植物對(duì)降水截留的研究進(jìn)展

郭建平

1)(中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081) 2)(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044)

引 言

植物對(duì)降水的截留作用是指降水被地面植物的枝葉、莖稈、地表枯落物等攔截，導(dǎo)致部分降水未能參與地面徑流形成或地下(土壤)水分運(yùn)動(dòng)過程，而以蒸發(fā)形式直接回歸大氣的作用[1]。因此，被植物截留的降水無法直接參與地面徑流形成或地下(土壤)水分運(yùn)動(dòng)過程，降水截留研究在水文生態(tài)學(xué)和農(nóng)業(yè)氣象學(xué)中均有重要意義。

植物對(duì)降水的截留是水文學(xué)研究的重要方向之一，顯著影響流域的產(chǎn)流、產(chǎn)沙以及化學(xué)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化等諸多物理過程。通常情況下，雨量較大時(shí)植物的截留損失可以忽略，因?yàn)檫@時(shí)的截留率低，特別是大到暴雨時(shí)可以完全忽略植物截留，但在雨量較小的干旱區(qū)且植被茂盛時(shí)，植物截留對(duì)流域水量平衡計(jì)算有十分重要的意義。在濕潤(rùn)森林地區(qū)，植物的截留損失通常占年降水量的10%～30%[2-4]，而在某些降水量偏少地區(qū)，植物截留損失量大得多，可以達(dá)到40%～50%[5]，在某些干旱地區(qū)草被對(duì)年降水量截留損失也可達(dá)30%[6]。由此可見，在某些環(huán)境下，降水截留損失顯著影響降水的產(chǎn)流過程，在水文模型中通常有專門的模塊處理截留過程[7]。

農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成與氣象條件關(guān)系密切，因此，農(nóng)作物氣候資源評(píng)價(jià)是氣象和農(nóng)業(yè)部門最常規(guī)、最基礎(chǔ)的工作之一，備受氣象和農(nóng)業(yè)科研工作者重視。降水是農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的主要水分來源，對(duì)于旱作農(nóng)業(yè)，降水尤其重要。作物只有通過吸收土壤中的水分才能維持正常的生長(zhǎng)發(fā)育，因此，通常認(rèn)為只有被保存在土壤中的水分才對(duì)農(nóng)作物有效。而一次降水過程中的部分降水會(huì)被作物冠層截留，并通過葉面蒸發(fā)散失到空氣中，無法保存到土壤中，這部分降水對(duì)作物生長(zhǎng)無效，若降水量較小，則無效降水比例高，因此，降水作用往往被高估。一些研究認(rèn)為，在噴灌條件下，玉米冠層一次最大截留量為1.8～2.7 mm[8-10]，冠層截留率為7.5%～11.4%[11]。小麥冠層對(duì)一次降水過程的最大截留量超過10 mm，冠層截留率達(dá)24%～28%[12]。但在農(nóng)業(yè)干旱的指標(biāo)構(gòu)建[13-16]、監(jiān)測(cè)評(píng)估[17-21]和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[22]中，通常不考慮降水截留，導(dǎo)致干旱評(píng)估結(jié)果偏輕，夸大了降水的實(shí)際效率；在農(nóng)業(yè)氣候資源評(píng)估中，如果不考慮降水的截留作用，往往使降水適宜度和氣候適宜度評(píng)估結(jié)果偏高[23-26]。

植被冠層對(duì)降水的截留作用，可改變降水在地表的分配，進(jìn)而影響降水的有效利用[27]。但在實(shí)際工作中，植物對(duì)降水的截留量很難定量計(jì)算，嚴(yán)重制約降水對(duì)植物的影響評(píng)估。因此，如何準(zhǔn)確估算植物對(duì)降水的截留，對(duì)于降水有效性評(píng)估和農(nóng)田水分平衡計(jì)算均有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1 植物對(duì)降水截留的研究方法

植物對(duì)降水的截留通常采用間接測(cè)量法或直接測(cè)量法測(cè)定。間接測(cè)量法也被稱為水量平衡法，通過間接測(cè)量降水到達(dá)地表后的其他分量，利用水量平衡公式計(jì)算獲得植物截留量，該方法廣泛應(yīng)用于森林截留研究中。直接測(cè)量法也被稱為稱重法，通過直接稱取植物表面截留的水量計(jì)算植物的截留量，具有研究周期短、方法簡(jiǎn)便實(shí)用、快速獲取研究數(shù)據(jù)的效果，多用于農(nóng)作物截留研究中。

1.1 間接測(cè)量法

間接測(cè)量法也稱為水量平衡法。通過觀測(cè)降水到達(dá)下墊面后的各個(gè)分量，包括植物群體外的降水量(PG)、透過植物群落到達(dá)地表的降水量分量(PT，包括在降水過程中從葉尖滴落的水珠)、植物莖稈產(chǎn)生的莖流量分量(FS)，再利用水量平衡公式間接計(jì)算出植物對(duì)降水的截留量(IC)。計(jì)算公式為

IC=PG-PT-FS。

(1)

對(duì)于森林植被而言，還需要觀測(cè)地表枯落物截留量分量(IL，農(nóng)作物一般不考慮IL)，IC和IL共同組成森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)降水的截留。

1.1.1PG的觀測(cè)

