细尺度冠层架构与喀斯特植被降雨再分配：来自地面激光扫描的“捕获-汇流”再分配模式证据

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Fine-scale canopy architecture and rainfall partitioning in karst vegetation: Evidence for a capture-and-funnel redistribution pattern from terrestrial laser scanning

　　

本研究将地面激光扫描（Terrestrial Laser Scanning, TLS）与基于事件的三种树种（秋枫Bischofia javanica、洋紫荆Bauhinia variegata和落羽杉Taxodium distichum）生态水文监测相结合，以探究细尺度三维冠层结构如何影响降雨再分配。基于2025年1月至6月监测的30场降雨事件（总计710.8 mm），研究人员采用线性混合效应模型评估了冠层特征与事件尺度气象条件在调节穿透雨（throughfall）、树干流（stemflow）和冠层截留（interception）中的作用。研究揭示了降雨再分配的种间生态水文差异，表明冠层结构变异与事件尺度气象强迫共同塑造了喀斯特植被下的降雨再分配模式。研究人员观察到一种依赖于降雨强度的阈值式降雨再分配转变，提示冠层结构与降雨强度的联合效应。落羽杉表现出更为显著的"捕获-汇流"（Capture-and-Funnel）策略，其累积穿透雨较低（59.01%）而树干流集中度更高（7.21%），而阔叶树种则以穿透雨为主导，其中秋枫达到最高的累积穿透雨率（70.80%）。这些发现表明，更密集的冠层可能增强降雨缓冲与内部流动重组，对喀斯特生态恢复中的土壤保护、局部入渗以及物种评估具有启示意义。

全球气候变化正加剧极端降雨事件的频率与强度，对生态系统稳定性及区域水安全构成重大威胁。中国西南喀斯特地区森林冠层通过截留与再分配降水，在进入土壤-岩石系统前发挥关键水文调节功能，从而减轻强降雨对喀斯特土壤的侵蚀影响。该区域作为典型的脆弱关键带，具有土层浅薄、基岩裸露度高、对降雨扰动敏感等特征，加之基岩渗透性强、岩溶裂隙发育，降水可快速下渗补给深层地下水，使得冠层介导的降雨再分配尤为重要。然而，准确量化驱动降雨再分配的冠层结构参数长期面临挑战：传统人工测量与光学方法（如半球摄影或LAI-2200）耗时耗力、具有破坏性，且易受主观误差影响，难以捕捉树木复杂的三维架构及其与降雨的动态相互作用。激光雷达（Light Detection and Ranging, LiDAR）技术的出现革新了这一领域，其通过主动发射激光脉冲获取植被高分辨率三维点云数据，具备强大的穿透能力，可精确分析垂直结构并高精度提取单木参数。尽管TLS在提取树高、胸径等静态参数方面已趋成熟，但其将细尺度冠层架构与事件尺度降雨再分配相联系的潜力尚待充分挖掘：多数研究仍将冠层视为"黑箱"或静态截留体，忽视了亚米级结构变异如何在不同降雨强度下调节降雨再分配。为此，本研究旨在定量关联喀斯特关键带细尺度冠层架构与水文功能，为脆弱喀斯特景观的结构导向型冠层水文学分析及水资源管理提供依据。

研究于桂林市雁山生态研究站（25°01'N, 110°18'E）开展，该站位于世界自然遗产桂林喀斯特峰林平原，属中国西南喀斯特生态脆弱区，具有季节性水资源短缺与土壤侵蚀特征。区域年均气温18.3–19.5°C，年均降水量1800–2000 mm，约75%集中于4–8月。研究选取当地频度高、生态代表性强的秋枫、洋紫荆和落羽杉三种树种，每种选取3株成熟健康且空间隔离的个体（n=3），开展同步监测。降雨再分配监测包括：空地降雨强度（翻斗式雨量计）、林下穿透雨（聚乙烯桶收集）和树干流（胸高处螺旋固定纵向剖分聚乙烯管收集）。气象数据来源于桂林市气象局，包括风速（WS）、气温（T）、相对湿度（RH）、大气压（AP），并计算水汽压亏缺（VPD）和前期干旱期（ADP）。

