褚 軍, 金梅娟, 佟思純, 吳永波, 薛建輝

(1.揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué) 江蘇省農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)工程技術(shù)研究中心, 江蘇 揚(yáng)州 225009;2.蘇州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 江蘇太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所, 江蘇 蘇州 215155; 3.南京林業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境學(xué)院,江蘇省林業(yè)生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210037; 4.江蘇省中國(guó)科學(xué)院植物研究所, 江蘇 南京 210014)

近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)集約化程度的提高，化肥、農(nóng)藥等造成的農(nóng)業(yè)面源污染已成為我國(guó)河流、湖泊等水體富營(yíng)養(yǎng)化以及水質(zhì)退化的重要污染源之一[1-3]。其中，地表徑流和淋溶滲漏是農(nóng)田土壤氮、磷等養(yǎng)分進(jìn)入地表水和地下水兩條主要途徑，對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的產(chǎn)生起著不可忽視的作用[4-5]。而水在作為土壤中氮、磷等養(yǎng)分流失的溶劑和載體的同時(shí)，亦是地表徑流和淋溶產(chǎn)生的主要驅(qū)動(dòng)力[6]。因此，加強(qiáng)對(duì)田間水分的管理對(duì)控制徑流和淋溶的形成具有重要影響。目前，相關(guān)的研究主要集中于人為灌溉條件下節(jié)水灌溉[7-8]、水肥一體化[9]以及采用保護(hù)性耕作[10]等技術(shù)，而通過(guò)生態(tài)防治措施對(duì)自然降雨進(jìn)行再分配來(lái)控制田間水分流失的研究相對(duì)較少。農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)作為一種新型的土地利用方式，其林木冠層的存在對(duì)自然降雨的削減及再分配起到重要作用。林木冠層是降雨進(jìn)入系統(tǒng)的第一個(gè)接觸層，同時(shí)也是對(duì)降雨削減的第一道防線[11-12]。林冠層通過(guò)枝葉截留部分降雨，減少實(shí)際到達(dá)地表的降雨量[13]，對(duì)雨滴亦起到濺散的作用，減緩雨滴動(dòng)能，延長(zhǎng)地表產(chǎn)流和匯流時(shí)間，降低林下土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)[14-15]。史宇等[16-17]通過(guò)對(duì)北京山區(qū)側(cè)柏林林內(nèi)降雨的研究發(fā)現(xiàn)，林內(nèi)開(kāi)始降雨的時(shí)間均晚于林外降雨，隨延滯期雨強(qiáng)的增大呈對(duì)數(shù)遞減趨勢(shì)，林冠層對(duì)林內(nèi)降雨的延滯作用能有效延長(zhǎng)匯流時(shí)間，減少?gòu)搅髁髁?。目前，利用農(nóng)林間作系統(tǒng)探討水土流失的研究相對(duì)較少。本試驗(yàn)以太湖地區(qū)楊樹(shù)與小麥(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“楊麥”)間作系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要探討2個(gè)問(wèn)題： ①間作系統(tǒng)下楊樹(shù)林冠層對(duì)降雨截留和再分配作用有多大？ ②間作系統(tǒng)對(duì)地表徑流量、侵蝕量及淋溶量的削減效果。研究結(jié)果可為進(jìn)一步整體研究間作系統(tǒng)對(duì)土壤氮、磷流失的削減提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省宜興市周鐵鎮(zhèn)沙塘港村，該區(qū)域是太湖流域傳統(tǒng)糧食產(chǎn)地，地理坐標(biāo)為119°31′—120°3′E，31°07′—31°37′N(xiāo)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。全年平均降雨量為1 277.1 mm，年平均氣溫15.7 ℃，無(wú)霜期239 d，降水集中于夏季(6—8月)。該區(qū)農(nóng)田主要耕作方式為小麥與蔬菜輪作，土壤類(lèi)型為微酸性重壤質(zhì)黃泥土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)實(shí)施時(shí)間為2012年11月至2013年8月，楊樹(shù)為35-楊(Populusdavidianacv.35.)(表1)，林間種植冬小麥，于2012年11月16日播種，播前將試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行翻耕。設(shè)2種楊樹(shù)間作密度，株行距分別為2×5 m(L1)和2×15 m(L2)，同時(shí)將單作小麥地L3作為對(duì)照處理(CK)。L1，L2林下枯落物全部去除，每星期收集清理2～3次，確保土壤表層無(wú)枯落物覆蓋；3個(gè)處理，3次重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)面積102 m2，為17 m×6 m的矩形；相鄰各小區(qū)之間及外圍用若干個(gè)2 m×0.5 m的矩形PVC板橫向垂直插入，地上部分0.1 m，地下部分0.4 m，以完全隔開(kāi)各小區(qū)；每個(gè)小區(qū)頂端設(shè)1.5 m×1.5 m×1.5 m規(guī)格的徑流池，用石棉瓦遮蓋，用以收集徑流水；同時(shí)在每個(gè)小區(qū)埋設(shè)“L”形PVC管作為淋溶收集裝置，淋溶孔外圍包裹尼龍網(wǎng)，防止泥沙堵塞，深度為0.2 m，用以收集淋溶水，埋設(shè)位置分別為距楊樹(shù)種植行0.5，1.5和7.5 m處。

