陕北黄土高原柠条灌丛穿透雨特征与影响因素

艾长江,高光耀,袁 川,童菊秀,安金霞,傅伯杰

1 中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京 100083 2 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085 3 云南大学国际河流与生态安全研究院,昆明 650500

降雨是干旱半干旱区的主要水源,水分是植被生长的关键限制因子。干旱区水文过程控制植被的分布、结构和组成,同时植被在各种尺度上也对水文过程产生重要的反馈作用[1- 2]。植被冠层对降雨的再分配是指降水通过林冠过程中发生的传输路径的改变[3],降雨经植被冠层拦截后分为穿透雨、茎流和冠层截留损失三个部分[3],该过程重塑了水量空间分布格局,直接影响冠层下土壤水分补给以及土壤-植物-大气连续体的生物地球化学循环过程,对植被生长具有重要影响。降雨再分配过程受到降雨特征、植被冠层特征、气象因素及其交互作用的综合影响[4]。通过冠层间空隙或间接从枝条叶片上滴落的水量成为穿透雨,分为两种类型,一类是降雨通过冠层空隙直接到达地面,被称作自由穿透雨,另一类是从叶片、枝条滴落的雨水称为释放穿透雨[5- 7]。穿透雨是降水再分配的最大组分,乔木和灌木穿透雨占次降雨量的比例约为80%和50%[5,8]。穿透雨是冠层下土壤水分的主要补给源,影响土壤水分和养分的空间分布[9]、土壤侵蚀、根系分布和生长[10- 11]、土壤微生物群落结构[12]等一系列过程。因此,研究植被的穿透雨特征与影响因素,有助于理解植被对降雨的利用状况和土壤水分的补给过程,对于揭示植被冠层影响下的生态水文过程机理具有重要的意义。

目前关于穿透雨过程的研究大多集中在热带、亚热带地区,以乔木类树种为主,对干旱半干旱地区灌木穿透雨特征的研究还相对较少[13-14]。在干旱半干旱区,由于水分限制作用,灌木大多呈丛状和斑块状等零散分布,形成“水力岛”和“肥力岛”,这是灌木适应环境的一种生存机制,而穿透雨对灌丛下土壤水分和养分补给至关重要,对植被生长具有关键作用[2,9]。Martinez-Meza 和Whitford研究了墨西哥北部Chihuahua沙漠3种典型灌丛的穿透雨特征,表明不同物种的穿透雨具有明显的种间变异性,与不同灌丛形态特征的差异有关[15]。刘章文等研究表明祁连山4 种灌丛的穿透雨率为52.3%—63.5%,穿透雨量和穿透雨率与降雨量分别呈显著的线性和指数函数关系[16]。Carlyle-Moses研究了墨西哥北部东马德雷山Matorralcommunity灌丛25场降雨下的穿透雨特征,并给出了穿透雨量和穿透雨率与降雨量的关系式分别为TF=0.849P-0.239和TF%=66.07+21.0P/(3.89+P)[17]。Zhang等研究了腾格里沙漠两种荒漠灌丛(柠条和沙蒿)的穿透雨特征,结果显示穿透雨量随降雨量和历时的增加而呈线性增加,随雨强的增加呈指数形式增加,并且存在理论的极大值,而穿透雨率随降雨量和雨强的增加呈指数形式增加,随历时的增加而呈线性增加[18]。杨志鹏测得毛乌素沙柳灌丛穿透雨量占次降雨量的比例范围在23.36%—94.20%之间,平均值为71.19%,穿透雨比例与降雨量和最大十分钟雨强呈指数函数关系[19]。Germer等指出冠层下穿透雨存在着空间异质性,其大小与降雨量、雨强和历时有关[20]。Gómez等研究得出在降雨量较大的情况下,如暴雨时,穿透雨空间分布比较一致,而降雨量较小时穿透雨空间变异较大[21]。同时,观测中发现穿透雨量会大于冠层外降雨量,即聚集效应。万艳芳等对祁连山单株鲜黄小檗的穿透雨观测表明,部分观测点的穿透雨率大于100%,证实了聚集效应的存在[22]。上述研究对理解不同灌丛类型穿透雨过程及其对土壤水文过程的影响机理具有重要作用,但对于灌丛穿透雨的影响机制特别是植被特征对穿透雨的影响认识依然有限,且对穿透雨空间异质性与聚集效应的研究相对较少,需要开展进一步的系统性研究。

