丁 廣， 張維江,2,3， 李 娟,2,3， 王旭東， 馬 芳， 姜茂付， 姜瑞洋， 黃 艷

(1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院， 寧夏 銀川 750021； 2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心， 寧夏 銀川 750021； 3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心， 寧夏 銀川 750021)

黃土高原半干旱地區(qū)是典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。中國(guó)農(nóng)業(yè)用水長(zhǎng)期存在用水總量大，利用效率低的特點(diǎn)[1]。由于氣候條件限制和水土流失、干旱缺水等水資源問(wèn)題，制約了該地區(qū)發(fā)展。雨水的高效利用可以作為緩解水土流失和干旱缺水等水資源問(wèn)題的有效途徑[2]。一般認(rèn)為降雨量小于5 mm時(shí)，由于降雨無(wú)法有效滲入到深層植物根部而被認(rèn)為是無(wú)效降雨，造成了一定程度水資源的浪費(fèi)。采用集流的方式搭配滲灌技術(shù)對(duì)雨水進(jìn)行高效利用，是本文的重要理念。楊興國(guó)等[3]對(duì)甘肅雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)進(jìn)行的雨水收集利用試驗(yàn)研究，在一定程度上可以緩解干旱問(wèn)題。孫惠民等[4]對(duì)準(zhǔn)格爾旗示范區(qū)干旱缺水問(wèn)題進(jìn)行研究，提出北方半干旱集雨補(bǔ)灌旱作區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。森林植被的截留現(xiàn)象是對(duì)大氣降水的第一次分配，林冠截留量在降雨的再分配中占有較大比重，根據(jù)當(dāng)前的研究，林冠截留量占總降水量的15%～50%，多年生喬木的年均林冠截留量可達(dá)到年降水量的30%以上[5-7]。目前國(guó)內(nèi)外研究中，對(duì)林冠截留相關(guān)關(guān)系及應(yīng)用修正的Gash模型的數(shù)值模擬進(jìn)行了深入研究[8-11]。但是缺乏對(duì)于干旱地區(qū)經(jīng)濟(jì)林作物集雨技術(shù)的定量研究。寧南地區(qū)的紅梅杏果實(shí)成熟期較早，售價(jià)較高，經(jīng)濟(jì)效益明顯。經(jīng)過(guò)多年培育，紅梅杏果實(shí)品質(zhì)優(yōu)良，營(yíng)養(yǎng)豐富，近年來(lái)不僅在當(dāng)?shù)匕l(fā)展初具規(guī)模，在適宜種植地區(qū)也受到大力推廣，市場(chǎng)前景較好[12]。本文針對(duì)寧南山區(qū)水資源的“量少、分散、質(zhì)差、蒸發(fā)滲漏損失大、利用效率低”等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)該區(qū)域紅梅杏鋪設(shè)降雨集流裝置并結(jié)合相關(guān)研究，以期充分挖掘水資源的潛力，將雨水資源進(jìn)行高效利用，在增加天然水資源供給量的同時(shí)，為當(dāng)?shù)丶贽r(nóng)業(yè)發(fā)展、灌溉制度的確定及防止水土流失提供科學(xué)依據(jù)，并為寧南山區(qū)經(jīng)濟(jì)林提高綜合效益和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于寧夏回族自治區(qū)固原市原州區(qū)，地理坐標(biāo)為106°13′E，36°14′N，地處內(nèi)陸中緯度地帶，當(dāng)?shù)氐孛矠閷幠宵S土高原丘陵和六盤山山地，區(qū)域內(nèi)山多川少，海拔高度為1 640 m，氣候?qū)賰?nèi)陸暖溫帶半干旱區(qū)，降水量較少、蒸發(fā)量較大。區(qū)域內(nèi)多年平均氣溫6.75 ℃，無(wú)霜期144 d，年降水量450 mm，近幾年降水量呈增加趨勢(shì)，降水基本集中在7～9月份，年蒸發(fā)量800～1 200 mm，多年平均日照時(shí)2 250～2 700 h。該區(qū)域的土質(zhì)組成質(zhì)地較為單一、土層較為深厚、地下水埋深較低。試驗(yàn)所需觀測(cè)紅梅杏樹(shù)樹(shù)齡均為4 a，林相整齊，單株差異較小。

