陜北黃土高原檸條灌叢穿透雨特征與影響因素

艾長(zhǎng)江,高光耀,袁 川,童菊秀,安金霞,傅伯杰

1 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100083 2 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 3 云南大學(xué)國際河流與生態(tài)安全研究院,昆明 650500

降雨是干旱半干旱區(qū)的主要水源,水分是植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵限制因子。干旱區(qū)水文過程控制植被的分布、結(jié)構(gòu)和組成,同時(shí)植被在各種尺度上也對(duì)水文過程產(chǎn)生重要的反饋?zhàn)饔肹1- 2]。植被冠層對(duì)降雨的再分配是指降水通過林冠過程中發(fā)生的傳輸路徑的改變[3],降雨經(jīng)植被冠層攔截后分為穿透雨、莖流和冠層截留損失三個(gè)部分[3],該過程重塑了水量空間分布格局,直接影響冠層下土壤水分補(bǔ)給以及土壤-植物-大氣連續(xù)體的生物地球化學(xué)循環(huán)過程,對(duì)植被生長(zhǎng)具有重要影響。降雨再分配過程受到降雨特征、植被冠層特征、氣象因素及其交互作用的綜合影響[4]。通過冠層間空隙或間接從枝條葉片上滴落的水量成為穿透雨,分為兩種類型,一類是降雨通過冠層空隙直接到達(dá)地面,被稱作自由穿透雨,另一類是從葉片、枝條滴落的雨水稱為釋放穿透雨[5- 7]。穿透雨是降水再分配的最大組分,喬木和灌木穿透雨占次降雨量的比例約為80%和50%[5,8]。穿透雨是冠層下土壤水分的主要補(bǔ)給源,影響土壤水分和養(yǎng)分的空間分布[9]、土壤侵蝕、根系分布和生長(zhǎng)[10- 11]、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[12]等一系列過程。因此,研究植被的穿透雨特征與影響因素,有助于理解植被對(duì)降雨的利用狀況和土壤水分的補(bǔ)給過程,對(duì)于揭示植被冠層影響下的生態(tài)水文過程機(jī)理具有重要的意義。

目前關(guān)于穿透雨過程的研究大多集中在熱帶、亞熱帶地區(qū),以喬木類樹種為主,對(duì)干旱半干旱地區(qū)灌木穿透雨特征的研究還相對(duì)較少[13-14]。在干旱半干旱區(qū),由于水分限制作用,灌木大多呈叢狀和斑塊狀等零散分布,形成“水力島”和“肥力島”,這是灌木適應(yīng)環(huán)境的一種生存機(jī)制,而穿透雨對(duì)灌叢下土壤水分和養(yǎng)分補(bǔ)給至關(guān)重要,對(duì)植被生長(zhǎng)具有關(guān)鍵作用[2,9]。Martinez-Meza 和Whitford研究了墨西哥北部Chihuahua沙漠3種典型灌叢的穿透雨特征,表明不同物種的穿透雨具有明顯的種間變異性,與不同灌叢形態(tài)特征的差異有關(guān)[15]。劉章文等研究表明祁連山4 種灌叢的穿透雨率為52.3%—63.5%,穿透雨量和穿透雨率與降雨量分別呈顯著的線性和指數(shù)函數(shù)關(guān)系[16]。Carlyle-Moses研究了墨西哥北部東馬德雷山Matorralcommunity灌叢25場(chǎng)降雨下的穿透雨特征,并給出了穿透雨量和穿透雨率與降雨量的關(guān)系式分別為TF=0.849P-0.239和TF%=66.07+21.0P/(3.89+P)[17]。Zhang等研究了騰格里沙漠兩種荒漠灌叢(檸條和沙蒿)的穿透雨特征,結(jié)果顯示穿透雨量隨降雨量和歷時(shí)的增加而呈線性增加,隨雨強(qiáng)的增加呈指數(shù)形式增加,并且存在理論的極大值,而穿透雨率隨降雨量和雨強(qiáng)的增加呈指數(shù)形式增加,隨歷時(shí)的增加而呈線性增加[18]。楊志鵬測(cè)得毛烏素沙柳灌叢穿透雨量占次降雨量的比例范圍在23.36%—94.20%之間,平均值為71.19%,穿透雨比例與降雨量和最大十分鐘雨強(qiáng)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系[19]。Germer等指出冠層下穿透雨存在著空間異質(zhì)性,其大小與降雨量、雨強(qiáng)和歷時(shí)有關(guān)[20]。Gómez等研究得出在降雨量較大的情況下,如暴雨時(shí),穿透雨空間分布比較一致,而降雨量較小時(shí)穿透雨空間變異較大[21]。同時(shí),觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)穿透雨量會(huì)大于冠層外降雨量,即聚集效應(yīng)。萬艷芳等對(duì)祁連山單株鮮黃小檗的穿透雨觀測(cè)表明,部分觀測(cè)點(diǎn)的穿透雨率大于100%,證實(shí)了聚集效應(yīng)的存在[22]。上述研究對(duì)理解不同灌叢類型穿透雨過程及其對(duì)土壤水文過程的影響機(jī)理具有重要作用,但對(duì)于灌叢穿透雨的影響機(jī)制特別是植被特征對(duì)穿透雨的影響認(rèn)識(shí)依然有限,且對(duì)穿透雨空間異質(zhì)性與聚集效應(yīng)的研究相對(duì)較少,需要開展進(jìn)一步的系統(tǒng)性研究。

