馬 波，李占斌，馬 璠，吳發(fā)啟

1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 楊凌 712100 3. 寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所, 銀川 750002

模擬降雨條件下玉米植株對降雨再分配過程的影響

馬 波1,2，李占斌1，馬 璠2,3，吳發(fā)啟2,*

1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 楊凌 712100 3. 寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所, 銀川 750002

為系統(tǒng)測定玉米(Zeamays)不同生長階段的穿透雨、莖稈流和冠層截留，采用室內(nèi)模擬降雨法測定了不同降雨強(qiáng)度、不同葉面積指數(shù)玉米冠下穿透雨和莖稈流，采用噴霧法測定了玉米不同生長階段的冠層截留。對其進(jìn)行了量化分析，并探討了三者與玉米葉面積指數(shù)和降雨強(qiáng)度的關(guān)系，闡明了玉米冠下穿透雨的空間分布特征。結(jié)果表明：玉米冠下穿透雨量占冠上總降雨量比例為30.97%—94.02%，平均為63.92%；莖稈流量占降雨量比例的變化范圍為5.68%—75.70%，平均為35.28%；冠層截留量在其全生育期內(nèi)變化范圍為0.02—0.43 mm，平均為0.16 mm，所占總降雨量比例最大僅為1%。隨玉米生長，穿透雨量逐漸降低，莖稈流量和冠層截留量逐漸增加。穿透雨與莖稈流呈現(xiàn)此消彼長的關(guān)系，其中穿透雨率平均由93.55%降至36.23%；莖稈流率平均由5.98%增加至70.42%。降雨強(qiáng)度與穿透雨量和莖稈流量呈正相關(guān)關(guān)系，但是二者占總降雨量的比例與降雨強(qiáng)度關(guān)系不顯著(P>0.05)。隨著玉米生長，穿透雨冠下空間分布由均勻逐漸趨向于不均勻，使降雨經(jīng)過冠層后趨于向行中匯集，但在玉米生長后期，集中于行中的穿透雨量也因葉片衰敗而隨之降低。揭示了玉米對降雨的再分配作用特征，可為農(nóng)田水分有效利用、農(nóng)田生態(tài)水文過程機(jī)理和坡耕地土壤侵蝕防治提供理論依據(jù)。

玉米; 莖稈流; 穿透雨; 冠層截留; 降雨強(qiáng)度

水土資源是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中最為重要的自然資源， 但隨著我國人口增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，迫使農(nóng)田生態(tài)環(huán)境日益惡化，干旱缺水和水土流失已經(jīng)嚴(yán)重威脅我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食安全。中國農(nóng)田面積占國土面積19%，是僅次于草地和森林的第三大植被生態(tài)系統(tǒng)[1- 2]。對于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)而言，水循環(huán)過程與作物生長關(guān)系密切，對農(nóng)業(yè)節(jié)水和糧食增產(chǎn)都有重要的影響[3]。作物冠層對降雨或噴灌水具有攔截再分配作用，其結(jié)果是使其轉(zhuǎn)變?yōu)榇┩赣?、莖稈流、冠層截留和冠層內(nèi)蒸散發(fā)四部分，從而造成雨水或噴灌水在作物冠下和地表的分布不均勻[4- 6]。其中，冠層內(nèi)蒸散發(fā)為降雨或噴灌過程中附著于枝葉表面并蒸發(fā)掉的水量，由于其量甚微，故常忽略不計[5,7- 8]。目前常見的對降雨再分配的量化計算方法是在忽略冠層內(nèi)蒸散發(fā)的前提下，已知冠下穿透雨、莖稈流和冠層截留中的任意兩個量，通過水量平衡法計算出第3個量[4- 5,7- 8]。