为此,本文以陕北黄土高原典型灌丛(柠条)为研究对象,通过对单株柠条穿透雨和植被特征以及降雨气象因子的系统观测,分析穿透雨量、穿透雨率、穿透雨空间变异和聚集效应的变化特征,辨识影响穿透雨的主要降雨和植被因子,并建立相应定量关系,深入理解穿透雨过程与影响机理,为黄土高原柠条灌丛生态水文功能的定量评价和干旱区植被恢复提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省神木县六道沟小流域(110°21′—110°23′E,38°46′—38°51′N),海拔1081.0—1273.9 m,流域面积6.89 km2,主沟道南北走向,长4.21 km,属窟野河二级支流。该流域地处黄土高原北端和毛乌素沙地南缘,典型的沙盖黄土丘陵沟壑地貌,呈现典型的过渡带特征,即水蚀风蚀交错带、森林草原和荒漠草原过渡带。研究区属中温带半干旱气候,冬春季干旱少雨、多风沙,夏秋多雨,多年平均降雨量为437.4 mm,70%以上的降雨集中在6—9 月,年潜在蒸发量超过1000 mm,年可利用水资源相对缺乏。年均气温8.4℃,全年无霜期为153 d,年日照时数2836 h,年总太阳辐射为5922 MJ/m2。土壤主要有绵沙土、新黄土、红土及在沙地发育起来的风沙土和沙地淤土。小流域主要土地利用类型包括草地、灌丛和耕地,植被类型为干旱灌丛草原,主要灌丛类型有柠条和沙柳。

1.2 实验设计与方法

样地设置与植株选取：选择六道沟小流域20年生柠条地作为试验样地,坡向为南偏西44°,坡度为13°。选取生长良好、独立且具有代表性的4株柠条作为试验灌丛,其平均株高为(2.08±0.07) m,冠幅面积为(5.06±6) m2,平均枝数为36±4.10,平均叶面积指数为2.46±0.24。在2016年6—9月开展降雨与气象因子、穿透雨和冠层形态结构的测定。

降雨与气象因子测定：在柠条样地附近的空旷处放置自记式雨量计(RG3-M,美国Onset公司),精度为0.2 mm,监测降雨特征数据,并计算次降雨量(P,mm)、降雨历时(RD,h)、平均降雨强度(I,mm/h)、最大5、10 min和30 min雨强(I5、I10和I30,mm/h)。同时,以自记式雨量计为圆心、50 cm为半径、120°为夹角,均匀布设3个简易雨量筒(内口直径20 cm、深度23 cm),与自记式雨量计的次降雨量观测数据进行比对。气象因子通过自动气象站测定(Dynamet,美国),包括空气温度(℃)、相对湿度(%)、风速(m/s)和风向(°)等。

穿透雨测定：穿透雨用简易雨量筒测定,以柠条基部为中心,在东、东南、南、西南、西、西北、北、东北8个方位,距离基部70 cm处水平布设雨量筒。单次降雨事件结束后,立即测定每个雨量筒的穿透雨量,蒸发损失可以忽略不计。试验期间穿透雨量最大值为12.69 cm,雨量筒深度能够保证水面离桶口距离超过10 cm,可以有效防止穿透雨从雨量筒中溅出。将8个雨量筒的穿透雨平均值作为该株灌丛的穿透雨量(TF,mm),并计算穿透雨率(穿透雨量与降雨量比值)(TP,%)和穿透雨空间变异系数(不同方位穿透雨的空间差异)(CV,%)。将4株柠条穿透雨量、穿透雨率、空间变异系数取均值,作为单次降雨事件下柠条的穿透雨特征值[23]。