PG的觀測(cè)通常使用1～2個(gè)雨量計(jì)。雨量計(jì)一般放置在觀測(cè)植物群體附近開闊地，或?qū)⒂炅坑?jì)放置在觀測(cè)群體之上。一般情況下，這兩個(gè)位置的結(jié)果較一致，但當(dāng)開闊地較遠(yuǎn)時(shí)可靠性下降，而將雨量計(jì)放置在群體之上可能受風(fēng)的影響較大[28]。因此，應(yīng)盡可能選擇附近有開闊地之處作為試驗(yàn)點(diǎn)，既方便儀器布設(shè)，又可保證觀測(cè)數(shù)據(jù)精度。

1.1.2PT的觀測(cè)

與PG的觀測(cè)相同，PT的觀測(cè)也采用雨量計(jì)。雨量計(jì)放置的位置必須在植被群落的冠層下面，當(dāng)植被較矮時(shí)，可將雨量計(jì)部分埋入土中，使降落到葉面、枝干上再滴落下來的雨水全部進(jìn)入雨量計(jì)中。但由于植被群落通常很不均勻，PT的觀測(cè)也是最容易出現(xiàn)較大誤差的一項(xiàng)截留觀測(cè)分量。減小PT觀測(cè)誤差的主要做法是確保盡可能大的采集面積，通常使用盡量多的雨量計(jì)。為使PT觀測(cè)誤差控制在5%以內(nèi)，Czarnowski等[29]認(rèn)為至少需要30個(gè)雨量計(jì)，而Helvey等[30]認(rèn)為在林木生長(zhǎng)季節(jié)需要15個(gè)雨量計(jì)，休眠期需要6個(gè)。也有采用大型集水槽代替雨量計(jì)，既增加了集雨面積，又可減少雨量計(jì)的使用[31-32]。

1.1.3FS的觀測(cè)

FS測(cè)定時(shí)，一般用直徑約3 cm的軟管(縱向切開軟管，但其末端保持完整，并接入集水容器)，選擇觀測(cè)樹木，在地面以上30 cm處向上沿樹干螺旋狀繞至少1周[28，33]，或環(huán)狀(衣領(lǐng)狀)環(huán)繞1周[34]，為保證莖稈流全部被收集，軟管一側(cè)邊緣必須嵌入樹皮之內(nèi)或固定在樹皮上，用密封膠封嚴(yán)中間縫隙，末端與集水容器相連接，使莖稈流全部進(jìn)入容器中；農(nóng)作物FS的測(cè)定與樹木類似，由于農(nóng)作物莖稈較細(xì)，通常在莖稈基部包裹一喇叭口狀的聚乙烯集水裝置或塑料集水裝置收集莖稈流，并在裝置底部引出1個(gè)導(dǎo)管，導(dǎo)管末端與集水容器相連接，以測(cè)量莖稈流量[35]。

1.1.4IL的觀測(cè)

在水量平衡各分量測(cè)定中，準(zhǔn)確測(cè)定IL難度最大。常見的IL直接觀測(cè)方法是在森林內(nèi)地表枯落物典型的地方布設(shè)2個(gè)規(guī)格相同的雨量計(jì)，其中一個(gè)雨量計(jì)作為對(duì)照，雨量計(jì)上不覆蓋任何東西，另一個(gè)雨量計(jì)上疊放一圓形鐵圈紗網(wǎng)，將未被破壞的相同厚度的原狀枯枝落葉放置在紗網(wǎng)上，兩個(gè)雨量計(jì)觀測(cè)值之差即為IL[36-37]。

1.2 直接測(cè)量法

直接測(cè)量法通常在研究農(nóng)作物或樹木幼苗截留量中采用，對(duì)于較大樹木一般無法采用該方法。使用較多的直接測(cè)量法包括稱重法、擦拭法和簡(jiǎn)易吸水法。

1.2.1 稱重法

稱重法是較常用的方法之一，通常在人工模擬降水試驗(yàn)(或噴灌試驗(yàn)等人工控制試驗(yàn))中采用[38]。模擬降水開始前，首先將植株剪下，稱取每株植株的質(zhì)量，試驗(yàn)結(jié)束后再次稱取包括截留水分在內(nèi)的植株質(zhì)量，前后兩次質(zhì)量差即為植株截留量。為保證稱重時(shí)植株上水分不掉落，且不受風(fēng)等環(huán)境因素的影響，稱重區(qū)通常設(shè)置在降水模擬試驗(yàn)點(diǎn)附近，且四周用塑料薄膜進(jìn)行圍擋。為減小試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)全過程(包括稱重過程)中植株始終保持與自然狀態(tài)基本一致。

1.2.2 擦拭法

擦拭法需采用高分子吸水材料[39]。每次測(cè)定開始前，將高分子吸水材料裝在自封袋中用萬分之一天平稱重，并在試驗(yàn)區(qū)中隨機(jī)選取若干植株進(jìn)行標(biāo)記，待降水結(jié)束后，從自封袋里取出高分子吸水材料擦拭標(biāo)記植株上附著的水分，擦拭后立刻裝入自封袋，并封口防止水分蒸發(fā)，盡快使用萬分之一天平再次稱重，前后兩次的質(zhì)量差即為植株截留量。擦拭過程中要特別細(xì)心，既要將葉片上的水分擦拭干凈，又要防止水滴掉落地上。另外，由于植株個(gè)體不均勻，為減小誤差，通常需擦拭盡可能多的植株，并取平均。

1.2.3 簡(jiǎn)易吸水法

簡(jiǎn)易吸水法通常用于測(cè)量植株的飽和截留量(最大截留量)[40-41]。第1步將植株貼地面剪下，立即用熔化的石蠟封閉切口，防止水分從切口處散失和吸收；第2步快速稱取無截留狀態(tài)的質(zhì)量；第3步將整個(gè)植株完全浸入水中，待植株完全濕潤(rùn)后取出；第4步等枝葉上水珠不再下滴時(shí)，再次稱取植株質(zhì)量(含飽和截留水量)，前后兩次稱重的質(zhì)量差即為最大截留量。

