《Ecological Indicators》：A data synthesis and comparative review of rainfall partitioning: Drivers and management implications in fruit crops
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随着全球水资源短缺日益加剧，农业部门在维持生产力方面面临前所未有的挑战。农业仍是全球淡水的主要消耗者，约占总取水量的70%。在此背景下，全球各类水果的生产与消费持续增长，这得益于其作为经济作物的多元应用价值，包括果汁、果醋和柠檬酸生产以及药用用途
摘要专业翻译
随着全球水资源短缺日益加剧，农业部门在维持生产力方面面临前所未有的挑战。农业仍是全球淡水的主要消耗者，约占总取水量的70%。在此背景下，全球各类水果的生产与消费持续增长，这得益于其作为经济作物的多元应用价值，包括果汁、果醋和柠檬酸生产以及药用用途。然而，果树产量和品质对所有物候阶段的水分亏缺高度敏感。例如，在伊朗干旱和半干旱地区，约60%的石榴园依赖降雨的高效利用来维持其生产力和可持续性。鉴于这些严峻的水资源约束，优化天然降雨的利用对于维持此类干旱地区的果树生产至关重要。因此，果树冠层降雨再分配的定量评估已成为一个关键的生态水文学指标；它决定了最终补充土壤水分的降雨比例。监测该指标至关重要，因为由此产生的土壤水分有效性直接驱动这些果树的水分利用效率，从而直接为环境和水资源管理实践提供信息。
当降雨穿过植被景观时，一部分被冠层截留或蒸发，称为冠层截留（canopy interception, Ic）。在半干旱地区，冠层截留可能有助于局地水分再循环，而非完全的水分损失。其量级足以影响区域水和能量收支，尽管这种效应具有高度季节性，且主要发生在生长季。剩余降雨（即净降雨）通常被视为“有效降雨”，因为它补充了土壤水分，这些水分可被根系吸收并为植物利用。净降雨通过两条途径到达土壤：穿透雨（throughfall, TF），即穿过冠层空隙或从冠层表面滴落的部分；以及树干茎流（stemflow, SF），即沿枝条和树干向下流动的部分。穿透雨和树干茎流在地表降雨输入中引入了显著的空间和时间变异性，这受到多种气象变量和植被特征的影响，如气温、相对湿度、风速、降雨特征、植物物种特性和冠层结构。例如，较高的温度会增加冠层蒸发速率，从而在降雨事件期间推高总截留损失，而风对降雨再分配的影响因其对冠层储水干扰的显著效应而受到广泛研究。
自然植被和果树中的降雨再分配在不同气候条件下表现出差异。现有文献揭示了这些通量在自然植被和果树中的广泛变异性。一项针对自然乔木和灌木的全球综合研究报告指出，冠层截留、树干茎流和穿透雨比率的中位数分别为21.8%、3.2%和73.0%。果树也包含多样的生活型，例如对于全球流行的香蕉和苹果等果树，中国云南省和陕西省的研究显示其差异显著：香蕉的冠层截留、穿透雨和树干茎流分别占0.6%、71.8%和17.6%，而苹果则分别占15.5%、83.1%和1.4%。与自然生态系统相比，以单一栽培方式种植的果树由于冠层密度、高度和叶片空间排列的人工改造，表现出不同的降雨再分配模式。这种人为结构优化旨在最大化果实产量和采收效率，从根本上改变了水文过程。例如，修剪后的冠层可能表现出降低的截留能力，同时增强了穿透雨的空间均匀性。由于陡峭的分枝角度，冠层下方的中心区域容易发生树干茎流累积。在这些“自然-人为耦合系统”中，管理干预是降雨分布的核心驱动因素，而非单纯的外部扰动。
