植物葉片截留特征分析

劉艷麗, 王全九,2, 楊 婷， 呂金榜， 徐迪， 石彬彬， 張鵬宇

(1.西安理工大學 水利水電學院, 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地, 西安710000;2.西北農林科技大學 水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

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植物葉片截留特征分析

劉艷麗1, 王全九1,2, 楊 婷1， 呂金榜1， 徐迪1， 石彬彬1， 張鵬宇1

(1.西安理工大學 水利水電學院, 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地, 西安710000;2.西北農林科技大學 水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

植物最大截留量是分析植物截留量的重要參數(shù)，分別采用浸泡法和噴水法測定了13種植物葉片的最大截留量。結果表明：(1) 不同植物葉片最大截留量相差較大，噴水法測定的植物葉片最大截留量從臘梅葉片的0.008 g/cm2到小葉楊葉片的0.03 g/cm2，差異性顯著(p<0.05)，因此精確分析植物截留量時應考慮物種差異。(2) 葉長、葉寬、葉周長、葉鮮重與葉片最大截留量的相關性不顯著，而葉面積與葉片最大截留量遵循線性函數(shù)變化。(3) 對于刺槐、杏樹、石楠、柿子、柳樹、小葉楊、石榴、白榆樹、竹子、馬鈴薯、臘梅葉片而言，噴水法測得葉片最大截留量大于浸泡法，對于毛豆、櫻桃而言，浸泡法測量的最大截留量值大于噴水法測量值。

葉片; 最大截留量; 噴水法; 浸泡法

林冠截留是一個重要的水文過程,在土壤—植物—大氣連續(xù)體的水循環(huán)中是一個不可忽略的環(huán)節(jié)，在數(shù)量、空間及時間上重新分配降水、改變降雨動能，增加了雨水下落時所需要的時間，也使部分降水變成了水蒸汽，增加了林冠層的大氣濕度，引起一系列的生態(tài)效應[1]，在森林地區(qū)，整個雨季植被平均截留率高達40%，因此林冠截留歷來都是森林水文學研究的重要內容之一[2-4]。為了分析預測植物截留量，人們建立了不同類型的模型，這些模型主要依據(jù)Horton[5]提出的截留機制，即截留量可分解為“枝葉吸附容量”和樹體表面蒸發(fā)導致的“附加截留量”。Merriam[6]認為截留量與降雨量之間呈指數(shù)遞減規(guī)律，提出了植物截留模型，模型中枝葉吸附量與降水量之間呈指數(shù)關系。Aston[7]在實驗室內用降水模擬法對8株小樹進行了截留試驗，引入自由透流系數(shù)的概念提出截留模型。王彥輝[8]考慮了吸附容量與樹冠特征的關系，把濕潤樹體的蒸發(fā)強度簡化為常數(shù)(e)，引入林冠純郁閉度(A)，建立截留模型。崔啟武等[9]認為，截留量隨著降雨量的增加而增加，但其增加的幅度有限，最終趨于一個定值，這就是林冠的實際最大截留量，亦即林冠對一次降雨的實際最大截留量。崔啟武模型和王彥輝模型[10]已在較多關于冠層截留的模擬研究中運用，兩模型均可作為通用模型，也適用于黃土地區(qū)[11-12]。其中林冠最大截留量是所有冠層截留模型的重要參數(shù)[13]，為了便于應用，大多數(shù)植物截留模型中都直接引用了林冠最大截留量這個參數(shù)，而沒有考慮物種差異。

同時Keim 等[14]認為，植物鮮重不能很好反映不同物種截留特性差異，可以將植物的非葉生物量換算成葉面積，然后根據(jù)植物葉片單位面積截留量推求冠層截留量。為了分析不同植物葉片截留特征，本文選取黃土區(qū)內13種植物，分別采用浸泡法和噴水法測定不同植物葉片的最大截留量，探討兩種測定方法造成植物葉片最大截留量差異的可能原因，為分析植物截留特征提供科學依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗材料

為了研究不同植物葉片的最大截留量，根據(jù)黃土區(qū)氣候條件和植物分布類型，在7月份選擇2種作物和11種植物作為供試對象。作物包括毛豆、馬鈴薯，植物包括杏樹、小葉楊、白榆樹、刺槐、柳樹、柿子樹、櫻桃樹、竹子、石楠、臘梅、石榴樹。不同生活型，不同葉片質地，葉面有無絨毛對葉片截留能力都有很大影響，為了對比分析其對葉片截留造成的差異性，研究對象分別涉及喬木、灌木、草本三種生活型,落葉和常綠兩種葉習性及多種科類植物。這幾種植物均是黃土區(qū)廣泛分布的常見物種，且其葉面特征各具代表性，形狀和長勢各有特點，葉片質地與絨毛疏密程度各不相同。供試植物生活習性及葉面特征見表1。

