林冠层是降水进入森林的首要活动层，是降水输入生态系统后水分再分配的起点，在森林生态系统水文循环与水量平衡中发挥着重要作用[1-3]。穿透雨由直接通过林冠间隙直达林地的降水和雨滴打击林冠表明滴落以及被叶片和枝条截留后滴落的降水两部分组成，只有这部分林内有效降雨才能参与径流的形成，直接影响着林地土壤水分变化。受冠层厚度、枝条的角度等冠层结构的影响，穿透雨的空间异质性差异显著[4-6]。如Sinun[7]在热带雨林的穿透雨研究表明，22个观测点测定值占降雨量的比例为60%，101个观测点测定值比降雨量高10%；Lloyd[8]研究发现约1/3的观测点测定的穿透雨高于林外降水。目前的研究主要集中在样地尺度上[9-11]，对单株树木冠层对降雨的再分配作用研究相对薄弱，但单株尺度上研究树冠结构对穿透雨的影响，可加深对树冠影响水量转化的生态学机制认识，有利于穿透雨的准确估测和尺度外推，为尺度转换提供基础。

基于以上分析,本文提出了一种将超低压降有源整流与自适应P-SSHI结构相结合的高效压电能量俘获电路,如图4所示。有源整流电路中,上半桥采用交叉耦合的PMOS管结构,而下半桥采用比较器和NMOS管构成的有源整流二极管结构,以降低整流管的导通压降VD。其中,比较器CMP1(CMP2)除了控制MN1(MN2)的导通和截止,还为整流电路提供零电流检测信号,控制同步开关的闭合,省却了额外的检测电路。此外,所提电路通过L-C谐振回路中的零电流检测信号控制同步开关断开,而非采用传统的固定延时控制[11,12],能更好地跟随T/2,减小时间差Δt,实现电路的实时检测和自适应同步开关控制。

内蒙古大青山位于我国半干旱地区向干旱区的过渡带上，生态环境脆弱，是我国生态植被恢复的关键地带。由于长期以来对森林植被的破坏，该区水土流失严重，水资源缺乏，恢复森林植被对保持水土、涵养水源等具有重要意义。华北落叶松(Larix principis-rupprechtii) 是内蒙古大青山主要造林树种之一，已经对当地的生态环境改善和旅游景观起着重要的作用。本文以内蒙古大青山五道沟林场的华北落叶松为基本研究对象，分析生长季穿透雨在单株树冠下的空间分异规律，深化认识森林冠层结构特征与穿透雨的关系，也为森林生态水文模型的参数化提供基础资料。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古大青山中部的武川县五道沟林场，介于40°37′41″～40°57′30″N， 110°45′52″～111°32′12″E。属于内蒙古东部森林草原及草原植被气候区，处在由半湿润区向半干旱、干旱区的过渡地带。根据武川县1975-2015年的气象数据统计，年平均气温1.84℃，年均降水量548.86 mm，空气湿润54.21%，年日照时间2 942.7 h。主要乔木林型有白桦(Betula platyphylla)次生林及华北落叶松人工林、油松(Pinus tabulaeformis)人工林等；灌丛有虎榛子(Ostyopsis davidiana)、三裂绣线菊(Spiraea trilobata)灌丛；草本有早熟禾(Poa pratensis)、苔草(Cyperaceae carex)、克氏针茅(Stipa krylovii)、百里香(Thymus serpyllum)、羊草(Leymus chinensis) 等草原植被。土壤主要是棕壤土、褐土。

2 研究方法

2.1 实验布设及观测

在试验地内选择1株优势度和生长情况属于中等偏上的样树，其冠形为锥形，其中样树胸径19.56 cm，树高12.3 m，枝下高为7.9 m，平均冠幅半径为2.11 m，与周围样树相邻但基本无重叠。

