祁连山区是我国西北三大内陆河流域的主要水源涵养林区,林业用地面积60.67万hm²,其中乔木林16.6万hm²,灌木林41.24万hm²,灌木林面积约占水源涵养林总面积的2/3,因此研究灌木林的降水再分配过程对于深入认识和评价该区域的生态水文功能具有重要意义。林冠层作为第一作用层对大气降水进行了初次分配,同时改变了降雨的空间分布格局(李振兴等,2004)、雨水化学性质(樊后保,2000；Hofhansl et al.,2012)以及营养物质的循环和分配格局(Parker,1983)。降雨在林冠层的分配比例取决于降雨特征和林冠自身的结构,在降雨性质相同的情况下,冠层形态特征是影响灌丛降雨截留的重要因素(刘章文等,2012)。林冠水平结构上的差异使冠下穿透雨具有明显的空间异质性(Marin et al.,2000； Gómez et al.,2002； 曹云等,2007)。

我国对祁连山灌丛林冠降雨再分配的研究较少。聂雪花(2009)和张平等(2013)对祁连山区林草复合流域5种不同类型灌丛的降雨截留率和穿透率分季节进行了测定,所得的穿透率为77.55%～93.02%； 刘章文等(2012)研究了祁连山4种典型灌丛的降雨截留特征及其与降雨特征的关系,所得穿透率为52.3%～63.5%。这些研究均是以林分为尺度,代表了呈斑块状分布的灌丛的降雨分配特征。然而,在山地生境下,灌丛密度分布的空间异质性较大,研究者在林分选择时的取向不同会使研究结果差异较大,因此,有必要以灌丛个体为空间单位,进行降雨再分配的研究。

甘青锦鸡儿(Caragana tangutica)是祁连山区海拔2 300～2 600 m的阴坡、半阴坡和干旱河谷分布的主要灌丛类型之一,与其他干性灌丛共同构成了荒漠草原与乔木林的过渡林型。在祁连山区,除了沟谷和地势较平缓的坡下位外,坡中位及以上的甘青锦鸡儿灌丛的丛密度存在着较大空间异质性,形态特征也随坡位发生变化,这使得在林分尺度上测定得到的降雨分配关系不具有普适性。因此,本研究针对坡地生境条件,以灌丛个体为空间尺度单元,沿冠部枝条辐散方向选取断面布设承雨器,测定分析穿透雨与降雨特征的关系和冠下穿透雨空间分布格局及其影响因素,以期为进一步精确定量评价祁连山区甘青锦鸡儿灌丛的生态水文功能和基于生态过程的灌丛水文模型的细化与参数化提供数据支撑。

研究区位于祁连山中段的西水林区(100°17′E,38°24′N),属于高寒半干旱、半湿润山地森林草原气候。据祁连山水源涵养林生态系统定位研究站长期气象观测,试验区年均气温0.5 ℃,年均降水量359.2 mm,5—9月降水占全年的83.11%,年均蒸发量1 052 mm,年均空气相对湿度60%。研究区土壤和植被随山地地形形成明显的垂直分布带,主要的土壤类型有山地森林灰褐土、山地栗钙土以及亚高山灌丛草甸土,其总的特征是土层薄、质地粗、粉沙含量高、有机质含量中等、pH7.0～8.0,成土母质主要是泥炭岩、砾岩和紫红色沙页岩等。植被以青海云杉(Picea crassifolia)林为主,呈斑块状分布在阴坡和半阴坡； 灌木主要有鬼箭锦鸡儿(Caragana jubata)、高山柳(Salix cupularis)、金露梅(Dasiphora fruticosa)、鲜黄小檗(Berberis diaphana)和甘青锦鸡儿等。

