遼寧西部地區不同生育期玉米穿透雨特征及其影響因素研究

郭 銘，凡久彬，楊 寧，何俊仕

（1.沈陽農業大學水利學院，沈陽 110866；2.遼寧省水利水電科學研究院有限責任公司，沈陽 110003；3.遼寧省農業科學院，沈陽 110161）

0 引 言

作物冠層是指作物莖干以上連同集生枝葉的部分。降雨經過作物冠層后被重新分配為莖稈流、穿透雨和冠層截留三部分[1]，其中穿透雨是降雨通過冠層間隙或經過冠層復雜結構滴落到地面的部分[2]，是作物冠下降雨的重要形式。已有研究表明[3-6]：穿透雨顯著影響著土壤水分分布、養分循環利用、徑流形成以及土壤侵蝕等，是區域水循環和水生態研究中的重要一環。

以往的穿透雨研究多集中于林冠，近年來玉米等農作物的穿透雨研究逐漸增多。王迪等[7]以噴灌條件下的成熟玉米為研究對象，發現其穿透雨量占冠層上部水量的45.4%，穿透雨量隨冠層上部水量增加而線性增加；鄭子成等[8]通過人工降雨試驗研究發現，玉米全生育期平均穿透雨率為56.19%，降雨強度與穿透雨量之間呈現顯著正相關性，與葉面積指數之間呈現顯著負相關性；馬波等[9]對人工降雨下單株玉米的穿透雨進行了測定，發現穿透雨量約占整個生育期降雨量的63.92%，降雨強度與穿透雨量之間呈現顯著正相關性，與葉面積指數之間呈現顯著負相關性；Nazari等[10]測定的自然降雨和人工降雨下的穿透雨率分別為58.1%和67.2%，穿透雨率隨著葉面積指數和株高的變化而變化。以往的研究表明，降雨量、降雨強度等降雨特征和葉面積指數、株高等作物形態特征是影響玉米穿透雨的重要因素，由于不同研究地區降雨特征和作物形態特征不同，因此以往的穿透雨研究成果存在較大的差異，其研究成果不能直接用于其他地區，特定地區的穿透雨規律仍需根據其降雨及作物生長特點進行研究。已有研究也未對不同生育期玉米穿透雨過程的差異性進行深入分析，各影響因素在不同生育階段對穿透雨的影響效果的差異狀況尚不明確，仍需進一步研究。

遼寧省是中國13個糧食主產區之一，玉米主要種植面積每年穩定在200 萬hm2以上，其中遼西地區種植面積占全省的2∕3以上，產量占75%以上，該區域的玉米生產對遼寧省仍至中國的糧食安全至關重要[11]。然而該地區屬于半干旱地區，灌溉水資源匱乏[12]，當地農作物生長用水主要依靠自然降水，土壤水分虧缺是農業干旱發生的主要因素[13]。穿透雨的研究，對分析當地土壤水分和溶質運移等至關重要。因此，本研究通過系統測定降雨特征、玉米形態特征以及玉米穿透雨，進一步分析降雨特征、玉米形態對玉米全生育期穿透雨的影響規律。目的是量化遼西地區不同生育期及不同降雨等級條件下的穿透雨率，分析玉米穿透雨的影響規律，并深入研究不同生育期穿透雨過程的差異性，為完善農田水循環理論提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

本研究區于2015-2016年在遼寧省朝陽市建平縣灌溉試驗站進行，試驗地位于遼寧西部（E119°18'36"，N41°47'18"，海拔512 m），屬干旱與半干旱過渡帶季風型大陸性氣候，耕層土壤以砂壤土為主，多年平均氣溫7.1 ℃，有效積溫3 200 ℃，無霜期125～133 d，多年平均蒸發量1 800 mm，多年平均降水量451.2 mm，降雨量年際變化大，春季干旱頻發。當地玉米種植模式為一年一熟，生育期從4月下旬至9月上旬。土壤為褐土，質地為砂壤土，土壤田間最大持水率21%，容重1.4 g∕cm3，項目區土壤養分平均含量是有機質為1.06%，全氮0.065%，速效磷為4.55×10-6，速效鉀為110.1×10-6，土壤肥力屬于中等。

