田 娜,古君龍,楊新國,王 磊,楊東東,苗 翻,孟 明

寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國家重點實驗室培育基地/西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點實驗室, 銀川 750021

冠層截留作為水文循環(huán)過程中的重要環(huán)節(jié),對土壤水分分布、地表徑流產(chǎn)生、河川徑流調(diào)節(jié)等影響重大[1- 3]。在干旱半干旱區(qū),降雨是植被恢復(fù)與重建的關(guān)鍵限制因素,其對土壤水分的有效補給決定了植被恢復(fù)的可持續(xù)性[4- 6]。而冠層截留會影響到達地面的土壤水分含量,從而影響植物生長[7]。研究灌叢冠層截留特征,對于理解荒漠草原區(qū)灌木的生態(tài)水文機理具有重要意義,因此對灌叢冠層截留的研究一直是生態(tài)水文研究領(lǐng)域的熱點問題[8- 9]。

冠層截留常受降雨特征、植被特征以及氣象因素等多種因素的綜合影響。降雨特征主要包括降雨量、降雨強度、持續(xù)時間、降雨間隔等[10- 11]；植被特征主要包括冠層結(jié)構(gòu)、高度、分枝角度、葉面積等[12- 15]；氣象因素主要包括風(fēng)速、溫度、濕度等[16- 17]?；诠趯咏亓舻膹?fù)雜性,國內(nèi)外學(xué)者都對其進行了大量的研究。目前,關(guān)于植被冠層截留特征的研究多集中在溫帶森林[18-19]和熱帶雨林[20- 22],而針對干旱半干旱區(qū)降雨截留的研究較少。Llorens和Domingo[23]對過去30年來歐洲地中海地區(qū)降雨截留的試驗研究進行了詳盡的回顧,共包括83個地點的29種不同物種,而灌叢僅占11%。近些年,國內(nèi)學(xué)者關(guān)于干旱半干旱區(qū)灌木冠層截留的研究也逐漸豐富[24- 27],但針對衰退人工灌叢的研究仍較為少見。

中間錦雞兒(Caraganaintermedia)為豆科錦雞兒屬旱生灌木,耐貧瘠,抗干旱,是荒漠草原地帶的優(yōu)良固沙植物和荒山綠化植物[28-29]。但是隨著林齡和覆蓋度的逐年增加,諸如土壤旱化與灌叢退化等問題開始涌現(xiàn)[30- 32]。地下水埋藏太深與降雨制約是干旱半干旱區(qū)灌叢衰退的主要原因[33],然而關(guān)于荒漠草原衰退人工灌叢中間錦雞兒(C.intermedia)冠層截留研究較少。中間錦雞兒對降雨的截留作用如何？截留量與截留率有何變化？不同雨量級下截留對降雨量的響應(yīng)規(guī)律如何？截留隨降雨特征如何變化？以上問題是理解中間錦雞兒對降雨有效利用的關(guān)鍵所在,是研究中間錦雞兒衰退的水文機理的基礎(chǔ)。

據(jù)此,本研究選取荒漠草原帶狀人工中間錦雞兒林的典型灌叢為研究對象(人工組),以臨近的自然散生中間錦雞兒灌叢為對照(自然組),研究不同降雨事件下中間錦雞兒冠層截留與降雨特征值的關(guān)系,分析截留量與截留率的變化、不同雨量級下截留對降雨量的響應(yīng)、截留變化特征等內(nèi)容,以此闡明人工中間錦雞兒的冠層截留特征。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)植被類型包括灌叢、草原、草甸、沙生植被和荒漠植被等,以灌叢、草原和沙生植被廣泛分布為主[34],其中灌叢主要為自然或人工中間錦雞兒。人工林配置方式為兩行一帶,帶距6—8 m,株行距均為1 m。在人工林邊緣多見自然散生中間錦雞兒的出現(xiàn)。

2 研究方法

試驗于2016年8—10月和2017年7—8月進行。通過穿透雨和樹干徑流的測量,基于水量平衡公式,換算截留量。

2.1 試驗灌叢的選取和試驗裝置的布設(shè)

研究區(qū)存在兩類中間錦雞兒林,一類是人工種植的帶狀行生林,另一類是自然散生林,二者灌叢形態(tài)存在明顯差別。灌叢相對矮小的人工中間錦雞兒集中出現(xiàn)在行生林(人工組),而外貌形態(tài)發(fā)育正常,植叢生長較健壯的中間錦雞兒多出現(xiàn)在散生林(自然組)。據(jù)此,分別隨機選擇散生林和行生林片區(qū)的6叢具有形態(tài)代表性的中間錦雞兒作為自然組和人工組的試驗樣本。不同灌叢形態(tài)結(jié)構(gòu)基本信息見表1。