作為防治水土流失最為有效的措施之一，植被冠層的水文作用一直是國內(nèi)外研究的焦點(diǎn)。植被冠層對降雨的截留，改變了降雨在地表的分布；但是針對林冠影響降雨空間分布的研究較多較深入，而研究作物冠層對降雨或噴灌水量的截留分異作用目前還較少[5,9- 15]。有關(guān)作物冠層截雨能力的研究多集中于玉米，大量的研究得出玉米冠下穿透雨量比例在31%—91%之間，莖稈流量占總降雨量比例約為40%—50%，冠層截留量總體較小[4- 5,7,15- 27]。但是不同學(xué)者的觀測結(jié)果差異較大，例如Quinn和Laflen[18]通過測定發(fā)現(xiàn)玉米冠下穿透雨約占總降雨量比例為51%—84%，莖稈流可占總降雨量比例49%。Steiner等[7]則研究認(rèn)為玉米穿透雨量占總降雨量比例為31%—55%，莖稈流量比例為35%—64%，并利用水量平衡得出玉米冠層截留量為0.8—7.0 mm，平均約為2.7 mm。Lamm和Manges[4]研究認(rèn)為玉米穿透雨量占總降雨量比例為43%，莖稈流量比例為53%，冠層截留量為1.8 mm。國內(nèi)相關(guān)研究也得出相差較大的結(jié)論，李王成等[23]的觀測結(jié)果為穿透雨量比例為47%，莖稈流量比例為53%；王迪等[5]的觀測結(jié)果表明，穿透雨量和莖稈流量占冠上總降雨量比例分別為45%和43%，截留量為3.6 mm。郝芝建等[25- 26]研究認(rèn)為穿透雨量占冠層上方總雨量比例為48%，莖稈流量比例為44%，冠層截雨量在0.8—2.9mm之間。林代杰等[27]則認(rèn)為玉米穿透雨比例平均為64%，莖稈流為29%，但是其冠層截留率高達(dá)約8%。由此可見，對于玉米冠層截雨能力的觀測研究，其成果還存在較大的差異，這可能是由于玉米品種、葉型、種植密度以及噴灌或降雨等實(shí)驗(yàn)條件的不同所造成的[6]。目前的研究多集中于生長成熟的玉米植株，而作物全生育期內(nèi)對降雨的攔截分配作用研究還頗為少見。作物冠層對降雨的截留能力有限且截留水量很??；對于這方面的研究，大部分是以噴灌為背景的，因?yàn)楣趯咏亓糇鳛閲姽嗨康膿p失，其多寡關(guān)系到噴灌是否節(jié)水的爭論[5]。而玉米的莖稈流所占比例較大，加之穿透雨在行間的分布不均，造成了降雨在地表的分布不均，不僅影響了玉米植株對水分的利用和根系生長[4,6]，而且對土壤侵蝕也會產(chǎn)生一定的影響[18,21]。本研究的目的是系統(tǒng)測定玉米不同生長階段的穿透雨、莖稈流和冠層截留，對其進(jìn)行量化分析并探尋三者與玉米葉面積指數(shù)和降雨強(qiáng)度之間的關(guān)系，為提高農(nóng)田水分利用效率、完善農(nóng)田生態(tài)水文過程機(jī)理和作物植被固土保水機(jī)制研究提供了參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院水土保持工程實(shí)驗(yàn)室人工降雨大廳進(jìn)行。供試玉米品種為鄭單958，分別于2007年6月10日和2008年6月13日種植于實(shí)驗(yàn)室鄰近的教學(xué)實(shí)驗(yàn)種植園內(nèi)，行距60 cm、株距25 cm。玉米的種植與管理按當(dāng)?shù)剞r(nóng)作習(xí)慣進(jìn)行，并依據(jù)玉米生長和葉片數(shù)量及面積將玉米生育期劃分為幼苗期、拔節(jié)初期、拔節(jié)中期、拔節(jié)中后期、抽雄前期和抽雄后期6個生長階段，根據(jù)各項試驗(yàn)的實(shí)際需要將玉米植株移植到降雨大廳分別進(jìn)行試驗(yàn)。在玉米生長季內(nèi)每次隨機(jī)采取玉米分別進(jìn)行穿透雨、莖稈流、冠層截留和葉面積的觀測，在各個生長階段的不同降雨強(qiáng)度下各測定1次。

本試驗(yàn)所用人工降雨裝置為中國科學(xué)院水利部水土保持研究所研制的下噴式降雨機(jī)。噴頭為Fulljet?GW系列噴頭，安裝高度為4 m，有效降雨面積約為16 m2。通過不同噴頭-閥門開關(guān)組合來實(shí)現(xiàn)供水壓強(qiáng)的調(diào)節(jié)，可以達(dá)到調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度的目的，可實(shí)現(xiàn)的降雨強(qiáng)度范圍為20—160 mm/h。經(jīng)測定，調(diào)節(jié)至任一噴頭-壓強(qiáng)組合下的降雨強(qiáng)度是穩(wěn)定的，可以為試驗(yàn)采用。

