中國主產(chǎn)區(qū)玉米冠層對降水的截留研究*

張麗敏 郭建平 莊立偉 欒 青 趙宇涵

1 葫蘆島市氣象局，遼寧葫蘆島 125000 2 中國氣象科學研究院，北京 100081 3 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044 4 國家氣象中心，北京 100081 5 山西省氣候中心，太原 030006

提 要：基于13個農(nóng)業(yè)氣象試驗站2010—2017年逐日氣象觀測數(shù)據(jù)和玉米觀測數(shù)據(jù), 采用針對玉米的截留模型, 研究自然降雨條件下中國主產(chǎn)區(qū)玉米冠層截留及其變化規(guī)律。結(jié)果表明：在不同氣候條件和生長狀況下,玉米全生育期冠層截留差異較大。玉米冠層生長季平均截留量為4.3～23.5 mm,拔節(jié)到成熟期降水量≤ 70 mm時,截留量不足8 mm,隨著降水量增加,截留量先是同時受降水量和最大面積指數(shù)制衡,后變?yōu)閷ψ畲笕~面積指數(shù)更敏感。平均截留率為1.9%～11.6%,中國四大玉米主產(chǎn)區(qū)中的黃淮海夏播玉米區(qū)截留率最穩(wěn)定，生長季降水量<120 mm的地區(qū)截留率超過10%，按玉米主產(chǎn)區(qū)和氣候干濕度兩種分類提供平均截留率范圍。依據(jù)拔節(jié)到成熟期降水量、最大葉面積指數(shù)及截留變化規(guī)律可以估算不同地區(qū)玉米冠層截留量和截留率，為有效降水評估、干旱指標修正、農(nóng)田水分循環(huán)等方面提供科學依據(jù)。

引 言

氣候變化背景下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分供需矛盾日益凸顯。中國農(nóng)業(yè)用水占全國平均年用水量的70%(靳樂樂等,2019)，以目前平均作物水分利用效率計算，到2030年農(nóng)業(yè)缺水量將達到900億m3(梅旭榮等,2013)。提高高耗水作物對有效降水的利用率(馬青榮等，2020)，定量評估降水的有效性,進而制定科學精準的灌溉計劃是解決農(nóng)田水資源供需矛盾的重要手段。冠層截留水量也稱冠層截留損失，指的是被冠層截獲，最終通過蒸發(fā)回到大氣的那部分降水(劉戰(zhàn)東等,2012)。在農(nóng)田水利學中有效降水指旱作農(nóng)業(yè)種植條件下，總降水量中用以滿足作物蒸發(fā)蒸騰所需的那部分降水量(劉戰(zhàn)東等，2007)；水文學領域則為降水產(chǎn)生的徑流量。顯然，無論哪種定義，在降水經(jīng)由作物轉(zhuǎn)化為有效降水的過程中，冠層截留是植被影響降水的首要環(huán)節(jié)(尹伊和陳海山，2013)。因此，明確冠層截留損失是評估降水有效性的必要條件。

