甘蔗冠層對(duì)降雨再分配的影響

余長(zhǎng)洪， 李就好， 陳 凱， 姜俊紅， 陳楚涓

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

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甘蔗冠層對(duì)降雨再分配的影響

余長(zhǎng)洪， 李就好， 陳 凱， 姜俊紅， 陳楚涓

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

摘要：[目的] 研究作物植被對(duì)于土壤侵蝕的防治作用，為磚紅壤區(qū)土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的建立提供作物參數(shù)。[方法] 通過(guò)室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)，測(cè)定了甘蔗不同生育期不同降雨強(qiáng)度條件下的穿透雨量、莖桿流量和冠層截留量，分析葉面積指數(shù)對(duì)于降雨再分配的影響。[結(jié)果] 穿透雨量、莖桿流量和冠層截留量分別從甘蔗幼苗期的94.7%，5.1%，0.3%變化為成熟期的49.4%，47.3%和3.4%。[結(jié)論] 葉面積指數(shù)與穿透雨量呈顯著負(fù)線性相關(guān)，與莖桿流量和冠層截留量呈顯著正線性相關(guān)。

關(guān)鍵詞：甘蔗； 穿透雨； 莖桿流； 冠層截留； 水土保持

作物植被對(duì)于土壤侵蝕的防治作用主要體現(xiàn)在作物植被對(duì)降雨的再分配、改善土壤結(jié)構(gòu)，從而增大入滲、減小徑流、減少土壤侵蝕。在作物對(duì)降雨的再分配中，穿透雨、莖桿流和冠層截留每個(gè)部分對(duì)于土壤侵蝕的影響都是不同的，這3個(gè)部分的比例研究已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)[1-7]。

甘蔗是中國(guó)廣東省磚紅壤區(qū)的第二大種植作物，規(guī)模達(dá)到1.53×105hm2[8]，主要種植在旱坡地上。本文結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際，研究甘蔗對(duì)降雨的再分配作用，以期為磚紅壤區(qū)土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的建立提供作物參數(shù)，為該地區(qū)的水土保持工作提供理論指導(dǎo)。

1材料與方法

1.1　試驗(yàn)材料

以廣東省磚紅壤為研究土壤，以該地區(qū)主要作物甘蔗為研究作物，甘蔗使用新臺(tái)糖22號(hào)(ROC22)。2012年7月在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院水土保持室外試驗(yàn)室土槽內(nèi)種植甘蔗，進(jìn)行穿透雨及莖桿流的測(cè)定試驗(yàn)。

1.2　試驗(yàn)方法

1.2.1土槽準(zhǔn)備及作物種植試驗(yàn)?zāi)M降雨試驗(yàn)區(qū)域?yàn)?.0 m×1.0 m內(nèi)，模擬降雨的高度為5.0 m。試驗(yàn)用土槽的坡度為10°，土槽內(nèi)底部鋪一層紗網(wǎng)，上方填45 cm厚磚紅壤，填充用磚紅壤需經(jīng)過(guò)風(fēng)干、破碎、過(guò)5 mm孔篩網(wǎng)、加拌化肥處理。填充土槽后用小降雨強(qiáng)度進(jìn)行降雨濕潤(rùn)，直到產(chǎn)流為止。靜置48 h，種植甘蔗。甘蔗種植行距為0.80 m，株距為0.25 m。

1.2.2葉面積指數(shù)的測(cè)定測(cè)定葉面積指數(shù)是采用美國(guó)CID公司制造的CI-110作物冠層數(shù)字圖象分析儀。作物冠層數(shù)字圖像分析儀CI-110利用魚眼鏡頭和CCD圖像傳感器來(lái)獲取植物冠層圖像并通過(guò)專業(yè)分析軟件Plant Canopy Analysis System分析，獲得作物葉面積指數(shù)。

1.2.3穿透雨的測(cè)定用內(nèi)徑6.8 cm，外徑7.0 cm，高度8.0 cm的塑料杯作為雨量收集容器，在甘蔗2個(gè)行間進(jìn)行布置，布置5排，排間間距為0.1 m，每排14個(gè)。在測(cè)定穿透雨前，進(jìn)行模擬降雨器的降雨強(qiáng)度率定。試驗(yàn)降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)為75，100，125，150 mm/h，模擬降雨時(shí)間為20 min。考慮降雨時(shí)間間隔對(duì)冠層截留能力的影響及甘蔗的生長(zhǎng)狀況，不同降雨強(qiáng)度之間的試驗(yàn)時(shí)間間隔為3 h。