1.2 樣地設(shè)置

如圖1所示，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選取3個(gè)2 m×2.5 m紅梅杏試驗(yàn)樣地，用于觀測(cè)紅梅杏林冠截留量。紅梅杏樹(shù)位于樣地中央，試驗(yàn)中對(duì)滲灌器做不透水處理，作為降雨的集水裝置，在距樹(shù)兩側(cè)50 cm處埋置滲灌器。樣地內(nèi)田面四周高，向滲灌器口部?jī)A斜，利于集水。田面處理完成后鋪設(shè)薄膜，將其作為集雨面。設(shè)置3個(gè)空白樣地，全部鋪設(shè)降雨集流裝置，作為對(duì)比樣地。試驗(yàn)所選取紅梅杏樹(shù)樣本平均樹(shù)高3.4 m，平均地徑7.6 cm。

1.3 降雨試驗(yàn)設(shè)計(jì)

降雨集流觀測(cè)試驗(yàn)分為對(duì)比樣地和紅梅杏樣地兩種條件下的降雨集流觀測(cè)。其中天然降雨每項(xiàng)觀測(cè)均在選取的樣地內(nèi)記錄結(jié)果，人工模擬降雨在選取的樣地內(nèi)重復(fù)試驗(yàn)并記錄結(jié)果。

根據(jù)水量平衡原理，將次降雨分為降雨量(天然降雨、人工模擬降雨)，滲灌系統(tǒng)截流量，林冠截留量，滲灌系統(tǒng)集流量。

對(duì)比樣地：P=I滲+W

(1)

紅梅杏樣地：P=I滲+I林+W

(2)

式中：P為降雨量(mm)；I滲為滲灌系統(tǒng)截流量(mm)；I林為林冠截留量(mm)；W為滲灌系統(tǒng)集流量(mm)。

受限于天然降雨的不可控性，試驗(yàn)采用人工模擬降雨的方式補(bǔ)充觀測(cè)試驗(yàn)。模擬降雨采用人工模擬降雨設(shè)備進(jìn)行。該設(shè)備主要由動(dòng)力系統(tǒng)(水泵、變壓器)、輸配水系統(tǒng)(水箱、水管、噴頭)、支撐系統(tǒng)(支撐骨架、承重底座)3大部分組成，在試驗(yàn)開(kāi)始前通過(guò)預(yù)試驗(yàn)進(jìn)行校準(zhǔn)。

試驗(yàn)在2019年7—9月進(jìn)行，此時(shí)間段紅梅杏枝葉最為茂盛。根據(jù)該地區(qū)50 a的降雨歷史資料[13-14]，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，0～16 mm降雨占年降雨量平均值達(dá)到了58.4%，因此人工模擬降雨試驗(yàn)選取降雨量4.2,7.2,10.0，12.6，15 mm以代表地區(qū)特征和滿足大雨量試驗(yàn)需要，降雨強(qiáng)度為4.7 mm/h，設(shè)計(jì)為天然降雨強(qiáng)度平均值。試驗(yàn)中天然降雨和人工模擬降雨的觀測(cè)試驗(yàn)在保證初始條件基本一致的情況下分開(kāi)進(jìn)行，將兩種降雨方式分別應(yīng)用于兩種條件的樣地進(jìn)行觀測(cè)，分析試驗(yàn)結(jié)果得出集流機(jī)理。

1.4 雨量測(cè)量

(1) 降雨量的測(cè)定。在紅梅杏樹(shù)附近的空曠地設(shè)置翻斗式雨量計(jì)，每次降雨后雨量計(jì)所得數(shù)據(jù)即為天然降雨量。人工模擬降雨試驗(yàn)中以不同的降雨量等級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的試驗(yàn)中所模擬的降雨量大小即為人工模擬降雨量。

(2) 滲灌系統(tǒng)集流量的測(cè)定。對(duì)于所選的樣地均按照標(biāo)準(zhǔn)鋪設(shè)降雨集流滲灌系統(tǒng)。在樣地附近低洼處放置大型塑料桶，將集水器中的雨水利用虹吸原理抽出到塑料桶中，降雨結(jié)束后，測(cè)量桶中所得雨水即為滲灌系統(tǒng)的集流量。最終數(shù)據(jù)取同一條件下試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

(3) 滲灌系統(tǒng)截流量的測(cè)定。在對(duì)照樣地的條件試驗(yàn)下，通過(guò)水量平衡原理(公式1)計(jì)算得到。即降雨量減去滲灌系統(tǒng)集流量。

(4) 林冠截留量的測(cè)定。在兩種樣地條件試驗(yàn)下，先得出滲灌系統(tǒng)截留量，再通過(guò)水量平衡原理〔公式(2)〕計(jì)算得到。即降雨量減去滲灌系統(tǒng)集流量和滲灌系統(tǒng)截流量。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究地降雨特征

