褚 军, 金梅娟, 佟思纯, 吴永波, 薛建辉

(1.扬州市职业大学 江苏省农业安全生产与环境保护工程技术研究中心, 江苏 扬州 225009;2.苏州市农业科学院 江苏太湖地区农业科学研究所, 江苏 苏州 215155; 3.南京林业大学 生物与环境学院,江苏省林业生态工程重点实验室, 江苏 南京 210037; 4.江苏省中国科学院植物研究所, 江苏 南京 210014)

近年来，随着农业集约化程度的提高，化肥、农药等造成的农业面源污染已成为我国河流、湖泊等水体富营养化以及水质退化的重要污染源之一[1-3]。其中，地表径流和淋溶渗漏是农田土壤氮、磷等养分进入地表水和地下水两条主要途径，对农业面源污染的产生起着不可忽视的作用[4-5]。而水在作为土壤中氮、磷等养分流失的溶剂和载体的同时，亦是地表径流和淋溶产生的主要驱动力[6]。因此，加强对田间水分的管理对控制径流和淋溶的形成具有重要影响。目前，相关的研究主要集中于人为灌溉条件下节水灌溉[7-8]、水肥一体化[9]以及采用保护性耕作[10]等技术，而通过生态防治措施对自然降雨进行再分配来控制田间水分流失的研究相对较少。农林复合系统作为一种新型的土地利用方式，其林木冠层的存在对自然降雨的削减及再分配起到重要作用。林木冠层是降雨进入系统的第一个接触层，同时也是对降雨削减的第一道防线[11-12]。林冠层通过枝叶截留部分降雨，减少实际到达地表的降雨量[13]，对雨滴亦起到溅散的作用，减缓雨滴动能，延长地表产流和汇流时间，降低林下土壤侵蚀的风险[14-15]。史宇等[16-17]通过对北京山区侧柏林林内降雨的研究发现，林内开始降雨的时间均晚于林外降雨，随延滞期雨强的增大呈对数递减趋势，林冠层对林内降雨的延滞作用能有效延长汇流时间，减少径流流量。目前，利用农林间作系统探讨水土流失的研究相对较少。本试验以太湖地区杨树与小麦(以下简称“杨麦”)间作系统为研究对象，主要探讨2个问题： ①间作系统下杨树林冠层对降雨截留和再分配作用有多大？ ②间作系统对地表径流量、侵蚀量及淋溶量的削减效果。研究结果可为进一步整体研究间作系统对土壤氮、磷流失的削减提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于江苏省宜兴市周铁镇沙塘港村，该区域是太湖流域传统粮食产地，地理坐标为119°31′—120°3′E，31°07′—31°37′N，属亚热带季风气候区。全年平均降雨量为1 277.1 mm，年平均气温15.7 ℃，无霜期239 d，降水集中于夏季(6—8月)。该区农田主要耕作方式为小麦与蔬菜轮作，土壤类型为微酸性重壤质黄泥土。

1.2 试验设计

本试验实施时间为2012年11月至2013年8月，杨树为35-杨(Populusdavidianacv.35.)(表1)，林间种植冬小麦，于2012年11月16日播种，播前将试验小区进行翻耕。设2种杨树间作密度，株行距分别为2×5 m(L1)和2×15 m(L2)，同时将单作小麦地L3作为对照处理(CK)。L1，L2林下枯落物全部去除，每星期收集清理2～3次，确保土壤表层无枯落物覆盖；3个处理，3次重复，共9个小区。每个小区面积102 m2，为17 m×6 m的矩形；相邻各小区之间及外围用若干个2 m×0.5 m的矩形PVC板横向垂直插入，地上部分0.1 m，地下部分0.4 m，以完全隔开各小区；每个小区顶端设1.5 m×1.5 m×1.5 m规格的径流池，用石棉瓦遮盖，用以收集径流水；同时在每个小区埋设“L”形PVC管作为淋溶收集装置，淋溶孔外围包裹尼龙网，防止泥沙堵塞，深度为0.2 m，用以收集淋溶水，埋设位置分别为距杨树种植行0.5，1.5和7.5 m处。

