冠层截留作为水文循环过程中的重要环节, 对土壤水分分布、地表径流产生、河川径流调节等影响重大^[1-3]。在干旱半干旱区, 降雨是植被恢复与重建的关键限制因素, 其对土壤水分的有效补给决定了植被恢复的可持续性^[4-6]。而冠层截留会影响到达地面的土壤水分含量, 从而影响植物生长^[7]。研究灌丛冠层截留特征, 对于理解荒漠草原区灌木的生态水文机理具有重要意义, 因此对灌丛冠层截留的研究一直是生态水文研究领域的热点问题^[8-9]。

冠层截留常受降雨特征、植被特征以及气象因素等多种因素的综合影响。降雨特征主要包括降雨量、降雨强度、持续时间、降雨间隔等^[10-11]；植被特征主要包括冠层结构、高度、分枝角度、叶面积等^[12-15]；气象因素主要包括风速、温度、湿度等^[16-17]。基于冠层截留的复杂性, 国内外学者都对其进行了大量的研究。目前, 关于植被冠层截留特征的研究多集中在温带森林^[18-19]和热带雨林^[20-22], 而针对干旱半干旱区降雨截留的研究较少。Llorens和Domingo^[23]对过去30年来欧洲地中海地区降雨截留的试验研究进行了详尽的回顾, 共包括83个地点的29种不同物种, 而灌丛仅占11%。近些年, 国内学者关于干旱半干旱区灌木冠层截留的研究也逐渐丰富^[24-27], 但针对衰退人工灌丛的研究仍较为少见。

中间锦鸡儿(Caragana intermedia)为豆科锦鸡儿属旱生灌木, 耐贫瘠, 抗干旱, 是荒漠草原地带的优良固沙植物和荒山绿化植物^[28-29]。但是随着林龄和覆盖度的逐年增加, 诸如土壤旱化与灌丛退化等问题开始涌现^[30-32]。地下水埋藏太深与降雨制约是干旱半干旱区灌丛衰退的主要原因^[33], 然而关于荒漠草原衰退人工灌丛中间锦鸡儿(C. intermedia)冠层截留研究较少。中间锦鸡儿对降雨的截留作用如何？截留量与截留率有何变化？不同雨量级下截留对降雨量的响应规律如何？截留随降雨特征如何变化？以上问题是理解中间锦鸡儿对降雨有效利用的关键所在, 是研究中间锦鸡儿衰退的水文机理的基础。

据此, 本研究选取荒漠草原带状人工中间锦鸡儿林的典型灌丛为研究对象(人工组), 以临近的自然散生中间锦鸡儿灌丛为对照(自然组), 研究不同降雨事件下中间锦鸡儿冠层截留与降雨特征值的关系, 分析截留量与截留率的变化、不同雨量级下截留对降雨量的响应、截留变化特征等内容, 以此阐明人工中间锦鸡儿的冠层截留特征。

1 研究区概况

试验区位于宁夏盐池县皖记沟行政村(37°50′N, 107°30′E), 位于毛乌素沙地南缘, 属鄂尔多斯台地向黄土高原过渡地区, 海拔1400 m。该区属中温带大陆性气候, 冬冷夏热, 年温差大, 四季分明, 年降雨量较少。多年平均降水量为290.3 mm, 降水主要集中在7—9月, 降水年变率较大, 年蒸发量2136 mm。地貌形态以鄂尔多斯缓坡高原为主, 主要地带性土壤为灰钙土, 非地带性土壤以风沙土、黑垆土等为主。

研究区植被类型包括灌丛、草原、草甸、沙生植被和荒漠植被等, 以灌丛、草原和沙生植被广泛分布为主^[34], 其中灌丛主要为自然或人工中间锦鸡儿。人工林配置方式为两行一带, 带距6—8 m, 株行距均为1 m。在人工林边缘多见自然散生中间锦鸡儿的出现。

2 研究方法

试验于2016年8—10月和2017年7—8月进行。通过穿透雨和树干径流的测量, 基于水量平衡公式, 换算截留量。

2.1 试验灌丛的选取和试验装置的布设

研究区存在两类中间锦鸡儿林, 一类是人工种植的带状行生林, 另一类是自然散生林, 二者灌丛形态存在明显差别。灌丛相对矮小的人工中间锦鸡儿集中出现在行生林(人工组), 而外貌形态发育正常, 植丛生长较健壮的中间锦鸡儿多出现在散生林(自然组)。据此, 分别随机选择散生林和行生林片区的6丛具有形态代表性的中间锦鸡儿作为自然组和人工组的试验样本。不同灌丛形态结构基本信息见表 1。