1.2 玉米穿透雨測定

穿透雨測定是在每個測試階段，將連續(xù)2行玉米植株齊地面剪斷(每行4株，共計8株)，并迅速轉(zhuǎn)移至室內(nèi)按田間株行距豎直固定在鐵質(zhì)支架上并置于降雨機(jī)下方。利用噴霧器將玉米植株表面充分潤濕以消除冠層截留對第1次穿透雨測定的影響。待潤濕后的玉米葉片不再向下滴水之后，用內(nèi)徑5.5 cm高7 cm的有機(jī)玻璃杯按圖1所示以矩陣的方式置于作物冠下行間區(qū)域。為避免玉米葉緣葉尖處形成的水量過大超過雨量筒量程，故在設(shè)計降雨強(qiáng)度下降雨30 min，然后收集測量各玻璃杯水量，并計算各點(diǎn)降雨量及降雨強(qiáng)度。再將作物移開，將玻璃杯再次按原位置擺放并在當(dāng)前設(shè)計降雨強(qiáng)度下繼續(xù)降雨30 min，以觀測對應(yīng)降雨強(qiáng)度下裸地的降雨量。上述觀測結(jié)束后將降雨強(qiáng)度調(diào)整其他設(shè)定值后，重復(fù)以上觀測試驗(yàn)。根據(jù)當(dāng)?shù)叵那飪杉径啻蟮奖┯甑奶攸c(diǎn)，設(shè)計降雨強(qiáng)度為40 mm/h和80 mm/h，每次降雨歷時為30 min，在各生長階段不同降雨強(qiáng)度下各測定1次。將單位面積單位時間內(nèi)的穿透雨量與其相應(yīng)的降雨量相除，可得到玉米的穿透雨率(%)，即玉米穿透雨量所占總降雨量的比例。待該階段穿透雨測定結(jié)束后，測定各株玉米的葉面積，并計算葉面積指數(shù)。

圖1 玉米冠下穿透雨測定示意圖Fig.1 Throughfall measurement under crop canopy

1.3 玉米莖稈流測定

本試驗(yàn)所用莖稈流收集裝置為一鐵皮制帶斜蓋圓筒，直徑20 cm，高15 cm，筒底圓心焊接一根長15 cm的鋼釘用以固定玉米植株(圖2)。每次試驗(yàn)時隨機(jī)采取12株玉米帶至室內(nèi)，利用噴霧器將玉米植株表面充分潤濕以消除冠層截留對第1次莖稈流測定的影響。待潤濕后將植株瀝干，插入莖稈流收集筒中并編號。插入筒中時，保證每株玉米最下方的葉片基部不與莖稈流收集桶蓋接觸，以確保正常收集各生育期尤其是幼苗期下方葉片形成的莖稈流。以25 cm×60 cm的間距將玉米置于降雨機(jī)下進(jìn)行降雨觀測，為避免玉米成熟期莖稈流量過大，超過收集裝置的容量，故將各降雨強(qiáng)度下的降雨歷時設(shè)為10 min。降雨結(jié)束后，用量筒測定各株玉米產(chǎn)生的莖稈流量。再在莖稈流收集筒的相應(yīng)位置各放置一個口徑為8.3 cm的雨量筒，在當(dāng)前降雨強(qiáng)度下降雨10 min，然后測量水量計算各位置點(diǎn)的實(shí)測雨強(qiáng)。為全面分析玉米莖稈流隨降雨強(qiáng)度的變化，結(jié)合當(dāng)?shù)叵那飪杉径啻蟮奖┯甑奶攸c(diǎn)，將上述試驗(yàn)過程分別在20、40、60、80、100和120 mm/h設(shè)計降雨強(qiáng)度下分別進(jìn)行觀測。將作物莖稈流量與降雨量相除，可得到作物的莖稈流率(%)，即作物莖稈流量所占降雨量的比例。待該階段觀測結(jié)束后，測定各株玉米的葉面積，并計算葉面積指數(shù)。

圖2 玉米莖稈流收集筒剖面示意圖Fig.2 Stemflow collection cylinder for corn

1.4 玉米冠層截留測定

為獲得玉米植株的最大截留能力，宜采用噴霧法測定其冠層截留量。在每個測試階段，隨機(jī)將12株玉米植株齊地面切下后，立即用熔化的石蠟封閉切口以防止水分從切口處散失和吸收。迅速將作物植株轉(zhuǎn)移至室內(nèi)稱重。再將植株直立固定，用噴霧器在植株上方噴霧對植株表面濕潤，噴霧強(qiáng)度為0.3 mm/min，當(dāng)葉緣葉尖處開始形成滴水以及葉基處開始有莖稈流形成時停止噴霧，并將作物取下稱重。噴霧前后玉米植株的重量差再除以單株玉米的占地面積，即為玉米植株的冠層截留量(mm)。待該階段觀測結(jié)束后，測定各株玉米的葉面積，并計算葉面積指數(shù)。

1.5 玉米葉面積指數(shù)測定

單株玉米葉面積測定是將玉米葉片按順序沿葉片基部剪下，分別測量每個葉片的長度L和葉片最寬處W，計算單株玉米的總?cè)~面積AL[28]：

(1)

式中，AL為單株玉米總?cè)~面積，cm2；k為修正系數(shù)，取0.75；Li為第i片葉片的長度，cm；Wi為第i片葉片最寬處的寬度，cm；n為單株玉米的葉片數(shù)。

玉米葉面積指數(shù)：

(2)

式中，LAI為葉面積指數(shù)；ALi為第i株玉米總?cè)~面積，cm2；n為玉米植株數(shù)；Iw為株距，cm；Rw為行距，cm。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米冠下穿透雨