玉米截留的試驗研究始于1940年(Haynes, 1940), 國內(nèi)近20年逐漸興起。國內(nèi)外學者對試驗方法(直接測定法和水量平衡法)(王文等,2010)、水分再分配過程(轉(zhuǎn)變?yōu)榇┩赣?、莖稈流、冠層截留損失和冠內(nèi)蒸散發(fā))(馬波等,2015)、存在飽和截留現(xiàn)象(劉艷麗等,2015)等方面意見較為一致，但對玉米冠層截留量和截留率研究結(jié)果差異較大。玉米冠層基于逐次(日)截留量較小，因此黃仲冬等(2014)以日平均最大截留能力代替實際截留量。馬波等(2015)研究得到最大截留能力平均值為0.16 mm，所占總降雨比例最大僅為1%；王迪等(2007)考慮到截留水分蒸發(fā)抑制了蒸騰，計算出噴灌條件下夏玉米凈截留損失變化范圍為1～2 mm,截留率小于7%。在基于不同時間長度的定點研究中,Zheng et al(2018a)測定黃土高原玉米生長季23次降水事件的冠層截留率為12.5%；劉戰(zhàn)東等(2015)在中國農(nóng)業(yè)科學院廣利灌區(qū)灌溉試驗基地利用水量平衡原理測定夏玉米拔節(jié)、抽雄、完熟期的15場降雨事件平均冠層截留率為10.4%；鄭子成等(2012a)對四川丘陵玉米成熟期的12場降雨事件進行冠層截留測定，結(jié)果為7.5%，不同發(fā)育期和不同降雨強度的冠層截留率平均值分別為8.42%和8.53%(鄭子成等,2012b)；韓雪等(2014)在自然降雨條件下觀測黃土高原溝壑區(qū)夏玉米的10場降雨事件冠層平均截留率為13.3%。上述結(jié)果的差異是由于試驗方法不同、玉米屬性(熟性、品種、種植密度、高度、葉面積指數(shù)等)、屬型(春玉米、夏玉米)局限共同造成的。中國玉米栽培地域分布廣，品種繁多，性狀差異大，全生育期降水時空分布千差萬別，不同地區(qū)冠層截留率不應是一個固定值(Zheng et al,2018b)。以往的研究側(cè)重于點(固定地點、單一屬性、某一時間段或發(fā)育期)的細致研究，缺少對基于自然條件下全生育期動態(tài)截留的面(中國玉米主產(chǎn)區(qū))的宏觀把握。冠層截留影響因素的復雜性、多元性和交互性導致難以開展大范圍、長時間序列、多屬性對象的試驗研究，截留損失很難被精確計算。應用現(xiàn)有模型計算大范圍自然條件下玉米冠層對降水的截留同時解決了試驗研究推廣難和自然條件下模擬難兩個問題。雖然截留模型的局限會對研究結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，但仍不失為全面掌握不同產(chǎn)區(qū)冠層截留范圍的一種方法。本研究目的是計算中國主產(chǎn)區(qū)玉米冠層生長季不同累積雨量下的截留率和截留量，并找出其變化規(guī)律，為有效降水評估和利用、干旱指標修正和水分精準管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 資料來源

葉面積指數(shù)(LAI)和降水量是不同植被類型冠層截留研究的關(guān)鍵因子(Kang et al,2005,范世香等,2007；韓雪等,2014；劉艷麗等,2015；朱永杰等,2014)。由于實測LAI頻次不能滿足基于逐日降水的截留量計算的需求，因此需要配合發(fā)育期數(shù)據(jù)和逐日平均氣溫資料模擬出降水當日LAI。生長季起始日期為發(fā)育期觀測中播種到成熟的普遍期。本研究采用玉米主產(chǎn)區(qū)13個農(nóng)業(yè)氣象試驗站2010—2017年發(fā)育期數(shù)據(jù)、實測LAI資料、逐日平均氣溫和降水量，資料均來源于國家氣象信息中心。對異常數(shù)據(jù)和缺測數(shù)據(jù)分別做剔除和插值處理。

1.2 研究方法

1.2.1 站點選取

中國氣象局農(nóng)業(yè)氣象試驗站采取直接法測量LAI，此方法是一種相對成熟、經(jīng)典、準確的測量方法，經(jīng)常為其他間接測量法進行驗證，但也存在工作量大、取樣具有破壞性等缺點，因此有LAI觀測項目的站點只有15個，一年最多觀測5個發(fā)育期(三葉、七葉、拔節(jié)、抽雄、乳熟)。在綜合考慮站點的代表性和觀測資料年限一致性的基礎上選擇13個站點。所選取站點覆蓋了我國玉米主產(chǎn)區(qū)，分別代表北方春播玉米區(qū)(Ⅰ)、黃淮海平原夏播玉米區(qū)(Ⅱ)、西南山地玉米區(qū)(Ⅲ)以及西北灌溉玉米區(qū)(Ⅳ)。四大玉米產(chǎn)區(qū)播種面積約占全國玉米總面積的93%。研究站點詳細信息見表1。

