模擬降雨條件下玉米植株對降雨再分配過程的影響

馬 波，李占斌，馬 璠，吳發啟

1. 西北農林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 楊凌 712100 2. 西北農林科技大學資源環境學院, 楊凌 712100 3. 寧夏農林科學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，吳發啟2,*

1. 西北農林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 楊凌 712100 2. 西北農林科技大學資源環境學院, 楊凌 712100 3. 寧夏農林科學院荒漠化治理研究所, 銀川 750002

為系統測定玉米(Zeamays)不同生長階段的穿透雨、莖稈流和冠層截留，采用室內模擬降雨法測定了不同降雨強度、不同葉面積指數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。對其進行了量化分析，并探討了三者與玉米葉面積指數和降雨強度的關系，闡明了玉米冠下穿透雨的空間分布特征。結果表明：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此消彼長的關系，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%。降雨強度與穿透雨量和莖稈流量呈正相關關系，但是二者占總降雨量的比例與降雨強度關系不顯著(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，可為農田水分有效利用、農田生態水文過程機理和坡耕地土壤侵蝕防治提供理論依據。

玉米; 莖稈流; 穿透雨; 冠層截留; 降雨強度

水土資源是農田生態系統中最為重要的自然資源， 但隨著我國人口增長和經濟的發展，迫使農田生態環境日益惡化，干旱缺水和水土流失已經嚴重威脅我國的農業發展和糧食安全。中國農田面積占國土面積19%，是僅次于草地和森林的第三大植被生態系統[1- 2]。對于農田生態系統而言，水循環過程與作物生長關系密切，對農業節水和糧食增產都有重要的影響[3]。作物冠層對降雨或噴灌水具有攔截再分配作用，其結果是使其轉變為穿透雨、莖稈流、冠層截留和冠層內蒸散發四部分，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，冠層內蒸散發為降雨或噴灌過程中附著于枝葉表面并蒸發掉的水量，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蒸散發的前提下，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外研究的焦點。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]。但是不同學者的觀測結果差異較大，例如Quinn和Laflen[18]通過測定發現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。國內相關研究也得出相差較大的結論，李王成等[23]的觀測結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驗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小；對于這方面的研究，大部分是以噴灌為背景的，因為冠層截留作為噴灌水量的損失，其多寡關系到噴灌是否節水的爭論[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生一定的影響[18,21]。本研究的目的是系統測定玉米不同生長階段的穿透雨、莖稈流和冠層截留，對其進行量化分析并探尋三者與玉米葉面積指數和降雨強度之間的關系，為提高農田水分利用效率、完善農田生態水文過程機理和作物植被固土保水機制研究提供了參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗在西北農林科技大學資源環境學院水土保持工程實驗室人工降雨大廳進行。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日種植于實驗室鄰近的教學實驗種植園內，行距60 cm、株距25 cm。玉米的種植與管理按當地農作習慣進行，并依據玉米生長和葉片數量及面積將玉米生育期劃分為幼苗期、拔節初期、拔節中期、拔節中后期、抽雄前期和抽雄后期6個生長階段，根據各項試驗的實際需要將玉米植株移植到降雨大廳分別進行試驗。在玉米生長季內每次隨機采取玉米分別進行穿透雨、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度下各測定1次。

本試驗所用人工降雨裝置為中國科學院水利部水土保持研究所研制的下噴式降雨機。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-閥門開關組合來實現供水壓強的調節，可以達到調節降雨強度的目的，可實現的降雨強度范圍為20—160 mm/h。經測定，調節至任一噴頭-壓強組合下的降雨強度是穩定的，可以為試驗采用。

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2行玉米植株齊地面剪斷(每行4株，共計8株)，并迅速轉移至室內按田間株行距豎直固定在鐵質支架上并置于降雨機下方。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，用內徑5.5 cm高7 cm的有機玻璃杯按圖1所示以矩陣的方式置于作物冠下行間區域。為避免玉米葉緣葉尖處形成的水量過大超過雨量筒量程，故在設計降雨強度下降雨30 min，然后收集測量各玻璃杯水量，并計算各點降雨量及降雨強度。再將作物移開，將玻璃杯再次按原位置擺放并在當前設計降雨強度下繼續降雨30 min，以觀測對應降雨強度下裸地的降雨量。上述觀測結束后將降雨強度調整其他設定值后，重復以上觀測試驗。根據當地夏秋兩季多大到暴雨的特點，設計降雨強度為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度下各測定1次。將單位面積單位時間內的穿透雨量與其相應的降雨量相除，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束后，測定各株玉米的葉面積，并計算葉面積指數。

