趙文玥,吉喜斌,金博文,焦丹丹,張靖琳,郭 飛,趙麗雯

1 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院臨澤內(nèi)陸河研究站,中國科學(xué)院生態(tài)水文與流域科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875

冠層降雨再分配是指降雨進(jìn)入植被冠層后被重新分配為冠層截留損失、穿透雨和樹干莖流的過程[1—2]。其中冠層截留損失是指被冠層攔截、儲(chǔ)存,在降雨過程中或降雨結(jié)束后以蒸發(fā)形式返回大氣的雨水[3—4],是地表蒸散發(fā)的重要組分[5],也是冠層降雨再分配過程中水分的凈損失項(xiàng)[6]。穿透雨是指透過冠層到達(dá)地面的降雨,包括從冠層縫隙直接滴落地面的自由穿透雨和從冠層枝葉滴落地面的釋放穿透雨[7],穿透雨約占大氣降雨的50%—80%[8—10],是冠層下表層土壤水分的主要來源[11—12]。樹干莖流是指沿樹枝、樹干向樹根流動(dòng),最終以點(diǎn)源的形式到達(dá)深層土壤中的雨水[13—14],雖數(shù)量較少,但集流率[15]和富集率[16]極高,是冠層下“濕島”[13, 17]和“沃島”[13, 18]效應(yīng)形成發(fā)展的重要促進(jìn)因子。穿透雨和樹干莖流合稱凈降雨量,是最終到達(dá)土壤可供冠層下植被利用的有效降雨量[1, 19]。因此,冠層降雨再分配對(duì)局地水文過程和水文功能具有重要影響,是局地水文循環(huán)中不可忽視的重要環(huán)節(jié)[20]。

在干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中,受水分和養(yǎng)分資源的限制,植被在空間上通常呈現(xiàn)斑塊或條帶狀稀疏分布[21—22]。降雨是該地區(qū)天然生態(tài)系統(tǒng)的主要補(bǔ)給水源,其數(shù)量稀少、時(shí)空分布不均且變率較大,以小降雨事件為主[2, 23]。稀疏植被冠層對(duì)于降雨的再分配作用改變了降雨特性及其時(shí)空分配格局[20],對(duì)冠層下土壤水分、養(yǎng)分的時(shí)空分布[12—13, 24]、生物群落的演替與分布[25]、地下水的補(bǔ)給[26]、區(qū)域降雨循環(huán)[27]等一系列生態(tài)水文過程產(chǎn)生影響。多年來,關(guān)于干旱區(qū)稀疏植被冠層降雨再分配的研究取得了重要進(jìn)展,主要集中于不同種類稀疏植被冠層降雨再分配的比例構(gòu)成[28—29]、變化趨勢[30]、影響因素分析[4, 29, 31]及模型構(gòu)建[32—34]等。但由于干旱區(qū)植被形態(tài)結(jié)構(gòu)特殊[14]、分布稀疏[2]且具有顯著的空間異質(zhì)性[35],其降雨再分配過程的觀測實(shí)驗(yàn)較為困難,相關(guān)長時(shí)間尺度的研究較少；在構(gòu)建稀疏植被冠層截留模型時(shí),一般基于水量平衡的原理估算冠層截留損失,假設(shè)其數(shù)值上等于林外降雨量與凈降雨量之差[7],但多數(shù)忽略了樹干莖流分量的測算；在探討植被形態(tài)結(jié)構(gòu)因子對(duì)冠層降雨再分配過程的影響時(shí),多基于葉面積指數(shù),但對(duì)干旱區(qū)稀疏植被的觀測表明葉片的持水能力低于枝條和樹干,所以枝條和樹干在冠層降雨再分配的過程中發(fā)揮重要作用[11, 36],因此在構(gòu)建干旱區(qū)稀疏植被冠層截留模型及探討相關(guān)影響因素時(shí),應(yīng)對(duì)此特征加以考慮,僅使用葉面積可能不能真實(shí)準(zhǔn)確地反映植被冠層對(duì)降雨再分配過程的調(diào)節(jié)作用。

泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)為西北干旱區(qū)特有的古老荒漠殘遺種,屬超旱生灌木,是西北干旱區(qū)河西走廊中段綠洲—荒漠過渡帶的天然建群種植物,通常以灌叢沙堆的形式存在[37],在防風(fēng)固沙、穩(wěn)定綠洲環(huán)境等方面具有重要生態(tài)意義[38—39]。本文以泡泡刺灌叢為研究對(duì)象,通過2016年、2017年和2020年生長季對(duì)泡泡刺灌叢的冠層降雨再分配過程、植被形態(tài)特征、林外降雨特征、氣象因素進(jìn)行野外定位觀測,分析了泡泡刺灌叢冠層降雨再分配的比例構(gòu)成及主要影響因素(包括降雨特征、植被形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和氣象因素),構(gòu)建了冠層降雨再分配要素隨降雨特征變化的經(jīng)驗(yàn)回歸方程,揭示了泡泡刺冠層下穿透雨的空間分布規(guī)律及樹干莖流的聚集效應(yīng)。以期增進(jìn)對(duì)于干旱區(qū)稀疏植被覆蓋下冠層降雨再分配過程及其影響機(jī)理的定量認(rèn)識(shí),為干旱區(qū)類似植被分布區(qū)水文循環(huán)過程中冠層截留損失分量的測算和水分收支評(píng)估提供可以借鑒的方法,以促進(jìn)綠洲—荒漠過渡帶的植被恢復(fù)和生態(tài)建設(shè)實(shí)踐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

