遼寧西部地區(qū)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(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽 110866；2.遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，沈陽 110003；3.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)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(jīng)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(jīng)過冠層復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(yǎng)分循環(huán)利用、徑流形成以及土壤侵蝕等，是區(qū)域水循環(huán)和水生態(tài)研究中的重要一環(huán)。

以往的穿透雨研究多集中于林冠，近年來玉米等農(nóng)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(duì)象，發(fā)現(xiàn)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(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，玉米全生育期平均穿透雨率為56.19%，降雨強(qiáng)度與穿透雨量之間呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性，與葉面積指數(shù)之間呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)性；馬波等[9]對(duì)人工降雨下單株玉米的穿透雨進(jìn)行了測(cè)定，發(fā)現(xiàn)穿透雨量約占整個(gè)生育期降雨量的63.92%，降雨強(qiáng)度與穿透雨量之間呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性，與葉面積指數(shù)之間呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)性；Nazari等[10]測(cè)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(shù)和株高的變化而變化。以往的研究表明，降雨量、降雨強(qiáng)度等降雨特征和葉面積指數(shù)、株高等作物形態(tài)特征是影響玉米穿透雨的重要因素，由于不同研究地區(qū)降雨特征和作物形態(tài)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(qū)，特定地區(qū)的穿透雨規(guī)律仍需根據(jù)其降雨及作物生長特點(diǎn)進(jìn)行研究。已有研究也未對(duì)不同生育期玉米穿透雨過程的差異性進(jìn)行深入分析，各影響因素在不同生育階段對(duì)穿透雨的影響效果的差異狀況尚不明確，仍需進(jìn)一步研究。

遼寧省是中國13個(gè)糧食主產(chǎn)區(qū)之一，玉米主要種植面積每年穩(wěn)定在200 萬hm2以上，其中遼西地區(qū)種植面積占全省的2∕3以上，產(chǎn)量占75%以上，該區(qū)域的玉米生產(chǎn)對(duì)遼寧省仍至中國的糧食安全至關(guān)重要[11]。然而該地區(qū)屬于半干旱地區(qū)，灌溉水資源匱乏[12]，當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物生長用水主要依靠自然降水，土壤水分虧缺是農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生的主要因素[13]。穿透雨的研究，對(duì)分析當(dāng)?shù)赝寥浪趾腿苜|(zhì)運(yùn)移等至關(guān)重要。因此，本研究通過系統(tǒng)測(cè)定降雨特征、玉米形態(tài)特征以及玉米穿透雨，進(jìn)一步分析降雨特征、玉米形態(tài)對(duì)玉米全生育期穿透雨的影響規(guī)律。目的是量化遼西地區(qū)不同生育期及不同降雨等級(jí)條件下的穿透雨率，分析玉米穿透雨的影響規(guī)律，并深入研究不同生育期穿透雨過程的差異性，為完善農(nóng)田水循環(huán)理論提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)于2015-2016年在遼寧省朝陽市建平縣灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)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(fēng)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(fā)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(fā)。當(dāng)?shù)赜衩追N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(zhì)地為砂壤土，土壤田間最大持水率21%，容重1.4 g∕cm3，項(xiàng)目區(qū)土壤養(yǎng)分平均含量是有機(jī)質(zhì)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(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)布置

本試驗(yàn)采用天然降雨進(jìn)行，品種為當(dāng)?shù)爻Ｓ闷贩N“遼單1211”，試驗(yàn)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(dāng)?shù)爻Ｓ妹芏?.2 萬株∕hm2（根據(jù)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(cè)項(xiàng)目與方法

（1）降雨量及降雨強(qiáng)度觀測(cè)。降雨量及降雨強(qiáng)度由自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)觀測(cè)，自動(dòng)氣象站設(shè)置在距試驗(yàn)小區(qū)10 m的開闊處，自動(dòng)記錄降雨期間每小時(shí)內(nèi)的降水量（mm）。為提高測(cè)量精度，參考韓雪等[14]的方法進(jìn)行人工校正，在試驗(yàn)小區(qū)周圍開闊處布置3個(gè)承雨桶。單次降雨事件（連續(xù)降雨中間斷不超過1 h為一次降雨事件）結(jié)束之后30 min內(nèi)，采用灌溉試驗(yàn)站自動(dòng)雨量站觀測(cè)記錄降雨量（mm）和降雨強(qiáng)度（mm∕h），根據(jù)布置的3個(gè)承雨桶校核總降雨量（mm）。

（2）穿透雨量（TF）。試驗(yàn)采取在單株玉米周圍3個(gè)方向密集布設(shè)量雨筒的方法來觀測(cè)穿透水量，其中寬行間布置6個(gè)量雨筒，窄行間布置2個(gè)量雨筒，株間布置2個(gè)量雨筒，將不同方向上的量雨筒計(jì)算出算術(shù)平均值，然后折算成水深（mm），即為該測(cè)點(diǎn)穿透雨量。在試驗(yàn)小區(qū)平行布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，作為3次重復(fù)，降雨事件的棵間穿透雨量為3測(cè)點(diǎn)平均值。

（3）株高和葉面積指數(shù)（LAI）。降雨前，隨機(jī)選取5株玉米，對(duì)玉米植株的葉面積和株高進(jìn)行測(cè)定。株高采用鋼卷尺直接量測(cè)，葉面積指數(shù)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(shù)計(jì)算葉面積，再除以玉米對(duì)應(yīng)面積（A），即為葉面積指數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

（1）采用單因素方差分析檢驗(yàn)降雨特征和玉米形態(tài)特征與穿透雨特征的關(guān)系。

（2）采用Microsoft Excel 2016 software對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入、整理和制圖等。

