遼西低山丘陵區(qū)不同年齡荊條冠層截留降雨模擬實驗研究

呂 剛,王 磊,張 卓,王鋒柏,湯家喜,杜昕鵬,董 亮,楊 聰

1 遼寧工程技術大學環(huán)境科學與工程學院,阜新 123000 2 北京林豐源生態(tài)環(huán)境規(guī)劃設計院有限公司,北京 100089 3 國有彰武縣章古臺林場,阜新 123000 4 遼寧省風沙地改良利用研究所,阜新 123000

植被在生態(tài)系統水文循環(huán)和水量平衡中有著極其重要的地位[1]。植被冠層是調節(jié)自然降水,對降水進行再分配的起點,是植被水源涵養(yǎng)以及森林水文系統中的首要層級。植物林冠、枝葉以及地表枯枝落葉對降水進行攔截[2-3]、留蓄[4],最終使降水到達地表的時間延長或使部分降水未及地表便蒸散[5],從而減少了降雨對土壤的侵蝕。因此研究植被冠層截留降雨過程以及研究影響植被冠層降雨截留能力大小因素,對于評價植被水土保持功能,了解某一地區(qū)土壤侵蝕現狀具有十分重要的意義。

國內外關于植被降雨截留多針對于喬木樹種,但近年來,隨著我國對干旱區(qū)與半干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復的日益關注,對于植被冠層降雨截留的研究對象逐漸傾向于灌木、草本[6-7]。截留觀測內容主要包括,林外總降雨量、林下透雨量以及莖干流量[8],然后通過雨量平衡公式進行截留量的推算,構建經驗性統計模型[9-10]。目前大部分研究是針對某物種單一年齡或不同物種間的次降雨截留特征,缺乏對植物截留特征隨年齡變化的規(guī)律研究以及降雨過程中植物的截留變化規(guī)律研究,而關于荊條的研究主要集中在對其根系[11-12]、冠層[13-14]以及其他生物特性的研究,缺乏關于荊條森林水文過程的研究。

據第4 次遙感調查顯示,遼西地區(qū)水土流失面積為209. 06萬hm2,占該地區(qū)總土地面積的41.59%,占全省總侵蝕面積49.42%,土壤侵蝕模數5000—8000 t km-2a-1[15]。建國以來,遼寧省營造了大片樟子松(PinussylvestrisL. var.mongholicaLitv.)純林和油松(PinustabulaeformisCarr.)純林,而廣泛分布在錦州、朝陽、阜新等市縣(其占面積約為6.67萬hm2以上)的鄉(xiāng)土樹種荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)卻被忽視[16]。荊條適應性強,耐貧瘠、嚴寒、干旱,易自然更新,根系發(fā)達且具有較高的生態(tài)價值、觀賞價值、經濟價值和藥用價值[17]。本文以此為切入點,將廣泛分布于遼西低山丘陵區(qū)土石質山坡的荊條作為研究對象,采用野外人工降雨的方法對不同年齡荊條冠層進行降雨截留模擬實驗,以揭示荊條冠層隨年齡變化的降雨截留規(guī)律,為進一步研究荊條的生態(tài)水文效應提供前期基礎數據支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省阜新市彰武縣大四家子鎮(zhèn)千佛山境內(122°52′16″—122°52′19″E,42°33′40″—42°33′43″N),屬于科爾沁沙地南部,海拔183—186 m,屬溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū),四季分明,雨熱同季,晝夜溫差大,光照充足,降雨少,蒸發(fā)量大。多年平均降水量240 mm,降雨多集中在7—8月,多年平均蒸發(fā)量為1781 mm,年平均氣溫7.1 ℃,極高氣溫38.6 ℃,極低氣溫-30.4 ℃。秋冬兩季多西北風,春夏多南風,年平均風速3.8 m/s。多年平均無霜期140 d。平均凍土深度1.11 m。土壤類型為黃土狀棕壤,屬于遼西土石質山區(qū)。植被屬華北植物區(qū)系、蒙古植物系和長白植物系交錯地區(qū),主要分布的喬木樹種以油松、樟子松、刺槐(Robiniapseudoacacia)、山杏(Armeniacasibirica(L.) Lam.)等,中旱生的草本和灌木,如荊條、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、酸棗(Zizyphusjujubavar.spinosa)、白茅(Imperatacylindrica)、野古草(Arundinellahirta)等,旱生植物如興安胡枝子(Lespedezadavurica)、多葉隱子草(Cleistogenespolyphylla)、百里香(Thymusmongolicus)、大針茅(Stipagrandis)等,耐旱植物紫菀(Astertataricus)、羊草(Leymuschinensis)等[18]。