野外觀測實(shí)驗(yàn)地位于中國科學(xué)院臨澤內(nèi)陸河研究站(39°20′50″N, 100°07′48″E)綠洲-荒漠過渡帶生態(tài)水文過程試驗(yàn)區(qū),地處河西走廊中段,北鄰巴丹吉林沙漠,南鄰黑河中游臨澤綠洲,海拔1384 m。該地區(qū)屬典型的溫帶大陸性氣候,夏季高溫少雨,冬季寒冷干燥,年平均氣溫9.2℃,多年平均降雨量為124 mm,主要集中在6—9月,降雨變率大,以小降雨事件為主,年均蒸發(fā)量2390 mm[40—41]。

研究區(qū)的植被群落大多呈現(xiàn)斑塊狀稀疏分布,植被結(jié)構(gòu)簡單,主要建群灌木有梭梭(Haloxylonammodendron)、泡泡刺(N.sphaerocarpa)、沙拐棗(Calligonummongolicum),同時(shí)零散分布著花棒(Hedysarumscoparium)、多枝怪柳(Tamarixramosissima)等,在降雨較多的年份霧冰藜(Bassiadasyphylla)、白莖鹽生草(Halogetonarachnoideus)、小畫眉草(EragrostisminorHost)等一年生草本發(fā)育。泡泡刺灌叢約占研究區(qū)總植被蓋度的45%,是該地區(qū)典型的天然稀疏植被[40]。

1.2 植被的選擇及相關(guān)植被要素的測量

首先,對(duì)研究區(qū)泡泡刺灌叢的分布位置、基徑、株高等展開植被調(diào)查[40]；隨后,在研究區(qū)隨機(jī)選擇1堆典型的、長勢良好的泡泡刺灌叢作為研究對(duì)象,并測定了影響其冠層降雨再分配過程的冠層結(jié)構(gòu)參數(shù),包括株高、冠層投影面積、樹干傾角(指枝條與水平方向的夾角)、植被面積指數(shù)(Plant area index,PAI)等(具體植被特征見表1)。其中株高、冠層厚度、基徑、樹干傾角在2016年8月、2017年7月、2020年6月觀測實(shí)驗(yàn)開始前測定。冠層投影面積在2020年8月利用無人機(jī)拍攝照片,隨后運(yùn)用Photoshop 2020軟件處理,再通過MATLAB R2018b計(jì)算得到。植被面積指數(shù)是指單位土地面積上冠層總表面積的一半[42],由葉面積指數(shù)、枝面積指數(shù)和莖面積指數(shù)等共同組成[43],是對(duì)植被結(jié)構(gòu)和覆蓋狀況的整體描述[44—45]。研究區(qū)泡泡刺灌叢的葉面積僅占其冠層表面積的一部分,枝、莖等對(duì)雨水的截留再分配作用同樣不可忽視。因此,采用PAI能更好地反映泡泡刺冠層對(duì)降雨再分配過程的調(diào)節(jié)作用。PAI數(shù)據(jù)由2016年、2017年、2020年8月運(yùn)用LAI- 2200C植物冠層分析儀(LI-COR Inc, Lincoln, Nebraska, USA)在冠層下集雨瓶所在位置貼近地表逐個(gè)測定而來。

表1 泡泡刺灌叢冠層形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的基本信息

1.3 林外降雨特征及其他氣象要素的測定

林外降雨特征由布設(shè)在泡泡刺灌叢周邊開闊地帶的翻斗式雨量筒(TE525MM, Texas Electronics Inc., Dallas, TX)測定,通過數(shù)據(jù)采集器(CR1000-XT, Campbell Scientific, UT, USA)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù),每30 min計(jì)算平均值并儲(chǔ)存,精度0.1 mm。同時(shí)分別在泡泡刺灌叢0°、120°、240°方向的空地布設(shè)3個(gè)雨量筒,用于雨量訂正。雨水的收集以次降雨事件為基礎(chǔ),若降雨間隔小于6 h,則視為一次降雨事件。降雨結(jié)束后立刻進(jìn)行雨量的測定,若降雨發(fā)生在夜間,則第二天清晨進(jìn)行收集,以減小截留雨水蒸發(fā)對(duì)觀測造成的影響。其他氣象要素包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、凈輻射等由林外空地的自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)測[40]。

1.4 穿透雨的測量及計(jì)算

圖1 泡泡刺灌叢穿透雨和樹干莖流收集裝置示意圖Fig.1 The device for collecting rainfall redistribution in field, with details of homemade stemflow collectors and throughfall gauges