冠层形态结构测定：叶面积指数(LAI)利用冠层分析仪测定(LAI- 2200C,美国LI-COR公司),每月中旬测量一次。LAI测定方式为单株测量,采用多点扫描取均值方法测量。测量中将LAI- 2200c设定成1A8B模式,以单株冠层下所设雨量筒上方10 cm处作为测点、对摄像头进行270°遮挡并扫描,每株柠条测量5次取平均作为最终的LAI结果。冠层厚度(CT)采用5 m长的标杆竖立在雨量筒位置处测量,将雨量筒上方冠层的上下刻度差值作为冠层厚度。枝倾角(BA)选择雨量筒上方的枝干用量角器测量。枝长(BL)选择雨量筒上方的枝干用5 m长标杆平行测量。

1.3 数据分析

本研究运用SPSS 21.0统计分析软件进行数据分析。为全面刻画穿透雨的变化特征,首先确定TF、TP和CV的主要特征(平均值、最小值、最大值、标准差),并确定不同降雨量、强度和历时量级下,聚集效应发生的次数和频率。为分析降雨因子对穿透雨的影响机制,首先采用Pearson相关性分析检验TF、TP和CV与降雨因子(P、RD、I、I5、I10、I30)间的相关性,辨识影响穿透雨的主要因子,并通过回归分析建立穿透雨与降雨因子的关系式,确定显著因子和拟合方程[20,24]。通过Pearson相关性分析检验TP与冠层特征变量(LAI、CT、BL、BA)的相关性,确定影响穿透雨的主要冠层形态因子。

2 结果与分析

2.1 降雨特征

图1 试验期间降雨特征Fig.1 Characteristics of rainfall events during the study period in 2016

2016年6—9月期间产生穿透雨的降雨事件共37场,总降雨量为509.68 mm,平均次降雨量为13.78 mm,标准差和变异系数分别为24.75 mm和179.70%。试验期间降雨特征见图1。产生穿透雨的次降雨量最小值为0.48 mm(6月9日),最大值为134.44 mm(7月8日)。从雨量分配上看,降雨量为<5 mm、5—10 mm、10—20 mm和>20 mm 4个雨量级的降雨次数分别为17、9、6和5,累计降雨量分别占总降雨量的8.8%、13.1%、18.5%和59.6%。降雨强度波动较大,从最小雨强0.40 mm/h(7月14日)到最大雨强47.86 mm/h(6月6日),平均值为5.43 mm/h,标准差和变异系数分别为8.77 mm/h和161.52%。平均降雨强度<2 mm/h、2—5 mm/h、5—10 mm/h和>10 mm/h的降雨次数分别为15、12、5和5。I5、I10和I30平均值分别为21.14 mm/h、16.45 mm/h和10.94 mm/h,最小值分别为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),最大值分别为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)。降雨历时的平均值为4.17 h,标准差和变异系数分别为5.26 h和126.18%,最短降雨历时为0.12 h(6月6日、6月9日),最长为26.67 h(7月8日)。历时<5 h、5—10 h、>10 h的降雨次数分别为27、6、4。

2.2 穿透雨的变化特征

表1为次降雨事件下穿透雨量、穿透雨率和穿透雨空间变异系数的统计结果。试验期间总穿透雨量为439.51 mm,占总降雨量的86.23%。穿透雨量和穿透雨率的平均值分别为11.88 mm和75.71%。最小穿透雨量(0.24 mm)和穿透雨率(40.98%)由降雨量为0.58 mm(9月21日)的事件产生。最大降雨事件(134.44 mm)产生的穿透雨量为126.91 mm,穿透雨率为94.40%。穿透雨空间变异系数的平均值为21.80%,最小变异系数为10.00%,对应降雨量为57.77 mm(8月14日),最大变异系数为61.4%,对应降雨量为0.58 mm。

