辽宁西部地区不同生育期玉米穿透雨特征及其影响因素研究

郭 铭，凡久彬，杨 宁，何俊仕

（1.沈阳农业大学水利学院，沈阳 110866；2.辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司，沈阳 110003；3.辽宁省农业科学院，沈阳 110161）

0 引 言

作物冠层是指作物茎干以上连同集生枝叶的部分。降雨经过作物冠层后被重新分配为茎秆流、穿透雨和冠层截留三部分[1]，其中穿透雨是降雨通过冠层间隙或经过冠层复杂结构滴落到地面的部分[2]，是作物冠下降雨的重要形式。已有研究表明[3-6]：穿透雨显著影响着土壤水分分布、养分循环利用、径流形成以及土壤侵蚀等，是区域水循环和水生态研究中的重要一环。

以往的穿透雨研究多集中于林冠，近年来玉米等农作物的穿透雨研究逐渐增多。王迪等[7]以喷灌条件下的成熟玉米为研究对象，发现其穿透雨量占冠层上部水量的45.4%，穿透雨量随冠层上部水量增加而线性增加；郑子成等[8]通过人工降雨试验研究发现，玉米全生育期平均穿透雨率为56.19%，降雨强度与穿透雨量之间呈现显著正相关性，与叶面积指数之间呈现显著负相关性；马波等[9]对人工降雨下单株玉米的穿透雨进行了测定，发现穿透雨量约占整个生育期降雨量的63.92%，降雨强度与穿透雨量之间呈现显著正相关性，与叶面积指数之间呈现显著负相关性；Nazari等[10]测定的自然降雨和人工降雨下的穿透雨率分别为58.1%和67.2%，穿透雨率随着叶面积指数和株高的变化而变化。以往的研究表明，降雨量、降雨强度等降雨特征和叶面积指数、株高等作物形态特征是影响玉米穿透雨的重要因素，由于不同研究地区降雨特征和作物形态特征不同，因此以往的穿透雨研究成果存在较大的差异，其研究成果不能直接用于其他地区，特定地区的穿透雨规律仍需根据其降雨及作物生长特点进行研究。已有研究也未对不同生育期玉米穿透雨过程的差异性进行深入分析，各影响因素在不同生育阶段对穿透雨的影响效果的差异状况尚不明确，仍需进一步研究。

辽宁省是中国13个粮食主产区之一，玉米主要种植面积每年稳定在200 万hm2以上，其中辽西地区种植面积占全省的2∕3以上，产量占75%以上，该区域的玉米生产对辽宁省仍至中国的粮食安全至关重要[11]。然而该地区属于半干旱地区，灌溉水资源匮乏[12]，当地农作物生长用水主要依靠自然降水，土壤水分亏缺是农业干旱发生的主要因素[13]。穿透雨的研究，对分析当地土壤水分和溶质运移等至关重要。因此，本研究通过系统测定降雨特征、玉米形态特征以及玉米穿透雨，进一步分析降雨特征、玉米形态对玉米全生育期穿透雨的影响规律。目的是量化辽西地区不同生育期及不同降雨等级条件下的穿透雨率，分析玉米穿透雨的影响规律，并深入研究不同生育期穿透雨过程的差异性，为完善农田水循环理论提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本研究区于2015-2016年在辽宁省朝阳市建平县灌溉试验站进行，试验地位于辽宁西部（E119°18'36"，N41°47'18"，海拔512 m），属干旱与半干旱过渡带季风型大陆性气候，耕层土壤以砂壤土为主，多年平均气温7.1 ℃，有效积温3 200 ℃，无霜期125～133 d，多年平均蒸发量1 800 mm，多年平均降水量451.2 mm，降雨量年际变化大，春季干旱频发。当地玉米种植模式为一年一熟，生育期从4月下旬至9月上旬。土壤为褐土，质地为砂壤土，土壤田间最大持水率21%，容重1.4 g∕cm3，项目区土壤养分平均含量是有机质为1.06%，全氮0.065%，速效磷为4.55×10-6，速效钾为110.1×10-6，土壤肥力属于中等。

1.2 试验设计

1.2.1 试验布置

本试验采用天然降雨进行，品种为当地常用品种“辽单1211”，试验采用玉米大垄双行种植方式（宽垄距60 cm，窄垄距40 cm），栽培密度采用该品种在当地常用密度7.2 万株∕hm2（根据栽培密度、垄距确定株距），灌溉方式为膜下滴灌。2015、2016年播种日期分别为4月23日和4月25日。

1.2.2 观测项目与方法

（1）降雨量及降雨强度观测。降雨量及降雨强度由自动气象站实时观测，自动气象站设置在距试验小区10 m的开阔处，自动记录降雨期间每小时内的降水量（mm）。为提高测量精度，参考韩雪等[14]的方法进行人工校正，在试验小区周围开阔处布置3个承雨桶。单次降雨事件（连续降雨中间断不超过1 h为一次降雨事件）结束之后30 min内，采用灌溉试验站自动雨量站观测记录降雨量（mm）和降雨强度（mm∕h），根据布置的3个承雨桶校核总降雨量（mm）。