1.2.4 噴霧法

與簡(jiǎn)易吸水法一樣，噴霧法通常也只能用于測(cè)量植株的飽和截留量(最大截留量)[42]。第1步將植株貼地面剪下，立即用熔化的石蠟封閉切口，防止水分從切口處散失和吸收；第2步快速稱取噴霧之前(無截留狀態(tài)下)的質(zhì)量；第3步將植株直立固定，用噴霧器在植株上方噴霧，直至葉緣葉尖處開始形成滴水以及葉基處開始有莖稈流形成時(shí)停止；最后，再次稱取植株質(zhì)量(含飽和截留水量)，前后兩次稱重的質(zhì)量差即為植株最大截留量。

2 森林(樹木)對(duì)降雨的截留

國(guó)內(nèi)外對(duì)林木冠層的降雨截留過程研究相對(duì)較多[43-46]。如周秋文等[47-48]系統(tǒng)分析了貴州喀斯特地區(qū)針葉林和闊葉林降雨截流分配特征，林冠截留總量占同期降雨的17.04%，樹冠截留量隨著降雨的增大而增大，林冠截留率隨降雨增大而減小。白雲(yún)等[49]研究建立了井岡山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)杉木林冠層的截留模型。采用野外觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析方法研究祁連山排露溝流域5種典型灌叢的降雨截留特征，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)，而穿透率和截留率與降雨量均以對(duì)數(shù)函數(shù)擬合較好[50]。董玲玲等[51]對(duì)遼河源自然保護(hù)區(qū)油松林、山楊林和華北落葉松林的穿透雨、樹干莖流和林冠截留進(jìn)行監(jiān)測(cè)，林冠截留能力從大到小依次為油松林(20.4%)、華北落葉松(17.9%)、山楊林(12.4%)，在降雨量較小時(shí)表現(xiàn)更加明顯，降雨特征和冠層結(jié)構(gòu)對(duì)林冠截留均產(chǎn)生影響。楊文強(qiáng)等[52]以我國(guó)黃土高塬溝壑區(qū)的典型代表長(zhǎng)武塬為研究區(qū)，基于對(duì)45場(chǎng)降雨的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析蘋果林的林冠截留特征，結(jié)果表明：17年生蘋果林穿透雨量、樹干莖流量、林冠截留量分別占降雨量的75%～97%，0.2%～1.6%，2%～25%，量化了林冠對(duì)降雨的分配比例。日本直木的穿透雨量、莖稈流和截留率分別為65.3%，9.1%和25.5%[53]。劉春霞等[54]以位于我國(guó)西南亞熱帶的天然混交林為研究對(duì)象，利用2009 年4—10月的60場(chǎng)林冠截留觀測(cè)數(shù)據(jù)，綜合分析了降雨再分配特征，并應(yīng)用修正的Gash模型[55]對(duì)6—8月的17場(chǎng)林冠截留量進(jìn)行模擬。杜仲林、楓樟混交林和馬尾松林的林冠截留率分別為14.69%，18.19%和18.79%，降雨量越大，林冠截留量也越大，降雨量與林冠截留量呈正相關(guān)關(guān)系[56]。對(duì)阿根廷灌木的研究表明：截留率、穿透率和莖流率分別為9.4%，78.6%和12.0%。截留率隨降雨事件規(guī)模和強(qiáng)度的增加而減小，而穿透率則相反[57]。

林冠截留與林冠類型關(guān)系密切，且具有穩(wěn)定性小、變異性大的特點(diǎn)。亞熱帶西部高山常綠針葉林變異性最大，亞熱帶山地常綠落葉闊葉混交林變異性最小(具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的熱帶山地雨林和季雨林除外)[58]。落葉后的林冠減少了對(duì)水分的儲(chǔ)存能力，截留損失下降，有葉期的截留率為29%，而無葉期的截留率為20%[59]。不同林冠截留率差異顯著，一般穿透雨量較大，穿透雨率可達(dá)60.0%～90.0%，截留率與降雨量、林冠類型、茂密程度有關(guān)，截留率通?？蛇_(dá)10.0%～40.0%，而樹干莖流率相對(duì)較小，僅為0.5%～14.0%[60]。美國(guó)喬治亞州西部本寧堡5個(gè)森林社區(qū)松松樹、混交林、低地闊葉林、松樹林和高地闊葉林截留率分別為22.3%，18.6%，17.7%，17.6%和17.4%[61]。在森林覆蓋度相似情況下，林冠對(duì)降雨的截留率與森林結(jié)構(gòu)和樹種關(guān)系密切，對(duì)伊朗半干旱地區(qū)刺槐和側(cè)柏進(jìn)行為期3年的監(jiān)測(cè)表明，降雨在全葉、衰老、無葉和長(zhǎng)葉狀態(tài)下的分配動(dòng)態(tài)不同[62]；針葉林冠層對(duì)降雨截留低于闊葉林，落葉林低于常綠林，復(fù)層異齡林低于單層林[63]。4種降雨截留模型分析顯示：熱帶山地云林、溫帶、干旱/半干旱森林和熱帶干燥森林分別截取了總降雨量的14%，18%，22%和26%[64]。

