智利地中海气候型海岸森林（MCTF）对海洋雾的水分共依赖：雾的垂直-水平分布、冠层收集效率与水量平衡贡献

《Ecohydrology》：Water Codependency of the Chilean Mediterranean Climate-Type Coastal Forest on Marine Fog

　　

在智利的地中海气候型海岸森林中，降水低于蒸散（evapotranspiration），导致明显的水平衡失衡，这与森林绿化水平相矛盾。由于仅降水无法满足蒸散需求，雾可能作为一种补充水分输入，有助于抵消这种表观失衡。该输入似乎来自森林截留的雾，而雾由被临海山坡捕获的海洋层积云（marine stratocumulus, Sc）云生成。由于Sc云具有明确的垂直液态水结构，且森林沿与其相交的陡坡分布，雾的影响随海拔变化。同样，由于雾与改变主导风向的非均质地形成相互作用，其影响受坡向强烈控制。为应对这一复杂性，研究人员结合雾水收集的地面观测、树木雾滴（tree fog dripping）、卫星信息和雾收集模型，分析海岸森林对海洋雾垂直和水平分布的水分共依赖。雾全年发生频率为15%，在3月（雾滴收集量12 mm）和9月（16 mm）达到峰值。在垂直尺度上，树木雾滴随海拔线性增加，雾入流（fog influx）也如此（R = 0.6），附生地衣（Usnea sp.和Heterodermia sp.）沿同一梯度的逐渐增加反映了雾截留影响的增强。在水平尺度上，森林归一化差异植被指数（normalized difference vegetation index, NDVI）在模型指示收集量最大的区域达到最高值（0.7）。考虑模拟雾入流和树木雾滴，研究人员估算森林被动收集效率约为12%。最后，利用简化和理想化的雾向坡面水量平衡，研究人员估算雾收集贡献年水分输入的27%（127 mm year^?1），支持雾作为森林水量平衡中降水补充的作用。

研究背景与问题：在智利地中海气候型海岸森林（MCTF；以硬叶植被为主、干季从春季持续至秋季的海岸森林）中，降水不足以满足蒸散（ET）需求，形成表观水分失衡，而森林仍保持一定绿化水平。已有研究多描述海洋雾的发生及其生态意义，但针对MCTF森林尺度水量平衡中雾贡献及其机制的定量评估仍有限，尤其缺乏对雾垂直和水平分布如何共同控制森林水分共依赖的认识。海洋雾由被临海山坡捕获的海洋层积云（Sc）产生，Sc云具有明确的垂直液态水结构，森林又分布于与其相交的陡坡，因此雾影响随海拔变化；地形改变主导风向，使雾影响受坡向强烈控制。基于此，作者旨在提供MCTF对雾水分共依赖的观测证据，并量化森林雾水收集、收集效率及其对水量平衡的贡献，回答MCTF如何依赖海洋雾垂直和水平分布、森林截留和利用多少雾水两个问题。

研究开展、结论与意义：作者以智利海岸Bosques de Zapallar的MCTF为对象，结合地面雾水收集、林冠雾滴、卫星信息与雾收集模型，分析雾的垂直和水平分布及森林水量平衡。结果表明，雾与降水在季节上互补，雾收集在晚春和夏季降水最少时达到峰值；雾入流和树木雾滴在约300–580 m a.s.l.随海拔线性增加，附生地衣同步增加；南向和西向坡截留更多雾，NDVI更高。简化水量平衡显示，冠层雾收集效率（η_m）均值约0.45，观测树滴效率（η_co）均值约0.12；森林雾收集量约127 mm year^?1，约占年水分输入27%。研究强调雾是显著但非主导的补充水源，对理解该生态系统生态水文及未来干旱加剧下的森林功能具有重要意义。

关键技术方法（不超过250字）：作者以智利海岸Bosques de Zapallar的MCTF为研究样地，观测期为2024年9月至2025年3月（不含冬季，2025年2月缺测）；气象数据来自Quintero站（Dirección Meteorológica de Chile）和El Boldo森林站（Centro UC Desierto de Atacama）。采用标准雾收集器（standard fog collector, SFC；1 m²收集面）测雾水收集，布设18个模拟雨量计测林冠雾滴，并在西向坡200–550 m a.s.l.设置地衣样带。使用AMARU模型（Advective fog Model for Arid and semi-arid Regions Under climate change；观测驱动雾收集模型）模拟雾收集潜力垂直剖面，结合GOES-16雾和低云（fog and low cloud, FLC）产品及30 m数字高程模型进行空间化；水量平衡输入包括MODIS MOD16A2蒸散、WRF降水、GLEAM v3.6a土壤水和Sentinel-2 NDVI，并以SPOT影像进行植被分类。