（2）穿透雨量（TF）。试验采取在单株玉米周围3个方向密集布设量雨筒的方法来观测穿透水量，其中宽行间布置6个量雨筒，窄行间布置2个量雨筒，株间布置2个量雨筒，将不同方向上的量雨筒计算出算术平均值，然后折算成水深（mm），即为该测点穿透雨量。在试验小区平行布置3个测点，作为3次重复，降雨事件的棵间穿透雨量为3测点平均值。

（3）株高和叶面积指数（LAI）。降雨前，随机选取5株玉米，对玉米植株的叶面积和株高进行测定。株高采用钢卷尺直接量测，叶面积指数参考李栋浩等[15]的方法，以玉米叶片的最大宽度（W）和最大长度（L）以及回归系数计算叶面积，再除以玉米对应面积（A），即为叶面积指数。

1.3 数据统计

（1）采用单因素方差分析检验降雨特征和玉米形态特征与穿透雨特征的关系。

（2）采用Microsoft Excel 2016 software对原始数据进行录入、整理和制图等。

（3）采用SPSS 19.0进行相关性分析、方差分析以及回归分析等。

2 结果与分析

2.1 降雨特征、玉米生长特征和穿透雨

2015-2016年的6-8月进行了天然降雨条件下玉米穿透雨特征试验，试验对2015年的15次降雨事件和2016年的13次降雨事件及降雨期间的降雨特征、玉米生长特征和穿透雨特征进行了测定（图1和图2）。

图1 降雨量特征及穿透雨Fig.1 Rainfall characteristics and throughfall

图2 玉米生长特征Fig.2 Growth characteristics of maize

2.2 降雨量对穿透雨的影响

穿透雨量是指在降雨过程中，雨滴穿过作物冠层间隙直接到达地面或先接触作物叶片后在散落于地面的那部分水量。为了探讨降雨量和穿透雨量之间的联系，对玉米不同生育期的降雨量与穿透雨量进行了回归分析（图3）。结果表明，降雨量与穿透雨量之间呈现显极著正相关关系（P＜0.01）。这与郝建芝等[16]的研究结果相同。这主要是因为在降雨过程中，较大的降雨量为穿透雨提供了较多的水量来源，降雨量越大，通过玉米冠层降落到地面的穿透雨量就越多。各生育期回归方程的回归线斜率不同，说明在降雨量相同的条件下，不同生育期产生的穿透雨量大小不同，呈现出拔节期＞成熟期＞抽雄期的规律，其中抽雄期与成熟期接近，但明显小于拔节期。在拔节期降雨量每增加1 mm平均可以产生约0.67 mm的穿透雨量，而在抽雄期仅为0.39 mm，几乎为拔节期的一半。

图3 降雨量对穿透雨量的影响Fig.3 Influence of rainfall on throughfall

2.3 平均降雨强度对穿透雨的影响

各生育期降雨强度与穿透雨率回归分析的显著性不同，在拔节期呈现出显著正相关性（P＜0.05）（图4），但在抽雄期和成熟期则不显著。拔节期回归方程的回归线斜率也要明显大于抽雄期和成熟期，说明在拔节期随着降雨强度的增加，穿透雨率增长的速度更快。在拔节期降雨强度每增加1 mm∕h，穿透雨率可以增长5%，而在抽雄期和成熟期的变化则并不明显。这是由于降雨强度不仅代表了单位时间内的降雨量，也体现了更大的雨滴和更强的雨滴动能，作用在玉米叶片上增大了叶片的晃动幅度，从而影响了作物冠层对降雨的拦截和汇集作用。在拔节期玉米尚未完全发育成熟，叶片抗扰动能力较差，降雨强度对再分配的影响比较强烈，但进入抽雄期后玉米冠层逐渐强壮，雨滴动能对其影响减弱。

图4 降雨强度对穿透雨率的影响Fig.4 Influence of rainfall intensity on Throughfall rate

2.4 叶面积指数对茎秆流率的影响

玉米降雨再分配过程中，降雨首先到达玉米叶表面，一部分雨水被叶片拦截和聚集并沿叶表面流向植物的茎，顺着茎流到土壤表面并渗入茎周围的土壤，另一部分雨水穿过玉米冠层后直接落于地面或经冠层拦截后从叶片滴落地面。因此，玉米叶片是影响穿透雨的重要因素。叶面积指数与穿透雨的回归分析显示（图5）：在玉米各生育期，玉米叶面积指数与穿透雨率呈显著负相关关系（P＜0.01）。叶面积指数越大，拦截和汇集的降雨越多，而穿透雨越少。这与以往的研究结果相同[9]，同样的结果也体现在大豆等其他作物上[17]。当叶面积指数相同时，降雨量级对相同叶面积指数下的穿透雨率影响不大。

