棉花雹災(zāi)脆弱性試驗(yàn)研究的裝備與方法*

岳耀杰，栗　健，胡國芳，周　蘭，張　峰, 張　化，趙金濤

(1.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京 100875；2. 北京師范大學(xué) 地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；3.廊坊師范學(xué)院，河北 廊坊 065000)

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棉花雹災(zāi)脆弱性試驗(yàn)研究的裝備與方法*

岳耀杰1,2，栗健1，胡國芳1，周蘭1，張峰1,2, 張化2，趙金濤3

(1.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京 100875；2. 北京師范大學(xué) 地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；3.廊坊師范學(xué)院，河北 廊坊 065000)

摘要:從棉花雹災(zāi)脆弱性試驗(yàn)研究的角度，研發(fā)一套降雹模擬裝置和棉花雹災(zāi)田間試驗(yàn)方法。基于棉花雹災(zāi)脆弱性試驗(yàn)研究科學(xué)原理，提出了降雹模擬裝置的基本結(jié)構(gòu)與功能，闡明了棉花雹災(zāi)田間試驗(yàn)方法的基本步驟，并通過田間試驗(yàn)初步驗(yàn)證了該套裝置與方法的可靠性和適用性。結(jié)果表明：該裝置能夠發(fā)射直徑為0.5～10.0 cm的冰球，其射向可以在垂向0°～120°和水平0°～180°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，可使冰球發(fā)射速度達(dá)到20.0～45.0 m/s，可穩(wěn)定控制冰球發(fā)射速度為23.0～25.0 m/s，從而滿足模擬降雹的需求。人工模擬棉田降雹災(zāi)害的試驗(yàn)方法包括4步，關(guān)鍵是要以棉花生長期、冰雹大小和降雹密度為變量設(shè)計(jì)雹災(zāi)情景，以及對(duì)降雹前后棉花的植株性狀進(jìn)行觀測，從而獲取不同致災(zāi)強(qiáng)度下棉花脆弱性指標(biāo)參數(shù)。進(jìn)行了5種冰球直徑和7種降雹密度共35種降雹強(qiáng)度情景的驗(yàn)證研究，對(duì)冰雹直徑和落葉率關(guān)系分析的結(jié)果初步顯示，該試驗(yàn)裝備與方法可以為揭示棉花雹災(zāi)脆弱性的規(guī)律提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。和測雹板實(shí)地監(jiān)測，遙感反演技術(shù)，以及利用割草機(jī)、噴水器、人工等手段去除作物葉片等田間試驗(yàn)方法相比，該裝置與方法具有較大優(yōu)勢，試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠滿足雹災(zāi)棉花脆弱性研究的需求。其不足之處主要是自動(dòng)化和信息化程度還比較低，加以改進(jìn)將可更好滿足其他雹災(zāi)承災(zāi)體脆弱性研究的需求。

關(guān)鍵詞:棉花；雹災(zāi)；承災(zāi)體；脆弱性；試驗(yàn)研究；降雹；模擬裝置；適用性

脆弱性為承災(zāi)體對(duì)破壞和傷害的敏感性[1]，是災(zāi)害科學(xué)研究的核心和熱點(diǎn)之一[2-3]。眾多災(zāi)害研究論著和學(xué)者均強(qiáng)調(diào)脆弱性的重要地位，甚至強(qiáng)調(diào)應(yīng)以其為中心或立論基礎(chǔ)地位[4]。但如何定量評(píng)估承災(zāi)體的脆弱性，是防災(zāi)減災(zāi)和風(fēng)險(xiǎn)管理需解決的首要科學(xué)難題。

冰雹災(zāi)害(以下簡稱雹災(zāi))是由冰雹降落在承災(zāi)體上而導(dǎo)致?lián)p失的一種突發(fā)災(zāi)害現(xiàn)象，每年給中國帶來很大的損失[1,5-7]。目前，雹災(zāi)承災(zāi)體脆弱性研究方法主要有測雹板監(jiān)測[8-11]，遙感反演[12-15]和田間試驗(yàn)[16-20]。但測雹板主要用于特定的試驗(yàn)研究基地；遙感反演方法僅能對(duì)有保險(xiǎn)記錄區(qū)域的承災(zāi)體脆弱性進(jìn)行研究[21]。由于雹災(zāi)突發(fā)性和局地性強(qiáng)，很難獲得長時(shí)間序列降雹與損失數(shù)據(jù)，故雹災(zāi)模擬試驗(yàn)是承災(zāi)體脆弱性研究的常用方法。但當(dāng)前的試驗(yàn)?zāi)M方法，試驗(yàn)裝置均較簡單，且多數(shù)無法提供降雹因子參數(shù)[21]。如Lane[16]使用碎冰發(fā)射設(shè)備模擬棉花雹災(zāi)，但沒有報(bào)道該設(shè)備設(shè)計(jì)原理與工作參數(shù)，也未說明使用效果。Seino[17]使用一種類似漏斗的簡易裝置和石頭模擬降雹對(duì)作物的影響。還有學(xué)者使用割草機(jī)[18]、噴水器[19]或人工剪除[20]來去除作物葉片研究降雹導(dǎo)致的落葉率與作物雹災(zāi)損失之間的關(guān)系。由于所用設(shè)備結(jié)構(gòu)與功能的限制，上述試驗(yàn)的降雹情景和模擬效果與實(shí)際降雹相差甚遠(yuǎn)。因此，雹災(zāi)承災(zāi)體脆弱性試驗(yàn)研究的裝備和方法尚需改進(jìn)。