表1 楊樹(shù)林林分特征

1.3 研究方法

1.3.1 林冠層對(duì)降雨再分配

(1) 林外降雨量測(cè)定(R)。在單作小麥樣地安裝自動(dòng)氣象站(Intelimet A， US)，應(yīng)用CR 1000數(shù)據(jù)采集器測(cè)定和記錄林外降雨量。

(2) 林內(nèi)穿透雨的測(cè)定(T)。在間作系統(tǒng)內(nèi)安裝自動(dòng)氣象站(Intelimet A，美國(guó))，測(cè)定和記錄林內(nèi)降雨量。同時(shí)，林帶樣地沿蛇形曲線隨機(jī)放置5個(gè)直徑20 cm標(biāo)準(zhǔn)自制雨量筒，用于測(cè)定穿透雨量。在L2間作系統(tǒng)內(nèi)隨機(jī)選取3株楊樹(shù)，以樹(shù)干為中心、東西向冠幅大小為設(shè)置依據(jù)，在距離樹(shù)干0.5，1.5，7.5 m處東西向布設(shè)多個(gè)雨量筒，用于收集單株楊樹(shù)冠層下不同位置的穿透雨量。

(3) 樹(shù)干徑流測(cè)定(S)。于樹(shù)干1.3 m處用沿中縫剪開(kāi)的直徑2 cm的聚乙烯塑料管由上往下蛇形纏繞于樹(shù)干上2周，用鐵釘固定在樹(shù)干上，塑料管與樹(shù)干間空隙接縫處用玻璃膠封嚴(yán)，以防漏水。塑料管的下端與10 L加蓋塑料桶相連，以收集樹(shù)干徑流。

樹(shù)干徑流量根據(jù)公式計(jì)算：

(1)

式中：S為樣地單位面積平均樹(shù)干徑流量(mm)；n為觀測(cè)林木的個(gè)數(shù)；Ki每次降雨第i棵樹(shù)的樹(shù)干徑流量(mm3)；Mi為第i棵樹(shù)林冠投影面積(mm2)。

(4) 林冠降雨截留量(I)。根據(jù)水量平衡原理[18]，林冠截留量計(jì)算公式為：

I=R-T-S

(2)

式中：I為林冠截留量(mm)；R為林外降雨量(mm)；T為穿透降雨量(mm)；S為樹(shù)干徑流量(mm)，忽略降雨蒸發(fā)量。

林冠截留率計(jì)算公式：

I0=(I/R)×100%

(3)

