贺兰山蒙古扁桃灌丛穿透雨特征及影响因素_赵宏亮.pdf

第 37 卷第 2 期干旱区资源与环境Vol 37No 22023 年 2 月Journal of Arid Land esources and EnvironmentFeb 2023文章编号:1003 7578(2023)02 165 06doi:1013448/j cnki jalre2023048贺兰山蒙古扁桃灌丛穿透雨特征及影响因素*赵宏亮1，倪细炉2，3，侯晖2，谢沁宓2，程昊1(1 宁夏大学农学院，银川 750021;2 宁夏大学生态环境学院，银川 750021;3 宁夏贺兰山森林生态系统国家定位观测研究站，银川 750021)提要:贺兰山是我国北方干旱区近南北走向的山脉，蒙古扁桃(Prunus mongolica)是区内重要的灌丛类型之一，探讨贺兰山蒙古扁桃灌丛穿透雨及影响因素，对于生态保护和生态系统管理具有重要意义。文中研究了贺兰山蒙古扁桃冠层的穿透雨特征及主要影响因素，量化蒙古扁桃冠层对土壤有效降水量的影响。研究结果表明:蒙古扁桃灌丛的平均穿透雨率为 69 91%，且穿透雨具有空间异质性，冠幅边缘和中央的地面分别出现“雨极”和“旱区”现象;穿透雨与降雨量和降雨时长之间均存在显著相关性(P 0 05)，与降雨强度之间没有显著相关性;降雨量是影响降雨再分配的关键因子，而降雨强度与降雨时长通过影响降雨量实现对蒙古扁桃灌丛降雨再分配的调节。关键词:贺兰山;蒙古扁桃;降雨特征;穿透雨中图分类号:S715文献标识码:A降雨进入林木冠层之后，被再分配为冠层的截留损失、穿透雨和树干茎流1，2。穿透雨透过冠层到达地面，在整个降雨分配中占比最大，约占 50%80%3，4，是冠层下表层土壤水分的主要来源5，另外穿透雨是造成水土流失的重要因素6。贺兰山是我国重要的气候与植被分界线，降雨是贺兰山天然生态系统中水分的主要补给来源7，降雨量稀少，时空分布不均，且以小降雨事件为主。多年来，在干旱地区稀疏植物冠层穿透雨的研究中，已取得重大进展，重点研究了不同类型植物冠层降水重新分布的比重、变化趋势、影响因子和模型的构建。部分学者认为冠幅与穿透雨量有相关性8，部分学者认为没有相关性9，因此对树体形态和降雨特征之间的关系应该展开研究;在研究植被形态对冠层穿透雨的影响时，大多数学者是基于叶面积指数，而在干旱地区，由于肉质化植物的叶面积较小，其叶片的持水性比树枝和树干要低，因此，在降水重新分配中，树枝和树干起着非常重要的作用3。所以，在建立新的稀疏灌丛模式，讨论影响因子时，必须从灌丛自身的结构特点入手，单凭叶面积无法精确、可靠地反映出植物冠层对降水重新分配的调节作用10。在贺兰山干旱生态系统中，受土壤、水分和养分等条件的限制，形成了条带或斑块状分布的蒙古扁桃灌丛，蒙古扁桃属于耐旱、耐瘠薄植物，适宜作为植被恢复的建群种11，文中以贺兰山低山区斑块状分布的蒙古扁桃灌丛为研究对象，通过对蒙古扁桃生长季的冠层穿透雨、植被形态、林外降雨特征和气象要素等开展野外定位观测研究，分析蒙古扁桃冠层穿透雨及其空间分布特征及主要影响因素(降雨特征、植被形态、气象因素)，构建冠层穿透雨随降雨特征变化的经验回归方程。研究蒙古扁桃冠层穿透雨，对于深入了解蒙古扁桃植被冠层如何与降水相互作用，从而影响水通量的数量和质量及其时空变异性，以期能更好地认识稀疏冠层下的穿透雨的过程和机制，以促进干旱区植被恢复、植被保护和生态建设实践。1材料和方法1 1研究区概况*收稿日期:2022 8 31;修回日期:2022 10 10。基金项目:宁夏重点研发项目(2020BFG03006;2018BFG02015);宁夏自然科学基金项目(2020AAC03107);中央引导地方科技发展专项项目(2022FD05001)资助。作者简介:赵宏亮(1996 )，男，汉族，宁夏隆德人，硕士研究生，主要从事干旱区森林生态研究。E mail:ldzhl qq com通讯作者:倪细炉(1982 )，男，副研究员，主要从事干旱区灌木抗逆性研究。