表1 不同灌叢形態(tài)結(jié)構(gòu)基本信息

穿透雨收集裝置：自然組和人工組中間錦雞兒穿透雨量均采用直徑為13 cm、外緣高2 cm的聚乙烯漏斗和外緣高2 cm的聚乙烯瓶收集。將聚乙烯漏斗按照0°、90°、180°、270°輻射方向(即正北、正東、正南、正西4個方向)放置在以灌木基部為圓心的半徑上。因人工組和自然組中間錦雞兒冠幅大小不同,二者收集裝置數(shù)量存在差異。自然組中間錦雞兒每個方向上由內(nèi)到外放置3個漏斗,距灌叢中心的距離分別為40 cm,80 cm和120 cm,人工組中間錦雞兒每個方向上由內(nèi)到外放置2個漏斗,距灌叢中心的距離分別為40 cm和80 cm。自然組和人工組中間錦雞兒最外層穿透雨收集裝置均為大氣降雨收集裝置。

樹干徑流收集裝置：本實驗采用自制的導(dǎo)流水槽裝置測定灌叢樹干徑流(裝置高約5 cm)。用細(xì)砂紙打磨距離地面約8 cm處的樹干基部,使得樹干表面變得光滑,并用鋁箔膠帶將其完全環(huán)繞,確保樹干與膠帶間密封無縫隙。將類似“煙斗”的環(huán)形導(dǎo)流水槽與直徑約1 cm的軟吸管一端連接用于導(dǎo)水,另一端伸入聚乙烯瓶用于盛裝徑流。

2.2 大氣降雨的測量

降雨量由安置在研究區(qū)內(nèi)的自動氣象站采集裝置實時監(jiān)測,降雨事件記錄時間間隔為1 h。以次降雨為測量基準(zhǔn),即從降雨開始到降雨結(jié)束為一次降雨事件。若雨歇時間不足4 h,仍將其視為一次降雨。

2.3 穿透雨和樹干徑流的測量

穿透雨和樹干徑流的測量儀器均采用實驗用標(biāo)準(zhǔn)量筒(規(guī)格：1000 mL,最小分度值5 mL；規(guī)格：10 mL,最小分度值0.1 mL)。每次降雨后,分別量取各自收集裝置收集的穿透雨和樹干徑流體積即可。

本實驗建立了濃硫酸凈化的前處理方法，在乳制品六六六、滴滴涕，七氯，艾氏劑和指示性多氯聯(lián)苯的檢測中取得較好的凈化效果，并且結(jié)合氣相色譜法實現(xiàn)對乳制品中六六六、滴滴涕，七氯，艾氏劑和指示性多氯聯(lián)苯的同時定量分析，適用于乳制品中六六六、滴滴涕，七氯，艾氏劑和指示性多氯聯(lián)苯的快速檢測。

2.4 穿透雨量、樹干徑流量和冠層截留量的計算

(1)穿透雨量計算方法：用所測穿透雨量除以容器接受降雨的面積,將每株灌叢下承接的雨量加權(quán)平均,即為該次降雨下灌叢冠層的穿透雨量[35]。

(2)樹干徑流量計算方法：用樹干徑流量體積除以灌木投影面積,即可求得樹干徑流量[36]。

(1)

式中,SF為樹干徑流量(mm)；n為枝干個數(shù)；Ci為每枝條平均樹干徑流體積(mL)；Mi為單株枝干數(shù)；As為植株的投影面積。

(3)冠層截留量計算方法：根據(jù)水量平衡原理,灌叢對降雨的再分配分為穿透雨,樹干徑流和冠層截留三部分,因此冠層截留量可通過水量平衡方程計算：

I=P-TF-SF

(2)

式中,I為冠層截留量(mm),P為降雨量(mm),TF為穿透雨量(mm),SF為樹干徑流量(mm)。

2.5 數(shù)據(jù)處理

運用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理與分析。采用t-檢驗方法,分析了自然組和人工組的截留差異顯著性(顯著性水平設(shè)定為α=0.05)。采用描述性統(tǒng)計的方法,分析了截留量對不同雨量級(<2 mm,2—5 mm,5—10 mm,10—15 mm,>15 mm)降雨的響應(yīng)規(guī)律。此外,采用回歸方程和曲線擬合方法,分析截留變化特征,上述分析在SPSS 20.0統(tǒng)計軟件中進行。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗期間的降雨統(tǒng)計分布特征