式中：I0為林冠截留率。

1.3.2 葉面積指數(shù)(LAI) 葉面積指數(shù)是研究林分冠層結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)之一[19-20]。利用LAI-2200冠層分析儀(LI-COR，America)測(cè)定楊麥間作模式楊樹(shù)冠層葉面積指數(shù)月變化，該儀器通過(guò)視角為148°的“魚(yú)眼”光學(xué)感應(yīng)傳感器(也可稱(chēng)為“魚(yú)眼”鏡頭)，從5個(gè)不同角度的天頂角方向測(cè)定冠層上下(或內(nèi)外)光強(qiáng)的變化，并通過(guò)制備冠層內(nèi)的輻射傳播模型來(lái)計(jì)算冠層的LAI。由于楊樹(shù)為落葉樹(shù)種，故本試驗(yàn)于2013年4月至11月每月中旬測(cè)定，共計(jì)8次。測(cè)定時(shí)間為晴天8：00—10：00或14：00—16：00，選取有大塊云層遮擋太陽(yáng)的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，以避開(kāi)強(qiáng)光的照射。在樣地內(nèi)沿蛇形曲線隨機(jī)布置的固定測(cè)點(diǎn)測(cè)定，完成后記錄整個(gè)樣地的LAI平均值作為該樣地的葉面積指數(shù)。

1.3.3 徑流、侵蝕和淋溶量的收集 每次產(chǎn)生地表徑流后，測(cè)量徑流池中集流深度，計(jì)算徑流量；隨后使徑流池內(nèi)徑流液靜置，用水泵抽干上層徑流液，收集徑流池底部泥沙，烘干稱(chēng)重，計(jì)算泥沙侵蝕量。全部結(jié)束后將徑流池清洗干凈，以備下一次的收集與計(jì)量。淋溶水樣的收集于降雨停止后進(jìn)行，用小型抽水泵抽取淋溶管中淋溶液，用量筒測(cè)量淋溶流失量，淋溶液抽干后，反復(fù)清洗淋溶管，以備下一次的收集與計(jì)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文采用Excel 2010，SPSS 20和Sigmapolt 12.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和繪圖，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)來(lái)比較不同組數(shù)據(jù)間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征

在試驗(yàn)觀測(cè)期間(2013年1—12月)，共發(fā)生了101場(chǎng)降雨事件，降雨總量為943.5 mm，低于該地區(qū)長(zhǎng)年平均降雨量26.1%，屬于降雨量較少的年份。其中，降雨主要集中于5—10月，即夏季和秋季，占總降雨量的73.9%；春季和冬季降雨量較少，僅占26.1%。降雨經(jīng)楊樹(shù)林冠層被重新分配后，L1間作密度下穿透雨量為796.2 mm，樹(shù)干徑流量7.3 mm，林冠截留量140.0 mm，分別占總降雨量的84.4%，0.8%和14.8%。由圖1可知，9月份林冠截留量最大，為28.1 mm，占全年總截留量的20.1%；而1月份截留量最小，為0.6 mm，占全年的0.4%。其中，林冠對(duì)降雨的截留能力隨葉面積指數(shù)(LAI)的變化而變化，1—2月以及11—12月冠層對(duì)降雨的截留量較小，分別為1.6，5.0 mm，占總截留量的1.1%和3.6%。而3—10月冠層降雨截留量達(dá)133.4 mm，占總截留量的95.3%，主要由于楊樹(shù)1—2月和11—12月處于落葉期，冠層葉片脫落殆盡，對(duì)降雨的截留僅僅依靠樹(shù)干、枝條等，從而降低了冠層對(duì)降雨的截留能力。而隨著溫度的升高，楊樹(shù)開(kāi)始從落葉期轉(zhuǎn)為生長(zhǎng)期，隨著冠層葉片面積的增大以及葉片數(shù)量的增多，冠層葉面積指數(shù)也逐漸增大，對(duì)降雨的截留能力逐漸增強(qiáng)。根據(jù)降雨強(qiáng)度等級(jí)，將101場(chǎng)降雨劃分成5個(gè)等級(jí)，由表2可知，降雨量<10 mm的中、小雨發(fā)生最頻繁，多達(dá)81次，占總降雨場(chǎng)次的80.2%，說(shuō)明研究區(qū)多以中、小雨為主，而其降雨量?jī)H占總降雨量的26.5%。在整個(gè)觀測(cè)期間，降雨等級(jí)為100～250 mm的降雨事件僅發(fā)生1次，其降雨量占總降雨量的14.6%。

