科爾沁沙地小葉錦雞兒灌叢降雨截留特征研究

李衍青，張銅會，趙學勇，劉新平，童勛章，云建英

（1.中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州730000；2.中國科學院研究生院，北京100049）

小葉錦雞兒（Caraganamicrophlla）屬豆科灌木，耐干旱、耐貧瘠、防風固沙作用強，為固定、半固定沙地的優(yōu)勢種?？茽柷呱车爻晒Σ捎迷灾残∪~錦雞兒來進行防風固沙建設，使地表由流動沙丘變?yōu)榘牍潭?、固定沙丘的植被覆蓋景觀［1］。降雨是該地區(qū)土壤水分的主要補給源，而灌叢的截留損失將影響到達地面土壤的水分含量，研究灌叢的降雨截留和再分配，對認識植被對降雨的利用狀況，揭示灌叢影響下的水文機理，具有重要的意義，因此對灌叢截留的研究成為相關水文研究的熱點。

近些年，對植被的截留過程研究主要集中在熱帶雨林，但是對干旱半干旱地區(qū)的灌木截留特征研究較少［2］。在已有的干旱區(qū)灌木的截留研究中，大多僅通過降雨量減穿透雨量來計算截留量，而忽略樹干莖流［3－5］。同時，對于不同灌木的降雨截留量、穿透量和莖流量的分配比例不明確，并且它們隨降雨參數(shù)和植被特征的變化特征尚需深入研究。所以本研究選擇科爾沁沙地的典型灌木——小葉錦雞兒，通過對樹干莖流、穿透雨的試驗觀測，研究其對降雨的再分配，了解其對降雨截留量、穿透量和莖流量的分配比例，為提高干旱半干旱區(qū)植被對降雨的利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

2009年6－9月在中國科學院奈曼沙漠化研究站進行試驗。研究站位于科爾沁沙地的奈曼旗中部，海拔約為360 m。多年平均溫度6.1～6.4℃，極端最低氣溫－29.7℃，極端最高氣溫41℃，多年平均降水量366.4 mm，多集中在6－8月；年均蒸發(fā)量1 972.8 mm。研究區(qū)的植被是以灌木為主的群落，固定和半固定沙丘上生長著大量的沙地植物，主要有豬毛菜（Salsolacollina）、蟲實（Corispermumelongatum）、差吧嘎蒿（Aritemisiahalodendron）、小葉錦雞兒。降雨截留試驗觀測場位于試驗站西側的人工植被恢復區(qū)，面積為20 m×20 m，小葉錦雞兒種植年限多為5 a以上，自然稀疏密度為1 075株／hm2，平均灌叢高度為1.49 m，平均灌幅為2.57 m［6，7］。

1.2 截留過程

灌叢對降雨的再分配可分為3部分，截留量（I），莖流量（SF）和穿透雨量（TF）。據(jù)水量平衡原理，降雨過程中通過灌叢的各部分水量關系如下：

式中，P為降雨量。截留量是降雨被植被截持并且被蒸發(fā)掉的部分，莖流量是通過樹干流到地面的降雨，穿透雨是指降雨從灌叢或其空隙滴落到地面的部分［8］。

1.3 觀測方法

本研究選擇了5株小葉錦雞兒灌叢，其中穿透雨的觀測使用長為120 cm，寬為8 cm，高為8 cm的長方形鐵皮水槽，水槽上加一可以滑動的蓋子，可以根據(jù)灌幅的大小來滑動蓋子調(diào)節(jié)水槽長度。每一植株下面放置3個接水槽，3個水槽之間的夾角為120°，這種觀測穿透雨的方法可以更好的收集灌叢下面不同部位的穿透雨。

小葉錦雞兒的分枝多，主干不明顯，Serrato和Diaz［9］關于灌木莖流的一般測定方法不適應于此灌木。所以本研究中樹干莖流采用標準枝法，即對所選灌木的每一枝進行基徑測量，取得基徑平均值后，選擇與基徑平均值相當?shù)臉渲ψ鳛闃藴手Γ恐旯鄥策x5枝且其與地面的角度不同）來測定莖流。因為灌木枝干的直徑較小，一般的用剖開橡皮管纏繞引流的方法也不適合［10］，所以本試驗選擇了塑料瓶蓋，將瓶蓋中間挖孔，并從一側剖開斜套到標準枝基部，用密封膠將其固定在樹枝上，瓶蓋斜下側打孔，并插入導管將莖流引到容器中測量，為防止降雨直接從瓶蓋落入容器，選擇了瓶口與瓶蓋尺寸大小相當?shù)娜萜鞣胖霉鄥蚕拢鳛閷φ?，每個容器測得的水量減對照瓶中的水量，即得標準枝上的莖流量，標準枝上的平均莖流量乘以整個灌叢的枝數(shù)即可得到整個灌叢的莖流量（圖1）。