圖1 試驗期間降雨分布特征Fig.1 Characteristics of rainfall distribution during the experiment

整個觀測期共計有效降雨33次,總降雨量為251 mm。次降雨量最小值0.2 mm,最大值40.2 mm,平均降雨量為7.6 mm。<2 mm、2—5 mm、5—10 mm、10—15 mm、15—20 mm、20—35 mm、>35 mm 7個雨量級的降雨頻率分別為36.4%、21.2%、12.1%、18.2%、3.0%、6.1%、3.0%；累積降雨量分別為8.6、22.4、31.6、74.2、16.4、57.6、40.2 mm,依次占總降雨量的3.4%、8.9%、12.6%、29.6%、6.5%、22.9%、16.0%。從上述結(jié)果可知,雨量級為10—15 mm的降雨頻數(shù)只有18.2%,但其降雨量占總降雨量的29.6%,對總降雨量影響最大(圖1)。降雨強度變化范圍為0.2—3.7 mm/h,其中降雨強度<1 mm/h的降雨次數(shù)最多,占總降雨次數(shù)的60.6%；降雨強度為2—3 mm/h和3—4 mm/h的累計降雨次數(shù)分別為1和2次(圖1)?？偨涤隁v時為180 h,平均值為5.5 h。歷時等級為2—5 h的降雨次數(shù)最多,占總降雨次數(shù)的27.4%(圖1)?？傮w來看,整個觀測期間以雨量<2 mm,雨強<1 mm/h和歷時2—5 h的降雨出現(xiàn)次數(shù)最多。

3.2 截留量與截留率的統(tǒng)計分布特征

試驗期間共觀測到有效降雨33次,收集到穿透雨和樹干徑流26次。26次降雨事件中自然組和人工組中間錦雞兒累計截留量分別為28.81 mm和18.83 mm。自然組截留量最大值為3.27 mm,占次降雨量的3.0%,最小值為0.12 mm,占次降雨量的1.0%；人工組截留量最大值為3.28 mm,占次降雨量的4.4%,最小值為0.05 mm,占次降雨量的0.2%。自然組平均截留量和截留率分別為1.11 mm和24.81%,人工組平均截留量和截留率分別為0.72 mm和15.95%。差異顯著性分析結(jié)果表明：自然組和人工組中間錦雞兒之間冠層截留存在極顯著差異(P<0.01)(圖2)。總體上,人工中間錦雞兒冠層截留減少,這可能是形態(tài)特征發(fā)生改變的結(jié)果。

圖2 自然組和人工組中間錦雞兒冠層截留差異顯著性 Fig.2 Significant differences in canopy interception of C. intermedia between natural and planted groups不同小寫字母表示自然組和人工組中間錦雞兒平均截留量和截留率分別存在顯著差異(P<0.05)

3.3 截留對降雨量的響應(yīng)

在自然組中,平均截留量最大值和最小值分別為1.61 mm和0.36 mm,分別出現(xiàn)在2—5 mm和<2 mm雨量級中,平均截留率最大值和最小值分別為46.45%和4.57%,分別出現(xiàn)在2—5 mm和>15 mm雨量級中。在人工組中,平均截留量最大值和最小值分別為1.58 mm和0.24 mm,分別出現(xiàn)在>15 mm和<2 mm雨量級中,平均截留率最大值和最小值分別為32.73%和2.80%,分別出現(xiàn)在2—5 mm和10—15 mm雨量級中。兩組灌叢(自然組和人工組)冠層截留量在小降雨事件下(PG<5 mm)均占有很大的比例,這與Brauman等關(guān)于夏威夷地區(qū)小降雨事件增加會增大冠層截留的結(jié)論相一致[37]。在雨量級較大(PG>10 mm)時,兩組灌叢(自然組和人工組)均有平均截留率最小值出現(xiàn),并且各雨量級下自然組平均截留率均大于人工組(表2)。

當(dāng)降雨量在5—10 mm時,人工組(10.53%, CV=76.26%)平均截留率的變異性最大。當(dāng)降雨量在>15 mm時,自然組(4.57%,CV=73.38%)和人工組(5.25%,CV=51.96%)平均截留率變異性相差最大。