TLS点云数据采用Leica RTC 360地面激光扫描仪获取，经Cyclone REGISTER 360 PLUS多站配准、迭代最近点（Iterative Closest Point, ICP）算法精化（全局配准误差0.001 m）后，通过布料模拟过滤（Cloth Simulation Filtering, CSF）算法分离地面与非地面点，结合欧氏聚类与人工精细化进行单木分割，最终提取树高（TH）、胸径（DBH）、最大/最小冠幅（CW_MAX/CW_MIN）、叶面积指数（LAI）、冠层表面坡度系数（CS）、冠层投影面积（CA）和冠层周长（CP）等8项关键结构参数。统计分析采用线性混合效应模型，以树种、降雨强度（I₃₀，最大30分钟降雨强度）及其交互作用为固定效应，以树ID和事件ID为随机截距，并通过AIC、BIC等指标比较模型结构。

**降雨特征与点云信息**

2025年1–6月共记录30场降雨事件，总降雨量710.8 mm，其中大于15 mm的事件占53.3%但贡献85.3%的降水量，超过半数事件属于高强度降雨（I_mean>3 mm·h^-1）。TLS衍生结构参数显示，秋枫具有较大的DBH、CA和CP，落羽杉冠幅尺寸较小但LAI最高，洋紫荆多数性状居中。单因素方差分析表明，种间差异主要体现在冠层相关性状和LAI上（CA、CW_MAX/MIN、CP、LAI均显著），而TH、DBH和CS无显著种间差异。

**降雨再分配对降雨特征的响应**

降雨再分配呈现显著种间差异：秋枫累积穿透雨率最高（70.80%），落羽杉最低（59.01%）但树干流率最高（7.21%），洋紫荆居中。穿透雨量和树干流量均随降雨量增加而显著增加，接近线性关系；但基于比例变量的响应呈非线性——穿透雨率在低降雨量时快速上升后趋于平缓，树干流率亦随降雨量增加而渐趋稳定。截留量随降雨量增加而增加，但截留率迅速下降后趋于稳定，落羽杉在更宽的降雨量范围内维持相对较高的截留率。

按I₃₀三分位分组比较显示，穿透雨率和树干流率均随降雨强度增加而增加，但种间差异在树干流率上更为突出。落羽杉在高I₃₀条件下表现出最显著的树干流上升趋势，而秋枫和洋紫荆维持相对较高的穿透雨比例。

**气象强迫与冠层结构的联合作用**

探索性分析表明，I₃₀与三项降雨再分配指标均存在清晰关联，VPD作为大气干燥需求的综合指标被保留为代表性大气协变量，而ADP直接相关性较弱。混合效应模型比较显示，I₃₀对所有响应变量均显著，树种×I₃₀交互作用对三项指标均显著；VPD对树干流率和截留率显著但对穿透雨率不显著。加入VPD的模型较基线模型拟合改善，但进一步加入ADP提升有限，表明最简约的气象模型结构应包含树种、I₃₀、VPD及树种×I₃₀交互作用。

在代表结构性状中，LAI提供了更一致的信息性信号：较高LAI与更大树干流率、更低穿透雨率相关，且与I₃₀的交互作用在三项响应变量上均显著，表明冠层密度调节了降雨强度向再分配路径的转化方式。CA对树干流率有贡献，但对穿透雨率和截留率效果较弱且不一致。

预测图显示了不同LAI水平下I₃₀梯度的响应模式：树干流率随降雨强度增加而增加，高LAI条件下预测值始终最高，且高强度端分离更宽；穿透雨率则呈相反模式，低LAI条件下最高，且高强度端LAI的抑制效应更明显。这表明LAI不仅改变了再分配的平均水平，还调节了降雨强度向树干流和穿透雨的转化方式——高密度冠层下，降雨强度增加伴随更强的树干流增强和穿透雨削弱。

