玉米冠层对喷灌水力性能影响的研究进展

马文利，朱德兰,2，葛茂生,2

(1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院， 陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 中国旱区节水农业研究院， 陕西 杨凌 712100)

喷灌作为一种先进的高效节水灌溉技术，因其具有省工省时、自动化程度高和可以改善田间小气候[1]等优点被许多国家广泛使用，在我国也具有广阔的发展和应用前景。喷灌水力性能与农田生产环境密切相关，并对灌溉水肥利用效率、作物产量与灌溉侵蚀等产生直接影响[2-3]，喷灌强度，水量分布和打击强度等喷灌水力性能参数[4-8]已经成为评价喷灌系统设计与应用效果的重要技术指标。对喷灌水力性能的研究从20世纪60年代起延续至今，研究者通过实测分析、模型计算等手段对喷灌水量分布、喷洒均匀性、喷头雾化指标等技术参数进行规律总结，为喷灌系统的设计与田间运行管理提供数据支撑[9]。除喷头类型、工作压力、安装高度等设计与运行参数以外，喷灌水力性能同时也受到作物冠层的显著影响，作物冠层作为喷灌水滴冲击地表前的屏障，对喷灌性能指标的空间变异起主要作用[10-16]。玉米作为重要的粮食作物，在全球各地广泛种植，同时也是我国三大主粮之一。近年来，喷灌技术在玉米灌溉中得到越来越广泛的应用(见图1)，阐明玉米冠层对喷灌水力性能影响作用，对于农田水肥高效利用具有重要的理论和实践价值。

图1 常见玉米喷灌方式

本文对玉米冠层对喷灌水力性能影响的相关研究进行归纳与总结，梳理了玉米冠层对喷灌水力性能影响的研究现状，并针对存在问题提出建议。以期为完善考虑下垫面条件的喷灌水力性能评价与构建冠下水肥分布预测模型提供参考。

1 国内外研究现状

1.1 玉米冠层对喷灌水量再分配的影响

受作物冠层的影响，喷灌水滴一般经作物冠层调节后抵达地表。通常情况下，天然降雨或喷灌降水经过植被冠层后，可被分为穿透流、茎秆流(林木称树干径流)和冠层截留三部分[14,17-19]。在忽略蒸发损失的情况下，这三部分水量的总和等于冠上输入的总水量，因此三者之间始终存在此消彼长的关系[20-22]。穿透流是指喷灌降水在经过作物冠层后，通过冠层直接到达地面的穿透水量；茎秆流是喷灌降水经作物枝叶汇集后，将离散点状分布的降水转化为连续水流并顺茎秆流至地面的水量；冠层截留是指在喷灌过程中，暂时停留在冠层内的水量,包括叶片和茎秆的表面，以及叶鞘中的截留水量。关于玉米冠层作用对天然降水或喷灌降水再分配的影响已有了较广泛的研究，结果表明玉米冠下的穿透流占总降水量的比例在不同生育期呈现较大的波动性，为31%～91%[23-26]；喷灌条件下，玉米冠层截留和茎秆流随生育期的推进呈先增后减趋势，穿透流趋势与之相反[10]；玉米植株的茎秆流与降水强度和叶面积呈极显著正相关关系，成熟期玉米穿透流和茎秆流占比分别为45.4%和43.0%[11]，且冠层上下的均匀性呈现显著差异[12]。马璠等[13]的研究显示，玉米冠层截留量与叶面积指数和株高之间呈极显著正相关关系。用于获取作物冠层截留量的方法主要有直接测定法和水量平衡计算法，得到的结果也不尽相同：Dijk等[27]采用直接测定的方法得出玉米的截留量约为0.066 mm；Lamm等[14]、Steiner等[26]、王迪等[15]和郝芝建等[16]运用水量平衡法得出玉米冠层的截留量从0.8 mm到3.6 mm。