1.2 試驗設計

1.2.1 試驗布置

本試驗采用天然降雨進行，品種為當地常用品種“遼單1211”，試驗采用玉米大壟雙行種植方式（寬壟距60 cm，窄壟距40 cm），栽培密度采用該品種在當地常用密度7.2 萬株∕hm2（根據栽培密度、壟距確定株距），灌溉方式為膜下滴灌。2015、2016年播種日期分別為4月23日和4月25日。

1.2.2 觀測項目與方法

（1）降雨量及降雨強度觀測。降雨量及降雨強度由自動氣象站實時觀測，自動氣象站設置在距試驗小區10 m的開闊處，自動記錄降雨期間每小時內的降水量（mm）。為提高測量精度，參考韓雪等[14]的方法進行人工校正，在試驗小區周圍開闊處布置3個承雨桶。單次降雨事件（連續降雨中間斷不超過1 h為一次降雨事件）結束之后30 min內，采用灌溉試驗站自動雨量站觀測記錄降雨量（mm）和降雨強度（mm∕h），根據布置的3個承雨桶校核總降雨量（mm）。

（2）穿透雨量（TF）。試驗采取在單株玉米周圍3個方向密集布設量雨筒的方法來觀測穿透水量，其中寬行間布置6個量雨筒，窄行間布置2個量雨筒，株間布置2個量雨筒，將不同方向上的量雨筒計算出算術平均值，然后折算成水深（mm），即為該測點穿透雨量。在試驗小區平行布置3個測點，作為3次重復，降雨事件的棵間穿透雨量為3測點平均值。

（3）株高和葉面積指數（LAI）。降雨前，隨機選取5株玉米，對玉米植株的葉面積和株高進行測定。株高采用鋼卷尺直接量測，葉面積指數參考李棟浩等[15]的方法，以玉米葉片的最大寬度（W）和最大長度（L）以及回歸系數計算葉面積，再除以玉米對應面積（A），即為葉面積指數。

1.3 數據統計

（1）采用單因素方差分析檢驗降雨特征和玉米形態特征與穿透雨特征的關系。

（2）采用Microsoft Excel 2016 software對原始數據進行錄入、整理和制圖等。

（3）采用SPSS 19.0進行相關性分析、方差分析以及回歸分析等。

2 結果與分析

2.1 降雨特征、玉米生長特征和穿透雨

2015-2016年的6-8月進行了天然降雨條件下玉米穿透雨特征試驗，試驗對2015年的15次降雨事件和2016年的13次降雨事件及降雨期間的降雨特征、玉米生長特征和穿透雨特征進行了測定（圖1和圖2）。

圖1 降雨量特征及穿透雨Fig.1 Rainfall characteristics and throughfall

圖2 玉米生長特征Fig.2 Growth characteristics of maize

2.2 降雨量對穿透雨的影響

穿透雨量是指在降雨過程中，雨滴穿過作物冠層間隙直接到達地面或先接觸作物葉片后在散落于地面的那部分水量。為了探討降雨量和穿透雨量之間的聯系，對玉米不同生育期的降雨量與穿透雨量進行了回歸分析（圖3）。結果表明，降雨量與穿透雨量之間呈現顯極著正相關關系（P＜0.01）。這與郝建芝等[16]的研究結果相同。這主要是因為在降雨過程中，較大的降雨量為穿透雨提供了較多的水量來源，降雨量越大，通過玉米冠層降落到地面的穿透雨量就越多。各生育期回歸方程的回歸線斜率不同，說明在降雨量相同的條件下，不同生育期產生的穿透雨量大小不同，呈現出拔節期＞成熟期＞抽雄期的規律，其中抽雄期與成熟期接近，但明顯小于拔節期。在拔節期降雨量每增加1 mm平均可以產生約0.67 mm的穿透雨量，而在抽雄期僅為0.39 mm，幾乎為拔節期的一半。

