馬文利，朱德蘭,2，葛茂生,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 陜西 楊凌 712100)

噴灌作為一種先進的高效節(jié)水灌溉技術(shù)，因其具有省工省時、自動化程度高和可以改善田間小氣候[1]等優(yōu)點被許多國家廣泛使用，在我國也具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。噴灌水力性能與農(nóng)田生產(chǎn)環(huán)境密切相關(guān)，并對灌溉水肥利用效率、作物產(chǎn)量與灌溉侵蝕等產(chǎn)生直接影響[2-3]，噴灌強度，水量分布和打擊強度等噴灌水力性能參數(shù)[4-8]已經(jīng)成為評價噴灌系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用效果的重要技術(shù)指標。對噴灌水力性能的研究從20世紀60年代起延續(xù)至今，研究者通過實測分析、模型計算等手段對噴灌水量分布、噴灑均勻性、噴頭霧化指標等技術(shù)參數(shù)進行規(guī)律總結(jié)，為噴灌系統(tǒng)的設(shè)計與田間運行管理提供數(shù)據(jù)支撐[9]。除噴頭類型、工作壓力、安裝高度等設(shè)計與運行參數(shù)以外，噴灌水力性能同時也受到作物冠層的顯著影響，作物冠層作為噴灌水滴沖擊地表前的屏障，對噴灌性能指標的空間變異起主要作用[10-16]。玉米作為重要的糧食作物，在全球各地廣泛種植，同時也是我國三大主糧之一。近年來，噴灌技術(shù)在玉米灌溉中得到越來越廣泛的應(yīng)用(見圖1)，闡明玉米冠層對噴灌水力性能影響作用，對于農(nóng)田水肥高效利用具有重要的理論和實踐價值。

圖1 常見玉米噴灌方式

本文對玉米冠層對噴灌水力性能影響的相關(guān)研究進行歸納與總結(jié)，梳理了玉米冠層對噴灌水力性能影響的研究現(xiàn)狀，并針對存在問題提出建議。以期為完善考慮下墊面條件的噴灌水力性能評價與構(gòu)建冠下水肥分布預(yù)測模型提供參考。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 玉米冠層對噴灌水量再分配的影響

受作物冠層的影響，噴灌水滴一般經(jīng)作物冠層調(diào)節(jié)后抵達地表。通常情況下，天然降雨或噴灌降水經(jīng)過植被冠層后，可被分為穿透流、莖稈流(林木稱樹干徑流)和冠層截留三部分[14,17-19]。在忽略蒸發(fā)損失的情況下，這三部分水量的總和等于冠上輸入的總水量，因此三者之間始終存在此消彼長的關(guān)系[20-22]。穿透流是指噴灌降水在經(jīng)過作物冠層后，通過冠層直接到達地面的穿透水量；莖稈流是噴灌降水經(jīng)作物枝葉匯集后，將離散點狀分布的降水轉(zhuǎn)化為連續(xù)水流并順莖稈流至地面的水量；冠層截留是指在噴灌過程中，暫時停留在冠層內(nèi)的水量,包括葉片和莖稈的表面，以及葉鞘中的截留水量。關(guān)于玉米冠層作用對天然降水或噴灌降水再分配的影響已有了較廣泛的研究，結(jié)果表明玉米冠下的穿透流占總降水量的比例在不同生育期呈現(xiàn)較大的波動性，為31%～91%[23-26]；噴灌條件下，玉米冠層截留和莖稈流隨生育期的推進呈先增后減趨勢，穿透流趨勢與之相反[10]；玉米植株的莖稈流與降水強度和葉面積呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，成熟期玉米穿透流和莖稈流占比分別為45.4%和43.0%[11]，且冠層上下的均勻性呈現(xiàn)顯著差異[12]。馬璠等[13]的研究顯示，玉米冠層截留量與葉面積指數(shù)和株高之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。用于獲取作物冠層截留量的方法主要有直接測定法和水量平衡計算法，得到的結(jié)果也不盡相同：Dijk等[27]采用直接測定的方法得出玉米的截留量約為0.066 mm；Lamm等[14]、Steiner等[26]、王迪等[15]和郝芝建等[16]運用水量平衡法得出玉米冠層的截留量從0.8 mm到3.6 mm。