根據(jù)2019年7—9月在原州區(qū)彭堡鎮(zhèn)紅梅杏基地觀測(cè)到的總計(jì)19場(chǎng)降雨數(shù)據(jù)(天然降雨觀測(cè)到12場(chǎng)，人工模擬降雨7場(chǎng))，其中天然降雨和人工模擬降雨同雨量降雨3場(chǎng)。試驗(yàn)期間天然降雨總量為35.50 mm，單場(chǎng)降雨最大值為7.40 mm，最小值為1.40 mm，平均每場(chǎng)降雨2.96 mm。試驗(yàn)期間人工模擬降雨總量為61.40 mm，單場(chǎng)降雨最大值為15.00 mm，最小值為4.20 mm，平均每場(chǎng)降雨8.77 mm。根據(jù)所得天然降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)并按照雨量等級(jí)分析，結(jié)果如圖2所示。在研究期間所觀測(cè)到的12場(chǎng)降雨中，降雨量在0～2 mm的有4場(chǎng)，占到天然降雨總次數(shù)的33%；降雨量在2～4 mm的有5場(chǎng)，占到天然降雨總次數(shù)的42%；降雨量在4～6 mm的有2場(chǎng)，占到天然降雨總次數(shù)的17%；降雨量在6～8 mm的有1場(chǎng)，占到天然降雨總次數(shù)的8%。觀測(cè)周期內(nèi)降雨主要以小雨量級(jí)為主，5 mm以下的降雨次數(shù)為10次，占到天然降雨總次數(shù)的83.3%，說(shuō)明此次試驗(yàn)在短周期內(nèi)觀測(cè)到的天然降雨中，小降雨出現(xiàn)頻率較高。

圖2 天然降雨的雨量等級(jí)分布

2.2 天然降雨與人工模擬降雨結(jié)果分析

試驗(yàn)期間共觀測(cè)到12場(chǎng)天然降雨，均為小降雨，最大降雨量7.40 mm。受人工模擬降雨裝置下限影響，根據(jù)天然降雨結(jié)果，觀測(cè)到7場(chǎng)人工模擬降雨中，設(shè)計(jì)匹配相同降雨量3場(chǎng)。從表1可以看出，人工模擬降雨的集流效果較天然降雨略偏大，這是受人工模擬降雨條件影響，首先野外人工模擬降雨裝置高度受限，其次在雨量一定的情況下為將降雨控制在有效降雨面積內(nèi)，人工模擬降雨較天然降雨更集中，導(dǎo)致人工模擬降雨條件下滲灌系統(tǒng)的集流效率更高。天然降雨集雨量與人工模擬降雨集雨量的比值在兩種樣地條件下均隨著降雨量的增加而增加；在相同降雨量情況下，紅梅杏樣地的集流效果較對(duì)比樣地略小，說(shuō)明紅梅杏不光造成林冠截留，對(duì)兩種降雨方式也存在影響。對(duì)比樣地條件下，天然降雨集流量與人工模擬降雨集流量比值的平均值為0.925，紅梅杏樣地為0.895，兩者平均值為0.91，說(shuō)明人工模擬降雨結(jié)果相似性較高。

表1 寧南山區(qū)經(jīng)濟(jì)林同雨量級(jí)下兩種降雨方式比較

在兩種樣地條件下，利用人工模擬降雨數(shù)據(jù)得到的擬合方程可以計(jì)算出在相應(yīng)的天然降雨雨量等級(jí)下的集流量，通過(guò)圖3比較同降雨量下兩種降雨方式得到的集流量，可以看出，人工模擬降雨計(jì)算值與天然降雨實(shí)測(cè)值基本一致，人工模擬降雨實(shí)測(cè)值都分布在天然降雨預(yù)測(cè)曲線附近，3個(gè)同雨量情況下兩種降雨方式實(shí)測(cè)值接近。

圖3 寧南山區(qū)經(jīng)濟(jì)林對(duì)比樣地及紅梅杏樣地兩種降雨方式結(jié)果比較

人工模擬降雨的雨量較大，天然降雨集中在5 mm以下，將人工模擬降雨結(jié)果作為補(bǔ)充樣本，結(jié)合到天然降雨樣本序列中，可以得到較為完整的降雨量與集流量相關(guān)關(guān)系。

2.3 滲灌系統(tǒng)集流量

2.3.1 對(duì)比樣地滲灌系統(tǒng)集流量 采用兩種降雨方式數(shù)據(jù)結(jié)合后共16場(chǎng)降雨結(jié)果進(jìn)行分析，試驗(yàn)期間觀測(cè)到降雨總量80.30 mm，滲灌系統(tǒng)集流量總量為62.11 mm，占降雨總量的77.35%，單場(chǎng)降雨的集流量在1.01～12.89 mm之間，平均集流量3.88 mm。從圖4a可以看出，集流量隨著降雨量的增加而增大，集流量與天然降雨量有著顯著的線性關(guān)系，其擬合方程為：

y=0.854 9x-0.408 3 (R2=0.996 7)

