我国植被冠层降水截留研究进展

吕爱锋，王蕾，曲波

（1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101；2.中国科学院大学，北京 100049；3.加拿大蒙特利尔大学，蒙特利尔 H3T 1J4）

植被是生态系统的主要组成部分［1］，其对水分的吸附、拦截等功能在降水再分配过程中具有重要作用。在降水过程中，植被对降水的再分配体现为冠层截留、茎干流以及穿透降水3个方面。作为降水再分配的首个环节，冠层截留通过对降水的拦截改变了到达地面的降水数量及空间分布，进而在调节地表径流中发挥了极为重要的作用，同时也影响着地表各系统之间的水热平衡及物质的循环与分配［2-3］。

我国地域辽阔，地跨众多的温度带和干湿地区，植被类型多种多样，植被冠层截留也表现出明显的空间差异。目前，我国学者在植被冠层截留研究领域已经开展了大量工作［4］。主要围绕探究植被冠层截留机理［5-6］、研究和改进冠层截留测定方法［7-8］以及冠层截留模型构建［9-10］三大方面。由于冠层截留的影响因素多，不同学者［11-12］基于植被冠层截留规律对截留影响因素的探究关注点呈现明显差异性，这为冠层截留容量的准确测定带来极大的挑战。就测定方法而言，部分研究［13-15］也发现各类方法对于植被的适用性表现不同。我国冠层截留模型研究起步虽晚，但在经验和半经验模型的研发和应用已经相对成熟，尤其体现在特定区域内半经验半理论模型的参数优化这一方面［9］。因此，针对截留因素、测定方法、模型应用等研究现状进行分析，对于正确认识冠层截留对陆地水循环的影响具有极为重要的现实意义，有助于植被冠层截留领域研究的深入和发展。

1 植被冠层截留及影响因素

1.1 植被冠层截留过程及重要参数

降水进入植被覆盖区域后，由于受到植被枝叶的拦截作用，被分为冠层截留（含附加截留）、茎干流以及穿透降水3部分。植被冠层截留是指在降水下落过程中植被冠层吸附、拦截降水的这一过程，通常以冠层截留量或冠层截留率来衡量［4］。一般而言，植被冠层截留只发生于植被覆盖区域，对于裸露区域的截留量通常视为零［16］。

植被盖度／郁闭度和叶面积指数（LAI）是植被冠层截留差异性研究关注度最高的2个参数［17-19］，其作为反映作物群体生长结构的重要参数，同样可应用于衡量植被截留过程中植被的吸附水量，因此在冠层截留研究中得到广泛应用［20-23］。

1.2 植被冠层截留的影响因素

冠层截留是一个复杂的过程，主要受到降水特性、植被特征以及气象条件等3方面因素的影响。此外，降水前期枝叶湿度、林分郁闭度等也会影响植被冠层的截留过程。

1.2.1 降水特性

降水作为植被冠层截留过程中的起始环节，在降水总量、降水历时、强度等降水特性方面影响冠层截留量［4］。万艳芳等［13］以青海云杉为研究对象，研究林木冠层截留规律发现：在≤5 mm的雨量级中，青海云杉的截留量（28.7 mm）和截留率（67.8%）达到研究时段的最大值；但在降雨量＞30 mm时，截留率达到最低值（10.0%）。在此基础上，凡国华等［14］利用二次函数拟合了长三角地区的马尾松林的降水截留率，重点描述了降水强度与林冠最大动能承受限度之间的关系。考虑到降水的季节变异性，张平等［15］在研究灌丛水分拦截能力时重点关注了冬春季节降水形态变化特征，研究发现固态降水截留率大于液态降水的截留率，植被冠层在相对干燥状态下可以拦截大部分的降水。盛后财等［24］在天然落叶松截留研究中证实次降水的冠层截留率取决于降水前期的冠层干燥程度。多项研究［25-27］发现降水初期冠层截留量与降水总量呈明显的正比关系，随着降水的持续进行，降水总量不断增加，植被冠层吸附水量逐渐达到饱和，此时冠层截留率的增长趋势不断下降，直至植被冠层吸附水量达到饱和，植被的截留量则不再增加或缓慢增加，见图1。“附加截留”是致使截留率在植被吸附水量在饱和状态下缓慢增加的主要原因。附加截留作为植被截留中的重要组成部分之一，它是指降水在截留过程中由于蒸发直接返回到大气中，使得降水未能到达地面，且降水历时越长，蒸发量逐渐增加，引起附加截留量增大，最终导致冠层截留增加。