研究结果：
3.1 Spatial Variability of Fog and Its Influence on MCTF：通过AMARU模型、树滴观测、地衣调查和风场资料，作者得出雾入流（F_in(z)）和树木雾滴在约300–580 m a.s.l.随海拔线性增加，模型雾入流与树滴相关R = 0.6；低海拔300–400 m处总雾入流约1–250 L m^?2，其中约15 L m^?2被冠层截留并滴落，近山脊处雾入流可达500 L m^?2，滴落约35 L m^?2；附生地衣覆盖随海拔由类别1–2增至4–5。水平尺度上，南向和西向坡雾入流最高可达400 L m^?2 year^?1，北向和东向坡约200 L m^?2 year^?1；局地雾收集事件风向以西南至西为主、风速约2 m s^?1，与向海坡一致。雾影响区与森林单元空间对应，森林占研究区35.6%；NDVI在南向和西向坡显著更高，全年多高于0.6，夏夏季与北向和东向坡差约0.3。

3.2 Temporal Variability of Fog and Forest Water Balance Terms：通过SFC观测和GOES FLC频率，作者发现雾水收集和FLC年内呈双峰，分别在3月和9月，FLC最高约16%；SFC在8月记录最高16 L m^?2，6月低于2 L m^?2。日变化上，雾收集在本地时间4:00–8:00最高，太阳辐射约500 W m^?2的正午最低；风速午后约14:00达峰约1.5 m s^?1，雾收集高时风速较低（0.8–1.0 m s^?1），风向以西南至东南为主。水量平衡组分显示，2023年降水累计351 mm，冬季JJA约254 mm，夏季无降雨；ET年总量404 mm，南向和西向坡最高，东向和北向坡夏季峰值约45–50 mm；FLC与ET相关R = 0.71。土壤水冬季约12 mm、干季约4 mm，与降水R = 0.82、与雾R = 0.05，雾与ET相关R = 0.38，说明雾主要影响地上水通量而非土壤水补给。

3.3 Efficiency：通过简化水量平衡和树滴观测，作者比较两种收集效率。模型冠层效率η_m均值0.45、中位数约0.4、四分位距约0.25–0.65，表示在简化平衡中需截留近半可用雾通量才能抵消降水与ET差额；观测树滴效率η_co均值约0.12、范围0.05–0.29，说明大部分截留雾水保留在叶、枝、干，被吸收、蒸发或经茎流，未直接到达地面。利用η_m和F_in估算森林雾收集（W_h(f)）平均约127 L m^?2 year^?1，北向和东向坡约50 L m^?2 year^?1，西向和南向坡可达300 L m^?2 year^?1；W_h(f)/P为0.2–0.43、均值0.31，雾占总年水分输入约27%；W_h(f)/ET为0.21–0.35，东向坡最高0.35，体现雾的补偿作用。

讨论总结：讨论指出，雾与降水并非正相关，而是在年周期内互补：雾收集峰值出现在晚春和夏季，恰逢降水最低，从而维持近连续的大气水分供应，缓冲干季高ET需求；FLC与ET的强相关支持南向和西向坡维持较高水通量。垂直依赖方面，雾入流和树滴随海拔线性增加，与Sc云内液水含量（liquid water content, LWC）随高度增加一致，并得到地衣和模拟雨量计的独立佐证；水平方向由地形和风控制，南向和西向坡更有效截留西南气流，支持更高NDVI。雾贡献约127 mm year^?1、约27%年水分输入，相当于年降水的20%–43%和年ET的21%–35%，是显著补充而非主导水源；该量级与其他海岸雾依赖林一致。η_m为通过简化水量平衡闭合得到的一阶模型估计而非独立测量，若计入径流和排水，闭合所需效率会更高，故估计偏保守；η_co较低说明冠层保留、蒸发和茎流重要，雾主要影响地上通量。研究同时指出简化水量平衡未含地表径流、冠层截留损失和深层排水，遥感与再分析产品空间分辨率较粗、站点数量有限、野外观测未覆盖完整年周期，因此结果应视为一阶近似。

研究结论翻译：研究人员研究了地中海海岸雾林（MCTFs）对海洋雾的共依赖，重点分析其垂直变异和空间分布，并评估森林水量平衡主要组分的年变化。结果表明，雾与降水呈负季节关系，雾收集在晚春和夏季达到峰值，恰逢降雨最少；这种互补性确保全年近连续的大气水分供应，在干季高ET需求下维持森林功能。雾呈现两个空间维度：其垂直分量在300–580 m a.s.l.随海拔线性增加，附生地衣（Usnea sp.和Heterodermia sp.）沿坡逐渐增加独立反映该格局；其水平分量受地形和风向控制，将雾输入集中在南向和西向坡，那里富含水汽的西南气流最有效被截留。关于森林水量平衡，AMARU模型提供冠层雾收集效率和总雾水输入的一阶估计，平均冠层效率约45%，总雾贡献约127 mm year^?1（约占年水分输入27%）；该贡献是显著补贴而非主导水源。尽管这些值理论推导，但与类似海岸雾依赖林报道的雾贡献一致，支持方法有效性。理解和量化这一研究不足生态系统的雾动态，为地中海海岸林生态水文提供关键认识；所得值进一步强调雾作为补充水源维持森林功能的重要性，在未来气候变化下地中海气候区干旱加剧时这一作用可能更重要。