2.1.1 玉米冠下穿透雨強(qiáng)度特征

為了便于分析，將作物冠下單位時間單位面積上的穿透雨量定義為穿透雨強(qiáng)度(mm/h)。由圖3中可知，玉米全生育期內(nèi)平均穿透雨強(qiáng)度為39.84 mm/h，占冠上降雨量的比例為63.92%。就各生長階段而言，幼苗期(LAI=0.26)的截雨能力最弱，冠下穿透雨量最大，可占冠上降雨量90%以上；而抽雄前期(LAI=4.48)的截雨能力最強(qiáng)，冠下穿透雨量也最小，占冠上總降雨量比例約為31%—41%。但是玉米進(jìn)入抽雄后期(LAI=3.67)，由于營養(yǎng)生長逐漸由盛轉(zhuǎn)衰，冠下穿透雨強(qiáng)度又有所上升，其穿透雨率較之前提高了16%以上。但總體上隨著玉米生長，穿透雨呈逐步降低趨勢。

圖3 玉米不同生育期冠下穿透雨Fig.3 Throughfall under corn canopy in different growth stage

玉米冠層形成穿透雨的能力不僅受葉面積指數(shù)等自身生理指標(biāo)的影響，同時也受到降雨強(qiáng)度的影響。30 min降雨歷時條件下，全生育期內(nèi)80 mm/h下的平均穿透雨強(qiáng)度為52.02 mm/h，是40 mm/h下的1.9倍。隨著玉米的生長，不同降雨強(qiáng)度下的穿透雨強(qiáng)度變化趨勢存在一定差異。由圖3可以看出隨著玉米葉面積指數(shù)的增加，80 mm/h下穿透雨變化較為劇烈，40 mm/h下則較為平緩。雨強(qiáng)較大時(80 mm/h)，降雨具有較高的能量，對玉米植株的打擊力度也較強(qiáng)。當(dāng)玉米植株較小時，葉片也較小較柔弱，受降雨打擊后，易發(fā)生向下彎曲變形且在受到打擊的同時葉片發(fā)生較大震動，不利于雨水在葉片表面的附著和流動，從而使大部分降雨以穿透雨的形式到達(dá)地表。而隨著玉米生長，植株承受降雨打擊的能力加強(qiáng)，葉片也較為寬大，使降雨能更有效地轉(zhuǎn)化為莖稈流等其他形式，從而大大減少了穿透雨量。當(dāng)雨強(qiáng)較小時(40 mm/h)，降雨動能也較小，對玉米植株施加的作用較弱，因此穿透雨量的變化基本不受降雨能量的影響，故其變化較為平緩。由方差分析可知，玉米穿透雨強(qiáng)度與玉米葉面積指數(shù)存在顯著差異(P<0.05)，與降雨強(qiáng)度存在極顯著差異(P<0.01)。

不同降雨強(qiáng)度下，玉米冠下穿透雨率差異較小。由圖3可以看出，當(dāng)玉米植株較小時(LAI=0.26—0.62)，不同雨強(qiáng)下的穿透雨率差異不到1%，而隨著作物持續(xù)生長，這種差異逐漸擴(kuò)大，在抽雄前期達(dá)到最大，即40 mm/h降雨強(qiáng)度下穿透雨率較80 mm/h降雨強(qiáng)度下高10個百分點(diǎn)。當(dāng)進(jìn)入抽雄后期階段，兩者差距又縮小至3.5個百分點(diǎn)，由此表明降雨強(qiáng)度對穿透雨率的影響存在不確定性，并且其發(fā)揮作用還受到玉米植株自身生理狀態(tài)的制約和影響。由方差分析可知，玉米穿透雨率與玉米葉面積指數(shù)存在極顯著差異(P<0.05)，與降雨強(qiáng)度的差異不顯著(P>0.05)。

將不同降雨強(qiáng)度下玉米全育期內(nèi)的穿透雨進(jìn)行回歸分析可知，玉米穿透雨強(qiáng)度和穿透雨率與各因子具有較高的線性相關(guān)性，回歸結(jié)果如下所示:

ITH=1.183·LAI0.307·I0.868R2=0.916,F=48.770**

(3)

RTH=-13.098·LAI+93.914R2=0.974,F=373.132**

(4)

式中，ITH為作物冠下穿透雨強(qiáng)度(mm/h)；RTH為穿透雨率(%)；LAI為葉面積指數(shù)；I為降雨強(qiáng)度(mm/h)；**為P<0.001顯著水平。

