祁連山西水林區(qū)灌木林降雨截留特征

馬 劍, 劉賢德, 金 銘, 張學(xué)龍, 敬文茂,王順利, 趙維俊, 王榮新

(1.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院 甘肅省森林生態(tài)與凍土水文水資源重點實驗室, 甘肅 張掖 734000;2.甘肅張掖生態(tài)科學(xué)研究院 甘肅省祁連山生態(tài)科技創(chuàng)新服務(wù)平臺, 甘肅 張掖 734000)

祁連山西水林區(qū)灌木林降雨截留特征

馬 劍1,2, 劉賢德1,2, 金 銘1,2, 張學(xué)龍1,2, 敬文茂1,2,王順利1,2, 趙維俊1,2, 王榮新1,2

(1.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院 甘肅省森林生態(tài)與凍土水文水資源重點實驗室, 甘肅 張掖 734000;2.甘肅張掖生態(tài)科學(xué)研究院 甘肅省祁連山生態(tài)科技創(chuàng)新服務(wù)平臺, 甘肅 張掖 734000)

基于2014年5—9月的野外試驗數(shù)據(jù)，采用野外觀測與統(tǒng)計分析相結(jié)合方法，研究了祁連山排露溝流域5種典型灌叢：吉拉柳(Salixgilashanica)、箭葉錦雞兒(Caraganajubata)、金露梅(Potentillafruticosa)、鮮黃小檗(Berberisdiaphana)和甘青錦雞兒(Caraganatangutica)灌叢降雨截留特征，分析了降雨量對灌叢穿透雨量和截留量的影響。結(jié)果表明：研究期間共觀測到降雨40次，年降雨總量為292.4 mm，其中2～10 mm的降雨事件出現(xiàn)次數(shù)最多；5種灌叢穿透雨量、截留量分別為吉拉柳灌叢183.5，108.9 mm；甘青錦雞兒灌叢174.3，73.5 mm；箭葉錦雞兒灌叢168.8，123.6 mm；金露梅灌叢166.1，106.4 mm；鮮黃小檗灌叢165.7，82.1 mm；5種灌叢穿透雨量和截留量與降雨量均呈顯著線性正相關(guān)(p<0.001)；而穿透率和截留率與降雨量均以對數(shù)函數(shù)擬合較好(p<0.001)。

灌木林; 截留; 祁連山

植被對降雨的截留和再分配過程作為大氣—植被—土壤系統(tǒng)中水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，在森林生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)和水量平衡中具有重要作用，一直是生態(tài)水文學(xué)研究的熱點問題[1-2]。在降雨過程中，植被冠層截獲的雨水中通過蒸發(fā)消耗的部分為截留量，通過冠層間的空隙進(jìn)入土壤的水量為穿透雨量[3]。研究植被冠層對降水的截留，包括降水在不同植被冠層的截留特征、穿透水與降水特征關(guān)系，對實現(xiàn)水資源短缺地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)管理具有重要意義[4]。

目前，對于植物降雨截留的相關(guān)研究主要集中在熱帶雨林和溫帶森林水文學(xué)研究方面，對灌叢研究少且集中于干旱半干旱區(qū)[5-9]，而對于高山濕性灌叢的冠層截留研究相對較少。灌木林是祁連山森林植被類型的重要組成部分，其分布面積占整個森林面積的68%，作為重要水源涵養(yǎng)林區(qū)的祁連山山地森林，灌木林在維系區(qū)域水量平衡中起著重要作用，然而關(guān)于灌木林的研究特別是灌木林水文生態(tài)功能研究的資料甚少[10-15]。因此，本文選擇祁連山西水林區(qū)的吉拉柳(Salixgilashanica)、箭葉錦雞兒(Caraganajubata)、金露梅(Potentillafruticosa)、鮮黃小檗(Berberisdiaphana)和甘青錦雞兒(Caraganatangutica)5種典型灌叢為研究對象，通過穿透雨和降雨截留觀測，研究灌叢林冠降雨截留特征及其與降雨量的關(guān)系，為進(jìn)一步認(rèn)識祁連山灌木林的生態(tài)水文功能提供數(shù)據(jù)支撐和經(jīng)驗參數(shù)。