圖1 觀測(cè)期間L1間作系統(tǒng)下降雨特征

表2 L1間作系統(tǒng)下不同降雨量級(jí)降雨再分配

2.2 林內(nèi)穿透雨、樹(shù)干徑流和林冠截留與林外降雨的關(guān)系

降雨等級(jí)是決定穿透雨量的重要因素之一，林內(nèi)穿透雨的大小和再分配規(guī)律會(huì)隨著降雨等級(jí)的不同而產(chǎn)生相應(yīng)的變化[21-22]。由表2可知，L1間作密度下101次降雨的平均穿透雨量為7.9 mm，平均穿透率為86.2%。當(dāng)降雨量>10 mm 時(shí)，降雨穿透率均超過(guò)80%，平均為92.1%。隨著降雨等級(jí)的增大，林內(nèi)穿透雨率呈上升趨勢(shì)，由降雨量<10 mm時(shí)的63.0%上升至降雨量>100 mm時(shí)的98.5%。回歸分析結(jié)果表明，林內(nèi)穿透雨量與林外降雨量呈線性正相關(guān)關(guān)系(R2=0.99)。樹(shù)干徑流在林冠降雨再分配過(guò)程中占有較小的比例[23-24]。在整個(gè)觀測(cè)期間，樹(shù)干徑流共產(chǎn)生了17次，占總降雨次數(shù)的16.8%。樹(shù)干徑流量為7.3 mm，占總降雨量的0.8%。樹(shù)干平均徑流量為0.43 mm，平均徑流率為0.98%，但變化規(guī)律不明顯。主要由于樹(shù)干徑流量的產(chǎn)生不僅與降雨特征有關(guān)，還與林木樹(shù)種的生態(tài)學(xué)特性有關(guān)，林木冠幅、胸徑、樹(shù)皮結(jié)構(gòu)、雨前樹(shù)冠的干濕程度等對(duì)樹(shù)干徑流的產(chǎn)生有很大影響[25]，回歸分析表明，樹(shù)干徑流量與降雨量呈線性正相關(guān)關(guān)系(R2=0.75)。當(dāng)林外降雨量>5.5 mm時(shí)，可能開(kāi)始產(chǎn)生樹(shù)干徑流，并隨著降雨等級(jí)的增大而增大。由表2可知，林冠截留總量為140.0 mm，占總降雨量的14.8%，平均林冠截留量為1.4 mm。通常采用林冠截留率來(lái)表示林冠對(duì)降雨的截留能力[25]。在不同的降雨等級(jí)中，林冠截留率變化范圍0.6%～37.0%，平均林冠截留率為13.0%?；貧w分析結(jié)果表明，林冠降雨截留率與降雨量呈負(fù)冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.41)。林冠截留率隨著降雨量的增大呈先急劇降低后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，林冠層對(duì)降雨量<10 mm的截留率達(dá)37.0%，主要由于降雨量較小時(shí)，大部份降雨被林冠枝條、葉片吸收和攔截，林冠層對(duì)降雨的再分配作用顯著；隨著降雨等級(jí)的增大，林冠截留率逐漸減小，當(dāng)降雨量超過(guò)林冠蓄水量后，林冠層達(dá)飽和狀態(tài)，降雨幾乎全部轉(zhuǎn)化為穿透雨。而降雨量>100 mm時(shí)，林冠截留率僅為0.6%。除了降雨量外，林冠截留率還取決于林冠結(jié)構(gòu)特征，林分結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，郁閉度越大，葉面積指數(shù)越大，對(duì)降雨的吸附攔截能力就越強(qiáng)[26-27]。

