植被降水再分配是指植被通过捕获、拦截、储存和释放降雨的过程, 对于区域林水稳定及水文循环维护具有重要影响。雨水落到植被上被冠层分割成穿透雨、树干茎流和冠层截留三部分^[1—2], 其中穿过植被冠层落到土壤的雨水被称为穿透雨^[3]；沿着叶片、顺着茎干向下流动, 最终汇集到植被根部的雨水被称为树干茎流^[4—5]；还有部分降雨被截留在冠层表面, 小部分作为叶片持水, 大部分在降雨结束后蒸发损失, 这部分雨水为冠层截留^[6]。植被通过对降水的再分配作用以调节雨水归属, 影响林地水分渗透与储存。穿透雨直接影响植被表层土壤的水分分布^[7], 增加了植被土壤水分供应；树干茎流通过在根系汇集, 维系水分供应, 调控植被根部土壤水分的垂直分布^[8—9]；冠层截留使到达地面的净水分通量明显减少, 土壤水分在空间上发生异质性分布, 并通过截留蒸腾作用, 影响着局部大气湿度。植被降雨再分配通过动态而复杂的过程, 影响着林分水量调控, 维护林地的水源涵养能力。

植被降雨再分配受到地下结构^[10—11]、降雨特征^[12—13]、当地微气候^[14—15]等因素影响。研究表明, 林外降雨特征(降雨量、降雨历时及降雨强度)是降雨再分配核心影响因素^[16—17]之一。随着降雨量增大, 穿透雨量、树干茎流量与冠层截留量均呈明显增大趋势^[18—19]。此外, 降雨持续时间增长与雨水间隔时间缩短, 也使穿透雨量、树干茎流与林冠截留量表现出递增变化^[20—22]。然而, 降雨特征与降水分配的相关关系并不统一, 有的呈线性关系, 有的呈非线性关系(如幂函数关系、对数函数关系等), 甚至有的关系并不明显^[23—24], 这是林分内不同植被类型所带来的结构特征差异影响。为此, 大多数研究者从不同类型树种入手, 通过对不同树种形态特征与降雨特征对降雨再分配的影响进行深入研究, 试图以此解释林分降雨再分配特征规律。

实际上, 即使是同一树种, 由于林龄差异, 其冠层结构、叶面积指数、基径、枝干数量、枝倾角等也各不相同。尤其是针对许多沙区灌木植被, 例如沙柳、柠条、小叶锦鸡儿等, 依据中华人民共和国林业行业标准^[25], 生长到一定年份就需进行平茬复壮。平茬作业既可以保证植被更加健康生长, 始终维持着高效的生存生长, 又能将平茬后的枝条用于发电、造纸, 以维护其经济价值。但大面积开展平茬作业可能导致当年防沙植被缺失, 不利于维护生态功能稳定。为此, 灌木林建设不会大面积种植同龄林分, 而是通过林分内部的抚育时间差异, 保证部分林分开展平茬作业同时, 其他林分继续维护防沙固土的生态功能。但为保证重复实验的可靠性, 当前大多研究主要选择同类同龄树种进行林地降水再分配分析, 针对林分内部不同抚育时间下的植被降雨再分配差异研究仍然缺乏, 这对于准确估测整体林分降水调配情况以及综合林地水源涵养带来了一定困扰。

对此, 试验在内蒙古自治区库布齐沙漠鄂尔多斯造林总场曹四滩护林站展开, 以抚育时间为2年、3年和5年沙柳防护林为研究对象, 同步监测计算不同抚育时间沙柳林外降水、穿透雨、树干茎流以及冠层截留量等降水分配特征, 分析不同抚育时间灌木降雨再分配影响因素, 对比沙柳降水分配差异, 并通过区域林分分配、抚育时间与平茬期情况对未来5年林地降水再分配进行预测。结果以期通过整体研究与预测对降雨再分配研究中的林龄选择提供理论依据, 为综合评价沙区水源涵养及世界其他地区开展林水资源调控与灌木防护林建设提供科学指导。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区库布齐沙漠鄂尔多斯造林总场曹四滩护林站, 原国家林业局国有林场和林木种苗工作总站为建设单位, 于2011年完成建设任务。地区地理坐标北纬40°14′24″, 东经110°39′14″, 位于库布齐沙漠东缘。该地区属温带大陆性季风气候, 年平均气温6.1℃, 昼热夜冷, 全年盛行西风和西北风, 平均风速约3.6 m/s, 处于半干旱中温带区。沙柳的生长季节主要是5月至9月, 土壤以草甸风沙土为主。