E mail:nixilu nxu edu cn研究区位于宁夏贺兰山低山区(海拔 1100 1700m)，该地区属于典型的温带大陆性气候，夏季高温少雨，冬季寒冷干燥，低山区年降水量不足 200mm，生长季 4 8 月的降水量在 60 100mm，降雨变率大，主要以小降雨事件为主，年均蒸发量 2500mm。贺兰山苏峪口响水沟(384517 N，1055634 E)两侧分布有斑块状的蒙古扁桃灌丛，是贺兰山地区蒙古扁桃分布和生长较多的区域，该区域植被结构简单，灌木以蒙古扁桃、狭叶锦鸡儿(Caragana stenophylla)和黑桦树(hamnus maximovicziana)为主，草本主要以短花针茅(Stipa breviflora)为主。蒙古扁桃灌丛约占该研究区域灌木植被盖度的 70%，是该地区典型的天然稀疏植被。1 2蒙古扁桃形态调查1)对研究区蒙古扁桃灌丛的分布位置和形态指标展开调查，设置 3 个 20m 20m 的样方，最终选取36 株蒙古扁桃，开展降雨的定位观测研究，然后再调查冠幅、株高、冠层厚度、树干倾角等因素。冠幅、株高和冠层厚度用钢卷尺测量，保留两位小数，树干倾角用量角器测定，叶面积测量时选取植株四个方位上中下三层当年生枝条上叶片各 50 片。2)混匀用四分法，随机选取其中一份中的 20 片，用叶面积仪(浙江托普云农科技股份有限公司，智能叶面积测量系统，YMJ CH)测定。1 3林外降雨特征和气象因子的测定表 1 蒙古扁桃冠层形态特征基本信息Table 1 Basic information of canopy structurecharacteristics of Prunus mongolica植被类型株高(cm)冠幅面积(m2)冠层厚度(cm)树枝倾角()蒙古扁桃 7781 564173 011522 995600 560注:数据为平均值 标准差试验开始之前，在林外开阔地带安装了一台自动气象站(锦州阳光气象科技有限公司)，实时测定降雨量、降雨时长、风速、辐射、大气湿度、大气温度、大气压等指标，通过后台登录直接获取数据。1 4穿透雨的测定及计算穿透雨由自制的集雨瓶收集，集雨瓶材质为聚乙烯塑料瓶，容积为 500mL，带瓶盖;聚乙烯漏斗的内径为 9 0cm，外沿高 3 0cm，在集雨瓶的瓶盖正中间打圆孔，使漏斗颈正好穿过圆孔，然后盖紧瓶盖，使集雨瓶和漏斗成为一体，可以增加放置时的稳定性和减少蒸发量，然后将集雨装置固定在树冠正下方的土壤中，防止大风吹倒。每个树冠的下方分东南西北方向各放置固定数量集雨瓶，相邻两个集雨瓶间隔 20cm。穿透雨量的计算方法:TF=mi=1(VT)i10m FA(1)式中:TF 是穿透雨量(mm)，VT 是第 i 个集雨瓶中穿透雨的体积(mL);m 是冠层下集雨瓶的数量;FA为漏斗的横截面积(cm2)。1 5数据处理每次降完雨后及时的用量筒量取穿透雨量，由于贺兰山地区的特殊性，如果降雨时间跨度大(4h)，则等降雨结束之后再测量，仍然记为一次降雨事件，降雨时间进行叠加计算，利用 SPSS 22 0 进行描述性统计和 Pearson 相关性分析，相关性分析采用“双尾检验”;Origin 2019 进行回归分析、曲线拟合以及制图，回归分析和曲线拟合的显著性水平为 5%;运用 Arc GIS 10 2 对随机选取的两次降雨事件进行克里金插值并绘制其空间分布图。2结果分析2 1试验期间研究区的降雨特征由图 1 可知，试验期间(2021 年 4 9 月底)共有 17 次降雨事件，总降雨量为 77 6mm，其中最小降雨量为0 4mm，最大降雨量为22 2mm，降雨历时最短为1 8 小时，最长为15 小时，降雨时长大都在5 小时以内，降雨时间主要集中在8 月和9 月，2021 年贺兰山地区的降雨量是极少的，在生长季(4 7 月)的降雨量约 30mm，降雨最多的时期发生在 8 9 月份，这时植物的需水已经较少，并且蒸散减少，对植物生长量影响较小。