试验区位于祁连山水源涵养林研究院西水生态站,海拔2 600 m。甘青锦鸡儿灌丛生长在半阳坡上,坡度30°～70°。在地势较平缓的下坡,灌丛呈斑块状集中分布,生长状况良好； 中坡以上灌丛密度相对较低。2013年7月初,在全面调查甘青锦鸡儿灌丛特征的基础上,在中坡选取3丛代表性的灌丛,编号为灌丛1、灌丛2和灌丛3,其特征见表 1。

表 1 灌丛特征 Tab.1 Shrub characteristics

表 1 灌丛特征 Tab.1 Shrub characteristics 指标 Index 灌丛1 Shrub 1 灌丛2 Shrub 2 灌丛3 Shrub 3 丛高Shrub height/cm 210 180 190 冠幅直径Crown breadth/cm 255×251 288×286 310×280 冠厚Crown thickness /cm 130 110 125 萌蘖枝数Number of branches 38 67 63 平均枝条倾斜度Mean gradient of branches/(°) 65 38 55 二级分枝数Number of secondary branches 14.33 20 23

在综合考虑冠厚和冠层结构特征的基础上,在每个灌丛的冠层下方,沿冠层枝条辐散方向,即在冠幅范围内径向各选取一个具有代表性的观测断面,对断面下方土层进行平整并清除杂草后,布设长100 cm、宽20 cm、深20 cm的承雨槽,用于收集整个观测断面的穿透雨。承雨槽的长度是由冠层垂直投影面的边缘线距灌丛基部的距离确定的。由于观测断面的冠厚由内而外减小,这必将引起穿透雨的径向变化,因此,本试验以20 cm为间距,在3个承雨槽的右侧各布设了一列内径为13 cm的承雨筒,用于分析穿透雨的冠幅径向变化特征。每个承雨槽一侧共布设了5个承雨筒,承雨筒中心点与灌丛中心的距离分别为10,30,50,70和90 cm。对承雨槽和承雨筒外围土体进行夯实固定,以保证在长期观测过程中受雨面积不变。

穿透雨的测定时间为2013年7月中旬至9月上旬,这一时期叶量最大且较为稳定。因试验区位于祁连山西水生态站一侧的坡地上,距生态站较近,故能够在每次降雨结束后迅速赶到布设点进行测定；如降雨结束在夜间,则在第二天早晨日出前完成测定。为防止冠下草本植物对穿透雨收集的干扰,定期对其进行修剪或清除。林外降雨量及降雨强度数据来自西水生态站站内气象场的观测数据。

数据处理和作图用Excel软件完成,相关性分析用Spss10.0软件完成。

观测期内共发生降雨事件12次,合计降雨量为123.7 mm。从降雨量的分布区间来看,<2,2～10,10～20和>20 mm的降雨事件分别有1,5,5和1次,最大降雨事件发生在2013年7月31日午后,50 min内降雨量达20.8 mm,雨强为25.06 mm·h^-1,属研究区少见的强降雨。

1)灌丛穿透雨与降雨量的关系    在灌丛尺度上,每次降雨事件的冠层穿透雨量取3个承雨槽所测数据的平均值,计算得出观测期内甘青锦鸡儿灌丛的平均穿透雨率为45.9%。由图 1可知,灌丛的穿透雨量随降雨量增加呈线性增大趋势(y=0.626 2x－1.018 1,R²=0.983)； 穿透雨率与降雨量则呈二次函数关系(y=－0.033 6x²+1.806 8x+34.094,R²=0.575 3),即穿透雨率随降雨量增大而增大,但增大幅度逐渐减小。

	图 1 灌丛穿透雨量、穿透雨率与降雨量的关系 Fig. 1 Relationship between throughfall,throughfall rate and rainfall