2.1.2 玉米冠下穿透雨空間分布特征

雖然玉米冠下的平均穿透雨強(qiáng)度隨葉面積指數(shù)的增加呈降低趨勢，但是在實(shí)驗(yàn)過程中經(jīng)測定，在玉米生長旺盛期冠下某些位置的穿透雨強(qiáng)度較大，甚至超過了降雨強(qiáng)度。這說明玉米冠下降雨空間分布存在較大差異。若將兩行玉米之間行間區(qū)域劃分為如圖1所示的葉下空間和行中區(qū)域，則兩個區(qū)域的穿透雨強(qiáng)度及其變化存在較大差異(表1)。以40 mm/h降雨強(qiáng)度下的穿透雨強(qiáng)度為例，平均冠下穿透雨強(qiáng)度CV值由幼苗期的0.14增加至抽雄前期的0.98，說明隨著玉米的生長，冠下各點(diǎn)之間的穿透雨強(qiáng)度差異越來越大，分布越來越不均勻。而40 mm/h降雨強(qiáng)度下，各生長階段的CV值略高于80 mm/h降雨強(qiáng)度下的相應(yīng)CV值，說明小雨強(qiáng)下玉米冠下穿透雨空間分布不均勻性較高。這是因?yàn)榇笥陱?qiáng)下，由于雨滴能量大，在其打擊下使玉米葉片上向地表滴水的位置點(diǎn)增加；加之雨量較大，使產(chǎn)生較大穿透雨量的位置數(shù)量也有所增加，在一定面積上降低了穿透雨的不均勻性。

表1 玉米冠下不同區(qū)域的穿透雨分布Table 1 Distribution of throughfall in different area under corn canopy

葉下雨量 Rainfall amount in the region direct under the canopy; 行中雨量 Rainfall amount in the region between rows; 平均冠下雨量 Average rainfall amount under canopy;; 葉下雨強(qiáng) Rainfall intensity in the region direct under the canopy; 行中雨強(qiáng) Rainfall intensity in the region in the middle rows; (行中-葉下)/葉下 Growth rate rainfall intensity in the region between rows /%; 平均冠下雨強(qiáng) Average throughfall intensity under canopy;平均冠下雨強(qiáng)變異系數(shù) Coefficient of variation of average throughfall intensity under corn canopy (CV)

圖4 玉米不同生育期冠下穿透雨空間分布(以40mm/h降雨強(qiáng)度為例)Fig.4 Spatial distribution of throughfall intensity under corn canopy in different growth stage. Rainfall intensity was 40 mm/h

從表中可以看出，玉米幼苗期至拔節(jié)期間(LAI=0.26—3.09)，行中穿透雨強(qiáng)度明顯高于葉下區(qū)域，且差異隨著生長逐漸呈增大趨勢。在40 mm/h降雨強(qiáng)度下，兩個區(qū)域穿透雨強(qiáng)度的差異率由10.98%增加至49.39%；80 mm/h降雨強(qiáng)度下行中穿透雨強(qiáng)度與葉下區(qū)域的差異率普遍小于40 mm/h降雨強(qiáng)度，并由幼苗期(LAI=0.26)的7.75%提高至拔節(jié)中后期(LAI=3.09)的35.82%。這也說明降雨強(qiáng)度對玉米冠下穿透雨的分布有一定影響。降雨強(qiáng)度較小時，穿透雨更傾向于向行中集中，而降雨強(qiáng)度較大時，冠下穿透雨分布傾向于均勻分布。然而進(jìn)入抽雄前期以后，行中穿透雨又略小于葉下，隨后又略高于葉下。這可能是因?yàn)橛衩咨L最為旺盛時期對行間空地的覆蓋度更高的緣故。而當(dāng)植株下層葉片開始衰敗時(抽雄后期，LAI=3.67)，對地表覆蓋相應(yīng)下降，而且衰敗的葉片向下傾斜，也使葉面上雨水趨于向行中流動，造成行中穿透雨量復(fù)又上升。根據(jù)玉米的生長變化，不難看出，冠下穿透雨的空間分布具有一定規(guī)律性。以40 mm/h為例，各生長階段的冠下穿透雨強(qiáng)度空間分布特征如圖5所示。