表1中列出了2016年生长季内样树下距树干50 cm、100 cm、150 cm和200 cm处雨量筒22场降雨的平均穿透雨。离样树树干不同距离的平均穿透雨量的空间变化为先减小再增大。此外，样树在距树干100 cm和150 cm处测得的穿透降雨量平均值与整个树冠下的穿透降雨量平均值最接近，样树平均冠幅半径均在200 cm左右，这说明在1/2～1/3冠幅半径处布设雨量筒测得树冠下的穿透雨量更准确。另外，某些降雨场次的林冠下穿透雨量超出了林外水量，如9月3日林外雨量是12.4 mm，而样树的平均穿透雨量都是12.5 mm；原因可能是与华北落叶松的树冠形状是锥形有关，树冠中心的枝叶密集、树冠厚度较大，雨水容易汇集向树冠的外缘方向，这种冠型在降雨时使林冠的某些部位出现了穿透降雨汇集的“漏斗效应”；也与次降雨的风向、风力等影响穿透雨空间均匀的因素有关。另外，由于冠层的结构性作用，穿透降雨在不同方向上的空间异质性不同，但难以明显看出不同方向的空间异质性规律。

  

图1 单株林冠截持样树冠层下的雨量筒位置示意图Fig. 1 Schematic map of rain gauges under the canopy in sampling plot

2.2 数据分析

式中：y(h)为半方差函数值；Z(xi)为代表样点Z在xi处的穿透降雨率；Z(xi+h)为代表样点Z在xi相隔h处的穿透降雨率；N(h)为距离等于h时的穿透雨观测点对的树木；h为样本间距(又称位差lag)。

 

先利用SPSS 19.0进行单样本的Kolomogorov-Smironoy (K-S)正态分布检验，后利用地统计学软件包GS+9.0 for windows进行半方差分析，本文主要用基台值(C0 +C)和空间异质比值C0/(C0 +C)分析单株冠层下穿透雨随着降雨量的变化。用于半方差y(h)分析的公式为：

或许，还因为我迷恋旧时的四合院，恨不得穿越时空，住在那专为女儿设置的西厢房里，白天吟诗作画，抚琴习字，晚上倚着西窗，对月痴想。又或者做一回古代女子那具有同情心的父母，睁一只眼闭一只眼，宽容那多情的男女，即便相思哀怨终不成眷，有“西窗”也总比没“西窗”好。

单样本的K-S检验显示，单株华北落叶松冠层下穿透雨符合正态分布。图3是穿透雨率的基台值(C0+C)和空间异质比值C0/(C0+C)随着降雨量的变化。由图3可知：随着降雨量的增大，C0+C呈幂函数减小，而C0/(C0+C)呈单调线性增加。可见，降雨量增大使得降雨穿透在空间上趋向于均匀化；降雨量较小时，结构性的空间因素是引起穿透降雨率的空间异质性主要原因，与树冠结构有关；但降雨量较大时，穿透降雨的空间异质性却由随机因素起主要作用。

3 结果与分析

3.1 降雨特征

表1中列出了本研究应用的2016年生长季22场降雨的基本特征，其中既有历时较短的对流雨，也有历时长、雨量大的暴雨。次降雨量的变化范围为：1.4～57.4 mm，平均为16.6 mm；就降雨量的季节变化而言，7月份的降水量最大(138.6 mm)，6月份降雨量次之(85.8 mm)，8、9月份的降水强度相对较小，分别为70.8 mm和76.8 mm。

3.2 单株华北落叶松穿透雨

以样树为中心，在东西南北等4个方向在林冠下机械布设内径为20 cm的雨量筒，每个方向上分别布设4个，在其树冠下分别以树干为中心、以距树干50 cm、100 cm、150 cm、200 cm在8个方位上布设集雨器(见图1)；在东北、西北、东南和西南等方向布设自制简易雨量筒，布设方法同上。每次降雨后及时分别测定各个雨量筒内的穿透降雨。林外降雨数据通过林外自动气象站获得，设定读数时间间隔为30 min。本研究的数据是基于2016年6～9月22场降雨后观测。

图2是基于22场降雨样树观测值计算的林冠平均穿透雨与离开树干距离的关系图，可以看出林冠平均穿透雨随离开树干距离的增加而不断增大，这是由于华北落叶松的锥形树冠结构使距离树干中心越近，叶面积增大得越明显，而穿透降雨量则呈现明显下降的趋势，尤其在林外降雨量较小的情况下，树干中心的穿透降雨量几乎为零；由于一些枝条下垂，使得树冠具有向树冠外缘汇集降雨的作用。