由图 1所示, 研究区灌木林以生态公益林为主, 以防风固沙林为种植核心, 种植树种以当地特色灌木沙柳为核心, 采用均匀配置模式, 株距约4m×4m。依托半干旱区灌木平茬复壮技术规范, 并结合当地实际情况, 选择每年在春季土壤未解冻前进行平茬复壮, 平茬间隔期为5年, 留茬高度为0—5cm。采用分期隔带平茬方式, 依据当地地形及林分分布情况, 设置平茬带约8—10m, 保留带约16—20m, 分2—3次平茬保留带, 平茬复壮后采用机械中耕松土, 顺行(带)中耕时两侧距灌丛根桩15cm, 确保不能损伤灌丛根系与复壮萌条。林区随时对进行人工补植, 充分利用林地资源以提高灌木林质量与效益, 并时刻加强灌木林病害防治, 强化护林防火, 全面保护灌木林资源。

1.2 样地设置与调查

试验于2023年展开(5—10月)。在充分调查样地条件和林分结构的基础上, 选择造林总场内抚育时间为2a、3a、5a沙柳防护林为研究对象, 随机划取30m×30m的试验样地, 统计样地内2a、3a、5a沙柳灌丛株高、冠幅、林下植被覆盖度等基本信息, 并在选取标准灌丛后, 进行基径测定, 样地调查基本信息详见表 1。

1.3 气象因子监测

选取沙柳样地周围无遮挡的开阔位置安装小型LSI-LASTEM自动气象站。同步监测林外气象因子, 包括气温、风速、风向、太阳辐射、降水量等, 每10min记录1次数据。同时在样地空地处随机放置3个直径为20cm的雨量桶作为备用和修正。

1.4 沙柳林内穿透雨测定及计算

按照Levia和Germer^[26]概述方法, 在样地中选取2a、3a、5a沙柳各3丛, 如图 2所示, 选用外缘直径为20cm的塑料桶承接穿透雨, 每丛沙柳下共放置12个塑料桶, 分别放置4行(行间角度为90°)收集筒, 沙柳植株下集水桶与主干距离分别位于灌木根部、冠层中心和冠层边缘, 降雨后用量筒测定容器内收集雨量, 计算本次降雨的穿透雨量TF。

式中, TF为穿透雨量(mm), VT为第i个塑料中的穿透雨量桶(毫升)；m为塑料桶的数量；FA是塑料桶口面积(cm²)。

1.5 沙柳树干茎流的测定及计算

由于沙柳是多枝干植物, 对此用游标卡尺测量并标记每丛沙柳(测定穿透雨所选取的沙柳)的全部基径尺寸。计算平均基径后, 从东、西、南、北、中各选取最接近平均基径的5个枝条(选取枝条的误差不超过3mm), 安装树干茎流收集器, 用热熔胶及防水胶进行密封, 保证雨水能沿着橡胶管流入收集装置塑料瓶内。每次雨后立即用量筒测量瓶内树干茎流体积(mL), 借鉴标准枝法^[27]推算整个灌丛产生的树干茎流体积。树干茎流量计算公式如下:

式中, VS为单株沙柳树干茎流体积(mL); V_S为雨后沙柳单枝上测得的茎流(mL)；N为沙柳枝数；SF为单株沙柳树干茎流量(mm)；S_P为沙柳冠层投影面积(m²)。

1.6 沙柳林冠截留计算

依据水量平衡原理, 估算冠层截留损失, 冠层截留量(IL)的计算公式为:

式中, IL为冠层截留损失(mm); Pg为林外降雨量(mm); N为净降雨量(mm); TF为穿透雨量(mm), SF为树干茎流量(mm)。

1.7 林地降水再分配综合分析

依据不同抚育时间沙柳的降水再分配情况与林区分布情况, 计算沙柳林地综合降水再分配:

式中, C_TF为沙柳林地综合穿透雨(mm); (TF)_a为不同抚育时间的沙柳穿透雨(mm); (S)_a为不同抚育时间的林区分布占比(%)；C_TF为沙柳林地综合树干茎流量(mm); (SF)_a为不同抚育时间的沙柳树干茎流(mm); C_IL为沙柳林地综合冠层截留量(mm)。

依据中华人民共和国林业行业标准中半干旱地区灌木林平茬与复壮技术规范(LY/T 2676—2016), 结合当地实际情况, 以5年为标准平茬期(即5a沙柳在下一年平茬后为1a), 根据当前林地分布情况, 林龄发展情况及平茬情况, 预估未来5年内的降水再分配格局。

1.8 数据统计与分析

通过Excel和SPSS 26.0对进行数据统计处理, 利用Origin 2017进行绘图。

2 结果与分析 2.1 研究期间林地降雨格局

试验期间(5月—10月)共监测到26次降雨, 总降雨量210.9mm, 其中单次降雨最大量为23.1mm, 最小量为1.4mm。如图 3所示, 降雨量为＜5mm、5—10mm、10—15mm、15—20mm、20—25mm的降雨次数分别为9、8、7、1和1次, 分别占降雨量总次数的34.61%、30.77%、26.92%、3.85%和3.85%, 这表明研究地区降水以小雨(＜10mm)事件为主。降水累计降雨量分别为31.9mm、51.7mm、86.4mm、17.8mm和23.1mm, 分别占总降雨量的15.13%、24.51%、40.97%、8.44%和10.95%, 这表明尽管降雨多为小于10mm的降水量, 但对当地雨水起主导作用是10—15mm降水。降雨强度分布于0.67—7mm/h间, 其中＜2mm/h、2—3mm/h、3—4mm/h、4—5mm/h和>5mm/h的降雨次数分别为6、5、6、4和5次, 分别占降雨总次数的23.08%、19.23%、23.08%、15.38%和19.23%。累计降雨量分别为41.9mm、34.5mm、70.3mm、28.9mm和35.3mm, 分别占总降雨的19.87%、16.36%、33.33%、13.7%和16.74%, 这表明当地的降雨强度以3—4mm/h为主。林地降雨总时长为75.8h, 单次降雨最短为0.5h, 最长为8h, 其中＜2h、2—3h、3—4h、4—5h和＞5h的降雨次数分别为13、4、2、2和5次, 分别占降雨总次数的50%、15.38%、7.69%、7.69%和19.23%。累计降雨量分别为65.5mm、30.4mm、17.6mm、32.1mm和65.3mm, 分别占总降雨的31.06%、14.41%、8.35%、15.22%和30.96%。

2.2 林内穿透雨与林地降雨特征 2.2.1 穿透雨与林地降雨量的关系

试验期间, 在相同降雨量条件下, 不同抚育时间沙柳总穿透雨率介于50.23%—97.98%间。总穿透雨量表现为2a (181.84mm)> 3a (172.77mm)> 5a(162.09mm), 各占总降雨量的86.32%, 81.92%和76.86%。通过对沙柳灌丛穿透雨和林地降雨量进行回归分析和曲线拟合(图 4), 发现不同抚育时间沙柳穿透雨量与降雨量之间均呈显著线性相关。对穿透雨量与林地降雨量进行回归方程计算, 发现2a沙柳灌丛产生穿透雨的最小雨量约0.3mm, 3a约0.6mm, 5a约0.8mm, 这与实测情况基本相近。不同抚育时间沙柳穿透雨率与降雨量基本呈对数函数关系, 这表明在一定程度上, 穿透雨率随降雨量的增大而增加, 这可能是由于随着降雨量逐渐增大, 原本截留在冠层的雨水逐渐产生汇流而从枝叶上滑落, 因而表现出穿透雨率逐渐增大的趋势, 但随着降雨量增加, 枝叶截留雨水逐渐趋近饱和, 故而穿透雨率增长速率会逐渐趋于平缓状态。但同时, 由于穿透雨率也会受到风速风向等一系列外界条件干扰, 故而尽管穿透雨率与降雨量基本呈对数函数关系, 但R²未达到很高的水平。

