模拟降雨下作物穿雨和茎秆流空间分布特征

模拟降雨下作物穿雨和茎秆流空间分布特征

马波，马勇，李占斌等。在模拟降雨条件下，植物对降水再分配过程的影响[j]农业工程报告，2014年，30（16）：136-146。0作物冠层截留量研究与其他类型的植被相同,作物对降雨也具有拦截再分配的作用。其结果使到达地面的雨水的分布很不均匀,既造成了土壤入渗的不均匀性,又会在局部地段形成水量的集中,从而形成了小的细沟侵蚀、土壤深层渗漏和氮淋溶的增加等对作物生长的一些不利因素。通常情况下,降雨经过植被冠层后,被大致分为穿透雨、茎秆流(林木称树干径流)和冠层截留3部分。若在不计蒸发的情况下,这3部分水量的总和等于冠上输入的总雨量,因而始终处于此消彼长的关系。目前国内外针对林冠截留分异降雨的研究较多较广泛,但是针对农作物冠层的研究相对较少且结果差异较大。大量的研究结果显示玉米冠下穿透雨量占降雨量比例为31%~91%,大豆和燕麦(AvenasativaLinn.)穿透雨的分别占总降雨量的65%和80%,棉花(GossypiumhirsutumLinn.)的穿透雨量占到总降雨量的66%~97%,冬小麦的结果为72%~76%。但总体上来看,中耕作物的穿透雨量主要集中于作物行间的位置,而密植作物穿透雨的集中程度要小于中耕作物。作物的茎秆流是降雨经作物枝叶汇集后,将点状降雨转化为连续水流并顺茎秆流至地面的雨量。研究证明玉米茎秆流可占到总降雨量的40%~50%或更大[1,8,9,10,14,15,16,17];高粱也有相似的结果;大豆能将约1/5的降雨转茎秆流;马铃薯植株能将约20%~46%的降雨汇集到茎秆。作物冠层截流量的估算方法很多,得出的结果也不尽相同:Dijk等采用直接测定的方法得出玉米的截留量约0.066mm;Lamm等、Steiner等、王迪等和郝芝建等运用水量平衡法得出玉米冠层的截留量从0.8mm到3.6mm;Haynes通过实测认为玉米和大豆冠层截留量分别约占总降雨量6.9%和14.6%。由此可见,对于作物冠层截雨能力的观测研究,其成果还存在较大的差异,这可能是由于作物种类、品种、叶型、种植密度以及喷灌或降雨等试验条件的不同所造成的。目前的研究多集中于生长成熟的作物植株,且最主要针对成熟玉米开展的研究较多,而作物全生育期内对降雨的拦截分配作用研究还颇为少见。黄土高原地区生态环境脆弱,水土流失严重;而坡耕地是该区重要的土地资源,也是水土流失的重要策源地。研究坡耕地的农业资源利用与土壤侵蚀问题对于该区坡耕地的可持续利用具有重要的意义。由于该区的自然与经济条件限制,农业以雨养农业为主,因此雨水资源的有效利用不可忽视。开展黄土高原坡耕地主要作物对降雨的再分配作用,可为进一步提高降雨和灌溉水的利用效率、完善农田生态水文过程机理和作物植被固土保水机制研究提供参考依据,以服务于土壤侵蚀预报和作物生产管理。本研究的目的是系统测定黄土高原坡耕地上的主要栽培作物玉米、大豆、谷子和冬小麦不同生育期的穿透雨、茎秆流和冠层截留,重点放在不同作物不同生育期3部分水量的变化特征,对其进行量化分析并探寻三者与作物叶面积指数和降雨强度之间的关系。1试验计划和测量1.1降雨强度的测定模拟试验选在西北农林科技大学水土保持工程实验室人工降雨大厅。于2007年至2009年在实验室邻近的种植园内种植玉米(郑单958)、大豆(中黄13)、谷子(晋谷29)和冬小麦(小偃22)以供试研究。