米，其中86.7%的降雨主要集中在5月至10月之间。平均气温为13.5°C，年平均潜在蒸散量为1132.9毫米。主要土壤类型为肉桂土。

降雨特征

图2显示了2022年至2023年雨季期间研究地点的降雨特征。在2022年的雨季，记录了30次降雨事件，总降雨量为956.9毫米（图2）。2022年7月至10月期间测量了20次降雨事件，总降雨量为283.6毫米，占生长季节降雨量的63.0%。5月至

不同物种的降雨分配

在我们的研究中，研究地点不同物种的截留百分比、穿透百分比和树干流百分比的范围分别为总降雨量的8.1%至28.7%、69.6%至90.9%和0.9%至10.5%。Yue等人（2021年）的一项元分析报告称，全球范围内树木和灌木的截留百分比、穿透百分比和树干流百分比的范围分别为0.4%至90.9%、7.8%至98.1%和0%至43.8%。我们的发现与这些结果相当吻合。

结论

本研究通过结合野外实验和使用修订后的Gash模型进行模拟，研究了太行山典型植被的降雨分配模式，包括本地物种、生态物种和经济物种。结果表明，太行山典型物种的截留百分比范围为总降雨量的8.1%至28.7%，穿透百分比范围为69.6%至90.9%，树干流百分比范围为

CRediT作者贡献声明

郭波：撰写——原始草稿、方法论、正式分析、概念化。杨辉：撰写——审稿与编辑、方法论。朱春宇：撰写——审稿与编辑、方法论。严志邦：调查、数据管理。曹建生：撰写——审稿与编辑、概念化。沈彦军：撰写——审稿与编辑、概念化。