1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)設(shè)在祁連山中段西水林區(qū)的大野口流域，流域面積68.06 km2，海拔2 650～4 600 m，平均海拔3 330 m，低山地帶坡度20°～30°，高山地帶坡度在40°左右。屬大陸性高寒半濕潤山地森林草原氣候[12]，據(jù)祁連山生態(tài)系統(tǒng)定位研究站長期定位觀測可知，該區(qū)年平均氣溫0.5℃，極端最高氣溫28.0℃，極端最低氣溫-36.0℃；年均降水量359.2 mm，5—9月降水占全年的83.11%，年均空氣相對濕度60%，年蒸發(fā)量1 052 mm，年均日照時數(shù)2 130 h左右。試驗區(qū)土壤和植被隨山地地形和氣候的差異而形成明顯的垂直分布帶，土壤主要類型為山地森林灰褐土、山地栗鈣土以及亞高山灌叢草甸土3個類型，總的特征是土層薄、質(zhì)地粗，以粉沙塊為主；成土母質(zhì)主要是泥炭巖、礫巖、紫紅色沙頁巖等；有機質(zhì)含量中等，pH值7.0～8.0，試驗區(qū)森林類型單一，主要是以青海云杉林為主的寒溫性針葉林與草地成犬牙狀交錯，條塊狀分布在陰坡、半陰坡；陽坡以草地為主，零星分布祁連圓柏和灌木，灌木主要有鬼箭錦雞兒(Caraganajubata)、高山柳(Salixcupularis)、金露梅(Potentillafruticosa)、鮮黃小檗(Berberisdiaphana)和甘青錦雞兒(Caraganatangutica)等[16]。

2 研究方法

2.1 樣地選擇與設(shè)置

2014年5—9月，在排露溝流域選擇吉拉柳、金露梅、箭葉錦雞兒、甘青錦雞兒和鮮黃小檗5種具有代表性的灌叢群落，分別設(shè)置10 m×10 m的樣地，調(diào)查每個樣地的經(jīng)緯度、海拔、坡向及樣地內(nèi)灌叢植株的地徑、蓋度、平均高和生長情況等，樣地植物群落概況見表1。

表1 不同灌木林植被類型標(biāo)準(zhǔn)地概況

2.2 測定方法

氣象觀測是在灌叢樣地所在海拔3 400 m和海拔2 700 m處，分別布設(shè)自動氣象站，自動采集氣溫、降水等氣象數(shù)據(jù)。郁閉度測定是冠層郁閉度采用樣線法[17]進(jìn)行測定。林冠截留測定是指透雨用直徑15 cm、高10 cm的圓形鐵制容器測量，由于高山灌叢難以對單株進(jìn)行觀測，所以在測定樣地冠層蓋度后，根據(jù)郁閉度的不同在每個樣地放置9個接水器，以保證不同郁閉度的灌叢下面均有接水器，通過這種方法可以更為有效地收集不同郁閉度灌叢的穿透雨；林外降雨使用DSJ2型虹吸式自記雨量計測定，同時用自動氣象站降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行校正；為減少測定過程中蒸發(fā)造成的誤差，雨后及時測量穿透雨量，如夜間降雨，第2天清晨立即測定[15]。

根據(jù)水量平衡原理，灌叢對降雨的再分配過程可分為截留量、莖流量和穿透雨量3部分，由于高山灌叢莖流量所占比例較少[18]，截留量IC(mm)計算公式如下：

IC=P-TF

(1)

式中：P表示林外降雨量(mm)；TF表示灌叢穿透雨量(mm)。本研究觀測時段為2014年5月1日—9月30日。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征

試驗期間共觀測到降雨40次，總降雨量292.4 mm，最大降雨發(fā)生于2013年7月2日，降雨量24.2 mm，最小降雨發(fā)生于2013年5月4日，降雨量為0.7 mm。從降雨量分配上看，降雨量級<2 mm，2～5 mm，5～10 mm，10～20 mm和>20 mm降雨次數(shù)分別為5，14，9，8，4次；不同降雨量級累計降雨量分別為5.3，33.4，64.6，99.9，89.2 mm；分別占總降雨量的1.8%，11.5%，22.1%，34.1%和30.5%。

3.2 穿透雨變化

試驗期間，5種灌叢截留特征見表2。從觀測結(jié)果來看，5種灌叢穿透雨量均值變化范圍為165.7～183.5 mm，其中，吉拉柳灌叢最大(183.5 mm)，其次為箭葉錦雞兒灌叢(168.8 mm)，再次為金露梅灌叢(166.1 mm)、鮮黃小檗灌叢(165.7 mm)、甘青錦雞兒灌叢(165.7 mm)；穿透率均值變化范圍為55.7%～70.3%，其中甘青錦雞兒灌叢最大(70.3%)、其次為鮮黃小檗灌叢(66.9%)，金露梅灌叢最小(12.9%)。