2)穿透雨率的断面间差异    表 2表明,各断面在观测期内穿透雨率的变化较大。12次降雨事件的平均穿透雨率在冠层枝条倾斜度较大的断面1和断面3之间差异不大(P<0.05),而二者穿透雨率明显大于枝条倾斜度较小的断面2(P<0.05),说明冠层枝条倾斜度较大有利于穿透雨的形成,其原因可能与枝条接近水平时形成的枝干流较少有关； 观测期内的断面平均穿透雨率越大,其变异系数越小,相关性分析表明,断面穿透雨率变异系数与平均穿透雨率在0.01水平上显著负相关。断面2在不同雨量级事件中的平均穿透雨率最小,但其变异系数最大,这主要是由于断面2的冠层枝条倾角最小,使得萌蘖枝上的次级分枝在承雨槽上方有较多分布,而甘青锦鸡儿灌丛的叶子都着生在这些次级分枝及其上更细的枝条上,这使得叶量明显增多,进而加大了对降雨的截持力度。

表 2 各断面穿透雨率特征 Tab.2 Characteristics of throughfall rate at each radial section

表 2 各断面穿透雨率特征 Tab.2 Characteristics of throughfall rate at each radial section 断面 Cross section 最大值 Maximum(%) 最小值 Minimum(%) 平均值 Mean value 变异系数 CV 1 62.43 24.22 48.19 0.22 2 53.23 10.00 35.17 0.41 3 64.11 41.72 54.24 0.13

3)穿透雨率径向变化特征    由图 2可知,甘青锦鸡儿灌丛冠层的穿透雨率沿径向由距灌丛基部10 cm处的28.98%单调递增至90 cm处的62.19%,增加了33.20%。其中,30～50 cm区间内的增加量最大,占总增加量的61%,其原因与冠厚在这一区间的显著降低有关,而这也正是坡地甘青锦鸡儿灌丛冠厚空间变化的普遍现象。

	图 2 穿透雨率的径向变化 Fig. 2 Variation of throughfall rate at the radial direction

4)降雨量对穿透雨空间异质性的影响    穿透雨率沿径向分布的空间异质性随降雨量变化而变化。由图 3可知,穿透雨率沿径向的空间变异系数随降雨量增大而降低,二者间呈幂函数关系(y=0.845x－0.493 2,R²=0.717),说明降雨量增大后弱化了穿透雨沿径向分布的空间异质性,且这一作用在降雨量小于10 mm的降雨事件中表现尤为突出,此时,穿透雨率变异系数为0.75～0.22； 而当降雨量大于10 mm时,冠层截留的雨水趋于饱和,使得穿透雨率变异系数趋于稳定,为0.22～0.14。

	图 3 穿透雨率径向变异系数与降雨量的关系 Fig. 3 Relationship between throughfall variable coefficient and rainfall at the radial direction

5 )降雨强度对穿透雨率径向分布格局的影响    为了分析说明降雨强度对穿透雨率径向分布格局的影响,从12次降雨事件中选取降雨强度差异较大的4次降雨事件,其降雨强度分别为0.59,0.97,4.27和25.06 mm·h^-1。由图 4可知,在不同降雨强度下,3个观测断面的平均穿透雨率均从10 cm处向90 cm处增大,但在不同区间的增大幅度因降雨强度不同而有所不同。当降雨强度为0.59 mm·h^-1时,穿透雨率由10 cm处向90 cm处均匀增大。当降雨强度为0.97和4.27 mm·h^-1时,穿透雨率的增大幅度在10～30和50～90 cm这2个区间有明显分化,这应与不同区间的枝叶特征及其导流效应有关。甘青锦鸡儿灌丛的观测断面在距基部50 cm的范围内生长有大量无叶且倾角较小的粗枝,可使相当一部分雨水以枝干流的形式向灌丛基部输送,而50 cm以外形成的枝干流则较少,大部分雨水会以穿透雨的形式滴落。当降雨强度增至25.06 mm·h^-1时,冠层各处对降雨截留的影响显著降低,穿透雨率的径向差异明显变小。

	图 4 不同降雨强度下穿透雨率径向分布特征 Fig. 4 Distribution characteristics of throughfall rates along the radial direction at different rainfall intensity

