寧南山區經濟林降雨集流機理試驗研究

丁 廣， 張維江,2,3， 李 娟,2,3， 王旭東， 馬 芳， 姜茂付， 姜瑞洋， 黃 艷

(1.寧夏大學 土木與水利工程學院， 寧夏 銀川 750021； 2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心， 寧夏 銀川 750021； 3.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心， 寧夏 銀川 750021)

黃土高原半干旱地區是典型的旱作農業區。中國農業用水長期存在用水總量大，利用效率低的特點[1]。由于氣候條件限制和水土流失、干旱缺水等水資源問題，制約了該地區發展。雨水的高效利用可以作為緩解水土流失和干旱缺水等水資源問題的有效途徑[2]。一般認為降雨量小于5 mm時，由于降雨無法有效滲入到深層植物根部而被認為是無效降雨，造成了一定程度水資源的浪費。采用集流的方式搭配滲灌技術對雨水進行高效利用，是本文的重要理念。楊興國等[3]對甘肅雨養農業區進行的雨水收集利用試驗研究，在一定程度上可以緩解干旱問題。孫惠民等[4]對準格爾旗示范區干旱缺水問題進行研究，提出北方半干旱集雨補灌旱作區節水農業發展模式。森林植被的截留現象是對大氣降水的第一次分配，林冠截留量在降雨的再分配中占有較大比重，根據當前的研究，林冠截留量占總降水量的15%～50%，多年生喬木的年均林冠截留量可達到年降水量的30%以上[5-7]。目前國內外研究中，對林冠截留相關關系及應用修正的Gash模型的數值模擬進行了深入研究[8-11]。但是缺乏對于干旱地區經濟林作物集雨技術的定量研究。寧南地區的紅梅杏果實成熟期較早，售價較高，經濟效益明顯。經過多年培育，紅梅杏果實品質優良，營養豐富，近年來不僅在當地發展初具規模，在適宜種植地區也受到大力推廣，市場前景較好[12]。本文針對寧南山區水資源的“量少、分散、質差、蒸發滲漏損失大、利用效率低”等問題，通過對該區域紅梅杏鋪設降雨集流裝置并結合相關研究，以期充分挖掘水資源的潛力，將雨水資源進行高效利用，在增加天然水資源供給量的同時，為當地集雨農業發展、灌溉制度的確定及防止水土流失提供科學依據，并為寧南山區經濟林提高綜合效益和產業發展提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地點位于寧夏回族自治區固原市原州區，地理坐標為106°13′E，36°14′N，地處內陸中緯度地帶，當地地貌為寧南黃土高原丘陵和六盤山山地，區域內山多川少，海拔高度為1 640 m，氣候屬內陸暖溫帶半干旱區，降水量較少、蒸發量較大。區域內多年平均氣溫6.75 ℃，無霜期144 d，年降水量450 mm，近幾年降水量呈增加趨勢，降水基本集中在7～9月份，年蒸發量800～1 200 mm，多年平均日照時2 250～2 700 h。該區域的土質組成質地較為單一、土層較為深厚、地下水埋深較低。試驗所需觀測紅梅杏樹樹齡均為4 a，林相整齊，單株差異較小。

1.2 樣地設置

如圖1所示，在試驗區內選取3個2 m×2.5 m紅梅杏試驗樣地，用于觀測紅梅杏林冠截留量。紅梅杏樹位于樣地中央，試驗中對滲灌器做不透水處理，作為降雨的集水裝置，在距樹兩側50 cm處埋置滲灌器。樣地內田面四周高，向滲灌器口部傾斜，利于集水。田面處理完成后鋪設薄膜，將其作為集雨面。設置3個空白樣地，全部鋪設降雨集流裝置，作為對比樣地。試驗所選取紅梅杏樹樣本平均樹高3.4 m，平均地徑7.6 cm。

1.3 降雨試驗設計

降雨集流觀測試驗分為對比樣地和紅梅杏樣地兩種條件下的降雨集流觀測。其中天然降雨每項觀測均在選取的樣地內記錄結果，人工模擬降雨在選取的樣地內重復試驗并記錄結果。

根據水量平衡原理，將次降雨分為降雨量(天然降雨、人工模擬降雨)，滲灌系統截流量，林冠截留量，滲灌系統集流量。

對比樣地：P=I滲+W

(1)

紅梅杏樣地：P=I滲+I林+W

(2)