為進一步明確玉米在不同生育期內(nèi)的冠層對水量再分配的影響，林代杰[28]探討了不同生育期玉米冠層截流分異能力的差異，結(jié)果顯示隨著玉米生育期的推進,冠層截留率先增加再減小，在抽穗-成熟期達到最大值，為11.24%；莖稈流率先增加后減小，在拔節(jié)-抽穗期達到最大，為54.91%；穿透流占比先減小后增加，拔節(jié)-抽穗期達到最小值，為34.15%。馬璠等[13]和馬波等[29]實測研究了玉米植株在不同生育期內(nèi)上述三部分水量的變化特征，對其量化分析并探索了三者與葉面積指數(shù)和降水強度之間的關(guān)系，結(jié)果表明不同降水強度下的玉米全生育期穿透流、莖稈流和冠層截留占比分別平均為65.15%、34.59%和0.26%，其用于收集各部分水量的裝置如圖2所示。

圖2 莖稈流及穿透流收集示意圖[29]

1.2 玉米冠層對冠下噴灌水量分布的影響

噴灌水量分布是噴灌水力性能的重要參數(shù)，也是評價噴灌系統(tǒng)設(shè)計與運行效果的關(guān)鍵指標，常采用噴灌均勻性系數(shù)(克里斯琴森均勻系數(shù)CU)[7]作為噴灌水量分布的評價指標，計算公式為：

(1)

影響噴灌均勻性系數(shù)的因素很多，如噴頭類型[5]、噴嘴直徑[30]、工作壓力[31-32]和風(fēng)力作用等。目前關(guān)于噴灌均勻性的研究多針對于裸地噴灑條件，未充分考慮作物冠層對冠下噴灌水量再分布的影響，但Jing等[33]的研究表明，作物冠層結(jié)構(gòu)對冠下水量分布和土壤水分的空間分布起著重要作用，特別是對玉米植株而言，在對噴灌均勻性指標的考察中不可忽略作物冠層的影響。Jing等[33]對天然降水條件下的玉米冠下水量分布以及土壤入滲速率的研究顯示，玉米冠層下方的水量分布不均，在玉米行間靠近中心位置處呈集中趨勢，該結(jié)果可用于對玉米田間施肥噴藥管理與侵蝕控制提供指導(dǎo)。Li[34]和Steiner等[26]的研究發(fā)現(xiàn)，噴灌水通過作物冠層后將在冠下進行水量再分布,且冠層下方的灌水均勻度一般高于冠層上方的灌水均勻度。當設(shè)計噴灌均勻度系數(shù)較低時，這種灌水均勻度的改善效果更加明顯。Ayars等[35]在棉花田間的試驗研究表明，冠層下方的灌水均勻度較冠層上方的灌水均勻度高出1%～26%。Li等[36]的研究結(jié)果表明，當冬小麥冠層上方的灌水均勻系數(shù)(CU)低于80%時，冠層下方的均勻系數(shù)將高于冠層上方。杜堯東等[37]也證實作物冠層與噴灌降水的交互作用使冠層下方的均勻系數(shù)比冠層上方提高10%～13%。對于玉米植株而言[12,14]，約有50%左右的灌溉水量經(jīng)過冠層作用后以莖稈流的形式匯入土壤，使靠近玉米莖稈底部的土壤含水率明顯增加，濕潤深度也顯著增大。玉米根系范圍內(nèi)土壤含水率的增加不僅為作物生長提供了良好的土壤水分環(huán)境，同時也提高了灌溉水的有效利用率。Xin等[38]對三種常用噴頭噴灌條件下玉米兩生長階段冠層上下的水量分布及其差異進行了研究，冠層上方灌水深度與水量分布均勻系數(shù)顯著高于冠下，且冠層上下水量分布的差異隨著玉米植株生長而顯著增加，研究結(jié)果還表明無論何種類型的噴灌，經(jīng)過冠層截流和土壤水分的再分配作用后均能在土壤中達到較高的水量分布均勻系數(shù)。

1.3 玉米冠層對噴灌打擊強度的影響

噴灌打擊強度是指單位時間內(nèi)噴灑區(qū)域內(nèi)的動能大小，與水滴粒徑、速度和噴灌強度相關(guān)，計算公式見式(2)。目前研究主要針對冠層作用下的冠下濺蝕量和水滴粒徑等的變化，對于玉米冠下噴灌打擊強度開展的直接研究仍然較少。

(2)

