徐 寧, 楊一凡, 林青濤, 吳發(fā)啟

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

水土流失作為制約我國(guó)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一，其研究和發(fā)展一直以來(lái)都是人們討論的熱點(diǎn)問(wèn)題。如何有效防治水土流失并減少土壤侵蝕儼然已經(jīng)成為我們急需解決的問(wèn)題。林草植被覆蓋是防治水土流失的根本措施[1]，其水土保持功能突出，該功能原理表現(xiàn)為冠層截留、凋落物持水和根系保土等。作物也是植被的一種類型，與森林植被相比，作物防蝕機(jī)制主要表現(xiàn)在冠層對(duì)降雨的再分配、增加降雨入滲和作物根系固土等3個(gè)方面[2-3]。其中，針對(duì)作物冠層降雨再分配作用的研究相比林木冠層降雨截留研究相對(duì)不夠深入和系統(tǒng)，并且差異性較大[4-5]。從作物的空間分布來(lái)看，作物對(duì)降雨的再分配主要體現(xiàn)為莖稈流、穿透雨、冠層截留以及蒸散發(fā)，其中蒸散發(fā)在降雨過(guò)程中所所占比例例極小，可忽略不計(jì)。因此其計(jì)算方法可以得到簡(jiǎn)化，即將冠層內(nèi)蒸散發(fā)視為零，從而在已知莖稈流、穿透雨以及冠層截留中的任意兩個(gè)的基礎(chǔ)上，利用水量平衡方程可求得第3個(gè)量[6]。作物種類、生長(zhǎng)季節(jié)、長(zhǎng)勢(shì)和降雨強(qiáng)度不同時(shí)，其對(duì)降雨分配量的大小也出現(xiàn)了差異，即就是同種作物差異也很大。玉米是前人研究較為集中的作物，林代杰等[7]認(rèn)為穿透雨占總降雨量的30%～90%，莖稈流量占40%～50%，截留量總體較小。就全生育期的研究結(jié)果來(lái)看，谷子、玉米、冬小麥和大豆的平均穿透雨量分別占總降雨量的79.55%，62.5%，79.15%和86.33%；莖稈流分別占29.38%，38.2%，19.1%和12.79%；冠層截留量分別為0.28，0.10，0.85，0.50 mm[8-9]。Haynes[10]對(duì)包括大豆、玉米、苜蓿等6種植物的降雨再分配進(jìn)行了研究，指出大豆在生長(zhǎng)旺盛時(shí)期,其莖稈流約占大氣降雨的1/3，玉米、大豆和燕麥的穿透雨占總降雨量70%，65%和80%。王迪等[11]利用噴灌技術(shù)研究得出，玉米莖稈流約占其冠層上部水量的43%，穿透雨占45%。van Dijk[12]研究得出玉米的截留量約為0.066 mm，郝芝建[13]等得出噴灌條件下玉米冠層截留量約為0.8～3.6 mm不等。然而，這些研究主要針對(duì)玉米，大豆作為黃土高原地區(qū)的主要農(nóng)作物之一，對(duì)其降雨再分配的研究卻較少，且已有的研究都是在大豆生長(zhǎng)旺盛期或接近旺盛期進(jìn)行的[14]，很難反映整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)大豆莖稈流、穿透雨及冠層截留的特征。因此，本研究以大豆作為研究對(duì)象，通過(guò)人工模擬降雨觀測(cè)并探討大豆不同生育期和降雨強(qiáng)度下的莖稈流、穿透雨，冠層截留的變化，并且分析葉面積指數(shù)、降雨強(qiáng)度與這三者間的關(guān)系，從而得出大豆對(duì)降雨再分配的影響，為防治水土流失并提高農(nóng)耕地水分利用效率提供理論基礎(chǔ)[15]，并且為作物植被保持水土機(jī)理的研究及農(nóng)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年7月到8月在西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持與荒漠化防治教學(xué)試驗(yàn)基地的徑流小區(qū)上進(jìn)行。人工模擬降雨試驗(yàn)采用中科院水保所研制的下噴式降雨模擬器進(jìn)行。噴頭安裝高4米，有效降雨面積3 m×3 m。徑流小區(qū)面積為4 m×1 m，大豆選用中黃13號(hào)，株行距為15 cm×40 cm。由于該地區(qū)雨季降雨量大[16]，因此試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩個(gè)雨強(qiáng)，分別為40和80 mm/h，可通過(guò)閥門(mén)調(diào)節(jié)供水壓力以控制降雨強(qiáng)度。大豆的播種時(shí)間以及后續(xù)的田間管理參照黃土高原大田實(shí)際情況進(jìn)行，并且根據(jù)大豆生長(zhǎng)過(guò)程中葉片的數(shù)量和面積將大豆全生育期劃分為幼苗期、始花期、盛花期、結(jié)莢期和始粒期5個(gè)生育期。在不同降雨強(qiáng)度下于大豆各生育期內(nèi)隨機(jī)選取大豆并分別測(cè)定大豆莖稈流、穿透雨、冠層截留量和葉面積，試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2 指標(biāo)測(cè)定