玉米采用穴播,株距25cm、行距60cm;大豆采用穴播,株距20cm、行距40cm;谷子实行条播,行距20cm,待三叶期时对其定苗后株距为10cm;冬小麦也为条播,播量为130kg/hm2,行距为20cm。作物的种植与田间管理按当地农作习惯进行。根据当地夏秋两季多大到暴雨的特点,设计降雨强度范围为20~120mm/h,其中40mm/h以下降雨强度模拟中到大雨条件,60~80mm/h模拟暴雨条件,100mm/h以上降雨强度模拟特大暴雨条件,每次降雨历时按实际设为10~30min。由于玉米、谷子等禾本科作物在其拔节、抽雄、抽穗等生育期生长迅速,冠层及株高变化较大,为深入分析作物穿透雨、茎秆流和冠层截留随作物叶面积指数的变化规律,依据作物生长和叶面积在传统的作物生育期划分标准上将作物拔节期、抽雄期和抽穗期进行了进一步的细分(表1),并在各阶段随机采取作物植株带至室内进行穿透雨、茎秆流、冠层截留和叶面积的测量。本试验室内外人工降雨装置均采用中科院水利部水土保持研究所研制的下喷式降雨机。喷头为Fulljet®GW系列喷头,安装高度为4m,有效降雨面积约为3m×3m,利用色斑法测得降雨机不同降雨强度下的平均雨滴直径为1.8mm,降雨动能是天然降雨动能的75%,降雨均匀度可达到80%。通过不同进水“阀门开关-出水喷头”组合来实现降雨强度的调节,可调节降雨强度范围为20~160mm/h。经测定,调节至任1个“喷头-压强”组合下的降雨强度是稳定的,可以为试验采用。1.2小麦冠下降雨强度的观测为测定作物不同生育期行间不同位置的穿透雨,在每个测试阶段,将连续2行玉米(8株)、大豆(10株)和连续3行谷子(27株)齐地面剪断并迅速带至实验室内,按照田间作物生长的朝向及株行距将待试植株竖直固定于降雨机下方,以模拟2行或3行作物之间的空间区域。将若干雨量筒(内径5.5cm高7cm)按图1所示置于作物冠下的行间区域并进行降雨,待降雨结束后收集测量各雨量筒的水量,并计算冠下各点降雨量及降雨强度。最后再将作物移开,将玻璃杯再次按原位置摆放继续降雨30min,以观测裸地的降雨量。穿透雨设计降雨强度为40和80mm/h,每场降雨的历时为30min,在各生长阶段不同降雨强度下各测定1次。将作物冠下单位面积单位时间的穿透雨量定义为穿透雨强度(mm/h);单位面积单位时间内的穿透雨量与其相应的降雨量的比率即为作物的穿透雨率(%)。待该阶段穿透雨测定结束后,测定各株作物的叶面积,并计算叶面积指数。以上观测方法适用于玉米、大豆、和谷子,而对于小麦而言,由于其种植密度很大且具有分蘖特性,故在室内无法模拟自然状态下的冠层密度和形态,因此小麦冠下降雨测定在室外田间进行。冠下雨量筒位置按“S”形摆放,每行放置10个,共放置2行。同时在紧邻的裸露地放置20个玻璃杯,以测定裸地降雨量。每一个放置点都采用内外套筒的方法,将外筒筒口(直径6.5cm、高7.5cm)齐地面埋于地下,观测时将有玻璃杯作为内筒放于外筒内收集穿透雨。降雨强度和降雨历时与其他3种作物相同。这样观测小麦穿透雨的原因是由于小麦冠层较矮,若直接将雨量筒置于冠下会影响穿透雨的收集,而将雨量筒置于地面以下有利于收集穿透雨,但为了不影响小麦根系正常生长故将雨量筒按“S”形放置。1.3不同降雨强度下秸秆流收集筒设计在各观测阶段,随机选取若干作物植株(玉米选取12株,谷子、大豆和冬小麦各选取16株)进行编号,齐地面切下后迅速转移至室内固定在茎秆流收集筒中(图2),按播种时的行间距摆放于降雨机下进行观测试验。玉米和大豆分别在20、40、60、80、100、120mm/h降雨强度下分别收集茎秆流。