表2 試驗期間灌叢截留特征

注：括號內(nèi)數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)差。

通過回歸分析與擬合，5種灌叢穿透雨量隨降雨量的變化見圖1，穿透雨和降雨量之間均呈顯著正相關(guān)(p<0.001)，5種典型灌叢的穿透雨量均隨降雨量的增加呈線性增大趨勢。而穿透率隨降雨量的變化呈對數(shù)函數(shù)增長趨勢(圖2)。當(dāng)降雨量<5 mm時，穿透率隨著降雨量的增加呈現(xiàn)較快增長趨勢；而當(dāng)降雨量超過一定范圍時，穿透率逐漸平緩。由此可見，隨著降雨量的不斷增加，5種灌叢的枝條和葉片水分逐漸趨于飽和，穿透率先不斷增大后趨于穩(wěn)定。

3.3 截留變化

試驗期間，各灌叢截留量的變化見表2。由觀測結(jié)果可知，5種灌叢林冠截留均值變化范圍為73.8～123.6 mm，其中，箭葉錦雞兒灌叢截留量最大(123.6 mm)，其次為吉拉柳灌叢(108.9 mm)、金露梅灌叢(106.4 mm)、鮮黃小檗灌叢(81.1 mm)、甘青錦雞兒灌叢(73.5 mm)，而在林冠截留率方面，各灌木林的變化范圍為29.7%～44.3%，箭葉錦雞兒灌叢截留率最大(44.3%)，其次為金露梅灌叢(39.0%)。

由圖3可知，5種不同灌叢的截留量與降雨量之間呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系(p<0.001)，而圖4反映出對數(shù)函數(shù)可以較好地說明降雨量和截留率之間的關(guān)系(p<0.001)。對5種不同灌叢而言，降雨量大小對截留率的影響較為明顯。降雨較小時，大多數(shù)降雨用于滿足灌叢枝干、枝葉的吸附以及蒸發(fā)消耗，而隨著降雨量的不斷增加，各灌叢枝葉表面水分逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，隨之截留率逐漸趨于穩(wěn)定，利用曲線方程計算可知，5種灌叢達(dá)到穩(wěn)定截留率所對應(yīng)的降雨量分別為：吉拉柳灌叢為15.2 mm，箭葉錦雞兒灌叢為12.2 mm，金露梅灌叢為10.2 mm，鮮黃小檗灌叢12.9 mm，甘青錦雞兒灌叢8.5 mm。

4 討論與結(jié)論

(1) 在降雨過程中，土壤可以得到的水分主要受地上植株特征和降雨特征的影響，因此，灌叢的降雨截留特征是水文循環(huán)的一個重要特征，其中的灌叢截留量是研究降雨過程非常重要的參數(shù)[6]。該區(qū)域大部分降雨集中于10 mm以上，其中10 mm以上的降雨量占降雨總量的64.6%，>20 mm的降雨量占降雨總量的30.5%?？v觀整個降雨過程，降雨次數(shù)較多且降雨量較大。

(2) 本研究中由于降雨特征的差異因而截留量偏大，箭葉錦雞兒灌叢、吉拉柳灌叢、金露梅灌叢、鮮黃小檗灌叢和甘青錦雞兒灌叢的截留量分別為123.6，108.9，106.4，82.1，73.5 mm；截留率分別為44.3%，37.2%，39.0%，33.1%，29.7%。5種不同的灌叢其林冠截留之間的差距相對較大，這主要是因為不同灌叢的冠層厚度、林冠通透狀況以及蓋度等存在差異。本研究灌叢降雨截留數(shù)值較聶雪花等[13]得出祁連山排露溝流域灌木林的林冠截留量均值的變化范圍為21.5～84.1 mm和林冠截留率變化范圍為6.98%～22.45%，以及干旱半干旱區(qū)截留率17%～26%[4-6]，截留量偏大；而相比于車克鈞等[12]、常學(xué)向等[19]的研究結(jié)果，截留量偏低。原因在于不同的植被其生物特征不同，截留量受降雨量、降雨強度等多種因素的影響，且相比之下研究區(qū)域降雨量較干旱半干旱區(qū)域多，降雨特征也有差異[13]。此外，不同灌叢結(jié)構(gòu)方面的差異也會對截留產(chǎn)生很大的影響[20]，相關(guān)濕性灌叢截留特征的同類研究結(jié)果相差較大可說明這一點[20-21]。本研究中5種灌叢達(dá)到穩(wěn)定截留率所對應(yīng)的降雨量不同，說明植被特征在一定程度上影響該區(qū)域林冠截留。