表2 試驗期間自然組與人工組中間錦雞兒冠層截留與降雨特征值的統(tǒng)計分布

Table 2 Statistical distribution of canopy interception and rainfall characteristic values forC.intermediain natural and planted groups during the experiment

表中各雨量級下的截留量和截留率數(shù)據(jù)均為平均值;CV：變異系數(shù) Coefficient of variation

3.4 截留變化特征

通過回歸分析與曲線擬合,兩組灌叢的截留量、截留率隨降雨量的變化見圖3。冪函數(shù)(P<0.05)和指數(shù)函數(shù)(P<0.01)可以分別描述自然組和人工組中間錦雞兒的截留量和截留率隨降雨量的變化過程。當(dāng)降雨量較小(<10 mm)時,截留量均隨降雨量的增加而迅速增加；而超過一定雨量范圍時,變化緩慢并趨向穩(wěn)定。在降雨量<10 mm時,兩組灌叢(自然組和人工組)冠層截留率波動幅度均較大,二者變化范圍分別為10%—40%和10%—25%。由此可見,隨著降雨量的不斷增大,灌叢枝條和葉片水分逐步達到飽和,冠層對降雨的截留能力開始下降,截留率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。由方程可得,自然組截留率大于人工組,這是因為生長良好的自然中間錦雞兒葉面積和冠幅大于人工中間錦雞兒,其冠層對降雨的截留能力更強。

圖3 截留量、截留率與降雨量的關(guān)系Fig.3 Interception and interception percentage in relation to rainfallNG：自然組 Natrual group；PG：人工組Planted group

回歸分析與曲線擬合結(jié)果表明,自然組和人工組中間錦雞兒的截留量與降雨歷時之間呈冪函數(shù)分布(P<0.05),截留率與降雨歷時呈指數(shù)函數(shù)分布(P<0.01)(圖4)。兩組灌叢截留量隨降雨歷時均呈先增加后變化緩慢的趨勢；當(dāng)降雨歷時較短(<5 h)時,冠層截留率在均值附近波動較大,隨著降雨歷時的增加(>10 h),兩組灌叢(自然組和人工組)的截留率逐漸趨于穩(wěn)定的范圍,分別在0—10%和0—5%之間。

圖4 截留量、截留率與降雨歷時的關(guān)系Fig.4 Interception and interception percentage in relation to rainfall duration

截留量與降雨強度關(guān)系的分析結(jié)果表明(圖5),冪函數(shù)可以描述自然組(P=0.079)和人工組中間錦雞兒(P<0.05)的截留量隨降雨強度的變化過程。對截留率與降雨強度之間的關(guān)系進行了線性、指數(shù)、冪函數(shù)的曲線擬合,比較分析得出指數(shù)函數(shù)能更好地反映兩組灌叢截留率與降雨強度的關(guān)系(P<0.01)。當(dāng)降雨強度由0增加至1 mm/h時,兩組灌叢的截留率均呈遞減趨勢；降雨強度>1 mm/h時,自然組和人工組截留率基本穩(wěn)定在0—30%和0—15%。截留率與降雨強度的變化間接反映了降雨過程中冠層水分蒸發(fā)影響下的截留模式,這種截留模式對于認(rèn)識干旱半干旱區(qū)水文循環(huán)過程具有重要作用。

圖5 截留量、截留率與降雨強度的關(guān)系Fig.5 Interception and interception percentage in relation to rainfall intensity