将降雨强度划分为 0 5mmh1，0 5 1mmh1，1 1 5mmh1和 1 5 2 0mmh1，其中占比最多的是 0 5 1 0mmh1，达到 40%左右，其余占比都在 25%左右。总体分析，该地区 4 7 月份以低雨强、短历时的小降雨事件为主，而较大降水量集中在 8 9 月份，植物生长季的雨水较少，使得植物生长缓慢，植被盖度低。2 2穿透雨与降雨特征之间的关系试验期间蒙古扁桃灌丛的穿透雨量为 53 7mm，占总降雨的 69 9%，穿透雨量介于 0 8 17 8mm 之661干旱区资源与环境第 37 卷图 1试验期间的降雨特征Figure 1 Characteristics of rainfall during the experiment间，平均值约为(4 1 5 2)mm，穿透率介于 37 3%90 9%之间，平均值约为(60 9 18 9)%，穿透雨空间变异系数介于 37 3%79 3%，平均值约为(66 1 13 4)%。通过对蒙古扁桃灌丛穿透雨和降雨特征进行回归分析和曲线拟合(图 2)，发现穿透雨量与降雨量和降雨时长之间是显著线性相关(P 0 001)，穿透雨量和降雨强度之间没有显著相关性，由穿透雨量和降雨量的回归方程可知，产生穿透雨的最小降雨量约为 0 7mm，这与实测数据基本一致。通过拟合回归发现穿透雨率与降雨量和降雨时长之间是指数函数关系，呈显著性相关(P 0 001)，即穿透雨率随降雨量和降雨时长先快速增加，其后增速减缓，最后趋于平稳，穿透雨率和降雨强度之间拟合效果差，没有显著相关性。拟合发现穿透雨空间变异系数与降雨量和降雨时长之间是指数函数关系，呈显著相关性(P 0 001)，与降雨强度之间没有显著相关性，但与穿透率不同，穿透雨空间变异系数随降雨量和降雨时长的增加是逐渐降低，最后趋于平缓的过程。2 3穿透雨的空间分布特征为进一步探索穿透雨空间分布的特征，运用克里金插值对不同雨量级下的穿透率进行插值分析，得到图3 的空间分布图，由图可知，在降雨量为2 2mm，降雨强度为1 2mmh1的降雨特征下(图3a)，蒙古扁桃冠层的穿透率由中间向四周呈现有规律的升高，并且出现“雨极”和“旱域”，“雨极”通常出现在树冠边缘，而“旱区”则出现在树冠中央附近;而在降雨量为 22 2mm，降雨强度为 1 48mmh1的雨量级下(图3b)，穿透率总体上呈现和小降雨相同的空间分布，但是降雨量较多环境下的穿透率的空间分布出现部分重叠的现象，并且规律性不再明显。2 4影响蒙古扁桃穿透雨的因素2 4 1树体形态对穿透雨的影响皮尔森相关系数的取值范围为1，1，相关系数 0 且越接近 1，正相关性越强，相关系数 0 且越接近 1，负相关性越强。通过对 36 株定位观测的蒙古扁桃的单次降雨再分配与可能影响降雨再分配的叶面积、株高、冠层厚度、树干倾角以及冠幅面积等 5 个树体形态指标进行相关性分析(表 2)，穿透雨与叶761第 2 期赵宏亮等贺兰山蒙古扁桃灌丛穿透雨特征及影响因素图 2穿透雨量、穿透率、穿透雨空间异质性和降雨特征之间的回归关系Figure 2 Correlation between throughfall，throughfall percentage，coefficient of throughfall spatial variability and rainfall regimes注:TF:穿透雨量;TP:穿透雨率;CV:穿透雨空间变异系数;a:降雨量;d:降雨时长面积、株高、冠层厚度、树干倾角和冠幅面积都是负相关，且与冠层厚度和冠幅面积相关性显著(P 005)，但效果是抑制穿透雨的产生。2 4 2气象要素对穿透雨的影响为了更好地了解气象要素对穿透雨的影响，对整个试验期间的 17 次降雨事件的平均风速、平均温度、平均湿度、平均气压等 4 个要素进行统计，运用 Pearson 相关性分析检验各气象要素与冠层穿透雨的相关性(表 3)。结果表明，蒙古扁桃的穿透雨与平均风速、平均温度和平均湿度之间相关性