1.2.4莖桿流的測(cè)定采用包裹引流法[9]，在作物自地面以上0.1~0.2 m處用軟管(管徑大于甘蔗莖桿直徑，縱向切割)包裹莖干(上端與莖桿留有空隙，下端與莖桿相連)，以喉箍緊固，再配合生料帶等進(jìn)行堵漏。

通過(guò)細(xì)管引流至外層軟管(直徑3~4 cm，可以縱向切割軟管，但保持其末端完整，以接入集水容器)，外層軟管用密封膠固定于莖桿，下端與集水容器(人工稱重的水桶)相連。莖桿流的測(cè)定與穿透雨的測(cè)定同時(shí)進(jìn)行，試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)均為2次。

1.2.5冠層截留的計(jì)算冠層截留根據(jù)水量平衡間接計(jì)算[10-12]，其計(jì)算公式如下：

Ris=100-Rth-Rs

(1)

式中：Ris——冠層截留占總降雨量比例；Rth——穿透雨占總降雨量比例；Rs——莖桿流占總降雨量比例。

2結(jié)果與分析

2.1　甘蔗的冠下穿透雨

不同生育期不同降雨強(qiáng)度情況下的平均甘蔗穿透雨如表1所示。從表1中可以看出，隨著甘蔗的生長(zhǎng)，穿透雨量呈不斷減小的趨勢(shì)，說(shuō)明甘蔗的葉片對(duì)于降雨強(qiáng)度大小的分配作用隨著的作物生長(zhǎng)越來(lái)越大。

從試驗(yàn)過(guò)程中觀察發(fā)現(xiàn)，植被旁的雨量收集杯水量大多數(shù)都明顯小于其他排的水量，同時(shí)，雨滴經(jīng)過(guò)植被下落時(shí)，一部分向葉片莖桿處匯聚形成莖桿流，而另一部分則向葉尖匯集形成持續(xù)不斷的大雨滴落到地面，形成了穿透雨。這些都是造成降雨經(jīng)過(guò)植株后空間分配不均勻的原因。

表1　甘蔗對(duì)降雨再分配

進(jìn)行穿透雨占總降雨量比例與葉面積指數(shù)的回歸分析，結(jié)果表明穿透雨占總降雨量比例與葉面積指數(shù)呈線性關(guān)系，具體擬合結(jié)果如下：

(2)

式中：Rth——穿透雨占總降雨量比例(%)； LAI——葉面積指數(shù)。下同。

對(duì)式(2)進(jìn)行F檢驗(yàn)可以得到F=792.08，大于F0.01(1，14)=8.86，這表明用葉面積指數(shù)擬合穿透雨占總降雨量的比例是極顯著的，因此，可以用葉面積指數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)穿透雨占總降雨量的比例。

2.2　甘蔗的莖桿流

甘蔗不同生育期的平均莖桿流如表1所示，從表1可以看出，甘蔗的莖桿流隨著甘蔗的生長(zhǎng)而不斷增加，這是因?yàn)殡S著甘蔗的生長(zhǎng)，其葉片逐漸變大，匯聚雨水至莖桿，從而形成莖桿流的能力逐漸增強(qiáng)。

進(jìn)行莖桿流占總降雨量比例與葉面積指數(shù)的回歸分析，結(jié)果表明莖桿流占總降雨量比例與葉面積指數(shù)呈線性關(guān)系，具體擬合結(jié)果如下：

(3)

式中：Rs——莖桿流占總降雨量比例(%)。

對(duì)式(3)進(jìn)行F檢驗(yàn)可得F=644.43，大于F0.01(1，14)=8.86，這表明用葉面積指數(shù)擬合莖桿流占總降雨量的比例是極顯著的，因此，可以用葉面積指數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)莖桿流占總降雨量的比例。

2.3　甘蔗的冠層截留

根據(jù)公式1計(jì)算甘蔗不同生育期的冠層截留，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，甘蔗的冠層截留隨著甘蔗的生長(zhǎng)而不斷增加，這是因?yàn)殡S著甘蔗的生長(zhǎng)，其葉片逐漸變大，冠層截留能力逐漸增強(qiáng)。甘蔗最大冠層截留占總降雨量的比例為成熟期的3.4%，總體來(lái)說(shuō)，甘蔗冠層截留在大降雨強(qiáng)度的情況下，所占總降雨量的比例很小，與林冠截留率相差很大。

