植物对降水截留的研究进展

郭建平

1)(中国气象科学研究院，北京 100081) 2)(南京信息工程大学气象灾害预警预报与评估协同创新中心，南京 210044)

引 言

植物对降水的截留作用是指降水被地面植物的枝叶、茎秆、地表枯落物等拦截，导致部分降水未能参与地面径流形成或地下(土壤)水分运动过程，而以蒸发形式直接回归大气的作用[1]。因此，被植物截留的降水无法直接参与地面径流形成或地下(土壤)水分运动过程，降水截留研究在水文生态学和农业气象学中均有重要意义。

植物对降水的截留是水文学研究的重要方向之一，显著影响流域的产流、产沙以及化学物质迁移转化等诸多物理过程。通常情况下，雨量较大时植物的截留损失可以忽略，因为这时的截留率低，特别是大到暴雨时可以完全忽略植物截留，但在雨量较小的干旱区且植被茂盛时，植物截留对流域水量平衡计算有十分重要的意义。在湿润森林地区，植物的截留损失通常占年降水量的10%～30%[2-4]，而在某些降水量偏少地区，植物截留损失量大得多，可以达到40%～50%[5]，在某些干旱地区草被对年降水量截留损失也可达30%[6]。由此可见，在某些环境下，降水截留损失显著影响降水的产流过程，在水文模型中通常有专门的模块处理截留过程[7]。

农作物的生长发育和产量形成与气象条件关系密切，因此，农作物气候资源评价是气象和农业部门最常规、最基础的工作之一，备受气象和农业科研工作者重视。降水是农作物生长发育和产量形成的主要水分来源，对于旱作农业，降水尤其重要。作物只有通过吸收土壤中的水分才能维持正常的生长发育，因此，通常认为只有被保存在土壤中的水分才对农作物有效。而一次降水过程中的部分降水会被作物冠层截留，并通过叶面蒸发散失到空气中，无法保存到土壤中，这部分降水对作物生长无效，若降水量较小，则无效降水比例高，因此，降水作用往往被高估。一些研究认为，在喷灌条件下，玉米冠层一次最大截留量为1.8～2.7 mm[8-10]，冠层截留率为7.5%～11.4%[11]。小麦冠层对一次降水过程的最大截留量超过10 mm，冠层截留率达24%～28%[12]。但在农业干旱的指标构建[13-16]、监测评估[17-21]和风险评估[22]中，通常不考虑降水截留，导致干旱评估结果偏轻，夸大了降水的实际效率；在农业气候资源评估中，如果不考虑降水的截留作用，往往使降水适宜度和气候适宜度评估结果偏高[23-26]。

植被冠层对降水的截留作用，可改变降水在地表的分配，进而影响降水的有效利用[27]。但在实际工作中，植物对降水的截留量很难定量计算，严重制约降水对植物的影响评估。因此，如何准确估算植物对降水的截留，对于降水有效性评估和农田水分平衡计算均有重要理论意义和实用价值。

1 植物对降水截留的研究方法

植物对降水的截留通常采用间接测量法或直接测量法测定。间接测量法也被称为水量平衡法，通过间接测量降水到达地表后的其他分量，利用水量平衡公式计算获得植物截留量，该方法广泛应用于森林截留研究中。直接测量法也被称为称重法，通过直接称取植物表面截留的水量计算植物的截留量，具有研究周期短、方法简便实用、快速获取研究数据的效果，多用于农作物截留研究中。

1.1 间接测量法

间接测量法也称为水量平衡法。通过观测降水到达下垫面后的各个分量，包括植物群体外的降水量(PG)、透过植物群落到达地表的降水量分量(PT，包括在降水过程中从叶尖滴落的水珠)、植物茎秆产生的茎流量分量(FS)，再利用水量平衡公式间接计算出植物对降水的截留量(IC)。计算公式为

IC=PG-PT-FS。

(1)

对于森林植被而言，还需要观测地表枯落物截留量分量(IL，农作物一般不考虑IL)，IC和IL共同组成森林生态系统对降水的截留。

1.1.1PG的观测

PG的观测通常使用1～2个雨量计。雨量计一般放置在观测植物群体附近开阔地，或将雨量计放置在观测群体之上。一般情况下，这两个位置的结果较一致，但当开阔地较远时可靠性下降，而将雨量计放置在群体之上可能受风的影响较大[28]。因此，应尽可能选择附近有开阔地之处作为试验点，既方便仪器布设，又可保证观测数据精度。