1.2.1 大豆莖稈流測(cè)定 在大豆每個(gè)生育期內(nèi)，將連續(xù)的兩行(16株)大豆沿地面水平切下迅速移至室內(nèi)，調(diào)整并豎直固定大豆植株在莖稈流收集桶中，然后以大豆播種時(shí)的株行距為依據(jù)，將其移至降雨機(jī)下方開(kāi)始降雨試驗(yàn)，20 min后將桶中收集的水倒入量筒中測(cè)量水體積，并且根據(jù)大豆株行距與雨量筒水量計(jì)算莖稈流量。不同降雨強(qiáng)度下各測(cè)定1次。莖稈流率(%)的計(jì)算通過(guò)大豆莖稈流量與降雨量相除得到，觀測(cè)工作結(jié)束后，立即測(cè)定大豆的葉面積。其中莖稈流量計(jì)算公式為。

(1)

式中：Sa為莖稈流量(mm/h)；V為雨量筒水量(ml)；rw為行距(cm)；Iw為大豆間距(cm)。

1.2.2 大豆穿透雨測(cè)定 大豆穿透雨量可通過(guò)室外人工模擬降雨進(jìn)行測(cè)定，分別在40和80 mm/h的雨強(qiáng)下重復(fù)進(jìn)行同樣操作。首先在大豆徑流小區(qū)上于上部、中部和下部的冠層下并排放置三個(gè)同等規(guī)格的矩形集雨槽(長(zhǎng)30 cm，寬10 cm，高7 cm)。然后在每一個(gè)集雨槽的底端開(kāi)一個(gè)小口連接乳膠管，以便集雨槽中的雨水可以順利收集到集雨桶中。此時(shí)集雨桶中收集的水量即為大豆穿透雨量。

1.2.3 大豆冠層截留測(cè)定 利用噴霧法可得到大豆冠層截留量[12]。在大豆各生育期，由于將大豆植株齊地面切下后植株切口處會(huì)出現(xiàn)水分的散失與吸收，因此用石蠟熔漿快速封閉切口。封閉切口后迅速轉(zhuǎn)移大豆植株到室內(nèi)去稱重，然后垂直固定大豆植株，使用噴霧器于植株上方開(kāi)始噴霧，觀察其表面濕潤(rùn)直至葉尖處出現(xiàn)滴水，葉基處也有莖稈流出現(xiàn)時(shí)稱取植株的質(zhì)量。大豆冠層截流量即為噴霧之前與噴霧之后大豆植株的質(zhì)量差與單株大豆的占地面積之商。在試驗(yàn)之前需要測(cè)定大豆的葉面積。

1.2.4 葉面積指數(shù)測(cè)定 大豆某生育期的葉面積指數(shù)(LAI)可通過(guò)葉面積與相應(yīng)土地面積的比值來(lái)進(jìn)行計(jì)算，其中，大豆葉面積的測(cè)量采用比葉重法/重量比例法[17]，即利用在大豆各生育期的單位面積葉片干物質(zhì)質(zhì)量與其葉面積的定量關(guān)系計(jì)算，計(jì)算公式為：

(2)

AL=W·LSI

(3)