穿透雨通過自制的集雨瓶收集,集雨瓶由內(nèi)徑6 cm、高13.5 cm的玻璃杯上部疊加內(nèi)徑11 cm、外緣高2 cm的聚乙烯漏斗組成(圖1)。將集雨瓶以灌叢中心為圓心,呈輻射狀均勻放置于北、東北、東、東南、南、西南、西、西北8個(gè)方向的半徑上,相鄰兩個(gè)集雨瓶間隔20 cm,共布設(shè)93個(gè)集雨瓶(圖1)。由于泡泡刺灌叢的枝條大多呈現(xiàn)匍匐狀貼近沙丘表面,故將集雨瓶部分埋入土壤,頂部露出地表5—8 cm,以避免集雨瓶碰觸枝條,同時(shí)減小風(fēng)對(duì)集雨瓶擺放位置的影響。穿透雨量的計(jì)算方法如下：

式中,TF是穿透雨量(mm)；VT為第i個(gè)集雨瓶中穿透雨的體積(mL)；m是冠層下集雨瓶的數(shù)量；FA為漏斗的橫截面積(cm2)。

1.5 樹干莖流的測量及計(jì)算

在灌叢8個(gè)方位上各選擇2株,共16株泡泡刺作為標(biāo)準(zhǔn)枝收集樹干莖流。具體步驟如下：首先,將小漏斗(內(nèi)徑3.2 cm)側(cè)面鉆孔剖開,固定在樹干接近地表處；然后,為防止穿透雨的濺入,在漏斗敞口處覆蓋鉆孔后的鋁箔紙,鋁箔紙上圓孔的直徑稍大于樹干直徑4—5 mm確保樹干莖流可以流入；最后,用導(dǎo)水管連接漏斗排水口和收集瓶,并用硅膠密封接縫處(圖1)。借鑒標(biāo)準(zhǔn)枝法[46]推算整個(gè)灌叢產(chǎn)生的樹干莖流體積,即用標(biāo)準(zhǔn)枝的平均樹干莖流體積乘整個(gè)灌叢的枝條數(shù)。樹干莖流量的計(jì)算公式如下：

式中,SF為樹干莖流量(mm)；VS為整個(gè)泡泡刺灌叢的樹干莖流體積(mL)；SP為整個(gè)泡泡刺灌叢的冠層投影面積(m2)。此外,Herwitz等[15]提出集流率的概念,用于定量分析樹干莖流對(duì)水分的聚集作用,具體公式如下：

式中,FR為集流率；VS為樹干莖流的體積(mL)；BA為樹干基部的橫截面積(cm2)；Pg為林外降雨量(mm)。集流率即表示流經(jīng)單位樹干橫截面積上的樹干莖流量與林外降雨量的比值。集流率大于1,表示除了樹干之外,冠層的其他組分對(duì)樹干莖流的產(chǎn)生和聚集具有促進(jìn)作用[15, 17]。

1.6 冠層截留損失的計(jì)算

由于冠層截留損失難以直接測量,通常根據(jù)水量平衡的原理進(jìn)行估算,其數(shù)值上等于總降雨量與凈降雨量之差：

IL=Pg-N=Pg-(TF+SF)

式中,IL為冠層截留損失量(mm)；Pg為林外降雨量(mm)；N為凈降雨量(mm)；TF為穿透雨量(mm)；SF為樹干莖流量(mm)。

1.7 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 22進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)和Pearson相關(guān)分析,Pearson相關(guān)分析的顯著性檢驗(yàn)采用“雙尾檢驗(yàn)”；使用Origin 2018進(jìn)行回歸分析、曲線擬合及制圖,回歸分析和曲線擬合后,采用單因素方差分析對(duì)回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),顯著水平設(shè)定為α=0.05；運(yùn)用ArcGIS 10.2對(duì)穿透率和PAI進(jìn)行克里金插值并繪制其空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)期間研究區(qū)的降雨特征