表1 研究站點詳細信息

1.2.2 逐日LAI模擬方法

修正的Logistic方程(王信理,1986)可以用來擬合玉米LAI的動態(tài)變化(王玲等,2004)。方法是將LAI、有效積溫和生育期長度都換算成相對值，即相對LAI、相對積溫和積溫生育期長度，再利用實測LAI與觀測當日的相對LAI模擬出每年最大LAI，最后用式(1)即可模擬出逐日LAI：

LAIi=LAImax×RLAIi

(1)

式中：LAIi為玉米出苗后第i天的LAI，LAImax為一年中最大LAI，RLAIi為出苗后第i天相對LAI。春玉米RLAIi模擬選擇麻雪艷和周廣勝(2013)的基于2005—2011年多品種春玉米大田試驗資料建立的LAI動態(tài)普適模型：

(2)

夏玉米RLAIi模擬選擇張旭東等(2006)通過對連續(xù)4年夏玉米LAI研究建立的歸一化模型：

(3)

式中：DSi為積溫生育期長度，也被稱為標準化生育期。有效積溫按各自模型的選用標準，春玉米為≥10℃ 的積溫，夏玉米為10～30℃的積溫。

1.2.3 截留模型

采用基于直接測定法建立的針對玉米不同生長時期LAI對不同降水量的統(tǒng)計模型(郭建平等,2020)：

(4)

(5)

式中:y為截留量(單位：mm)，x1為LAI，x2為降水量(單位：mm)，Y為飽和截留量(單位：mm)，即y的上限。該模型認為當LAI<1時，玉米對降水的截留可忽略不計，因此用拔節(jié)到成熟期累積截留量作為全生育期截留量，計算公式如下：

(6)

式中:IQ為全生育期截留量(以下簡稱為截留量)，n為拔節(jié)到成熟期降水日數(shù)。IQ與生長季累積降水量的比值即為生育期截留率(以下簡稱為截留率)，IQ與n的比值為日均截留量，最大截留能力指研究時段內(nèi)出現(xiàn)的最大截留量。截留量和截留率的多年平均值下文分別簡稱為平均截留量和平均截留率。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同玉米主產(chǎn)區(qū)氣候條件分析

植被特征對截留量有很大影響(王文等,2010)，LAI是反映品種、種植密度、農(nóng)業(yè)技術(shù)措施(王玲等,2004)、株高(張宏鳴等,2019)等諸多特征的綜合參數(shù)，控制著植被的蒸發(fā)、蒸散、截留等多種過程(朱偉峰等,2018)。不同地區(qū)、不同播期、不同氣候條件下LAI差異很大。LAI的動態(tài)變化與出苗到成熟期有效積溫密切相關(guān)，生長季降水量影響截留率。圖1為各玉米主產(chǎn)區(qū)熱量和水分條件分析，可以看出，Ⅰ、Ⅱ區(qū)熱量條件好于Ⅲ區(qū)；Ⅲ區(qū)降水量明顯高于其他地區(qū)，相同的截留率需要更大的截留量；臨河、烏蘭烏蘇和莎車是降水低值區(qū)，易出現(xiàn)低截留量、高截留率；莎車是13個站中降水條件最差的，屬于典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。

圖1 2010—2017年各玉米主產(chǎn)區(qū)熱量和水分條件分析

2.2 玉米冠層平均截留情況

玉米冠層平均截留量為4.3～23.5 mm，主要與拔節(jié)到成熟期降水量(R1)和LAImax有關(guān)；平均截留率為1.9%～11.6%，受截留量和生長季降水量共同影響。應用表2可以為不同需求估算截留量、最大截留能力、日均截留量和平均截留率提供參考。最大截留能力和日均截留量的標準差分別為0.92和0.16，可見，日均截留量比最大截留能力作為日尺度有效降水估算指標誤差更小。