式中：LSI為比葉面積(cm2/g)；AL為單株大豆的葉面積(cm2)；Dwi為大豆某生育期單位葉面積的干質(zhì)量(g)；Tai為大豆某生育期的單位葉面積(cm2)；W為所測(cè)大豆植株的葉干物質(zhì)質(zhì)量(g)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 21.0進(jìn)行大豆植株在同一雨強(qiáng)不同生育期下降雨再分配特征的單因素方差分析，利用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)比較同一生育期不同雨強(qiáng)下降雨再分配特征的差異，Origin 9.1作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆植株影響下的降雨再分配

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)得到了40，80 mm/h雨強(qiáng)的莖稈流量、穿透雨量以及冠層截留量。大豆不同生育期截留分異特征詳見(jiàn)表1。由表1可知，大豆全生育期的莖稈流量占總降雨量的比例(莖稈流率)平均值為15.02%，穿透雨占總降雨量的比例(穿透雨率)平均值為83.94%，冠層截留量占總降雨量的比例(冠層截留率)平均值為1.04%。大豆整個(gè)生育期中冠層對(duì)降雨攔截分異后主要以穿透雨的形式使降雨到達(dá)地表，其次為莖稈流。隨著大豆的生長(zhǎng)，莖稈流率不斷增大，從幼苗期的3.24%增加到始粒期的22.84%，增加約5倍；穿透雨率隨著大豆生育期的后移逐漸降低，從幼苗期的96.57%降低到始粒期的75.49%，降低的幅度為21.83%，但在各個(gè)生育期內(nèi)，穿透雨率都是最高的，這可能與大豆自身的冠層特征有關(guān)，其冠層對(duì)于降雨攔截的能力比較弱，使得有較高的穿透雨率；冠層截留率在大豆全生育期內(nèi)整體都比較小且隨大豆的生長(zhǎng)不斷增大，從幼苗期的0.19%增加到始粒期的1.67%，增加了約7倍。

表1 大豆不同生育期莖稈流、穿透雨和冠層截留量占總降雨量的比例

注：表中所列莖稈流率、穿透雨率和冠層截留率為兩個(gè)設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度(40，80 mm/h)下的平均值。

2.2 降雨強(qiáng)度和葉面積指數(shù)對(duì)降雨再分配的影響

2.2.1 對(duì)莖稈流的影響 降雨強(qiáng)度和葉面積指數(shù)是影響作物對(duì)降雨再分配的兩個(gè)重要因素。不同雨強(qiáng)和葉面積指數(shù)對(duì)大豆莖稈流的影響均呈現(xiàn)一定的規(guī)律(圖1)。

注：葉面積指數(shù)的數(shù)值為同一觀測(cè)階段的莖稈流和冠層截留測(cè)得的葉面積所計(jì)算的葉面積指數(shù)的平均值。下同。

圖1 葉面積指數(shù)與莖稈流的關(guān)系

在本研究所設(shè)計(jì)的兩個(gè)雨強(qiáng)下，大豆莖稈流量均隨大豆葉面積指數(shù)的增加而增加，且存在顯著性差異(p<0.05)，這主要是由于葉面積的增加致使降雨匯集的有效面積增大。40 mm/h雨強(qiáng)下莖稈流量從大豆幼苗期(LAI=0.82)的1.62 mm/h增加到始粒期(LAI=6.95)的9.29 mm/h；80 mm/h雨強(qiáng)下莖稈流量從大豆幼苗期(LAI=0.82)的2.10 mm/h增加到始粒期(LAI=6.95)的18.05 mm/h。并且在同一生長(zhǎng)期，降雨強(qiáng)度增大使得單位面積大豆葉片匯集雨量的增加，80 mm/h雨強(qiáng)下的莖稈流量均高于40 mm/h雨強(qiáng)下的莖稈流量，也說(shuō)明了莖稈流量隨著雨強(qiáng)的增加呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且莖稈流量隨雨強(qiáng)變化存在顯著差異(p<0.05)。兩個(gè)雨強(qiáng)下莖稈流率隨著大豆葉面積指數(shù)和降雨強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)一定的浮動(dòng)，從幼苗期(LAI=0.82)40 mm/h雨強(qiáng)下的3.88%增加到始粒期(LAI=6.95)的23.28%；80 mm/h雨強(qiáng)下從幼苗期(LAI=0.82)的2.60%增加到始粒期(LAI=6.95)的22.39%。其中莖稈流率隨著葉面積指數(shù)的增加而增加，且隨著葉面積指數(shù)的變化存在顯著性差異(p<0.05)。最大的莖稈流率為23.28%，即莖稈流量最大還不到總降雨量的1/4，這很有可能是大豆這種冠層結(jié)構(gòu)并不能夠很好的匯集雨水以形成莖稈流，且莖稈流率隨降雨強(qiáng)度的變化并無(wú)顯著差異(p>0.05)。