为进一步明确玉米在不同生育期内的冠层对水量再分配的影响，林代杰[28]探讨了不同生育期玉米冠层截流分异能力的差异，结果显示随着玉米生育期的推进,冠层截留率先增加再减小，在抽穗-成熟期达到最大值，为11.24%；茎秆流率先增加后减小，在拔节-抽穗期达到最大，为54.91%；穿透流占比先减小后增加，拔节-抽穗期达到最小值，为34.15%。马璠等[13]和马波等[29]实测研究了玉米植株在不同生育期内上述三部分水量的变化特征，对其量化分析并探索了三者与叶面积指数和降水强度之间的关系，结果表明不同降水强度下的玉米全生育期穿透流、茎秆流和冠层截留占比分别平均为65.15%、34.59%和0.26%，其用于收集各部分水量的装置如图2所示。

图2 茎秆流及穿透流收集示意图[29]

1.2 玉米冠层对冠下喷灌水量分布的影响

喷灌水量分布是喷灌水力性能的重要参数，也是评价喷灌系统设计与运行效果的关键指标，常采用喷灌均匀性系数(克里斯琴森均匀系数CU)[7]作为喷灌水量分布的评价指标，计算公式为：

(1)

影响喷灌均匀性系数的因素很多，如喷头类型[5]、喷嘴直径[30]、工作压力[31-32]和风力作用等。目前关于喷灌均匀性的研究多针对于裸地喷洒条件，未充分考虑作物冠层对冠下喷灌水量再分布的影响，但Jing等[33]的研究表明，作物冠层结构对冠下水量分布和土壤水分的空间分布起着重要作用，特别是对玉米植株而言，在对喷灌均匀性指标的考察中不可忽略作物冠层的影响。Jing等[33]对天然降水条件下的玉米冠下水量分布以及土壤入渗速率的研究显示，玉米冠层下方的水量分布不均，在玉米行间靠近中心位置处呈集中趋势，该结果可用于对玉米田间施肥喷药管理与侵蚀控制提供指导。Li[34]和Steiner等[26]的研究发现，喷灌水通过作物冠层后将在冠下进行水量再分布,且冠层下方的灌水均匀度一般高于冠层上方的灌水均匀度。当设计喷灌均匀度系数较低时，这种灌水均匀度的改善效果更加明显。Ayars等[35]在棉花田间的试验研究表明，冠层下方的灌水均匀度较冠层上方的灌水均匀度高出1%～26%。Li等[36]的研究结果表明，当冬小麦冠层上方的灌水均匀系数(CU)低于80%时，冠层下方的均匀系数将高于冠层上方。杜尧东等[37]也证实作物冠层与喷灌降水的交互作用使冠层下方的均匀系数比冠层上方提高10%～13%。对于玉米植株而言[12,14]，约有50%左右的灌溉水量经过冠层作用后以茎秆流的形式汇入土壤，使靠近玉米茎秆底部的土壤含水率明显增加，湿润深度也显著增大。玉米根系范围内土壤含水率的增加不仅为作物生长提供了良好的土壤水分环境，同时也提高了灌溉水的有效利用率。Xin等[38]对三种常用喷头喷灌条件下玉米两生长阶段冠层上下的水量分布及其差异进行了研究，冠层上方灌水深度与水量分布均匀系数显著高于冠下，且冠层上下水量分布的差异随着玉米植株生长而显著增加，研究结果还表明无论何种类型的喷灌，经过冠层截流和土壤水分的再分配作用后均能在土壤中达到较高的水量分布均匀系数。

1.3 玉米冠层对喷灌打击强度的影响

喷灌打击强度是指单位时间内喷洒区域内的动能大小，与水滴粒径、速度和喷灌强度相关，计算公式见式(2)。目前研究主要针对冠层作用下的冠下溅蚀量和水滴粒径等的变化，对于玉米冠下喷灌打击强度开展的直接研究仍然较少。

(2)

式中：Spj为不同测点处的喷洒动能强度，W/m2；ρj为不同测点处的喷灌强度，mm/h；j为不同的测点。

1.3.1 玉米冠层对冠下溅蚀量的影响

溅蚀是指携能水滴到达地表之后，水滴直接打击土壤，使土粒分散、分离和迁移的过程，主要发生在坡面产流之前和产流初期，是土壤侵蚀的初期阶段[39]。由于携能水滴的打击，使土粒与土体分离，破坏了土壤结构，增加了径流的紊动性，同时也加强了地表径流的分散和搬运能力，有助于溶蚀和面蚀的发生和发展，进而引发喷灌侵蚀[40-41]。目前，喷灌侵蚀已成为灌溉侵蚀中最显著的一种侵蚀方式[42]，在乌克兰的调查显示，每采用DDN-45型喷枪喷灌1～2次，可造成200 t/hm2的土壤损失[43]。此外，地表径流的产生降低了灌溉水有效利用率并造成土壤养分的淋失，在西班牙东北部，喷灌土地中的氮肥年施用量较非喷灌土地高出20%～30%[44]。溅蚀是土壤侵蚀过程中重要的组成部分，目前通过各种方法和手段对溅蚀进行观测和研究，取得了较丰硕的成果[45-60]。