中國的棉花產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的1/5以上，但主產(chǎn)區(qū)降雹主要集中在4-9月，正值棉花生育期內(nèi)[22]。所以，研究棉花雹災(zāi)脆弱性對(duì)保障中國棉花及相關(guān)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大，但目前研究還較少。1987年，中國學(xué)者通過人工模擬雹災(zāi)對(duì)不同生育期的棉花進(jìn)行了破壞性試驗(yàn)[23]。1990年，進(jìn)一步開展了人工投擲石子砸擊棉株試驗(yàn)[24]。但上述試驗(yàn)均沒有使用專業(yè)設(shè)備，而是人工去除棉花葉片或投擲石子來代替降雹，其能在多大程度上反映自然降雹導(dǎo)致的災(zāi)害結(jié)果，還值得商榷?？傊€沒有一套可以滿足棉花雹災(zāi)脆弱性試驗(yàn)研究的裝備和方法體系，顯然不能適應(yīng)災(zāi)害學(xué)對(duì)承災(zāi)體脆弱性定量評(píng)估的科學(xué)需求及棉花防雹減災(zāi)的現(xiàn)實(shí)需求。

為此，基于棉花雹災(zāi)成災(zāi)原理，本文旨在研發(fā)一種人工控制雹災(zāi)模擬試驗(yàn)裝置和棉花雹災(zāi)田間試驗(yàn)方法，希望該試驗(yàn)裝備與方法可以為相關(guān)研究和學(xué)者提供一定借鑒。

1棉花雹災(zāi)脆弱性試驗(yàn)研究原理

根據(jù)災(zāi)害系統(tǒng)理論[25-27]和降雹成災(zāi)的基本過程，可以將雹災(zāi)系統(tǒng)劃分為孕災(zāi)環(huán)境(強(qiáng)對(duì)流天氣過程、下墊面狀態(tài))、致災(zāi)因子(降雹)和承災(zāi)體(農(nóng)作物等)三部分。不穩(wěn)定的天氣系統(tǒng)是雹災(zāi)孕育的大環(huán)境，降雹是直接致災(zāi)因子，其危險(xiǎn)性和農(nóng)作物等承災(zāi)體的脆弱性綜合作用導(dǎo)致?lián)p失(災(zāi)情)，而雹災(zāi)承災(zāi)體脆弱性則由致災(zāi)因子而被揭露[21]。就棉花雹災(zāi)脆弱性評(píng)估而言，本質(zhì)是要刻畫出棉花對(duì)降雹打擊的敏感性，可通過降雹危險(xiǎn)度與相應(yīng)棉花損失的關(guān)系模型來表達(dá)。

因此，棉花雹災(zāi)脆弱性評(píng)估，重點(diǎn)是厘清降雹因子與棉花受損特征之間的關(guān)系。降雹因子是指描述降雹致災(zāi)強(qiáng)度的要素，一般包括冰雹直徑、單位面積上冰雹個(gè)數(shù)(降雹密度)、降雹持續(xù)時(shí)間、冰雹落地速度等。棉花受損特征包括兩方面：一是降雹導(dǎo)致的棉株直接損傷，包括葉片破損脫落、莖枝折斷脫落、花蕾棉鈴破損脫落；二是棉花因損傷導(dǎo)致的產(chǎn)量損失。而棉花雹災(zāi)脆弱性試驗(yàn)的核心目標(biāo)，就是獲取上述重要參數(shù)。

為此，棉花雹災(zāi)脆弱性實(shí)驗(yàn)研究的裝備與方法要能夠模擬出降雹致災(zāi)的過程與結(jié)果，提供降雹致災(zāi)強(qiáng)度參數(shù)和棉花因雹損失參數(shù)。要實(shí)現(xiàn)上述科學(xué)目標(biāo)，在試驗(yàn)裝備與方法設(shè)計(jì)上，要突出2點(diǎn)內(nèi)容：

(1)降雹模擬設(shè)備要能夠模擬出類似自然雹災(zāi)的天氣過程。通常這種天氣短而急促，降雹伴隨強(qiáng)風(fēng)給棉花帶來損害。所以，該設(shè)備應(yīng)具有以下功能與特點(diǎn)：能夠產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)；能夠發(fā)射不同大小的人造冰雹(冰球)，并且使其達(dá)到足夠大的速度；能夠自行或被牽引進(jìn)入農(nóng)田，在試驗(yàn)中能夠自行或被牽引移動(dòng)；至少能在2個(gè)方向調(diào)節(jié)發(fā)射角度，以提高打擊的準(zhǔn)確度。