2.3 林冠層對(duì)徑流量、侵蝕量流失特征的影響

2.3.1 L1間作系統(tǒng)下3次徑流事件降雨分配特征 在觀測(cè)期間選擇3次較明顯的徑流事件，分別發(fā)生于5月16日、6月21日和7月6日。由表3可知，3次徑流事件降雨量均>50 mm，降雨累積量達(dá)309.5 mm，占總降雨量的32.8%。其中，L1間作密度下累積穿透雨量為296.8 mm，占總穿透雨量的37.3%，平均穿透雨量為98.9 mm，平均穿透率為95.5%。穿透雨量隨降雨量的變化而變化，而穿透率一方面與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，降雨強(qiáng)度越大，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)冠層的降雨量越大，雨滴對(duì)冠層的沖擊越大，歷時(shí)也短，不利于冠層對(duì)雨水的吸附，易形成穿透雨，增大降雨的穿透率[28]。另一方面與林冠葉面積指數(shù)(LAI)相關(guān)，5—7月葉面積指數(shù)逐漸增大，同時(shí)降雨強(qiáng)度減小，導(dǎo)致穿透雨率呈減小趨勢(shì)。在3次事件中都產(chǎn)生了樹(shù)干徑流，徑流累積量為4.4 mm，占樹(shù)干總徑流量的60.3%，平均徑流量為1.5 mm，平均徑流率為1.6%，但變化規(guī)律不明顯。以5月16日和6月21日2場(chǎng)降雨為例，6月21日的降雨量遠(yuǎn)低于5月16日的降雨量，而6月21日的徑流量較5月16日大，分別為1.61和1.26 mm，相應(yīng)的樹(shù)干徑流率分別為2.2%和0.9%。3次事件林冠對(duì)降雨的截留累積量為8.3 mm，占總截留量的5.9%，平均截留量為2.8 mm，平均截留率為2.9%，由于3次降雨等級(jí)較大，林冠對(duì)降雨的吸附達(dá)到飽和，因此截留量?jī)H占降雨量的很少部分，其余的降雨幾乎全部轉(zhuǎn)化為穿透雨，致使林冠截留率較低。

表3 L1間作系統(tǒng)下3次徑流事件降雨再分配特征

2.3.2 林冠對(duì)徑流量、侵蝕量的影響 去除地表枯落物后，2種楊麥間作密度下林冠對(duì)地表徑流量和土壤侵蝕量的影響詳見(jiàn)表4。由表4可知，同一降雨等級(jí)下，間作系統(tǒng)中林分密度越大，冠層葉面積指數(shù)越大，林冠層對(duì)徑流量和侵蝕量的削減作用越強(qiáng)，削減效果表現(xiàn)為：L1>L2>L3。3次徑流事件中，L1平均徑流量和侵蝕量比L2，L3分別減少了7.9%，11.2%和10.5%，16.6%，L2比L3減少了2.8%和6.0%。方差及顯著性分析結(jié)果表明，L1徑流量及侵蝕量與L3存在顯著差異(p<0.05)，L2與L3差異不顯著(p>0.05)。研究發(fā)現(xiàn)，在降雨強(qiáng)度相當(dāng)?shù)臈l件下，林冠對(duì)徑流量和侵蝕量的影響隨降雨量的增大呈下降趨勢(shì)，以5月16日和6月21日兩場(chǎng)降雨為例，5月16日的降雨量遠(yuǎn)大于6月21日的降雨量，而5月16日L1徑流量和侵蝕量比L2，L3分別減少了7.2%，12.2%和9.6%，17.1%，L2比L3減少了2.7%和5.5%；6月21日L1徑流量和侵蝕量比L2，L3分別減少了11.9%，13.3%和15.6%，21.7%，L2比L3減少了4.2%和9.7%。5月16日L1徑流量和侵蝕量的削減幅度比6月21日減少了38.3%和21.4%。7月6日林冠對(duì)徑流量及侵蝕量的影響最小，L1徑流量和侵蝕量比L2，L3分別減少了6.6%，8.0%和8.7%，11.8%，L2比L3減少了2.3%和4.2%。主要由于7月6日小麥剛收割，一方面缺少了小麥冠層對(duì)降雨的削弱作用，另一方面人為干擾后，表層土壤較為松散，致使淋溶流失增大，對(duì)徑流、侵蝕量的影響降低。