表1 穿透雨统计结果

2.3 穿透雨与降雨特征的关系

相关性分析表明,TF与P、RD、I10、I30呈显著正相关(P<0.05),与P 的相关性系数为0.999(表2)。回归分析表明,TF与降雨特征的关系用线性函数拟合效果最好(图2),其中TF与P线性关系式的R2值为0.999,说明穿透雨量主要由降雨量决定,可以采用降雨量直接求算穿透雨量,即TF=0.935P-0.994。利用TF与P的线性回归关系式,可以得到产生穿透雨的临界降雨量为1.06 mm(TF为0时对应的P值)。

表2 穿透雨量、穿透雨率和空间变异系数与降雨特征的相关性分析

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水平上显著,**表示在0.01水平上显著

图2 穿透雨量与降雨量、降雨历时、平均降雨强度、I5、I10和I30关系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, 降雨历时, rainfall duration; I, 平均降雨强度, average rainfall intensity; I5, 最大5min雨强, maximum rainfall intensity in 5 min; I10, 最大10min雨强, maximum rainfall intensity in 10 min; I30, 最大30min雨强, maximum rainfall intensity in 30 min

表2表明,TP与P、RD、I5、I10和I30呈显著正相关(P<0.01)。TP与降雨特征的拟合关系如图3所示,通过比较得出对数函数拟合效果最好。结果表明,TP与P的对数关系式R2值最高(0.71),其次为I30(0.54),说明P和I30对穿透雨率的影响最大。由图3可知,在降雨量<20 mm时,TP随P变化增长较快,超过20 mm后增长趋势变缓,并逐渐趋近渐进值,约为95%。TP随RD与其他降雨指标的变化存在类似规律,前期随降雨变化增长较快,当历时超过6 h、降雨强度达到10 mm/h后趋于稳定。即使降雨持续到更大范围即降雨量>50 mm,降雨强度>30 mm/h,降雨历时>12 h后,穿透雨率仍然能够处于稳定。

图3 穿透雨率与降雨量、降雨历时、平均降雨强度、I5、I10和I30关系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, 降雨历时, rainfall duration; I, 平均降雨强度, average rainfall intensity; I5, 最大5min雨强, maximum rainfall intensity in 5 min; I10, 最大10min雨强, maximum rainfall intensity in 10 min; I30, 最大30min雨强, maximum rainfall intensity in 30 min

2.4 穿透雨与冠层形态特征关系

冠层形态特征显著改变了穿透雨的传输路径和空间分布。结果表明,柠条穿透雨率随着叶面积指数、冠层厚度和枝长的增大而降低,而随着枝倾角的增大而升高(图4)。相关性分析表明,穿透雨率与冠层厚度和枝倾角的相关性达到显著(P<0.05),和叶面积指数和枝长的相关性不显著(P>0.05)。冠层厚度和枝倾角是影响柠条穿透雨的重要因子。

图4 穿透雨率与叶面积指数、冠层厚度、枝长和枝倾角关系Fig.4 Relationship between throughfall percentage and LAI, canopy thickness, branch length and branch angleLAI: 叶面积指数, leaf area index; CT: 冠层厚度, canopy thickness; BL: 枝长, branch length; BA: 枝倾角, branch angle

2.5 穿透雨的空间异质性

相关性分析表明,柠条冠层下穿透雨空间变异系数与降雨量和降雨历时的相关性显著(P<0.05)、与平均降雨强度关系不显著,与I5、I10、I30的相关性达到极显著(P<0.01),均为负相关,且与I30的相关性最好(表2)。回归分析表明,空间变异系数与降雨因子的关系采用幂函数拟合效果最好(图5)。较小降雨时,穿透雨空间变异系数较大,并随降雨的增大逐渐降低。在降雨量超过20 mm、历时超过6 h、雨强超过10 mm/h时,穿透雨空间变异系数趋于稳定,渐进值约为10%。降雨持续到更大范围时(降雨量>50 mm,降雨强度>30 mm/h,降雨历时>12 h),变异系数依然能够保持稳定。