1.1.2PT的观测

与PG的观测相同，PT的观测也采用雨量计。雨量计放置的位置必须在植被群落的冠层下面，当植被较矮时，可将雨量计部分埋入土中，使降落到叶面、枝干上再滴落下来的雨水全部进入雨量计中。但由于植被群落通常很不均匀，PT的观测也是最容易出现较大误差的一项截留观测分量。减小PT观测误差的主要做法是确保尽可能大的采集面积，通常使用尽量多的雨量计。为使PT观测误差控制在5%以内，Czarnowski等[29]认为至少需要30个雨量计，而Helvey等[30]认为在林木生长季节需要15个雨量计，休眠期需要6个。也有采用大型集水槽代替雨量计，既增加了集雨面积，又可减少雨量计的使用[31-32]。

1.1.3FS的观测

FS测定时，一般用直径约3 cm的软管(纵向切开软管，但其末端保持完整，并接入集水容器)，选择观测树木，在地面以上30 cm处向上沿树干螺旋状绕至少1周[28，33]，或环状(衣领状)环绕1周[34]，为保证茎秆流全部被收集，软管一侧边缘必须嵌入树皮之内或固定在树皮上，用密封胶封严中间缝隙，末端与集水容器相连接，使茎秆流全部进入容器中；农作物FS的测定与树木类似，由于农作物茎秆较细，通常在茎秆基部包裹一喇叭口状的聚乙烯集水装置或塑料集水装置收集茎秆流，并在装置底部引出1个导管，导管末端与集水容器相连接，以测量茎秆流量[35]。

1.1.4IL的观测

在水量平衡各分量测定中，准确测定IL难度最大。常见的IL直接观测方法是在森林内地表枯落物典型的地方布设2个规格相同的雨量计，其中一个雨量计作为对照，雨量计上不覆盖任何东西，另一个雨量计上叠放一圆形铁圈纱网，将未被破坏的相同厚度的原状枯枝落叶放置在纱网上，两个雨量计观测值之差即为IL[36-37]。

1.2 直接测量法

直接测量法通常在研究农作物或树木幼苗截留量中采用，对于较大树木一般无法采用该方法。使用较多的直接测量法包括称重法、擦拭法和简易吸水法。

1.2.1 称重法

称重法是较常用的方法之一，通常在人工模拟降水试验(或喷灌试验等人工控制试验)中采用[38]。模拟降水开始前，首先将植株剪下，称取每株植株的质量，试验结束后再次称取包括截留水分在内的植株质量，前后两次质量差即为植株截留量。为保证称重时植株上水分不掉落，且不受风等环境因素的影响，称重区通常设置在降水模拟试验点附近，且四周用塑料薄膜进行围挡。为减小试验误差，试验全过程(包括称重过程)中植株始终保持与自然状态基本一致。

1.2.2 擦拭法

擦拭法需采用高分子吸水材料[39]。每次测定开始前，将高分子吸水材料装在自封袋中用万分之一天平称重，并在试验区中随机选取若干植株进行标记，待降水结束后，从自封袋里取出高分子吸水材料擦拭标记植株上附着的水分，擦拭后立刻装入自封袋，并封口防止水分蒸发，尽快使用万分之一天平再次称重，前后两次的质量差即为植株截留量。擦拭过程中要特别细心，既要将叶片上的水分擦拭干净，又要防止水滴掉落地上。另外，由于植株个体不均匀，为减小误差，通常需擦拭尽可能多的植株，并取平均。

1.2.3 简易吸水法

简易吸水法通常用于测量植株的饱和截留量(最大截留量)[40-41]。第1步将植株贴地面剪下，立即用熔化的石蜡封闭切口，防止水分从切口处散失和吸收；第2步快速称取无截留状态的质量；第3步将整个植株完全浸入水中，待植株完全湿润后取出；第4步等枝叶上水珠不再下滴时，再次称取植株质量(含饱和截留水量)，前后两次称重的质量差即为最大截留量。