表2 2010—2017年各產(chǎn)區(qū)玉米冠層截留指標

2.3 中國不同主產(chǎn)區(qū)玉米冠層截留分析

2.3.1 北方春播玉米區(qū)

北方春播玉米區(qū)冠層截留量為3.8～39.1 mm，截留率為1.2%～17.2%(圖2a)。臨河截留量最小，但截留率最高，全距最大，四分位差也最大，即年際間波動幅度較大，中位數(shù)(12.3%)的代表性不強。原因是生長季降水量小(87.8 mm)，截留量的小幅波動會造成截留率大幅升降。榆樹和西峰截留率波動較小，中位數(shù)代表性較強。東北(榆樹、錦州、白城)截留率高于西北(西峰)。

2.3.2 黃淮海夏播玉米區(qū)

黃淮海夏播玉米冠層截留量為2.7～27.1 mm，截留率為0.6%～5.7%(圖2b)，中位數(shù)和平均值幾乎相同，說明出現(xiàn)極端值的概率較小。最小值(0.6%)出現(xiàn)在泰安(2013年)，原因是生長季降水量集中在拔節(jié)前，拔節(jié)到成熟期降水量僅占生長季的11.9%(53.8 mm)，因此截留量少、截留率低。可見，生長季內(nèi)降水的時間分配也會影響冠層截留。泰安、鄭州、咸陽四分位差≤1.2%，中位數(shù)代表性強。與北方春播玉米區(qū)相比，黃淮海夏播玉米區(qū)截留率相對穩(wěn)定，變化范圍小。

2.3.3 西南山地玉米區(qū)

西南山地玉米冠層截留量為8.0～51.0 mm，截留率為1.2%～8.1%(圖2c)。昭通截留率低于昆明，但穩(wěn)定性和中位數(shù)代表性均好于昆明。昆明截留率最大值遠遠超過昭通，但從其偏態(tài)分布看，存在極大值。在所選站點中，昭通平均截留率最低，原因是LAI偏小導致截留量小，同時又地處中亞熱帶濕潤區(qū)，生長季平均降水量高(591.2 mm)。

2.3.4 西北灌溉玉米區(qū)

西北灌溉玉米區(qū)冠層截留量為1.2～24.6 mm，截留率為2.3%～18.5%(圖2d)。兩站截留率全距超過12%，莎車呈偏左態(tài)分布，即偏小數(shù)據(jù)較多；烏蘭烏蘇呈偏右態(tài)分布，偏大數(shù)據(jù)出現(xiàn)概率大。兩站對比，莎車截留率高于烏蘭烏蘇，但烏蘭烏蘇最小和最大截留率高于莎車，這可能是由于烏蘭烏蘇生長季降水量比莎車明顯偏多。西北灌溉玉米區(qū)是四大玉米主產(chǎn)區(qū)中截留率波動最大，極端值出現(xiàn)概率最高的地區(qū)。

圖2 2010—2017年中國四大玉米產(chǎn)區(qū)冠層截留率

2.4 玉米冠層截留變化規(guī)律

為明確截留量、拔節(jié)到成熟期降水量(R1)和LAImax三者之間的關(guān)系，選取了低截留量(≤10 mm)和高截留量(≥20 mm)兩種情況進行分析(圖3)?？梢钥闯?，當R1≤70 mm時，無論LAImax大小，截留量均在8 mm以下。當70 mm6.5時截留量高；比較R1相似情況下a、b、c的截留量變化可以發(fā)現(xiàn)，LAImax增幅相差不多的情況下，LAImax>5后截留量增幅加大；對比R1相差104 mm的c和d，可以看出，LAImax從6.8增加到7.9，截留量并未增加，說明截留量受兩個因素互相制衡。當R1>390 mm時，截留量對LAImax敏感性更強，受R1制約程度降低。例如，A、B兩點降水量相差130 mm，在LAImax相差0.6的情況下，截留量幾乎相同，而B、C兩點LAImax差距僅為0.5，截留量卻相差11.1 mm。