(2)田間試驗(yàn)方法要基于降雹致災(zāi)強(qiáng)度變化和棉花暴露性、恢復(fù)性和脆弱性的時(shí)間差異制訂雹災(zāi)情景進(jìn)行試驗(yàn)。致災(zāi)因子不同，即冰雹大小和降雹密度等降雹參數(shù)不同，也會(huì)導(dǎo)致棉花雹災(zāi)脆弱性的表達(dá)形式不同。

棉花在不同的生育期由于本身生理特征差異，其對(duì)降雹打擊的敏感性不同、暴露度不同、恢復(fù)力不同，導(dǎo)致脆弱性也不同。同時(shí)，為全面評(píng)估棉花雹災(zāi)脆弱性，需要在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)上述特點(diǎn)，從降雹情景設(shè)計(jì)入手，結(jié)合棉花生長發(fā)育過程來實(shí)施模擬雹災(zāi)試驗(yàn)。那么通過田間試驗(yàn)研究棉花受冰雹影響所表現(xiàn)出來的損失程度隨降雹強(qiáng)度及棉花生育期的變化規(guī)律，并建立冰雹致災(zāi)強(qiáng)度與棉花雹災(zāi)損失之間的定量關(guān)系，就可以表達(dá)棉花雹災(zāi)脆弱性。根據(jù)上述原理，棉花雹災(zāi)脆弱性試驗(yàn)研究的技術(shù)路線可用圖1來表達(dá)。

進(jìn)一步地，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，全面分析降雹與棉花損害的關(guān)系，進(jìn)而確定這些損害對(duì)產(chǎn)量的影響機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)棉花雹災(zāi)脆弱性的科學(xué)分析。

圖1　棉花雹災(zāi)脆弱性試驗(yàn)研究技術(shù)路線

2試驗(yàn)裝備與方法設(shè)計(jì)

2.1降雹模擬裝置設(shè)計(jì)

降雹是棉花成災(zāi)的致災(zāi)因子，根據(jù)棉花雹災(zāi)脆弱性試驗(yàn)研究的基本原理，以及對(duì)降雹模擬裝備基本功能的要求，研發(fā)出一種模擬降雹的裝置[25]。它包括移動(dòng)牽引部分、水平旋轉(zhuǎn)部分、角度調(diào)節(jié)部分、產(chǎn)風(fēng)部分、進(jìn)冰部分、發(fā)射部分。產(chǎn)風(fēng)部分聯(lián)接發(fā)射部分，發(fā)射部分聯(lián)接進(jìn)冰部分；產(chǎn)風(fēng)部分、角度調(diào)節(jié)部分設(shè)置在水平旋轉(zhuǎn)部分上；水平旋轉(zhuǎn)部分設(shè)置在移動(dòng)牽引部分上。其工作原理是利用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生高壓風(fēng)，在輸風(fēng)管內(nèi)將冰球加速、輸送，最終以一定的速度射向承災(zāi)體。