國(guó)內(nèi)外研究表明，林冠截留率一般在10%～30%[13-15]。這是因?yàn)樯至止谙鄬?duì)甘蔗冠層更大更密，其截留能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于甘蔗冠層的截留能力。

3結(jié)論與討論

(1) 根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)，隨著甘蔗的生長(zhǎng)，模擬土槽地表徑流和泥沙產(chǎn)生總體情況均表現(xiàn)為減少，這主要是因?yàn)楦收峁趯訉?duì)降雨的再分配作用。甘蔗在降雨到達(dá)地面以前改變了其空間分布，將降雨量分為冠層截留量、莖桿流量和冠下穿透雨量。

(2) 冠層截留部分降雨永遠(yuǎn)到達(dá)不了地面，對(duì)土壤不產(chǎn)生侵蝕作用，冠層截留占總降雨量的比例從幼苗期的0.3%上升到成熟期的3.4%，表現(xiàn)為隨葉面積指數(shù)的增大而增大。

(3) 莖桿流使降雨雨滴不能直接打擊地表表面，形成不了濺蝕，降低了土壤侵蝕發(fā)生的可能性。但同時(shí)，當(dāng)土壤含水率較高時(shí)，莖桿流容易在甘蔗與地表連接部位發(fā)生匯流作用，對(duì)土壤侵蝕有一定的促進(jìn)作用。甘蔗莖桿流從幼苗期的5%上升到成熟期的47%，表現(xiàn)為隨葉面積指數(shù)的增大而增大，兩者呈線性關(guān)系。

(4 )穿透雨與莖桿流兩者呈此消彼長(zhǎng)的趨勢(shì)。穿透雨是直接造成甘蔗地土壤侵蝕的動(dòng)力。穿透雨分為3種情況，一種是降雨穿過(guò)冠層的空隙到達(dá)地面，這部分降雨不受冠層的影響，對(duì)地表的侵蝕作用較強(qiáng)；一種是降雨雨滴打擊冠層后濺到地面，這部分降雨的動(dòng)能受冠層的影響而削弱，從而減小了降雨對(duì)土壤團(tuán)聚體的破壞，這部分對(duì)地表的侵蝕作用較弱；還有一種是降雨雨滴在冠層匯集至葉尖，形成大雨滴降落到地面，這部分降雨對(duì)地表的侵蝕作用較強(qiáng)。甘蔗冠下穿透雨從幼苗期的95%下降到成熟期的49%，表現(xiàn)為隨甘蔗葉面積指數(shù)的增大而減小，兩者呈線性關(guān)系。

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Effects of Sugarcane Canopy on Rainfall Redistribution

YU Changhong, LI Jiuhao, CHEN Kai, JIANG Junhong, CHEN Chujuan

(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,

SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou,Guangdong510640,China)

Abstract：[Objective] To study the effects of crop vegetation on the prevention and control of soil erosion in order to provide crop parameters to establish erosion prediction model for the laterite area.[Methods] Through the artificial rainfall simulation experiment, throughfall, stemflow and canopy interception were measured in different growth stages of sugarcane and different rainfall intensity conditions, and leaf area index for the effects of rainfall redistribution were analyzed.[Results] The throughfall, stemflow and canopy interception changed from 94.7%, 5.1% and 0.3% in the sugarcane seedling stage to 49.4%, 47.3% and 3.4% in the mature stage, respectively. [Conclusion] The sugarcane leaf area index had a significant negative linear correlation with throughfall, and a significantly positive linear correlation with the stemflow and canopy interception.

Keywords:sugarcane; throughfall; stemflow; canopy interception; soil and water conservation

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)03-0085-03

中圖分類號(hào)：S157.1

通信作者：李就好(1963—),男(漢族),江西省萬(wàn)年縣人,博士,教授,主要從事水土保持技術(shù)相關(guān)研究。E-mail:jhli@scau.edu.cn。

收稿日期：2014-03-14修回日期：2014-04-15

資助項(xiàng)目：廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目“強(qiáng)降雨條件下雷州半島坡耕地土壤侵蝕研究與應(yīng)用示范”(2011B020309006)

第一作者：余長(zhǎng)洪(1980—),男(漢族),江蘇省東臺(tái)市人,博士,講師,主要從事水土保持技術(shù)相關(guān)研究。E-mail:yuchanghong@scau.edu.cn。