玉米植株各生育期高度和冠层结构参数变化显著，受其影响，冠下喷灌打击强度呈现较强的时空变异，对玉米冠下溅蚀量变化规律的研究甚至得到了相反的结论[61-62]。Morgan[61]的研究结果表明：玉米冠下溅蚀率随冠层覆盖度的增大而增大，90%冠层覆盖度时冠下溅蚀率是无冠时的1.5倍～2.0倍，这与苗全安等[62]“玉米冠下溅蚀率随作物生长而降低”的研究结果刚好相反。马璠[63]研究发现虽然玉米冠下平均溅蚀率仅为裸地溅蚀率的40%～80%，但冠下溅蚀集中出现在少数几个点，这些位置处溅蚀率往往高于裸地溅蚀率的极高值，易被侵蚀而形成坑穴，进而发育形成冠下细沟。受叶尖或叶缘滴落水滴的影响，玉米冠下大粒径水滴明显增多，考虑到玉米较高的冠层高度，这部分水滴携带的能量是造成冠下侵蚀的重要能量来源[64]。有研究表明在植物冠层内部及下方，只有雨滴降落高度小于0.3 m才几乎不会产生溅蚀；尤其是在高度2.0 m的降落高度，大雨滴的侵蚀能力会迅速增强[65]。

由Morgan的研究结果可知，作物冠下不同区域的溅蚀强度差别很大，这说明了作物冠下溅蚀量在空间上的分布是不均匀的。林代杰[28]以川中丘陵区坡耕地为研究对象，开展不同生育期玉米植株和耕作模式对坡面产流产沙规律的影响研究，结果表明不同玉米耕作模式都能削减坡面径流量，且耕作模式不同导致成熟期玉米植被保土作用系数值出现一定差异。马波等[66]研究结果表明玉米在其不同生长阶段冠下平均溅蚀速率较裸地减少了约43%～77%，对减少降雨雨滴对地表的直接打击和减少溅蚀发生具有不同程度的作用；且玉米冠下溅蚀速率的空间分布与穿透雨的分布具有较好的对应关系，说明玉米冠下穿透雨的分布不均直接导致了溅蚀的分布不均。以上研究结果表明部分大水滴携带的能量可能是冠下溅蚀产生和分布的重要动能来源，但尚不易确定作物冠下大水滴数量及能量于溅蚀速率的定量关系。这些研究结果既体现出玉米冠层对水滴动能影响的复杂性，也反映出冠层对水滴动能影响的基础研究仍不健全。

1.3.2 玉米冠层对喷灌水滴物理特性的影响

研究者很早便意识到作物冠层对水量分布与水滴物理特性的影响，并针对玉米、大豆等作物设计并开展试验，对天然降水或喷灌条件下的作物冠层截留与水量再分配，冠下水滴粒径变化[67]等开展研究(见图3)。

图3 雨滴与冠层元素相互作用示意图[68]

Armstrong[68]指出冠下有粒径大于5 mm的新生水滴存在，体积中值粒径d50较无冠时增大。实际上，降落在地表的水滴所携带的动能才是评价侵蚀能力的基础，同时也是研究冠下喷灌打击强度的直接指标。马璠[63]以玉米最低叶片叶尖高度和最高叶片叶尖高度的平均值作为冠内新生水滴的下落高度，计算得到的冠下降水动能降低幅度与实测冠下溅蚀速率的降低幅度不成比列(分别75.4%和25.1%)，这表明假设下落高度与实际情况不符，导致玉米冠下动能计算值被低估。侵蚀通用方程USLE在考虑作物冠层因子时也做出类似假设，认为受作物冠层影响后水滴动能等效于粒径为2.5 mm的水滴从叶片平均高度处下落所拥有的能量。这些玉米冠下降水动能计算值的准确性未得到充分验证，实际上，也难以反映出玉米在各生育阶段内的冠下水滴动能。雨滴谱仪可用于直接测定冠下水滴的粒径和速度，使冠下水滴动能的准确量化成为可能。Frasson等[69]采用一对LPM激光雨滴谱仪对比分析了玉米冠下和无冠条件下的水滴粒径与速度分布，但并未在此基础上就水滴动能做深入探讨，且测试过程中LPM激光雨滴谱仪的位置始终固定在冠下一点，测试结果无法反映粒径与速度在玉米冠下不同位置处的变化，仪器布置见图4。