量化降雨再分配的研究数量逐年增加，近期若干荟萃分析已对植物类型间降雨再分配通量的相对比例提供了广泛概述。然而，大部分研究仍聚焦于自然生态系统。尽管人工管理实践增加了降雨再分配的复杂性，但这一复杂性在果树中仍未得到充分探索，尤其是在跨区域和跨物种的可推广模式方面。此外，大多数前期研究仅针对特定地点的单一或两种物种。虽然这些研究推进了研究人员对降雨再分配以及植物形态属性和环境条件影响的理解，但它们对可推广模式的洞察有限。果树降雨再分配在不同时空尺度上的差异尚未得到深入调查。为解决上述知识空白，本研究旨在：(1) 表征不同果树物种间冠层截留、穿透雨和树干茎流的绝对量及相对比率；(2) 量化环境驱动因子对每个降雨再分配组分的相对重要性；(3) 确定植物形态属性（即生活型、树皮粗糙度和落叶策略）及人工管理实践对降雨再分配的影响。本研究将提供关键生态水文学指标的通用模式，这些指标连接生态系统监测与人工管理，支持在全球水资源短缺加剧的时代高效利用淡水资源。
论文主体内容专业总结
1. 引言
随着全球水资源短缺日益加剧，农业部门面临维持生产力的巨大挑战，农业消耗了全球约70%的淡水取用量。全球各类水果的生产和消费持续增长，但果树产量和品质对所有物候阶段的水分亏缺高度敏感。在干旱和半干旱地区，部分果园高度依赖降雨的高效利用来维持生产。因此，果树冠层降雨再分配的定量评估成为关键生态水文学指标，它决定了最终补充土壤水分的降雨比例，直接影响果树的水分利用效率，并为环境和水资源管理实践提供依据。降雨穿过植被时，一部分被冠层截留或蒸发，称为冠层截留（canopy interception, Ic）；剩余净降雨通过穿透雨（throughfall, TF）和树干茎流（stemflow, SF）两条途径到达土壤。穿透雨和树干茎流受多种气象变量和植被特征影响，如气温、相对湿度、风速、降雨特征、植物物种特性和冠层结构。与自然生态系统相比，单一栽培的果树因冠层密度、高度和叶片空间排列的人工改造而表现出不同的降雨再分配模式。管理干预在“自然-人为耦合系统”中成为降雨分布的核心驱动因素。然而，现有研究多聚焦于自然生态系统，果树中降雨再分配的可推广模式仍待探索。本研究旨在表征不同果树物种间冠层截留、穿透雨和树干茎流的绝对量及相对比率，量化环境驱动因子的相对重要性，并确定植物形态属性和人工管理实践的影响。
2. 材料与方法
2.1. 文献检索与数据汇编
研究人员利用Web of Science（WoS）数据库进行了全面的文献检索，检索时间范围为1995年1月至2025年1月，仅纳入英文同行评审论文以保持方法一致性。检索词包括“orchard and interception”、“orchard and throughfall”、“orchard and stemflow”等，并对22种商业化果树物种进行了针对性检索。纳入标准包括：数据须来自田间观测且测量方法相似；数据须以定量（mm）或比例（%）形式呈现；须为单一栽培系统中的单次降雨事件数据；至少报告冠层截留、穿透雨或树干茎流中的一项。若数据以图形呈现，使用GetData Graph Digitizer软件提取。最终数据集包含来自24篇论文、覆盖13个试验点和13种果树物种的2689个数据点。
2.2. 数据分析
研究人员采用描述性统计探究所有果树的降雨再分配特征，并建立线性回归模型量化降雨量与各组分绝对值和比率的关系。采用增强回归树（boosted regression tree, BRT）模型量化各变量对冠层截留、穿透雨和树干茎流的影响。该模型不受预测变量间多重共线性影响，无需处理缺失值，且具有优于传统方法的解释性。模型使用R包‘dismo’中的‘gbm.step’函数，数据经z-score标准化，随机分为训练集（70%）和测试集（30%），采用高斯响应类型和10折交叉验证。根据响应变量不同，树复杂度设为8或10，袋分数设为0.75。模型性能通过均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）和决定系数（R2）评估。降雨再分配组分还根据植物形态属性（生活型、落叶策略、树皮粗糙度）和人工管理实践（种植密度和叶面积指数（leaf area index, LAI））进行分析。