1.2試驗方法

為了測定不同植物葉片截留能力的差異性，在晴天時，選擇大小不同的健康葉片，從樹冠的內外上下多點采樣。根據(jù)葉片大小選擇試驗葉片數(shù)量，葉片較大的選擇15～20片，較小的選擇35～45片，每個物種各設3個重復。將采集的葉片輕輕放入自封袋內，封存后帶回實驗室用于測定。通過平臺掃描儀獲取葉片標準圖形，并使用Matlab進行圖像處理計算葉面積。人們室內測定植物截留量通常采用兩種方法——浸泡法和噴水法，研究得出噴水法測定的植物截留量大于浸泡法測量值[15]。為了探討兩種方法造成葉片截留量的差異性，本文分別選取浸泡法和噴水法測定不同葉片最大截留量，在實驗室無風條件下，將新鮮葉片用0.001 g分析天平稱重，用鑷子夾住將其浸在水中30 min[16]或使用噴壺向葉片表面噴水至水沿葉片流下[14-15]，在噴水法中，每次將噴嘴旋鈕調節(jié)到一定位置，保證噴水水滴下降連續(xù)成線，接近中雨狀態(tài)。取出控水1 min，待葉片不滴水時重新稱重，吸附水量為葉片浸泡后的重量與浸泡前重量的差值，將測定后的葉片晾干，通過平臺掃描儀獲取葉片標準圖形，并測定葉長、葉寬及葉周長。

表1　供試植物生活習性及葉面特征

具體計算公式如下：

I=M1-M0

(1)

Icm=(M1-M0)/S

(2)

式中：I——最大截留量(g)；Icm——單位葉面積的最大截留量(g/cm2)；M1——樣本鮮重(g)；M0——樣本浸水或噴水后重(g)；S——葉面積(cm2)。

2　結果與分析

2.1植物葉片截留量對比分析

為研究不同植物葉面特征對截留能力的影響，采用更接近于實際降雨形態(tài)的噴水法來測定不同植物單位葉面積最大截留量，實測結果見圖1。由圖1可以看出，小葉楊、馬鈴薯、石榴、櫻桃、杏樹、柳樹、白榆樹、石楠、柿子、刺槐、毛豆、竹子、臘梅葉片的最大截留量依次減小。結果也顯示，不同物種葉片截留能力相差較大，植物葉片最大截留量從臘梅葉片的0.008 g/cm2到小葉楊葉片的0.03 g/cm2，有顯著差異(p<0.05)。進一步分析看出，相對于灌木和草本，喬木的平均葉片截留能力較高；相對于常綠植物，落葉植物的葉片平均截留能力較高。喬木葉片中截留能力最強為小葉楊，灌木葉片中截留能力最強為石榴，草本葉片中截留能力最強為馬鈴薯。對于植物葉面而言，表面有大量的表皮細胞、附生的絨毛和蠟質晶體等微觀幾何結構形成的非光滑體[17]。Hall和Burke[18]研究發(fā)現(xiàn)接觸角越大越不利于葉片持水，而接觸角>90°為不潤濕葉片，葉面幾乎沒有水滴。王會霞[19]研究發(fā)現(xiàn)蠟質具有疏水性，但是當葉片表面蠟質層厚度減小時，水與葉面之間的粘性剪切力增大，從而使得液滴更易在葉片表面鋪展。對于刺槐和小葉楊葉片，二者表面均無絨毛，刺槐葉片接觸角為130.1°，蠟質含量為0.59 g/m2；小葉楊為80.8°，蠟質含量為0.39 g/m2[19]，試驗測得小葉楊葉片最大截留量遠大于刺槐葉片。Brewer等[20]研究發(fā)現(xiàn)適量稀疏絨毛有利于刺破水滴表面誘導水滴分散成膜，但密被絨毛反而不利于葉片持水。對于13種植物葉片而言，除毛豆、石榴、小葉楊外，葉片最大截留量均隨著葉面絨毛增加而增加，說明適量的絨毛有利于持水。其中表面密被絨毛的毛豆葉片最大截留量較低，說明密被絨毛反而不利于葉片持水，葉面光滑、適量蠟質的小葉楊和石榴葉片最大截留量較高，說明葉面適宜蠟質層厚度反而利于液滴鋪展?？梢钥闯鋈~面特征對于葉片截留是一個很復雜的影響因素，不同植物葉片表面特征有很大差異，接觸角、絨毛覆蓋程度以及蠟質層厚度各不相同，導致葉面吸水能力及其表面承受的水珠能力也完全不同。而試驗結果表明對于不同植物葉片而言，蠟質層厚度及絨毛數(shù)量與葉片最大截留量并不是線性關系，二者對葉片最大截留量的影響均存在臨界值，還需要進一步研究。