通过对沙柳灌丛穿透雨和林地降雨历时进行回归分析和曲线拟合(图 4), 发现不同抚育时间沙柳穿透雨量与降雨历时之间均呈线性相关。但与降雨量关系相比, 穿透雨受降雨历时影响程度低于受降雨量影响, 这表明尽管随着降雨时长增长, 沙柳穿透雨量也表现出逐渐增大趋势, 但受影响程度低于降雨量带来的影响。其中通过拟合方程可发现, 2a沙柳拟合斜率相对较大, 这表明其穿透雨量增长速度相对较快, 5a沙柳穿透雨量增长速度相对较慢。此外, 通过对沙柳灌丛穿透雨和林地降雨强度进行分析, 发现不同抚育时间的沙柳穿透雨量与林地降雨强度之间均未呈现出显著的相关关系, 这表明林地降雨强度与穿透雨可能也受到其他因素干扰, 导致两者间影响关系不明显。

2.2.2 穿透雨的空间分布特性

通过对不同降雨量下不同抚育时间沙柳穿透雨空间分布进行研究, 研究表明穿透雨空间分布具备一定空间异质性。通过实地研究, 将穿透雨率低于38.45%作为“旱极”区域, 高于77.75%作为“雨极”区域, 介于38.45%—77.75%间作为“中间极”区域。由图 5可见, 当雨量为小雨时(降雨量为4.2mm)沙柳林表现出明显的由冠层内到冠层外穿透雨率逐渐增大, 其中2a沙柳“雨极”, “中间极”与“旱极”分界均匀, 3a沙柳穿透雨率空间分布较统一, 而5a沙柳则表现出了较强的拦截能力。当雨量为大雨时(降雨量为17.2mm), 穿透雨率的空间异质性变化没有小雨情况表现明显, 2a沙柳降雨分界不再均匀, 而表现出较统一情况。相反3a和5a沙柳“雨极”与“中间极”的分界相对更明显。这表明, 穿透雨空间分布特征受到植被抚育时间与降雨特征双重影响, 应综合考虑林地整体情况以准确判断穿透雨空间分布。

2.3 树干茎流与林地降雨特征

试验期间, 研究区共观测到抚育时间为2a沙柳树干茎流总量3.08mm, 占总降雨量的1.46%, 树干茎流率介于0%—2.16%间；3a沙柳树干茎流总量7.73mm, 占总降雨量3.66%, 树干茎流率介于0%—4.67%间；5a沙柳树干茎流总量8.76mm, 占总降雨量的4.15%, 树干茎流率介于0%—5.98%间。通过对沙柳灌丛树干茎流和林地降雨量进行回归分析和曲线拟合(图 6), 发现不同抚育时间沙柳树干茎流量与降雨量之间均呈显著线性相关。通过对树干茎流量与林地降雨量进行回归方程计算, 发现2a沙柳灌丛产生树干茎流最小雨量约2.05mm, 3a约1.27mm, 5a约1.49mm, 可能受到风向等自然条件干扰, 计算值略小于实测情况值, 但都表现为2a>5a>3a。不同抚育时间沙柳树干茎流率与降雨量基本呈对数函数关系, 这表明在一定程度上, 树干茎流率随降雨量增大而增加。这可能是由于随着降雨量增大, 树干茎流产生汇流现象, 因而表现出逐渐增大趋势, 而随着降雨量增加, 树干茎流率增长速率会逐渐减缓。相同降雨量条件下, 不同抚育时间沙柳树干茎流率表现为5a>3a>2a, 这可能由于5a沙柳灌丛枝干数量与枝叶茂盛程度均高于2a和3a沙柳灌丛, 因而产生的茎流率也较高。