試驗(yàn)期間(2016年8月、2017年7月、2020年6—9月)共觀測到可產(chǎn)生穿透雨的有效降雨事件23次,總降雨量為90.9 mm,單次平均降雨量為(4.0 ± 4.5)mm,最小值為0.2 mm,最大值為17.9 mm。將降雨量分為<2 mm、2—5 mm、5—10 mm、10—20 mm 4個(gè)雨量級(jí),頻數(shù)分別為12、5、4、2,累積降雨量分別為12.3 mm、17.5 mm、31.0 mm、30.1 mm(圖2)。其中<2 mm的降雨事件發(fā)生次數(shù)最多,但其累積降雨量最小,對(duì)總降雨量的影響小。>5 mm的降雨事件僅發(fā)生6次,但其累積降雨量占總雨量的比例高達(dá)67.2%,對(duì)總降雨量的貢獻(xiàn)較大。實(shí)驗(yàn)期間降雨強(qiáng)度的波動(dòng)較小,平均雨強(qiáng)為(0.8 ± 0.5)mm/h,最小值為0.2 mm/h,最大值為2.6 mm/h。雨強(qiáng)<0.5 mm/h的降雨事件發(fā)生次數(shù)最多,共發(fā)生9次,但其累積降雨量僅占總降雨量的9.7%。雨強(qiáng)介于0.5—1.5 mm/h范圍內(nèi)的降雨事件對(duì)總降雨量的貢獻(xiàn)最大。雨強(qiáng)>1.5 mm/h的降雨事件發(fā)生頻次最少,對(duì)總降雨量的貢獻(xiàn)也相對(duì)較小。實(shí)驗(yàn)期間總降雨歷時(shí)為97 h,平均降雨歷時(shí)為(4.2 ± 3.7)h。歷時(shí)<2 h的降雨事件發(fā)生頻率最高,共發(fā)生11次,但其累積降雨量最小,約占總降雨量的15.6%。歷時(shí)>10 h的降雨事件很少發(fā)生,僅發(fā)生2次,但其累積降雨量占總降雨量的比例最大,約為33.1%?？傮w來看,實(shí)驗(yàn)期間研究區(qū)以低雨強(qiáng)、短歷時(shí)的小降雨事件為主,但該類降雨事件對(duì)總降雨量的貢獻(xiàn)較小,主要降雨量源于發(fā)生次數(shù)較少的中雨強(qiáng)、長歷時(shí)的大降雨事件。

圖2 實(shí)驗(yàn)期間降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)分布特征Fig.2 Characteristics of rainfall amount, rainfall intensity and rainfall duration distribution during the experiment

2.2 穿透雨與降雨特征和冠層結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系

試驗(yàn)期間,泡泡刺灌叢的累計(jì)穿透雨量為78.89 mm,約占總降雨量的87.89%。以單次降雨事件來看,泡泡刺灌叢穿透雨量的變化范圍在0.14—16.68 mm之間,平均值約為(3.47 ± 4.16)mm。穿透雨量占次降雨量的比例(簡稱穿透率)介于73.00%—98.69%,平均值約為(84.95 ± 7.28)%。穿透雨的變異系數(shù)在14.45%—77.31%之間波動(dòng),平均值約為(29.76 ± 12.61)%。

降雨特征是影響泡泡刺灌叢穿透雨特征的重要因素,通過回歸分析和曲線擬合,建立了泡泡刺灌叢穿透雨量和穿透率與降雨特征的回歸方程(圖3)。由圖3所示,穿透雨量與降雨量、降雨歷時(shí)之間呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系(P<0.0001),與降雨強(qiáng)度之間呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系(P<0.01)。表明穿透雨量隨降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)的增加而增加,當(dāng)雨強(qiáng)>1.5 mm/h后,穿透雨量的增加速率加快,可能是由于高雨強(qiáng)的降雨事件更易造成雨水的飛濺,加速截留雨水向釋放穿透雨轉(zhuǎn)化導(dǎo)致。根據(jù)穿透雨量與降雨量的線性回歸方程推算,泡泡刺灌叢穿透雨產(chǎn)生的閾值約為0.2 mm,與實(shí)測結(jié)果0.2 mm基本一致。穿透率與降雨歷時(shí)之間呈線性正相關(guān)關(guān)系(P= 0.04),與降雨量、降雨強(qiáng)度之間無顯著相關(guān)性(圖3)。

圖3 穿透雨量、穿透率、穿透雨的空間異質(zhì)性與降雨特征之間的回歸關(guān)系Fig.3 The correlation between throughfall, throughfall percentage, coefficient of throughfall spatial variability and rainfall regimesTF: 穿透雨量 Throughfall; TP: 穿透率 Throughfall percentage; CV: 穿透雨空間變異系數(shù) Coefficient of variation; Pg: 降雨量 Rainfall amount; RI: 降雨強(qiáng)度 Rainfall intensity; RD: 降雨歷時(shí) Rainfall duration; n: 樣本數(shù)量 Sample number

冠層結(jié)構(gòu)特征通過改變穿透雨的傳輸路徑對(duì)冠層下穿透雨的多寡產(chǎn)生不可忽視的影響,相關(guān)性分析表明,平均穿透雨量與株高和PAI之間呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.0001),通過對(duì)其進(jìn)行曲線擬合發(fā)現(xiàn)線性函數(shù)的擬合效果最好(P<0.0001)(圖4)。即穿透雨量隨株高和PAI的增加而下降,可能是由于當(dāng)株高和PAI較高時(shí),雨水更易被冠層截留,進(jìn)而減少了穿透雨的形成。

圖4 平均穿透雨量與株高、PAI之間的回歸關(guān)系Fig.4 The correlation between mean throughfall and shrub height, PAIMT: 單個(gè)穿透雨量筒的平均穿透雨量 Mean throughfall; SH: 株高 Shrub height; PAI: 植被面積指數(shù) Plant area index