4 討論

旱生灌木冠層截留是干旱半干旱區(qū)水文循環(huán)過程中的一個重要環(huán)節(jié),對荒漠區(qū)人工植被的可持續(xù)管理具有實際意義。本研究中,兩組灌叢(自然組和人工組)平均截留率分別為24.81%和15.95%,與徐先英等[38]在民勤綠洲邊緣的梭梭(Haloxylonammodendron),檉柳(Tamarixramosissima)和生長良好白刺(Nitrariatangutorum)灌叢(16.6%,33.1%和12.0%),楊志鵬等[39]關(guān)于毛烏素沙地沙柳(Salixpsammophila)灌叢(24.9%)的研究結(jié)果在接近的區(qū)間內(nèi)；而小降雨事件的出現(xiàn)頻率和占比存在一定的差異,本試驗期間小降雨事件(PG<5 mm)出現(xiàn)頻率為57.6%,雨量占總降雨量的42.4%；對民勤綠洲的研究中雨量<5 mm的降雨頻率為69.4%,雨量總降雨量的43.1%[38]；對毛烏素沙漠的研究中降雨量<6 mm的降雨頻率為63.0%,雨量占總降雨量的26.0%[39],但均表明小降雨事件對截留率影響較大[40]；同時,不同物種冠層結(jié)構(gòu)差異也會對截留產(chǎn)生較大影響[41]。與半干旱區(qū)其他物種相比,中間錦雞兒截留量和截留率明顯低于樟子松[42]和落葉松[43]的研究結(jié)果。樟子松和落葉松屬于高大喬木,樹冠龐大、樹皮鱗狀縱裂、葉針型,冠層截留雨水量較多,且雨水沿著樹干向下傳輸?shù)木嚯x較遠、阻力較大,因此降雨消耗損失量較大；而中間錦雞兒屬低矮灌木,冠幅較小,冠層截留雨水能力較弱,且樹皮和葉片光滑,降雨在林冠內(nèi)停滯時間較短,雨水消耗少。在降雨特征相同的情況下,本研究中兩組灌叢(自然組和人工組)的平均截留量和截留率存在顯著差異,說明灌叢形態(tài)特征也是冠層截留的關(guān)鍵影響因素。

兩組灌叢(自然組和人工組)的截留量與降雨量之間均呈冪函數(shù)關(guān)系,這與李晶晶等[44]、陳書軍等[45]、方書敏等[46]的研究結(jié)果一致。而指數(shù)函數(shù)能夠較好地描述兩組灌叢截留率與降雨量的變化關(guān)系。當(dāng)雨量級較低(PG<10 mm)時,植物枝條和葉片對雨水有較強的吸附和蒸發(fā)作用,冠層截留量會隨降雨量的增加快速增加,當(dāng)超過一定雨量范圍時,葉片充分濕潤,形成不利于雨滴附著的光滑面,截留量逐漸趨于穩(wěn)定[47]；而截留率會隨降雨量的增加逐漸降低,直至接近穩(wěn)定。對比分析可知,自然組和人工組中間錦雞兒接近穩(wěn)定截留率的范圍分別為10%—40%和5%—20%,與灌叢的形態(tài)特征(如冠幅面積、葉面積大小等)有關(guān),這與劉章文等[48]的研究結(jié)果一致。

降雨強度也會對灌叢截留率產(chǎn)生影響?？茽柷呱车氐湫蜕成嗄尽S柳(Salixgordejevii)截留率與降雨強度呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系,雨強由1 mm/h增加至8 mm/h時,截留率由25.93%下降到5.36%[49]；沙坡頭地區(qū)固沙灌木檸條(C.korshinskii)和半灌木油蒿(A.ordosica)冠層截留率均為降雨強度的冪函數(shù),降雨強度>1 mm/h時,檸條和油蒿截留率基本穩(wěn)定在20%—30%和30%—40%[50]之間。本研究中冠層截留率與降雨強度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,與上述灌木、半灌木冠層截留率均隨雨強的增加而下降的變化趨勢相一致。這是因為與熱帶雨林或濕潤地區(qū)相比,干旱半干旱區(qū)能量充足,冠層截留量主要由降雨過程和間歇期植被冠層和土壤的蒸發(fā)量組成[49- 50]。而截留率逐漸減小的原因是隨著降雨強度的逐漸增大,降雨間歇期灌叢枝葉截留的雨水蒸發(fā)消耗量所占比例逐漸減小,從而導(dǎo)致截留率降低。

5 結(jié)論

自然組和人工組中間錦雞兒平均截留量分別為1.08 mm和0.62 mm,平均截留率分別為27.45%和17.35%,兩組灌叢冠層截留存在極顯著差異(P<0.01)。兩組灌叢(自然組和人工組)冠層截留量在小降雨事件下(PG<5 mm)均占有很大的比例,當(dāng)降雨量>15 mm時,自然組(4.57%,CV=73.38%)和人工組(5.25%,CV=51.96%)平均截留率變異性相差最大。自然組和人工組中間錦雞兒截留量與降雨量,降雨歷時和降雨強度之間的關(guān)系用冪函數(shù)描述較好,截留率與三者的關(guān)系均用指數(shù)函數(shù)描述較好。在降雨特征相同的情況下,灌叢形態(tài)特征是影響中間錦雞兒冠層截留的關(guān)鍵因素。