圖1　不同植物葉片單位葉面積最大截留量

2.2浸泡法與噴水法測定葉片截留能力的對比分析

為了探討浸泡法和噴水法造成植物葉片截留量的差異性，分別采用這兩種方法測定葉片最大截留量。試驗分析表明不同植物葉片的葉長、葉寬、葉周長、葉鮮重與葉片最大截留量相關性均不顯著，而葉面積與葉片最大截留量呈很好的線性相關關系，劉戰(zhàn)東等[21]研究也發(fā)現(xiàn)冬小麥冠層最大截留量與葉面積指數(shù)呈正相關關系。圖2顯示了兩種方法測定的葉面積與葉片最大截留量的關系。從圖中可以看出，對于刺槐、杏樹、石楠、柿子、柳樹、小葉楊、石榴、白榆樹、竹子、馬鈴薯、臘梅而言，噴水法測得的最大截留量大于浸泡法測量值，這與噴水時在葉面形成大量的水滴有關。Beysens等[22]認為向葉面噴水時易于在葉表面形成水珠。Calder等[23]研究了液滴體積對植物冠層截留的影響，發(fā)現(xiàn)噴水時小的液滴體積對葉面的潤濕效果更好。浸泡法中葉片抽出水面時，可能會由于容器內自由水的表面張力作用與葉面上部分被吸持的水發(fā)生相互作用而脫離葉面，從而導致葉面持水量較低。當向葉面噴水時，首先形成的是能夠吸持在葉面的小液滴，葉面上有大量的凝聚中心，因此導致噴水法測得的最大截留量大于浸泡法測量值。但是對于毛豆、櫻桃而言，浸泡法測量的最大截留量大于噴水法測量值,且隨著葉面積增大，兩種測量值的差距愈加明顯，這是因為如果小液滴尺寸大于非光滑體(表面有大量的表皮細胞、附生的絨毛和蠟質晶體等微觀幾何結構形成的非光滑體)，疏水表面上的液滴不能填滿粗糙表面的凹槽，在液滴下部存在空氣，導致液滴與固體表面的接觸面積較小[24]，液滴與固體表面的作用力較低，較低容易脫落，導致噴水法測量的葉片最大截留量較低。另一方面，浸泡法使葉片完全浸入水中，且時間較長，更利于樣本充分吸收水分，說明毛豆和櫻桃葉片相對于其余葉片更容易吸收水分，其吸收的水量高于表面附著的水分，導致浸泡法測量值明顯高于噴水法。同時試驗中還發(fā)現(xiàn)，水分在不同葉面上的存在狀態(tài)不同，對于絨毛覆蓋的葉片表面水分呈水滴狀，而光滑的葉片表面水分鋪展成薄的水膜狀。研究發(fā)現(xiàn)液滴在不同葉面上的存在狀態(tài)不同，液滴與葉片表面之間的相互作用與液滴特性(液滴直徑、液滴能量等)、表面特性(干燥、濕潤、蠟質、絨毛等)以及葉片的不同傾角等密切相關[25]。因此，液滴在不同葉面上的形成是一個復雜的過程，有待于進一步深入研究。

根據(jù)曲線變化趨勢，采用線性函數(shù)對葉片最大截留量與葉面積的關系進行擬合，即：

Icm=αS

(3)

式中：Icm——植物葉片最大截留量(g)；α——擬合系數(shù)，反映了單位葉面積的最大截留量(g/cm2)；S——葉面積(cm2)。

圖2　不同植物葉片最大截留量隨葉面積變化曲線

表2列出了線性擬合參數(shù)值。結果表明，決定系數(shù)R2較高，為0.804 3～0.918 3，均通過F檢驗，達到0.01極顯著性水平(p<0.01)。表明不同植物葉片的最大截留量和葉面積之間的關系滿足很好的線性正相關關系。不同物種葉片ɑ值相差較大，噴水法ɑ值從臘梅葉片的0.006 g/cm2到小葉楊葉片的0.030 2 g/cm2。浸泡法ɑ值從刺槐葉片的0.003 7 g/cm2到櫻桃葉片的0.035 1 g/cm2。