穿透雨的空間分布具有明顯的空間異質(zhì)性,利用穿透雨的變異系數(shù)來反映穿透雨空間分布的異質(zhì)性,將其與降雨特征之間進(jìn)行回歸分析,結(jié)果表明,隨降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)的增加,泡泡刺灌叢穿透雨的空間異質(zhì)性逐漸減弱,對(duì)數(shù)函數(shù)的擬合效果較好(P<0.01)(圖3)。為進(jìn)一步探索穿透雨空間分布的特征,運(yùn)用克里金插值繪制了不同雨量級(jí)下穿透率的空間分布圖。如圖5所示,隨降雨量的增加,穿透雨的空間異質(zhì)性逐漸減弱,高強(qiáng)度的降雨事件也有可能減弱穿透雨的空間異質(zhì)性,與回歸分析的結(jié)果一致。此外,由圖5可知穿透率的空間分布呈現(xiàn)多個(gè)“雨極”和“旱區(qū)”鑲嵌分布的模式,“雨極”通常出現(xiàn)在灌叢外緣,而“旱區(qū)”則通常出現(xiàn)在灌叢中部,推測可能是由于PAI的空間異質(zhì)性導(dǎo)致,因此,運(yùn)用克里金插值繪制了PAI的空間分布圖,發(fā)現(xiàn)PAI的高值區(qū)對(duì)應(yīng)穿透率的“旱區(qū)”,而低值區(qū)則對(duì)應(yīng)“雨極”。

圖5 泡泡刺灌叢穿透率和PAI的空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of throughfall percentage and PAI for Nitraria sphaerocarpaTP: 穿透率 Throughfall percentage; PAI: 植被面積指數(shù) Plant area index

2.3 樹干莖流與降雨特征和冠層結(jié)構(gòu)的關(guān)系

試驗(yàn)期間共觀測到樹干莖流13次,總樹干莖流量為1.46 mm,約占總降雨量的1.61%。從單次降雨事件來看,泡泡刺灌叢樹干莖流量的變化范圍在0.003—0.41 mm,平均值約為(0.11 ± 0.11)mm。樹干莖流量占次降雨量的比例(簡稱樹干莖流率)介于0.20%—2.41%之間,平均值約為(1.55 ± 0.78)%。

降雨特征是影響樹干莖流形成過程的重要因素,通過對(duì)泡泡刺灌叢的樹干莖流量和樹干莖流率與降雨特征進(jìn)行回歸分析和曲線擬合,其變化趨勢見圖6。樹干莖流量與降雨量、降雨歷時(shí)之間呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(P<0.001),與降雨強(qiáng)度之間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系(P<0.01),表明樹干莖流量先隨雨強(qiáng)的增加而迅速增加,當(dāng)雨強(qiáng)>1 mm/h后,樹干莖流的增加速率逐漸減緩,可能是由于高雨強(qiáng)的降雨事件更易加劇截留雨水的迸濺,進(jìn)而減少截留雨水向樹干莖流轉(zhuǎn)化導(dǎo)致。根據(jù)樹干莖流量與降雨量之間的回歸方程推算樹干莖流產(chǎn)生的閾值約為1.1 mm,與實(shí)際觀測值1.5 mm近似。樹干莖流率隨降雨量、降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)的增加呈對(duì)數(shù)函數(shù)的增長趨勢(P<0.01),當(dāng)降雨量<6 mm、降雨強(qiáng)度<1.5 mm/h、降雨歷時(shí)<6 h時(shí),樹干莖流率隨降雨量、降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)的增加而迅速增加,但超過這一范圍后,樹干莖流率逐漸趨于穩(wěn)定。推測這一現(xiàn)象可能與泡泡刺灌叢樹干的最大輸水能力有關(guān),當(dāng)雨量、雨強(qiáng)、降雨歷時(shí)較大,超過樹干最大輸水能力時(shí),多余的雨水可能以穿透雨的形式滴落,進(jìn)而減緩了樹干莖流率的增加速率。

圖6 樹干莖流量、樹干莖流率及集流率與降雨特征之間的回歸關(guān)系Fig.6 The correlation between stemflow, stemflow percentage, funneling ratio and rainfall regimesSF: 樹干莖流量 Stemflow; SP: 樹干莖流率 Stemflow percentage; FR: 集流率 Funneling ratio

冠層結(jié)構(gòu)特征同樣在樹干莖流形成的過程中發(fā)揮不可忽視的作用,單株泡泡刺產(chǎn)生的樹干莖流量與冠層結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)分析結(jié)果見表2。泡泡刺的樹干莖流量與樹干傾角之間呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系(P=0.005),即樹干莖流量隨樹干傾角的增加而增加,而其與PAI、基徑、株高、冠層厚度和冠層投影面積之間沒有顯著的相關(guān)性。