在玉米幼苗期，由于作物植株較小，所能影響到的冠下空間范圍有限，只能在靠近植株附近較小區(qū)域內(nèi)有所作用，但由于植株過小，行間大部分區(qū)域沒有被葉片覆蓋，對穿透雨空間分布影響微弱。因此穿透雨主要以降雨直接到達(dá)地表的形式存在，其空間分布與裸地形似，分布較為均勻(圖4)。但隨著玉米的生長，葉尖逐漸向行間伸展，穿透雨開始向某些特定區(qū)域集中，在拔節(jié)初期主要集中于行間10—20 cm之間區(qū)域，但是在20—30 cm的行中區(qū)域的穿透雨依然較大，且以降雨直接到達(dá)地表為主(圖4)。而進(jìn)入拔節(jié)中后期，穿透雨主要集中于行正中20 cm寬度(20—30 cm區(qū)域)的區(qū)域內(nèi)，其強(qiáng)度最大可到達(dá)111.67 mm/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于40 mm/h的降雨強(qiáng)度(圖4)。但進(jìn)行抽雄后期以后，穿透雨集中點(diǎn)多分布于10—20 cm空間范圍內(nèi)，較拔節(jié)中后期相比，其分布較為均勻(圖4)。這是由于玉米葉片較長，在其生長旺盛期，一些較長葉片可跨過行中，葉尖靠近相鄰一排玉米附近區(qū)域上空，因此減少了行中區(qū)域穿透雨量，增加了另外一行玉米葉下區(qū)域的穿透雨量，使其空間分布相對均勻。但進(jìn)入抽雄后期，玉米營養(yǎng)生長由盛轉(zhuǎn)衰，隨著部分老葉片脫落，以及部分葉片形態(tài)發(fā)生較大改變，致使穿透雨又一次集中于行正中20 cm的行中區(qū)域(圖4)。綜上所述，由于玉米特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)，使降雨經(jīng)過冠層后趨于向行中匯集，隨玉米生長又傾向于向葉下匯集，且在某些特殊位置上出現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨強(qiáng)度的極端值。在實(shí)際觀測中，我們也發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這種極端值或較大穿透雨的區(qū)域往往是葉尖滴水和葉緣凹向下方形成匯集出水?dāng)嗝娴牡胤?。而這種特征又往往具有隨機(jī)性，從而造成冠下穿透雨的不均勻性。

圖5 玉米不同生育期的莖稈流Fig.5 Stemflow of corn in different growth stage

2.2 玉米莖稈流

不同生長階段單株玉米莖稈流量及莖稈流率如圖5所示。玉米全生育期內(nèi)平均莖稈流量為24.11 mm/h，占降雨量比例可達(dá)35.28%。在各生長階段，莖稈流差異較大，其中幼苗期為4.14 mm/h，占降雨量5.98%；而抽雄前期最大，為48.71 mm/h，占降雨量70.42%。這說明玉米對降雨的攔截能力是隨著作物植株生長而逐漸增大的，并在生長旺盛期達(dá)到峰值，其莖稈流量可占降雨量達(dá)70%左右，而在20 mm/h降雨強(qiáng)度下更是高達(dá)76%。

在同一降雨強(qiáng)度下，單株玉米莖稈流量及莖稈流率隨葉面積增加呈現(xiàn)增大趨勢。由圖5a可知，玉米莖稈流量隨葉面積指數(shù)和降雨強(qiáng)度呈顯著增大的趨勢。當(dāng)降雨強(qiáng)度較小時(20—40 mm/h)，莖稈流量變化較為平緩，當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(≥60 mm/h)，隨雨強(qiáng)增大其莖稈流量上升幅度也逐漸增大。其中降雨強(qiáng)度為120 mm/h下的莖稈流變化最為劇烈，從幼苗期(LAI=0.29)的6.99 mm/h上升至抽雄前期的82.66 mm/h。這說明強(qiáng)降雨條件下，較大的降雨量為作物形成莖稈流提供較多水源的同時，其較強(qiáng)的雨滴動能打擊使葉片產(chǎn)生較大震動，從而影響雨水在葉面上的移動方向，進(jìn)而影響莖稈流的形成。這種影響在玉米植株較小時(LAI<0.56)比較顯著，導(dǎo)致降雨更多地以穿透雨形式接觸地表；而當(dāng)植株較大時(LAI>1.50),逐漸強(qiáng)壯的植株使這種影響慢慢降低，加之漏斗型的特殊形態(tài)，在降雨量較大時更有利于匯集雨水至葉基內(nèi)側(cè)形成莖稈流。因此，在同一葉面積指數(shù)下，降雨強(qiáng)度對莖稈流的影響較為顯著，隨降雨強(qiáng)度呈現(xiàn)增大趨勢；并且這種趨勢隨著玉米生長逐漸擴(kuò)大。各降雨強(qiáng)度下的莖稈流率隨玉米生長的關(guān)系與莖稈流量具有相似的變化規(guī)律。但是同一生長階段不同降雨強(qiáng)度下的莖稈流率差異不明顯。由方差分析可知，玉米莖稈流量與玉米葉面積指數(shù)和降雨強(qiáng)度均存在極顯著差異(P<0.01)；玉米莖稈流率與玉米葉面積指數(shù)存在極顯著差異(P<0.01)，與降雨強(qiáng)度不存在顯著差異(P>0.05)。說明降雨強(qiáng)度對其莖稈流率的影響較小，而葉面積成為其主要影響因素。將不同降雨強(qiáng)度下玉米全育期內(nèi)的莖稈流進(jìn)行回歸分析，得到以下回歸方程。

SF=0.207·LAI0.883·I0.961R2=0.994,F=2524.326**

(5)

SR=18.803·LAI0.839R2=0.976,F=1388.098**

(6)