灌丛下土壤的孔隙度大,水分渗透力强,蓄水量大(党宏忠等,2006),故可将短期降水有效转化为缓慢流出的地下径流,实现了涵养水源作用。灌丛林的水源涵养效能很大程度上取决于实际进入土壤的穿透雨量。考虑到山地生境下灌丛密度的非均匀分布,本研究以灌丛个体为空间单元,研究了祁连山甘青锦鸡儿灌丛的穿透雨,得到的穿透雨率约为45.9%,远小于张平等(2013)在林分尺度上测得的甘青锦鸡儿灌丛的穿透雨率(93.02%),其差值足以反映林间空地降雨输入的重要性,以及研究降雨分配时考虑灌丛密度空间分布不均的必要性。

甘青锦鸡儿灌丛的穿透雨量和降雨量具有线性关系(y=0.626 2x－1.018 1,R²=0.983),这和在祁连山开展的金露梅、高山柳、沙棘(Hippophae rhamnoides)和箭叶锦鸡儿等灌丛的研究结果(刘章文等,2012)一致,但各自线性函数的斜率不同,表明穿透雨随降雨量增大而增大的幅度存在着灌丛类型间的差异。此外,目前对冠下穿透雨空间分布格局的国内研究(李振兴等,2004； 时忠杰等,2006； 战伟庆等,2006； 曹云等,2007； 田凤霞等,2012)均是针对乔木林开展的。本研究中,甘青锦鸡儿灌丛穿透雨的空间分布总格局与乔木林基本相似,所不同的是甘青锦鸡儿灌丛在沿径向10～30,30～50和50～90 cm这几个区间有明显分化,这主要是由于灌丛的冠层空间构型有别于乔木林,灌丛的基株可分蘖形成数量较多的萌蘖枝,萌蘖枝在距地表50 cm以上开始出现大量的次级分枝,且在山地生境下,枝条倾角增大使得冠厚在某一冠层区域的变率加大,进而引起了冠层对雨水穿越过程中干扰力度的差异和穿透率的变化。

与对祁连山金露梅等其他4种常见灌丛的研究结果(刘章文等,2012)一致,甘青锦鸡儿灌丛的穿透雨率与降雨量之间也呈二次函数关系(y=－0.033 6x²+1.806 8x+34.094,R²=0.575 3),但受枝叶数量、枝条倾角等因素的影响,甘青锦鸡儿灌丛的穿透雨率在径向分布上具有明显的空间异质性,平均穿透雨率沿径向由距基部10 cm处的28.98%单调递增至90 cm处的62.19%,其中,30～50 cm范围内的增加量最大,占总增加量的61%。穿透雨沿径向的空间变异系数随降雨量的增大而减小,在降雨量小于10 mm的小降雨事件中表现突出,这与李振兴等(2004)、田凤霞等(2012)的研究结果一致。此外,穿透雨率的径向分布格局还受降雨强度的影响,当降雨强度为0.97和4.27 mm·h^-1时,距灌丛基部10～30 cm区间的穿透雨率和50～90 cm区间有明显差异； 当降雨强度为25.06 mm·h^-1时,穿透雨率的径向差异减小。综上所述,甘青锦鸡儿灌丛的穿透雨特征同时受降雨特征和冠层结构特征的影响,冠层特征决定了冠下穿透雨空间分布的总格局,但空间分布格局在一定程度上也受降雨量和降雨强度的影响,降雨量增大或降雨强度达到一定程度时均会降低冠下穿透雨的空间异质性。

本研究观测时间集中在7—9月,此时降雨充沛,灌丛叶量稳定且最大,但所得穿透雨率不能代表全年情况,可能有所偏小。今后的研究将在此基础上扩展观测期,增加径向观测断面,同时增加不同物候期叶面积指数的测定及冠层影像的采集,从而建立甘青锦鸡儿灌丛降水再分配特征与不同物候期灌丛冠层特征的数量关系。