表2 單株泡泡刺的樹干莖流量與冠層結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)分析

泡泡刺灌叢的集流率在3.38—306.35之間波動(dòng),平均值約為(129.66 ± 93.01),表明與空地相比,泡泡刺灌叢的樹干莖流對(duì)雨水具有明顯的聚集作用,可將129.66倍的雨水輸送到根際區(qū)。由回歸分析可知,集流率與降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)之間具有極顯著的相關(guān)性(P<0.001),分別呈現(xiàn)指數(shù)、對(duì)數(shù)和線性函數(shù)關(guān)系(P<0.001)(圖6)。當(dāng)降雨量<6 mm,降雨強(qiáng)度<0.8 mm/h時(shí),集流率隨雨量、雨強(qiáng)的增加而迅速增加,而后增加速率減緩,該現(xiàn)象可能與泡泡刺灌叢的冠層持水能力和樹干輸水能力有關(guān)。

2.4 冠層截留損失與降雨特征和冠層特征的關(guān)系

根據(jù)水量平衡余項(xiàng)法推算試驗(yàn)期間共產(chǎn)生冠層截留損失9.54 mm,約占總降雨量的10.50%。從單次降雨事件來看,泡泡刺灌叢冠層截留損失量的變化范圍在0.01—1.53 mm,平均值約為(0.42 ± 0.39)mm。冠層截留損失占次降雨量的比例(簡稱冠層截留損失率)介于1.31%—26.93%,平均值約為(14.21 ± 7.52)%。

降雨特征在冠層截留損失形成的過程中發(fā)揮重要作用,回歸分析和曲線擬合的結(jié)果表明,泡泡刺灌叢的冠層截留損失量與降雨特征之間呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系(P<0.01)(圖7)。當(dāng)降雨量<4 mm、降雨強(qiáng)度<1 mm/h、降雨歷時(shí)<4 h時(shí),冠層截留損失的增加速率較快,隨后冠層截留損失的增加速率放緩,最終趨于一定值(約為1 mm)。該現(xiàn)象可能與泡泡刺灌叢的冠層持水能力有關(guān)。冠層截留損失率隨降雨量和降雨歷時(shí)的增加呈現(xiàn)線性下降趨勢(P<0.05),與降雨強(qiáng)度之間無顯著相關(guān)性,表明短歷時(shí)的小降雨事件比長歷時(shí)的大降雨事件更易造成冠層截留損失。

圖7 冠層截留損失量、冠層截留損失率與降雨特征之間的回歸關(guān)系Fig.7 The correlation between canopy interception loss, canopy interception loss percentage and rainfall regimesIL: 冠層截留損失量 Interception loss; IP: 冠層截留損失率 Interception loss percentage

冠層結(jié)構(gòu)特征對(duì)冠層截留損失的影響同樣不可忽視,但單株泡泡刺的冠層截留損失量與冠層結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)性分析表明,泡泡刺的冠層截留損失量與樹干傾角、PAI、基徑、株高和冠層厚度之間均無顯著的相關(guān)性(表3)。

表3 單株泡泡刺的冠層截留損失量與冠層結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)分析

2.5 冠層降雨再分配與其他氣象因子的關(guān)系

為進(jìn)一步探索其他氣象因子對(duì)冠層降雨再分配過程的影響,選取平均風(fēng)速、平均凈輻射、冠層表面溫度、平均大氣溫度和平均水汽壓等6個(gè)要素反映氣象特征,運(yùn)用Pearson相關(guān)分析檢驗(yàn)各氣象因子與冠層降雨再分配要素的相關(guān)性(表4)。結(jié)果表明,穿透雨量和冠層截留損失量與各氣象因子之間無顯著相關(guān)性；而穿透率和冠層截留損失率與冠層表面溫度、平均大氣溫度及平均水汽壓之間具有顯著的相關(guān)性(P<0.05),分別呈負(fù)相關(guān)和正相關(guān)關(guān)系,可能是由于當(dāng)冠層表面溫度、平均大氣溫度、平均水汽壓較高時(shí),冠層表面的蒸發(fā)潛力較大,促進(jìn)了冠層截留雨水向冠層截留損失轉(zhuǎn)化,進(jìn)而導(dǎo)致冠層截留損失率的增加和穿透率的減少；樹干莖流量和樹干莖流率與平均大氣濕度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),可能是由于隨大氣濕度的增加,大氣飽和差減小,在一定程度上抑制了蒸發(fā)的產(chǎn)生,促進(jìn)了冠層截留雨水向樹干莖流轉(zhuǎn)化。

表4 冠層降雨再分配要素與氣象因子的相關(guān)性分析

3 討論

在干旱區(qū),水分是限制植被生長發(fā)育的關(guān)鍵因素,其數(shù)量及時(shí)空分布決定著植被的發(fā)育過程和生長模式[1, 11]。降雨作為該地區(qū)的主要補(bǔ)給水源,植被冠層對(duì)于降雨的再分配特征將直接影響冠層下可供植被利用的有效水分[47]。因此,量化泡泡刺灌叢覆蓋下實(shí)際進(jìn)入土壤的有效降雨量及其空間分布規(guī)律,對(duì)深入理解綠洲-荒漠過渡帶植被對(duì)降水再分配過程的調(diào)節(jié)及其在局地水文循環(huán)中的作用具有重要科學(xué)意義。