林冠層的年截留量與年降雨量和年內(nèi)降雨次數(shù)有關(guān)，降雨量越大，降雨次數(shù)越多，年截留量也越大，通常可以達(dá)到年降雨量的15%～45%，最高可以達(dá)到50%[65-66]。降雨強(qiáng)度也影響林冠截留，降雨強(qiáng)度越大，林木冠層的截留量、樹干流量和穿透雨量也越大，林冠截留量、樹干流量和穿透雨量均與降雨強(qiáng)度呈顯著的線性關(guān)系[67-69]。也有研究認(rèn)為截留損失與總降雨量的關(guān)系是拋物線關(guān)系，而非線性關(guān)系[70]。在觀測(cè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開展截留模型的研究是學(xué)科發(fā)展的方向，由此各種類型的林冠截留模型發(fā)展起來[71-76]。Rutter等[77]和Gash等[55]在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)建立了林冠截留模型，因其物理意義明確、涵蓋面廣、誤差小而得到廣泛應(yīng)用。在觀測(cè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立線性或非線性的統(tǒng)計(jì)模型是最普遍的方法[75]；由于林冠對(duì)降雨的再分配規(guī)律與光線在林冠中輻射傳播的規(guī)律具有相似性，于是建立了林冠截留降雨的理論模型，該模型推導(dǎo)合理，是我國(guó)比較成功的理論模型[76]。

3 農(nóng)作物對(duì)降雨的截留

農(nóng)作物對(duì)降雨的截留研究大多集中于玉米和小麥作物，對(duì)其他作物研究的報(bào)道較少。噴灌和人工模擬降雨是研究農(nóng)作物截留的有效方法。因此，大多數(shù)研究集中于人工噴灌和模擬降雨條件下進(jìn)行[9，12，77-79]。

3.1 玉米對(duì)降雨的截留

馬波等[42]采用室內(nèi)模擬降雨法測(cè)定不同降雨強(qiáng)度下，玉米在不同葉面積指數(shù)下的穿透雨和莖稈流，采用噴霧法測(cè)定玉米不同生長(zhǎng)階段的冠層截留(飽和截留量)，并對(duì)其進(jìn)行量化分析，明確穿透雨、莖稈流、飽和截留量與玉米葉面積指數(shù)和降雨強(qiáng)度的關(guān)系。同時(shí)，采用相同方法系統(tǒng)測(cè)定不同降雨特性下玉米不同生育時(shí)期的冠層下穿透雨和莖稈流，并利用水量平衡法量化對(duì)應(yīng)的玉米冠層截留[32，42]。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討穿透雨、莖稈流、飽和截留量與玉米生育期和降雨特性關(guān)系，最終構(gòu)建玉米冠層對(duì)降雨截留的估算模型，該模型可為客觀評(píng)價(jià)降雨有效性提供參考。一些研究認(rèn)為，在噴灌條件下，玉米冠層飽和截留量為1.8～2.7 mm[8-10]，冠層截留率為7.5%～11.4%[11]。郭建平等[38]利用人工模擬降雨試驗(yàn)研究表明：玉米對(duì)一次降雨過程的最大飽和截留量約為1.5～2.3 mm。林代杰等[80]采用人工模擬降雨法測(cè)定玉米成熟期冠層截留的結(jié)果表明：降雨的截留率為7.5%，穿透雨率為63.7%，莖稈流率為28.8%。而鄭子成等[81]根據(jù)實(shí)際降雨頻率，采用人工模擬降雨技術(shù)，結(jié)果表明：玉米冠層截留量、莖稈流量和穿透雨量均與降雨強(qiáng)度呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系，玉米全生育期的冠層截留率平均為8.4%，莖稈流率平均為35.4%，穿透雨率平均為56.2%。一般條件下，玉米葉面積越大，截留面積也越大，因此，玉米的冠層截留量與葉面積指數(shù)和株高(株高與葉面積成正相關(guān))呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系[38，81-82]，與降雨強(qiáng)度之間呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系[83]。為探明夏玉米不同生長(zhǎng)階段的降雨冠層截留過程，采用模擬降雨法測(cè)定不同生長(zhǎng)階段、不同降雨強(qiáng)度下夏玉米冠層下穿透雨量、莖稈流量，并基于水量平衡法量化分析冠層截留，采用多元回歸分析方法，建立包含葉面積指數(shù)、降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)3個(gè)參數(shù)的夏玉米次降雨冠層截留特征量估算方程[35]。2015—2016年兩個(gè)玉米生長(zhǎng)季觀測(cè)的降雨穿透率、莖流率和截留率分別為65.2%，22.3%和12.5%，苗期的穿透率顯著大于抽雄期，而莖流率和截留率則相反[84]。