穿透雨收集装置：自然组和人工组中间锦鸡儿穿透雨量均采用直径为13 cm、外缘高2 cm的聚乙烯漏斗和外缘高2 cm的聚乙烯瓶收集。将聚乙烯漏斗按照0°、90°、180°、270°辐射方向(即正北、正东、正南、正西4个方向)放置在以灌木基部为圆心的半径上。因人工组和自然组中间锦鸡儿冠幅大小不同, 二者收集装置数量存在差异。自然组中间锦鸡儿每个方向上由内到外放置3个漏斗, 距灌丛中心的距离分别为40 cm, 80 cm和120 cm, 人工组中间锦鸡儿每个方向上由内到外放置2个漏斗, 距灌丛中心的距离分别为40 cm和80 cm。自然组和人工组中间锦鸡儿最外层穿透雨收集装置均为大气降雨收集装置。

树干径流收集装置：本实验采用自制的导流水槽装置测定灌丛树干径流(装置高约5 cm)。用细砂纸打磨距离地面约8 cm处的树干基部, 使得树干表面变得光滑, 并用铝箔胶带将其完全环绕, 确保树干与胶带间密封无缝隙。将类似“烟斗”的环形导流水槽与直径约1 cm的软吸管一端连接用于导水, 另一端伸入聚乙烯瓶用于盛装径流。

2.2 大气降雨的测量

降雨量由安置在研究区内的自动气象站采集装置实时监测, 降雨事件记录时间间隔为1 h。以次降雨为测量基准, 即从降雨开始到降雨结束为一次降雨事件。若雨歇时间不足4 h, 仍将其视为一次降雨。

2.3 穿透雨和树干径流的测量

穿透雨和树干径流的测量仪器均采用实验用标准量筒(规格：1000 mL, 最小分度值5 mL；规格：10 mL, 最小分度值0.1 mL)。每次降雨后, 分别量取各自收集装置收集的穿透雨和树干径流体积即可。

2.4 穿透雨量、树干径流量和冠层截留量的计算

(1) 穿透雨量计算方法：用所测穿透雨量除以容器接受降雨的面积, 将每株灌丛下承接的雨量加权平均, 即为该次降雨下灌丛冠层的穿透雨量^[35]。

(2) 树干径流量计算方法：用树干径流量体积除以灌木投影面积, 即可求得树干径流量^[36]。

(1)

式中, SF为树干径流量(mm)；n为枝干个数；C_i为每枝条平均树干径流体积(mL)；M_i为单株枝干数；A_s为植株的投影面积。

(3) 冠层截留量计算方法：根据水量平衡原理, 灌丛对降雨的再分配分为穿透雨, 树干径流和冠层截留三部分, 因此冠层截留量可通过水量平衡方程计算：

(2)

式中, I为冠层截留量(mm), P为降雨量(mm), TF为穿透雨量(mm), SF为树干径流量(mm)。

2.5 数据处理

运用Microsoft Excel 2010进行数据整理与分析。采用t-检验方法, 分析了自然组和人工组的截留差异显著性(显著性水平设定为α=0.05)。采用描述性统计的方法, 分析了截留量对不同雨量级(< 2 mm, 2—5 mm, 5—10 mm, 10—15 mm, >15 mm)降雨的响应规律。此外, 采用回归方程和曲线拟合方法, 分析截留变化特征, 上述分析在SPSS 20.0统计软件中进行。

3 结果与分析 3.1 试验期间的降雨统计分布特征

整个观测期共计有效降雨33次, 总降雨量为251 mm。次降雨量最小值0.2 mm, 最大值40.2 mm, 平均降雨量为7.6 mm。< 2 mm、2—5 mm、5—10 mm、10—15 mm、15—20 mm、20—35 mm、>35 mm 7个雨量级的降雨频率分别为36.4%、21.2%、12.1%、18.2%、3.0%、6.1%、3.0%；累积降雨量分别为8.6、22.4、31.6、74.2、16.4、57.6、40.2 mm, 依次占总降雨量的3.4%、8.9%、12.6%、29.6%、6.5%、22.9%、16.0%。从上述结果可知, 雨量级为10—15 mm的降雨频数只有18.2%, 但其降雨量占总降雨量的29.6%, 对总降雨量影响最大(图 1)。降雨强度变化范围为0.2—3.7 mm/h, 其中降雨强度 < 1 mm/h的降雨次数最多, 占总降雨次数的60.6%；降雨强度为2—3 mm/h和3—4 mm/h的累计降雨次数分别为1和2次(图 1)。总降雨历时为180 h, 平均值为5.5 h。历时等级为2—5 h的降雨次数最多, 占总降雨次数的27.4%(图 1)。总体来看, 整个观测期间以雨量 < 2 mm, 雨强 < 1 mm/h和历时2—5 h的降雨出现次数最多。