表4 地表徑流量、侵蝕量流失特征

注：同行不同字母表示處理間存在顯著差異(LSD，p<0.05)。下同。

2.4 林冠層對(duì)淋溶特征的影響

為減少林木根系對(duì)淋溶流失的影響，故在降雨停止后即刻對(duì)淋溶管中淋溶液進(jìn)行抽取測(cè)量。由表5可知，同一降雨條件下，L2間作密度下距離樹(shù)干1.5 m處穿透雨量最少，即7.5 m處穿透雨量>0.5 m>1.5 m。1.5 m處平均穿透雨量為37.8 mm，較0.5 m，7.5 m處分別減少了3.2%和9.3%，0.5 m較7.5 m處減少了6.3%。1.5 ～0.5 m處穿透雨量變化幅度較1.5～7.5 m，0.5～7.5 m處分別減少了65.6%和49.2%，主要與林木的冠層結(jié)構(gòu)以及降雨量、降雨強(qiáng)度有關(guān)。

回歸分析結(jié)果表明，淋溶水量與穿透雨量呈正相關(guān)關(guān)系(R2=0.86)，隨穿透雨量變化而變化。在觀測(cè)期間，1.5 m處平均淋溶水量最少，為0.78 L，較0.5 m，7.5 m分別減少了3.5%和10.8%，0.5 m較7.5 m減少了8.5%。方差及顯著性分析結(jié)果表明，5月30日0.5 m，1.5 m處平均淋溶量與7.5 m處存在顯著差異(p<0.05)，而4月20日和6月21日距樹(shù)干不同距離差異不顯著(p>0.05)，主要由于4月份葉面積較小，葉面積指數(shù)較小，葉片對(duì)降雨的削減作用較弱；而6月降雨量和降雨強(qiáng)度較大，一方面對(duì)冠層葉片撞擊較大，易轉(zhuǎn)化為穿透雨；另一方面當(dāng)降雨量超過(guò)林冠的蓄水能力后，降雨幾乎轉(zhuǎn)化為穿透雨，降低了林冠對(duì)降雨的截留作用。

表5 距樹(shù)干不同距離降雨再分配和淋溶流失特征

3 討 論

3.1 穿透降雨

不同降雨等級(jí)下，穿透雨量都占有較大比例。觀測(cè)期間穿透雨量為796.2 mm，占總降雨量的84.4%。一般認(rèn)為，穿透降雨由直接穿過(guò)冠層間隙到達(dá)地表面的自由穿落雨和被冠層葉尖集聚或枝條截持后濺散滴落的冠滴雨2部分構(gòu)成[29]。本研究中，由于楊樹(shù)為落葉樹(shù)種，在楊樹(shù)落葉期(1—2月份和11—12月份)，多為自由穿落雨，整個(gè)穿透雨量與降雨量呈線性正相關(guān)關(guān)系(R2=0.99)，隨著降雨量的增大呈遞增趨勢(shì)，而此期間冠層對(duì)降雨的截留僅為枝干的攔截與吸附。隨著季節(jié)的變化(3—10月)，楊樹(shù)葉面積指數(shù)變大，冠層結(jié)構(gòu)異質(zhì)性也增大，因此這期間穿透降雨多為冠滴雨。當(dāng)降雨量較小時(shí)，林冠由于茂密的枝葉能夠截留大部分降雨，此時(shí)冠層結(jié)構(gòu)特征對(duì)穿透雨的攔截作用占主導(dǎo)作用[30]。隨著降雨等級(jí)的增大，林冠截留能力急劇下降，當(dāng)林冠飽和或超過(guò)林冠的最大截留能力時(shí)，葉面積主導(dǎo)作用降低，冠層結(jié)構(gòu)特征的影響逐漸削弱，林內(nèi)穿透雨逐漸也趨于穩(wěn)定[25]。就單株楊樹(shù)來(lái)說(shuō)，距樹(shù)干不同距離上方對(duì)應(yīng)的冠層結(jié)構(gòu)特征均不一致，從而穿透雨的空間分布存在差異[30]。在相同降雨條件下，穿透雨量隨著與植株冠層厚度、蓋度、葉面積指數(shù)、開(kāi)枝角度等結(jié)構(gòu)以及研究地點(diǎn)、降水大小、氣候條件等有關(guān)。