2 實驗設計

2.1 樣地布設

結合2017年6—8月對研究區(qū)荊條群落分布狀況的踏勘,樣地(10 m×20 m)布設在半陽坡的荊條群落中。查閱當地造林作業(yè)記錄得知該地區(qū)荊條進行了自然更新,最大荊條年齡為4年。將樣地荊條按不同年齡層次進行分組后,在各組中隨機選取樣本進行冠幅、株高和投影面積地測量,詳見表1。由于荊條株高較低,冠幅較小,故采用卷尺進行直接測量。

表1 荊條群落生物特征

2.2 樣本選擇

若對各年齡層次多株荊條樣本分別進行模擬降雨,很容易因重新布置實驗器材而帶來隨機誤差,又因為荊條各年齡層次冠層形狀均相似,故決定在各個年齡層次選取具有典型代表性荊條植株各1株進行野外模擬降雨實驗,即選擇盡可能與平均株高、投影面積以及分支數相近的植株作為觀測樣本。待野外實驗結束后,地上部分生物量干重采用整株移除法進行室內測量,即將典型荊條樣本整株移除,分離枝干和葉片后自然風干,再分別測量,基本生物特征見表2。

表2 樣本基本生物特征

2.3 人工模擬降雨截留實驗

荊條是一種沒有明顯主干,支干上多對生葉片,直根系,主根不明顯,側根較為發(fā)達,矮小而叢生的多年生木本植物,見圖1。在進行植被降雨截留的相關測量時,由于分支較多,莖干流量的測量方法并不適用喬木莖干測量的方法[2],綜合考慮研究目的以及已有研究[6,19],本實驗采用塑料布圍攔法與人工降雨,見圖1。與大部分在自然降雨條件下觀測植物地上部分截留變化的研究[20-21]不同,人工模擬降雨條件下進行植被截留降雨實驗,避免了野外長期觀測和對天氣狀況的要求,也極大地控制了除研究變量以外的隨機變量。同時,在人工模擬降雨條件下,可以對實驗過程中具體的截留過程進行觀測,也便于樣本之間的相互比較。根據水量平衡原理：

IC=PG-I_C

(1)

式中,IC為截留量,PG為林外降雨量,I_C為未截留量。

其他相關變量定義：截留率(IC%)為截留量占總降雨量的比例,未截留率(I_C%)為荊條未截留量占總降雨量的比例,截留量增加量(ΔIC)為單位降雨量下截留量的增加量。

圖1 實驗材料及人工模擬降雨截留Fig.1 Experimental material and artificial simulation of rainfall interception

PG為人工降雨條件下所設定的值,I_C直接通過集雨器測量獲得。具體方法為先對荊條根部進行清理,使根部土壤與四周相平,然后按照被測灌木的最大投影面積對其四周與底部用塑料布進行圍擋,盡可能減少皺褶,四角用支撐桿固定塑料布,植株與地面接觸處縫隙用泡沫膠填充,最后在低地勢處開口用小膠管連接集雨器。根據中國氣象數據網[22]歷史資料,研究區(qū)次降雨強度主要為中雨,其多年降雨頻次約占總降雨次數35%左右,人工降雨器采用自制1 m×1 m正方形框架孔點式降雨器,在降雨范圍內按對角線設置5個雨量計,進行降雨均勻度率定,公式見(2)：

