科尔沁沙地小叶锦鸡儿灌丛降雨截留特征研究

李衍青，张铜会，赵学勇，刘新平，童勋章，云建英

（1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州730000；2.中国科学院研究生院，北京100049）

小叶锦鸡儿（Caraganamicrophlla）属豆科灌木，耐干旱、耐贫瘠、防风固沙作用强，为固定、半固定沙地的优势种。科尔沁沙地成功采用栽植小叶锦鸡儿来进行防风固沙建设，使地表由流动沙丘变为半固定、固定沙丘的植被覆盖景观［1］。降雨是该地区土壤水分的主要补给源，而灌丛的截留损失将影响到达地面土壤的水分含量，研究灌丛的降雨截留和再分配，对认识植被对降雨的利用状况，揭示灌丛影响下的水文机理，具有重要的意义，因此对灌丛截留的研究成为相关水文研究的热点。

近些年，对植被的截留过程研究主要集中在热带雨林，但是对干旱半干旱地区的灌木截留特征研究较少［2］。在已有的干旱区灌木的截留研究中，大多仅通过降雨量减穿透雨量来计算截留量，而忽略树干茎流［3－5］。同时，对于不同灌木的降雨截留量、穿透量和茎流量的分配比例不明确，并且它们随降雨参数和植被特征的变化特征尚需深入研究。所以本研究选择科尔沁沙地的典型灌木——小叶锦鸡儿，通过对树干茎流、穿透雨的试验观测，研究其对降雨的再分配，了解其对降雨截留量、穿透量和茎流量的分配比例，为提高干旱半干旱区植被对降雨的利用效率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

2009年6－9月在中国科学院奈曼沙漠化研究站进行试验。研究站位于科尔沁沙地的奈曼旗中部，海拔约为360 m。多年平均温度6.1～6.4℃，极端最低气温－29.7℃，极端最高气温41℃，多年平均降水量366.4 mm，多集中在6－8月；年均蒸发量1 972.8 mm。研究区的植被是以灌木为主的群落，固定和半固定沙丘上生长着大量的沙地植物，主要有猪毛菜（Salsolacollina）、虫实（Corispermumelongatum）、差吧嘎蒿（Aritemisiahalodendron）、小叶锦鸡儿。降雨截留试验观测场位于试验站西侧的人工植被恢复区，面积为20 m×20 m，小叶锦鸡儿种植年限多为5 a以上，自然稀疏密度为1 075株／hm2，平均灌丛高度为1.49 m，平均灌幅为2.57 m［6，7］。

1.2 截留过程

灌丛对降雨的再分配可分为3部分，截留量（I），茎流量（SF）和穿透雨量（TF）。据水量平衡原理，降雨过程中通过灌丛的各部分水量关系如下：

式中，P为降雨量。截留量是降雨被植被截持并且被蒸发掉的部分，茎流量是通过树干流到地面的降雨，穿透雨是指降雨从灌丛或其空隙滴落到地面的部分［8］。

1.3 观测方法

本研究选择了5株小叶锦鸡儿灌丛，其中穿透雨的观测使用长为120 cm，宽为8 cm，高为8 cm的长方形铁皮水槽，水槽上加一可以滑动的盖子，可以根据灌幅的大小来滑动盖子调节水槽长度。每一植株下面放置3个接水槽，3个水槽之间的夹角为120°，这种观测穿透雨的方法可以更好的收集灌丛下面不同部位的穿透雨。

小叶锦鸡儿的分枝多，主干不明显，Serrato和Diaz［9］关于灌木茎流的一般测定方法不适应于此灌木。所以本研究中树干茎流采用标准枝法，即对所选灌木的每一枝进行基径测量，取得基径平均值后，选择与基径平均值相当的树枝作为标准枝（每株灌丛选5枝且其与地面的角度不同）来测定茎流。因为灌木枝干的直径较小，一般的用剖开橡皮管缠绕引流的方法也不适合［10］，所以本试验选择了塑料瓶盖，将瓶盖中间挖孔，并从一侧剖开斜套到标准枝基部，用密封胶将其固定在树枝上，瓶盖斜下侧打孔，并插入导管将茎流引到容器中测量，为防止降雨直接从瓶盖落入容器，选择了瓶口与瓶盖尺寸大小相当的容器放置灌丛下，作为对照，每个容器测得的水量减对照瓶中的水量，即得标准枝上的茎流量，标准枝上的平均茎流量乘以整个灌丛的枝数即可得到整个灌丛的茎流量（图1）。