2.2.2 對(duì)穿透雨的影響 不同雨強(qiáng)和葉面積指數(shù)對(duì)大豆穿透雨的影響均呈現(xiàn)一定的規(guī)律(圖2)。大豆的穿透雨量(穿透雨強(qiáng)度)隨大豆葉面積指數(shù)的增加而減小，并且穿透雨量隨著葉面積指數(shù)的變化呈現(xiàn)出顯著性差異(p<0.05)。40 mm/h雨強(qiáng)下大豆冠下穿透雨量從幼苗期(LAI=0.82)的38.74 mm/h減小到始粒期(LAI=6.95)的30.55 mm/h；80 mm/h雨強(qiáng)下大豆冠下穿透雨量從幼苗期(LAI=0.82)的78.16 mm/h減小到始粒期(LAI=6.95)的60.87 mm/h。在大豆同一生長(zhǎng)期，80 mm/h雨強(qiáng)下的穿透雨強(qiáng)度均高于40 mm/h雨強(qiáng)下的穿透雨強(qiáng)度，增加的幅度均可達(dá)到90%以上，且穿透雨強(qiáng)度隨雨強(qiáng)的變化存在顯著差異(p<0.05)，因此大豆冠下穿透雨量受降雨強(qiáng)度的影響較大。這可能是由于雨滴動(dòng)能因降雨強(qiáng)度的增加而增加后，雨滴對(duì)葉片的打擊力度進(jìn)而增強(qiáng)，致使雨滴停留在葉片上的時(shí)間減少，大豆冠下單位時(shí)間內(nèi)的雨量增加，因此導(dǎo)致穿透雨量的增加。隨著大豆葉面積指數(shù)的增加，穿透雨率減小且存在顯著性差異(p<0.05)，從幼苗期(LAI=0.82)40 mm/h雨強(qiáng)下的96.28%減小到始粒期(LAI=6.95)的74.76%；80 mm/h雨強(qiáng)下穿透雨率從幼苗期(LAI=0.82)的96.86%減小到始粒期(LAI=6.95)的76.22%。同一生育期大豆在40 mm/h和80 mm/h雨強(qiáng)下的穿透雨率數(shù)值相近，且穿透雨率隨降雨強(qiáng)度變化不存在顯著性差異(p>0.05)。大豆自身的生理狀態(tài)也會(huì)影響其降雨再分配，并不僅僅由降雨強(qiáng)度決定其截留分異作用的發(fā)揮，因此降雨強(qiáng)度對(duì)穿透雨率的影響存在不確定性。

圖2 葉面積指數(shù)與穿透雨的關(guān)系

2.2.3 對(duì)冠層截留的影響 由表2可知，隨著葉面積指數(shù)的增加，大豆冠層截留量也隨之增加，全生育期的冠層截留量均值為0.556 mm，且整體數(shù)值均較小。從冠層截留率來(lái)看，以60 min降雨歷時(shí)進(jìn)行計(jì)算，40 mm/h雨強(qiáng)和80 mm/h雨強(qiáng)下從大豆幼苗期(LAI=0.82)的0.25%和0.13%增加到了始粒期(LAI=6.95)的2.23%和1.11%。冠層截留率最大僅為大豆始粒期(LAI=6.95)時(shí)的2.23%和1.11%。由此可見(jiàn)，大豆降雨再分配中冠層截留所占的比例較小，其對(duì)降雨截留分異的影響所占比例也較小。