1.2.4 喷雾法

与简易吸水法一样，喷雾法通常也只能用于测量植株的饱和截留量(最大截留量)[42]。第1步将植株贴地面剪下，立即用熔化的石蜡封闭切口，防止水分从切口处散失和吸收；第2步快速称取喷雾之前(无截留状态下)的质量；第3步将植株直立固定，用喷雾器在植株上方喷雾，直至叶缘叶尖处开始形成滴水以及叶基处开始有茎秆流形成时停止；最后，再次称取植株质量(含饱和截留水量)，前后两次称重的质量差即为植株最大截留量。

2 森林(树木)对降雨的截留

国内外对林木冠层的降雨截留过程研究相对较多[43-46]。如周秋文等[47-48]系统分析了贵州喀斯特地区针叶林和阔叶林降雨截流分配特征，林冠截留总量占同期降雨的17.04%，树冠截留量随着降雨的增大而增大，林冠截留率随降雨增大而减小。白雲等[49]研究建立了井冈山国家级自然保护区杉木林冠层的截留模型。采用野外观测和统计分析方法研究祁连山排露沟流域5种典型灌丛的降雨截留特征，5种灌丛穿透雨量和截留量与降雨量均呈显著线性正相关，而穿透率和截留率与降雨量均以对数函数拟合较好[50]。董玲玲等[51]对辽河源自然保护区油松林、山杨林和华北落叶松林的穿透雨、树干茎流和林冠截留进行监测，林冠截留能力从大到小依次为油松林(20.4%)、华北落叶松(17.9%)、山杨林(12.4%)，在降雨量较小时表现更加明显，降雨特征和冠层结构对林冠截留均产生影响。杨文强等[52]以我国黄土高塬沟壑区的典型代表长武塬为研究区，基于对45场降雨的实测数据，分析苹果林的林冠截留特征，结果表明：17年生苹果林穿透雨量、树干茎流量、林冠截留量分别占降雨量的75%～97%，0.2%～1.6%，2%～25%，量化了林冠对降雨的分配比例。日本直木的穿透雨量、茎秆流和截留率分别为65.3%，9.1%和25.5%[53]。刘春霞等[54]以位于我国西南亚热带的天然混交林为研究对象，利用2009 年4—10月的60场林冠截留观测数据，综合分析了降雨再分配特征，并应用修正的Gash模型[55]对6—8月的17场林冠截留量进行模拟。杜仲林、枫樟混交林和马尾松林的林冠截留率分别为14.69%，18.19%和18.79%，降雨量越大，林冠截留量也越大，降雨量与林冠截留量呈正相关关系[56]。对阿根廷灌木的研究表明：截留率、穿透率和茎流率分别为9.4%，78.6%和12.0%。截留率随降雨事件规模和强度的增加而减小，而穿透率则相反[57]。

林冠截留与林冠类型关系密切，且具有稳定性小、变异性大的特点。亚热带西部高山常绿针叶林变异性最大，亚热带山地常绿落叶阔叶混交林变异性最小(具有复杂结构的热带山地雨林和季雨林除外)[58]。落叶后的林冠减少了对水分的储存能力，截留损失下降，有叶期的截留率为29%，而无叶期的截留率为20%[59]。不同林冠截留率差异显著，一般穿透雨量较大，穿透雨率可达60.0%～90.0%，截留率与降雨量、林冠类型、茂密程度有关，截留率通常可达10.0%～40.0%，而树干茎流率相对较小，仅为0.5%～14.0%[60]。美国乔治亚州西部本宁堡5个森林社区松松树、混交林、低地阔叶林、松树林和高地阔叶林截留率分别为22.3%，18.6%，17.7%，17.6%和17.4%[61]。在森林覆盖度相似情况下，林冠对降雨的截留率与森林结构和树种关系密切，对伊朗半干旱地区刺槐和侧柏进行为期3年的监测表明，降雨在全叶、衰老、无叶和长叶状态下的分配动态不同[62]；针叶林冠层对降雨截留低于阔叶林，落叶林低于常绿林，复层异龄林低于单层林[63]。4种降雨截留模型分析显示：热带山地云林、温带、干旱/半干旱森林和热带干燥森林分别截取了总降雨量的14%，18%，22%和26%[64]。