图1 不同植物降水量与冠层截留率Fig.1 Relationship between precipitation and canopy interception rate of different plants

1.2.2 植被特征

植被特征对于冠层截留过程同样具有重要影响。冠层的结构和大小、植被的叶倾角及粗糙程度、空间分布等参数影响到冠层对于降水的拦截作用。这些参数取决于植被的种类，在林木、草本、灌木和作物中差异明显。根据植被类型的不同，将我国近几十年的冠层截留的研究进行归类整合，结果见表1。

表1 不同植被类型冠层截留率以及观测参数Tab.1 Canopy interception rate and observation parameters of different vegetation types

在相似的地理环境下，同种草本或灌木的冠层截留率差别不大。就不同植被类型而言，例如草本和林木，在相同模拟降水条件（2 mm）下，植被的截留率随着生长时间的增加呈上升趋势。张莹等［34］实验测得生长期为3、4、5个月的偃麦草的截留率分别为35.0%、42.5%、57.0%。马波等［31］以谷子、小麦为对象研究作物的冠层截留过程，发现谷子在其全生育期内的平均冠层截留量占总降水比例（冠层截留率）为0.52%，而冬小麦的在其全生育期内的平均冠层截留率可达1.64%，并且截留量随着作物的生长而增加。由于植被冠层结构大小、植株高度、叶片特征以及空间分布等参数不同，二者对于降水量的拦截作用存在较为明显的差异。在同一植被类型的森林冠层中，对于降水的截留作用也呈现树种差异性。凡国华等［14］、巩合德等［28］的研究中发现，由于针叶林的叶片对于水量吸附能力较强，马尾松在降水期间对于冠层的截留率可达25.38%，而亚热带常绿阔叶林冠层截留率只有15.8%。周彬等［30］及田风霞等［27］的研究显示，在郁闭度相同的情况下，我国油松的林冠截留率可达38.35%，稍高于青海云杉林的平均林冠截留率33.9%。这表明同一树种对降水的拦截同样存在明显差异。

1.2.3 其他气象条件

在两次降水期间气象要素持续影响冠层的蒸发速率进而影响冠层的干燥程度，最终对冠层拦截降水产生影响［24，30］。气温下降会减少冠层截留的蒸发及植物的蒸腾［44］。空气的水汽差以及叶表面与空气的相对温差也会使得单位叶面积的蒸发损失呈现不同程度的差异。有学者研究了风对于冠层截留的主要影响：一方面风会改变植被的机械运动，植被摇动使雨滴快速降落到地表，可导致冠层蓄水量下降30%～50%［45］；另一方面风速也可以通过影响冠层的蒸发速率进而增加冠层截留水量［14］。

2 我国植被冠层截留测定与模拟

2.1 冠层截留的测定方法

冠层截留的测定是研究植被水文效应的重要基础［1］。总结大量的冠层截留相关文献可知，植被对于降水的截留测定常使用人工模拟和间接观测2种方法，并且在森林、草本、灌木以及作物有不同的表现形式，见表1。

人工模拟法多用于少数草本、灌木及农作物冠层截留水量测定。常用的测定方法有覆盖地表法、浸泡法（也称简易吸水法）等。这些方法大多是在喷灌以及降水模拟器下模拟降水条件，对植被冠层截留进行统计。覆盖地表法是用薄膜或乳胶密封土壤防止渗漏，测量降水量以及实验区的径流量，换算得到冠层截留量的一种方法；浸泡法是将植物剪下，测定浸水前后的重量差确定植被冠层的截留量的方法。国内很多研究者［34］用浸泡法研究草本或农作物的截留能力，并且测量样本叶面积指数及生物量等参数进行分析：卓丽等［46］采用浸泡法研究草地的截留能力，对草坪植物的截留规律进行描述；赵伟霞等［47］、刘战东等［48］同样利用简易吸水法分别研究了耕地草本及冬小麦的冠层截留。这些研究也发现浸泡法能够测定理想条件下植被的最大吸附水量，但测定结果往往大于实际直接观测值。