為此,本文以陜北黃土高原典型灌叢(檸條)為研究對(duì)象,通過對(duì)單株檸條穿透雨和植被特征以及降雨氣象因子的系統(tǒng)觀測(cè),分析穿透雨量、穿透雨率、穿透雨空間變異和聚集效應(yīng)的變化特征,辨識(shí)影響穿透雨的主要降雨和植被因子,并建立相應(yīng)定量關(guān)系,深入理解穿透雨過程與影響機(jī)理,為黃土高原檸條灌叢生態(tài)水文功能的定量評(píng)價(jià)和干旱區(qū)植被恢復(fù)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省神木縣六道溝小流域(110°21′—110°23′E,38°46′—38°51′N),海拔1081.0—1273.9 m,流域面積6.89 km2,主溝道南北走向,長(zhǎng)4.21 km,屬窟野河二級(jí)支流。該流域地處黃土高原北端和毛烏素沙地南緣,典型的沙蓋黃土丘陵溝壑地貌,呈現(xiàn)典型的過渡帶特征,即水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶、森林草原和荒漠草原過渡帶。研究區(qū)屬中溫帶半干旱氣候,冬春季干旱少雨、多風(fēng)沙,夏秋多雨,多年平均降雨量為437.4 mm,70%以上的降雨集中在6—9 月,年潛在蒸發(fā)量超過1000 mm,年可利用水資源相對(duì)缺乏。年均氣溫8.4℃,全年無霜期為153 d,年日照時(shí)數(shù)2836 h,年總太陽輻射為5922 MJ/m2。土壤主要有綿沙土、新黃土、紅土及在沙地發(fā)育起來的風(fēng)沙土和沙地淤土。小流域主要土地利用類型包括草地、灌叢和耕地,植被類型為干旱灌叢草原,主要灌叢類型有檸條和沙柳。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

樣地設(shè)置與植株選取：選擇六道溝小流域20年生檸條地作為試驗(yàn)樣地,坡向?yàn)槟掀?4°,坡度為13°。選取生長(zhǎng)良好、獨(dú)立且具有代表性的4株檸條作為試驗(yàn)灌叢,其平均株高為(2.08±0.07) m,冠幅面積為(5.06±6) m2,平均枝數(shù)為36±4.10,平均葉面積指數(shù)為2.46±0.24。在2016年6—9月開展降雨與氣象因子、穿透雨和冠層形態(tài)結(jié)構(gòu)的測(cè)定。

降雨與氣象因子測(cè)定：在檸條樣地附近的空曠處放置自記式雨量計(jì)(RG3-M,美國Onset公司),精度為0.2 mm,監(jiān)測(cè)降雨特征數(shù)據(jù),并計(jì)算次降雨量(P,mm)、降雨歷時(shí)(RD,h)、平均降雨強(qiáng)度(I,mm/h)、最大5、10 min和30 min雨強(qiáng)(I5、I10和I30,mm/h)。同時(shí),以自記式雨量計(jì)為圓心、50 cm為半徑、120°為夾角,均勻布設(shè)3個(gè)簡(jiǎn)易雨量筒(內(nèi)口直徑20 cm、深度23 cm),與自記式雨量計(jì)的次降雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。氣象因子通過自動(dòng)氣象站測(cè)定(Dynamet,美國),包括空氣溫度(℃)、相對(duì)濕度(%)、風(fēng)速(m/s)和風(fēng)向(°)等。