(3) 林下穿透雨隨降雨量的增加而增加,二者關(guān)系可以用直線較好地模擬[22]。對于林下穿透率與降雨量的關(guān)系，一般的研究均以對數(shù)方程進(jìn)行模擬[23]。本研究對5種灌叢穿透雨及穿透雨與降雨量關(guān)系的研究，也得到了相似的結(jié)果。5種灌叢穿透雨和降雨量之間均呈顯著正相關(guān)，穿透率與降雨量的關(guān)系以對數(shù)函數(shù)擬合最好，穿透率隨著降雨量的增加先呈增加趨勢，當(dāng)降雨量達(dá)到一定范圍時，穿透率逐漸趨于穩(wěn)定。就本研究涉及的5種灌叢類型而言，穿透率達(dá)到穩(wěn)定時對應(yīng)的降雨量相差較大，比較來看，金露梅灌叢更為明顯，當(dāng)降水量大于5 mm時，其穿透率基本不變。

圖1灌叢穿透雨量與降雨量之間的關(guān)系圖2灌叢穿透率與降雨量之間的關(guān)系

圖3灌叢截留量與降雨量之間的關(guān)系圖4灌叢截留率與降雨量之間的關(guān)系

(4) 5種灌叢的截留量和降雨量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這與楊志鵬[3]、王新平[4]、李衍青[6]、劉章文[20]等的研究結(jié)論一致。指數(shù)函數(shù)可以較好地描述灌叢截留率隨降雨量的變化。截留率先隨著降雨量增加而減小，后逐漸趨于穩(wěn)定，該研究中當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定截留率時，5種灌叢達(dá)到穩(wěn)定截留率所對應(yīng)的降雨量相差相對較大，分別為：甘青錦雞兒灌叢(8.5 mm)，鮮黃小檗灌叢(12.9 mm)，金露梅灌叢為(10.2 mm)，箭葉錦雞兒灌叢為(12.2 mm)，高山柳灌叢為(15.2 mm)，這可能與5種灌叢形態(tài)特征有很大的關(guān)系。

[1] Muzylo A, Llorens P, Valente F, et al. A review of rainfall interception modelling [J]. Journal of Hydrology,2009,370(1):191-206.

[2] 袁一超,王得祥,劉小林,等.小隴山林區(qū)日本落葉松人工林林冠截留特征[J].西北林學(xué)院學(xué)報,2013,28(6):20-24.

[3] 楊志鵬,李小雁,孫永亮,等.毛烏素沙地沙柳灌叢降雨截留與樹干莖流特征[J].水科學(xué)進(jìn)展,2008,19(5):693-695.

[4] 王新平,康爾泗,張景光,等.荒漠地區(qū)主要固沙灌木的降水截留特征[J].冰川凍土,2004,26(1):89-94.

[5] 霍竹,邵明安.黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯帶降水及灌木林冠截留特性研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2005,23(5):88-92.

[6] 李衍青,張銅會,趙學(xué)勇,等.科爾沁沙地小葉錦雞兒灌叢降雨截留特征研究[J].草業(yè)學(xué)報,2010,19(5):267-272.

[7] Llorens P, Domingo F. Rainfall partitioning by vegetation under Mediterranean conditions. A review of studies in Europe[J]. Journal of Hydrology, 2007,335(1):37-54.

[8] Levia D F, Frost E E. A review and evaluation of stemflow literature in the hydrologic and biogeochemical cycles of forested and agricultural ecosystems[J].Journal of Hydrology, 2003,274(1):1-29.

[9] 楊志鵬,李小雁,劉連友,等.毛烏素沙地固沙灌木樹干莖流特征[J].科學(xué)通報,2008,53(8):939-945.

[10] 孟好軍,劉賢德,董曉莉,等.祁連山干旱山地飼料灌木林營造技術(shù)研究[J].甘肅林業(yè)科技,2002,27(1):51-53.

[11] 張平,劉賢德,張學(xué)龍,等.祁連山林草復(fù)合流域灌木林水文生態(tài)功能研究[J].干旱區(qū)地理,2013,36(5):922-928.

[12] 車克鈞,傅輝恩,賀紅元,等.祁連山水源涵養(yǎng)林效益的研究[J].林業(yè)科學(xué),1992,28(6):544-548.