表2 大豆不同生育期冠層截留特征

注：截留率按照60 min降雨歷時(shí)進(jìn)行計(jì)算。

3 討 論

本研究得出，大豆全生育期莖稈流量和莖稈流率在兩個(gè)雨強(qiáng)下的平均值分別在1.86～13.67 mm/h和3.24%～22.84%之間，且均隨葉面積指數(shù)的增加而顯著增加，這與馬波[18]的研究結(jié)果相近。穿透雨和莖稈流變化恰好相反，研究測(cè)得大豆穿透雨量和穿透雨率分別在58.45～45.71 mm/h和96.57%～75.49%之間，葉面積指數(shù)越大，穿透雨量和穿透雨率反而顯著減小。這可能是由于穿透雨越小，雨滴從大豆冠層中穿過(guò)落到地面的雨量就會(huì)減小，從而停留在大豆葉片上的雨滴數(shù)量就會(huì)增多，進(jìn)而莖稈流量變大。本研究測(cè)得的兩個(gè)雨強(qiáng)下的平均冠層截留量在0.1～0.89 mm之間，其值略小于馬璠[19]的研究結(jié)果。這可能是由于所采取的觀測(cè)方法不同，馬璠使用的是浸泡法，本試驗(yàn)采取的是噴霧法。但均體現(xiàn)出大豆冠層截留量占總降雨比例很小，這一部分在大豆截留分異中起到的作用相比莖稈流和穿透雨而言很微弱。降雨強(qiáng)度對(duì)大豆截留分異也有顯著的影響，降雨強(qiáng)度增加，莖稈流量和穿透雨量均增加，且隨雨強(qiáng)的變化存在顯著性差異，然而雨強(qiáng)的變化對(duì)莖稈流率與穿透雨率無(wú)顯著影響。本研究通過(guò)人工模擬降雨，探討大豆不同生育期莖稈流、穿透雨和冠層截留與大豆葉面積指數(shù)和降雨強(qiáng)度之間的關(guān)系，以期對(duì)作物防蝕機(jī)理以及黃土高原農(nóng)耕地土壤侵蝕防治提供一定理論基礎(chǔ)。同時(shí)本試驗(yàn)的設(shè)計(jì)中也存在一定的改進(jìn)之處，分析降雨強(qiáng)度的變化對(duì)大豆降雨再分配的影響作用時(shí)，降雨強(qiáng)度的梯度設(shè)置還不夠，在本試驗(yàn)當(dāng)中僅僅設(shè)置了40和80 mm/h兩個(gè)降雨強(qiáng)度梯度，相對(duì)而言不能夠很全面的反映大豆生育期的降雨再分配，再多增加幾個(gè)降雨強(qiáng)度能夠更加系統(tǒng)全面的反映大豆降雨再分配特征及其規(guī)律。

4 結(jié) 論

(1) 隨著大豆的生長(zhǎng)，莖稈流與冠層截留所占總降雨量比例不斷增加，穿透雨則不斷減少。大豆全生育期的莖稈流率為15.02%；穿透雨率為83.94%；冠層截留率僅為1.04%。

(2) 葉面積指數(shù)對(duì)大豆降雨再分配有著顯著的影響作用，隨著葉面積指數(shù)的增加，大豆的莖稈流量及莖稈流率，冠層截留量及冠層截留率均顯著增加，然而穿透雨量及穿透雨率顯著減小。

(3) 降雨強(qiáng)度對(duì)大豆截留分異也起著顯著的影響作用。本研究設(shè)計(jì)了兩個(gè)降雨強(qiáng)度，降雨強(qiáng)度變大，大豆的莖稈流量與穿透雨量均增大，且兩者隨雨強(qiáng)的變化存在顯著性差異，然而莖稈流率和穿透雨率隨雨強(qiáng)的變化并無(wú)顯著性差異。對(duì)農(nóng)作物冠層降雨再分配特征的研究，可為作物植被保持水土機(jī)理研究及農(nóng)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展提供參考依據(jù)，對(duì)防治該區(qū)域水土流失和生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要意義。