穿透雨測(cè)定：穿透雨用簡(jiǎn)易雨量筒測(cè)定,以檸條基部為中心,在東、東南、南、西南、西、西北、北、東北8個(gè)方位,距離基部70 cm處水平布設(shè)雨量筒。單次降雨事件結(jié)束后,立即測(cè)定每個(gè)雨量筒的穿透雨量,蒸發(fā)損失可以忽略不計(jì)。試驗(yàn)期間穿透雨量最大值為12.69 cm,雨量筒深度能夠保證水面離桶口距離超過10 cm,可以有效防止穿透雨從雨量筒中濺出。將8個(gè)雨量筒的穿透雨平均值作為該株灌叢的穿透雨量(TF,mm),并計(jì)算穿透雨率(穿透雨量與降雨量比值)(TP,%)和穿透雨空間變異系數(shù)(不同方位穿透雨的空間差異)(CV,%)。將4株檸條穿透雨量、穿透雨率、空間變異系數(shù)取均值,作為單次降雨事件下檸條的穿透雨特征值[23]。

冠層形態(tài)結(jié)構(gòu)測(cè)定：葉面積指數(shù)(LAI)利用冠層分析儀測(cè)定(LAI- 2200C,美國LI-COR公司),每月中旬測(cè)量一次。LAI測(cè)定方式為單株測(cè)量,采用多點(diǎn)掃描取均值方法測(cè)量。測(cè)量中將LAI- 2200c設(shè)定成1A8B模式,以單株冠層下所設(shè)雨量筒上方10 cm處作為測(cè)點(diǎn)、對(duì)攝像頭進(jìn)行270°遮擋并掃描,每株檸條測(cè)量5次取平均作為最終的LAI結(jié)果。冠層厚度(CT)采用5 m長(zhǎng)的標(biāo)桿豎立在雨量筒位置處測(cè)量,將雨量筒上方冠層的上下刻度差值作為冠層厚度。枝傾角(BA)選擇雨量筒上方的枝干用量角器測(cè)量。枝長(zhǎng)(BL)選擇雨量筒上方的枝干用5 m長(zhǎng)標(biāo)桿平行測(cè)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本研究運(yùn)用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。為全面刻畫穿透雨的變化特征,首先確定TF、TP和CV的主要特征(平均值、最小值、最大值、標(biāo)準(zhǔn)差),并確定不同降雨量、強(qiáng)度和歷時(shí)量級(jí)下,聚集效應(yīng)發(fā)生的次數(shù)和頻率。為分析降雨因子對(duì)穿透雨的影響機(jī)制,首先采用Pearson相關(guān)性分析檢驗(yàn)TF、TP和CV與降雨因子(P、RD、I、I5、I10、I30)間的相關(guān)性,辨識(shí)影響穿透雨的主要因子,并通過回歸分析建立穿透雨與降雨因子的關(guān)系式,確定顯著因子和擬合方程[20,24]。通過Pearson相關(guān)性分析檢驗(yàn)TP與冠層特征變量(LAI、CT、BL、BA)的相關(guān)性,確定影響穿透雨的主要冠層形態(tài)因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征

圖1 試驗(yàn)期間降雨特征Fig.1 Characteristics of rainfall events during the study period in 2016

