祁連山西水林區灌木林降雨截留特征

馬 劍, 劉賢德, 金 銘, 張學龍, 敬文茂,王順利, 趙維俊, 王榮新

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

祁連山西水林區灌木林降雨截留特征

馬 劍1,2, 劉賢德1,2, 金 銘1,2, 張學龍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林研究院 甘肅省森林生態與凍土水文水資源重點實驗室, 甘肅 張掖 734000;2.甘肅張掖生態科學研究院 甘肅省祁連山生態科技創新服務平臺, 甘肅 張掖 734000)

基于2014年5—9月的野外試驗數據，采用野外觀測與統計分析相結合方法，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的降雨事件出現次數最多；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(p<0.001)；而穿透率和截留率與降雨量均以對數函數擬合較好(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—土壤系統中水分循環的重要環節，在森林生態系統水文循環和水量平衡中具有重要作用，一直是生態水文學研究的熱點問題[1-2]。在降雨過程中，植被冠層截獲的雨水中通過蒸發消耗的部分為截留量，通過冠層間的空隙進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系，對實現水資源短缺地區生態系統持續管理具有重要意義[4]。

目前，對于植物降雨截留的相關研究主要集中在熱帶雨林和溫帶森林水文學研究方面，對灌叢研究少且集中于干旱半干旱區[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%，作為重要水源涵養林區的祁連山山地森林，灌木林在維系區域水量平衡中起著重要作用，然而關于灌木林的研究特別是灌木林水文生態功能研究的資料甚少[10-15]。因此，本文選擇祁連山西水林區的吉拉柳(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系，為進一步認識祁連山灌木林的生態水文功能提供數據支撐和經驗參數。

1 研究區概況

試驗區設在祁連山中段西水林區的大野口流域，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]，據祁連山生態系統定位研究站長期定位觀測可知，該區年平均氣溫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%，年蒸發量1 052 mm，年均日照時數2 130 h左右。試驗區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、質地粗，以粉沙塊為主；成土母質主要是泥炭巖、礫巖、紫紅色沙頁巖等；有機質含量中等，pH值7.0～8.0，試驗區森林類型單一，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，分別設置10 m×10 m的樣地，調查每個樣地的經緯度、海拔、坡向及樣地內灌叢植株的地徑、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準地概況

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，分別布設自動氣象站，自動采集氣溫、降水等氣象數據。郁閉度測定是冠層郁閉度采用樣線法[17]進行測定。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行觀測，所以在測定樣地冠層蓋度后，根據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據進行校正；為減少測定過程中蒸發造成的誤差，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，最大降雨發生于2013年7月2日，降雨量24.2 mm，最小降雨發生于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：括號內數值為標準差。

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(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函數增長趨勢(圖2)。當降雨量<5 mm時，穿透率隨著降雨量的增加呈現較快增長趨勢；而當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關系(p<0.001)，而圖4反映出對數函數可以較好地說明降雨量和截留率之間的關系(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，大多數降雨用于滿足灌叢枝干、枝葉的吸附以及蒸發消耗，而隨著降雨量的不斷增加，各灌叢枝葉表面水分逐漸達到飽和狀態，隨之截留率逐漸趨于穩定，利用曲線方程計算可知，5種灌叢達到穩定截留率所對應的降雨量分別為：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[6]。該區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%。縱觀整個降雨過程，降雨次數較多且降雨量較大。

(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%，以及干旱半干旱區截留率17%～26%[4-6]，截留量偏大；而相比于車克鈞等[12]、常學向等[19]的研究結果，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，且相比之下研究區域降雨量較干旱半干旱區域多，降雨特征也有差異[13]。此外，不同灌叢結構方面的差異也會對截留產生很大的影響[20]，相關濕性灌叢截留特征的同類研究結果相差較大可說明這一點[20-21]。本研究中5種灌叢達到穩定截留率所對應的降雨量不同，說明植被特征在一定程度上影響該區域林冠截留。

(3) 林下穿透雨隨降雨量的增加而增加,二者關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系，一般的研究均以對數方程進行模擬[23]。本研究對5種灌叢穿透雨及穿透雨與降雨量關系的研究，也得到了相似的結果。5種灌叢穿透雨和降雨量之間均呈顯著正相關，穿透率與降雨量的關系以對數函數擬合最好，穿透率隨著降雨量的增加先呈增加趨勢，當降雨量達到一定范圍時，穿透率逐漸趨于穩定。就本研究涉及的5種灌叢類型而言，穿透率達到穩定時對應的降雨量相差較大，比較來看，金露梅灌叢更為明顯，當降水量大于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系圖2灌叢穿透率與降雨量之間的關系

圖3灌叢截留量與降雨量之間的關系圖4灌叢截留率與降雨量之間的關系

(4) 5種灌叢的截留量和降雨量之間呈顯著正相關關系，這與楊志鵬[3]、王新平[4]、李衍青[6]、劉章文[20]等的研究結論一致。指數函數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，后逐漸趨于穩定，該研究中當達到穩定截留率時，5種灌叢達到穩定截留率所對應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種灌叢形態特征有很大的關系。

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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);國家自然科學基金(41461004,91125012);甘肅省科技創新服務平臺項目(144JTCG254)

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

S715.2

：A

：1005-3409(2017)03-0363-06