[13] 聶雪花.祁連山灌木林水源涵養(yǎng)功能的研究[D].蘭州:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),2009.

[14] 彭煥華,趙傳燕,沈衛(wèi)華,等.祁連山北坡青海云杉林冠對降雨截留空間模擬:以排露溝流域為例[J].干旱區(qū)地理,2010,33(4):600-606.

[15] 劉賢德,張學(xué)龍,趙維俊,等.祁連山西水林區(qū)亞高山灌叢水文功能的綜合評價[J].干旱區(qū)地理,2016,39(1):86-94.

[16] 王順利,王金葉,張學(xué)龍,等.祁連山青海云杉林苔蘚枯落物分布與水文特性[J].水土保持研究,2006,13(5):156-159.

[17] 李永寧,張賓蘭,秦淑英,等.郁閉度及其測定方法研究與應(yīng)用[J].世界林業(yè)研究,2008,21(1):40-46.

[18] 張劍揮.祁連山青海云杉林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能研究[D].蘭州:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),2010.

[19] 常學(xué)向,趙愛芬,王金葉,等.祁連山林區(qū)大氣降水特征與森林對降水的截留作用[J].高原氣象,2002,21(3):274-280.

[20] 劉章文,陳仁升,宋耀選,等.祁連山典型灌叢降雨截留特征[J].生態(tài)學(xué)報,2012,32(4):1337-1346.

[21] 柳逸月.黑河上游典型小流域植被降雨截留特征研究[D].蘭州:蘭州大學(xué),2013.

[22] 李振新,鄭華,歐陽志云,等.岷江冷杉針葉林下穿透雨空間分布特征[J].生態(tài)學(xué)報,2004,24(5):1015-1021.

[23] 劉春延,李良,趙秀海,等.塞罕壩地區(qū)華北落葉松人工林對降雨的截留分配效應(yīng)[J].西北林學(xué)院學(xué)報,2011,26(3):1-5.

CharacteristicsofRainfallInterceptionbyShrubsinXishuiForestDistrictofQilianshanMountains

MA Jian1,2, LIU Xiande1,2, JIN Ming1,2, ZHANG Xuelong1,2, JING Wenmao1,2,WANG Shunli1,2, ZHAO Weijun1,2, WANG Rongxin1,2

(1.AcademyofWaterResourceConservationForestsofQilianMountainsinGansuProvince,GansuProvinceKeyLaboratoryofForestEcologyandFrozen-soilHydrologyandWaterResources,Zhangye,Gansu734000,China; 2.AcademyofEcologyScienceofZhangye,GansuScienceandTechnologyInnovationServicePlatformofEcologyinQilianMountains,Zhangye,Gansu734000,China)

Based on the field experimental data from May to September 2014, we took the five typical shrubs:Salixgilashanica,Caraganajubata,Dasiphorafruticosa,Berberisdiaphana, andCaraganatanguticaof Pailugou Watershed in Qilianshan Mountains as test samples, and investigated the characteristics of rainfall interception of five typical shrubs in Qilianshan Mountains by field survey and statistical analysis method, and analyzed impact of rainfall characteristics on rainfall redistribution of shrubs. Results showed that 40 events of rainfall were observed, and the total amount of rainfalls was 292.4 mm, as a whole, the rainfall events with 2～10 mm had the highest frequency. The amounts of through fall ofSalixgilashanica,Caraganatangutica,Caraganajubata,DasiphorafruticosaandBerberisdiaphana, were 183.5 mm, 174.3 mm, 168.8 mm, 166.1 mm and 165.7 mm, respectively. And interception amounts were 108. mm 9, 123.6 mm, 106.4 mm, 82.1 mm and 73.5 mm, respectively. The amounts of through fall and interception ofSalixgilashanica,Caraganajubata,Dasiphorafruticosa,Berberisdiaphana, andCaraganatanguticaincreased in a significant positive linear correlation with increase of rainfall depth(p<0.001). The relationship of through fall percentage and interception percentage of shrubs with rainfall could be fitted by logarithmic curve(p<0.001).

shrubbery forest; interception; Qilianshan Mountains

2016-05-30

：2016-06-06

甘肅省省青年科技基金(145RJYG318);國家自然科學(xué)基金(41461004,91125012);甘肅省科技創(chuàng)新服務(wù)平臺項目(144JTCG254)

馬劍(1986—),男,甘肅張掖人,碩士研究生,工程師,主要從事森林生態(tài)研究。E-mail:405153416@qq.com

S715.2

：A

：1005-3409(2017)03-0363-06