表1 杨树林林分特征

1.3 研究方法

1.3.1 林冠层对降雨再分配

(1) 林外降雨量测定(R)。在单作小麦样地安装自动气象站(Intelimet A， US)，应用CR 1000数据采集器测定和记录林外降雨量。

(2) 林内穿透雨的测定(T)。在间作系统内安装自动气象站(Intelimet A，美国)，测定和记录林内降雨量。同时，林带样地沿蛇形曲线随机放置5个直径20 cm标准自制雨量筒，用于测定穿透雨量。在L2间作系统内随机选取3株杨树，以树干为中心、东西向冠幅大小为设置依据，在距离树干0.5，1.5，7.5 m处东西向布设多个雨量筒，用于收集单株杨树冠层下不同位置的穿透雨量。

(3) 树干径流测定(S)。于树干1.3 m处用沿中缝剪开的直径2 cm的聚乙烯塑料管由上往下蛇形缠绕于树干上2周，用铁钉固定在树干上，塑料管与树干间空隙接缝处用玻璃胶封严，以防漏水。塑料管的下端与10 L加盖塑料桶相连，以收集树干径流。

树干径流量根据公式计算：

(1)

式中：S为样地单位面积平均树干径流量(mm)；n为观测林木的个数；Ki每次降雨第i棵树的树干径流量(mm3)；Mi为第i棵树林冠投影面积(mm2)。

(4) 林冠降雨截留量(I)。根据水量平衡原理[18]，林冠截留量计算公式为：

I=R-T-S

(2)

式中：I为林冠截留量(mm)；R为林外降雨量(mm)；T为穿透降雨量(mm)；S为树干径流量(mm)，忽略降雨蒸发量。

林冠截留率计算公式：

I0=(I/R)×100%

(3)

式中：I0为林冠截留率。

1.3.2 叶面积指数(LAI) 叶面积指数是研究林分冠层结构的重要指标之一[19-20]。利用LAI-2200冠层分析仪(LI-COR，America)测定杨麦间作模式杨树冠层叶面积指数月变化，该仪器通过视角为148°的“鱼眼”光学感应传感器(也可称为“鱼眼”镜头)，从5个不同角度的天顶角方向测定冠层上下(或内外)光强的变化，并通过制备冠层内的辐射传播模型来计算冠层的LAI。由于杨树为落叶树种，故本试验于2013年4月至11月每月中旬测定，共计8次。测定时间为晴天8：00—10：00或14：00—16：00，选取有大块云层遮挡太阳的时间点进行测量，以避开强光的照射。在样地内沿蛇形曲线随机布置的固定测点测定，完成后记录整个样地的LAI平均值作为该样地的叶面积指数。

1.3.3 径流、侵蚀和淋溶量的收集 每次产生地表径流后，测量径流池中集流深度，计算径流量；随后使径流池内径流液静置，用水泵抽干上层径流液，收集径流池底部泥沙，烘干称重，计算泥沙侵蚀量。全部结束后将径流池清洗干净，以备下一次的收集与计量。淋溶水样的收集于降雨停止后进行，用小型抽水泵抽取淋溶管中淋溶液，用量筒测量淋溶流失量，淋溶液抽干后，反复清洗淋溶管，以备下一次的收集与计量。

1.4 数据处理

本文采用Excel 2010，SPSS 20和Sigmapolt 12.0对数据进行处理、分析和绘图，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)来比较不同组数据间的差异。