式中：Spj為不同測點處的噴灑動能強度，W/m2；ρj為不同測點處的噴灌強度，mm/h；j為不同的測點。

1.3.1 玉米冠層對冠下濺蝕量的影響

濺蝕是指攜能水滴到達地表之后，水滴直接打擊土壤，使土粒分散、分離和遷移的過程，主要發(fā)生在坡面產(chǎn)流之前和產(chǎn)流初期，是土壤侵蝕的初期階段[39]。由于攜能水滴的打擊，使土粒與土體分離，破壞了土壤結(jié)構(gòu)，增加了徑流的紊動性，同時也加強了地表徑流的分散和搬運能力，有助于溶蝕和面蝕的發(fā)生和發(fā)展，進而引發(fā)噴灌侵蝕[40-41]。目前，噴灌侵蝕已成為灌溉侵蝕中最顯著的一種侵蝕方式[42]，在烏克蘭的調(diào)查顯示，每采用DDN-45型噴槍噴灌1～2次，可造成200 t/hm2的土壤損失[43]。此外，地表徑流的產(chǎn)生降低了灌溉水有效利用率并造成土壤養(yǎng)分的淋失，在西班牙東北部，噴灌土地中的氮肥年施用量較非噴灌土地高出20%～30%[44]。濺蝕是土壤侵蝕過程中重要的組成部分，目前通過各種方法和手段對濺蝕進行觀測和研究，取得了較豐碩的成果[45-60]。

玉米植株各生育期高度和冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)變化顯著，受其影響，冠下噴灌打擊強度呈現(xiàn)較強的時空變異，對玉米冠下濺蝕量變化規(guī)律的研究甚至得到了相反的結(jié)論[61-62]。Morgan[61]的研究結(jié)果表明：玉米冠下濺蝕率隨冠層覆蓋度的增大而增大，90%冠層覆蓋度時冠下濺蝕率是無冠時的1.5倍～2.0倍，這與苗全安等[62]“玉米冠下濺蝕率隨作物生長而降低”的研究結(jié)果剛好相反。馬璠[63]研究發(fā)現(xiàn)雖然玉米冠下平均濺蝕率僅為裸地濺蝕率的40%～80%，但冠下濺蝕集中出現(xiàn)在少數(shù)幾個點，這些位置處濺蝕率往往高于裸地濺蝕率的極高值，易被侵蝕而形成坑穴，進而發(fā)育形成冠下細溝。受葉尖或葉緣滴落水滴的影響，玉米冠下大粒徑水滴明顯增多，考慮到玉米較高的冠層高度，這部分水滴攜帶的能量是造成冠下侵蝕的重要能量來源[64]。有研究表明在植物冠層內(nèi)部及下方，只有雨滴降落高度小于0.3 m才幾乎不會產(chǎn)生濺蝕；尤其是在高度2.0 m的降落高度，大雨滴的侵蝕能力會迅速增強[65]。

由Morgan的研究結(jié)果可知，作物冠下不同區(qū)域的濺蝕強度差別很大，這說明了作物冠下濺蝕量在空間上的分布是不均勻的。林代杰[28]以川中丘陵區(qū)坡耕地為研究對象，開展不同生育期玉米植株和耕作模式對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律的影響研究，結(jié)果表明不同玉米耕作模式都能削減坡面徑流量，且耕作模式不同導(dǎo)致成熟期玉米植被保土作用系數(shù)值出現(xiàn)一定差異。馬波等[66]研究結(jié)果表明玉米在其不同生長階段冠下平均濺蝕速率較裸地減少了約43%～77%，對減少降雨雨滴對地表的直接打擊和減少濺蝕發(fā)生具有不同程度的作用；且玉米冠下濺蝕速率的空間分布與穿透雨的分布具有較好的對應(yīng)關(guān)系，說明玉米冠下穿透雨的分布不均直接導(dǎo)致了濺蝕的分布不均。以上研究結(jié)果表明部分大水滴攜帶的能量可能是冠下濺蝕產(chǎn)生和分布的重要動能來源，但尚不易確定作物冠下大水滴數(shù)量及能量于濺蝕速率的定量關(guān)系。這些研究結(jié)果既體現(xiàn)出玉米冠層對水滴動能影響的復(fù)雜性，也反映出冠層對水滴動能影響的基礎(chǔ)研究仍不健全。

1.3.2 玉米冠層對噴灌水滴物理特性的影響

研究者很早便意識到作物冠層對水量分布與水滴物理特性的影響，并針對玉米、大豆等作物設(shè)計并開展試驗，對天然降水或噴灌條件下的作物冠層截留與水量再分配，冠下水滴粒徑變化[67]等開展研究(見圖3)。

圖3 雨滴與冠層元素相互作用示意圖[68]