玉米在幼苗期时各设计降雨强度下均收集20min,为避免玉米成熟期茎秆流量过大,超过收集装置的容量,故在其他各阶段将各降雨强度下的降雨历时设为10min。大豆在各生育期各降雨强度下均收集20min。小麦和谷子在40和80mm/h降雨强度下分别收集茎秆流20min。由于茎秆流收集筒尺寸所限,小麦和谷子不能模拟田间种植密度,只是尽可能将茎秆流收集筒互相紧靠缩短间距。待所有观测项目完成后,测定各作物的叶面积,并计算叶面积指数。茎秆流收集筒为铁质带盖圆筒(图2),将1根长15cm的铁钉竖直固定于筒底圆心处(玉米)或偏离圆心0.5cm处(大豆、谷子、小麦)。将作物植株竖直固定于茎秆流收集筒中,并保持植株处于桶盖开口正中心。茎秆流收集筒筒盖为圆台设计结构,玉米茎秆流收集装置筒盖底径22cm,其他作物茎秆流收集装置筒盖17cm,上口径2~5cm,以适应不同作物不同茎秆粗细植株,使筒盖上部开口尽可能接近作物茎秆以减小误差。4种作物的茎秆流在不同生长阶段和不同降雨强度下各测定1次。降雨结束后,将茎秆流收集筒收集的水量测定其体积V,并根据单株作物植株占土地面积将水量换算成茎秆流量,即单位时间内产生的单株作物茎秆流量(SF,mm/h)。式中:SF为单株作物茎秆流量,mm/h;V为茎秆流收集筒水量,mL;IW为株距,cm;RW为行距,cm;t为降雨历时,min;10、60均为茎秆流量单位换算系数。将作物茎秆流量与降雨量的比例定义为单株作物的茎秆流率(%)。1.4封闭切口的封闭采用喷雾法对作物冠层截留量进行观测。在各观测阶段,将作物植株(玉米12株、大豆10株、谷子和冬小麦各20株)齐地面切下后立即用熔化的石蜡封闭切口以防止水分从切口处散失和吸收。然后迅速将作物植株转移至室内称质量,后将植株直立固定,用喷雾器在植株上方喷雾(喷雾强度<0.3mm/min),待植株表面湿润直至叶缘叶尖处开始形成滴水,叶基处开始有茎秆流形成时,将作物取下称质量,喷雾前后作物植株的质量差再除以单株作物的占地面积即为作物植株的截留量。1.5大豆叶面积li和比叶重法测量待每轮次试验结束后均需测量所有作物植株的叶面积,其中玉米、谷子和冬小麦采用长宽比例法,如下式所示:式中:AL为单株作物叶面积,cm2;k为修正系数(玉米取0.75,谷子和冬小麦取0.85);Li为第i片叶片长度,cm;Wi为第i片叶片最宽处宽度,cm;n为单株作物的叶片数。大豆叶面积采用比叶重法测量,即在大豆各生育期建立单位面积的叶片干物质质量与其叶面积的定量关系;再称取大豆所有叶片干物质质量并根据此定量关系利用下式计算叶面积AL:式中:LSI为比叶面积,cm2/g;TAi为某生育期单位叶面积,cm2;DWi为某生育期单位叶面积的干质量,g;AL为单株作物叶面积,cm2;W为所测植株的叶干物质质量,g。将单位土地面积上的总叶面积除以相应的土地面积,即可获得当前生育期的叶面积指数(LAI)。1.6标准偏差计算公式为式中:σ为标准偏差;N为样本数,xi为第i个样本的值;ue0af为样本均值。1.7穿透雨率、秸秆流率和冠层截留率的测定作物冠下穿透雨率、茎秆流率和冠层截留率之和理论上应等于100%,但由于误差,3者之和在实验中会大于或小于100%的理论值。因此将实测3个组分的总和与100%的差值,按照加权平均的方法将其去除,使之三组分之和等于100%,从而得到各作物穿透雨率、茎秆流率和冠层截留率的理论值。以穿透雨率理论值计算为例,计算公式如式(6)所示:式中:RTH′为穿透雨率理论值,%;S为穿透雨率、径流率和冠层截留率实测值总和,%;RTH为穿透雨率实测值,%。