2 结果与分析

2.1 降雨特征

在试验观测期间(2013年1—12月)，共发生了101场降雨事件，降雨总量为943.5 mm，低于该地区长年平均降雨量26.1%，属于降雨量较少的年份。其中，降雨主要集中于5—10月，即夏季和秋季，占总降雨量的73.9%；春季和冬季降雨量较少，仅占26.1%。降雨经杨树林冠层被重新分配后，L1间作密度下穿透雨量为796.2 mm，树干径流量7.3 mm，林冠截留量140.0 mm，分别占总降雨量的84.4%，0.8%和14.8%。由图1可知，9月份林冠截留量最大，为28.1 mm，占全年总截留量的20.1%；而1月份截留量最小，为0.6 mm，占全年的0.4%。其中，林冠对降雨的截留能力随叶面积指数(LAI)的变化而变化，1—2月以及11—12月冠层对降雨的截留量较小，分别为1.6，5.0 mm，占总截留量的1.1%和3.6%。而3—10月冠层降雨截留量达133.4 mm，占总截留量的95.3%，主要由于杨树1—2月和11—12月处于落叶期，冠层叶片脱落殆尽，对降雨的截留仅仅依靠树干、枝条等，从而降低了冠层对降雨的截留能力。而随着温度的升高，杨树开始从落叶期转为生长期，随着冠层叶片面积的增大以及叶片数量的增多，冠层叶面积指数也逐渐增大，对降雨的截留能力逐渐增强。根据降雨强度等级，将101场降雨划分成5个等级，由表2可知，降雨量<10 mm的中、小雨发生最频繁，多达81次，占总降雨场次的80.2%，说明研究区多以中、小雨为主，而其降雨量仅占总降雨量的26.5%。在整个观测期间，降雨等级为100～250 mm的降雨事件仅发生1次，其降雨量占总降雨量的14.6%。

图1 观测期间L1间作系统下降雨特征

表2 L1间作系统下不同降雨量级降雨再分配

2.2 林内穿透雨、树干径流和林冠截留与林外降雨的关系

降雨等级是决定穿透雨量的重要因素之一，林内穿透雨的大小和再分配规律会随着降雨等级的不同而产生相应的变化[21-22]。由表2可知，L1间作密度下101次降雨的平均穿透雨量为7.9 mm，平均穿透率为86.2%。当降雨量>10 mm 时，降雨穿透率均超过80%，平均为92.1%。随着降雨等级的增大，林内穿透雨率呈上升趋势，由降雨量<10 mm时的63.0%上升至降雨量>100 mm时的98.5%。回归分析结果表明，林内穿透雨量与林外降雨量呈线性正相关关系(R2=0.99)。树干径流在林冠降雨再分配过程中占有较小的比例[23-24]。在整个观测期间，树干径流共产生了17次，占总降雨次数的16.8%。树干径流量为7.3 mm，占总降雨量的0.8%。树干平均径流量为0.43 mm，平均径流率为0.98%，但变化规律不明显。主要由于树干径流量的产生不仅与降雨特征有关，还与林木树种的生态学特性有关，林木冠幅、胸径、树皮结构、雨前树冠的干湿程度等对树干径流的产生有很大影响[25]，回归分析表明，树干径流量与降雨量呈线性正相关关系(R2=0.75)。当林外降雨量>5.5 mm时，可能开始产生树干径流，并随着降雨等级的增大而增大。由表2可知，林冠截留总量为140.0 mm，占总降雨量的14.8%，平均林冠截留量为1.4 mm。通常采用林冠截留率来表示林冠对降雨的截留能力[25]。在不同的降雨等级中，林冠截留率变化范围0.6%～37.0%，平均林冠截留率为13.0%。回归分析结果表明，林冠降雨截留率与降雨量呈负幂函数相关关系(R2=0.41)。林冠截留率随着降雨量的增大呈先急剧降低后逐渐趋于稳定的趋势，林冠层对降雨量<10 mm的截留率达37.0%，主要由于降雨量较小时，大部份降雨被林冠枝条、叶片吸收和拦截，林冠层对降雨的再分配作用显著；随着降雨等级的增大，林冠截留率逐渐减小，当降雨量超过林冠蓄水量后，林冠层达饱和状态，降雨几乎全部转化为穿透雨。而降雨量>100 mm时，林冠截留率仅为0.6%。除了降雨量外，林冠截留率还取决于林冠结构特征，林分结构越复杂，郁闭度越大，叶面积指数越大，对降雨的吸附拦截能力就越强[26-27]。