3.2 小麥對(duì)降雨的截留

研究顯示：在噴灌條件下，冬小麥整個(gè)生育期的冠層降雨截留率為24%～28%[85]；在灌漿初期，春小麥葉面積指數(shù)較大，冠層降雨截留率可達(dá)25%～35%[86]。冬小麥最大(飽和)冠層截留量與截留面積有關(guān)，截留面積越大，截留量也越大。因此，隨著生育期變化，葉面積指數(shù)先增大后減小，飽和截留量呈先增加后減少的趨勢(shì)[39，87]。但利用不同方法測(cè)定的冠層飽和截留量存在較大差異，如王慶改等[39]在大田條件下用擦拭法測(cè)定的結(jié)果僅為1.0 mm；王迪等[87]在室內(nèi)噴灌條件下用稱重法測(cè)定結(jié)果高達(dá)1.47 mm，兩者相差達(dá)47%；而Kang等[12]認(rèn)為小麥的冠層截留量大于10 mm，冠層截留率為24%～28%。在噴灌條件下，冬小麥冠層飽和截留能力隨葉面積指數(shù)和株高的增大而呈線性增大，這主要是小麥截留面積增加所致，而噴灌強(qiáng)度對(duì)冠層飽和截留能力并沒有明顯影響[12，82，87]。人工模擬降雨試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析表明：冬小麥棵間雨量(穿透雨)和冠層截留量與降雨量分別呈顯著正相關(guān)關(guān)系和冪函數(shù)關(guān)系，降雨強(qiáng)度與穿透雨率和冠層截留率分別呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系和負(fù)冪函數(shù)關(guān)系[31]。小麥冠層降雨截留量與葉面積指數(shù)、株高、水滴大小和風(fēng)速等因素有關(guān)[12，39，87]。由于作物冠層能夠削弱冠下降雨量(穿透雨)，因此，可以在一定程度上減小降雨對(duì)土壤的侵蝕力。

4 森林冠層對(duì)降雪的截留

降雪是大氣降水的一種重要形式，同時(shí)也是地表水循環(huán)過程中重要的組成部分。與降雨截留研究相比，對(duì)降雪截留的研究相對(duì)較少，且主要集中在森林樹木對(duì)降雪截留方面，農(nóng)作物對(duì)降雪截留的研究尚未見報(bào)道。單棵樹對(duì)降雪的截留過程符合 S 型增長(zhǎng)曲線，樹枝上存有過少或過多雪時(shí)，截留率也較低，僅當(dāng)樹枝上有適量雪時(shí)，才具有較高的截留率[88]。但也有研究得到相反結(jié)論[89]?；貧w統(tǒng)計(jì)表明：林分的截留能力與降雪量和林冠郁閉度緊密相關(guān)[90]。英格曼云杉、毛果冷杉和美國(guó)黑松對(duì)降雪的截留差異并不顯著，氣象條件比植株形態(tài)結(jié)構(gòu)影響更顯著[91]。雖然花旗松和白松在形態(tài)學(xué)特征上差異顯著，但截留雪量并無顯著差異[92]。南安第斯山脈的諾法古斯森林截留量平均占年降雪量的23.6%[93]。對(duì)大興安嶺樟子松林的研究顯示：不同林分組成類型的天然樟子松林截留雪量為11.4～16.4 mm，截留率為14.7%～23.6%[94]，樟子松林對(duì)降雪的截留作用最大，其降雪截留率為22.54%，是興安落葉松林的1.9倍，是楊樺林的5.4倍[95]，降雪級(jí)別越小，降雪截留率越大，暴雪、大雪、中雪和小雪的截留率依次為6.50%，9.04%，9.8%和15.7%[96]。小興安嶺森林對(duì)降雪的截留作用主要受郁閉度和樹種組成影響，云冷杉紅松林對(duì)降雪截留作用最大，達(dá)39.7%，約為次生白樺林的5倍，人工落葉松的2.5倍[97]。遼東山區(qū)蒙古櫟林樹冠平均最大截留量和截留率分別為8.3 mm和28.7%；紅松林分別為7.9 mm和27.1%；落葉松林分別為7.2 mm和24.1%[98]。黃土丘陵區(qū)25年林齡的油松人工林和天然山楊林對(duì)降雪的截留量為17.2 mm 和2.3 mm，截留率分別為45.l%和5.9%，兩個(gè)樹種間差異顯著[99]。

升華是截留積雪損失的一種重要途徑，部分截留雪通過升華又散失到大氣中。加拿大北方地區(qū)針葉林冠層能夠貯存60%的降雪，而其中30%～40%的積雪通過升華損失[100]，截留雪的升華速率可超過0.5 mm·h-1[101]，風(fēng)速較小時(shí)，截留雪的升華速率可達(dá)到0.3 mm·h-1[102]，在干燥且寒冷的天氣下，截留雪的升華速率可達(dá)到1.5 mm·d-1[103]。此外，有相當(dāng)部分的截留雪會(huì)融化滴落到地面，并進(jìn)入土壤或形成地表徑流。美國(guó)西南部?jī)?nèi)華達(dá)山脈有25%的降雪事件中能夠觀測(cè)到冠層截留雪的融化滴落事件，其中有4%的降雪事件中產(chǎn)生的水滴超過2 mm[104]。不同研究結(jié)果差異較大，最小值為截留雪的5%[92]，而最大值達(dá)截留雪的72%[101]。

5 存在的問題

植物對(duì)降水的截留在流域水量平衡和農(nóng)業(yè)氣候資源評(píng)估中均有重要意義，但由于對(duì)截留概念的理解以及觀測(cè)方法的限制，目前在截留的相關(guān)研究中還存在較多有待解決的問題。