每次降水的降雨量、雨強和降雨歷時來自距離觀測現(xiàn)場200 m的奈曼沙漠化研究站中的氣象站，同時降雨量用標準雨量筒測量后進行雨量訂正。

圖1 小葉錦雞兒灌叢穿透雨（a）和莖流測定圖（b）以及莖流對照圖（c）Fig.1 Photos on measurement of throughfall and stemflow for C.microphlla and stemflow contrast bottle

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel整理數(shù)據(jù)，并運用Origin 8.0和SPSS 13.0，對降雨量與穿透雨、植被截留做相關、回歸分析和直線（曲線）擬合。

2 結果與分析

2.1 降雨特征分析

試驗期間（2009年6月1日－9月5日）共觀測到降雨28次，總降雨量為133.4 mm，單次降雨量的最大值為21.5 mm，最小值為0.2 mm。46.4%的降雨事件＜2 mm，64.3%的降雨事件＜5 mm，降雨次數(shù)圖明顯呈偏態(tài)分布（圖2a）。

從雨量分配上看，＜2，2～5，5～10，10～15，15～20和＞20 mm 六個雨量級的降雨量分別為7.4，20.4，32.5，35.4，16.2和21.5 mm，分別占降雨總量的5.6%，15.3%，24.4%，26.5%，12.1%和16.1%（圖2b）。總的來看，盡管＜2 mm的降雨次數(shù)占總降雨次數(shù)的46.4%，而其降雨量僅占總降雨量的5.6%，對總降雨量的影響較小，而＞20 mm的降雨次數(shù)雖僅占總降雨次數(shù)的3.6%，而其降雨量卻占總降雨量的16.1%，表明其對總降雨的影響較大。試驗期間＜2 mm的降雨，其量較少，并沒有觀測到莖流和穿透雨，大多都被灌叢截留。

1 h最大降雨強度的分析表明：最小雨強為0.2 mm／h，最大雨強為11.4 mm／h，其中，＜1 mm／h的降雨占13次，占總降雨次數(shù)的46.4%，1～2和2～3 mm／h的降雨出現(xiàn)次數(shù)分別為5和6次，分別占總降雨次數(shù)的17.9%和21.4%。＞4 mm／h的降雨出現(xiàn)了4次，占總降雨次數(shù)的14.3%。

圖2 試驗期間的降雨頻次（a）和各雨量級降雨量（b）Fig.2 The number of rainfall event（a）and the gross rainfall in different grade（b）

2.2 灌叢穿透雨的變化特征

圖3 為穿透雨及其占降雨量百分比（以下稱穿透百分比）與降雨量的關系圖。在所觀測的14次降雨中，累計降雨量為114.8 mm，總共的穿透雨量為80.6 mm，占降雨量的百分比為70.3%。其中最大值為16.13 mm，占降雨量的75.14%，最小值為2.34 mm，占降雨量的60.1%。

回歸分析建立了降雨量與穿透雨量的回歸方程并進行了擬合，兩者呈顯著的線性正相關（R2＝0.989，P＜0.001）。根據(jù)次降雨量和穿透雨量的回歸方程TF＝0.802（P－1.1），和Aston［11］的研究一致，可以從理論上計算得知降雨量小于1.1 mm時，小葉錦雞兒灌叢下將無穿透雨，即該灌叢的截留量為1.1 mm，這與實際觀測的≤2 mm降雨，沒有穿透雨基本吻合。

通過對穿透百分比（TF%）與降雨量（P）之間的關系進行了多種函數(shù)的擬合，比較得知指數(shù)函數(shù)具有較高的擬合性（R2＝0.775，P＜0.001）。通過函數(shù)曲線可以看出，穿透百分比隨著降雨量的增加而逐漸增大，到最后趨于穩(wěn)定值。通過曲線方程可以計算出，穿透百分比的穩(wěn)定值為76.32%。

圖3 降雨量與穿透雨、穿透雨百分比之間的回歸關系Fig.3 The correlation between throughfall and gross rainfall，and the correlation between throughfall percentage and gross rainfall

2.3 樹干莖流變化特征

試驗期間，總共觀測了11次降雨的莖流，11次降雨總量為103.1 mm，總的莖流量為4.14 mm，占降雨量的4.02%。莖流量的最大值為1.10 mm，占降雨量的5.12%；莖流量的最小值為0.060 mm，占降雨量的1.12%。試驗期間，觀測到的莖流的最小降雨量為3.9 mm（試驗期間并沒有2～3.9 mm之間的降雨），在此降雨量下觀測到了樹干莖流，這就說明小葉錦雞兒產(chǎn)生樹干莖流的臨界值較?。ㄔ?～3.9 mm之間）。主要是因為小葉錦雞兒的枝干較直立，分枝與地面的夾角較大，根據(jù)Crockford和Richardson［12］認為降雨的角度是影響莖流的一個非常重要的因素；同時小葉錦雞兒的枝條較多，采用標準枝的方法測定本身就使得莖流量偏大。