每次降水的降雨量、雨强和降雨历时来自距离观测现场200 m的奈曼沙漠化研究站中的气象站，同时降雨量用标准雨量筒测量后进行雨量订正。

图1 小叶锦鸡儿灌丛穿透雨（a）和茎流测定图（b）以及茎流对照图（c）Fig.1 Photos on measurement of throughfall and stemflow for C.microphlla and stemflow contrast bottle

1.4 数据处理

采用Excel整理数据，并运用Origin 8.0和SPSS 13.0，对降雨量与穿透雨、植被截留做相关、回归分析和直线（曲线）拟合。

2 结果与分析

2.1 降雨特征分析

试验期间（2009年6月1日－9月5日）共观测到降雨28次，总降雨量为133.4 mm，单次降雨量的最大值为21.5 mm，最小值为0.2 mm。46.4%的降雨事件＜2 mm，64.3%的降雨事件＜5 mm，降雨次数图明显呈偏态分布（图2a）。

从雨量分配上看，＜2，2～5，5～10，10～15，15～20和＞20 mm 六个雨量级的降雨量分别为7.4，20.4，32.5，35.4，16.2和21.5 mm，分别占降雨总量的5.6%，15.3%，24.4%，26.5%，12.1%和16.1%（图2b）。总的来看，尽管＜2 mm的降雨次数占总降雨次数的46.4%，而其降雨量仅占总降雨量的5.6%，对总降雨量的影响较小，而＞20 mm的降雨次数虽仅占总降雨次数的3.6%，而其降雨量却占总降雨量的16.1%，表明其对总降雨的影响较大。试验期间＜2 mm的降雨，其量较少，并没有观测到茎流和穿透雨，大多都被灌丛截留。

1 h最大降雨强度的分析表明：最小雨强为0.2 mm／h，最大雨强为11.4 mm／h，其中，＜1 mm／h的降雨占13次，占总降雨次数的46.4%，1～2和2～3 mm／h的降雨出现次数分别为5和6次，分别占总降雨次数的17.9%和21.4%。＞4 mm／h的降雨出现了4次，占总降雨次数的14.3%。

图2 试验期间的降雨频次（a）和各雨量级降雨量（b）Fig.2 The number of rainfall event（a）and the gross rainfall in different grade（b）

2.2 灌丛穿透雨的变化特征

图3 为穿透雨及其占降雨量百分比（以下称穿透百分比）与降雨量的关系图。在所观测的14次降雨中，累计降雨量为114.8 mm，总共的穿透雨量为80.6 mm，占降雨量的百分比为70.3%。其中最大值为16.13 mm，占降雨量的75.14%，最小值为2.34 mm，占降雨量的60.1%。

回归分析建立了降雨量与穿透雨量的回归方程并进行了拟合，两者呈显著的线性正相关（R2＝0.989，P＜0.001）。根据次降雨量和穿透雨量的回归方程TF＝0.802（P－1.1），和Aston［11］的研究一致，可以从理论上计算得知降雨量小于1.1 mm时，小叶锦鸡儿灌丛下将无穿透雨，即该灌丛的截留量为1.1 mm，这与实际观测的≤2 mm降雨，没有穿透雨基本吻合。

通过对穿透百分比（TF%）与降雨量（P）之间的关系进行了多种函数的拟合，比较得知指数函数具有较高的拟合性（R2＝0.775，P＜0.001）。通过函数曲线可以看出，穿透百分比随着降雨量的增加而逐渐增大，到最后趋于稳定值。通过曲线方程可以计算出，穿透百分比的稳定值为76.32%。

图3 降雨量与穿透雨、穿透雨百分比之间的回归关系Fig.3 The correlation between throughfall and gross rainfall，and the correlation between throughfall percentage and gross rainfall

2.3 树干茎流变化特征

试验期间，总共观测了11次降雨的茎流，11次降雨总量为103.1 mm，总的茎流量为4.14 mm，占降雨量的4.02%。茎流量的最大值为1.10 mm，占降雨量的5.12%；茎流量的最小值为0.060 mm，占降雨量的1.12%。试验期间，观测到的茎流的最小降雨量为3.9 mm（试验期间并没有2～3.9 mm之间的降雨），在此降雨量下观测到了树干茎流，这就说明小叶锦鸡儿产生树干茎流的临界值较小（在2～3.9 mm之间）。主要是因为小叶锦鸡儿的枝干较直立，分枝与地面的夹角较大，根据Crockford和Richardson［12］认为降雨的角度是影响茎流的一个非常重要的因素；同时小叶锦鸡儿的枝条较多，采用标准枝的方法测定本身就使得茎流量偏大。