茎秆流率和冠层截留率的理论值计算与之同理。2结果与分析2.1不同降雨强度对穿透雨率的影响在40和80mm/h降雨强度下,玉米、大豆、谷子和冬小麦全生育期内冠下平均穿透雨率分别为63.92%、85.61%、79.11%和79.50%(表2)。总体而言,作物冠下穿透雨强度随降雨强度增大呈现增大趋势(表2);随作物叶面积指数的增加均呈现降低趋势(图3a)。在40和80mm/h降雨强度下,玉米幼苗期(LAI=0.26)的冠下穿透雨强度最大,可占冠上降雨量93.55%,随玉米生长逐渐降低,至抽雄前期(LAI=4.48)降至最小,穿透雨率约为36.23%(图3b);但是玉米抽雄后期(LAI=3.67)时,由于营养生长逐渐由盛转衰,冠下穿透雨率又上升至46.66%。但总体上随着玉米生长即叶面积指数的增加,穿透雨强度和穿透雨率均呈逐步降低趋势。这表明玉米植株的生长对减少降雨直接接触地表具有重要作用。与玉米相似,大豆和谷子冠下穿透雨强度及穿透雨率随叶面积指数的增加呈现降低趋势。其中,在40和80mm/h降雨强度下,大豆冠下穿透雨率由幼苗期(LAI=0.80)的97.08%降至鼓粒期(LAI=6.90)的75.32%;谷子冠下穿透雨率由拔节初期(LAI=1.13)91.97%降至灌浆期(LAI=3.40)的66.18%(图3b)。随着冬小麦的生长,相应降雨强度下的穿透雨强差异较小,呈略微下降趋势(图3a)。从返青期(LAI=2.32)至灌浆期(LAI=6.12)变化范围为76.40%~81.85%,冬小麦的穿透雨强度相差最大不到4%,这说明小麦穿透雨强度随小麦生长的变化幅度较小。作物冠下穿透雨强度同时也受到降雨强度的影响,不同雨强下的穿透雨强度存在较大差异(图3a)。玉米、大豆、谷子和冬小麦全生育期内80mm/h降雨强度下的平均穿透雨强度分别为52.02、69.47、63.14和66.13mm/h(表2),分别是40mm/h降雨强度下的1.88、2.03、1.95和2.10倍;而不同降雨强度下,同种作物相同生育期的冠下穿透雨率差异较小(图3b)。降雨强度对穿透雨率的影响存在不确定性,并且其发挥作用还受到作物植株自身生理状态的制约和影响。由方差分析可知,4种作物冠下穿透雨强度随其叶面积指数和降雨强度变化均存在显著差异(p<0.05);穿透雨率随其叶面积指数变化存在显著性差异(p<0.05,冬小麦除外),随降雨强度变化不存在显著性差异(p>0.05)。经回归分析得到穿透雨与叶面积指数和降雨强度的回归方程(表3)。由回归结果可知,作物的叶面积指数与穿透雨强度和穿透雨率均呈反比关系;作物穿透雨强度和穿透雨率与各因子具有较高的线性相关性,除冬小麦穿透雨率外,作物穿透雨强度和穿透雨率的回归方程均达到了极显著水平(p<0.01)。虽然作物冠下的平均穿透雨随叶面积指数的增加呈降低趋势,但是冠下降雨空间分布存在较大差异。若将两行玉米、大豆和谷子之间行间区域划分为如图1所示的叶下空间和行中区域,则2个区域的穿透雨的强度和变化存在较大差异。作物幼苗期时,由于作物植株较小,所能影响到的冠下空间范围有限,只能在靠近植株附近较小区域内有所作用,但由于植株过小,行间大部分区域没有被叶片覆盖,对穿透雨空间分布影响微弱。因此穿透雨主要以降雨直接到达地表的形式存在,其空间分布与裸地相似,分布较为均匀。但随着作物的生长,叶尖逐渐向行间伸展,穿透雨主要集中于行间正中区域(行中区域)。由此说明,随着作物的生长,作物冠下穿透雨具有向行中区域集中的明显趋势。