3.2 截留量与截留率的统计分布特征

试验期间共观测到有效降雨33次, 收集到穿透雨和树干径流26次。26次降雨事件中自然组和人工组中间锦鸡儿累计截留量分别为28.81 mm和18.83 mm。自然组截留量最大值为3.27 mm, 占次降雨量的3.0%, 最小值为0.12 mm, 占次降雨量的1.0%；人工组截留量最大值为3.28 mm, 占次降雨量的4.4%, 最小值为0.05 mm, 占次降雨量的0.2%。自然组平均截留量和截留率分别为1.11 mm和24.81%, 人工组平均截留量和截留率分别为0.72 mm和15.95%。差异显著性分析结果表明：自然组和人工组中间锦鸡儿之间冠层截留存在极显著差异(P < 0.01)(图 2)。总体上, 人工中间锦鸡儿冠层截留减少, 这可能是形态特征发生改变的结果。

3.3 截留对降雨量的响应

在自然组中, 平均截留量最大值和最小值分别为1.61 mm和0.36 mm, 分别出现在2—5 mm和 < 2 mm雨量级中, 平均截留率最大值和最小值分别为46.45%和4.57%, 分别出现在2—5 mm和>15 mm雨量级中。在人工组中, 平均截留量最大值和最小值分别为1.58 mm和0.24 mm, 分别出现在>15 mm和 < 2 mm雨量级中, 平均截留率最大值和最小值分别为32.73%和2.80%, 分别出现在2—5 mm和10—15 mm雨量级中。两组灌丛(自然组和人工组)冠层截留量在小降雨事件下(PG < 5 mm)均占有很大的比例, 这与Brauman等关于夏威夷地区小降雨事件增加会增大冠层截留的结论相一致^[37]。在雨量级较大(PG>10 mm)时, 两组灌丛(自然组和人工组)均有平均截留率最小值出现, 并且各雨量级下自然组平均截留率均大于人工组(表 2)。

当降雨量在5—10 mm时, 人工组(10.53%, CV=76.26%)平均截留率的变异性最大。当降雨量在>15 mm时, 自然组(4.57%, CV=73.38%)和人工组(5.25%, CV=51.96%)平均截留率变异性相差最大。

3.4 截留变化特征

通过回归分析与曲线拟合, 两组灌丛的截留量、截留率随降雨量的变化见图 3。幂函数(P < 0.05)和指数函数(P < 0.01)可以分别描述自然组和人工组中间锦鸡儿的截留量和截留率随降雨量的变化过程。当降雨量较小(< 10 mm)时, 截留量均随降雨量的增加而迅速增加；而超过一定雨量范围时, 变化缓慢并趋向稳定。在降雨量 < 10 mm时, 两组灌丛(自然组和人工组)冠层截留率波动幅度均较大, 二者变化范围分别为10%—40%和10%—25%。由此可见, 随着降雨量的不断增大, 灌丛枝条和叶片水分逐步达到饱和, 冠层对降雨的截留能力开始下降, 截留率逐渐减小并趋于稳定。由方程可得, 自然组截留率大于人工组, 这是因为生长良好的自然中间锦鸡儿叶面积和冠幅大于人工中间锦鸡儿, 其冠层对降雨的截留能力更强。

回归分析与曲线拟合结果表明, 自然组和人工组中间锦鸡儿的截留量与降雨历时之间呈幂函数分布(P < 0.05), 截留率与降雨历时呈指数函数分布(P < 0.01)(图 4)。两组灌丛截留量随降雨历时均呈先增加后变化缓慢的趋势；当降雨历时较短(< 5 h)时, 冠层截留率在均值附近波动较大, 随着降雨历时的增加(>10 h), 两组灌丛(自然组和人工组)的截留率逐渐趋于稳定的范围, 分别在0—10%和0—5%之间。

截留量与降雨强度关系的分析结果表明(图 5), 幂函数可以描述自然组(P=0.079)和人工组中间锦鸡儿(P < 0.05)的截留量随降雨强度的变化过程。对截留率与降雨强度之间的关系进行了线性、指数、幂函数的曲线拟合, 比较分析得出指数函数能更好地反映两组灌丛截留率与降雨强度的关系(P < 0.01)。当降雨强度由0增加至1 mm/h时, 两组灌丛的截留率均呈递减趋势；降雨强度>1 mm/h时, 自然组和人工组截留率基本稳定在0—30%和0—15%。截留率与降雨强度的变化间接反映了降雨过程中冠层水分蒸发影响下的截留模式, 这种截留模式对于认识干旱半干旱区水文循环过程具有重要作用。