图4 试验装置布置图[69]

随着玉米冠层结构参数在各生育期内的持续变化，冠下喷灌水滴动能相应发生时空变异，冠下水滴总动能以及动能集中分布点的位置产生动态变化，造成这种变化的根本原因在于受冠层影响的喷灌水滴占比、冠层作用下新生大粒径水滴数目、降落高度、落地速度和降落位置等的变化[70-74]。以作物高度对冠下动能影响为例，橡胶林冠下动能明显高于林外动能的重要原因在于橡胶树的林冠较高[74]，而植株高度较低的大豆冠下溅蚀率则有显著降低[66]。Moss等[65]的研究表明，大粒径水滴(d≥5 mm)从1 m高度下落时的侵蚀能力就会比较显著而不可忽略。玉米生育期内株高可达2.5 m以上，伴随着生育期内株高的变化，冠下穿透水滴动能将是变化且不可忽略的。通过以上各类树木、作物冠层对降水特性的影响研究，可以合理假定玉米冠下喷灌水滴动能分布受关键冠层结构参数的影响，且有一定规律可循。

1.3.3 玉米冠层对喷灌水滴动能的影响

水滴动能的大小取决于水滴粒径与速度[75]，对喷灌水滴动能的量化研究也始终围绕喷洒水滴粒径与速度分布规律展开[76-77]。20世纪60年代，Seginer[78]借助弹道轨迹理论构建了喷灌水滴运动模型，以获取不同时刻的水滴速度；随后，Kohl[79]采用面粉法得到中尺寸喷头的水滴粒径组成与分布规律；Kincaid[80]结合水滴粒径与速度，计算出10种常见喷头水滴动能分布，为不同土壤、作物以及气象条件下的喷头选型提供了依据。在此基础上，研究者采用模型计算或实测的方法，对更多类型喷头的水滴动能展开研究，讨论了喷嘴直径、形状以及工作压力等参数对喷灌水滴动能分布的影响。Yan等[9]讨论了喷嘴直径与工作压力对水滴动能大小的影响，将水滴动能作为评价水滴对土壤水分影响的一个适宜指标，为喷灌侵蚀的预测提供了详实的基础数据。巩兴辉[5]以Nelson R3000型旋转折射式喷头为研究对象，实测不同工作压力下的水滴粒径和速度，计算分析得到水滴动能与水滴直径之间的关系；葛茂生等[31]采用恒压和动态水压对D3000喷头进行试验，测定了该喷头的水量分布和水滴分布特性，通过两种压力的对比，提出动态水压可以降低Nelson D3000喷头的峰值水量分布和峰值能量分布，为喷头设计与选型、喷灌侵蚀预测等研究的开展提供了详实的基础数据。值得注意的是，喷灌水滴测试技术的持续进步有效推动了喷灌水滴动能量化研究的发展。早期用于水滴粒径测试的面粉法和色斑法因成本低廉得到广泛应用，但无法得到喷洒水滴的速度和角度；摄影法[81]测试方法直观，测试结果准确，但可获取水滴样本数量有限，对试验条件要求也较高；以LPM激光雨滴谱[4,82]和2维视频雨滴谱仪[5]为代表的雨滴谱仪测试法近年来得到广泛应用，此类方法具有测试样本大，数据处理方便等特点，大大提高了试验效率(见图5)。

图5 水滴粒径测试试验布置图及2DVD视频雨滴谱仪[5]