3. 结果
3.1. 果树降雨再分配的田间观测总体特征
24篇论文评估了13种果树物种的降雨再分配，覆盖13个试验点，地理分布跨度大，但南半球数据稀缺。研究地点涵盖热带季风、温带大陆性和地中海气候区，年平均降水量（mean annual precipitation, MAP）范围为214.0–3850.0 mm，年平均温度（mean annual temperature, MAT）为9.1–23.7 °C。观测次数最多的为苹果树，其次为香蕉和橄榄树。多数研究（83.3%）观测时长不超过20个月。在单次降雨事件尺度上，冠层截留、穿透雨和树干茎流通量随降雨量增加而增加，其中穿透雨最为敏感（R2=0.956）。平均单次事件通量分别为冠层截留2.2 ± 0.1 mm、穿透雨12.7 ± 0.5 mm和树干茎流0.6 ± 0.0 mm。平均比率分别为冠层截留25.4%、穿透雨73.0%和树干茎流4.3%。穿透雨比率与降雨量呈幂函数关系，冠层截留比率与降雨量呈对数函数关系。
3.2. 果树降雨再分配的驱动因子
3.2.1. 环境因子对冠层截留、穿透雨和树干茎流的相对重要性
增强回归树模型结果表明，降雨量（rainfall amount, RA）、风速（wind speed, Ws）和降雨历时（rainfall duration, Dur）是影响穿透雨通量的主导因子，相对重要性分别为89.5%、5.0%和9.2%，合计占97.4%。对于冠层截流通量，降雨量、风速和风向（wind direction, Wd）为主导因子，相对重要性分别为53.6%、29.9%和7.3%，合计占90.8%。部分依赖图显示冠层截流通量与降雨量呈强正相关并呈现动态饱和过程。对于冠层截留比率，降雨量、风速和降雨历时为主导因子，贡献分别为86.8%、5.8%和3.1%。总体而言，降雨量和风速主导了降雨的分配比例，解释了超过80%的分配变异性。
3.2.2. 不同植物形态属性下的降雨再分配组分
光滑树皮果树的平均树干茎流比率（4.4%）略高于粗糙树皮（4.3%），但差异不显著。冠层截留比率在常绿和落叶果树间差异最为显著，平均值分别为38.0%和20.6%，绝对差值为17.4%。藤本、灌木和乔木类型的冠层截留比率中位数分别为12.0%、35.2%和24.8%；穿透雨比率中位数分别为78.7%、78.7%和71.0%；树干茎流比率中位数分别为11.6%、7.1%和3.9%。总体而言，常绿果树的冠层截留比率数值较高；藤本、落叶及光滑树皮果树的树干茎流比率较高；灌木型和落叶果树的穿透雨比率较高。
3.2.3. 不同人工管理实践下的降雨再分配组分
对于乔木型果树，中密度（medium density, MD）的平均冠层截留比率（22.9%）数值上低于高密度（high density, HD）（26.8%）。平均穿透雨比率在低密度（low density, LD）、中密度和高密度下分别为74.0%、77.9%和66.2%。高密度下的树干茎流比率呈现先增后减的分布，平均值分别为低密度1.4%、中密度3.6%和高密度7.1%。高密度下降雨量与各比率间的拟合关系优于中密度和低密度。对于灌木型果树，中密度下冠层截留比率与降雨量呈显著对数关系，高密度下呈指数关系。藤本型果树在高密度下平均冠层截留、穿透雨和树干茎流比率分别为10.3%、78.7%和11.6%。叶面积指数对冠层截留和树干茎流具有显著调控作用，树干茎流与叶面积指数的相关性强度是冠层截留的2.2倍。树干茎流比率与叶面积指数呈显著正相关（R2=0.603）。在低降雨事件（<20 mm）中，冠层表现出强截留能力，冠层截留比率平均为23.4%；当降雨超过20 mm时，冠层截留比率呈负响应。