4 讨论

旱生灌木冠层截留是干旱半干旱区水文循环过程中的一个重要环节, 对荒漠区人工植被的可持续管理具有实际意义。本研究中, 两组灌丛(自然组和人工组)平均截留率分别为24.81%和15.95%, 与徐先英等^[38]在民勤绿洲边缘的梭梭(Haloxylon ammodendron), 柽柳(Tamarix ramosissima)和生长良好白刺(Nitraria tangutorum)灌丛(16.6%, 33.1%和12.0%), 杨志鹏等^[39]关于毛乌素沙地沙柳(Salix psammophila)灌丛(24.9%)的研究结果在接近的区间内；而小降雨事件的出现频率和占比存在一定的差异, 本试验期间小降雨事件(PG < 5 mm)出现频率为57.6%, 雨量占总降雨量的42.4%；对民勤绿洲的研究中雨量 < 5 mm的降雨频率为69.4%, 雨量总降雨量的43.1%^[38]；对毛乌素沙漠的研究中降雨量 < 6 mm的降雨频率为63.0%, 雨量占总降雨量的26.0%^[39], 但均表明小降雨事件对截留率影响较大^[40]；同时, 不同物种冠层结构差异也会对截留产生较大影响^[41]。与半干旱区其他物种相比, 中间锦鸡儿截留量和截留率明显低于樟子松^[42]和落叶松^[43]的研究结果。樟子松和落叶松属于高大乔木, 树冠庞大、树皮鳞状纵裂、叶针型, 冠层截留雨水量较多, 且雨水沿着树干向下传输的距离较远、阻力较大, 因此降雨消耗损失量较大；而中间锦鸡儿属低矮灌木, 冠幅较小, 冠层截留雨水能力较弱, 且树皮和叶片光滑, 降雨在林冠内停滞时间较短, 雨水消耗少。在降雨特征相同的情况下, 本研究中两组灌丛(自然组和人工组)的平均截留量和截留率存在显著差异, 说明灌丛形态特征也是冠层截留的关键影响因素。

两组灌丛(自然组和人工组)的截留量与降雨量之间均呈幂函数关系, 这与李晶晶等^[44]、陈书军等^[45]、方书敏等^[46]的研究结果一致。而指数函数能够较好地描述两组灌丛截留率与降雨量的变化关系。当雨量级较低(PG < 10 mm)时, 植物枝条和叶片对雨水有较强的吸附和蒸发作用, 冠层截留量会随降雨量的增加快速增加, 当超过一定雨量范围时, 叶片充分湿润, 形成不利于雨滴附着的光滑面, 截留量逐渐趋于稳定^[47]；而截留率会随降雨量的增加逐渐降低, 直至接近稳定。对比分析可知, 自然组和人工组中间锦鸡儿接近稳定截留率的范围分别为10%—40%和5%—20%, 与灌丛的形态特征(如冠幅面积、叶面积大小等)有关, 这与刘章文等^[48]的研究结果一致。

降雨强度也会对灌丛截留率产生影响。科尔沁沙地典型沙生灌木—黄柳(Salix gordejevii)截留率与降雨强度呈对数函数关系, 雨强由1 mm/h增加至8 mm/h时, 截留率由25.93%下降到5.36%^[49]；沙坡头地区固沙灌木柠条(C. korshinskii)和半灌木油蒿(A. ordosica)冠层截留率均为降雨强度的幂函数, 降雨强度>1 mm/h时, 柠条和油蒿截留率基本稳定在20%—30%和30%—40%^[50]之间。本研究中冠层截留率与降雨强度呈指数函数关系, 与上述灌木、半灌木冠层截留率均随雨强的增加而下降的变化趋势相一致。这是因为与热带雨林或湿润地区相比, 干旱半干旱区能量充足, 冠层截留量主要由降雨过程和间歇期植被冠层和土壤的蒸发量组成^[49-50]。而截留率逐渐减小的原因是随着降雨强度的逐渐增大, 降雨间歇期灌丛枝叶截留的雨水蒸发消耗量所占比例逐渐减小, 从而导致截留率降低。

5 结论

自然组和人工组中间锦鸡儿平均截留量分别为1.08 mm和0.62 mm, 平均截留率分别为27.45%和17.35%, 两组灌丛冠层截留存在极显著差异(P < 0.01)。两组灌丛(自然组和人工组)冠层截留量在小降雨事件下(PG < 5 mm)均占有很大的比例, 当降雨量>15 mm时, 自然组(4.57%, CV=73.38%)和人工组(5.25%, CV=51.96%)平均截留率变异性相差最大。自然组和人工组中间锦鸡儿截留量与降雨量, 降雨历时和降雨强度之间的关系用幂函数描述较好, 截留率与三者的关系均用指数函数描述较好。在降雨特征相同的情况下, 灌丛形态特征是影响中间锦鸡儿冠层截留的关键因素。