(2)

經測算調整后,均勻度調整降雨均勻度為83%,降雨高度為3 m(為保證雨滴終速,供水處進行增壓)。降雨強度控制為單一降雨強度6 mm/h,根據我國降水強度國家標準：中等降雨強度R1為2.5—7.9 mm；R12為5.0—14.9 mm；R24為10—24.9 mm。實驗過程中按照時間順序對集雨器中收集水量進行測量,不同降雨歷時則對應了不同降雨量。為避免外界因素對實驗結果的影響,選擇無風、晴朗,實驗前一天未下雨且未經歷較長時間干旱時進行實驗,以保證荊條葉片干燥、舒展,實驗時天氣情況記錄表見表3,每株荊條進行3次實驗,每次實驗前應對塑料布、集雨器和膠管進行濕潤,實驗過程中測量讀數,取出集雨器時應立刻將備用集雨器與膠管相連,以免下一個數據期間的降雨收集量損失。最后一次實驗后應立即測量塑料布重量以及干燥后塑料布重量,以修正誤差。

3 結果與分析

3.1 I_C隨荊條年齡和降雨的變化特征

荊條未截留量反映的是荊條未能對降雨進行截留或截留后滿溢而最終掉落在土壤上的部分降雨量,體現在本次實驗中的是每一個時間點(相對于不同降雨量)的集雨器收集的水量。各年齡荊條I_C隨降雨量變化見圖2,各年齡荊條未截留率隨降雨量變化見圖3。

表3 實驗氣象歷史資料

圖2 各年齡荊條未截留量隨降雨量變化規(guī)律Fig.2 The variation of non-interception amount of various ages Vitex negundo var. heterophylla with rainfall

圖3 各年齡荊條未截留率隨降雨量變化規(guī)律Fig.3 The variation of non-interception rate of various ages Vitex negundo var. heterophylla with rainfall

通過對降雨量和各年齡荊條的I_C均值和I_C%均值進行回歸分析,發(fā)現隨著降雨量的線性增加,荊條I_C均值呈增加趨勢,呈顯著正相關(P<0.01),擬合優(yōu)度R2均大于0.99；隨著荊條年齡的增加其線性趨勢線k值逐漸遠離1,1年生為0.9346>2年生為0.9095>3年生為0.8639>4年生為0.8043；x軸截距分別為4年生1.06 mm(10.6 min)>3年生0.96 mm(9.6 min)>2年生0.65 mm(6.5 min)>1年生0.50 mm(5.0 min),而實際出流時間為4年生12 min>3年生9 min>2年生7 min>1年生5.5 min,實際時間與預測時間變化規(guī)律一致,而出現的誤差可能是由于塑料布褶皺聚水,導致出流較遲。250 min后I_C%趨向穩(wěn)定值為1年生91.87%>2年生89.75%>3年生85.08%>4年生79.00%。I_C%均值隨著降雨量增加而增加,對I_C均值和降雨量之間關系進行擬合,對數函數具有更高擬合度并符合實際變化規(guī)律,呈顯著正相關關系(P<0.01)。

3.2 IC隨荊條年齡和降雨的變化特征規(guī)律

荊條截留降雨的能力受其自身多種因素影響,如葉面積指數、枝葉生長方式[23]、植株傾斜角度[24]等。在相同立地條件與人為擾動下,這些因素都與其生長年齡有關,而植株年齡則可以作為綜合指標值反映荊條的截留降雨能力。各年齡荊條截留量隨降雨量變化規(guī)律見圖4,隨年齡增加荊條最大截留量變化規(guī)律見圖5,各年齡荊條截留率隨降雨量變化規(guī)律見圖6。

圖4 各年齡荊條截留量隨降雨量變化規(guī)律Fig.4 The variation of interception amount of various ages Vitex negundo var. heterophylla with rainfall

