Journal of Hydrology：干旱区灌木冠层降雨再分配驱动养分富集的时空分异研

作者：沙坡头站  更新时间：2025-12-08

在干旱生态系统中，植被冠层对降雨的再分配过程（穿透雨、树干茎流、冠层截留损失）是驱动局地水文与养分循环的关键机制，深刻塑造着植被的空间分布格局与生态系统功能。其中，树干茎流借助冠层与根系形成的“双漏斗”效应，将水分与养分集中输送到根区，形成高度富集的水分和养分点源输入；穿透雨则以“漫输入”方式，将水分和养分相对均匀地分配至冠层下方土壤。目前，针对干旱区灌木冠层水文过程已有较多研究，但其驱动的养分迁移动态及其空间格局尚不明确，限制了我们对干旱生态系统养分循环过程的深入认知及养分收支的准确估算。

为此，中国科学院西北生态环境资源研究院沙坡头沙漠研究试验站的研究团队以腾格里沙漠东南缘典型固沙灌木柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）为研究对象，在次降雨事件与降水过程两个时间尺度上，对树干茎流与穿透雨进行了高频采样，测试分析了pH、总氮（TN）、总磷（TP）、总有机碳（TOC）及多种阳离子（K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、NH₄⁺）和阴离子（NO₃⁻、SO₄²⁻、Cl⁻）等化学指标，并运用线性混合效应模型与自举法，系统揭示了冠层降水再分配过程驱动的养分迁移时空变异特征。

研究发现，树干茎流的离子浓度显著高于穿透雨及降雨，而其pH值显著低于后两者，呈现出明显的化学富集与酸化特征（图1）。树干茎流对降雨和穿透雨的离子富集率分别高达24.1和10.2，凸显了其作为根区关键养分输入途径的重要性。线性混合效应模型表明，在单次降水过程中，树干茎流离子浓度随降雨时间的持续显著下降，而pH值则逐步上升（图2）。空间分布上，从灌木基部到冠幅边缘，穿透雨中总氮、钾、钠、钙、硝酸根、总有机碳及氯离子浓度呈显著递减趋势，表现出明显的径向空间分异（图3）。此外，前期干旱持续时间越长，后续降雨事件中树干茎流与穿透雨的离子浓度总体越高。

该研究精细刻画了干旱区灌木冠层水化学特征的时空动态规律，以“Spatiotemporal variations in solute chemistry of stemflow and throughfall within a xerophytic shrub ecosystem in northern China”为题，发表于水文学权威期刊Journal of Hydrology。沙坡头站硕士研究生姚渭琦为论文第一作者，张亚峰副研究员为通讯作者，合作者包括沙坡头站张志山研究员、潘颜霞研究员、西南大学袁川副教授及美国特拉华大学Delphis F. Levia教授。研究得到国家自然科学基金（U23A20223; 32471969; 32301314）和国家重点研发计划（2024YFF1306902）的资助。

图1 大气降雨、树干茎流和穿透雨中pH、总氮（TN）、总磷（TP）、总有机碳（TOC）以及其他8种离子浓度的比较

图2 在2024年9月9日一次降雨事件中，pH、总氮（TN）、总磷（TP）、总有机碳（TOC）以及其他8种离子浓度的时间动态特征（其他7次降雨事件见论文附件）

图3：冠层下方不同点位pH、TN、TP、TOC和其他8种离子浓度的变化

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2025.134708

撰稿人：姚渭琦