2016年6—9月期間產(chǎn)生穿透雨的降雨事件共37場(chǎng),總降雨量為509.68 mm,平均次降雨量為13.78 mm,標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別為24.75 mm和179.70%。試驗(yàn)期間降雨特征見圖1。產(chǎn)生穿透雨的次降雨量最小值為0.48 mm(6月9日),最大值為134.44 mm(7月8日)。從雨量分配上看,降雨量為<5 mm、5—10 mm、10—20 mm和>20 mm 4個(gè)雨量級(jí)的降雨次數(shù)分別為17、9、6和5,累計(jì)降雨量分別占總降雨量的8.8%、13.1%、18.5%和59.6%。降雨強(qiáng)度波動(dòng)較大,從最小雨強(qiáng)0.40 mm/h(7月14日)到最大雨強(qiáng)47.86 mm/h(6月6日),平均值為5.43 mm/h,標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別為8.77 mm/h和161.52%。平均降雨強(qiáng)度<2 mm/h、2—5 mm/h、5—10 mm/h和>10 mm/h的降雨次數(shù)分別為15、12、5和5。I5、I10和I30平均值分別為21.14 mm/h、16.45 mm/h和10.94 mm/h,最小值分別為1.20 mm/h(6月13日、9月6日、9月21日)、0.80 mm/h(6月13日)和0.60 mm/h(6月13日),最大值分別為96.00 mm/h(7月24日)、76.80 mm/h(7月24日)和46.00 mm/h(8月14日)。降雨歷時(shí)的平均值為4.17 h,標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別為5.26 h和126.18%,最短降雨歷時(shí)為0.12 h(6月6日、6月9日),最長(zhǎng)為26.67 h(7月8日)。歷時(shí)<5 h、5—10 h、>10 h的降雨次數(shù)分別為27、6、4。

2.2 穿透雨的變化特征

表1為次降雨事件下穿透雨量、穿透雨率和穿透雨空間變異系數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。試驗(yàn)期間總穿透雨量為439.51 mm,占總降雨量的86.23%。穿透雨量和穿透雨率的平均值分別為11.88 mm和75.71%。最小穿透雨量(0.24 mm)和穿透雨率(40.98%)由降雨量為0.58 mm(9月21日)的事件產(chǎn)生。最大降雨事件(134.44 mm)產(chǎn)生的穿透雨量為126.91 mm,穿透雨率為94.40%。穿透雨空間變異系數(shù)的平均值為21.80%,最小變異系數(shù)為10.00%,對(duì)應(yīng)降雨量為57.77 mm(8月14日),最大變異系數(shù)為61.4%,對(duì)應(yīng)降雨量為0.58 mm。

表1 穿透雨統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.3 穿透雨與降雨特征的關(guān)系

相關(guān)性分析表明,TF與P、RD、I10、I30呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與P 的相關(guān)性系數(shù)為0.999(表2)?；貧w分析表明,TF與降雨特征的關(guān)系用線性函數(shù)擬合效果最好(圖2),其中TF與P線性關(guān)系式的R2值為0.999,說明穿透雨量主要由降雨量決定,可以采用降雨量直接求算穿透雨量,即TF=0.935P-0.994。利用TF與P的線性回歸關(guān)系式,可以得到產(chǎn)生穿透雨的臨界降雨量為1.06 mm(TF為0時(shí)對(duì)應(yīng)的P值)。

表2 穿透雨量、穿透雨率和空間變異系數(shù)與降雨特征的相關(guān)性分析

P: precipitation; RD: rainfall duration; I: rainfall Intensity; I5: maximum rainfall intensity in 5 min; I10: maximum rainfall intensity in 10 min; I30: maximum rainfall intensity in 30 min. *表示在0.05水平上顯著,**表示在0.01水平上顯著

圖2 穿透雨量與降雨量、降雨歷時(shí)、平均降雨強(qiáng)度、I5、I10和I30關(guān)系Fig.2 Relationship between throughfall and precipitation amount, rainfall duration, average rainfall intensity, I5, I10 and I30TF: 穿透雨量, through; P, 降雨量, precipitation; RD, 降雨歷時(shí), rainfall duration; I, 平均降雨強(qiáng)度, average rainfall intensity; I5, 最大5min雨強(qiáng), maximum rainfall intensity in 5 min; I10, 最大10min雨強(qiáng), maximum rainfall intensity in 10 min; I30, 最大30min雨強(qiáng), maximum rainfall intensity in 30 min

表2表明,TP與P、RD、I5、I10和I30呈顯著正相關(guān)(P<0.01)。TP與降雨特征的擬合關(guān)系如圖3所示,通過比較得出對(duì)數(shù)函數(shù)擬合效果最好。結(jié)果表明,TP與P的對(duì)數(shù)關(guān)系式R2值最高(0.71),其次為I30(0.54),說明P和I30對(duì)穿透雨率的影響最大。由圖3可知,在降雨量<20 mm時(shí),TP隨P變化增長(zhǎng)較快,超過20 mm后增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩,并逐漸趨近漸進(jìn)值,約為95%。TP隨RD與其他降雨指標(biāo)的變化存在類似規(guī)律,前期隨降雨變化增長(zhǎng)較快,當(dāng)歷時(shí)超過6 h、降雨強(qiáng)度達(dá)到10 mm/h后趨于穩(wěn)定。即使降雨持續(xù)到更大范圍即降雨量>50 mm,降雨強(qiáng)度>30 mm/h,降雨歷時(shí)>12 h后,穿透雨率仍然能夠處于穩(wěn)定。