3.1 泡泡刺灌叢的降雨再分配特征

試驗(yàn)期間泡泡刺灌叢的穿透雨量、樹干莖流量和冠層截留損失量分別為79.89 mm、1.46 mm、9.54 mm,分別占總降雨量87.89%、1.61%、10.50%(具體見圖8)。與阿根廷中部的極叉開拉瑞阿(Larreadivaricata)(78.60%、12.00%、9.40%)[29]、墨西哥南部的硬葉有刺灌叢(Matorral community)(83.30%、8.50%、8.20%)[48]、科爾沁沙地的黃柳(82.78、2.19%、15.03%)[49]及沙坡頭地區(qū)油蒿(74.83%、2.89%、22.28%)[2]的降雨再分配特征類似,但相對(duì)來說,泡泡刺灌叢的平均穿透率較高,平均樹干莖流率和冠層截留損失率較低,可能與泡泡刺灌叢特殊的植被形態(tài)特征有關(guān)。泡泡刺灌叢的樹枝較細(xì)、樹干表面粗糙且樹枝大多呈現(xiàn)匍匐狀貼近地表,所以其樹干莖流量較少[17,50—51]。同時(shí),含有蠟質(zhì)層的卵形葉片也不易于截留降雨[18,52],易促進(jìn)雨水以穿透雨的形式滴落。此外,與其他植被相比,泡泡刺灌叢較為低矮,冠層體積和厚度較小,冠層持水能力較弱,因此,降雨在冠層內(nèi)的停滯時(shí)間短,冠層截留損失和樹干莖流相對(duì)較小,大部分雨水以穿透雨的形式到達(dá)地面。

圖8 實(shí)驗(yàn)期間穿透雨量、樹干莖流量、冠層截留損失量和降雨強(qiáng)度的變化Fig.8 Variation of throughfall, stemflow, interception loss and rainfall intensity during the experiment

3.2 泡泡刺灌叢覆蓋條件下的有效降雨量

冠層下凈降雨量的多寡及其空間分布決定著冠層下土壤水分的空間分布格局[47],進(jìn)而對(duì)植被的生長發(fā)育產(chǎn)生重要影響[29,50—51]。因此,凈降雨量也被稱為冠層下的有效降雨量,反映了植被對(duì)雨水的利用效率[53]。實(shí)驗(yàn)期間泡泡刺灌叢共產(chǎn)生凈降雨量81.36 mm,約占總降雨量的89.50%,其中穿透雨約占凈降雨量的98.20%,樹干莖流約占凈降雨量的1.80%。

樹干莖流雖然數(shù)量較少,卻能以點(diǎn)源的形式將雨水匯集并輸送至深層土壤中供給植物根部使用[11, 17, 29],通常使用集流率來反映樹干莖流的聚集效應(yīng)[15]。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),泡泡刺灌叢的平均集流率約為(129.66 ± 93.01),與科爾沁沙地的小葉錦雞兒(100.1)、黃柳(106.2)[50]及皋蘭地區(qū)的檸條(153.5)[17]類似,高于毛烏素沙地的籽蒿(41.5)、沙柳(64.9)[54]及沙坡頭地區(qū)的油蒿(26)[18],表明泡泡刺灌叢的樹干莖流對(duì)根際區(qū)土壤水分具有明顯的補(bǔ)給作用,同時(shí),也證明除樹干外,泡泡刺灌叢的葉片及枝條有效地促進(jìn)了樹干莖流的形成。此外,回歸分析發(fā)現(xiàn),存在一個(gè)雨量(約為6 mm)和雨強(qiáng)(約為0.8 mm/h)的閾值,在此閾值之后,泡泡刺灌叢的集流率隨雨量、雨強(qiáng)的增加速率明顯減緩,意味著較大的雨量和雨強(qiáng)可能會(huì)降低樹干莖流的集流效率,這與Carlyle-Moses等[55]提出的集流率可能受降雨量閾值的限制相符。

穿透雨是有效降雨量的主要組分,對(duì)冠層下表層土壤水分的空間分布產(chǎn)生不可忽視的影響[11]。研究發(fā)現(xiàn)穿透雨的空間分布存在顯著的空間異質(zhì)性,主要表現(xiàn)為多個(gè)“雨極”和“旱區(qū)”鑲嵌分布的模式,與毛素沙地南緣散生中間錦雞兒[56]和地中海地區(qū)松樹[12]的穿透雨空間分布格局類似。該現(xiàn)象在低雨強(qiáng)、短歷時(shí)的小降雨事件中表現(xiàn)最為顯著,隨雨量和雨強(qiáng)的增加而減弱,可能是由于高雨強(qiáng)、長歷時(shí)的大降雨事件更易促進(jìn)冠層飽和,加速截留雨水迸濺導(dǎo)致。在降雨特征相同的情況下,PAI的空間異質(zhì)性成為影響穿透雨空間分布格局的關(guān)鍵因素,PAI越大,雨水越易被冠層截留,不易產(chǎn)生穿透雨。此外,穿透雨的空間異質(zhì)性也意味著我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中應(yīng)盡可能多的增加雨量筒的數(shù)量以減小實(shí)驗(yàn)誤差。