2.3 林冠层对径流量、侵蚀量流失特征的影响

2.3.1 L1间作系统下3次径流事件降雨分配特征 在观测期间选择3次较明显的径流事件，分别发生于5月16日、6月21日和7月6日。由表3可知，3次径流事件降雨量均>50 mm，降雨累积量达309.5 mm，占总降雨量的32.8%。其中，L1间作密度下累积穿透雨量为296.8 mm，占总穿透雨量的37.3%，平均穿透雨量为98.9 mm，平均穿透率为95.5%。穿透雨量随降雨量的变化而变化，而穿透率一方面与降雨强度呈正相关关系，降雨强度越大，单位时间内到达冠层的降雨量越大，雨滴对冠层的冲击越大，历时也短，不利于冠层对雨水的吸附，易形成穿透雨，增大降雨的穿透率[28]。另一方面与林冠叶面积指数(LAI)相关，5—7月叶面积指数逐渐增大，同时降雨强度减小，导致穿透雨率呈减小趋势。在3次事件中都产生了树干径流，径流累积量为4.4 mm，占树干总径流量的60.3%，平均径流量为1.5 mm，平均径流率为1.6%，但变化规律不明显。以5月16日和6月21日2场降雨为例，6月21日的降雨量远低于5月16日的降雨量，而6月21日的径流量较5月16日大，分别为1.61和1.26 mm，相应的树干径流率分别为2.2%和0.9%。3次事件林冠对降雨的截留累积量为8.3 mm，占总截留量的5.9%，平均截留量为2.8 mm，平均截留率为2.9%，由于3次降雨等级较大，林冠对降雨的吸附达到饱和，因此截留量仅占降雨量的很少部分，其余的降雨几乎全部转化为穿透雨，致使林冠截留率较低。

表3 L1间作系统下3次径流事件降雨再分配特征

2.3.2 林冠对径流量、侵蚀量的影响 去除地表枯落物后，2种杨麦间作密度下林冠对地表径流量和土壤侵蚀量的影响详见表4。由表4可知，同一降雨等级下，间作系统中林分密度越大，冠层叶面积指数越大，林冠层对径流量和侵蚀量的削减作用越强，削减效果表现为：L1>L2>L3。3次径流事件中，L1平均径流量和侵蚀量比L2，L3分别减少了7.9%，11.2%和10.5%，16.6%，L2比L3减少了2.8%和6.0%。方差及显著性分析结果表明，L1径流量及侵蚀量与L3存在显著差异(p<0.05)，L2与L3差异不显著(p>0.05)。研究发现，在降雨强度相当的条件下，林冠对径流量和侵蚀量的影响随降雨量的增大呈下降趋势，以5月16日和6月21日两场降雨为例，5月16日的降雨量远大于6月21日的降雨量，而5月16日L1径流量和侵蚀量比L2，L3分别减少了7.2%，12.2%和9.6%，17.1%，L2比L3减少了2.7%和5.5%；6月21日L1径流量和侵蚀量比L2，L3分别减少了11.9%，13.3%和15.6%，21.7%，L2比L3减少了4.2%和9.7%。5月16日L1径流量和侵蚀量的削减幅度比6月21日减少了38.3%和21.4%。7月6日林冠对径流量及侵蚀量的影响最小，L1径流量和侵蚀量比L2，L3分别减少了6.6%，8.0%和8.7%，11.8%，L2比L3减少了2.3%和4.2%。主要由于7月6日小麦刚收割，一方面缺少了小麦冠层对降雨的削弱作用，另一方面人为干扰后，表层土壤较为松散，致使淋溶流失增大，对径流、侵蚀量的影响降低。

表4 地表径流量、侵蚀量流失特征

注：同行不同字母表示处理间存在显著差异(LSD，p<0.05)。下同。

2.4 林冠层对淋溶特征的影响

为减少林木根系对淋溶流失的影响，故在降雨停止后即刻对淋溶管中淋溶液进行抽取测量。由表5可知，同一降雨条件下，L2间作密度下距离树干1.5 m处穿透雨量最少，即7.5 m处穿透雨量>0.5 m>1.5 m。1.5 m处平均穿透雨量为37.8 mm，较0.5 m，7.5 m处分别减少了3.2%和9.3%，0.5 m较7.5 m处减少了6.3%。1.5 ～0.5 m处穿透雨量变化幅度较1.5～7.5 m，0.5～7.5 m处分别减少了65.6%和49.2%，主要与林木的冠层结构以及降雨量、降雨强度有关。