图5 叶面积指数对茎秆流率的影响Fig.5 Influence of leaf area index on Throughfall rate

2.5 株高对茎秆流率的影响

在玉米各生育期，株高与穿透雨率呈显著负相关关系（P＜0.01）[图6（a）]。这是因为株高和叶面积指数呈显著正相关（P＜0.01）（图7），随着株高的增加，叶面积指数也随之增加。不同株高阶段的回归分析显示[图6（b）]：当株高为50～100 mm时（拔节期），回归线的斜率最大，表示穿透雨率随株高增加而降低的速度最快。当株高100～300 mm时，回归线的斜率减小，表示随株高的增加，穿透雨率降低速度变缓。这主要是因为冠层对降雨拦截作用主要依靠顶层叶片，随株高的增加，底层叶片逐渐增多，而由于叶片的重叠削弱了冠层对降雨的拦截作用。当株高在接近300 cm时，穿透雨率有较大的差异。这是由于玉米生长后期叶面积指数发生变化造成的。抽雄期玉米最大株高接近300 cm，叶面积指数也达到峰值，此时穿透雨率最小。而在玉米生长后期，株高变化幅度较小，但玉米叶片开始逐渐衰退，大量叶片发生枯萎弯曲，导致叶面积指数逐渐减小，穿透雨率也随之减小。因此，与株高相比，叶面积指数是影响穿透雨率的更直接因素。

图6 株高对茎秆流率的影响Fig.6 Influence of plant height on Throughfall rate

图7 株高和叶面积指数的关系Fig.7 Relationship between plant height and LAI

3 讨 论

本研究中，玉米平均穿透雨率为51.22%，这与以往的研究结果有一定的差异。造成这种结果可能有以下原因：①种植密度和品种不同。本试验中玉米的种植密度为7.2 万株∕hm2，而已有研究中种植密度从5 万株∕hm2到8 万株∕hm2不等。不同的种植密度影响了玉米的叶面积指数，从而影响了玉米冠层的降雨再分配，这在Quinn and Laflen[18]的研究中已经被证实。不同地区的种植玉米品种也不相同，这也造成了叶面积指数等玉米形态特征的差异，进而造成了穿透雨的差异。②降雨特征不同。已有研究中，多采用人工降雨试验，降雨强度大、历时短。而本研究采用天然降雨，降雨强度小、历时长，这会增加降雨期间玉米冠层截留，影响玉米冠层的降雨再分配结果[19]。Nazari等[10]的研究也验证了天然降雨和人工降雨试验在穿透结果上存在差异。

在2年的试验中，叶面积指数随玉米的生长呈现出先增大后减小的趋势，穿透雨率随叶面积指数的变化显现出先减小后增大的趋势。这主要是因为玉米生长初期，叶片数量较少且面积较小，玉米植株对降雨的拦截和集蓄能力有限，穿透雨所占的比例较大。随着玉米的不断生长，叶片数量和叶面积不断增加，增大了玉米冠层汇集降雨的有效叶面积，从而减少了穿透雨的比例；玉米生长后期，玉米叶片开始逐渐衰退，大量叶片发生枯萎弯曲，叶面积指数减小，穿透雨率随之增加。这也解释了2.1中在相同降雨量条件下不同生育期穿透雨量不同的原因，降雨量相同时，叶面积指数越大，产生的穿透雨量就越小。

本研究发现，在不用生育期各影响因素对玉米穿透雨量的影响效果不同。图1中全生育期拟合函数的决定系数R2为0.922 1，而拔节期、抽雄期和成熟期的R2分别为0.977 8、0.999 9和0.998 6，均大于全生育期的决定系数，说明按照不同生育期对穿透雨进行分析具有实际意义。

刘战东等[20]研究发现穿透雨率则随雨强的增大而略有增大。而本研究发现在拔节期穿透雨率与雨强呈显著正相关关系（P＜0.05），但抽雄期和成熟期无显著相关关系。这可能是由于降雨强度不同产生的。在刘战东的的研究中采用了人工降雨的试验方法，最小降雨强度为30 mm∕h，最大降雨强度达到200 mm∕h。而本研究中最大降雨强度仅为5.23 mm∕h，天然降雨条件下整体降雨强度偏小。在拔节期玉米植株柔软，容易受到雨滴动能的影响[21]，较小的降雨强度就对冠层的降雨拦截作用造成了影响，进而影响了穿透雨率。但在抽雄期和成熟期，较小的降雨强度没有对玉米冠层造成过大的扰动。

4 结 论

2015-2016年28次降雨事件中，研究区的玉米穿透雨率在37.5%～80.17%之间，穿透雨率均值为51.44%。拔节期、抽雄期和成熟期穿透雨率均值分别为64.30%、38.93%和44.80%，其中拔节期平均穿透雨率最高。不同降雨量级穿透雨率差异不显著。

在玉米整个生育期内，穿透雨量随降雨量的增加而增加，穿透雨率随玉米叶面积指数和株高的增加而减小。但在不同生育期，同一影响因素对玉米穿透雨的影响效果不同。在降雨量相同的条件下，穿透雨量在不同生育阶段呈现拔节期＞成熟期＞抽雄期的规律。在拔节期穿透雨率随降雨强度的增加而增大，但在抽穗期和成熟期，这种趋势并不显著。不同株高区间，穿透雨率随株高增加而减小的速度不同，50～100 cm最快，100 cm之后逐渐减慢。