由于林木、灌木等较高大植被样本难以获取，其截留一般采用气象站设置自记雨量计对树干径流量、林外降水量以及穿透雨量进行测定，并根据水量平衡方程进行截留量的估算，该方法即间接观测法，也称水量平衡法。间接观测法一般需要一段时间的观测资料，通过观测量之间的关系推算冠层的截留量以及截留率规律，在我国的研究中被广泛应用［35］。武秀荣等［49］、魏曦等［9］在模拟青海云杉林、华北落叶松林及人工油松林时使用野外间接观测法研究大气降雨量与林冠最大持水量之间的关系，为模型模拟提供大量数据支持。灌木的测定方法大致与林木相同，但因枝干繁茂茎流量较难测定，主要用林外降水量和穿透雨量对冠层截留量进行估算。为控制环境因子的影响，间接测量法也用于测定矮小植被冠层的截留，这类研究大多是在喷灌以及降水模拟器模拟降水条件下对植被冠层截留进行统计。

众多研究表明，间接测量法可以较好地获得截留水量随时间的动态变化，有利于探究降水强度、降水历时及冠层参数对截留量的影响规律。但由于实际操作过程较为复杂，冠层截留的实际测定结果存在较大的不确定性，尤其是对复杂结构的灌木茎干流的忽视往往会对截留估算产生较大影响。无论是人工模拟还是间接观测法，都无法准确解释冠层截留的内在机理。

2.2 冠层截留模型的研究及应用

在近百年的时间里，由于林木冠层截留效应显著，各类模型的开发和应用研究多围绕林冠进行。当前我国对截留模型的研究逐渐成熟且成果丰富，大体可分为经验模型、半经验半理论模型和理论模型3种。经验模型一般适用于与研究条件相同或类似的状态；理论模型由于注重冠层截留机制推导而使模型参数较复杂，在冠层截留研究过程中应用较少；相比之下，半经验半理论模型由于参数少且具有相对明确的物理意义，在区域尺度上的林冠截留模拟过程中具有明显的优势。

2.2.1 经验模型

经验模型是在已有的统计资料的基础上通过对数据的分析模拟建立起来的统计或回归模型。在植被的冠层截留研究过程中所总结的经验模型大多以一元回归模型为主，概括的形式为

式中：I表示截留量；P表示降水量；f为截留量与降水量的函数关系。

对于经验模型的研究除基于实测数据所建立的截留率和降水量的一元回归模型外，崔启武等［16］在观测天然红松阔叶林截留过程中还建立了降水量与截留量、截留率的指数以及幂函数模型。曹群根［50］利用多因子逐步回归分析法研究毛竹林冠层截留，选用多种函数模型拟合截留量、截留率与降水量的关系，综合考虑林分叶面积、温度等多因子提出多元回归预测模型。

2.2.2 半经验半理论模型

在经验模型的基础上发展半经验半理论模型，建立相关截留经验参数可以较大程度地模拟单次降水量的植被冠层拦截状况［51］。由于我国对于模型的研究起步较晚，大多数的半经验半理论模型都集中于对国外模型（如Horton模型、Gash模型等）的改进，尤其体现在模型在区域研究中的参数校正。考虑到Horton模型只适用于单次降水量超过林冠最大吸附水量与冠层蒸发量之和的降水情况，无法模拟未达到林冠吸附水量饱和状态的降水事件，王彦辉等［10］在1998年结合我国的实际情况对Horton模型进行转换并确定了冠层截留过程中的几个参数，具体模型表述为

式中：Ic为冠层截留量；Icm为林冠最大吸附水量；P为降水量；α为经验参数，且受干燥程度和风速等影响较大，在不同地区取值范围不同，受林分特征影响极大，取值在0.99～2.90。

由于常规气象数据往往缺乏单次降水历时，并且树体表面的动态变化难以把控，王彦辉等［10］附加截留部分转换为降水量的比例进行计算。简化后的模型有助于利用经验数据对森林的截留过程进行模拟和评估。此后，王彦辉等又结合林冠郁闭度与冠层截留的关系，将模式再一次进行改进：