林冠层的年截留量与年降雨量和年内降雨次数有关，降雨量越大，降雨次数越多，年截留量也越大，通常可以达到年降雨量的15%～45%，最高可以达到50%[65-66]。降雨强度也影响林冠截留，降雨强度越大，林木冠层的截留量、树干流量和穿透雨量也越大，林冠截留量、树干流量和穿透雨量均与降雨强度呈显著的线性关系[67-69]。也有研究认为截留损失与总降雨量的关系是抛物线关系，而非线性关系[70]。在观测试验的基础上开展截留模型的研究是学科发展的方向，由此各种类型的林冠截留模型发展起来[71-76]。Rutter等[77]和Gash等[55]在20世纪70年代就已经建立了林冠截留模型，因其物理意义明确、涵盖面广、误差小而得到广泛应用。在观测试验的基础上，运用概率论和数理统计方法建立线性或非线性的统计模型是最普遍的方法[75]；由于林冠对降雨的再分配规律与光线在林冠中辐射传播的规律具有相似性，于是建立了林冠截留降雨的理论模型，该模型推导合理，是我国比较成功的理论模型[76]。

3 农作物对降雨的截留

农作物对降雨的截留研究大多集中于玉米和小麦作物，对其他作物研究的报道较少。喷灌和人工模拟降雨是研究农作物截留的有效方法。因此，大多数研究集中于人工喷灌和模拟降雨条件下进行[9，12，77-79]。

3.1 玉米对降雨的截留

马波等[42]采用室内模拟降雨法测定不同降雨强度下，玉米在不同叶面积指数下的穿透雨和茎秆流，采用喷雾法测定玉米不同生长阶段的冠层截留(饱和截留量)，并对其进行量化分析，明确穿透雨、茎秆流、饱和截留量与玉米叶面积指数和降雨强度的关系。同时，采用相同方法系统测定不同降雨特性下玉米不同生育时期的冠层下穿透雨和茎秆流，并利用水量平衡法量化对应的玉米冠层截留[32，42]。在此基础上，进一步探讨穿透雨、茎秆流、饱和截留量与玉米生育期和降雨特性关系，最终构建玉米冠层对降雨截留的估算模型，该模型可为客观评价降雨有效性提供参考。一些研究认为，在喷灌条件下，玉米冠层饱和截留量为1.8～2.7 mm[8-10]，冠层截留率为7.5%～11.4%[11]。郭建平等[38]利用人工模拟降雨试验研究表明：玉米对一次降雨过程的最大饱和截留量约为1.5～2.3 mm。林代杰等[80]采用人工模拟降雨法测定玉米成熟期冠层截留的结果表明：降雨的截留率为7.5%，穿透雨率为63.7%，茎秆流率为28.8%。而郑子成等[81]根据实际降雨频率，采用人工模拟降雨技术，结果表明：玉米冠层截留量、茎秆流量和穿透雨量均与降雨强度呈极显著线性正相关关系，玉米全生育期的冠层截留率平均为8.4%，茎秆流率平均为35.4%，穿透雨率平均为56.2%。一般条件下，玉米叶面积越大，截留面积也越大，因此，玉米的冠层截留量与叶面积指数和株高(株高与叶面积成正相关)呈极显著的正相关关系[38，81-82]，与降雨强度之间呈极显著线性正相关关系[83]。为探明夏玉米不同生长阶段的降雨冠层截留过程，采用模拟降雨法测定不同生长阶段、不同降雨强度下夏玉米冠层下穿透雨量、茎秆流量，并基于水量平衡法量化分析冠层截留，采用多元回归分析方法，建立包含叶面积指数、降雨强度和降雨历时3个参数的夏玉米次降雨冠层截留特征量估算方程[35]。2015—2016年两个玉米生长季观测的降雨穿透率、茎流率和截留率分别为65.2%，22.3%和12.5%，苗期的穿透率显著大于抽雄期，而茎流率和截留率则相反[84]。

