热带典型森林生态系统穿透雨时空特征

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人工经济林替代天然林是热带地区主要的土地利用变化类型,为了探讨土地利用变化对穿透雨的影响,本研究在海南岛选取橡胶林、槟榔林、次生热带低地雨林和原始热带山地雨林四种典型森林生态系统为对象,比较研究了40次降雨事件中不同生态系统植株冠幅穿透雨时空特征及影响因素。结果表明:  由于雨季降雨量大于旱季,四种森林生态系统穿透雨雨季多于旱季;但由于旱季低温高湿的天气条件,穿透雨率雨季小于旱季,甚至在雾气浓厚的天气,发生冠层“雾水截留”现象,造成穿透雨率>100%;原始热带山地雨林穿透雨雨季和旱季间的差异时最小,穿透雨和穿透雨率的时间变异性最小(CV=50.0%),次生热带低地雨林穿透雨随时间的波动最大(CV=152.9%);槟榔林穿透雨空间变异性在雨季和旱季间的差别最大,空间变异系数在雨季(64.3%)<旱季(82.2%),这与旱季的降雨特征有关。  四种森林生态系统植物个体冠幅内穿透雨率差异显著(P<0.01),其大小依次为橡胶林(90.0%)>槟榔林(80.7%)>次生热带低地雨林(71.9%)>原始热带山地雨林(65.1%),冠层厚度是次生热带低地雨林和橡胶林穿透雨的主要因素,均与穿透雨率呈显著负相关关系(P<0.05),增加橡胶林林下植被对穿透雨的截留具有重要意义;在四种林型不同植物的冠幅内部,仅槟榔林冠幅内穿透雨率树干旁边显著高于冠幅中央和边缘,冠幅内部叶面积指数和叶片角度是影响槟榔林穿透雨空间异质性的主要因素(P<0.05);橡胶林的冠层厚度和次生热带低地雨林的叶片角度也对穿透雨率产生显著影响(P<0.05)。  冠层结构和降雨特征共同决定了穿透雨的空间特征。随降雨量的增加,四种森林类型穿透雨线性增加,穿透雨空间变异程度呈指数型降低;冠层结构在小雨条件下控制穿透雨的空间格局,冠层厚度决定了小雨条件下橡胶林穿透雨的空间特性(P<0.05),平均叶片倾斜角度控制了槟榔林和原始热带山地雨林中小型降雨条件下的空间特性(P<0.05);大雨条件下,冠层结构失去了对穿透雨的控制,气象特征影响穿透雨的分配比例。  四种森林生态系统中,次生热带低地雨林穿透雨时间稳定性最好(40.7%),橡胶林穿透雨时间稳定性最差(12.0%)。橡胶林树干东侧、北侧以及树干旁边、冠幅中央容易出现稳定的“滴水点”;槟榔林冠幅中央表现为对穿透雨极端稳定的“屏蔽效应”(86.7%),树干旁和冠幅边缘容易表现出对穿透雨的“滴水效应”。冠层结构和降雨量对穿透雨空间格局的时间稳定性具有重要影响,平均叶片倾斜角度对橡胶林、槟榔林和原始热带山地雨林穿透雨时间稳定性影响最大(P<0.05),而叶面积指数对次生热带低地雨林和橡胶林穿透雨的时间稳定性影响最大(P<0.05);随着降雨量的增加,橡胶林和次生热带低地雨林穿透雨的时间稳定性随降雨量的增加而逐渐降低,而槟榔林穿透雨的时间稳定性在中等降雨量条件下的最差,原始热带山地雨林穿透雨的时间稳定性随降雨量变化并不大,穿透雨时空格局最稳定。  上述结果阐明了原始热带山地雨林、次生热带低地雨林转换为人工林后,穿透雨及其时空分布的差异,发现人工林林下穿透雨多于天然林,人工林穿透雨时空变异性较大,这不利于发挥稳定的水文功能,增加水土流失风险。但通过配置合理的冠层结构,加强林下植被的保护,可提高人工林水土保持功能。本研究揭示了热带典型生态系统穿透雨时空特征及影响因素,也可为评估热带地区土地利用变化的生态水文效应提供参数。
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