回歸分析表明，降雨量與樹干莖流量之間呈顯著的正相關關系（R2＝0.967，P＜0.001），降雨量和樹干莖流的關系可以用SF＝0.046P－0.05來表示。式中，SF為樹干莖流（mm），P為降雨量（mm）。

2.4 灌叢截留的變化特征

利用公式（1），可以算出植被灌叢的降雨截留量，11次觀測降雨中小葉錦雞兒灌叢累計截留量為25.8 mm，占所觀測降雨量的25.1%。截留量的最大值為6.35 mm，占降雨量的29.5%；最小值為1.36 mm，占降雨量的34.9%。

通過回歸分析和曲線擬合來看（圖4），降雨量（P）與截留量（I）兩者之間呈顯著的線性正相關關系（R2＝0.841，P＜0.001）；而指數(shù)函數(shù)可以較好的說明降雨量與截留百分比之間的關系（R2＝0.82，P＜0.001）。通過函數(shù)曲線發(fā)現(xiàn)，截留百分比隨降雨量先減小，最后基本趨于穩(wěn)定。降雨量對截留百分比的變化比較明顯，雨量較少時，降雨中的大部分用于滿足葉片、枝干的吸附以及蒸發(fā)消耗，此時植被對降雨的截留相對較大。在枝干、葉片吸附飽和后，截留百分比逐漸趨于穩(wěn)定，根據(jù)曲線方程計算可以得到降雨截留百分比的穩(wěn)定值為19.62%。

2.5 灌叢穿透百分比、截留率與降雨強度的關系

從降雨強度對灌叢截留率的影響來看，平均降雨強度不能很好的反映截留率的變化。結合研究區(qū)的降雨特征，主要是以短歷時的陣雨為主，所以選擇了1 h最大降雨強度來分析降雨強度對截留率和穿透百分比的變化影響。通過回歸分析得到最大降雨強度和穿透百分比以及截留率之間的擬合曲線，可以看出隨著1 h最大降雨強度的增加，灌叢截留率逐漸減小，穿透百分比則隨降雨強度的增加而逐漸增加（圖5）。

3 結論與討論

降雨過程中，土壤能接受到的水分主要受地表覆蓋和降雨特征影響。在科爾沁沙地，通過人工植被的建設將流動沙丘變?yōu)楣潭ㄉ城?，改變地表植被覆蓋的同時也改變了水分轉(zhuǎn)換關系，因此，人工植被區(qū)灌叢降雨截留是水文循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)，其中的灌叢截留量是研究降雨過程非常重要的參數(shù)。研究區(qū)64.3%的降雨＜5 mm，降水量變幅在0.2～21.5 mm之間，平均降雨強度在0.2～10.6 mm／h之間變化，這種降雨特征下，平均降雨強度與植被截留率的關系呈現(xiàn)出非線性關系。

圖4 降雨量與截留量、截留百分比之間的回歸關系Fig.4 The correlation between gross rainfall and interception，and the correlation between gross rainfall and interception percentage

圖5 降雨強度與穿透百分比、截留百分比之間的回歸關系Fig.5 The correlation between rain intensity and throughfall percentage，and the correlation between rain intensity and interception percentage

比較前人的研究結果，科爾沁沙地小葉錦雞兒灌叢的截留量、穿透雨量和樹干莖流百分比分別為25.1%，70.9%和4.0%，與楊志鵬等［13］在毛烏素沙地的黃柳（Salixgordejevii）灌叢（24.9%，72.2%和2.9%）以及Navar和 Bryan［14］在墨西哥東北部地區(qū)的Diospyrustexana，Acaciafarnesiana和Prosopislaevigata灌叢（27.1%，69.8%和3.1%）的研究結果相似，這主要是因為科爾沁沙地、毛烏素沙地和墨西哥的Linares地區(qū)都是處于半干旱地區(qū)，其降雨特征類似所致；而在California的North Fork地區(qū)，Hamilton和Rowe［15］對于Chaparral灌叢的研究發(fā)現(xiàn)：其截留量、穿透雨量和樹干莖流百分比分別為5%，80%和15%，這種截然不同的分配比例主要是降雨特征的不同所致，North Fork地區(qū)試驗期間的降雨量為1 149 mm，比科爾沁沙地年均366.4 mm的降雨量多得多。

小葉錦雞兒灌叢的降雨截留量、穿透雨量和樹干莖流量與降雨量之間呈顯著的正相關關系，都隨降雨量的增加而增加。從曲線擬合的變化趨勢看，穿透百分比隨降雨量增加先增加，最后趨于穩(wěn)定值；而截留百分比隨降雨量的增加先減小，最后趨于穩(wěn)定值。指數(shù)函數(shù)關系理論上當降水無窮大時穿透雨百分比趨于最大值，為76.32%，截留百分比趨于最小值，為19.62%。

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