在实际观测中也发现出现极端值或较大穿透雨的区域往往是叶尖滴水和叶缘凹向下方形成汇集出水断面的地方。而这种特征又往往具有随机性,从而造成冠下穿透雨的不均匀性。2.2不同立地条件下苜蓿流率的变化不同生长阶段单株作物植株茎秆流、叶面积等观测结果如表4所示。不同种类作物的茎秆流差异较大,在20~120mm/h降雨强度下,玉米、大豆全生育期内平均茎秆流率分别为35.28%和13.58%;在40和80mm/h降雨强度下,谷子和冬小麦全生育期内平均茎秆流率分别为19.23%和29.08%。玉米、大豆在20~120mm/h降雨强度下,谷子和冬小麦在40和80mm/h降雨强度下,单株作物的茎秆流量和茎秆流率随作物叶面积指数的增加而逐渐增加(图4)。在这4种作物中,玉米不同生长阶段的茎秆流差异最大:在20~120mm/h降雨强度下,茎秆流量由幼苗期(LAI=0.29)的4.14mm/h上升而抽雄初期(LAI=4.24)的48.71mm/h(图4a),茎秆流率则由5.98%上升至70.42%,而进入抽雄后期(LAI=3.77)又降低至51.03%(图4b)。就大豆而言,茎秆流量随大豆生长而缓慢增加:在20~120mm/h降雨强度下,由幼苗期(LAI=0.82)的2.10mm/h增加至鼓粒期(LAI=6.95)的15.7mm/h,茎秆流率则由3.06%增加至22.52%。这说明大豆冠层形成茎秆流的能力较玉米低,最大茎秆流量只占降雨量约五分之一,可能是其特定冠层结构决定其并不能像玉米那样有利于汇集雨水形成茎秆流。从谷子各个生长阶段来看,在40和80mm/h降雨强度下,其茎秆流率由拔节初期(LAI=1.20)的6.30%(4.71mm/h)增加至灌浆期(LAI=3.33)的32.80%(22.30mm/h),增幅较为显著。就生长旺盛期(LAI=3.33)而言,其较小的叶面积指数却具有较强的转化茎秆流的能力,这或许是由于谷子种植密度较大(0.02m2/株)的缘故。随着小麦生长,在40和80mm/h降雨强度下,其茎秆流率由返青期(LAI=2.57)的22.15%(15.52mm/h)上升至灌浆期(LAI=5.78)的36.52%(23.63mm/h),增加约10%左右,呈现缓慢增加趋势。单株作物植株的茎秆流量随降雨强度的增加而逐渐增加(表4)。强降雨条件下(≥60mm/h),较大的降雨量不仅有利于作物形成茎秆流,而且其较强的雨滴动能使叶片产生较大震动,导致叶面上雨水的移动方向发生改变从而影响茎秆流的形成。这种影响在作物植株较小时比较显著,导致降雨更多地以穿透雨形式接触地表;而当植株较大时逐渐强壮的植株使这种影响慢慢降低,在降雨量较大时更有利于汇集雨水至叶基内侧形成茎秆流。与此同时,作物生长过程中茎秆流的生成还存在其他不确定因素,例如作物形态、枝叶强度、叶片韧性、叶片倾角等都会对其产生影响。方差分析表明,茎秆流量随其叶面积指数和降雨强度变化均存在显著差异(p<0.05);茎秆流率随其叶面积指数变化存在显著差异(p<0.05),随降雨强度变化不存在显著差异(p>0.05)。可见,叶面积指数和降雨强度对作物茎秆流量均产生了显著地影响,但是降雨强度对其茎秆流率的影响较小,而叶面积指数成为其主要影响因素。若将不同作物植株的茎秆流与叶面积指数和降雨强度进行回归分析,可知(表5):作物茎秆流与各因子具有较高的相关性,茎秆流量和茎秆流率的回归方程均达到了极显著水平(p<0.01),说明回归结果是有意义的。