回归分析结果表明，淋溶水量与穿透雨量呈正相关关系(R2=0.86)，随穿透雨量变化而变化。在观测期间，1.5 m处平均淋溶水量最少，为0.78 L，较0.5 m，7.5 m分别减少了3.5%和10.8%，0.5 m较7.5 m减少了8.5%。方差及显著性分析结果表明，5月30日0.5 m，1.5 m处平均淋溶量与7.5 m处存在显著差异(p<0.05)，而4月20日和6月21日距树干不同距离差异不显著(p>0.05)，主要由于4月份叶面积较小，叶面积指数较小，叶片对降雨的削减作用较弱；而6月降雨量和降雨强度较大，一方面对冠层叶片撞击较大，易转化为穿透雨；另一方面当降雨量超过林冠的蓄水能力后，降雨几乎转化为穿透雨，降低了林冠对降雨的截留作用。

表5 距树干不同距离降雨再分配和淋溶流失特征

3 讨 论

3.1 穿透降雨

不同降雨等级下，穿透雨量都占有较大比例。观测期间穿透雨量为796.2 mm，占总降雨量的84.4%。一般认为，穿透降雨由直接穿过冠层间隙到达地表面的自由穿落雨和被冠层叶尖集聚或枝条截持后溅散滴落的冠滴雨2部分构成[29]。本研究中，由于杨树为落叶树种，在杨树落叶期(1—2月份和11—12月份)，多为自由穿落雨，整个穿透雨量与降雨量呈线性正相关关系(R2=0.99)，随着降雨量的增大呈递增趋势，而此期间冠层对降雨的截留仅为枝干的拦截与吸附。随着季节的变化(3—10月)，杨树叶面积指数变大，冠层结构异质性也增大，因此这期间穿透降雨多为冠滴雨。当降雨量较小时，林冠由于茂密的枝叶能够截留大部分降雨，此时冠层结构特征对穿透雨的拦截作用占主导作用[30]。随着降雨等级的增大，林冠截留能力急剧下降，当林冠饱和或超过林冠的最大截留能力时，叶面积主导作用降低，冠层结构特征的影响逐渐削弱，林内穿透雨逐渐也趋于稳定[25]。就单株杨树来说，距树干不同距离上方对应的冠层结构特征均不一致，从而穿透雨的空间分布存在差异[30]。在相同降雨条件下，穿透雨量随着与植株冠层厚度、盖度、叶面积指数、开枝角度等结构以及研究地点、降水大小、气候条件等有关。

3.2 树干径流

与穿透雨相似，当树干吸水饱和后会产生树干径流，同时枝叶所拦截的降雨汇集后顺树干流下也会形成树干径流[29]。研究期间，树干径流总量为7.3 mm，仅占总降雨量的0.8%树干径流之所以比重较低，一方面与林外降雨量有关[25]，另一方面还与林木胸径、树干表面粗糙度、树冠枝条的疏密以及主侧枝夹角大小等有关[31-32]。研究发现，当降雨量>5.5 mm时，树干径流才有可能产生，因此，降雨等级是影响树干径流量的主导因子，随着降雨等级的增大呈递增的趋势，与范世香等[33]研究结论一致。另外，树干径流以“点”的形式向地表输入，降低了地表径流产生的风险，同时也延缓了降雨到达地表的时间[34]。Owens等[35]研究表明，降雨强度较大时，降雨1 h后出现径流。在降雨条件相同的情况下，树干胸径越大，冠幅越大，使得树干径流的汇水面积增加，产生的径流量也越大[25，31]。有研究表明，降雨强度的增大会提高传输过程中树干径流以穿透雨形式滴落的概率，从而使树干径流率会维持在一定的范围内[36-37]。