降雹模擬裝置設(shè)計(jì)圖如圖2所示。移動(dòng)牽引部分1的框架102底面設(shè)置有可折疊的支架103，框架的頭端聯(lián)接有牽引桿101，尾端聯(lián)接有輪架104，輪架上安裝有輪軸106及車輪105。水平旋轉(zhuǎn)部分2的傳動(dòng)軸205頂部與試驗(yàn)平臺(tái)212固聯(lián)，下部設(shè)置有軸承套201，其內(nèi)裝有圓錐滾子軸承204，下軸承套設(shè)置在輪軸支撐架213上，輪軸支撐架固聯(lián)在移動(dòng)牽引部分1的輪架104上，傳動(dòng)軸205上還設(shè)置有上軸承套202，其內(nèi)裝有向心球軸承206，上軸承套設(shè)置在環(huán)形的鋼板208中心孔內(nèi)，環(huán)形鋼板固聯(lián)在移動(dòng)牽引部分的輪架及框架上，傳動(dòng)軸上部鍵聯(lián)接有渦輪203及傳動(dòng)軸套210，渦輪嚙合蝸桿207，蝸桿設(shè)置在蝸桿軸架214上，蝸桿軸架設(shè)置在環(huán)形鋼板上；傳動(dòng)軸套外側(cè)固聯(lián)有方管211，方管上面固聯(lián)有試驗(yàn)平臺(tái)，方管底面固聯(lián)有支撐輪209，且支撐輪位于環(huán)形鋼板上。產(chǎn)風(fēng)部分3的柴油機(jī)302、鋼架309安裝在水平旋轉(zhuǎn)部分的試驗(yàn)平臺(tái)上，柴油機(jī)下面裝有彈簧墊圈，鋼架的上平面為斜面，聯(lián)接有斜置的風(fēng)機(jī)架305，風(fēng)機(jī)架上安裝有風(fēng)機(jī)307，風(fēng)機(jī)軸310上安裝有傳動(dòng)帶輪306，柴油機(jī)的輸出軸通過其軸上安裝的傳動(dòng)帶輪及三角傳動(dòng)帶303聯(lián)接風(fēng)機(jī)軸上的傳動(dòng)帶輪，三角傳動(dòng)帶上設(shè)置有張緊輪304，鋼架上鉸接有張緊輪調(diào)節(jié)桿301，張緊輪調(diào)節(jié)桿鎖固在鋼架上設(shè)置的定位銷308上。角度調(diào)節(jié)部分4的支撐桿401內(nèi)設(shè)置有升降桿405，升降桿上端鉸接在發(fā)射部分6的發(fā)射管601下面，支撐桿下端鉸接在水平旋轉(zhuǎn)部分的試驗(yàn)平臺(tái)側(cè)面，支撐桿上設(shè)置有鎖緊扳手403；齒輪軸402安裝在齒輪軸架406上部的軸承座408內(nèi)，軸承座兩側(cè)設(shè)置有手柄407，齒條404安裝在風(fēng)機(jī)307殼體的外側(cè)，齒條為圓弧形，齒條與齒輪軸402嚙合。進(jìn)冰部分5的置冰凹槽501位于風(fēng)機(jī)之上，方形置冰凹槽后部銜接滑落凹槽502，滑落凹槽后部設(shè)置有冰球出口503，冰球出口上方設(shè)置有滑蓋505冰球出口側(cè)壁上設(shè)置有銷軸504，置冰凹槽、滑落凹槽通過銷軸與冰球出口活動(dòng)聯(lián)接，冰球出口焊接在發(fā)射部分的發(fā)射管上。發(fā)射部分的發(fā)射管一端為方口，通過螺栓與產(chǎn)風(fēng)部分的風(fēng)機(jī)方口聯(lián)接，另一端為圓口，通過法蘭盤602與圓管603聯(lián)接；發(fā)射管上設(shè)置有方形開口604與進(jìn)冰部分的冰球出口相對(duì)應(yīng)。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)與功能原理制造出了人工控制雹災(zāi)模擬試驗(yàn)裝置，使用的離心風(fēng)機(jī)流量 1 174～2 062 m3/h，全壓4 603～4 447 Pa，標(biāo)定轉(zhuǎn)速2 900 r/min，額定功率4 kW。為之匹配的內(nèi)燃機(jī)最大功率16.2 kW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速2 200 r/min。輸風(fēng)管長2.5 m，直徑15 cm，可發(fā)射直徑為0.5～10.0 cm的冰球，其射向可以在垂向0～120°和水平0～180°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，確保冰球恰好打擊到指定范圍內(nèi)的棉花植株。經(jīng)測試，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速800 r/min時(shí)，輸風(fēng)管出口風(fēng)速22.0 m/s，最大轉(zhuǎn)速2 200 r/min時(shí)風(fēng)速為48.0 m/s。采用錄相法測試，可使冰球發(fā)射速度達(dá)到20.0～45.0 m/s。根據(jù)《地面用晶體硅光伏組件-設(shè)計(jì)鑒定和定型》國家標(biāo)準(zhǔn)[26]，試驗(yàn)中設(shè)定冰球發(fā)射速度為23.0～25.0 m/s。利用數(shù)顯式轉(zhuǎn)速表(測試范圍5～99 999 r/min，分辨率0.1 r/min)將內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速控制在1 050～1 150 r/min時(shí)，可穩(wěn)定控制冰球發(fā)射速度為23.0～25.0 m/s，從而滿足模擬降雹的需求。

圖中各部分名稱：1. 移動(dòng)牽引部分：101-牽引桿；102-框架；103-支架；104-輪架；105-車輪；106-輪軸。2. 水平旋轉(zhuǎn)部分：201-下軸承套；202-上軸承套；203-蝸輪；204-圓錐滾子軸承；205-傳動(dòng)軸；206-向心球軸承；207-蝸桿；208-環(huán)形鋼板；209-支撐輪；210-傳動(dòng)軸套；211-方管；212-試驗(yàn)平臺(tái)；213-輪軸支撐架；214-蝸桿軸架。3. 產(chǎn)風(fēng)部分：301-張緊輪調(diào)節(jié)桿；302-柴油機(jī)；303-三角傳動(dòng)帶；304-張緊輪；305-風(fēng)機(jī)架；306-傳動(dòng)帶輪；307-風(fēng)機(jī)；308-定位銷；309-鋼架；310-風(fēng)機(jī)軸。4. 角度調(diào)節(jié)部分：401-支撐桿；402-齒輪軸；403-鎖緊扳手；404-齒條；405-升降桿；406-齒輪軸架；407-手柄。5. 進(jìn)冰部分：501-置冰凹槽；502-滑落凹槽；503-冰球出口；504-銷軸；505-滑蓋。6. 發(fā)射部分：601-發(fā)射管；602-法蘭盤；603-圓管；604-方形開口。圖2　人工控制雹災(zāi)模擬試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖

經(jīng)測試，該裝置具有調(diào)節(jié)方向、角度、高度等多種功能，可人工模擬不同冰雹直徑、不同降雹密度和不同降雹時(shí)長的降雹情景，產(chǎn)生的冰雹打擊范圍大，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田中不同生長時(shí)期、不同高度、不同位置的農(nóng)作物進(jìn)行打擊，可準(zhǔn)確完成野外田間農(nóng)作物的雹災(zāi)損害模擬試驗(yàn)；且伴隨冰雹發(fā)射，同時(shí)產(chǎn)生高速氣流，最大程度接近自然風(fēng)雹天氣過程，有利于通過定量控制和精確測量模擬自然冰雹致災(zāi)過程，為開展承災(zāi)體雹災(zāi)試驗(yàn)提供了裝備基礎(chǔ)。

2.2棉花雹災(zāi)田間試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

棉花雹災(zāi)田間試驗(yàn)方法的基本目標(biāo)是獲取棉花雹災(zāi)脆弱性曲線，為厘定棉花脆弱性提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)棉花雹災(zāi)脆弱性試驗(yàn)研究基本原理，利用上述實(shí)驗(yàn)裝備進(jìn)行棉花雹災(zāi)脆弱性試驗(yàn)的基本方法如下[27]：①以棉花生長期、冰雹大小和降雹密度為變量設(shè)計(jì)雹災(zāi)情景；②根據(jù)步驟①設(shè)計(jì)的情景將試驗(yàn)田劃分為試驗(yàn)小區(qū)和對(duì)照小區(qū)；③在每個(gè)棉花生長期內(nèi)，按照步驟①設(shè)計(jì)的降雹情景，分別對(duì)相應(yīng)的試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)的棉花植株實(shí)施人工模擬降雹打擊試驗(yàn)，并觀測和記錄相應(yīng)試驗(yàn)小區(qū)和對(duì)照小區(qū)在打擊前后的棉花植株生物性狀；④在最后一個(gè)棉花生長期結(jié)束后，觀測和記錄相應(yīng)試驗(yàn)小區(qū)和對(duì)照小區(qū)的產(chǎn)量；⑤處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過Logistic分析冰雹直徑和降雹密度等與棉花災(zāi)情(包括落葉率、果枝折斷脫落率、棉鈴(桃)脫落率、棉花產(chǎn)量損失率等)的關(guān)系，獲得棉花雹災(zāi)脆弱性評(píng)估模型。

3棉花雹災(zāi)脆弱性試驗(yàn)研究實(shí)例

3.1試驗(yàn)設(shè)置

應(yīng)用上述試驗(yàn)設(shè)備和方法在河北省三河市榮家莊村進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)區(qū)總面積0.154 hm2，試驗(yàn)小區(qū)按降雹情景(即雹徑大小和降雹密度的組合)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，小區(qū)面積1.0 m×1.0 m，采用1膜2行模式種植棉花，并設(shè)置保護(hù)行。整塊試驗(yàn)田作為一個(gè)種植大區(qū)，采用統(tǒng)一的種植與管理制度，以確保供試棉花生長發(fā)育一致性。

供試棉花品種為國審GK45(邯鄲109)，全生育期133 d，株高92.8 cm，莖桿紫紅色、較粗壯，葉片較大而厚、濃綠色，第一果枝節(jié)位8.1節(jié)，鈴卵圓形，單鈴重5.8 g，吐絮暢而集中，衣分38.43%，籽指12.6 g，霜前花率87.4%，前期長勢一般，中后期長勢強(qiáng)。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，雹徑多集中于0.5～5.0 cm，故降雹情景采用5種冰球直徑(1.0、2.0、3.0、4.0和5.0 cm)和7種降雹密度(100、150、200、300、400、450和500粒/m2)的設(shè)計(jì)，共計(jì)35種降雹強(qiáng)度情景，每一種情景設(shè)置3次重復(fù)，1次總計(jì)需105個(gè)試驗(yàn)小區(qū)和3個(gè)對(duì)照小區(qū)。在每個(gè)棉花生長期內(nèi)，按照降雹情景，分別對(duì)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)的棉花植株實(shí)施人工模擬降雹打擊試驗(yàn)，并觀測和記錄試驗(yàn)小區(qū)和對(duì)照小區(qū)在打擊前后的棉花植株生物性狀；觀測項(xiàng)目包括：株高、葉片數(shù)、果枝數(shù)、棉鈴(棉桃)數(shù)，并且給每個(gè)植株編號(hào)，方便試驗(yàn)后性狀觀測。

