水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的核心之一，受控于林冠層、枯落物層和土壤層。林冠層作為水源涵養(yǎng)功能的第一個層次，將降雨再分配為林冠截留、穿透雨和樹干莖流；其中，林冠截留（rainfall interception，RI）可減少林內(nèi)降雨量（10~50%），進(jìn)而調(diào)節(jié)降雨在枯落物層和土壤層的滯留和存蓄，減輕土壤侵蝕、延遲洪峰，顯著影響森林水源涵養(yǎng)功能的發(fā)揮。林冠結(jié)構(gòu)直接決定林冠截留能力，因此，有效的林冠結(jié)構(gòu)參數(shù)對于定量描述林冠截留具有重要意義。然而，以往采用的葉面積指數(shù)、植被面積指數(shù)、樹高、胸徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)量化能力有限，難以滿足森林管理與生態(tài)水文模型的精度需求。地基激光雷達(dá)（terrestrial laser scanning，TLS）在森林結(jié)構(gòu)參數(shù)獲取中具有無可比擬的優(yōu)勢，在量化林冠截留的研究中具有很大潛力。
中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所次生林生態(tài)與經(jīng)營組針對林冠截留的生態(tài)水文學(xué)過程，提出量化林冠截留的新結(jié)構(gòu)參數(shù)——林冠持水指數(shù)（canopy interception index，CII）。為驗證CII的可行性，以中國科學(xué)院清原森林生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站的次生林生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，選取紅松人工林、落葉松人工林、次生闊葉混交林、次生蒙古櫟林4種森林類型（圖1），利用TLS掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)；在預(yù)處理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行枝葉分離、枝干重建和參數(shù)提取等，獲取葉片、枝條和樹干的表面積，并結(jié)合不同組分的持水能力，計算CII（圖2），并驗證其適用性。結(jié)果表明，4種林型樣方水平的CII取值范圍為3.3~21.0，針葉林CII顯著高于闊葉林；CII與RI顯著正相關(guān)，可以解釋RI變異的58%~63%（圖3）；RI與CII的相關(guān)性均明顯高于與其它結(jié)構(gòu)參數(shù)，具有很強的林冠截留預(yù)測能力。CII可用于提高冠層截留模型的模擬精度，同時為樹種選擇、撫育間伐、修枝等結(jié)構(gòu)調(diào)控手段提供依據(jù)。
上述研究成果依托“次生林生態(tài)系統(tǒng)塔群LiDAR監(jiān)測平臺”（中國科學(xué)院野外站網(wǎng)絡(luò)重點科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目）完成，以“Terrestrial laser scanning-derived canopy interception index for predicting rainfall interception”為題發(fā)表在Ecohydrology上。博士研究生于躍、副研究員高添為共同第一作者，朱教君研究員為通訊作者，該研究得到了中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項、國家自然科學(xué)基金項目和中科院前沿科學(xué)重點研究項目的資助。
圖1 a：研究區(qū)和樣地設(shè)置；b：樣地的TLS點云；c：穿透雨收集裝置
圖2 枝葉分離前后的TLS點云。a：生長期點云；b：落葉期點云；c：葉片點云；d：枝條點云；e：樹干點云
圖3 4種林型的RI與CII的關(guān)系。a：KPF（紅松人工林）；b：LPF（落葉松人工林）；c：MBF（次生闊葉混交林）；d：MOF（次生蒙古櫟林）