5.1 對(duì)截留的理解不同導(dǎo)致截留測(cè)定結(jié)果差異顯著

植物對(duì)降水的截留量是指被地面植物的枝葉、莖稈、地表枯落物等攔截而未能到達(dá)地表的降水量，是無效降水的主要部分。根據(jù)該定義，植物對(duì)降水的截留應(yīng)包括兩個(gè)部分：一是降水結(jié)束后仍滯留在植物體表面的水分，二是在降水過程中植物體表面被蒸發(fā)掉的水分。通常情況下，間接測(cè)定法(水量平衡法)測(cè)定的截留包括了上述兩部分水量，而直接測(cè)定法僅測(cè)定了滯留在植物體表面的水量，忽略了被蒸發(fā)掉的水量，因此，直接測(cè)定法的結(jié)果一般比間接測(cè)定法小。尤其當(dāng)植物的葉面積指數(shù)越大，降水持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，間接測(cè)定法獲得的截留量也越大，主要原因是葉面積指數(shù)越大，植株的蒸發(fā)面就越大(葉片的正背兩面都會(huì)產(chǎn)生水分蒸發(fā)，因此，實(shí)際蒸發(fā)面積是葉面積指數(shù)的2倍)，而降水持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，蒸發(fā)耗水時(shí)間也越長(zhǎng)，蒸發(fā)耗損的水分也越多。如郭建平等[38]通過人工降水模擬試驗(yàn)，利用稱重法測(cè)定的玉米最大冠層截留量約為2.3 mm，而韓雪等[32]在自然降水情況下(一次降水歷時(shí)為16 h，總降水量為25.2 mm)，玉米冠層的最大截留量達(dá)6.9 mm，實(shí)際上大部分通過葉面蒸發(fā)耗損。因此，從降水的有效性角度看，植物的截留應(yīng)包含降水過程中的葉面蒸發(fā)量，但葉面蒸發(fā)量的計(jì)算和測(cè)定十分困難，特別是當(dāng)葉面沒有完全濕潤(rùn)時(shí)，目前還缺少有效的計(jì)算方法，是值得深入研究的課題。

5.2 方法不完善導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確性不足

目前觀測(cè)植物截留的主要方法包括間接測(cè)定法(水量平衡法)和直接測(cè)定法(稱重法、擦拭法和簡(jiǎn)易吸水法等)，各種方法均存在不完善之處，操作困難且誤差較大。水量平衡法在測(cè)定穿過植物冠層到達(dá)地表的降水量分量時(shí)，由于植物群體冠層分布不均勻，需要大量的雨量計(jì)(雨量筒)增加雨水的采集面，這對(duì)于稀植作物或林木而言尚可進(jìn)行，但對(duì)于條播作物(如小麥)通常只能將雨量計(jì)放置在兩行作物中間，株間無法放置雨量計(jì)，導(dǎo)致穿透雨量測(cè)值偏大，對(duì)于撒播密植作物則無法采用該方法；稱重法和擦拭法僅測(cè)定滯留在作物表面的降水部分，對(duì)于在降水過程產(chǎn)生的葉面蒸發(fā)被忽略。此外，稱重法通常需要將植株剪下稱重，特別是降水后當(dāng)植株表面有水時(shí)需要移動(dòng)植株稱重，在這一過程中很難保證水分不掉落，導(dǎo)致測(cè)定的截留量偏?。欢潦梅ㄐ枰潦幂^多的植株，一是在較長(zhǎng)時(shí)間的擦拭過程中會(huì)有部分水分蒸發(fā)，二是很難做到葉面水分被完全擦拭干凈，三是在擦拭過程可能因碰撞導(dǎo)致部分水分掉落，這些均使測(cè)定的截留量偏小。簡(jiǎn)易吸水法雖操作簡(jiǎn)便、結(jié)果可靠性高，但該方法只能測(cè)定植株的最大截留量(飽和截留量)。此外，由于人工模擬系統(tǒng)噴出的水滴與自然降雨水滴的形成、大小分布和移動(dòng)不盡相同，導(dǎo)致模擬和自然條件的截留量可能仍然存在差異[105]。因此，目前準(zhǔn)確測(cè)定植物的截留量十分困難，需進(jìn)一步研究和開發(fā)新方法。

5.3 種植密度不同導(dǎo)致截留差異

植物種植密度不同使群體葉面積指數(shù)不同，植物截留面積也不同，進(jìn)而使地面植物群體分布不同，穿透雨量不同，導(dǎo)致植物截留量不同[106]。玉米種植密度較大時(shí)(行距為45 cm，株距為25 cm)，玉米冠層平均截流量和截留率分布為1.7 mm和13.3%，平均莖稈流量和莖稈流率分別為3.5 mm和33.3%，平均穿透雨量和穿透雨率為6.3 mm和53.4%[32]。玉米種植密度為行距60 cm，株距為40 cm時(shí)，成熟期玉米的穿透雨率為45.4%，莖稈流率為43.0%，截留率為11.6%[11]；玉米種植密度為行距80 cm，株距為25 cm時(shí)，冠層截留率平均為7.5%，莖稈流率平均為28.8%，穿透雨率平均為63.7%[80]。由于農(nóng)作物種植密度差異，導(dǎo)致作物田間的葉面積指數(shù)不同，因此產(chǎn)生的集水面積也不同，最終影響降水的田間分布[79]。農(nóng)作物植株行距不同首先影響穿透雨量，當(dāng)株距從20 cm增加到41 cm 時(shí)，穿透雨量占總灌溉水量的比率(穿透雨率)從43.4%增加到50.0%[9]，當(dāng)株距為30.5 cm時(shí)，增加行距可以使穿透雨率從44%增加到57%[106]；同時(shí)，由于穿透雨率增加，莖稈流率隨著行距的增加而降低。玉米行距從50 cm增加到75 cm 時(shí)，莖稈流率從57%降至43%[107]。