試驗(yàn)用冰球采用模具盛裝淡水放入冰柜凍制而成，平均密度為0.975 g/cm3。試驗(yàn)前，把冰球凍制完成，并按小區(qū)需用冰球數(shù)量分裝入袋，標(biāo)記直徑和數(shù)量，存儲(chǔ)在冰柜中。試驗(yàn)中，把冰球由冰柜轉(zhuǎn)放入隔熱箱中運(yùn)送到田間，每個(gè)小區(qū)使用一袋。

實(shí)施人工模擬降雹打擊時(shí)，用拖拉機(jī)牽引所述人工模擬降雹機(jī)進(jìn)入田間，發(fā)動(dòng)機(jī)器，調(diào)節(jié)油門使冰雹飛出管口時(shí)的速度達(dá)到要求的23 m/s以上。然后調(diào)節(jié)降雹機(jī)，確保冰雹恰好能打擊到指定范圍內(nèi)的棉花植株。調(diào)整好裝置后，啟動(dòng)人工模擬降雹機(jī)，將試驗(yàn)前準(zhǔn)備的冰球發(fā)射出去，發(fā)射過程持續(xù)時(shí)間視冰球數(shù)量而異，一般為5～10 min。一個(gè)小區(qū)試驗(yàn)結(jié)束后，拖拉機(jī)牽引人工模擬降雹機(jī)到下一小區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

能否基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到棉花雹災(zāi)脆弱性的評(píng)估模型，是驗(yàn)證本文裝備與方法適用性的重要標(biāo)

準(zhǔn)。前人認(rèn)為蕾期雹災(zāi)對(duì)棉花生產(chǎn)影響最為嚴(yán)重[28]，本文選擇棉花蕾期試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了冰雹直徑、降雹密度和棉株落葉率、斷枝率、落蕾鈴率的關(guān)系，得到了棉花蕾期雹災(zāi)脆弱性評(píng)估的模型。

降雹直徑與植株損失的關(guān)系見圖3。落葉率隨降雹直徑增大而增加，變化區(qū)間為0.19～ 0.88，表明葉片脆弱性與直徑呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。斷枝率隨直徑增大而增加，變化區(qū)間為0.15～0.99，果枝與葉片一樣，降雹直徑越大越脆弱。落蕾鈴率隨直徑增大而增加，變化區(qū)間為0.20～0.99，說明生殖器官與葉、枝相同，脆弱性隨直徑增大而升高。一般認(rèn)為，雹粒直徑越大, 落地動(dòng)量越大, 所致災(zāi)情越重[10, 28]。因此，試驗(yàn)數(shù)據(jù)較好地反映了棉花營養(yǎng)器官(葉、枝)和生殖器官(蕾、鈴)雹災(zāi)脆弱性的規(guī)律。

此外，落葉率、落蕾鈴率、斷枝率隨直徑的變化變化規(guī)律在不同密度之間體現(xiàn)的差異較小。

圖3　蕾期棉花脆弱性隨降雹直徑變化的規(guī)律

參數(shù)100粒/m2150粒/m2200粒/m2300粒/m2400粒/m2450粒/m2500粒/m2落葉率與降雹直徑之間Logistic函數(shù)的回歸參數(shù)A10.210.180.240.200.350.410.37A22528.673637.684270.49109587.140.880.672686.34X0131.961009.62549.06583961.542.922.501756.71p2.701.681.921.035.517.521.46R2adj0.950.870.740.880.940.680.98斷枝率與降雹直徑之間Logistic函數(shù)的回歸參數(shù)A10.180.240.28-5.590.31-0.35-1.37A29811.293637.68390.889.210.7617.269.32X041359.841009.6253.00140.822.73604.77265.41p1.171.682.830.094.600.530.32R2adj0.810.870.900.650.970.970.99落蕾鈴率與降雹直徑之間Logistic函數(shù)的回歸參數(shù)A1-0.150.120.34-93.260.35-0.29-0.81A22.09143.601242.350.750.7010.357.71X0527.5619129.49150.850.012.58434.31284.77p0.230.702.331.1510.510.470.33R2adj0.800.920.930.670.890.920.93

注:logistic函數(shù)方程y=A2+(A1-A2)/(1+(x/x0)p)。

同一降雹直徑下，落葉率、落蕾鈴率和斷枝率隨降雹密度的變化均不顯著。經(jīng)計(jì)算，落蕾鈴率和斷枝率隨密度變化的平均變異系數(shù)僅為它們隨直徑變化平均變異系數(shù)的1/2，而落葉率隨密度變化的平均變異系數(shù)甚至不足隨直徑變化平均變異系數(shù)的1/4，表明棉花植株損害對(duì)降雹密度的響應(yīng)遠(yuǎn)不如它們對(duì)降雹直徑敏感。