 

表1 华北落叶松穿透雨在树冠下不同位置的分布及林外降雨情况Tab.1 Distribution of throughfall at different positions under the canopy of L. principis-rupprechtii and the precipitation outside of forest

  

日期/月．日林外降雨/mm离树干不同距离的穿透雨/mm50cm100cm150cm200cm6．2～6．322．818．019．419．620．56．61．40．30．51．10．86．912．89．39．910．811．76．12～6．1527．017．920．321．521．36．20～6．214．21．82．12．12．56．26～6．2917．612．713．312．414．17．1121．218．318．519．420．97．13～7．1957．441．247．049．254．37．23～7．2533．421．422．526．727．77．27～7．2821．217．919．419．220．67．305．43．03．12．73．28．6～8．1311．48．48．19．09．78．17～8．1855．242．054．451．757．88．23～8．241．60．30．51．01．18．302．61．61．82．01．99．312．411．812．114．012．29．6～9．715．29．49．910．610．69．113．82．12．12．12．19．13～9．144．43．33．53．63．69．16～9．172．00．00．61．11．49．20～9．2325．821．521．822．924．09．25～9．266．22．12．13．44．7

把酒临风：在新的一年来，我认为中国经济领域最迫切的改革是摆正政府和市场的关系，将来恐怕首先要解决这个问题。市场要在资源配置中起决定性作用，当然不是说政府不能参与，有些事情是需要政府来做的，但是要做好政府和市场之间的分工，哪些事情市场能做，政府就不要和市场来抢，市场做不了的事情，政府要承担主要责任，这恐怕是未来要继续解决的问题。另外，财税体制改革在某种程度上减轻了企业负担，但还有很大的潜力来继续推动减负。政府要把减人减支与减税同步进行。

  

图2 单株华北落叶松林下距树干不同距离处的平均穿透雨的变化Fig.2 Change of average throughfall at different distances from the stems of single L. principis-rupprechtii

3.3 穿透降雨率空间异质性分析

半方差函数有3个重要特征值：块金值C0、基台值C+C0和变程[12-15]。块金值C0为当h=0时的半方差函数y(h)值，它表示的是当区域化变量在小于抽样尺度时呈非连续的变异，由区域化变量的属性或测定误差决定[15]。基台值为当半方差函数y(h)值随着间隔距离h的增大，从非零值达到一个相对稳定的常数，该常数称为基台值，是系统属性中的最大变异；基台值越小表示总的空间异质性程度越低，反之越高。当半方差函数y(h)达到基台值时的间隔距离称为变程，它表示当h≥a之后，Z(xi)空间相关性消失[15]。块金方差与基台值的比值反映的是空间异质性中随机部分的重要程度。

 

  

图3 穿透降雨率的基台值和空间异质比随降雨量的变化Fig.3 Change of (C+C0) and C0/(C0+C) of throughfall ratio with the precipitation

4 结论

利用统计学与地统计学方法研究了华北落叶松树冠的穿透降雨的空间分布，结果表明：

(1) 在树冠下的穿透降雨的空间分布上存在最小中心区和穿透降雨汇集的“漏斗区”，这与华北落叶松的冠形结构有关，锥形树冠的中心区冠层厚度大、枝叶密集、具有向树冠外缘汇集降雨的作用。

工匠精神是对心中目标的不懈追求，目标是方向，是动力。因为有目标才能不断努力，锲而不舍。因为有目标才知道未来的路如何走，才不至于迷茫。所以，目标是工匠精神之魂。现代科技发展日新月异，学生所学专业也在不断进步。培养新时代的工匠，教师要引导学生认清专业发展方向，让专业与现代科技相结合，在学习专业的同时要把握好专业的发展方向，为学生树立专业发展的目标。

(2) 穿透降雨率的半方差函数分析表明，冠下穿透降雨的空间异质性随降雨量增大而减弱，趋向于空间均匀化，即随机因素对穿透雨的影响随着降雨量增大而越来越重要，而冠层结构对穿透雨产生的结构性影响变小。同时由于冠层的结构性作用，穿透降雨在不同方向上的空间异质性不同，但由于受多因素影响，难以明显看出不同方向的空间异质性规律。

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