复杂林分水平层太阳辐射传输估算模型及其在森林水文生态中的应用

《Science of The Total Environment》：Model for estimating solar radiation transmission through horizontal layers in complex tree stands

本综述创新性地提出了一种基于体积生物量密度（VSD）的简化模型，用于精确估算复杂林分内任意水平层的太阳辐射透射率（WL）。模型验证显示其解释度高达97.9%，平均误差仅12%，为森林水循环（大气-林分-土壤）平衡研究及营林管理提供了关键的工程学工具。

　　

Highlight

结果

将方程（3）投入实际应用，需要记录给定层顶面的太阳辐射照度。进行此类专业的梯度测量要求高且耗时，因此，方程（3）主要适用于能提供此类测量的科学研究。对于工程层面的应用，需要开发一个方程（3）的版本，其中太阳辐射照度 I_L应由另一个参数替代，该参数便于野外测量或从标准数据源读取。

讨论

本文提出了一个关于太阳辐射在林木林分内部水平层间传输的模型。该模型的准确性验证基于在喀尔巴阡山西部不同生境条件下生长的26个高度多样化林分中进行的野外测量。由于在林分内进行野外研究的技术限制，太阳辐射照度仅在四个层次进行了测量（图2）。这种太阳传感器布设方式导致了在林冠层内部缺乏测量数据，因此，模型评估时，林冠区（从树梢到树冠基部）必须被视为一个不可分割的整体层。尽管有此限制，该模型在解释观测到的辐射透射率变异方面表现出卓越的性能（R2 = 0.979），平均估计误差为12%。模型的核心参数——体积生物量密度（VSD_L）——被证明是描述林分层辐射衰减特性的有效指标。与依赖于特定物种参数（如叶面积指数LAI）的模型不同，本模型基于的生物量特征可通过标准森林资源清查获得，增强了其普适性和实用性。模型结构借鉴了比尔-朗伯定律的基本原理，将林分视为包含生物量和空气的混浊介质。未来的研究重点应包括在林冠层内部进行更密集的传感器布设，以验证模型在该关键区域的适用性，并探索将其与遥感技术结合以进行大尺度应用的潜力。

结论

本文提出了一种预测林分内太阳辐射透射率的模型。该模型显示出非常高的准确性：解释了不同林分层太阳辐射透射率97.9%的变异性，且平均估计误差为12%，处于合理范围。模型评估过程基于在26个多样化林分中记录的广泛而多样的野外数据。基于对所提出模型性能和特性的分析，可以得出以下结论：