式中，SF為單株玉米莖稈流量(mm/h)；SR為單株玉米莖稈流率(%)；LAI為葉面積指數(shù)；I為降雨強(qiáng)度(mm/h)；**為P<0.0001顯著水平。

由回歸方程的相關(guān)系數(shù)可知，玉米莖稈流與各因子具有較高的相關(guān)性，玉米莖稈流量和莖稈流率的回歸方程均達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)，說明回歸結(jié)果是有意義的。

2.3 玉米冠層截留

對玉米冠層的截留量進(jìn)行了測定，其結(jié)果如表2所示。

由表中可知，玉米全生育期內(nèi)冠層截留量平均為0.16 mm，其中幼苗期(LAI=0.27)最小，平均為0.03 mm；抽雄前期(LAI=4.19)最大，平均為0.33 mm，較幼苗期增長了10倍。與噴霧法相比，根據(jù)水量平衡估算的玉米冠層截留量普遍偏低。所以要觀測玉米的最大截留能力，就本研究結(jié)果看，噴霧法較為合適。單株玉米冠層截留量隨玉米生長逐漸增加，但是與降雨量沒有關(guān)系。在降雨過程中，各階段冠層截留量達(dá)到最大后便趨于穩(wěn)定，即莖葉可以承接附著降雨的表面全部潤濕，也稱最大截留能力。因此冠層截留量占降雨量的比例會隨降雨強(qiáng)度或降雨量的增大而降低。以20 mm/h降雨強(qiáng)度為例，當(dāng)玉米生長最為旺盛時(LAI=4.19)，其60 min降雨冠層截留量與降雨量比例為1.30%，而80、120 mm/h下這一比例將會更低，由此也說明作物冠層截留量并不是其降雨再分配的主要部分，其對降雨的空間分異影響很小。

表2 不同測算方法測得玉米冠層截留量Table 2 Interception storage of corn plant using different methods

將玉米全育期內(nèi)的冠層截留量進(jìn)行回歸，得到以下回歸方程。

Ic=0.027·e0.625LAIR2=0.993,F=539.961**

(7)

式中，Ic為單株玉米冠層截留量(mm)；e為自然對數(shù)的底；LAI為玉米葉面積指數(shù)；**為P<0.0001顯著水平。

單株玉米冠層截留量與葉面積指數(shù)具有較高的相關(guān)性。對回歸結(jié)果的F檢驗(yàn)可知，玉米冠層截留量的回歸方程達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)。

作物的截留能力是隨著作物生長而不斷增大的，但是在一定的葉面積指數(shù)下，作物的截留能力是有限的，一旦達(dá)到截留上限，便保持相對穩(wěn)定，降雨強(qiáng)度對其便沒有意義。但是冠層截留機(jī)制和作用依然存在，葉面、枝干匯集的雨水進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為莖稈流和穿透雨。

3 結(jié)論與討論

玉米植株會對降雨產(chǎn)生強(qiáng)烈的再分配作用，再分配作用改變了降雨在地面上的均勻面狀輸入特性，將降雨主要劃分為穿透雨、莖稈流和冠層截留，并以不同的形式進(jìn)入地表或散入大氣。人工模擬降雨條件下，玉米全生育期內(nèi)，降雨經(jīng)過冠層再分配后穿透雨率平均為64%，莖稈流率平均為35%，冠層截留率平均僅占1%。冠下穿透雨與玉米葉面積指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。莖稈流和冠層截留與葉面積指數(shù)均呈正相關(guān)關(guān)系，其中莖稈流與降雨強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

作物冠層對降雨的再分配作用不僅受作物種類、品種、葉型等因素的影響，還與作物種植密度、降雨或噴灌特性等關(guān)系密切。種植密度不同，產(chǎn)生的集水面積也會發(fā)生變化，進(jìn)而對田間的水量分布產(chǎn)生影響[6]。通過對玉米的研究認(rèn)為，玉米種植面積越大，穿透雨所占比例會隨之增加，但是莖稈流率則會隨之降低[4,6,18]。此外本研究中在分析降雨強(qiáng)度對玉米穿透雨的影響時，僅設(shè)計了2個降雨強(qiáng)度，不利于分析。因此在以后的研究中需根據(jù)實(shí)際增加降雨強(qiáng)度梯度，以便于獲得更精確的玉米穿透雨隨降雨強(qiáng)度的變化規(guī)律。