通常，Logistic曲線擬合是獲得雹災(zāi)承災(zāi)體脆弱性評(píng)估模型的常用分析方法[8-10, 17-20]。本文利用logistic分析方法得到落葉率、落蕾鈴率、斷枝率與冰雹直徑的定量關(guān)系模型，采用最小二乘法解出了回歸參數(shù)(表1)，并在0.05置信度水平下采用校正決定系數(shù)對(duì)函數(shù)擬合效果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，證明蕾期落葉率、斷枝率和落蕾鈴率與降雹直徑均呈現(xiàn)出顯著的Logistic函數(shù)關(guān)系。

由此，本文認(rèn)為降雹直徑是影響棉花脆弱性的重要因素，與前人對(duì)其他作物的研究結(jié)果一致[10,29]。進(jìn)一步，得到了棉花蕾期雹災(zāi)脆弱性評(píng)估定量模型。當(dāng)然，目前的試驗(yàn)及結(jié)果還是初步的，由于作物在不同生育期對(duì)雹災(zāi)的抵抗能力不同，從而其脆弱性也不同[12,18, 21,28]。所以還需進(jìn)一步依生育期進(jìn)行試驗(yàn)研究，方可得到更全面的棉花雹災(zāi)脆弱性評(píng)估模型。

4裝備與方法適用性討論

基于以上設(shè)計(jì)原理與試驗(yàn)結(jié)果，本文研發(fā)的裝備與方法，與以往研究相比，具有較好的適用性和實(shí)用性，具體有以下幾點(diǎn)。

(1)具有布置靈活，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)連續(xù)性強(qiáng)的優(yōu)勢。大量研究使用測雹板來獲取降雹和災(zāi)情參數(shù)，但因其安裝和數(shù)據(jù)記錄耗費(fèi)巨大人力財(cái)力，只適用于少量特定地域[8-11]。雷達(dá)遙感方法僅能在有保險(xiǎn)數(shù)據(jù)的區(qū)域進(jìn)行研究，否則無法獲取災(zāi)情數(shù)據(jù)[12-15]。而本文的裝置和方法，可在任一地域、在承災(zāi)體生育期的任一階段進(jìn)行一次或多次試驗(yàn)，較測雹板監(jiān)測和雷達(dá)遙感方法有較大優(yōu)勢。

(2)可以同時(shí)獲得致災(zāi)和損失數(shù)據(jù)，有利于建立起降雹因子與作物雹災(zāi)損失間的直接聯(lián)系。雷達(dá)遙感方法依賴雹災(zāi)保險(xiǎn)記錄提供災(zāi)情數(shù)據(jù)[12-15]，傳統(tǒng)的利用割草機(jī)、噴水器或人工去除作物葉片等田間試驗(yàn)方法無法獲得降雹參數(shù)[18-20]。以上方法都不能同時(shí)獲得致災(zāi)和損失數(shù)據(jù)，無法呈現(xiàn)降雹導(dǎo)致承災(zāi)體損失的過程，不利于剖析承災(zāi)體脆弱性形成機(jī)理[21]。而運(yùn)用本文裝置和方法，不僅可在試驗(yàn)中同時(shí)獲得降雹致災(zāi)和承災(zāi)體受損參數(shù)，而且也提高了工作效率。

(3)裝置可控性強(qiáng)，降雹情景豐富，模擬過程接近真實(shí)降雹，可為棉花雹災(zāi)承災(zāi)體脆弱性研究提供較高質(zhì)量的科學(xué)數(shù)據(jù)。前人一般利用簡易降雹裝置[16-17]或割草機(jī)[18]、噴水器0、人工[20]等手段去除作物葉片模擬雹災(zāi)，或者人力投擲冰?；蚴^模擬降雹[23-24]。如Seino[17]使用的裝置僅是一個(gè)距離地表3.4 m高的容器，讓直徑大約2.2 cm的石子自由降落來模擬降雹對(duì)承災(zāi)體的打擊。人工[23-24]橫向投擲石子與冰雹近乎垂直打擊給棉株造成的損害差別很大。上述裝置與方法不僅難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，而且不適宜大田試驗(yàn)。此外，前述研究[16-20, 23-24]中對(duì)雹塊(石子)直徑、單位面積內(nèi)雹塊(石子)數(shù)量和雹塊(石子)速度考慮不充分，不能反映降雹時(shí)強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致的損失，其試驗(yàn)情景和自然降雹相差甚遠(yuǎn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)刻畫降雹對(duì)承災(zāi)體影響的能力較差。前已述及，本文裝置與方法的設(shè)計(jì)遵循了棉花雹災(zāi)脆弱性試驗(yàn)研究的基本原理，可模擬出接近自然風(fēng)雹過程的降雹情景，田間試驗(yàn)證明可獲得較高質(zhì)量的科學(xué)數(shù)據(jù)。

基于上述特點(diǎn)與優(yōu)勢，該套研究裝備和方法，還有望適用于棉花以外的其他承災(zāi)體，既可用于雹災(zāi)直接損失的試驗(yàn)研究，也可應(yīng)用于雹災(zāi)承災(zāi)體脆弱性評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)分析。目前，該裝備與方法的不足主要是自動(dòng)化和信息化程度還比較低，如在裝備操控和信息感知方面還主要依靠人工，這會(huì)部分地影響試驗(yàn)結(jié)果。未來，需要在上述兩方面加以改進(jìn)。

