干旱区若干水文过程研究进展

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1、http://www.paper.edu.cn1干旱区若干水文过程研究进展王帅，邱国玉北京师范大学资源学院，北京（100875）E-mail：shuaiwang@ires.cn.摘要：干旱区严重缺水，土地荒漠化的部分原因是对现有水资源的不合理管理和利用，本文从提高水分利用效率（WUE）的角度，就干旱区降雨截留、水分入渗和土壤蒸发等若干水文过程的影响因素及其机理的研究进展进行评述。在干旱区，冠层截留雨水损失很少，但树干茎流可以使水分和养分在植物根部富集，提高了水分和养分的利用效率，并且在灌丛周围，水分入渗较多，树荫具有减少土壤蒸发的作用；土壤物理结

2、皮可以减少水分入渗，增加蒸发，但关于生物结皮的作用还存在争论，干沙层的保水机理有待深入；砂田砾石层具有截留雨水、增加入渗和减少蒸发的作用。目前对干旱区这些水文过程的认识只还停留在植株或中小尺度，需要在较大尺度加深对水循环过程的综合理解。关键词：雨水截留，树干茎流，水分入渗，土壤蒸发，干旱区[1]全球有1/3的地表和1/5的人口分布在干旱地区，涉及全球20多个国家，所以干旱区是陆地生态系统的重要组成部分，随着全球气候变化和人口压力增大，需要更加深入研究干旱地区的环境变化和生态过程，而干旱地区的水文过程又是改变其所有生态环境问题的直接驱[2]动力。水

3、文过程一般包括有降水、入渗、径流和蒸发等过程，干旱区各水文过程的特点与湿润地区有较大区别，相对重要性随时空具有很大变异性。干旱区水循环过程中主要特点有[1]：1)降雨总量不多，但强度往往很大，并且时空分布不均匀；2)地表植被稀疏，截留和集水效应造成水分空间分布更加不均匀，直接蒸发损失较大；3)干旱区复杂的地表状况，包括裸沙地区，结皮层地区和石质地区以及灌丛地区等，对水文过程影响各异；4)干旱区水分蒸发不仅决定于大气蒸发能力，更主要的是取决于地表水分的供给情况。[3]干旱区严重缺水，土地退化很重要的原因是对仅有水资源的不合理管理和利用，本文从提高水

4、分利用效率（WUR）的角度，就干旱区降雨截留、水分入渗和土壤水分蒸发等若干水文过程的影响因素及其机理的研究进展进行了评述，以其为今后此类研究提供借鉴。1.雨水截留雨水截流是指植物或岩石碎块在空中或地表把雨水进行拦截、吸附和再分配，从而影响[4][5]降水分布格局的过程。干旱区地表组成复杂，包括裸土区、石质戈壁区以及灌丛植被区等，不同环境对雨水的截留特点也不同。对于水资源紧缺，水分严重限制植物生长的干旱地区来说，非常有必要准确计算截留水分损失和树干集流效应。一般将植物冠层截留及其对雨水的重新分配分为穿透降水、树干径流和截留损失三部分[6]。植物截留

5、最终的结果就是导致水分被物体吸附并蒸发以及通过树干茎流重新改变降水空间分布格局。关于植物冠层截留蒸发损失，随着对截留机制认识的深入，将其分为了降雨过[7]程中湿润林冠上的雨水蒸发、雨后林冠蓄水蒸发和树干蓄水蒸发。研究发现，截留损失在1本课题得到国家重点基础研究发展计划项目（2006CB400505）的资助。-1-http://www.paper.edu.cn[8]针叶林和落叶阔叶林地区分别可以达到26%和13%，是水循环过程中重要的组成部分。干旱区通常分布有斑块状的灌木丛或短命植物，并且植物在形态方面与湿润地区有明显差异，这些特点使其截留过程也不

6、同于其他地区，而截留损失对迫切需水的干旱区具有重要水文意[9][10]义。Slalyer发现澳大利亚围篱林截留持水量为2—3mm，Pressland在澳大利亚连续15个[11]月的观测发现该树种截流损失达到降雨量的13%，Navar在墨西哥东北的干旱区的常绿有刺灌丛林群落中连续17个月的观测发现截流损失为16.5%到17.4%。有些对干旱区稀疏植被的研究发现该地区的截流损失量微不足道，可是在对干旱区较稠密的灌木丛或乔木林的研究[12]中发现截留损失不亚于热带和温带湿润地区。而Evans等也指出，对于干旱区的灌丛林来说，有65-90%的降水是以穿透

7、降水的形式降落到地面而没有被截留，当然随着降雨特性的不同情况也不同。近年来，随着森林水文学的发展，出现了大量关于树冠截留降水模型，可[7]以将其分为经验模型；半经验半理论模型，包括有指数模型、解析模型和微气象模型；还有理论模型，包括光传播理论模型和电路暂态理论模型。由于经验模型的模型参数有很大的局限性，只能适用于特定研究条件下的降雨事件和林分状态，模型不能外延使用，更不易推广，以及理论模型由于过分注重逻辑推导使模型比较复杂，求解困难而较难用于实际等弊端，[13][6]目前应用最广，对截留损失物理过程认识最清楚的是Rutter模型，该模型利用每小时

8、的雨情数据和决定蒸发能力的气象参数（净辐射、风速、空气温度和水气压）计算树干截留量[14]和树干茎流量，从而建立动态的水量平衡模型。Ga