圖5 隨年齡增加荊條最大截留量變化規(guī)律Fig.5 The variation of the maximum interception amount of Vitex negundo var. heterophylla with age

由圖4可知,截留雨量節(jié)點正負誤差形成絕對誤差范圍占均值的比例較大,即相對誤差較大,1年生56.20%>2年生39.58%>3年生30.54%>4年生23.15%,這是由于IC較難直接測量,只能通過水量平衡原理間接獲得,而IC的值通常會遠小I_C的值,通過(1)式獲得的IC很容易受觀測I_C產生的誤差影響,形成相對于均值較大的偏差；由圖5可知,隨著降雨量的增加,截留量均隨之增加,直至250 min時,4年生IC為(5.25±0.49) mm>3年生(3.73±0.65) mm>2年生(2.60±0.23) mm>1年生(1.93±0.55) mm,并且1年生和2年生荊條冠層截留量逐漸趨向穩(wěn)定,這是因為荊條枝葉的數量限制了荊條冠層的最大截留量而不能無限增加；由圖6可知,各年齡荊條初始截留量(25 min時)為4年生(1.39±0.22) mm>3年生(1.20±0.33) mm>2年生(0.90±0.28) mm>1年生(0.68±0.35) mm,表明隨年齡增加,荊條的截留能力增加,這可能由于隨年齡增加,荊條冠層形成的結構更利于降雨的攔蓄。

由圖5、6可知,隨著年齡的增加,荊條的最大IC逐漸增大,1年生與2年生荊條差異性不顯著,1年生與3年生、4年生荊條呈顯著差異,對其變化規(guī)律進行擬合,發(fā)現冪指數函數、二項式函數擬合指數大于對數函數,但考慮到荊條植物本身生長發(fā)育規(guī)律,從幼苗生物量較小到成熟期生物量達到穩(wěn)定最大值,則截留量變化擬合經驗公式對數函數更為合理。250min后IC%趨向穩(wěn)定值為4年生21.00%>3年生14.92%>2年生10.25%>1年生8.13%,但仍在逐漸減少。

通過對降雨量變化和各年齡荊條的IC均值和IC%均值進行回歸分析,發(fā)現隨著降雨量的增加,各年齡荊條IC也呈增加趨勢,但增加速率逐漸減小并最終趨向于一個穩(wěn)定的增加率,對IC均值和降雨量之間關系進行擬合,對數函數具有更高的擬合度；發(fā)現隨著降雨量的增加,各年齡荊條IC%呈逐漸減少的趨勢,冪函數具有較高的擬合度,擬合優(yōu)度R2均大于0.98。分析原因,荊條地上部分截留雨水量隨著降雨的進行會逐漸趨向于飽和,在達到飽和的過程中,截留速率逐漸減小。

3.3 IC與附加截留量的關系

附加截留量[4],即降雨期間蒸發(fā)量[25](包括雨滴降落、被截留、匯流過程中的蒸散量),許多研究由于在研究方法或研究目的上的因素,忽略或是直接包含在某一指標測定上,并未進行測量。楊憲龍[26]將截留量和蒸散量作為一個部分,即截留損失,以研究灌叢對降水再分配特征和蒸散特征；成向榮等[27]將附加截留量用葉面積指數進行表示,進行數學模型的修正；佘冬立等[28]由于研究目的是對冠層截留模型模擬效果的評價,并沒有直接對附加截留量進行觀測,而是擬合方程后進行預測,最后將附加截留量作為一個參數進行模擬評價,難以反映附加截留量的變化規(guī)律。

圖6 各年齡荊條截留率隨降雨量變化規(guī)律Fig.6 The variation of interception rate of various ages Vitex negundo var. heterophylla with rainfall

圖7 各年齡荊條截留量增加量隨降雨量變化規(guī)律Fig.7 The variation of increasing interception amount of various ages Vitex negundo var. heterophylla with rainfall