5結(jié)論

論文闡明了棉花雹災(zāi)脆弱性試驗(yàn)研究的基本原理，研發(fā)出一套降雹模擬裝置和棉花雹災(zāi)田間試驗(yàn)方法。該降雹模擬裝置能夠發(fā)射直徑為0.5～10.0 cm的冰球，其射向可以在垂向0°～120°和水平0°～180°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，確保冰球恰好打擊到指定范圍內(nèi)的棉花植株。經(jīng)測試，可使冰球發(fā)射速度達(dá)到20.0～45.0m/s，可穩(wěn)定控制冰球發(fā)射速度為23.0～25.0 m/s，從而滿足模擬降雹的需求。人工模擬棉花雹災(zāi)的田間試驗(yàn)方法包括4步，關(guān)鍵是要以棉花生長期、冰雹大小和降雹密度為變量設(shè)計(jì)雹災(zāi)情景，以及對(duì)降雹前后棉花的植株性狀進(jìn)行觀測，從而獲取不同致災(zāi)強(qiáng)度下棉花脆弱性指標(biāo)參數(shù)。

應(yīng)用該套裝備與方法，進(jìn)行了5種冰球直徑和7種降雹密度共35種降雹強(qiáng)度情景的驗(yàn)證研究，對(duì)冰雹直徑、降雹密度和落葉率、落蕾鈴率、斷枝率關(guān)系進(jìn)行了分析，獲得了棉花蕾期雹災(zāi)脆弱性評(píng)估模型。結(jié)果顯示，該試驗(yàn)裝備與方法可以為揭示棉花雹災(zāi)脆弱性的規(guī)律提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。與以往相比，該裝置和方法具有布置靈活，可操控性強(qiáng)，降雹情景豐富，模擬過程接近真實(shí)降雹情景，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)連續(xù)性強(qiáng)的優(yōu)勢，有望為雹災(zāi)承災(zāi)體脆弱性試驗(yàn)研究提供支撐。

致謝： 王靜愛教授和史培軍教授對(duì)研究提出了建議；仇夢夢碩士參與了部分田間試驗(yàn)。

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Equipment and Methodology for Experimental Research of Cotton Vulnerability to Hail Hazard

Yue Yaojie1, 2, Li Jian1, Hu Guofang1, Zhou Lan1, Zhang Feng1,2, Zhang Hua2and Zhao Jintao3

(1.SchoolofGeography,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China; 2.StateKeyLaboratoryof

EarthSurfaceProcessesandResourceEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;

3.LangfangNormalCollege,Langfang065000,China)

Abstract:This paper aims to establish a set of equipment and methodology for conducting experimental research on cotton vulnerability under influence of hail hazard. Thus, a design of hail fall simulation apparatus and field experimental method are put forward from two perspectives, which are simulation of hail strike and obtaining parameters of cotton damages. The equipment can shoot ice balls which are 0.5～10.0 cm in diameter. Its shooting direction can be adjusted 0～120° vertical and 0～180° horizontal, to ensure that the ice balls shoot the cotton plants within specified scope. At the same time, shooting speed of ice balls can reach 20.0～45.0 m/s, and can be stably controlled at 23.0～25.0 m/s, so as to meet the needs of hail falling simulation. Method of hail hazard experiment in cotton field includes four steps. Based on the mentioned equipment and method, a field experiment with 35 hail fall scenarios, including 5 kinds of ice ball diameters and 7 kinds of hail densities was carried out. According to the primary result, this set of equipment and method has a lot of advantages, such as flexibility of setup, easiness of handling, abundance of hail falling scenarios, in comparison with field monitoring methods such as hail-pad observation, remote sensing inversion, simple field experiment methods including removing plant leaves by facility of mower, sprinkler and even hand. These advantages ensure the cotton hail hazard stimulation more similar to conditions of real natural hail hazard, thus provide high quality experiment data. In future, the automated capabilities of manipulating platform and information apperceiving of hail fall simulating apparatus should be improved; to meet the demands of experimental vulnerability research of more hail hazard affected bodies.

Key words:cotton; hail hazard; vulnerability of hazard affected body; experimental study; hail fall; simulating apparatus; applicability

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2015.02.020

中圖分類號(hào)：S42；X4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-811X(2015)02-0102-06

作者簡介：岳耀杰(1975-)，男，山東嘉祥縣人，講師，主要從事生態(tài)安全和自然災(zāi)害研究. E-mail: yjyue@bnu.edu.cn通訊作者：張峰(1980-)，男，山東肥城人，工程師，主要從事科研裝備試制研究. E-mail: zhangfeng@bnu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41271515)；地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京師范大學(xué))開放基金資助項(xiàng)目(2009-KF-06)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2012CB955403)

收稿日期：2014-10-09修回日期：2014-11-21