圖3 降雨量對穿透雨量的影響Fig.3 Influence of rainfall on throughfall

2.3 平均降雨強度對穿透雨的影響

各生育期降雨強度與穿透雨率回歸分析的顯著性不同，在拔節期呈現出顯著正相關性（P＜0.05）（圖4），但在抽雄期和成熟期則不顯著。拔節期回歸方程的回歸線斜率也要明顯大于抽雄期和成熟期，說明在拔節期隨著降雨強度的增加，穿透雨率增長的速度更快。在拔節期降雨強度每增加1 mm∕h，穿透雨率可以增長5%，而在抽雄期和成熟期的變化則并不明顯。這是由于降雨強度不僅代表了單位時間內的降雨量，也體現了更大的雨滴和更強的雨滴動能，作用在玉米葉片上增大了葉片的晃動幅度，從而影響了作物冠層對降雨的攔截和匯集作用。在拔節期玉米尚未完全發育成熟，葉片抗擾動能力較差，降雨強度對再分配的影響比較強烈，但進入抽雄期后玉米冠層逐漸強壯，雨滴動能對其影響減弱。

圖4 降雨強度對穿透雨率的影響Fig.4 Influence of rainfall intensity on Throughfall rate

2.4 葉面積指數對莖稈流率的影響

玉米降雨再分配過程中，降雨首先到達玉米葉表面，一部分雨水被葉片攔截和聚集并沿葉表面流向植物的莖，順著莖流到土壤表面并滲入莖周圍的土壤，另一部分雨水穿過玉米冠層后直接落于地面或經冠層攔截后從葉片滴落地面。因此，玉米葉片是影響穿透雨的重要因素。葉面積指數與穿透雨的回歸分析顯示（圖5）：在玉米各生育期，玉米葉面積指數與穿透雨率呈顯著負相關關系（P＜0.01）。葉面積指數越大，攔截和匯集的降雨越多，而穿透雨越少。這與以往的研究結果相同[9]，同樣的結果也體現在大豆等其他作物上[17]。當葉面積指數相同時，降雨量級對相同葉面積指數下的穿透雨率影響不大。

圖5 葉面積指數對莖稈流率的影響Fig.5 Influence of leaf area index on Throughfall rate

2.5 株高對莖稈流率的影響

在玉米各生育期，株高與穿透雨率呈顯著負相關關系（P＜0.01）[圖6（a）]。這是因為株高和葉面積指數呈顯著正相關（P＜0.01）（圖7），隨著株高的增加，葉面積指數也隨之增加。不同株高階段的回歸分析顯示[圖6（b）]：當株高為50～100 mm時（拔節期），回歸線的斜率最大，表示穿透雨率隨株高增加而降低的速度最快。當株高100～300 mm時，回歸線的斜率減小，表示隨株高的增加，穿透雨率降低速度變緩。這主要是因為冠層對降雨攔截作用主要依靠頂層葉片，隨株高的增加，底層葉片逐漸增多，而由于葉片的重疊削弱了冠層對降雨的攔截作用。當株高在接近300 cm時，穿透雨率有較大的差異。這是由于玉米生長后期葉面積指數發生變化造成的。抽雄期玉米最大株高接近300 cm，葉面積指數也達到峰值，此時穿透雨率最小。而在玉米生長后期，株高變化幅度較小，但玉米葉片開始逐漸衰退，大量葉片發生枯萎彎曲，導致葉面積指數逐漸減小，穿透雨率也隨之減小。因此，與株高相比，葉面積指數是影響穿透雨率的更直接因素。