4. 讨论
4.1. 果树降雨再分配的总体特征
果树降雨再分配与自然森林系统存在显著差异。果树通常将更高比例的降雨分配为穿透雨，而树干茎流比例较低。果树冠层截留、穿透雨和树干茎流通量与降雨量均呈显著正相关，其中穿透雨与降雨量呈强线性关系，确认其作为管理系统中主要水文路径的主导地位。冠层截留虽随降雨量增加，但受饱和阈值限制，一旦达到冠层容量便产生临时储存限制。风速通过改变降雨的体积分布、时空格局和动能来强烈影响降雨再分配，风驱降雨的入射角导致冠层内降雨空间变异，同时风也通过促进叶片和枝条储存水分的释放来增强穿透雨产量。值得注意的是，增强回归树分析中因子重要性排序受数据可用性限制，因子记录较少的论文贡献信息较少，可能引入偏差。
4.2. 植物形态属性对果树降雨再分配的影响
在自然森林中，树皮粗糙度是决定降雨再分配的最重要属性之一，粗糙树皮形成微集水区以增强滞留，而光滑树皮物种的疏水表皮加速液滴下落，最小化茎干上的水分停留时间。本研究中光滑树皮果树的树干茎流比率略高但差异不显著。落叶果树的穿透雨和树干茎流比率高于常绿果树，这归因于落叶果树冠层空隙的增大和茎干表面暴露时间的延长。常绿与落叶果树间冠层截留比率的绝对差异达17.4%，可能归因于树木密度、叶面积指数、胸高断面积和冠层面积。灌木型果树的树干茎流高于乔木型，与一般生态林和灌丛的发现一致。穿透雨比率始终呈现高值且波动小，表明其作为关键水分输入源的主导性、稳定性和可靠性。
4.3. 人工管理实践对果树降雨再分配的影响
与经济产出导向相关的人工干预，如冠层平面整形、定期疏伐、修剪和根系限制，系统性地重构了自然降雨再分配模式。平均穿透雨主要取决于树木密度而非物种多样性或结构异质性。高密度灌木型果树的穿透雨和树干茎流比率与降雨量关系未达统计显著，可能归因于样本量较小。藤本型在高密度下树干茎流比率与降雨量呈显著对数关系，表明存在与藤本结构特征相关的树干茎流效率临界阈值。高密度下指数/幂函数模型的高拟合优度证实了密植系统固有的确定性水文表现，而中密度/低密度下的离散分布则提示需引入随机过程模型。种植密度并非孤立变量，其效应可能与其他管理实践（如修剪制度）混杂。
4.4. 启示
本研究拟合的线性回归模型为模拟降雨输入和提供管理操作指导提供了实用方法。然而，数据空间分布不均，以温带季节性乔木类型为主，应用于低纬度地区时需关注高降雨强度和高温度变异的显著影响。鉴于常绿与落叶果树间冠层截留比率的差异，以及互补生态系统效应可增强整体生态系统完整性，应进一步探索包含两种类型的分层混合栽培系统。高密度下树干茎流比率显著较高且随降雨呈可预测变化，表明树干茎流可作为干旱期的次级水源，可在高密度果树主茎基部安装集水槽收集树干茎流。
5. 结论
本研究确定了果树降雨再分配的总体比例，冠层截留、穿透雨和树干茎流的平均相对贡献分别为25.4%、73.0%和4.3%。在所有果树物种中，穿透雨与降雨量呈最强正相关，确立了其在降雨再分配路径中的主导地位。增强回归树模型识别出降雨量和风速是穿透雨、冠层截流通量和冠层截留比率的主要驱动因子，合计相对重要性分别超过90%、80%和90%。生活型和生长型驱动了果树间降雨再分配的显著差异，而树皮粗糙度对树干茎流比率影响甚微。种植密度的增加增强了乔木型果树高冠层截留比率和高树干茎流比率的特征，而灌木型或藤本型果树在高密度条件下冠层截留效率显著受损。不同类型和密度的果树可能对生态系统水文功能具有潜在互补效应，以多样性为核心的管理有助于提高生态系统水资源向果实产量转化的效率。为平衡季节性水分可用性，常绿与落叶果树间作的分层混合栽培系统可能是未来值得探索的方向。未来研究可探讨将种植密度作为指标驱动的水文调节器的可行性，重点关注高降雨区实施中密度种植和低降雨区实施高密度种植的水文效应。