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)。每次試驗時隨機采取12株玉米帶至室內，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下進行降雨觀測，為避免玉米成熟期莖稈流量過大，超過收集裝置的容量，故將各降雨強度下的降雨歷時設為10 min。降雨結束后，用量筒測定各株玉米產生的莖稈流量。再在莖稈流收集筒的相應位置各放置一個口徑為8.3 cm的雨量筒，在當前降雨強度下降雨10 min，然后測量水量計算各位置點的實測雨強。為全面分析玉米莖稈流隨降雨強度的變化，結合當地夏秋兩季多大到暴雨的特點，將上述試驗過程分別在20、40、60、80、100和120 mm/h設計降雨強度下分別進行觀測。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。待該階段觀測結束后，測定各株玉米的葉面積，并計算葉面積指數。

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。迅速將作物植株轉移至室內稱重。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，噴霧強度為0.3 mm/min，當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)。待該階段觀測結束后，測定各株玉米的葉面積，并計算葉面積指數。

1.5 玉米葉面積指數測定

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，計算單株玉米的總葉面積AL[28]：

(1)

式中，AL為單株玉米總葉面積，cm2；k為修正系數，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。

玉米葉面積指數：

(2)

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

2 結果與分析

2.1 玉米冠下穿透雨

2.1.1 玉米冠下穿透雨強度特征

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度(mm/h)。由圖3中可知，玉米全生育期內平均穿透雨強度為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，冠下穿透雨量也最小，占冠上總降雨量比例約為31%—41%。但是玉米進入抽雄后期(LAI=3.67)，由于營養生長逐漸由盛轉衰，冠下穿透雨強度又有所上升，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等自身生理指標的影響，同時也受到降雨強度的影響。30 min降雨歷時條件下，全生育期內80 mm/h下的平均穿透雨強度為52.02 mm/h，是40 mm/h下的1.9倍。隨著玉米的生長，不同降雨強度下的穿透雨強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。當玉米植株較小時，葉片也較小較柔弱，受降雨打擊后，易發生向下彎曲變形且在受到打擊的同時葉片發生較大震動，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地表。而隨著玉米生長，植株承受降雨打擊的能力加強，葉片也較為寬大，使降雨能更有效地轉化為莖稈流等其他形式，從而大大減少了穿透雨量。當雨強較小時(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，玉米穿透雨強度與玉米葉面積指數存在顯著差異(P<0.05)，與降雨強度存在極顯著差異(P<0.01)。

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

將不同降雨強度下玉米全育期內的穿透雨進行回歸分析可知，玉米穿透雨強度和穿透雨率與各因子具有較高的線性相關性，回歸結果如下所示:

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度(mm/h)；RTH為穿透雨率(%)；LAI為葉面積指數；I為降雨強度(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度隨葉面積指數的增加呈降低趨勢，但是在實驗過程中經測定，在玉米生長旺盛期冠下某些位置的穿透雨強度較大，甚至超過了降雨強度。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域劃分為如圖1所示的葉下空間和行中區域，則兩個區域的穿透雨強度及其變化存在較大差異(表1)。以40 mm/h降雨強度下的穿透雨強度為例，平均冠下穿透雨強度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，冠下各點之間的穿透雨強度差異越來越大，分布越來越不均勻。而40 mm/h降雨強度下，各生長階段的CV值略高于80 mm/h降雨強度下的相應CV值，說明小雨強下玉米冠下穿透雨空間分布不均勻性較高。這是因為大雨強下，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增加；加之雨量較大，使產生較大穿透雨量的位置數量也有所增加，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 Rainfall intensity in the region direct under the canopy; 行中雨強 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 Average throughfall intensity under canopy;平均冠下雨強變異系數 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，玉米幼苗期至拔節期間(LAI=0.26—3.09)，行中穿透雨強度明顯高于葉下區域，且差異隨著生長逐漸呈增大趨勢。在40 mm/h降雨強度下，兩個區域穿透雨強度的差異率由10.98%增加至49.39%；80 mm/h降雨強度下行中穿透雨強度與葉下區域的差異率普遍小于40 mm/h降雨強度，并由幼苗期(LAI=0.26)的7.75%提高至拔節中后期(LAI=3.09)的35.82%。這也說明降雨強度對玉米冠下穿透雨的分布有一定影響。降雨強度較小時，穿透雨更傾向于向行中集中，而降雨強度較大時，冠下穿透雨分布傾向于均勻分布。然而進入抽雄前期以后，行中穿透雨又略小于葉下，隨后又略高于葉下。這可能是因為玉米生長最為旺盛時期對行間空地的覆蓋度更高的緣故。而當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又上升。根據玉米的生長變化，不難看出，冠下穿透雨的空間分布具有一定規律性。以40 mm/h為例，各生長階段的冠下穿透雨強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域內有所作用，但由于植株過小，行間大部分區域沒有被葉片覆蓋，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域集中，在拔節初期主要集中于行間10—20 cm之間區域，但是在20—30 cm的行中區域的穿透雨依然較大，且以降雨直接到達地表為主(圖4)。而進入拔節中后期，穿透雨主要集中于行正中20 cm寬度(20—30 cm區域)的區域內，其強度最大可到達111.67 mm/h，遠遠高于40 mm/h的降雨強度(圖4)。但進行抽雄后期以后，穿透雨集中點多分布于10—20 cm空間范圍內，較拔節中后期相比，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域上空，因此減少了行中區域穿透雨量，增加了另外一行玉米葉下區域的穿透雨量，使其空間分布相對均勻。但進入抽雄后期，玉米營養生長由盛轉衰，隨著部分老葉片脫落，以及部分葉片形態發生較大改變，致使穿透雨又一次集中于行正中20 cm的行中區域(圖4)。綜上所述，由于玉米特殊的形態結構，使降雨經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遠遠大于降雨強度的極端值。在實際觀測中，我們也發現出現這種極端值或較大穿透雨的區域往往是葉尖滴水和葉緣凹向下方形成匯集出水斷面的地方。而這種特征又往往具有隨機性，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。玉米全生育期內平均莖稈流量為24.11 mm/h，占降雨量比例可達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，并在生長旺盛期達到峰值，其莖稈流量可占降雨量達70%左右，而在20 mm/h降雨強度下更是高達76%。