穿透雨降低與莖稈流的增加，對坡耕地土壤侵蝕都具有重要意義。作物冠層對降雨起到緩沖作用，消減降雨動能，使其轉(zhuǎn)化為能量較小的莖稈流和穿透雨。但是穿透雨又因作物形態(tài)不同而差異較大。玉米為高稈作物，其較高的株型使葉緣、葉尖處下落的大雨滴重新獲得了能量，會對冠下濺蝕、增加坡面徑流紊動性產(chǎn)生積極影響。在觀測中我們也注意到，在作物生長旺盛期，玉米的莖稈流量占降雨量比例高達(dá)70%左右，如此多的雨水集中于作物莖稈根部下泄進(jìn)入地表，勢必會對土壤侵蝕產(chǎn)生一定影響。而在野外人工降雨觀測中也發(fā)現(xiàn)玉米根部沿下坡方向有較為明顯的莖稈流侵蝕痕跡。因此應(yīng)重視玉米莖稈流的影響，在提高水分利用的同時，降低其侵蝕危害。作物冠層對降雨再分配作用研究是作物植被影響坡耕地土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展的重要內(nèi)容，也有助于闡明不同作物冠層的水分空間分異和農(nóng)田水量平衡特征，為明晰農(nóng)田生態(tài)水文過程和作物植被固土保水機(jī)理研究提供了理論參考。

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Effects of maize plants on the redistribution of water under simulated rainfall conditions

MA Bo1, 2, LI Zhanbin1, MA Fan2, 3, WU Faqi2,*

1StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China2CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China3InstituteofDesertificationControl,NingxiaAcademyofAgricultureandForestryScience,Yinchuan750002,China

Water from rainfall or sprinkler irrigation is partitioned into four components as it passes through the crop canopy: stemflow, throughfall, interception storage and in-canopy evaporation. The crop canopy significantly changes the distribution of rain water and irrigation water in the canopy and topsoil, thus potentially causing uneven distribution of surface soil water content and altering water use efficiency. The objective of this experiment was to measure throughfall, stemflow, and interception storage at different times during the maize (ZeamaysL.) growing season. Throughfall and stemflow were measured indoors during simulated rainfall events. The spray method was used to measure the interception storage of maize canopies with different leaf area index (LAI). The effects of LAI and rainfall intensity on throughfall, stemflow, and interception storage were analyzed and the spatial distribution of throughfall was clarified. The results showed that there had a significant effect in rainfall redistribution by maize canopy under simulated rainfall. Throughfall accounted for 30.97% to 94.02% of the total rainfall, averaging 63.92% across the entire experiment. Stemflow accounted for 5.98% to 70.42% of the total rainfall, averaging 35.28%.Interception storage ranged from 0.02 mm to 0.43 mm. The average interception storage was 0.16 mm. These amounts were equivalent to less than 1% of the total rainfall amount. The variation of maize canopy had significant effect on rainfall redistribution. The amount of throughfall declined gradually as the maize leaf area index increased, whereas stemflow and interception storage gradually increased. There was close correlation between the throughfall amount and the stemflow amount. As a percentage of the total rainfall amount, throughfall decreased from 93.55% early in the growing season to 36.22% later in the growing season. In contrast, the percentage of stemflow increased from 5.98% to 70.42%. Rainfall intensity showed different effect on throughfall and stemflow. There was a positive correlation between rainfall intensity and throughfall amount. There was also a positive correlation between rainfall intensity and stemflow amount. The ratio of throughfall to total rainfall was not significantly related to rainfall intensity (P>0.05). Similarly, the ratio of stemflow to total rainfall was not was not significantly related to rainfall intensity (P>0.05). The effect of rainfall intensity on throughfall ratio was uncertain, and this effect was restricted and influenced by physiological state of maize plant. The throughfall intensity was large in some region under maize canopy, and even beyond the rainfall intensity, which lead to significant difference of spatial distribution under maize canopy. As the maize grew, the spatial distribution of throughfall gradually became uneven. Rainwater tended to concentrate in the inter-row area. However, when the maize leaves began to decompose at the end of the growing season, the amount of rainwater in the inter-row area decreased. The redistribution of rainfall by maize canopy would make uneven distribution of rainfall on the surface soil. And this would lead to redistribute rainfall energy on the surface soil under maize canopy, which may has large influence on splash detachment and its distribution under maize canopy. This study provides important insights into the effect of the maize canopy on the redistribution of rainfall. The study also provides information about ecological and hydrological processes in far and. Information from this study could be used as a theoretical basis for effectively using agricultural water and for controlling soil erosion on slopes.

corn; stemflow; throughfall; interception storage; rainfall intensity

國家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項目(2007CB407201- 5); 國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目(41330858)

2013- 03- 24;

日期:2014- 03- 25

10.5846/stxb201303240505

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wufaqi@263.net

馬波，李占斌，馬璠，吳發(fā)啟.模擬降雨條件下玉米植株對降雨再分配過程的影響.生態(tài)學(xué)報,2015,35(2):497- 507.

Ma B, Li Z B, Ma F, Wu F Q.Effects of maize plants on the redistribution of water under simulated rainfall conditions.Acta Ecologica Sinica,2015,35(2):497- 507.