圖3 玉米冠層截留量變化規(guī)律氣泡圖

從截留量、截留率與生長季降水量的平均狀況(圖4)進行分析，生長季降水量<120 mm的地區(qū)截留率超過10%，而截留量高的地區(qū)(如昆明、錦州)截留率可能很小(分別為3.6%和5.4%)。按氣候干濕分區(qū)(鄭景云等, 2010)來看，半濕潤地區(qū)冠層截留率為2.3%～5.4%；濕潤地區(qū)為1.9%～3.6%；干旱、半干旱地區(qū)可達10.1%～11.6%。

圖4 2010—2017年四大產(chǎn)區(qū)玉米冠層截留量、截留率、生長季降水量之間的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

本文采用已有科研成果，研究了中國玉米主產(chǎn)區(qū)自然降雨條件下的冠層截留，得到以下主要結(jié)論：

(1)中國主產(chǎn)區(qū)玉米冠層平均截留量為4.3～23.5 mm，日均截留量為0.2～0.8 mm，最大截留能力為0.5～3.8 mm·d-1。

(2)中國主產(chǎn)區(qū)玉米冠層平均截留率為1.9%～11.6%。北方半濕潤春播玉米區(qū)截留率高于西北半濕潤地區(qū)和黃淮海夏播玉米區(qū)。按玉米主產(chǎn)區(qū)和氣候干濕度兩種分類提供截留率范圍。

(3)明確了不同降水量下，截留量的變化規(guī)律。截留率不僅與截留量有關(guān)，與降水量及其生育期內(nèi)的時間分布也有關(guān)。降水量小的地區(qū)，截留率年際波動大，多年平均值的代表性差。

3.2 討 論

玉米生長旺盛期與全年降水集中時段高度同步，玉米冠層對降水的截留不容忽視。本文所計算截留率低于一些文獻(Zheng et al,2018a；韓雪等, 2014；林代杰等,2011；劉戰(zhàn)東等,2015；鄭子成等,2012a)的研究結(jié)果，分析原因有三個方面，一是所選模型基于直接測定方法，該方法計算結(jié)果通常比水量平衡方法結(jié)果低(郭建平等，2020)；二是本文累積降水量時間長度比其他研究長，因此累積降水量大，造成截留率低；三是人工模擬降雨試驗與自然降雨存在差異。在降水充沛地區(qū)冠層截留量主要取決于葉面積，這與孫彩紅等(2020)的研究結(jié)論一致。雖然目前受限于模型研制、參數(shù)選擇和站點數(shù)量等條件，但總體來說，本文的研究結(jié)果更全面、更能代表全生育期降水截留狀況，同時也更易于推廣。依據(jù)各產(chǎn)區(qū)冠層截留指標和變化規(guī)律可以估算不同地區(qū)全生育期冠層平均截留量、日均截留量、最大截留能力、平均截留率，進而為水分精準管理、科學利用水資源以及干旱指標(左冰潔和孫玉軍，2019)修正提供科學依據(jù)。

影響玉米冠層截留的因素眾多，包括雨滴動能、風、濕冠蒸發(fā)、雨強及歷時、冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)等，本文只考慮了降水和LAI，未考慮其他影響因素，對所得結(jié)果會產(chǎn)生一定影響。LAI模擬方法基于不存在水分脅迫的假設，但LAI實測值受降水影響很大，而且不同模型模擬結(jié)果存在差異。所選站點的代表性和數(shù)量以及農(nóng)業(yè)氣象試驗站LAI觀測誤差都對研究結(jié)果有影響。因此，建立物理意義明確、準確度高、易于求解、針對農(nóng)作物的物理模型并改進參數(shù)測量方法是今后進一步細化、深入、完善本研究的關(guān)鍵。