已有研究表明，浸泡法不能反映真實的冠層降雨截留特性[26],它低估了最大截留量，其中未考慮凝結液滴的形成是導致其較低的原因之一[27]，而且葉片提出水面時，自由水面的表面張力對葉片吸附的水滴會產(chǎn)生影響，而噴水法以水滴形式接觸葉面，更接近于雨滴形態(tài)。因此本文對兩種方法截留量測定值進行分析，發(fā)現(xiàn)二者滿足很好的線性關系：

I噴=βI浸

(4)

式中：I噴——噴水法測定的單位葉面積最大截留量(g/cm2)；β——系數(shù)；I浸——浸泡法測定的單位葉面積最大截留量(g/cm2)。

表2　不同植物葉片最大截留量隨葉面積變化過程的擬合結果

表3列出了擬合關系式。結果表明，決定系數(shù)R2較高，為0.762 9～0.929，均通過F檢驗，達到0.01極顯著性水平(p<0.01)。對于刺槐、小葉楊、石楠、杏樹、柿子樹、石榴樹、柳樹、馬鈴薯、竹子、白榆、臘梅而言，系數(shù)β值均大于1且依次減小，逐漸接近1，即噴水法測定的單位葉面積最大截留量值均大于浸泡法測定值，且采用兩種方法的測定結果愈加接近。對于毛豆和櫻桃而言，系數(shù)β值均小于1，即噴水法測定的單位葉面積最大截留量值均小于浸泡法測定值。因此在測定葉片最大截留量時，可以采用方便簡單的浸泡進行測定，再根據(jù)二者之間的關系式將之化為更接近于實際降雨狀態(tài)的噴水法測定值。

表3　浸泡法與噴水法測定單位葉面積最大截留量關系擬合結果

3　結 論

(1) 不同物種葉片截留能力相差較大，噴水法測定的植物葉片最大截留量從小葉楊葉片的0.03 g/cm2到臘梅葉片的0.008 g/cm2，差異性顯著(p<0.05)，由于不同植物葉片表面特征有很大差異，在精確分析植物降雨截留量時應考慮物種差異。

(2) 植物葉片的葉長、葉寬、葉周長、葉鮮重與葉片最大截留量相關性不顯著，而葉面積與葉片最大截留量呈很好的線性正相關關系。不同植物葉片最大截留量隨葉面積增加的速率有很大差異，且在同一葉面積下的截留量也完全不同，說明不同植物葉片的截留能力有很大差異性。

(3) 對于刺槐、杏樹、石楠、柿子、柳樹、小葉楊、石榴、白榆樹、竹子、馬鈴薯、臘梅葉片而言，噴水法測得的葉片最大截留量顯著大于浸泡法測量值，對于毛豆、櫻桃而言，浸泡法測量的最大截留量大于噴水法測量值,且隨著葉面積增大，兩種方法測量值的差距愈加明顯。

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Analysis of Characteristics of Plant Leaf Interception

LIU Yanli1, WANG Quanjiu1,2, YANG Ting1, Lü Jinbang1, XU Di1, SHI Binbin1, ZHANG Pengyu1

(1.Water Conservancy and Hydropower College, State Key Laboratory Base of Eco-Hydraulic Engineering in Arid Area,Xi′anUniversityofTechnology,Xi′an710048,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLossesPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Plant maximum water storage amount of interception is the significant parameter of plant interception analysis. We have determined interception capacity of thirteen kinds of plant leaves using submerging method and the spraying method. The main results showed that: (1) the maximum water storage amount of leaf is obviously different between different species, the maximum water storage amount of leave measured by spraying method changes from 0.006 g/cm2ofChimonanthuspraecoxleaf to 0.030 2 g/cm2of simon poplar leaf, significant differences (p< 0.05), so species differences should be considered when analyzing plant interception accurately;(2) leaf length, leaf width, leaf perimeter and leaf fresh weight had no significant correlation with the maximum water storage amount of leaf, and the maximum water storage amount of leaf changes in line with leaf area; (3) for black locus, apricot, photinia, persimmon, willow, simon poplar, white elm, pomegranate, bamboo, potato,Chimonanthuspraecoxleaves, the measured values by spraying method are higher than by submerging method, for the young soybean, cherry, the measured values by spraying method are lower than by submerging method.

leaf; maximum water storage amount; spraying method; submerging method

2015-01-19

2015-02-26

國家自然科學基金重點項目(51 239 009)

劉艷麗(1990—),女,遼寧人,在讀研究生,主要研究方向:農業(yè)水土資源與生態(tài)環(huán)境。E-mial:liuyanli0507@163.com

王全九(1964—),男,陜西西安人,教授,博士生導師,主要從事農業(yè)水土工程方面研究工作。Email:wquanjiu@163.com

S715

A

1005-3409(2015)04-0143-05