式中：P為降雨量(mm)；I滲為滲灌系統截流量(mm)；I林為林冠截留量(mm)；W為滲灌系統集流量(mm)。

受限于天然降雨的不可控性，試驗采用人工模擬降雨的方式補充觀測試驗。模擬降雨采用人工模擬降雨設備進行。該設備主要由動力系統(水泵、變壓器)、輸配水系統(水箱、水管、噴頭)、支撐系統(支撐骨架、承重底座)3大部分組成，在試驗開始前通過預試驗進行校準。

試驗在2019年7—9月進行，此時間段紅梅杏枝葉最為茂盛。根據該地區50 a的降雨歷史資料[13-14]，經統計分析，0～16 mm降雨占年降雨量平均值達到了58.4%，因此人工模擬降雨試驗選取降雨量4.2,7.2,10.0，12.6，15 mm以代表地區特征和滿足大雨量試驗需要，降雨強度為4.7 mm/h，設計為天然降雨強度平均值。試驗中天然降雨和人工模擬降雨的觀測試驗在保證初始條件基本一致的情況下分開進行，將兩種降雨方式分別應用于兩種條件的樣地進行觀測，分析試驗結果得出集流機理。

1.4 雨量測量

(1) 降雨量的測定。在紅梅杏樹附近的空曠地設置翻斗式雨量計，每次降雨后雨量計所得數據即為天然降雨量。人工模擬降雨試驗中以不同的降雨量等級為標準，相應的試驗中所模擬的降雨量大小即為人工模擬降雨量。

(2) 滲灌系統集流量的測定。對于所選的樣地均按照標準鋪設降雨集流滲灌系統。在樣地附近低洼處放置大型塑料桶，將集水器中的雨水利用虹吸原理抽出到塑料桶中，降雨結束后，測量桶中所得雨水即為滲灌系統的集流量。最終數據取同一條件下試驗結果的平均值。

(3) 滲灌系統截流量的測定。在對照樣地的條件試驗下，通過水量平衡原理(公式1)計算得到。即降雨量減去滲灌系統集流量。

(4) 林冠截留量的測定。在兩種樣地條件試驗下，先得出滲灌系統截留量，再通過水量平衡原理〔公式(2)〕計算得到。即降雨量減去滲灌系統集流量和滲灌系統截流量。

2 結果與分析

2.1 研究地降雨特征

根據2019年7—9月在原州區彭堡鎮紅梅杏基地觀測到的總計19場降雨數據(天然降雨觀測到12場，人工模擬降雨7場)，其中天然降雨和人工模擬降雨同雨量降雨3場。試驗期間天然降雨總量為35.50 mm，單場降雨最大值為7.40 mm，最小值為1.40 mm，平均每場降雨2.96 mm。試驗期間人工模擬降雨總量為61.40 mm，單場降雨最大值為15.00 mm，最小值為4.20 mm，平均每場降雨8.77 mm。根據所得天然降雨觀測數據并按照雨量等級分析，結果如圖2所示。在研究期間所觀測到的12場降雨中，降雨量在0～2 mm的有4場，占到天然降雨總次數的33%；降雨量在2～4 mm的有5場，占到天然降雨總次數的42%；降雨量在4～6 mm的有2場，占到天然降雨總次數的17%；降雨量在6～8 mm的有1場，占到天然降雨總次數的8%。觀測周期內降雨主要以小雨量級為主，5 mm以下的降雨次數為10次，占到天然降雨總次數的83.3%，說明此次試驗在短周期內觀測到的天然降雨中，小降雨出現頻率較高。

圖2 天然降雨的雨量等級分布

2.2 天然降雨與人工模擬降雨結果分析

試驗期間共觀測到12場天然降雨，均為小降雨，最大降雨量7.40 mm。受人工模擬降雨裝置下限影響，根據天然降雨結果，觀測到7場人工模擬降雨中，設計匹配相同降雨量3場。從表1可以看出，人工模擬降雨的集流效果較天然降雨略偏大，這是受人工模擬降雨條件影響，首先野外人工模擬降雨裝置高度受限，其次在雨量一定的情況下為將降雨控制在有效降雨面積內，人工模擬降雨較天然降雨更集中，導致人工模擬降雨條件下滲灌系統的集流效率更高。天然降雨集雨量與人工模擬降雨集雨量的比值在兩種樣地條件下均隨著降雨量的增加而增加；在相同降雨量情況下，紅梅杏樣地的集流效果較對比樣地略小，說明紅梅杏不光造成林冠截留，對兩種降雨方式也存在影響。對比樣地條件下，天然降雨集流量與人工模擬降雨集流量比值的平均值為0.925，紅梅杏樣地為0.895，兩者平均值為0.91，說明人工模擬降雨結果相似性較高。