上述研究虽然获得大量喷灌水滴动能基础数据，但在模型计算或实测中均未考虑作物冠层对水滴动能的影响，难以真实反映喷灌水滴抵达地面时的实际动能分布。

2 现有研究不足

(1) 玉米冠下喷灌水滴动能再分布的量化分析。喷灌水滴动能的大小主要取决于喷洒水滴粒径与速度。对喷灌水滴动能的研究从20世纪60年代起持续至今，研究者通过实测、模型计算等手段对喷灌水滴粒径、速度等指标进行规律总结，实现喷灌水滴动能的量化计算，得到了多种喷头的水滴动能分布规律，为喷灌系统的设计与田间管理提供了详实的数据支撑。但是，目前喷灌水滴动能的研究仍停留在水滴直接冲击裸地，而生产实践中喷灌水滴往往受到作物冠层的拦截。冠层拦截过程中，喷灌水滴的粒径与速度等关键指标发生变化，这也必然引起冠下水滴动能分布与直接冲击裸地时水滴动能分布的差异。作物冠层下的喷灌水滴动能分布对喷灌系统的设计与运行具有直接指导意义，但目前此方面的研究存在不足。

(2) 玉米冠下水滴动能分布对冠层结构参数的响应机制。玉米植株冠层结构参数的变化带来冠下喷灌水滴动能分布的改变，但是，这种改变是否有规律可循仍不明晰。其中哪些冠层结构参数起到了关键性作用，不同生育期冠层结构参数的关键性程度是否有所改变是需要考虑的问题。以往关于冠层对降水特性影响的研究一般是基于单因素考虑，且影响规律倾向于定性描述。如何将冠下水滴动能分布与株高、叶面积指数、叶倾角、冠层透光率等多因素统筹考虑，并确立动能分布与冠层结构参数之间的定量关系，以实现对冠下动能分布的动态预测，可能是未来研究需要关注的课题。

(3) 不同生育期玉米冠层与抵冠水滴动能状态的匹配。水滴抵冠动能状态决定了过冠后的水滴粒径：向叶缘/叶尖汇流成大粒径水滴或溅射成小粒径水滴；冠层结构参数决定了过冠水滴的下落高度与降落位置。对冠下喷灌水滴动能分布的优化调控实质上就是冠层与抵冠水滴动能状态的优化匹配问题。当前喷灌研究中很少考虑到通过调整水滴抵冠动能状态来改变水滴落地动能状态。在具体研究中应如何达成匹配，研究方法是采取黑箱实验还是基于喷灌水滴过冠前后速度与粒径的变化过程都是以后要解决的关键问题。

3 未来研究建议

基于上述问题，为进一步明晰玉米冠层对喷灌水力性能影响，并将研究结果用于指导生产，今后可在如下三方面加深研究。

(1) 玉米冠下喷灌水滴动能分布时空变异特征研究。通过室内喷灌试验，采集株高、叶片高度、叶面积指数、叶倾角、透光率等植株生理指标参数与冠层结构参数；实测冠下测试区内水量分布和喷灌水滴动能分布，相同喷灌条件下实测移除冠层影响后的水量分布和喷灌水滴动能分布；对比分析动能分布，对玉米冠下喷灌水滴动能分布时空变异特征做定量描述。

(2) 玉米冠层对喷灌水滴动能分布的影响规律与作用机制研究。在对玉米冠下喷灌水滴动能分布时空变异特征定量描述的基础上，统筹考虑冠下雨滴谱和玉米冠层结构参数，以动能构成要素为切入点解析冠下动能分布差异性直接成因，反演过冠水滴的粒径与速度变化过程，构建冠下水滴动能分布对冠层结构参数的响应函数，分析玉米冠层对喷灌水滴动能分布的影响规律与作用机制。

(3) 玉米冠下喷灌水滴动能分布优化调控研究。在实测喷头喷洒水力性能的基础上，构建工作压力、喷嘴直径、喷头安装高度与水滴粒径和速度之间的数学模型，实现对喷洒水滴粒径与速度的精准控制；基于多水平水滴粒径-速度组合实现对水滴抵冠动能的调控；开展玉米喷灌试验，保证相同灌水量和不同的抵冠动能，实测冠下水滴动能分布；以降低冠下水滴总动能和能量聚集处动能峰值为调控目标，从多组粒径-速度组合中筛选玉米植株在不同生育期适宜的喷灌水滴粒径与速度。