圖3 穿透雨率與降雨量、降雨歷時(shí)、平均降雨強(qiáng)度、I5、I10和I30關(guān)系Fig.3 Relationship between throughfall percentage and precipitation amount, rainfall duration, average rainfall intensity, I5, I10 and I30TP: 穿透雨率, through percentage; P, 降雨量, precipitation; RD, 降雨歷時(shí), rainfall duration; I, 平均降雨強(qiáng)度, average rainfall intensity; I5, 最大5min雨強(qiáng), maximum rainfall intensity in 5 min; I10, 最大10min雨強(qiáng), maximum rainfall intensity in 10 min; I30, 最大30min雨強(qiáng), maximum rainfall intensity in 30 min

2.4 穿透雨與冠層形態(tài)特征關(guān)系

冠層形態(tài)特征顯著改變了穿透雨的傳輸路徑和空間分布。結(jié)果表明,檸條穿透雨率隨著葉面積指數(shù)、冠層厚度和枝長(zhǎng)的增大而降低,而隨著枝傾角的增大而升高(圖4)。相關(guān)性分析表明,穿透雨率與冠層厚度和枝傾角的相關(guān)性達(dá)到顯著(P<0.05),和葉面積指數(shù)和枝長(zhǎng)的相關(guān)性不顯著(P>0.05)。冠層厚度和枝傾角是影響檸條穿透雨的重要因子。

圖4 穿透雨率與葉面積指數(shù)、冠層厚度、枝長(zhǎng)和枝傾角關(guān)系Fig.4 Relationship between throughfall percentage and LAI, canopy thickness, branch length and branch angleLAI: 葉面積指數(shù), leaf area index; CT: 冠層厚度, canopy thickness; BL: 枝長(zhǎng), branch length; BA: 枝傾角, branch angle

2.5 穿透雨的空間異質(zhì)性

相關(guān)性分析表明,檸條冠層下穿透雨空間變異系數(shù)與降雨量和降雨歷時(shí)的相關(guān)性顯著(P<0.05)、與平均降雨強(qiáng)度關(guān)系不顯著,與I5、I10、I30的相關(guān)性達(dá)到極顯著(P<0.01),均為負(fù)相關(guān),且與I30的相關(guān)性最好(表2)。回歸分析表明,空間變異系數(shù)與降雨因子的關(guān)系采用冪函數(shù)擬合效果最好(圖5)。較小降雨時(shí),穿透雨空間變異系數(shù)較大,并隨降雨的增大逐漸降低。在降雨量超過20 mm、歷時(shí)超過6 h、雨強(qiáng)超過10 mm/h時(shí),穿透雨空間變異系數(shù)趨于穩(wěn)定,漸進(jìn)值約為10%。降雨持續(xù)到更大范圍時(shí)(降雨量>50 mm,降雨強(qiáng)度>30 mm/h,降雨歷時(shí)>12 h),變異系數(shù)依然能夠保持穩(wěn)定。

圖5 穿透雨空間變異系數(shù)與降雨量、降雨歷時(shí)、平均降雨強(qiáng)度、I5、I10和I30關(guān)系Fig.5 Relationship between coefficient of variation of throughfall and precipitation amount, rainfall duration, average rainfall intensity, I5, I10 and I30CV: 穿透雨空間變異系數(shù), coefficient of variation; P, 降雨量, precipitation; RD, 降雨歷時(shí), rainfall duration; I, 平均降雨強(qiáng)度, average rainfall intensity; I5, 最大5min雨強(qiáng), maximum rainfall intensity in 5 min; I10, 最大10min雨強(qiáng), maximum rainfall intensity in 10 min; I30, 最大30min雨強(qiáng), maximum rainfall intensity in 30 min

2.6 穿透雨聚集效應(yīng)