2.3对降雨强度或降雨放线率的影响玉米、大豆、谷子和冬小麦全生育期内平均冠层截留量分别为0.16、0.48、0.28和0.88mm(表6)。作物冠层截留量均与叶面积密切相关(表7),但是与降雨强度没有关系。在降雨过程中,各阶段冠层截留量达到最大后便趋于稳定,因此,冠层截留量占降雨量的比例(截留率)会随降雨强度或降雨量增大而降低(表6)。以20mm/h降雨强度为例,当玉米生长最为旺盛时(LAI=4.19),其60min降雨冠层截留率为1.30%,而80、120mm/h下这一比例将会更低,分别为0.30%和0.20%,由此说明作物冠层截留量并不是其降雨再分配的主要部分,其对降雨的空间分异影响很小。同样,冠层截流量值的大小也与叶面积指数的变化呈正相关(表7),且在线性、幂函数和指数分布形式下均具有很高的相关性。其中玉米冠层截留量与叶面积指数的指数分布形式显著性最高,而种植大豆、谷子和冬小麦条件下,二者的线性关系和幂函数关系的相关性系数相同或接近并高于指数函数关系。对回归结果的F检验可知,玉米、大豆和谷子冠层截留量的回归方程达到了极显著水平(P<0.01),冬小麦冠层截留量的回归方程也到了显著水平(P<0.05)。2.4各作物降雨强度的测算由上述分析可以看出,在4种作物的穿透雨、茎秆流和冠层截留量中,冠层截留量占的份额最小。因此,将冠层截留量换算为占相应降雨量的百分数后可得表8(实测值)。在40和80mm/h降雨强度下,4种作物3个分量实测值占降雨量的份额分别为77.04%、24.07%和0.83%,且不同雨强、不同作物3者的总和主要介于95%~110%之间。因此,再按加权平均法计算后可得到4种作物在40和80mm/h降雨强度下的理论平均值:玉米穿透雨率理论值65.15%,茎秆流率理论值34.59%,冠层截留率理论值0.26%;大豆穿透雨率理论值85.52%,茎秆流率理论值13.58%,冠层截留率理论值0.90%;谷子穿透雨率理论值80.05%,茎秆流率理论值19.42%,冠层截留率理论值0.53%;冬小麦穿透雨率理论值72.18%,茎秆流率理论值26.34%,冠层截留率理论值1.48%(表8)。3对不同观测方法对玉米冠层截留量的影响为了定量确定作物冠层对降雨拦截再分配及其影响因素,为评价作物水分利用效率和土壤侵蚀机理研究提供参考依据,对玉米、大豆、谷子和冬小麦冠层的降雨再分配过程进行了测定。目前针对作物冠层对降雨或喷灌水的拦截再分配作用主要集中于喷灌条件下的玉米和冬小麦冠层,对其他作物研究较为少见。本研究通过模拟降雨测得的玉米全生育期内平均约有35%的水量以茎秆流的形式到达地表,略高于前人的研究成果;约有64%的水量以穿透雨的形式到达地表,略低于既有的研究成果;这是因为采用降雨、喷灌等研究手段的不同加之研究作物所处的生育期不同造成的。采用喷雾法所测玉米冠层截留量较小,均低于其他学者的观测结果。本研究所测冬小麦冠下穿透雨可占降雨量略高于杜尧东等观测成果。冬小麦冠层截留量随冬小麦叶面积指数增加而增加,其最大截留量出现在抽穗期至灌浆期,这与王庆改等和刘战东等分别在喷灌和浸水条件下得到的结论较为一致。采用喷雾法测得冬小麦冠层截留量为0.49~1.55mm,这与王迪等采用喷灌法观测的结果相近,而略高于王庆改等和Kang等的观测结果。截留量观测结果的差异可能是由于观测方法、作物叶片状态及湿润过程与程度不同造成的差异。作物的截留能力是随着作物生长而不断增大的,但是在一定的叶面积指数下,作物的截留能力是有限的,一旦达到截留上限,便保持相对稳定,降雨强度对其便没有意义;冠层截留的雨水会转化为茎秆流和穿透雨