3.2 樹(shù)干徑流

與穿透雨相似，當(dāng)樹(shù)干吸水飽和后會(huì)產(chǎn)生樹(shù)干徑流，同時(shí)枝葉所攔截的降雨匯集后順樹(shù)干流下也會(huì)形成樹(shù)干徑流[29]。研究期間，樹(shù)干徑流總量為7.3 mm，僅占總降雨量的0.8%樹(shù)干徑流之所以比重較低，一方面與林外降雨量有關(guān)[25]，另一方面還與林木胸徑、樹(shù)干表面粗糙度、樹(shù)冠枝條的疏密以及主側(cè)枝夾角大小等有關(guān)[31-32]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降雨量>5.5 mm時(shí)，樹(shù)干徑流才有可能產(chǎn)生，因此，降雨等級(jí)是影響樹(shù)干徑流量的主導(dǎo)因子，隨著降雨等級(jí)的增大呈遞增的趨勢(shì)，與范世香等[33]研究結(jié)論一致。另外，樹(shù)干徑流以“點(diǎn)”的形式向地表輸入，降低了地表徑流產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也延緩了降雨到達(dá)地表的時(shí)間[34]。Owens等[35]研究表明，降雨強(qiáng)度較大時(shí)，降雨1 h后出現(xiàn)徑流。在降雨條件相同的情況下，樹(shù)干胸徑越大，冠幅越大，使得樹(shù)干徑流的匯水面積增加，產(chǎn)生的徑流量也越大[25，31]。有研究表明，降雨強(qiáng)度的增大會(huì)提高傳輸過(guò)程中樹(shù)干徑流以穿透雨形式滴落的概率，從而使樹(shù)干徑流率會(huì)維持在一定的范圍內(nèi)[36-37]。

3.3 林冠層截留作用

本研究在不同的降雨等級(jí)中，林冠截留率變幅為0.6%～37.0%，平均林冠截留率為13.0%，林冠截留率隨降雨等級(jí)的增大呈下降的趨勢(shì)。一般認(rèn)為，林冠截留率隨降雨量、降雨強(qiáng)度有關(guān)。降雨量越大，降雨強(qiáng)度越大，雨滴對(duì)冠層的沖擊力越大，枝葉表面的水滴易滴落，削弱了林冠截留的功能[38]。除了受降雨強(qiáng)度影響外，冠層截留能力還與樹(shù)種組成、林齡、冠層厚度、葉面積指數(shù)、枝葉干燥度以及氣候環(huán)境等特征有關(guān)[26-27]。研究發(fā)現(xiàn)，隨著楊樹(shù)的生長(zhǎng)周期，林冠對(duì)降雨的月截留率呈先上升后下降的趨勢(shì)，除了與降雨條件有關(guān)，還與冠層結(jié)構(gòu)和葉面積指數(shù)有關(guān)。林冠截留率月動(dòng)態(tài)變化與葉面積指數(shù)(LAI)月變化呈線性正相關(guān)關(guān)系(R2=0.51)。另外，Pook等[39]和Carlyle-Moses[40]等認(rèn)為在降雨期間由于濕度較大，大氣中雨、霧等與冠層接觸在其表面形成的霧露水，一定重量后形成大水滴，在重力作用下從葉片表面滑落，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為穿透雨，削弱了葉片的截留能力。