自記式雨量計(jì)和雨量筒測(cè)定的冠層外次降雨量具有非常好的一致性,可以排除灌叢外降雨和冠層下穿透雨觀測(cè)設(shè)備不同對(duì)聚集效應(yīng)的影響。1184個(gè)穿透雨觀測(cè)值中,共有101次穿透雨率超過100%,聚集效應(yīng)發(fā)生頻率為8.53%。聚集效應(yīng)發(fā)生頻率隨降雨量、I30和RD量級(jí)的增加而增大,變化規(guī)律如圖6所示。在0—5 mm、5—10 mm和10—25 mm降雨量級(jí)時(shí),聚集效應(yīng)發(fā)生頻率分別為5.51%、7.64%和11.46%,而當(dāng)降雨量>20 mm時(shí),發(fā)生聚集效應(yīng)的觀測(cè)點(diǎn)比率高達(dá)16.88%,聚集效應(yīng)的發(fā)生隨著降雨量級(jí)的增大明顯增多。在I30為<2 mm/h、2—5 mm/h、5—10 mm/h和<10 mm/h等4個(gè)不同量級(jí)的雨強(qiáng)下,聚集效應(yīng)發(fā)生頻率分別為4.69%、5.94%、7.99%、13.02%。聚集效應(yīng)頻率在降雨歷時(shí)<5 h和5—10 h時(shí)分別為7.00%和7.03%,超過10 h后聚集效應(yīng)頻率升至21.09%,降雨歷時(shí)影響效果非常明顯。

圖6 不同降雨量、I30、降雨歷時(shí)量級(jí)下穿透雨聚集效應(yīng)頻率Fig.6 Frequency of aggregation effect of throughfall under different regimes of precipitation amount, I30 and rainfall durationFAE: 穿透雨聚集效應(yīng)頻率, frequency of aggregation effect; P, 降雨量, precipitation; I30, 最大30min雨強(qiáng), maximum rainfall intensity in 30 min; RD, 降雨歷時(shí), rainfall duration

3 討論

在本研究中,檸條植株穿透雨率為75.71%,這與科爾沁沙地小葉錦雞兒70.9%[25]、騰里沙漠東南緣檸條74.70%[26]、沙坡頭試驗(yàn)站檸條69.7%[9]等的穿透雨研究結(jié)果相近。檸條穿透雨率與降雨量、降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度(I5、I10、I30)顯著相關(guān),其中降雨量的影響最大,可用次降雨量值來求算穿透雨量。已往研究中多采用平均降雨強(qiáng)度表征雨強(qiáng)的影響[9,17- 18,25- 28],但本研究表明時(shí)段最大雨強(qiáng)(I5、I10、I30)對(duì)穿透雨的影響比平均降雨強(qiáng)度更大,其中I30與穿透雨的關(guān)系最顯著。這主要是由于研究區(qū)降雨集中,暴雨和陣雨較多。相比于降雨量和雨強(qiáng),降雨歷時(shí)對(duì)穿透雨的作用更多的體現(xiàn)在后續(xù)降雨的補(bǔ)給,穿透雨率隨著時(shí)間持續(xù)越來越大,直至穩(wěn)定。本研究出現(xiàn)有降雨量>50 mm、降雨強(qiáng)度>30 mm/h、降雨歷時(shí)>12 h的干旱半干旱區(qū)罕見降雨條件,在極端降雨條件下穿透雨率依然能保持穩(wěn)定。

穿透雨除受降雨特征的影響外,還與冠層形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)[9,29-30]。研究發(fā)現(xiàn),檸條的冠層厚度、枝長(zhǎng)、枝傾角、葉面積指數(shù)均會(huì)影響穿透雨的產(chǎn)生與分布,部分雨水直接穿過林隙而進(jìn)入林地,被冠層截留的部分,雨量超過冠層截留容量時(shí)集聚而滴落[9]。葉面積指數(shù)越大,冠層郁閉度越高,阻止降雨進(jìn)入林下的能力就越大[9,14]。冠層厚度越大,雨水透過冠層向下傳輸距離越長(zhǎng),阻力增大,過程損失消耗增多,產(chǎn)生穿透雨量越少。枝傾角越大和枝長(zhǎng)越短時(shí),冠層下形成的直接穿透雨比重越大,有利于形成更多的穿透雨量[3]。本研究表明,冠層厚度和枝傾角與穿透雨率的相關(guān)性顯著(P<0.05),其中冠層厚度的相關(guān)性最好。冠層厚度是影響穿透雨的最重要因素,這與李振新等[13]、盛后財(cái)?shù)萚30]等的研究結(jié)果一致。Zhang等[9]和時(shí)忠杰等[14]認(rèn)為葉面積指數(shù)、楊憲龍[31]認(rèn)為總枝條數(shù)對(duì)灌叢穿透雨的影響最大。這主要是由于不同灌叢的植株分枝角度、葉片形態(tài)有很大差異,進(jìn)而導(dǎo)致了研究結(jié)果的差異。通過上述形態(tài)特征對(duì)穿透雨的影響可以總結(jié),對(duì)于檸條灌叢而言,小型短枝收攏型植株比大型長(zhǎng)枝半球型植株有更強(qiáng)的穿透雨的產(chǎn)生能力。

