水源涵養功能是森林生態系統服務的核心之一，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）可減少林內降雨量（10~50%），進而調節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功能的發揮。林冠結構直接決定林冠截留能力，因此，有效的林冠結構參數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、植被面積指數、樹高、胸徑等結構參數量化能力有限，難以滿足森林管理與生態水文模型的精度需求。地基激光雷達（terrestrial laser scanning，TLS）在森林結構參數獲取中具有無可比擬的優勢，在量化林冠截留的研究中具有很大潛力。
中國科學院沈陽應用生態研究所次生林生態與經營組針對林冠截留的生態水文學過程，提出量化林冠截留的新結構參數——林冠持水指數（canopy interception index，CII）。為驗證CII的可行性，以中國科學院清原森林生態系統觀測研究站的次生林生態系統為研究對象，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掃描儀獲取點云數據；在預處理的基礎上，進行枝葉分離、枝干重建和參數提取等，獲取葉片、枝條和樹干的表面積，并結合不同組分的持水能力，計算CII（圖2），并驗證其適用性。結果表明，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，可以解釋RI變異的58%~63%（圖3）；RI與CII的相關性均明顯高于與其它結構參數，具有很強的林冠截留預測能力。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、修枝等結構調控手段提供依據。
上述研究成果依托“次生林生態系統塔群LiDAR監測平臺”（中國科學院野外站網絡重點科技基礎設施建設項目）完成，以“Terrestrial laser scanning-derived canopy interception index for predicting rainfall interception”為題發表在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略先導專項、國家自然科學基金項目和中科院前沿科學重點研究項目的資助。
圖1 a：研究區和樣地設置；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）