3.2 小麦对降雨的截留

研究显示：在喷灌条件下，冬小麦整个生育期的冠层降雨截留率为24%～28%[85]；在灌浆初期，春小麦叶面积指数较大，冠层降雨截留率可达25%～35%[86]。冬小麦最大(饱和)冠层截留量与截留面积有关，截留面积越大，截留量也越大。因此，随着生育期变化，叶面积指数先增大后减小，饱和截留量呈先增加后减少的趋势[39，87]。但利用不同方法测定的冠层饱和截留量存在较大差异，如王庆改等[39]在大田条件下用擦拭法测定的结果仅为1.0 mm；王迪等[87]在室内喷灌条件下用称重法测定结果高达1.47 mm，两者相差达47%；而Kang等[12]认为小麦的冠层截留量大于10 mm，冠层截留率为24%～28%。在喷灌条件下，冬小麦冠层饱和截留能力随叶面积指数和株高的增大而呈线性增大，这主要是小麦截留面积增加所致，而喷灌强度对冠层饱和截留能力并没有明显影响[12，82，87]。人工模拟降雨试验和统计分析表明：冬小麦棵间雨量(穿透雨)和冠层截留量与降雨量分别呈显著正相关关系和幂函数关系，降雨强度与穿透雨率和冠层截留率分别呈负指数函数关系和负幂函数关系[31]。小麦冠层降雨截留量与叶面积指数、株高、水滴大小和风速等因素有关[12，39，87]。由于作物冠层能够削弱冠下降雨量(穿透雨)，因此，可以在一定程度上减小降雨对土壤的侵蚀力。

4 森林冠层对降雪的截留

降雪是大气降水的一种重要形式，同时也是地表水循环过程中重要的组成部分。与降雨截留研究相比，对降雪截留的研究相对较少，且主要集中在森林树木对降雪截留方面，农作物对降雪截留的研究尚未见报道。单棵树对降雪的截留过程符合 S 型增长曲线，树枝上存有过少或过多雪时，截留率也较低，仅当树枝上有适量雪时，才具有较高的截留率[88]。但也有研究得到相反结论[89]。回归统计表明：林分的截留能力与降雪量和林冠郁闭度紧密相关[90]。英格曼云杉、毛果冷杉和美国黑松对降雪的截留差异并不显著，气象条件比植株形态结构影响更显著[91]。虽然花旗松和白松在形态学特征上差异显著，但截留雪量并无显著差异[92]。南安第斯山脉的诺法古斯森林截留量平均占年降雪量的23.6%[93]。对大兴安岭樟子松林的研究显示：不同林分组成类型的天然樟子松林截留雪量为11.4～16.4 mm，截留率为14.7%～23.6%[94]，樟子松林对降雪的截留作用最大，其降雪截留率为22.54%，是兴安落叶松林的1.9倍，是杨桦林的5.4倍[95]，降雪级别越小，降雪截留率越大，暴雪、大雪、中雪和小雪的截留率依次为6.50%，9.04%，9.8%和15.7%[96]。小兴安岭森林对降雪的截留作用主要受郁闭度和树种组成影响，云冷杉红松林对降雪截留作用最大，达39.7%，约为次生白桦林的5倍，人工落叶松的2.5倍[97]。辽东山区蒙古栎林树冠平均最大截留量和截留率分别为8.3 mm和28.7%；红松林分别为7.9 mm和27.1%；落叶松林分别为7.2 mm和24.1%[98]。黄土丘陵区25年林龄的油松人工林和天然山杨林对降雪的截留量为17.2 mm 和2.3 mm，截留率分别为45.l%和5.9%，两个树种间差异显著[99]。

升华是截留积雪损失的一种重要途径，部分截留雪通过升华又散失到大气中。加拿大北方地区针叶林冠层能够贮存60%的降雪，而其中30%～40%的积雪通过升华损失[100]，截留雪的升华速率可超过0.5 mm·h-1[101]，风速较小时，截留雪的升华速率可达到0.3 mm·h-1[102]，在干燥且寒冷的天气下，截留雪的升华速率可达到1.5 mm·d-1[103]。此外，有相当部分的截留雪会融化滴落到地面，并进入土壤或形成地表径流。美国西南部内华达山脉有25%的降雪事件中能够观测到冠层截留雪的融化滴落事件，其中有4%的降雪事件中产生的水滴超过2 mm[104]。不同研究结果差异较大，最小值为截留雪的5%[92]，而最大值达截留雪的72%[101]。