3.4 林冠對(duì)水土流失的作用

在去除地表枯落物后，林冠對(duì)降雨的再分配能夠?qū)Φ乇韽搅髁?、侵蝕量和淋溶量起到一定的控制作用。研究表明，導(dǎo)致水土流失的動(dòng)力因子主要是降雨[41]，而林冠層作為降雨進(jìn)入系統(tǒng)的第一道防線，不僅能對(duì)降雨量起到截留作用，而且能夠改變雨滴下落的能量，減少雨滴對(duì)地表的沖擊。殷暉等[42]研究發(fā)現(xiàn)雨滴速度、雨滴勢(shì)能等參量與土壤侵蝕關(guān)系密切，林冠截留對(duì)降雨總勢(shì)能的消減量可達(dá)52.15%，從而減少了降雨對(duì)林地地表的直接沖擊作用。另外，林冠的厚度越大，對(duì)穿透降雨勢(shì)能的緩沖作用也就越大。對(duì)于淋溶流失而言，淋溶流失量隨降雨量的變化而變化，研究表明，在同一降雨條件下，距離樹(shù)干7.5 m處穿透雨量>距離樹(shù)干0.5 m處穿透雨量>距離樹(shù)干1.5 m處穿透雨量。此結(jié)果與次仁曲西等[26]、盛后財(cái)?shù)萚30]結(jié)果類(lèi)似，即距樹(shù)干距離越近，穿透雨率不一定越小。而淋溶流失量亦在距離樹(shù)干1.5 m處最小，除降雨條件外，主要與垂直上方的冠層結(jié)構(gòu)有關(guān)。觀察發(fā)現(xiàn)，在距離樹(shù)干1.5 m處冠層枝葉較厚，因此冠層對(duì)降雨的截留量就越大，致使1.5 m處到達(dá)地表的降雨量也最少，淋溶流失量減少。

4 結(jié) 論

(1) 研究期間總降雨量為943.5 mm，其中以降雨等級(jí)<10 mm的中、小雨為主。L1間作密度下降雨經(jīng)林冠層被重新分配后，穿透雨量(R2=0.99)、樹(shù)干徑流量(R2=0.75)與降雨量呈線性正相關(guān)關(guān)系，而林冠截留率與降雨量呈負(fù)冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.41)，平均截留率為13.0%。當(dāng)降雨量>5.5 mm時(shí)，可能開(kāi)始產(chǎn)生樹(shù)干徑流，并隨著降雨等級(jí)的增大而增大。盡管影響林冠對(duì)降雨再分配的因素較多，但降雨等級(jí)以及冠層結(jié)構(gòu)(LAI)仍是決定再分配特征的最主要因素。

(2) 3次徑流事件降雨量均>50 mm，L1間作密度下林冠對(duì)降雨的截留累積量?jī)H為8.3 mm，平均截留率為2.9%。林冠層對(duì)徑流量和侵蝕量的削減作用隨著林分密度、冠層葉面積指數(shù)的增大而增大，削減效果表現(xiàn)為：L1>L2>L3。L1平均徑流量和侵蝕量比L2，L3分別減少了7.9%，11.2%和10.5%，16.6%，L2比L3減少了2.8%和6.0%。L1徑流量及侵蝕量與L3存在顯著差異(p<0.05)，L2與L3差異不顯著(p>0.05)。

(3) L2間作密度下距離樹(shù)干不同距離穿透雨量和淋溶水量存在差異。其中，距離樹(shù)干1.5 m處穿透雨量和淋溶水量最小，較0.5 m，7.5 m處分別減少了3.2%，3.5%和9.3%，10.8%。5月30日0.5 m，1.5 m處平均淋溶量與7.5 m處存在顯著差異(p<0.05)，而4月20日和6月21日距樹(shù)干不同距離差異不顯著(p>0.05)。