图5 穿透雨空间变异系数与降雨量、降雨历时、平均降雨强度、I5、I10和I30关系Fig.5 Relationship between coefficient of variation of throughfall and precipitation amount, rainfall duration, average rainfall intensity, I5, I10 and I30CV: 穿透雨空间变异系数, coefficient of variation; P, 降雨量, precipitation; RD, 降雨历时, rainfall duration; I, 平均降雨强度, average rainfall intensity; I5, 最大5min雨强, maximum rainfall intensity in 5 min; I10, 最大10min雨强, maximum rainfall intensity in 10 min; I30, 最大30min雨强, maximum rainfall intensity in 30 min

2.6 穿透雨聚集效应

自记式雨量计和雨量筒测定的冠层外次降雨量具有非常好的一致性,可以排除灌丛外降雨和冠层下穿透雨观测设备不同对聚集效应的影响。1184个穿透雨观测值中,共有101次穿透雨率超过100%,聚集效应发生频率为8.53%。聚集效应发生频率随降雨量、I30和RD量级的增加而增大,变化规律如图6所示。在0—5 mm、5—10 mm和10—25 mm降雨量级时,聚集效应发生频率分别为5.51%、7.64%和11.46%,而当降雨量>20 mm时,发生聚集效应的观测点比率高达16.88%,聚集效应的发生随着降雨量级的增大明显增多。在I30为<2 mm/h、2—5 mm/h、5—10 mm/h和<10 mm/h等4个不同量级的雨强下,聚集效应发生频率分别为4.69%、5.94%、7.99%、13.02%。聚集效应频率在降雨历时<5 h和5—10 h时分别为7.00%和7.03%,超过10 h后聚集效应频率升至21.09%,降雨历时影响效果非常明显。

图6 不同降雨量、I30、降雨历时量级下穿透雨聚集效应频率Fig.6 Frequency of aggregation effect of throughfall under different regimes of precipitation amount, I30 and rainfall durationFAE: 穿透雨聚集效应频率, frequency of aggregation effect; P, 降雨量, precipitation; I30, 最大30min雨强, maximum rainfall intensity in 30 min; RD, 降雨历时, rainfall duration

3 讨论

在本研究中,柠条植株穿透雨率为75.71%,这与科尔沁沙地小叶锦鸡儿70.9%[25]、腾里沙漠东南缘柠条74.70%[26]、沙坡头试验站柠条69.7%[9]等的穿透雨研究结果相近。柠条穿透雨率与降雨量、降雨历时、降雨强度(I5、I10、I30)显著相关,其中降雨量的影响最大,可用次降雨量值来求算穿透雨量。已往研究中多采用平均降雨强度表征雨强的影响[9,17- 18,25- 28],但本研究表明时段最大雨强(I5、I10、I30)对穿透雨的影响比平均降雨强度更大,其中I30与穿透雨的关系最显著。这主要是由于研究区降雨集中,暴雨和阵雨较多。相比于降雨量和雨强,降雨历时对穿透雨的作用更多的体现在后续降雨的补给,穿透雨率随着时间持续越来越大,直至稳定。本研究出现有降雨量>50 mm、降雨强度>30 mm/h、降雨历时>12 h的干旱半干旱区罕见降雨条件,在极端降雨条件下穿透雨率依然能保持稳定。