5 存在的问题

植物对降水的截留在流域水量平衡和农业气候资源评估中均有重要意义，但由于对截留概念的理解以及观测方法的限制，目前在截留的相关研究中还存在较多有待解决的问题。

5.1 对截留的理解不同导致截留测定结果差异显著

植物对降水的截留量是指被地面植物的枝叶、茎秆、地表枯落物等拦截而未能到达地表的降水量，是无效降水的主要部分。根据该定义，植物对降水的截留应包括两个部分：一是降水结束后仍滞留在植物体表面的水分，二是在降水过程中植物体表面被蒸发掉的水分。通常情况下，间接测定法(水量平衡法)测定的截留包括了上述两部分水量，而直接测定法仅测定了滞留在植物体表面的水量，忽略了被蒸发掉的水量，因此，直接测定法的结果一般比间接测定法小。尤其当植物的叶面积指数越大，降水持续时间越长时，间接测定法获得的截留量也越大，主要原因是叶面积指数越大，植株的蒸发面就越大(叶片的正背两面都会产生水分蒸发，因此，实际蒸发面积是叶面积指数的2倍)，而降水持续时间越长，蒸发耗水时间也越长，蒸发耗损的水分也越多。如郭建平等[38]通过人工降水模拟试验，利用称重法测定的玉米最大冠层截留量约为2.3 mm，而韩雪等[32]在自然降水情况下(一次降水历时为16 h，总降水量为25.2 mm)，玉米冠层的最大截留量达6.9 mm，实际上大部分通过叶面蒸发耗损。因此，从降水的有效性角度看，植物的截留应包含降水过程中的叶面蒸发量，但叶面蒸发量的计算和测定十分困难，特别是当叶面没有完全湿润时，目前还缺少有效的计算方法，是值得深入研究的课题。

5.2 方法不完善导致测定结果准确性不足

目前观测植物截留的主要方法包括间接测定法(水量平衡法)和直接测定法(称重法、擦拭法和简易吸水法等)，各种方法均存在不完善之处，操作困难且误差较大。水量平衡法在测定穿过植物冠层到达地表的降水量分量时，由于植物群体冠层分布不均匀，需要大量的雨量计(雨量筒)增加雨水的采集面，这对于稀植作物或林木而言尚可进行，但对于条播作物(如小麦)通常只能将雨量计放置在两行作物中间，株间无法放置雨量计，导致穿透雨量测值偏大，对于撒播密植作物则无法采用该方法；称重法和擦拭法仅测定滞留在作物表面的降水部分，对于在降水过程产生的叶面蒸发被忽略。此外，称重法通常需要将植株剪下称重，特别是降水后当植株表面有水时需要移动植株称重，在这一过程中很难保证水分不掉落，导致测定的截留量偏小；而擦拭法需要擦拭较多的植株，一是在较长时间的擦拭过程中会有部分水分蒸发，二是很难做到叶面水分被完全擦拭干净，三是在擦拭过程可能因碰撞导致部分水分掉落，这些均使测定的截留量偏小。简易吸水法虽操作简便、结果可靠性高，但该方法只能测定植株的最大截留量(饱和截留量)。此外，由于人工模拟系统喷出的水滴与自然降雨水滴的形成、大小分布和移动不尽相同，导致模拟和自然条件的截留量可能仍然存在差异[105]。因此，目前准确测定植物的截留量十分困难，需进一步研究和开发新方法。

5.3 种植密度不同导致截留差异

植物种植密度不同使群体叶面积指数不同，植物截留面积也不同，进而使地面植物群体分布不同，穿透雨量不同，导致植物截留量不同[106]。玉米种植密度较大时(行距为45 cm，株距为25 cm)，玉米冠层平均截流量和截留率分布为1.7 mm和13.3%，平均茎秆流量和茎秆流率分别为3.5 mm和33.3%，平均穿透雨量和穿透雨率为6.3 mm和53.4%[32]。玉米种植密度为行距60 cm，株距为40 cm时，成熟期玉米的穿透雨率为45.4%，茎秆流率为43.0%，截留率为11.6%[11]；玉米种植密度为行距80 cm，株距为25 cm时，冠层截留率平均为7.5%，茎秆流率平均为28.8%，穿透雨率平均为63.7%[80]。由于农作物种植密度差异，导致作物田间的叶面积指数不同，因此产生的集水面积也不同，最终影响降水的田间分布[79]。农作物植株行距不同首先影响穿透雨量，当株距从20 cm增加到41 cm 时，穿透雨量占总灌溉水量的比率(穿透雨率)从43.4%增加到50.0%[9]，当株距为30.5 cm时，增加行距可以使穿透雨率从44%增加到57%[106]；同时，由于穿透雨率增加，茎秆流率随着行距的增加而降低。玉米行距从50 cm增加到75 cm 时，茎秆流率从57%降至43%[107]。