由圖7可知,單位時間內(250 min)ΔIC逐漸減小,并逐漸趨于穩(wěn)定,這與趙玉麗[8]在人工降雨條件下,對林冠截留的觀測結果一致；對單位時間內ΔIC和降雨量(時間)進行擬合,發(fā)現冪函數的擬合優(yōu)度較高,R2均大于0.72。趙玉麗研究認為塑料布未充分潤濕而導致前期ΔIC較高,后期ΔIC趨于0,本次研究中1年生荊條前期ΔIC并沒有出現急劇減少,而且隨年齡變化,ΔIC有著顯著差異(P<0.05),說明荊條年齡是影響植株截留能力的主要因素。除此之外,大部學者認為林冠截留量都有一個極限值。若存在極限值,則本次實驗中ΔIC應該趨向于0,而本次研究發(fā)現ΔIC逐漸趨于穩(wěn)定且大于0,從間接層面證明了ΔIC的存在。經過對最后3個時間點(200 min、225 min、250 min)ΔIC進行算數平均后計算標準偏差,得到4年生ΔIC穩(wěn)定值為(0.27±0.03) mm>3年生(0.17±0.04) mm>2年生(0.14±0.01) mm>1年生(0.09±0.02) mm,即荊條的附加截留量,即：

IC=IC冠+附加截留量(IC′)

(3)

假設在實驗期間內,其他外界條件保持不變,則IC′是一個定值,對式(1)進行修正,將(3)代入式(1)中得：

IC冠+IC′=PG-I_C

(4)

式中,IC為截留量,PG為林外降雨量,I_C為未截留量,IC冠為荊條冠層截留量,IC′為附加截留量。

4 討論

(1)關于植被地上部分截留量的研究從19世紀末到現如今,積累了大量的實測數據。常見的研究對象為喬木林林分；實驗方法為野外自然降雨監(jiān)測[15-17,29],即收集一個時間段的次降雨實驗數據,然后對其統計處理后建立經驗模型或對理論模型的適應性進行評價,存在的問題是,對次降雨的觀測所得實驗數據,只能單單反映次降雨后植被截留的結果,而不能反映截留過程,且忽略了每次降雨雨強對截留的影響,造成數據間偏差較大。受外界因素影響,同一雨量的兩次實驗最終觀測所得截留量和截留率也是不同的,楊志鵬等[6]在毛烏素沙地相同樣地,兩次雨量同近的降雨,截留量率為20%—53%左右,截留量0.75—1.7 mm左右,相差較大；半干旱地區(qū)與干旱地區(qū)的過渡植被,野外截留觀測值很可能受附加截留的影響而出現差異,本次研究4年生截留量為(5.25±0.49) mm,與楊志鵬等[6]所測得中雨強度下沙柳截留量1.67 mm相差較大,與王新平等[30]關于檸條截留量(4.3±0.87) mm相差不大?；诖?人工模擬降雨條件下對于降雨截留觀測則可以通過控制大部分隨機變量,人為創(chuàng)造相同或相似立地條件,使誤差盡可能減小；人工模擬降雨條件下可以對降雨歷程進行全程觀測,以詳細記錄降雨過程中植被地上部分對降雨重新分配過程。

(2)以往大部分研究都未對附加截留量進行研究,分析原因有如下幾個方面：IC′相較于冠層截留更為難以觀測,它沒有辦法直接進行觀測,甚至無法間接計算得出；IC′所占比例較小,如本次研究中測得I_C是IC的4.82—14.16倍而IC又是IC′的13.52—15.95倍；另一方面,IC′容易受到其他外界因素(干燥度、溫度、風,等)影響,從而產生較大變化,不能將其認為是植物自身對降雨截留能力。本次實驗之所以能夠通過降雨截留量變化中得出附加截留(IC′)量,是由于7—8月野外人工模擬降雨條件下實驗環(huán)境往往氣溫較高,蒸騰量較高,且降雨強度選擇為6 mm/h,小于一般人工模擬降雨選擇的強度,如趙玉麗[8]選擇的降雨強度為11.58 mm/h、25.91 mm/h、48.40 mm/h、78.48 mm/h；馬波等[31]選擇的降雨強度為40 mm/h、80 mm/h。降雨強度太大往往降雨歷時短,I_C的觀測值往往更大,在進行水量平衡計算時,IC值所占比重則會更小,更加難以觀察出其細微變化。