对沙柳灌丛树干茎流和林地降雨历时进行回归分析和曲线拟合, 发现不同抚育时间的沙柳树干茎流量与降雨量之间均呈线性相关。这表明随着降雨时长的逐渐增长, 沙柳树干茎流量也表现出逐渐增大趋势。其中通过拟合方程可发现, 5a沙柳拟合斜率相对较大, 这表明其树干茎流量增长速度相对较快, 而2a沙柳树干茎流量增长速度相对较慢。不同抚育时间沙柳树干茎流率与降雨历时基本呈对数函数关系, 这表明在一定程度上, 树干茎流率随降雨历时的增长而增加, 这可能是由于随着降雨历时的增长, 枝干上雨水逐渐产生汇流, 因而树干茎流率逐渐增大, 而随着降雨时长的增加, 树干茎流率增长速率会逐渐减缓。通过对沙柳灌丛穿透雨和林地降雨强度进行分析, 发现不同抚育时间的沙柳树干茎流量与林地降雨强度之间均未呈现出显著的相关关系, 这可能由于树干茎流量受到降雨量、降雨时长、风向风速、灌木结构等多方面影响, 而受到林地降雨强度影响较弱, 因而未呈现出明显的相关关系。

2.4 冠层截留损失与林地降雨特征

试验期间, 研究区共观测到2a沙柳冠层截留总量为25.98mm, 占总降雨量的12.32%, 冠层截留损失率介于0.49%—34.32%间；3a沙柳冠层截留总量为30.40mm, 占总降雨量的14.42%, 冠层截留损失率介于3.39%—44.64%间；5a沙柳冠层截留总量为40.05mm, 占总降雨量的18.99%, 冠层截留损失率介于7.01%—46.43%间。通过对沙柳灌丛冠层截留和林地降雨量进行回归分析和曲线拟合(图 7), 发现不同抚育时间沙柳冠层截留量与降雨量之间均呈线性相关, 这表明不同抚育时间的沙柳冠层截留量均随降雨量的增大而增加。在相同降雨量下, 冠层截留量表现为5a>3a>2a, 冠层截留损失率与降雨量基本呈对数函数关系, 这表明冠层截留损失率随降雨量的增加而逐渐减少, 并逐渐趋于稳定, 即冠层拦截雨水程度随雨水积累而逐渐减缓, 直至平衡。

对沙柳灌丛冠层截留和林地降雨历时进行回归分析和曲线拟合, 发现不同抚育时间沙柳冠层截留量与降雨量之间均呈线性相关, 这表明随着降雨时长的逐渐增长, 沙柳冠层截留量也逐渐增大, 以5a沙柳随降雨增长的拦截速度最快。冠层截留损失率与降雨历时之间未表现出明显的相关关系, 这表明降雨历时并非其核心影响条件。

通过对沙柳灌丛冠层截留和林地降雨强度进行分析。研究表明, 不同抚育时间的沙柳冠层截留量、冠层截留损失率与林地降雨强度之间均未呈现出明显的相关关系, 这可能由于在随着林地降雨强度增加, 灌木结构逐渐出现变形或受损(图 8), 使得冠层截留受到不可控影响, 因而未呈现出明显相关关系。

2.5 当地整体林地综合评估与预测

由表 2可知, 不同抚育时间沙柳的降雨再分配情况具有一定差异。通过对林区分布比例与不同抚育时间沙柳降雨再分配数据综合计算, 确定林地总穿透雨量为174.95mm, 总树干茎流量为5.70mm, 冠层截留量为30.25mm, 各占林外降雨82.96%, 2.70%和14.34%。此外, 通过对比得知, 当地降水再分配综合评估值与3a沙柳林最为相近, 这表明当年可以通过3a龄沙柳进行整体林水预测评估。

以本研究中沙柳生长期(5月—10月)的降雨量(210.9mm)为基准。刚平茬后林龄为1a的沙柳穿透雨量记为林外降雨量, 林龄为4a的沙柳降雨再分配情况取3a与5a降雨再分配情况均值, 综合林地林分分配与林龄降水再分配情况, 预测未来的降雨再分配结果如图 9所示。

由图 9可见, 在综合考虑平茬期与沙柳生长与林地分布情况下, 沙柳综合穿透雨率介于79.99%—91.47%间, 树干茎流率介于1.26%—3.48%间, 冠层截留率介于7.28%—16.53%间。沙柳的穿透雨未来呈现出先降低后升高的变化趋势, 冠层截留呈现出先升高后降低的变化趋势。此外, 在进行林水资源研究时, 对每年进行林分综合计算后, 其降雨再分配格局主要贴近3种不同抚育时间沙柳的中林龄林分。故而若不方便进行林龄差异处理时, 在林分林龄分布差异不突出的前提下, 应尽量选择中龄林分进行相关研究, 以便减少抚育时间差异干扰。