5.4 降水强度不同导致截留差异

不同观测或试验所设计的降水强度存在显著差异，是导致不同研究得出的截留量不同的原因之一。在自然降水条件下，当降水量为0.1～4.9 mm时，夏玉米冠层截留量和截留率分别为1.1 mm和12.3%；当降水量为5.0～14.9 mm时，冠层截留量和截留率分别为2.6 mm和12.1%；当降水量为15.0～29.9 mm时，冠层截留量和截留率分别为13.0 mm和15.3%；截留量和截留率的平均值分别为1.7 mm和13.3%[32]。在人工模拟降水或喷灌条件下进行的试验，一般时间较短，而降水强度通常比自然降水大，可达到69 mm·h-1[83]，喷灌强度也可达到10.1 mm·h-1[79]，这在自然降水条件下很少出现。随着降水量增大和降水时间增加，空气湿度达到或接近饱和状态，降水满足植物冠层叶片、茎秆的最大吸附水能力，此时的冠层截留量达到饱和截留量，为一常数[108-110]。由于降水强度大，极易导致因雨滴之间以及雨滴与植株体的碰撞而产生飞溅，使植物各部分湿润加速，植株体加速饱和。另一方面，自然状态下的降水强度比人工模拟降水试验小，但降水历时通常比较长，使植物冠层截留降水的同时，发生叶面蒸发或被作物叶片、茎秆吸收，即截留和蒸发过程同时存在，其最终结果是当降水强度较大时更易达到饱和，如在强度为1.0 mm·min-1(60.0 mm·h-1)人工模拟降水下，降水量为20 mm时即达到饱和[38]，而在最大降水强度为2.6 mm·h-1，大部分降水强度为1.0～1.8 mm·h-1，降水量为25.2 mm的自然降水条件下，玉米截留仍未达到饱和，截留量仍在增加[32]。降水量越大，降水强度越大，雨滴数目越多，截留损失越小，在有叶期和无叶期，降水量和强度对桦树和松树截留损失的影响最大[111]。

5.5 其他因素对截留的影响

首先，风是影响植物冠层截留的主要环境因素之一，风速与冠层截留量相关显著[32]，风加速植物表面的水分蒸发。因此，在人工模拟试验时，试验区周围应布设围挡，以消除风速对蒸发和降水均匀度的影响。有研究指出，在无风情况下，植物茎秆流率为46%，但在雷雨情况下，茎秆流率仅为14%[112]，主要因为雷雨过程中风速较大，植株体随风摇曳，使更多降水以穿透雨的形式直接落至地表。其次，降水历时也显著影响植物的截留量，主要原因是降水历时越长，植株体表面的水分蒸发也越多。一般情况下，人工模拟降水试验的降水历时均较短，短的仅持续几分钟，较长的也不超过2 h，但自然降水条件历时一般较长，甚至超过10 h，植株体的蒸发不可忽略。第三，植物形态也会影响截留，在相同叶面积指数下，叶片直立型的群体结构比叶片披散型的群体结构可以更快吸附较多的水份，达到饱和的时间也更短。主要原因是叶片披散型的群体结构更易造成下部叶片被遮挡，特别是在雨强较小时，下部叶片更难被降水浸润。此外，叶片表面特性(如粗糙度、绒毛等)、太阳辐射、空气湿度等均可影响植物对降水截留。

由此可以看到，影响植物对降水截留的因素很多，模拟降水试验虽然可以在较短的时间内获得研究所需的观测数据，但其并不能完全代表实际降水时的植物冠层截留过程和特性。因此，在自然环境中，如何更好模拟冠层截留作用，需广泛探索和深入研究。

6 未来研究的重点和难点

除了第5章所述问题需要进一步完善外，在植物对降水的截留研究中依然存在着几个重点和难点问题亟待解决，以提高对降水截留的机理认识和应用能力。

6.1 叶面水分蒸发

在自然降水过程中，植物冠层产生水分截留的同时还进行叶面水分的蒸发过程，而叶面水分的蒸发过程既不同于土壤表面蒸发，又区别于水面蒸发，是一个十分复杂的过程。特别是当降水强度较小、降水过程较长、叶面截留未达到饱和状态时，植物叶面的蒸发过程难以用数学模型表达。因此，降水过程中的叶面蒸发是今后应重点解决的难点问题，该问题的解决对于完善降水截留机理和截留模型研发具有十分重要的意义。