在同一降雨強度下，單株玉米莖稈流量及莖稈流率隨葉面積增加呈現增大趨勢。由圖5a可知，玉米莖稈流量隨葉面積指數和降雨強度呈顯著增大的趨勢。當降雨強度較小時(20—40 mm/h)，莖稈流量變化較為平緩，當降雨強度較大時(≥60 mm/h)，隨雨強增大其莖稈流量上升幅度也逐漸增大。其中降雨強度為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，其較強的雨滴動能打擊使葉片產生較大震動，從而影響雨水在葉面上的移動方向，進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，導致降雨更多地以穿透雨形式接觸地表；而當植株較大時(LAI>1.50),逐漸強壯的植株使這種影響慢慢降低，加之漏斗型的特殊形態，在降雨量較大時更有利于匯集雨水至葉基內側形成莖稈流。因此，在同一葉面積指數下，降雨強度對莖稈流的影響較為顯著，隨降雨強度呈現增大趨勢；并且這種趨勢隨著玉米生長逐漸擴大。各降雨強度下的莖稈流率隨玉米生長的關系與莖稈流量具有相似的變化規律。但是同一生長階段不同降雨強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和降雨強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存在極顯著差異(P<0.01)，與降雨強度不存在顯著差異(P>0.05)。說明降雨強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。將不同降雨強度下玉米全育期內的莖稈流進行回歸分析，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；I為降雨強度(mm/h)；**為P<0.0001顯著水平。

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

2.3 玉米冠層截留

對玉米冠層的截留量進行了測定，其結果如表2所示。

由表中可知，玉米全生育期內冠層截留量平均為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系。在降雨過程中，各階段冠層截留量達到最大后便趨于穩定，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度或降雨量的增大而降低。以20 mm/h降雨強度為例，當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

將玉米全育期內的冠層截留量進行回歸，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為自然對數的底；LAI為玉米葉面積指數；**為P<0.0001顯著水平。

單株玉米冠層截留量與葉面積指數具有較高的相關性。對回歸結果的F檢驗可知，玉米冠層截留量的回歸方程達到了極顯著水平(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下，作物的截留能力是有限的，一旦達到截留上限，便保持相對穩定，降雨強度對其便沒有意義。但是冠層截留機制和作用依然存在，葉面、枝干匯集的雨水進一步轉化為莖稈流和穿透雨。

3 結論與討論

玉米植株會對降雨產生強烈的再分配作用，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，并以不同的形式進入地表或散入大氣。人工模擬降雨條件下，玉米全生育期內，降雨經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呈負相關關系，與降雨強度呈正相關關系。莖稈流和冠層截留與葉面積指數均呈正相關關系，其中莖稈流與降雨強度呈負相關關系。

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系密切。種植密度不同，產生的集水面積也會發生變化，進而對田間的水量分布產生影響[6]。通過對玉米的研究認為，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度對玉米穿透雨的影響時，僅設計了2個降雨強度，不利于分析。因此在以后的研究中需根據實際增加降雨強度梯度，以便于獲得更精確的玉米穿透雨隨降雨強度的變化規律。

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70%左右，如此多的雨水集中于作物莖稈根部下泄進入地表，勢必會對土壤侵蝕產生一定影響。而在野外人工降雨觀測中也發現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生發展的重要內容，也有助于闡明不同作物冠層的水分空間分異和農田水量平衡特征，為明晰農田生態水文過程和作物植被固土保水機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”重點基礎研究項目(2007CB407201- 5); 國家自然科學基金重點項目(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.生態學報,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.