3.3 林冠层截留作用

本研究在不同的降雨等级中，林冠截留率变幅为0.6%～37.0%，平均林冠截留率为13.0%，林冠截留率随降雨等级的增大呈下降的趋势。一般认为，林冠截留率随降雨量、降雨强度有关。降雨量越大，降雨强度越大，雨滴对冠层的冲击力越大，枝叶表面的水滴易滴落，削弱了林冠截留的功能[38]。除了受降雨强度影响外，冠层截留能力还与树种组成、林龄、冠层厚度、叶面积指数、枝叶干燥度以及气候环境等特征有关[26-27]。研究发现，随着杨树的生长周期，林冠对降雨的月截留率呈先上升后下降的趋势，除了与降雨条件有关，还与冠层结构和叶面积指数有关。林冠截留率月动态变化与叶面积指数(LAI)月变化呈线性正相关关系(R2=0.51)。另外，Pook等[39]和Carlyle-Moses[40]等认为在降雨期间由于湿度较大，大气中雨、雾等与冠层接触在其表面形成的雾露水，一定重量后形成大水滴，在重力作用下从叶片表面滑落，进而转化为穿透雨，削弱了叶片的截留能力。

3.4 林冠对水土流失的作用

在去除地表枯落物后，林冠对降雨的再分配能够对地表径流量、侵蚀量和淋溶量起到一定的控制作用。研究表明，导致水土流失的动力因子主要是降雨[41]，而林冠层作为降雨进入系统的第一道防线，不仅能对降雨量起到截留作用，而且能够改变雨滴下落的能量，减少雨滴对地表的冲击。殷晖等[42]研究发现雨滴速度、雨滴势能等参量与土壤侵蚀关系密切，林冠截留对降雨总势能的消减量可达52.15%，从而减少了降雨对林地地表的直接冲击作用。另外，林冠的厚度越大，对穿透降雨势能的缓冲作用也就越大。对于淋溶流失而言，淋溶流失量随降雨量的变化而变化，研究表明，在同一降雨条件下，距离树干7.5 m处穿透雨量>距离树干0.5 m处穿透雨量>距离树干1.5 m处穿透雨量。此结果与次仁曲西等[26]、盛后财等[30]结果类似，即距树干距离越近，穿透雨率不一定越小。而淋溶流失量亦在距离树干1.5 m处最小，除降雨条件外，主要与垂直上方的冠层结构有关。观察发现，在距离树干1.5 m处冠层枝叶较厚，因此冠层对降雨的截留量就越大，致使1.5 m处到达地表的降雨量也最少，淋溶流失量减少。

4 结 论

(1) 研究期间总降雨量为943.5 mm，其中以降雨等级<10 mm的中、小雨为主。L1间作密度下降雨经林冠层被重新分配后，穿透雨量(R2=0.99)、树干径流量(R2=0.75)与降雨量呈线性正相关关系，而林冠截留率与降雨量呈负幂函数相关关系(R2=0.41)，平均截留率为13.0%。当降雨量>5.5 mm时，可能开始产生树干径流，并随着降雨等级的增大而增大。尽管影响林冠对降雨再分配的因素较多，但降雨等级以及冠层结构(LAI)仍是决定再分配特征的最主要因素。

(2) 3次径流事件降雨量均>50 mm，L1间作密度下林冠对降雨的截留累积量仅为8.3 mm，平均截留率为2.9%。林冠层对径流量和侵蚀量的削减作用随着林分密度、冠层叶面积指数的增大而增大，削减效果表现为：L1>L2>L3。L1平均径流量和侵蚀量比L2，L3分别减少了7.9%，11.2%和10.5%，16.6%，L2比L3减少了2.8%和6.0%。L1径流量及侵蚀量与L3存在显著差异(p<0.05)，L2与L3差异不显著(p>0.05)。

(3) L2间作密度下距离树干不同距离穿透雨量和淋溶水量存在差异。其中，距离树干1.5 m处穿透雨量和淋溶水量最小，较0.5 m，7.5 m处分别减少了3.2%，3.5%和9.3%，10.8%。5月30日0.5 m，1.5 m处平均淋溶量与7.5 m处存在显著差异(p<0.05)，而4月20日和6月21日距树干不同距离差异不显著(p>0.05)。