3 讨论 3.1 不同抚育时间沙柳降水再分配特征

森林冠层对降雨量的重新分配是一个动态而复杂的过程。研究期间, 不同抚育时间下沙柳的穿透雨表现出2a＞3a＞5a的变化趋势, 这表明沙柳对穿透雨截留能力随抚育时间的增长而增强。低林龄沙柳到达地面的穿透雨量更多, 更有利于保持土壤湿度和补给地下水, 在促进水文循环与快速生物质增长方面效益更突出；而高林龄沙柳到达地面的穿透雨量相对较低, 更有利于减少径流产生与降低土壤侵蚀, 在防风固土、保持水土和生物多样性保护方面发挥更大的作用。对此, 应通过合理运用灌木平茬期, 以进一步平衡林分林龄结构, 进而优化生态系统服务功能。树干茎流则表现出5a＞3a＞2a的变化趋势, 这表明沙柳的树干茎流量随抚育时间增长而增加。抚育时间较长的沙柳可通过枝干汇流, 将更充足的水分富集于根系, 更利于植被水分传输, 在调节局部和区域水文循环方面起着更重要作用。此外, 植被降水再分配调控可能受到的冠层对降雨雨滴能量的影响。已有研究表明, 不同抚育时间内各雨滴径基的雨滴谱规律存在极显著差异, 以抚育时间较短的林分对雨水的分散作用更明显^[28], 为此受到分散作用影响, 林龄较小的沙柳表现出穿透雨量更大的现象, 而抚育时间较长的树种对雨水的汇集作用更突出^[28]。对此林龄较大的沙柳则表现出树干茎流更强的趋势。

研究发现2a沙柳灌丛产生穿透雨的最小雨量约0.3mm, 3a约0.6mm, 5a约0.8mm, 表现出随着抚育时间增大, 产生穿透雨的最小雨量对应增加的趋势。2a产生树干茎流的最小雨量约2.05mm, 3a约1.27mm, 5a约1.49mm, 表现为2a＞5a＞3a, 其中2a沙柳灌丛产生树干茎流的阈值较高。这可能由于2a生沙柳枝干较细弱, 不易汇集成茎流量, 而5a沙柳抚育时间较长, 其郁闭度及叶面积指数也较高, 茂密的枝叶影响了降雨截留作用, 故而两者产生的树干茎流的阈值均高于3a沙柳。即在降雨量较小的情况下, 不同抚育时间的沙柳对降雨反应具有一定差异。此外, 整体上看, 树干茎流产生阈值均高于穿透雨, 这与赵文玥等^[29]研究结论相同。

降雨特征是影响降雨再分配的关键因素。研究发现, 不同抚育时间沙柳对降雨特征表现出相同的变化趋势。通过回归分析和曲线拟合, 不同抚育时间沙柳降雨量与穿透雨量、树干茎流量和冠层截留均呈正相关, 这与大多研究结论一致^[30—32]。但拟合曲线的斜率存在差异, 这表明降雨量对不同抚育时间沙柳降雨再分配的影响速度不同。降雨特征影响中, 林外降雨量与林外降雨历时是对降雨分配影响的关键因素, 而降雨强度的影响并不明显, 这与赵文玥^[29]等研究结果相似, 与汪水前等^[33]研究结果不同, 这表明降雨强度可能在一定程度上对降水再分配具有一定影响, 但由于受到不同气象因子(风向等)及植被类型干扰, 不同植被在不同降雨强度下冠层结构受到影响情况不同, 因此降雨强度影响情况不定。