回归分析表明，降雨量与树干茎流量之间呈显著的正相关关系（R2＝0.967，P＜0.001），降雨量和树干茎流的关系可以用SF＝0.046P－0.05来表示。式中，SF为树干茎流（mm），P为降雨量（mm）。

2.4 灌丛截留的变化特征

利用公式（1），可以算出植被灌丛的降雨截留量，11次观测降雨中小叶锦鸡儿灌丛累计截留量为25.8 mm，占所观测降雨量的25.1%。截留量的最大值为6.35 mm，占降雨量的29.5%；最小值为1.36 mm，占降雨量的34.9%。

通过回归分析和曲线拟合来看（图4），降雨量（P）与截留量（I）两者之间呈显著的线性正相关关系（R2＝0.841，P＜0.001）；而指数函数可以较好的说明降雨量与截留百分比之间的关系（R2＝0.82，P＜0.001）。通过函数曲线发现，截留百分比随降雨量先减小，最后基本趋于稳定。降雨量对截留百分比的变化比较明显，雨量较少时，降雨中的大部分用于满足叶片、枝干的吸附以及蒸发消耗，此时植被对降雨的截留相对较大。在枝干、叶片吸附饱和后，截留百分比逐渐趋于稳定，根据曲线方程计算可以得到降雨截留百分比的稳定值为19.62%。

2.5 灌丛穿透百分比、截留率与降雨强度的关系

从降雨强度对灌丛截留率的影响来看，平均降雨强度不能很好的反映截留率的变化。结合研究区的降雨特征，主要是以短历时的阵雨为主，所以选择了1 h最大降雨强度来分析降雨强度对截留率和穿透百分比的变化影响。通过回归分析得到最大降雨强度和穿透百分比以及截留率之间的拟合曲线，可以看出随着1 h最大降雨强度的增加，灌丛截留率逐渐减小，穿透百分比则随降雨强度的增加而逐渐增加（图5）。

3 结论与讨论

降雨过程中，土壤能接受到的水分主要受地表覆盖和降雨特征影响。在科尔沁沙地，通过人工植被的建设将流动沙丘变为固定沙丘，改变地表植被覆盖的同时也改变了水分转换关系，因此，人工植被区灌丛降雨截留是水文循环的一个重要环节，其中的灌丛截留量是研究降雨过程非常重要的参数。研究区64.3%的降雨＜5 mm，降水量变幅在0.2～21.5 mm之间，平均降雨强度在0.2～10.6 mm／h之间变化，这种降雨特征下，平均降雨强度与植被截留率的关系呈现出非线性关系。

图4 降雨量与截留量、截留百分比之间的回归关系Fig.4 The correlation between gross rainfall and interception，and the correlation between gross rainfall and interception percentage

图5 降雨强度与穿透百分比、截留百分比之间的回归关系Fig.5 The correlation between rain intensity and throughfall percentage，and the correlation between rain intensity and interception percentage

比较前人的研究结果，科尔沁沙地小叶锦鸡儿灌丛的截留量、穿透雨量和树干茎流百分比分别为25.1%，70.9%和4.0%，与杨志鹏等［13］在毛乌素沙地的黄柳（Salixgordejevii）灌丛（24.9%，72.2%和2.9%）以及Navar和 Bryan［14］在墨西哥东北部地区的Diospyrustexana，Acaciafarnesiana和Prosopislaevigata灌丛（27.1%，69.8%和3.1%）的研究结果相似，这主要是因为科尔沁沙地、毛乌素沙地和墨西哥的Linares地区都是处于半干旱地区，其降雨特征类似所致；而在California的North Fork地区，Hamilton和Rowe［15］对于Chaparral灌丛的研究发现：其截留量、穿透雨量和树干茎流百分比分别为5%，80%和15%，这种截然不同的分配比例主要是降雨特征的不同所致，North Fork地区试验期间的降雨量为1 149 mm，比科尔沁沙地年均366.4 mm的降雨量多得多。

小叶锦鸡儿灌丛的降雨截留量、穿透雨量和树干茎流量与降雨量之间呈显著的正相关关系，都随降雨量的增加而增加。从曲线拟合的变化趋势看，穿透百分比随降雨量增加先增加，最后趋于稳定值；而截留百分比随降雨量的增加先减小，最后趋于稳定值。指数函数关系理论上当降水无穷大时穿透雨百分比趋于最大值，为76.32%，截留百分比趋于最小值，为19.62%。

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