(3)

從圖4b可以看出，集流率隨著降雨量的增加而逐漸增大，但是增大的趨勢(shì)逐漸減小，集流率與林外天然降雨量存在對(duì)數(shù)關(guān)系，其擬合方程為：

圖4 寧南山區(qū)經(jīng)濟(jì)林對(duì)比樣地降雨量和集流量及集流率的關(guān)系

y=0.070 7lnx+0.639 7 (R2=0.705 7)

(4)

2.3.2 紅梅杏樣地滲灌系統(tǒng)集流量 試驗(yàn)期間觀測(cè)到紅梅杏樣地滲灌系統(tǒng)集流量總量為52.14 mm，占降雨總量的64.93%，單場(chǎng)降雨的集流量在0.84～10.85 mm之間，平均集流量3.26 mm。從圖5a可以看出，在紅梅杏樣地試驗(yàn)中，集流量同樣隨著降雨量的增加而增大，集流量與天然降雨量同樣有著顯著的線性關(guān)系，其擬合方程為：

y=0.731 2x-0.411 (R2=0.995 5)

(5)

從圖5b可以看出，集流率隨著降雨量的增加而逐漸增大，但是增大的趨勢(shì)逐漸減小，集流率與林外天然降雨量存在對(duì)數(shù)關(guān)系，其擬合方程為：

圖5 寧南山區(qū)經(jīng)濟(jì)林紅梅杏樣地降雨量和集流量及集流率的關(guān)系

y=0.059 2lnx+0.535 4 (R2=0.693 9)

(6)

兩種樣地條件下的試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出降雨量與集流量、降雨量與集流率的關(guān)系一致。蘆新建等[15]、劉勝濤等[16]對(duì)林冠截留量的研究中，得出了穿透雨量和林外降雨量的擬合方程，該方程中的常數(shù)為林冠飽和持水量，在本次研究中將穿透雨量進(jìn)行收集觀測(cè)即集流量，從本次試驗(yàn)中所得降雨量與集流量的擬合方程可以得出紅梅杏林冠飽和持水量為0.411 mm。

2.4 林冠截留率與降雨再分配

試驗(yàn)期間通過(guò)觀測(cè)對(duì)比樣地集流量，根據(jù)水量平衡原理〔公式(1)〕，得到滲灌系統(tǒng)截留量為18.19 mm，占降雨總量的22.65%，單場(chǎng)降雨的滲灌系統(tǒng)截留量在0.40～2.60 mm之間，平均每場(chǎng)降雨滲灌系統(tǒng)截留量為1.14 mm，單場(chǎng)降雨的滲灌系統(tǒng)截留率在14.10%～35.80%之間，平均滲灌系統(tǒng)截留率為27.12%。通過(guò)觀測(cè)紅梅杏樣地集流量，根據(jù)水量平衡原理(公式2)，試驗(yàn)期間觀測(cè)到紅梅杏林冠截留量為9.97 mm，占降雨總量的12.42%，單場(chǎng)降雨的林冠截留量在0.10～2.04 mm之間，平均每場(chǎng)降雨林冠截留量為0.62 mm，單場(chǎng)降雨的林冠截留率在5.25%～20.18%之間，平均林冠截留率為11.95%。根據(jù)現(xiàn)有對(duì)林冠截留量的觀測(cè)試驗(yàn)中，所測(cè)得的樹(shù)干莖流量較小，一般占次降雨量的0.3%～3.0%，次降雨中蒸發(fā)量一般不到3%，相比于最主要的林冠截留量基本可以忽略不計(jì)[17-18]。此次研究?jī)?nèi)容為針對(duì)當(dāng)?shù)丶t梅杏滲灌系統(tǒng)的雨水收集能力分析，結(jié)果觀測(cè)基本和次降雨同步進(jìn)行，對(duì)蒸發(fā)量、樹(shù)干莖流量等暫不深入研究。從圖6可以看出，隨著降雨量增加，林冠截留率逐漸減少，說(shuō)明林冠截留能力具有一定局限性。從整體趨勢(shì)來(lái)看，小雨量級(jí)降雨的林冠截留率比大雨量級(jí)的截留率大，小雨量級(jí)降雨的場(chǎng)次多，次降雨的截留量較少。大雨量級(jí)截留量多，截留率偏小，這與降雨量的大小有關(guān)。林冠截留量和降雨之間存在線性關(guān)系，其擬合方程為：