表1 寧南山區經濟林同雨量級下兩種降雨方式比較

在兩種樣地條件下，利用人工模擬降雨數據得到的擬合方程可以計算出在相應的天然降雨雨量等級下的集流量，通過圖3比較同降雨量下兩種降雨方式得到的集流量，可以看出，人工模擬降雨計算值與天然降雨實測值基本一致，人工模擬降雨實測值都分布在天然降雨預測曲線附近，3個同雨量情況下兩種降雨方式實測值接近。

圖3 寧南山區經濟林對比樣地及紅梅杏樣地兩種降雨方式結果比較

人工模擬降雨的雨量較大，天然降雨集中在5 mm以下，將人工模擬降雨結果作為補充樣本，結合到天然降雨樣本序列中，可以得到較為完整的降雨量與集流量相關關系。

2.3 滲灌系統集流量

2.3.1 對比樣地滲灌系統集流量 采用兩種降雨方式數據結合后共16場降雨結果進行分析，試驗期間觀測到降雨總量80.30 mm，滲灌系統集流量總量為62.11 mm，占降雨總量的77.35%，單場降雨的集流量在1.01～12.89 mm之間，平均集流量3.88 mm。從圖4a可以看出，集流量隨著降雨量的增加而增大，集流量與天然降雨量有著顯著的線性關系，其擬合方程為：

y=0.854 9x-0.408 3 (R2=0.996 7)

(3)

從圖4b可以看出，集流率隨著降雨量的增加而逐漸增大，但是增大的趨勢逐漸減小，集流率與林外天然降雨量存在對數關系，其擬合方程為：

圖4 寧南山區經濟林對比樣地降雨量和集流量及集流率的關系

y=0.070 7lnx+0.639 7 (R2=0.705 7)

(4)

2.3.2 紅梅杏樣地滲灌系統集流量 試驗期間觀測到紅梅杏樣地滲灌系統集流量總量為52.14 mm，占降雨總量的64.93%，單場降雨的集流量在0.84～10.85 mm之間，平均集流量3.26 mm。從圖5a可以看出，在紅梅杏樣地試驗中，集流量同樣隨著降雨量的增加而增大，集流量與天然降雨量同樣有著顯著的線性關系，其擬合方程為：

y=0.731 2x-0.411 (R2=0.995 5)

(5)

從圖5b可以看出，集流率隨著降雨量的增加而逐漸增大，但是增大的趨勢逐漸減小，集流率與林外天然降雨量存在對數關系，其擬合方程為：

圖5 寧南山區經濟林紅梅杏樣地降雨量和集流量及集流率的關系

y=0.059 2lnx+0.535 4 (R2=0.693 9)

(6)

兩種樣地條件下的試驗結果呈現出降雨量與集流量、降雨量與集流率的關系一致。蘆新建等[15]、劉勝濤等[16]對林冠截留量的研究中，得出了穿透雨量和林外降雨量的擬合方程，該方程中的常數為林冠飽和持水量，在本次研究中將穿透雨量進行收集觀測即集流量，從本次試驗中所得降雨量與集流量的擬合方程可以得出紅梅杏林冠飽和持水量為0.411 mm。