3.3 泡泡刺灌叢的冠層截留損失

冠層截留損失作為降雨再分配過程中的凈損失項(xiàng),其大小直接影響冠層下有效降雨量的多少[12]。除了受氣象條件和降雨特征的影響外,冠層持水能力也是影響冠層截留損失的重要因素[57—58],通常將冠層持水能力定義為冠層表面完全濕潤所需要的最小降雨量[59]。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)泡泡刺灌叢的冠層持水能力可能會(huì)影響冠層截留損失隨降雨特征的變化趨勢,在低雨強(qiáng)、短歷時(shí)的小降雨事件中,泡泡刺灌叢具有較強(qiáng)的截留吸附能力,截留雨水大多以冠層截留蒸發(fā)的形式消耗,此時(shí)冠層截留損失的增加速率較快,但隨著雨量、雨強(qiáng)和歷時(shí)的增加,當(dāng)冠層處于飽和或過飽和狀態(tài)時(shí),超出冠層持水能力的截留雨水可能會(huì)轉(zhuǎn)化為穿透雨和樹干莖流,進(jìn)而導(dǎo)致冠層截留損失的增加速率減緩并趨于穩(wěn)定。Jian等[28, 60—61]在對(duì)我國干旱區(qū)稀疏植被的冠層截留損失進(jìn)行觀測時(shí)也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。根據(jù)Wallence等[62]提出的間接方法推算泡泡刺灌叢的冠層持水能力約為0.42 mm,顯著低于黃土高原地區(qū)的刺槐(1.34 mm)和油松(1.43 mm)[19]、青海地區(qū)的金露梅(0.55 mm)[34]、沙坡頭地區(qū)的油蒿(0.75 mm)和檸條(0.71 mm)[60]及葡萄牙中部的橄欖樹(0.97 mm)[33],可能與泡泡刺灌叢低矮的冠層、較小的冠層體積、匍匐狀的枝條及含有蠟質(zhì)層的葉片有關(guān),這也是導(dǎo)致泡泡刺灌叢冠層截留損失率較低的關(guān)鍵原因之一。

與其他稀疏植被相比,泡泡刺灌叢具有較高的穿透率、樹干集流率及較低的冠層截留損失率,更有利于促進(jìn)大氣降雨量轉(zhuǎn)化為冠層下的有效雨量,減少冠層截留損失造成的水分凈損失,對(duì)干旱區(qū)局地水文過程和水文循環(huán)產(chǎn)生不可忽視的影響。除氣象因素外,植被形態(tài)結(jié)構(gòu)特征也在泡泡刺灌叢降雨再分配的過程中發(fā)揮重要作用,如退化的枝條、較小且含有蠟質(zhì)層的葉片等有效地促進(jìn)了冠層下水分的補(bǔ)給、提高了對(duì)于雨水的利用效率。

4 結(jié)論

基于對(duì)河西走廊中段綠洲-荒漠過渡帶的泡泡刺灌叢開展長期冠層降雨再分配的定位觀測實(shí)驗(yàn),通過對(duì)其降雨再分配特征及影響因素進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論：

(1)實(shí)驗(yàn)期間共觀測到有效降雨事件23次,總降雨量為90.9 mm,泡泡刺灌叢的平均穿透率、樹干莖流率和冠層截留損失率分別為87.89%、1.61%和10.50%。穿透雨和樹干莖流產(chǎn)生的閾值分別為0.2 mm和1.5 mm,冠層持水能力約為0.42 mm。

(2)降雨特征是影響泡泡刺灌叢冠層降雨再分配過程的關(guān)鍵氣象要素,回歸分析發(fā)現(xiàn),穿透雨量與降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)之間分別呈現(xiàn)線性、冪函數(shù)和線性函數(shù)關(guān)系(P<0.01),穿透率與降雨歷時(shí)之間用線性函數(shù)的擬合效果較好(P=0.04)；樹干莖流量與降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)之間分別呈現(xiàn)線性、指數(shù)和線性函數(shù)關(guān)系(P<0.01),樹干莖流率、冠層截留損失量與降雨特征之間分別呈現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系(P<0.01)；冠層截留損失率與降雨量、降雨歷時(shí)之間用線性函數(shù)的擬合效果較好(P<0.05)。其他氣象要素(如平均大氣溫濕度、水汽壓、冠層表面溫度等)也在降雨再分配的過程中發(fā)揮不可忽視的作用。

(3)植被形態(tài)結(jié)構(gòu)特征是影響冠層降雨再分配過程的另一重要因素,相關(guān)分析表明,穿透雨與PAI和株高之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.0001),PAI的空間異質(zhì)性可能是影響穿透雨空間分布異質(zhì)性的主要因素；樹干莖流與樹干傾角之間呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),隨樹干傾角的增加而增加。與其他干旱區(qū)稀疏植被相比,泡泡刺灌叢的穿透率和樹干集流率較大,冠層截留損失率較小,主要與泡泡刺灌叢特殊的植被形態(tài)特征有關(guān)。