3.2 不同抚育时间的沙柳降水空间分布情况

通过降雨量对不同抚育时间沙柳的穿透雨空间分布进行研究, 发现穿透雨空间分布具备一定空间异质性, 这与大多研究者^[34—35]结论相同。而当雨量为小雨时, 穿透雨率的空间异质性表现明显, 整体表现出由冠层内到冠层外逐渐增大, 其中林龄较小的沙柳“雨极”, “中间极”与“旱极”分界均匀, 这可能由于抚育时间短的林分处于成长期, 冠层结构并不均匀, 因而对穿透雨空间分布具有明显差异。而林龄中间的沙柳由于冠层结构相对完整, 对穿透雨的空间分布较均匀统一, 林龄较大的沙柳则由于冠层茂盛, 在小雨中则突出表现出拦截作用。当雨量为大雨时, 此时冠层由于雨水饱和, 穿透雨率的空间异质性变化不再明显。此时林龄较小的林分降雨分界不再均匀, 枝干较弱直接导致结构略有变形, 对此穿透雨空间分布表现出较为统一的淹没情况。相反抚育时间为3a和5a的沙柳由于枝干相对坚挺, “雨极”与“中间极”的分界表现的更为明显。研究表明, 穿透雨的空间分布特征会受到植被抚育时间与降雨特征双重影响, 对此应综合考虑林地整体情况以准确判断穿透雨空间分布特性。

3.3 林地降雨再分配综合评估与预测

通过当地的不同抚育时间沙柳的林分分布与降水再分配特征进行综合计算, 确定林地总穿透雨量为174.95mm, 总树干茎流量为5.70mm, 冠层截留量为30.25mm, 分别占总降雨量82.96%、2.7%、14.34%, 与毛乌素沙地5a的沙柳(72.2%、2.9%、24.9%)^[36]在穿透雨与冠层截留上具有较大有差异, 通过对比得知, 综合评估值与3a的沙柳最相近。3a与5a沙柳穿透雨与冠层截留上区别较大, 而在树干茎流量上差异并不突出, 这表明抚育时间对降雨再分配的影响主要体现在穿透雨方面, 对树干茎流量影响并不明显。本研究与科尔沁沙地的黄柳(82.78%、2.9%、15.03%)^[37]、元江干热河谷稀树灌丛(83.8%、1.9%、14.3%)^[38]、墨西哥硬叶有刺灌丛(Matorral community)(83.30%、8.50%、8.20%)^[39]的降雨再分配情况相近, 但与乔木的降雨再分配情况差异较大^[40—41], 对比发现灌木林穿透雨率更大, 而乔木林在树干茎流与冠层截留率上更大。

根据当前林地分布情况, 林龄发展情况及平茬情况, 对未来5年内的降水再分配格局进行预测。随着沙柳年龄变化, 整体林分降水再分配格局随着发生变化, 整体沙柳综合穿透雨率介于79.99%—91.47%间, 树干茎流率介于1.26%—3.48%间, 冠层截留率介于7.28%—16.53%间。通过研究可知, 在降雨量相对稳定的前提下, 穿透雨量在五年内表现出先略降低后增长的变化趋势。穿透雨量的增加有利于稳定土壤湿度, 但相对不利于土壤侵蚀及防沙固土功能, 对此根据预测变化情况, 建议于2025年在沙柳丛内混植小型林下植被, 例如部分蕨类植物, 确保在2026、2027年等预估穿透雨量较大年份, 保证防沙固土与植被生长双重效益。研究预测每一年降水再分配变化时, 对该年进行林分综合计算后, 发现每年的降雨再分配格局主要贴近3种不同抚育时间沙柳的中间林龄沙柳。这表明在进行林水资源相关研究时, 在林分林龄分布差异不特别突出的前提下, 若不方便进行林龄差异处理, 应尽量选择中龄林分进行相关研究, 以减少抚育时间差异对研究的影响。

4 结论

植被降水再分配对区域水文循环和林水稳定具有重要影响, 研究通过对2a、3a和5a的沙柳林进行降水分配特征分析, 结果表明不同抚育时间林分的降雨分配特征具有一定差异。通过对未来5年内的降水再分配格局进行预测, 根据预测变化情况, 建议于2025年在沙柳丛内混植小型林下植被, 例如部分蕨类植物, 确保在2026、2027年等预估穿透雨量较大年份, 保证防沙固土与植被生长双重效益。此外, 建议在未来进行林水资源研究时, 若不方便进行林龄差异处理, 可选择中龄林分进行相关研究, 以减少抚育时间差异对研究的影响。