5.4 降水強(qiáng)度不同導(dǎo)致截留差異

不同觀測(cè)或試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的降水強(qiáng)度存在顯著差異，是導(dǎo)致不同研究得出的截留量不同的原因之一。在自然降水條件下，當(dāng)降水量為0.1～4.9 mm時(shí)，夏玉米冠層截留量和截留率分別為1.1 mm和12.3%；當(dāng)降水量為5.0～14.9 mm時(shí)，冠層截留量和截留率分別為2.6 mm和12.1%；當(dāng)降水量為15.0～29.9 mm時(shí)，冠層截留量和截留率分別為13.0 mm和15.3%；截留量和截留率的平均值分別為1.7 mm和13.3%[32]。在人工模擬降水或噴灌條件下進(jìn)行的試驗(yàn)，一般時(shí)間較短，而降水強(qiáng)度通常比自然降水大，可達(dá)到69 mm·h-1[83]，噴灌強(qiáng)度也可達(dá)到10.1 mm·h-1[79]，這在自然降水條件下很少出現(xiàn)。隨著降水量增大和降水時(shí)間增加，空氣濕度達(dá)到或接近飽和狀態(tài)，降水滿足植物冠層葉片、莖稈的最大吸附水能力，此時(shí)的冠層截留量達(dá)到飽和截留量，為一常數(shù)[108-110]。由于降水強(qiáng)度大，極易導(dǎo)致因雨滴之間以及雨滴與植株體的碰撞而產(chǎn)生飛濺，使植物各部分濕潤(rùn)加速，植株體加速飽和。另一方面，自然狀態(tài)下的降水強(qiáng)度比人工模擬降水試驗(yàn)小，但降水歷時(shí)通常比較長(zhǎng)，使植物冠層截留降水的同時(shí)，發(fā)生葉面蒸發(fā)或被作物葉片、莖稈吸收，即截留和蒸發(fā)過程同時(shí)存在，其最終結(jié)果是當(dāng)降水強(qiáng)度較大時(shí)更易達(dá)到飽和，如在強(qiáng)度為1.0 mm·min-1(60.0 mm·h-1)人工模擬降水下，降水量為20 mm時(shí)即達(dá)到飽和[38]，而在最大降水強(qiáng)度為2.6 mm·h-1，大部分降水強(qiáng)度為1.0～1.8 mm·h-1，降水量為25.2 mm的自然降水條件下，玉米截留仍未達(dá)到飽和，截留量仍在增加[32]。降水量越大，降水強(qiáng)度越大，雨滴數(shù)目越多，截留損失越小，在有葉期和無葉期，降水量和強(qiáng)度對(duì)樺樹和松樹截留損失的影響最大[111]。

5.5 其他因素對(duì)截留的影響

首先，風(fēng)是影響植物冠層截留的主要環(huán)境因素之一，風(fēng)速與冠層截留量相關(guān)顯著[32]，風(fēng)加速植物表面的水分蒸發(fā)。因此，在人工模擬試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)區(qū)周圍應(yīng)布設(shè)圍擋，以消除風(fēng)速對(duì)蒸發(fā)和降水均勻度的影響。有研究指出，在無風(fēng)情況下，植物莖稈流率為46%，但在雷雨情況下，莖稈流率僅為14%[112]，主要因?yàn)槔子赀^程中風(fēng)速較大，植株體隨風(fēng)搖曳，使更多降水以穿透雨的形式直接落至地表。其次，降水歷時(shí)也顯著影響植物的截留量，主要原因是降水歷時(shí)越長(zhǎng)，植株體表面的水分蒸發(fā)也越多。一般情況下，人工模擬降水試驗(yàn)的降水歷時(shí)均較短，短的僅持續(xù)幾分鐘，較長(zhǎng)的也不超過2 h，但自然降水條件歷時(shí)一般較長(zhǎng)，甚至超過10 h，植株體的蒸發(fā)不可忽略。第三，植物形態(tài)也會(huì)影響截留，在相同葉面積指數(shù)下，葉片直立型的群體結(jié)構(gòu)比葉片披散型的群體結(jié)構(gòu)可以更快吸附較多的水份，達(dá)到飽和的時(shí)間也更短。主要原因是葉片披散型的群體結(jié)構(gòu)更易造成下部葉片被遮擋，特別是在雨強(qiáng)較小時(shí)，下部葉片更難被降水浸潤(rùn)。此外，葉片表面特性(如粗糙度、絨毛等)、太陽輻射、空氣濕度等均可影響植物對(duì)降水截留。

由此可以看到，影響植物對(duì)降水截留的因素很多，模擬降水試驗(yàn)雖然可以在較短的時(shí)間內(nèi)獲得研究所需的觀測(cè)數(shù)據(jù)，但其并不能完全代表實(shí)際降水時(shí)的植物冠層截留過程和特性。因此，在自然環(huán)境中，如何更好模擬冠層截留作用，需廣泛探索和深入研究。

6 未來研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)

除了第5章所述問題需要進(jìn)一步完善外，在植物對(duì)降水的截留研究中依然存在著幾個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)問題亟待解決，以提高對(duì)降水截留的機(jī)理認(rèn)識(shí)和應(yīng)用能力。

6.1 葉面水分蒸發(fā)

在自然降水過程中，植物冠層產(chǎn)生水分截留的同時(shí)還進(jìn)行葉面水分的蒸發(fā)過程，而葉面水分的蒸發(fā)過程既不同于土壤表面蒸發(fā)，又區(qū)別于水面蒸發(fā)，是一個(gè)十分復(fù)雜的過程。特別是當(dāng)降水強(qiáng)度較小、降水過程較長(zhǎng)、葉面截留未達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，植物葉面的蒸發(fā)過程難以用數(shù)學(xué)模型表達(dá)。因此，降水過程中的葉面蒸發(fā)是今后應(yīng)重點(diǎn)解決的難點(diǎn)問題，該問題的解決對(duì)于完善降水截留機(jī)理和截留模型研發(fā)具有十分重要的意義。