（3）采用SPSS 19.0進(jìn)行相關(guān)性分析、方差分析以及回歸分析等。

2 結(jié)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(jìn)行了天然降雨條件下玉米穿透雨特征試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)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(jìn)行了測(cè)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(duì)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(dá)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(lián)系，對(duì)玉米不同生育期的降雨量與穿透雨量進(jìn)行了回歸分析（圖3）。結(jié)果表明，降雨量與穿透雨量之間呈現(xiàn)顯極著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。這與郝建芝等[16]的研究結(jié)果相同。這主要是因?yàn)樵诮涤赀^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(chǎn)生的穿透雨量大小不同，呈現(xiàn)出拔節(jié)期＞成熟期＞抽雄期的規(guī)律，其中抽雄期與成熟期接近，但明顯小于拔節(jié)期。在拔節(jié)期降雨量每增加1 mm平均可以產(chǎn)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(jié)期的一半。

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

2.3 平均降雨強(qiáng)度對(duì)穿透雨的影響

各生育期降雨強(qiáng)度與穿透雨率回歸分析的顯著性不同，在拔節(jié)期呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)性（P＜0.05）（圖4），但在抽雄期和成熟期則不顯著。拔節(jié)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(jié)期隨著降雨強(qiáng)度的增加，穿透雨率增長的速度更快。在拔節(jié)期降雨強(qiáng)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(qiáng)度不僅代表了單位時(shí)間內(nèi)的降雨量，也體現(xiàn)了更大的雨滴和更強(qiáng)的雨滴動(dòng)能，作用在玉米葉片上增大了葉片的晃動(dòng)幅度，從而影響了作物冠層對(duì)降雨的攔截和匯集作用。在拔節(jié)期玉米尚未完全發(fā)育成熟，葉片抗擾動(dòng)能力較差，降雨強(qiáng)度對(duì)再分配的影響比較強(qiáng)烈，但進(jìn)入抽雄期后玉米冠層逐漸強(qiáng)壯，雨滴動(dòng)能對(duì)其影響減弱。

圖4 降雨強(qiáng)度對(duì)穿透雨率的影響Fig.4 Influence of rainfall intensity on Throughfall rate

2.4 葉面積指數(shù)對(duì)莖稈流率的影響

玉米降雨再分配過程中，降雨首先到達(dá)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(jīng)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(shù)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(shù)與穿透雨率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。葉面積指數(shù)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(jié)果相同[9]，同樣的結(jié)果也體現(xiàn)在大豆等其他作物上[17]。當(dāng)葉面積指數(shù)相同時(shí)，降雨量級(jí)對(duì)相同葉面積指數(shù)下的穿透雨率影響不大。

圖5 葉面積指數(shù)對(duì)莖稈流率的影響Fig.5 Influence of leaf area index on Throughfall rate

2.5 株高對(duì)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(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）[圖6（a）]。這是因?yàn)橹旮吆腿~面積指數(shù)呈顯著正相關(guān)（P＜0.01）（圖7），隨著株高的增加，葉面積指數(shù)也隨之增加。不同株高階段的回歸分析顯示[圖6（b）]：當(dāng)株高為50～100 mm時(shí)（拔節(jié)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(dāng)株高100～300 mm時(shí)，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?yàn)楣趯訉?duì)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(duì)降雨的攔截作用。當(dāng)株高在接近300 cm時(shí)，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(shù)發(fā)生變化造成的。抽雄期玉米最大株高接近300 cm，葉面積指數(shù)也達(dá)到峰值，此時(shí)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(fā)生枯萎彎曲，導(dǎo)致葉面積指數(shù)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(shù)是影響穿透雨率的更直接因素。

圖6 株高對(duì)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(shù)的關(guān)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(jié)果有一定的差異。造成這種結(jié)果可能有以下原因：①種植密度和品種不同。本試驗(yàn)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(shù)，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(jīng)被證實(shí)。不同地區(qū)的種植玉米品種也不相同，這也造成了葉面積指數(shù)等玉米形態(tài)特征的差異，進(jìn)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(yàn)，降雨強(qiáng)度大、歷時(shí)短。而本研究采用天然降雨，降雨強(qiáng)度小、歷時(shí)長，這會(huì)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(jié)果[19]。Nazari等[10]的研究也驗(yàn)證了天然降雨和人工降雨試驗(yàn)在穿透結(jié)果上存在差異。

在2年的試驗(yàn)中，葉面積指數(shù)隨玉米的生長呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，穿透雨率隨葉面積指數(shù)的變化顯現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)橛衩咨L初期，葉片數(shù)量較少且面積較小，玉米植株對(duì)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(shù)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(fā)生枯萎彎曲，葉面積指數(shù)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(shí)，葉面積指數(shù)越大，產(chǎn)生的穿透雨量就越小。

本研究發(fā)現(xiàn)，在不用生育期各影響因素對(duì)玉米穿透雨量的影響效果不同。圖1中全生育期擬合函數(shù)的決定系數(shù)R2為0.922 1，而拔節(jié)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(shù)，說明按照不同生育期對(duì)穿透雨進(jìn)行分析具有實(shí)際意義。

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

4 結(jié) 論

2015-2016年28次降雨事件中，研究區(qū)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(jié)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(jié)期平均穿透雨率最高。不同降雨量級(jí)穿透雨率差異不顯著。

在玉米整個(gè)生育期內(nèi)，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(shù)和株高的增加而減小。但在不同生育期，同一影響因素對(duì)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(xiàn)拔節(jié)期＞成熟期＞抽雄期的規(guī)律。在拔節(jié)期穿透雨率隨降雨強(qiáng)度的增加而增大，但在抽穗期和成熟期，這種趨勢(shì)并不顯著。不同株高區(qū)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。