**讨论**

种间水文功能分化：喀斯特植被树种可能作为不同的水文功能类型而非简单截留系统的结构变体。秋枫和洋紫荆更倾向于穿透雨主导模式，落羽杉则表现更显著的"捕获-汇流"功能模式。这种差异与冠层组织方式而非基本异速生长大小更密切相关，支持降雨再分配依赖于冠层如何截留、保持和引导水分而非仅取决于冠层大小的观点。

事件尺度气象强迫：I₃₀作为关键事件尺度预测因子，其效应因种而异，表明短历时降雨强度在冠层再分配中的核心作用。高降雨强度可迅速超过局部冠层储水容量，加速冠层表面水滴聚并，强化沿枝干的水力连通性。VPD对树干流率和截留率有额外解释力，但效应具有路径特异性；ADP贡献有限，提示在降雨强迫和大气需求已纳入时，前期湿润条件的附加信息较少。

冠层参数的多维关联：多个冠层维度与降雨再分配相关，但LAI给出了更清晰的结构信号。较高LAI增加截留表面、临时储水量及内部流动重组的可能性，其交互效应表明冠层密度不仅改变再分配平均水平，还调节降雨强度效应的表达方式。CA对树干流贡献相对更清晰，但对穿透雨和截留的解释力较弱，表明单纯冠层范围不足以产生一致稳定的再分配响应。

冠层密度调节机制：冠层密度与降雨强度的交互作用在喀斯特环境中尤为关键——更偏穿透雨的路径促进土壤表面扩散湿润，更强的树干流倾向则集中水分于树干基部，可能增强裂隙基质的优先入渗。这种空间输水模式可能与总再分配水量同等重要。

生态恢复意义：不同物种提供不同水文功能而非单一最优策略。具有更密集冠层和更强树干流倾向的物种可能更有利于降雨缓冲和局部入渗，而更穿透雨主导的物种则贡献更广范围的地表湿润。需注意落羽杉为中国非本地种，其水文表现应作为比较生态水文证据而非直接的修复种植建议。

**研究结论**

本研究结合地面激光扫描与事件尺度水文监测，揭示了喀斯特植被系统中细尺度冠层结构对降雨再分配的影响。基于2025年1–6月30场降雨事件的监测，秋枫、洋紫荆和落羽杉之间呈现清晰的种间降雨再分配差异：两种阔叶树种通常更偏穿透雨主导，而落羽杉表现出更低的累积穿透雨和更高的树干流集中度，指示更显著的"捕获-汇流"再分配模式。

混合效应分析进一步表明，降雨再分配受事件尺度气象强迫与冠层结构变异的共同调控。在测试的气象变量中，I₃₀ emerge为关键事件尺度预测因子，VPD为树干流率和截留率提供额外解释力，而ADP在I₃₀和VPD已纳入时贡献甚微。在代表性结构变量中，LAI提供了更清晰一致的结构信号——较高LAI与更大树干流率、更低穿透雨率及更强的降雨强度响应调制相关，而CA贡献更具选择性且不一致。

总体而言，这些发现表明喀斯特植被冠层作为降雨再分配的主动调节者而非静态背景。冠层密度与降雨强迫的交互作用影响了降雨是更扩散地以穿透雨形式还是更集中地以树干流形式传输，对喀斯特环境中的土壤保护和局部入渗具有潜在意义。尽管监测期未覆盖完整年度周期且未直接量化地下水补给过程，本研究结果为理解物种特征、冠层密度和降雨强迫如何共同塑造喀斯特景观降雨再分配提供了有益基础。未来研究应扩展至完整季节周期，并进一步将地上部降雨再分配与地下水再分配及补给过程相联系。