荒漠灌丛冠层降水再分配的时空变异特征及土壤水分动态响应研究

Precipitation is partitioned into interception loss, stemflow and throughfall by vegetation canopies; this alters horizontal and vertical distribution of precipitation within shrub communities, greatly increases the variability of soil moisture recharge, and plays a pivotal role in vegetation survival and reproduction of water-limited desert ecosystems. However, the temporal and spatial variability of precipitation partitioning by xerophytic shrubs and thereupon the dynamic responses of soil moisture has not yet been systematically studied. This issue is to be investigated in the current project by focusing on xerophytic shrubs in a re-vegetated area at southeastern fringe of the Tengger Desert. Long term field measurements on stemflow and throughfall at fine temporal (10 min) and spatial scales, associating with shrub structure parameters, high-resolution precipitation and meteorological data, will be used to characterize the temporal and spatial variability of precipitation partitioning by shrub canopies. Meanwhile, soil moisture in different directions and depths within soil profiles under shrub canopies and in the inter-shrub spaces will be continuously monitored to reveal the dynamic responses of soil moisture to precipitation partitioning. This study is expected to be useful for a better understanding of the coupling and response mechanisms between vegetation, soil and hydrological processes, and to furnish with scientific data for evaluating rain-fed re-vegetation practices and the recovery of desert ecosystem functioning.

降水通过植被冠层时再分配为冠层截留、树干茎流和穿透雨三个分量，这一动态过程改变降水在植物群落的水平和垂直分布格局，极大地增加了土壤水分补给的变异性，对水分受限干旱荒漠生态系统中植被的生存、繁衍至关重要。然而，荒漠植被冠层对降水的再分配在时间和空间上是如何动态变化的？土壤水分又如何对之动态响应？其水文机制尚不明确。本项目以腾格里沙漠东南缘人工固沙植被区旱生灌木为研究对象，通过野外长期观测树干茎流和穿透雨在精细时间（10 min）和空间尺度上的动态变化，结合灌木结构参数和高分辨率的降水、气象数据，揭示灌丛冠层降水再分配的时空变异规律；同时，连续定位监测灌丛下方和灌丛间裸地土壤剖面不同方向和深度的水分变化，探明灌丛区土壤水分对冠层降水再分配的动态响应机制。项目研究成果有助于清晰认知植被-土壤-水文耦合与响应机制，并为科学评价雨养型人工植被建设与荒漠生态系统功能恢复提供理论依据。

降水通过植被冠层时再分配为冠层截留、树干茎流和穿透雨三个分量，这一动态过程改变降水在植物群落的水平和垂直分布格局，并极大地增加了土壤水分补给的变异性。本项目以腾格里沙漠东南缘人工固沙植被区主要固沙灌木柠条（Caragana korshinskii）和油蒿（Artemisia ordosica）为研究对象，通过野外长期观测树干茎流和穿透雨在精细时间（10 min）和空间尺度上的动态变化，揭示灌木冠层降水再分配的时空变异规律及土壤水分的动态响应过程。主要取得以下进展：（1）在离散的降雨事件中，树干茎流的产生延滞于降雨的发生（范围: 15~280 min; 平均值: 75 min），树干茎流峰值也稍延滞于降雨峰值；产生树干茎流所需的临界降水量不是一个固定值，而是一个阈值区间（0.6~2.1 mm），和雨前干旱期紧密相关。（2）降雨和穿透雨在起止时间上存在时间差，其余时段二者的时间异质性表现出良好的同步性；穿透雨随距灌木主干距离的增加呈现出线性增加趋势（与灌木冠层空隙度越接近基部越小有关），并且穿透雨在灌木冠层下方不同方位上差异明显（与降雨过程中主风向紧密相关）；时间稳定性分析显示，穿透雨在灌木冠层下方表现出的高度变异的斑块状格局在不同降雨事件中具有良好的时间稳定性。（3）研究中使用了单位降雨产生的树干茎流量（ml mm-1）这一参数来分析树干茎流产量与灌木冠层结构之间的关系，发现其与灌木冠层结构间具有很好的数量关系，该参数克服了以往研究中忽视降雨量影响而带来的缺陷，且易于在生态水文模型中得到应用。（4）灌木可将截留的大量雨水通过树干茎流的方式汇流至其基部（柠条和油蒿漏斗率平均值分别为82和22），灌木基部土壤剖面含水量和湿润锋深度也明显大于基部以外土壤区域。此外，相比老龄灌木而言，幼龄灌木虽然产生的树干茎流总量少，但其具有更高的汇流效率，在脉冲式降雨事件中可能获益更多。该项目研究有助于更好地认知植被-土壤-水文耦合与响应机制，并为科学评价雨养型人工植被建设与荒漠生态系统功能恢复提供理论依据。