6.2 植物对降雪的截留

降雪和降雨的机理不同，植物对降雪的截留机理与对降雨的截留机理也存在明显差别。降雪是以固态降水的形式进行，达到下垫面后的分配也存在差异。通常情况下，雨水被分配为穿透雨、茎秆流和冠层截留3个分量，而降雪一般不直接形成茎秆流，仅分配为穿透雪和冠层截留两个分量。但在截留机理上，降雨截留是植物体表面对水的吸附作用所致，而降雪截留不仅受植物体表面的吸附作用影响，还受雪体本身的吸附作用影响，产生雪的堆积，在降雪过程中堆积在植物冠层的雪量通常比相同降雨量条件下的截留水量偏多。在降雪结束后，截留的降雪一部分通过升华消耗，一部分融化后再次形成茎秆流或直接滴落至土壤。因此，植物对降雪的截留问题比较复杂，目前这方面的研究仍十分欠缺，农作物降雪截留研究也进展缓慢。因此，开展降雪的截留机理和模型研究，对于完善降水的截留研究具有十分重要的理论意义和实用价值。

6.3 风对降水截留的影响

风对降水的截留影响显著，在降水初期，风可以增加冠层与空气的接触，增加截留，而风过大时，可将已被截留的水吹落，特别是风速大于2 m·s-1时，最大截留雪量会显著降低[113]。此外，风的扰动会加速空气混合和热量交换，可导致截留水的蒸发和截留雪的升华加剧。但风对降水截留的影响研究仍十分不足，人工模拟试验通常在无风状态下进行，而自然状态下的观测，风变化不定，导致已有的结果不确定性较大。因此，在降水截留研究中应加大对风的影响研究，特别是在降雪截留研究中，风的影响研究更应得到重视。

6.4 截留的研究尺度

已有研究大多针对单株尺度或单一的植物群体。事实上，无论是农田生态系统还是林分尺度上的冠层都十分复杂，单株尺度或单一群体的研究结果不能等同于或很难代替生态系统，今后的研究应逐步向农田(森林)生态系统的综合截留发展。一是加强生态系统中非对象植物的截留研究，如农田生态系统中的杂草，森林生态系统中的其他树木、杂草等的截留；二是加强枯落物的截留研究，如农田生态系统中枯落的黄叶以及前茬作物的残留物、森林生态系统中地面长期积聚的枯枝落叶等的截留；三是生态系统中不同植物之间的相互影响等。

6.5 研究方法

降水截留的主要研究方法包括间接测定法(水量平衡法)和直接测定法(称重法)，但各种方法均存在不完善之处，操作困难、误差较大，不适合于生态系统截留研究。因此，加强方法研究是提高截留研究精度的重要手段。激光雷达遥感技术和合成孔径雷达遥感技术可以用于估测陆地表面的积雪深度和雪水当量，未来也可直接应用于复杂林冠表面积雪量的估测[114]，高光谱分辨率和高空间分辨率的遥感数据，可以提高模型及反演结果的精度[72]。

6.6 考虑综合影响因素且操作方便的模型

建立机理明确、考虑因素全面，同时使用方便的截留综合模型对于提高模型的精度和应用前景有重要意义。Rutter等[77]和Gash等[115]虽然已经建立了物理意义明确、过程模拟完备、可靠性较高的模拟模型，但这些模型均基于对穿透雨、茎秆流模拟而推导出的冠层截留量，所需参数较多，影响推广应用。对比Rutter，Rutter Sparse，Gash，Gash Sparse和Liu共5种林冠截留机制模型与实测数据表明,降水截留量模拟目前仍不能令人满意[116-117]。而国内研究者大多通过控制试验或观测试验，采用统计方法建立模型，这些模型使用需要满足一定前提条件，通用性不足。植物对降水截留的影响因素多而复杂，不仅与降水强度、降水历时、风速、环境温度等环境因素有关，也与叶面积、叶片的空间分布、叶片表面的吸附能力等植物结构和功能有关。因此，建立影响因素完善、机理明确、操作方便的截留模拟模型不仅可以加深对植物截留的理解，还可以提高截留模拟的可靠性，是今后应该加强的工作。