圖6 寧南山區(qū)經(jīng)濟(jì)林降雨量和集流率及截留率的關(guān)系

y=-0.007 9x+0.144 5 (R2=0.745 8)

(7)

試驗(yàn)期間共觀測(cè)分析16場(chǎng)降雨，紅梅杏樣地降雨總量P為80.30 mm，其中收集流量W為52.14 mm，滲灌系統(tǒng)截留量I滲18.19 mm，林冠截留量I林9.97 mm，分別占降雨總量的64.93%，22.65%和12.42%。從表2可以看出，試驗(yàn)觀測(cè)分析的降雨中，主要集中在小降雨區(qū)間，0～5 mm降雨占到降雨總次數(shù)的62.5%。平均集雨量、平均滲灌系統(tǒng)截留量和平均林冠截留量都基本與降雨量呈正相關(guān)。

表2 寧南山區(qū)紅梅杏林不同雨量級(jí)雨量再分配

3 討 論

(1) 本文重點(diǎn)研究了彭堡紅梅杏林地應(yīng)用滲灌系統(tǒng)后的集雨效果，結(jié)合前期相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)集雨效果良好，促進(jìn)了紅梅杏葉面積指數(shù)等指標(biāo)的提高。此次試驗(yàn)對(duì)象為紅梅杏，觀測(cè)結(jié)果同其他[19-20]研究相比，本研究更具區(qū)域針對(duì)性，符合當(dāng)?shù)厣a(chǎn)需求，為后續(xù)研究提供了基礎(chǔ)，對(duì)寧南山區(qū)集雨農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到了參考作用。降雨集流滲灌系統(tǒng)旨在提高雨水有效利用率，將收集到的雨水直接輸送到紅梅杏根系，減少了降雨在自然入滲過(guò)程中的損失。該系統(tǒng)能夠提高旱區(qū)經(jīng)濟(jì)林的綜合效益，具有較高的推廣價(jià)值。

(2) 降雨、截留、集雨是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，不僅與樹(shù)種類別有關(guān)，還受降雨過(guò)程中降雨特征及區(qū)域環(huán)境因子的影響。本研究選擇降雨量進(jìn)行重點(diǎn)研究，其余因素按照平均值消除誤差，后續(xù)可以選擇多影響因子進(jìn)行研究，并對(duì)截留進(jìn)行更詳細(xì)的類別分析。

(3) 利用人工模擬降雨觀測(cè)結(jié)果補(bǔ)充試驗(yàn)樣本，彌補(bǔ)了天然降雨的不可控性這一不足之處，但其效果受到多方面因素影響，包括外界氣象環(huán)境、人工操作等。試驗(yàn)證明兩種降雨方式所得結(jié)果相似性較高，但并不能做到完全代替天然降雨。

(4) 目前針對(duì)降雨再分配的研究中，基本集中于林冠截留的研究，本文結(jié)果顯示紅梅杏林冠截留率為11.95%，現(xiàn)階段研究中，中國(guó)各類森林生態(tài)系統(tǒng)的平均林冠截留率范圍基本在11.4%～36.5%之間，本文結(jié)果在其區(qū)間中處于較低水平，其原因可能是紅梅杏樹(shù)本身特性導(dǎo)致林冠截留有限。

4 結(jié) 論

(1) 試驗(yàn)期間天然降雨集中在小降雨區(qū)間，5 mm以下降雨占比83.3%。試驗(yàn)中采用的人工模擬降雨方式同天降降雨相比，相似系數(shù)為0.91，人工模擬降雨結(jié)果略高，但仍具有較高的相似性、適用性。

(2) 試驗(yàn)期間共觀測(cè)分析16場(chǎng)降雨，降雨總量為80.30 mm，其中收集雨量為52.14 mm，滲灌系統(tǒng)截留量為18.19 mm，林冠截留量為9.97 mm，分別占降雨總量的64.93%，22.65%和12.42%。平均滲灌系統(tǒng)集流率為61.29%，平均滲灌系統(tǒng)截留率為27.12%，平均林冠截留率為11.95%。

(3) 從試驗(yàn)觀測(cè)得到的擬合方程可以得出，集流量隨著降雨量的增加而增大，集流量與降雨量有著顯著的線性關(guān)系。集流率隨著降雨量的增加而逐漸增大，但是增大的趨勢(shì)逐漸減小，集流率與降雨量存在對(duì)數(shù)關(guān)系。小雨量級(jí)降雨的集雨率偏小且不穩(wěn)定，隨著雨量級(jí)的增加，集雨率成對(duì)數(shù)關(guān)系增加且較穩(wěn)定。