圖6 株高對莖稈流率的影響Fig.6 Influence of plant height on Throughfall rate

圖7 株高和葉面積指數的關系Fig.7 Relationship between plant height and LAI

3 討 論

本研究中，玉米平均穿透雨率為51.22%，這與以往的研究結果有一定的差異。造成這種結果可能有以下原因：①種植密度和品種不同。本試驗中玉米的種植密度為7.2 萬株∕hm2，而已有研究中種植密度從5 萬株∕hm2到8 萬株∕hm2不等。不同的種植密度影響了玉米的葉面積指數，從而影響了玉米冠層的降雨再分配，這在Quinn and Laflen[18]的研究中已經被證實。不同地區的種植玉米品種也不相同，這也造成了葉面積指數等玉米形態特征的差異，進而造成了穿透雨的差異。②降雨特征不同。已有研究中，多采用人工降雨試驗，降雨強度大、歷時短。而本研究采用天然降雨，降雨強度小、歷時長，這會增加降雨期間玉米冠層截留，影響玉米冠層的降雨再分配結果[19]。Nazari等[10]的研究也驗證了天然降雨和人工降雨試驗在穿透結果上存在差異。

在2年的試驗中，葉面積指數隨玉米的生長呈現出先增大后減小的趨勢，穿透雨率隨葉面積指數的變化顯現出先減小后增大的趨勢。這主要是因為玉米生長初期，葉片數量較少且面積較小，玉米植株對降雨的攔截和集蓄能力有限，穿透雨所占的比例較大。隨著玉米的不斷生長，葉片數量和葉面積不斷增加，增大了玉米冠層匯集降雨的有效葉面積，從而減少了穿透雨的比例；玉米生長后期，玉米葉片開始逐漸衰退，大量葉片發生枯萎彎曲，葉面積指數減小，穿透雨率隨之增加。這也解釋了2.1中在相同降雨量條件下不同生育期穿透雨量不同的原因，降雨量相同時，葉面積指數越大，產生的穿透雨量就越小。

本研究發現，在不用生育期各影響因素對玉米穿透雨量的影響效果不同。圖1中全生育期擬合函數的決定系數R2為0.922 1，而拔節期、抽雄期和成熟期的R2分別為0.977 8、0.999 9和0.998 6，均大于全生育期的決定系數，說明按照不同生育期對穿透雨進行分析具有實際意義。

劉戰東等[20]研究發現穿透雨率則隨雨強的增大而略有增大。而本研究發現在拔節期穿透雨率與雨強呈顯著正相關關系（P＜0.05），但抽雄期和成熟期無顯著相關關系。這可能是由于降雨強度不同產生的。在劉戰東的的研究中采用了人工降雨的試驗方法，最小降雨強度為30 mm∕h，最大降雨強度達到200 mm∕h。而本研究中最大降雨強度僅為5.23 mm∕h，天然降雨條件下整體降雨強度偏小。在拔節期玉米植株柔軟，容易受到雨滴動能的影響[21]，較小的降雨強度就對冠層的降雨攔截作用造成了影響，進而影響了穿透雨率。但在抽雄期和成熟期，較小的降雨強度沒有對玉米冠層造成過大的擾動。

4 結 論

2015-2016年28次降雨事件中，研究區的玉米穿透雨率在37.5%～80.17%之間，穿透雨率均值為51.44%。拔節期、抽雄期和成熟期穿透雨率均值分別為64.30%、38.93%和44.80%，其中拔節期平均穿透雨率最高。不同降雨量級穿透雨率差異不顯著。

在玉米整個生育期內，穿透雨量隨降雨量的增加而增加，穿透雨率隨玉米葉面積指數和株高的增加而減小。但在不同生育期，同一影響因素對玉米穿透雨的影響效果不同。在降雨量相同的條件下，穿透雨量在不同生育階段呈現拔節期＞成熟期＞抽雄期的規律。在拔節期穿透雨率隨降雨強度的增加而增大，但在抽穗期和成熟期，這種趨勢并不顯著。不同株高區間，穿透雨率隨株高增加而減小的速度不同，50～100 cm最快，100 cm之后逐漸減慢。