穿透雨在檸條冠層下不同位置處具有明顯的空間差異。穿透雨空間異質(zhì)性主要由冠層形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的空間分異產(chǎn)生,而降雨條件則會(huì)進(jìn)一步改變穿透雨的空間異質(zhì)性。在本研究中,影響穿透雨空間變異的主要降雨因子是降雨量和I30。降雨量較小時(shí)林冠枝葉的降雨截持作用明顯,從而使穿透雨空間差異變大,降雨量較大時(shí),林冠截持作用相對(duì)變小,使得穿透雨空間差異減小[14]。盛后財(cái)?shù)萚30]認(rèn)為穿透雨變異系數(shù)與降雨強(qiáng)度相關(guān)性不顯著(P>0.05),本研究中變異系數(shù)與I30的相關(guān)性達(dá)到了極顯著(P<0.01)。在較大降雨強(qiáng)度時(shí),雨滴沖擊強(qiáng)度大,可使被截留的部分降雨滴落,冠下穿透降雨分布更平均,異質(zhì)性降低[17]。聚集效應(yīng)是穿透雨空間異質(zhì)性的一種體現(xiàn),主要是由于灌叢分枝角度、葉片角度及形狀等原因,使冠層截留于葉片的雨水沿一定方向集中起來落于冠層下[32],或者在枝條交叉處和不同莖級(jí)枝條分叉處,莖流在交叉處匯集受阻滴落形成穿透雨,進(jìn)而導(dǎo)致該點(diǎn)穿透雨明顯升高。在小雨量、低雨強(qiáng)、短時(shí)性降雨時(shí),這種冠層匯集降雨的作用不明顯,在降雨較大、高雨強(qiáng)時(shí)匯集作用顯著。因此,盡管冠層截留降水,減少了冠層下水分的輸入,但是冠層結(jié)構(gòu)和降雨特征改變了降水的空間分布格局,冠層下部分位置可獲得較多的雨水,甚至高于冠層外的降雨量,這對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)變化具有重要影響。

4 結(jié)論

檸條穿透雨量主要由降雨量決定,可采用線性關(guān)系式通過降雨量直接確定穿透雨量,產(chǎn)生穿透雨的臨界降雨量為1.06 mm。穿透雨率隨降雨量和I30增加而呈對(duì)數(shù)增加,隨著降雨持續(xù)逐漸趨于穩(wěn)定,漸進(jìn)值約為95%。冠層厚度和枝傾角是影響穿透雨的主要植被因子,其中冠層厚度影響較大,小型短枝收攏型檸條植株比大型長(zhǎng)枝半球型檸條有更強(qiáng)的穿透雨產(chǎn)生能力。檸條穿透雨具有較大的空間變異性,平均值為21.80%,變異系數(shù)隨降雨特征值的增大呈冪函數(shù)降低。降雨過程中穿透雨會(huì)發(fā)生聚集效應(yīng),平均發(fā)生頻率為8.53%,聚集效應(yīng)在小降雨條件下發(fā)生較少,在在大雨量、高雨強(qiáng)和長(zhǎng)歷時(shí)降雨條件下頻次較高。本文僅研究黃土高原單一地區(qū)、單一年限和單一物種的穿透雨特征,有必要在不同區(qū)域、選擇不同生長(zhǎng)年限開展不同灌叢穿透雨特征的對(duì)比分析和系統(tǒng)研究,這對(duì)揭示黃土高原灌叢生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)水文過程和指導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和管理具有重要的科學(xué)和實(shí)踐價(jià)值。