2.4 林冠截留率與降雨再分配

試驗期間通過觀測對比樣地集流量，根據水量平衡原理〔公式(1)〕，得到滲灌系統截留量為18.19 mm，占降雨總量的22.65%，單場降雨的滲灌系統截留量在0.40～2.60 mm之間，平均每場降雨滲灌系統截留量為1.14 mm，單場降雨的滲灌系統截留率在14.10%～35.80%之間，平均滲灌系統截留率為27.12%。通過觀測紅梅杏樣地集流量，根據水量平衡原理(公式2)，試驗期間觀測到紅梅杏林冠截留量為9.97 mm，占降雨總量的12.42%，單場降雨的林冠截留量在0.10～2.04 mm之間，平均每場降雨林冠截留量為0.62 mm，單場降雨的林冠截留率在5.25%～20.18%之間，平均林冠截留率為11.95%。根據現有對林冠截留量的觀測試驗中，所測得的樹干莖流量較小，一般占次降雨量的0.3%～3.0%，次降雨中蒸發量一般不到3%，相比于最主要的林冠截留量基本可以忽略不計[17-18]。此次研究內容為針對當地紅梅杏滲灌系統的雨水收集能力分析，結果觀測基本和次降雨同步進行，對蒸發量、樹干莖流量等暫不深入研究。從圖6可以看出，隨著降雨量增加，林冠截留率逐漸減少，說明林冠截留能力具有一定局限性。從整體趨勢來看，小雨量級降雨的林冠截留率比大雨量級的截留率大，小雨量級降雨的場次多，次降雨的截留量較少。大雨量級截留量多，截留率偏小，這與降雨量的大小有關。林冠截留量和降雨之間存在線性關系，其擬合方程為：

圖6 寧南山區經濟林降雨量和集流率及截留率的關系

y=-0.007 9x+0.144 5 (R2=0.745 8)

(7)

試驗期間共觀測分析16場降雨，紅梅杏樣地降雨總量P為80.30 mm，其中收集流量W為52.14 mm，滲灌系統截留量I滲18.19 mm，林冠截留量I林9.97 mm，分別占降雨總量的64.93%，22.65%和12.42%。從表2可以看出，試驗觀測分析的降雨中，主要集中在小降雨區間，0～5 mm降雨占到降雨總次數的62.5%。平均集雨量、平均滲灌系統截留量和平均林冠截留量都基本與降雨量呈正相關。

表2 寧南山區紅梅杏林不同雨量級雨量再分配

3 討 論

(1) 本文重點研究了彭堡紅梅杏林地應用滲灌系統后的集雨效果，結合前期相關研究，發現該系統集雨效果良好，促進了紅梅杏葉面積指數等指標的提高。此次試驗對象為紅梅杏，觀測結果同其他[19-20]研究相比，本研究更具區域針對性，符合當地生產需求，為后續研究提供了基礎，對寧南山區集雨農業的發展起到了參考作用。降雨集流滲灌系統旨在提高雨水有效利用率，將收集到的雨水直接輸送到紅梅杏根系，減少了降雨在自然入滲過程中的損失。該系統能夠提高旱區經濟林的綜合效益，具有較高的推廣價值。

(2) 降雨、截留、集雨是一個復雜的動態變化過程，不僅與樹種類別有關，還受降雨過程中降雨特征及區域環境因子的影響。本研究選擇降雨量進行重點研究，其余因素按照平均值消除誤差，后續可以選擇多影響因子進行研究，并對截留進行更詳細的類別分析。

(3) 利用人工模擬降雨觀測結果補充試驗樣本，彌補了天然降雨的不可控性這一不足之處，但其效果受到多方面因素影響，包括外界氣象環境、人工操作等。試驗證明兩種降雨方式所得結果相似性較高，但并不能做到完全代替天然降雨。

(4) 目前針對降雨再分配的研究中，基本集中于林冠截留的研究，本文結果顯示紅梅杏林冠截留率為11.95%，現階段研究中，中國各類森林生態系統的平均林冠截留率范圍基本在11.4%～36.5%之間，本文結果在其區間中處于較低水平，其原因可能是紅梅杏樹本身特性導致林冠截留有限。

4 結 論

(1) 試驗期間天然降雨集中在小降雨區間，5 mm以下降雨占比83.3%。試驗中采用的人工模擬降雨方式同天降降雨相比，相似系數為0.91，人工模擬降雨結果略高，但仍具有較高的相似性、適用性。

(2) 試驗期間共觀測分析16場降雨，降雨總量為80.30 mm，其中收集雨量為52.14 mm，滲灌系統截留量為18.19 mm，林冠截留量為9.97 mm，分別占降雨總量的64.93%，22.65%和12.42%。平均滲灌系統集流率為61.29%，平均滲灌系統截留率為27.12%，平均林冠截留率為11.95%。

(3) 從試驗觀測得到的擬合方程可以得出，集流量隨著降雨量的增加而增大，集流量與降雨量有著顯著的線性關系。集流率隨著降雨量的增加而逐漸增大，但是增大的趨勢逐漸減小，集流率與降雨量存在對數關系。小雨量級降雨的集雨率偏小且不穩定，隨著雨量級的增加，集雨率成對數關系增加且較穩定。