式中：T为单次降水历时；e为单位时间内蒸发量；ΔH为冠层厚度；A为林分郁闭度；ΔT为前后两次降水时间间隔；a、b、c、d为经验参数：其余符号含义同前。

此外，Gash模型也是我国冠层截留模拟与改进研究领域中最常用的基础冠层截留模型之一。Gash结合Horton模型的截留机制，在测定气象要素的基础上，将林冠对于降水的截留分为林冠加湿、林冠饱和和降水后林冠干燥3个过程，并且根据降水量与冠层最大吸附水量的关系把降水事件划分为能使林冠达到饱和吸附状态的降水和不能使林冠达到饱和吸附状态的降水，分别计算冠层截留吸附量和附加截留量［52］。许多学者应用Gash模型进行林分冠层研究，均获得了较好的模拟效果，但考虑到Gash模型的假定条件与实际情况有明显差异，高婵婵等［53］发现在不同时间尺度下利用Gash模型模拟的结果均比实际测定结果小，并指出提高模型精度的关键在于区分不同的降水事件。总的来说，Gash模型的逻辑分析较强，各部分的物理意义明确，能够解释多种降水状态下冠层截留组成，但其设计旨在计算特定降水事件截留量，无法准确反映截留过程。部分研究在利用Gash模型的同时对于模型参数进行了敏感性分析，分析结果显示，不同林分参数的敏感性均表现出明显差异［49］，这也是Gash模型在我国实际应用中需要改进的不足之一。

很多学者基于Gash模型在我国的适用性进行修正并应用于实际研究：王馨等［54］利用平均降水强度来判断林冠是否饱和，进而确定林冠最大吸附水量；武秀荣等［49］通过Leyton模型进行回归分析确定林冠的持水能力，由树干茎流与大气降水量的关系确定Gash模型输入参数，并在此基础上对于各个参数进行－50%～50%的敏感性分析；魏曦等［9］研究证实Gash模型在针叶林冠层研究中效果理想。

我国的半经验半理论模型仍以截留机制理论分析为基础，结合实测数据建立含有某些可求解的参数的经验公式而构建。该类模型可以根据不同植被类型进行归纳确定参数，计算相对容易，所以模型的应用较为广泛［55］，但模型中的参数依旧依靠经验数据而定，存在与经验模型相同的缺陷，并且对于附加截留蒸发评估的不确定性较大。

2.2.3 理论模型

当观测资料积累到一定程度后，在经验以及半经验半理论的模型的基础上建立理论模型逐渐成为冠层截留模型研究的主要方向之一。在理论模型研究中，我国学者提出的具有代表性的理论模型有Liu模型［55］、电路暂态模型［56］等。这类模型能够清晰地解释冠层截留、茎干流以及穿透降水3个过程，理论性极强，但模型的构建要求研究者熟练掌握各种数学方法，且具有较高的数学计算能力，这阻碍了理论模型的发展与应用。

表2 冠层截留模型对比Tab.2 Comparison of canopy interception model

3 全球环境变化背景下的植被冠层截留变化研究

在全球环境变化大背景下，不论是气候变化还是土地利用变化，均会直接或间接地对区域的冠层截留过程产生影响。

3.1 水分循环的变化深刻影响植被冠层的截留率

据IPCC第5次评估报告及相关研究［57］可知，中国的气候变暖趋势与全球保持一致，且由于强降水的增加以及小降水事件的减少，全球的降水强度呈现增加趋势［58-59］，我国过去几十年的降水强度也在显著增强［60-61］。降水的改变深刻影响着植被冠层的截留效率。此外，QU等［62］研究证实在不考虑植被的生理调控的情况下，冠层截留蒸发速率要高于传统意义上的蒸散发，其面对气温、空气湿度以及太阳辐射等气象环境因子的显著变化也会产生积极响应。吴艳宏等［63］、崔胜辉等［64］关注了环境因子相互作用的内在机制，其研究表明气温的升高将加速大气环流过程，大气环流变化将引起降水总量及其强度、频率的变化，以及空气湿度、风速以及太阳辐射强迫的变化，进而导致冠层截留受区域的气候的影响发生显著变化。

3.2 植被的物候效应可能改变植被拦截降水的能力

郑景云等［65］研究了近40年植物的物候响应发现气候变化对植被冠层截留的影响还体现在气温升高会导致植被春、秋季节变得活跃，加速并延长植被生长发育期［66］，进而增加植被覆盖面积或延长植被覆盖地表的时间［67-68］。植被叶面积与冠层截留水量密切相关，我国植被覆盖度的变化必定会影响区域的冠层截留效应［69］。气候也是决定植被类型分布的主要因素之一，朴世龙等［70］、刘国华等［71］研究发现未来气候变化将对森林、草地等生态系统造成温度及水分胁迫，强烈地改变生态系统的结构和物种组成，同时有可能改变我国植被的分布规律。不同植被类型对降水的拦截具有显著的差异性，生态系统中的植被结构越复杂拦截的降水量越大。植被类型、结构及其分布规律的变化也会导致冠层截留产生相应变化。赵茂盛等［72］分析了气候变化的环境影响，结果认为增温在一定程度上会加剧土壤干燥程度，从而抑制地表植被的生长，尤其体现在生态环境脆弱地区。