(3)本研究從定量的角度驗證了附加截留量的存在,并且通過間接水量平衡計算得到了不同年齡荊條冠層附加截留量的變化規(guī)律,由此可以推斷,附加截留量與植物本身的生物特征有關。對于一般地區(qū),植被的附加截留量在整個的降雨截留分配過程中所占比例較小,但對于降雨稀少、蒸散量大的干旱和半干旱地區(qū),其對于降雨分配的影響程度較大,故研究植被附加截留量對于干旱區(qū)、半干旱區(qū)水文過程及植被恢復有著重要意義。

(4)荊條抗旱耐寒,為中旱生灌叢優(yōu)勢種,靠播種或分株繁殖。荊條人工林生長快,能迅速形成植被,呈集群分布。這些荊條的生物學特性導致荊條群落中,個體之間枝葉相互穿插、搭構,形成更為密實的降雨截留層,而荊條的自然更新使得降雨截留層次在垂直空間上得到延展。因此荊條的群落特性可以強化荊條植株的附加截留量,其在降低雨水對土壤擊濺侵蝕、水源涵養(yǎng)方面有著優(yōu)良的表現。對于喬木難以成林的干旱半干旱地區(qū)的水土保持有著重要意義。

(5)國內關于荊條水土保持方面的研究主要集中在荊條根系[11]的分布規(guī)律以及與其他灌木根系進行比較,荊條對土壤孔隙度、容重、土壤結構和質地改良作用[32],荊條冠層各個方位的葉面積指數和透光率[17]以及荊條抗旱性能[33-34]的研究,缺少荊條對降雨的截留效應的相關研究,尤其是對于造林難以成活的遼西半干旱低山丘陵區(qū)來說,本研究是十分必要的,但本研究在分析荊條年齡對截留變化的影響規(guī)律時,雖然對樣本植株進行了典型性篩選,但是選取樣地的范圍在尺度上偏小,在以后的研究中,應處理好實驗樣地范圍尺度與實驗變量之間的平衡點,在滿足實驗科學性的條件下,盡量擴大實驗樣地尺度。除此之外,本研究僅針對于荊條冠層截留過程及結果進行了分析,今后還應對影響荊條冠層截留能力的因素進行研究,以期得到荊條截留降雨的機理,并建立可以進行科學預測的數學模型。

5 結論

(1)遼西低山丘陵區(qū)不同年齡荊條冠層未截留量和未截留率變化規(guī)律為：未截留量與降雨量均值呈顯著線性正相關,隨著荊條年齡的增加未截留量增加速率減??；250 min后未截留率趨向穩(wěn)定值隨荊條年齡增長而減小,且與降雨量顯著正相關,擬合回歸方程為對數函數。

(2)荊條冠層截留量和截留率變化規(guī)律為：隨著降雨量的增加,截留量隨之增加,擬合回歸方程為對數函數；隨著年齡增加,最終截留量穩(wěn)定值隨之增加,擬合回歸方程為對數函數；250 min后截留率趨向穩(wěn)定值隨年齡增加逐漸變小,擬合回歸方程為冪指數函數。

(3)IC=荊條冠層截留量+附加截留量,對荊條年齡增加,附加截留量值隨之增加,這可能與葉表面積隨年齡增大而增大有關,降雨期間附加截留量總量為4年生2.7 mm>3年生1.7 mm>2年生1.4 mm>1年生0.9 mm。