6.2 植物對(duì)降雪的截留

降雪和降雨的機(jī)理不同，植物對(duì)降雪的截留機(jī)理與對(duì)降雨的截留機(jī)理也存在明顯差別。降雪是以固態(tài)降水的形式進(jìn)行，達(dá)到下墊面后的分配也存在差異。通常情況下，雨水被分配為穿透雨、莖稈流和冠層截留3個(gè)分量，而降雪一般不直接形成莖稈流，僅分配為穿透雪和冠層截留兩個(gè)分量。但在截留機(jī)理上，降雨截留是植物體表面對(duì)水的吸附作用所致，而降雪截留不僅受植物體表面的吸附作用影響，還受雪體本身的吸附作用影響，產(chǎn)生雪的堆積，在降雪過程中堆積在植物冠層的雪量通常比相同降雨量條件下的截留水量偏多。在降雪結(jié)束后，截留的降雪一部分通過升華消耗，一部分融化后再次形成莖稈流或直接滴落至土壤。因此，植物對(duì)降雪的截留問題比較復(fù)雜，目前這方面的研究仍十分欠缺，農(nóng)作物降雪截留研究也進(jìn)展緩慢。因此，開展降雪的截留機(jī)理和模型研究，對(duì)于完善降水的截留研究具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

6.3 風(fēng)對(duì)降水截留的影響

風(fēng)對(duì)降水的截留影響顯著，在降水初期，風(fēng)可以增加冠層與空氣的接觸，增加截留，而風(fēng)過大時(shí)，可將已被截留的水吹落，特別是風(fēng)速大于2 m·s-1時(shí)，最大截留雪量會(huì)顯著降低[113]。此外，風(fēng)的擾動(dòng)會(huì)加速空氣混合和熱量交換，可導(dǎo)致截留水的蒸發(fā)和截留雪的升華加劇。但風(fēng)對(duì)降水截留的影響研究仍十分不足，人工模擬試驗(yàn)通常在無風(fēng)狀態(tài)下進(jìn)行，而自然狀態(tài)下的觀測(cè)，風(fēng)變化不定，導(dǎo)致已有的結(jié)果不確定性較大。因此，在降水截留研究中應(yīng)加大對(duì)風(fēng)的影響研究，特別是在降雪截留研究中，風(fēng)的影響研究更應(yīng)得到重視。

6.4 截留的研究尺度

已有研究大多針對(duì)單株尺度或單一的植物群體。事實(shí)上，無論是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)還是林分尺度上的冠層都十分復(fù)雜，單株尺度或單一群體的研究結(jié)果不能等同于或很難代替生態(tài)系統(tǒng)，今后的研究應(yīng)逐步向農(nóng)田(森林)生態(tài)系統(tǒng)的綜合截留發(fā)展。一是加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)中非對(duì)象植物的截留研究，如農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的雜草，森林生態(tài)系統(tǒng)中的其他樹木、雜草等的截留；二是加強(qiáng)枯落物的截留研究，如農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中枯落的黃葉以及前茬作物的殘留物、森林生態(tài)系統(tǒng)中地面長(zhǎng)期積聚的枯枝落葉等的截留；三是生態(tài)系統(tǒng)中不同植物之間的相互影響等。

6.5 研究方法

降水截留的主要研究方法包括間接測(cè)定法(水量平衡法)和直接測(cè)定法(稱重法)，但各種方法均存在不完善之處，操作困難、誤差較大，不適合于生態(tài)系統(tǒng)截留研究。因此，加強(qiáng)方法研究是提高截留研究精度的重要手段。激光雷達(dá)遙感技術(shù)和合成孔徑雷達(dá)遙感技術(shù)可以用于估測(cè)陸地表面的積雪深度和雪水當(dāng)量，未來也可直接應(yīng)用于復(fù)雜林冠表面積雪量的估測(cè)[114]，高光譜分辨率和高空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)，可以提高模型及反演結(jié)果的精度[72]。

6.6 考慮綜合影響因素且操作方便的模型

建立機(jī)理明確、考慮因素全面，同時(shí)使用方便的截留綜合模型對(duì)于提高模型的精度和應(yīng)用前景有重要意義。Rutter等[77]和Gash等[115]雖然已經(jīng)建立了物理意義明確、過程模擬完備、可靠性較高的模擬模型，但這些模型均基于對(duì)穿透雨、莖稈流模擬而推導(dǎo)出的冠層截留量，所需參數(shù)較多，影響推廣應(yīng)用。對(duì)比Rutter，Rutter Sparse，Gash，Gash Sparse和Liu共5種林冠截留機(jī)制模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,降水截留量模擬目前仍不能令人滿意[116-117]。而國(guó)內(nèi)研究者大多通過控制試驗(yàn)或觀測(cè)試驗(yàn)，采用統(tǒng)計(jì)方法建立模型，這些模型使用需要滿足一定前提條件，通用性不足。植物對(duì)降水截留的影響因素多而復(fù)雜，不僅與降水強(qiáng)度、降水歷時(shí)、風(fēng)速、環(huán)境溫度等環(huán)境因素有關(guān)，也與葉面積、葉片的空間分布、葉片表面的吸附能力等植物結(jié)構(gòu)和功能有關(guān)。因此，建立影響因素完善、機(jī)理明確、操作方便的截留模擬模型不僅可以加深對(duì)植物截留的理解，還可以提高截留模擬的可靠性，是今后應(yīng)該加強(qiáng)的工作。