3.3 土地利用／覆盖变化（LUCC）直接影响冠层截留

土地利用／覆盖变化既受到全球变化的影响，又驱动着全球环境不断变化。为满足人口不断增长的需求，全球土地利用呈现由森林向农田转化的基本趋势［5，73］，邓慧平［44］研究发现植被的减少会降低蒸发和截留。尤其在青藏高原地区，不同的轮牧制度在改变地表覆盖的同时，也通过草本的截留变异改变土壤水的时空分布。范月君等［74］分别从轻度、中度、重度放牧强度研究了其对三江源地区植被冠层截留容量的影响，研究结果发现在不同放牧干扰强度下单位面积截留量呈现极大的差异，且不同草本类型的截留容量随放牧干扰强度呈增加或减少趋势。

此外，刘春蓁［3］指出LUCC除了直接改变地表下垫面覆盖以外，还通过影响区域大气成分改变局地区域的小气候，其中最直接的影响就是化石燃料燃烧、汽车尾气排放等增加了大气中气溶胶的浓度；城市热岛效应造成局部地区气温上升，增加区域蒸发量促使降水形成。城市化的建设还会加大地表板结程度，进而削弱地表辐射影响植被截留［75］。

4 讨论与展望

植被的冠层截留是陆地水循环的重要组成部分，其受到降水、植被和风速等多种因素的影响。我国学者针对不同植被类型选用人工模拟观测或水量平衡进行截留容量的测定，为大尺度冠层截留估算和观测截留模型的发展提供了重要基础。基于截留观测数据，我国在冠层截留模型方面也取得了较好的进展。目前我国自主构建的冠层截留模型以经验模型为主，半经验与半理论模型方面主要通过改进国外代表模型进行区域性参数校正。综合对我国在观测截留观测、模拟等方面研究进展的分析，有以下几点值得未来关注。

4.1 低矮草本植被冠层截留理应受到进一步关注

高寒地区草地退化往往容易造成草原水资源的污染［74］。就研究内容而言，当前冠层截留研究对草本、灌木及农作物关注度较低。加强对低矮草本植被的截留相应研究对干旱及高原地区的生态维护尤为重要［76］。除此之外，随着城市化进程的不断加快，绿色城市建设中的草坪用水、耗水是水资源管理的内容之一，草本植被作为绿色城市建设的重要组成部分［77］，其截留容量的变化具有极为重要的现实意义，理应受到热切关注。

4.2 植被冠层截留监测尺度和方法可以结合遥感技术进行深入研究

通过分析国内的冠层截留研究现状及发展动态可见，森林、草本、灌木以及作物往往根据植被特点选取人工模拟或间接观测2种方法进行点状空间尺度的研究，而在较大空间尺度的冠层拦截降水研究中，孙彩虹等［78］将冠层截留研究尺度扩展至流域，在此基础上将广东省划分成高、中、低截留区，有效呈现了广东省植被冠层截留的空间变化。林下植被结构及其差异性也是影响区域截留量的不确定性因素之一，在区域水源涵养研究选择观测点进行大尺度的截留模拟计算结果常与实际结果不符［48，79］。因此，对于复合植被类型的截留研究和模型建立同样需要开展大量工作。就冠层截留研究方法而言，很多学者［78，80］借助遥感技术观测所得的LAI、降水、蒸散发等多种高分辨率遥感数据进行截留水量计算。结合模型进行反演可以通过确定植被的生态参数提高测定精度，但相关遥感产品的开发和应用尚未完全成熟，还需进一步完善。

4.3 冠层截留模型与全球环境变化模型耦合可以增强模型的适用性

全球变化多项研究表明未来极端气候事件频率增加将会加速水文循环过程。冠层截留作为重要的水文环节也被纳入全球变化情景陆面模拟方案［81］。冠层截留对全球环境变化的响应及反馈不仅仅体现在全球陆面蒸散发及径流调节。已有研究证实不同的冠层截留方案的参数会改变全球陆气耦合模式的敏感性，且对气候的影响需要进一步探究［82］。考虑到目前关于全球环境变化的研究缺乏小尺度下的可靠数据和模型，全球气候模拟与LUCC模型尺度的不匹配会增加植被冠层截留区域性研究的难度［83］，这从侧面也反映出在全球环境变化的背景下结合不同区域的截留差异揭示植被冠层截留规律需要进一步扩大研究范围。