穿透雨除受降雨特征的影响外,还与冠层形态结构有关[9,29-30]。研究发现,柠条的冠层厚度、枝长、枝倾角、叶面积指数均会影响穿透雨的产生与分布,部分雨水直接穿过林隙而进入林地,被冠层截留的部分,雨量超过冠层截留容量时集聚而滴落[9]。叶面积指数越大,冠层郁闭度越高,阻止降雨进入林下的能力就越大[9,14]。冠层厚度越大,雨水透过冠层向下传输距离越长,阻力增大,过程损失消耗增多,产生穿透雨量越少。枝倾角越大和枝长越短时,冠层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,冠层厚度和枝倾角与穿透雨率的相关性显著(P<0.05),其中冠层厚度的相关性最好。冠层厚度是影响穿透雨的最重要因素,这与李振新等[13]、盛后财等[30]等的研究结果一致。Zhang等[9]和时忠杰等[14]认为叶面积指数、杨宪龙[31]认为总枝条数对灌丛穿透雨的影响最大。这主要是由于不同灌丛的植株分枝角度、叶片形态有很大差异,进而导致了研究结果的差异。通过上述形态特征对穿透雨的影响可以总结,对于柠条灌丛而言,小型短枝收拢型植株比大型长枝半球型植株有更强的穿透雨的产生能力。

穿透雨在柠条冠层下不同位置处具有明显的空间差异。穿透雨空间异质性主要由冠层形态结构特征的空间分异产生,而降雨条件则会进一步改变穿透雨的空间异质性。在本研究中,影响穿透雨空间变异的主要降雨因子是降雨量和I30。降雨量较小时林冠枝叶的降雨截持作用明显,从而使穿透雨空间差异变大,降雨量较大时,林冠截持作用相对变小,使得穿透雨空间差异减小[14]。盛后财等[30]认为穿透雨变异系数与降雨强度相关性不显著(P>0.05),本研究中变异系数与I30的相关性达到了极显著(P<0.01)。在较大降雨强度时,雨滴冲击强度大,可使被截留的部分降雨滴落,冠下穿透降雨分布更平均,异质性降低[17]。聚集效应是穿透雨空间异质性的一种体现,主要是由于灌丛分枝角度、叶片角度及形状等原因,使冠层截留于叶片的雨水沿一定方向集中起来落于冠层下[32],或者在枝条交叉处和不同茎级枝条分叉处,茎流在交叉处汇集受阻滴落形成穿透雨,进而导致该点穿透雨明显升高。在小雨量、低雨强、短时性降雨时,这种冠层汇集降雨的作用不明显,在降雨较大、高雨强时汇集作用显著。因此,尽管冠层截留降水,减少了冠层下水分的输入,但是冠层结构和降雨特征改变了降水的空间分布格局,冠层下部分位置可获得较多的雨水,甚至高于冠层外的降雨量,这对土壤水分动态变化具有重要影响。

4 结论

柠条穿透雨量主要由降雨量决定,可采用线性关系式通过降雨量直接确定穿透雨量,产生穿透雨的临界降雨量为1.06 mm。穿透雨率随降雨量和I30增加而呈对数增加,随着降雨持续逐渐趋于稳定,渐进值约为95%。冠层厚度和枝倾角是影响穿透雨的主要植被因子,其中冠层厚度影响较大,小型短枝收拢型柠条植株比大型长枝半球型柠条有更强的穿透雨产生能力。柠条穿透雨具有较大的空间变异性,平均值为21.80%,变异系数随降雨特征值的增大呈幂函数降低。降雨过程中穿透雨会发生聚集效应,平均发生频率为8.53%,聚集效应在小降雨条件下发生较少,在在大雨量、高雨强和长历时降雨条件下频次较高。本文仅研究黄土高原单一地区、单一年限和单一物种的穿透雨特征,有必要在不同区域、选择不同生长年限开展不同灌丛穿透雨特征的对比分析和系统研究,这对揭示黄土高原灌丛生态系统生态水文过程和指导生态系统恢复和管理具有重要的科学和实践价值。