Armstrong[68]指出冠下有粒徑大于5 mm的新生水滴存在，體積中值粒徑d50較無冠時增大。實際上，降落在地表的水滴所攜帶的動能才是評價侵蝕能力的基礎(chǔ)，同時也是研究冠下噴灌打擊強度的直接指標。馬璠[63]以玉米最低葉片葉尖高度和最高葉片葉尖高度的平均值作為冠內(nèi)新生水滴的下落高度，計算得到的冠下降水動能降低幅度與實測冠下濺蝕速率的降低幅度不成比列(分別75.4%和25.1%)，這表明假設(shè)下落高度與實際情況不符，導(dǎo)致玉米冠下動能計算值被低估。侵蝕通用方程USLE在考慮作物冠層因子時也做出類似假設(shè)，認為受作物冠層影響后水滴動能等效于粒徑為2.5 mm的水滴從葉片平均高度處下落所擁有的能量。這些玉米冠下降水動能計算值的準確性未得到充分驗證，實際上，也難以反映出玉米在各生育階段內(nèi)的冠下水滴動能。雨滴譜儀可用于直接測定冠下水滴的粒徑和速度，使冠下水滴動能的準確量化成為可能。Frasson等[69]采用一對LPM激光雨滴譜儀對比分析了玉米冠下和無冠條件下的水滴粒徑與速度分布，但并未在此基礎(chǔ)上就水滴動能做深入探討，且測試過程中LPM激光雨滴譜儀的位置始終固定在冠下一點，測試結(jié)果無法反映粒徑與速度在玉米冠下不同位置處的變化，儀器布置見圖4。

圖4 試驗裝置布置圖[69]

隨著玉米冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)在各生育期內(nèi)的持續(xù)變化，冠下噴灌水滴動能相應(yīng)發(fā)生時空變異，冠下水滴總動能以及動能集中分布點的位置產(chǎn)生動態(tài)變化，造成這種變化的根本原因在于受冠層影響的噴灌水滴占比、冠層作用下新生大粒徑水滴數(shù)目、降落高度、落地速度和降落位置等的變化[70-74]。以作物高度對冠下動能影響為例，橡膠林冠下動能明顯高于林外動能的重要原因在于橡膠樹的林冠較高[74]，而植株高度較低的大豆冠下濺蝕率則有顯著降低[66]。Moss等[65]的研究表明，大粒徑水滴(d≥5 mm)從1 m高度下落時的侵蝕能力就會比較顯著而不可忽略。玉米生育期內(nèi)株高可達2.5 m以上，伴隨著生育期內(nèi)株高的變化，冠下穿透水滴動能將是變化且不可忽略的。通過以上各類樹木、作物冠層對降水特性的影響研究，可以合理假定玉米冠下噴灌水滴動能分布受關(guān)鍵冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，且有一定規(guī)律可循。

1.3.3 玉米冠層對噴灌水滴動能的影響

水滴動能的大小取決于水滴粒徑與速度[75]，對噴灌水滴動能的量化研究也始終圍繞噴灑水滴粒徑與速度分布規(guī)律展開[76-77]。20世紀60年代，Seginer[78]借助彈道軌跡理論構(gòu)建了噴灌水滴運動模型，以獲取不同時刻的水滴速度；隨后，Kohl[79]采用面粉法得到中尺寸噴頭的水滴粒徑組成與分布規(guī)律；Kincaid[80]結(jié)合水滴粒徑與速度，計算出10種常見噴頭水滴動能分布，為不同土壤、作物以及氣象條件下的噴頭選型提供了依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，研究者采用模型計算或?qū)崪y的方法，對更多類型噴頭的水滴動能展開研究，討論了噴嘴直徑、形狀以及工作壓力等參數(shù)對噴灌水滴動能分布的影響。Yan等[9]討論了噴嘴直徑與工作壓力對水滴動能大小的影響，將水滴動能作為評價水滴對土壤水分影響的一個適宜指標，為噴灌侵蝕的預(yù)測提供了詳實的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。鞏興輝[5]以Nelson R3000型旋轉(zhuǎn)折射式噴頭為研究對象，實測不同工作壓力下的水滴粒徑和速度，計算分析得到水滴動能與水滴直徑之間的關(guān)系；葛茂生等[31]采用恒壓和動態(tài)水壓對D3000噴頭進行試驗，測定了該噴頭的水量分布和水滴分布特性，通過兩種壓力的對比，提出動態(tài)水壓可以降低Nelson D3000噴頭的峰值水量分布和峰值能量分布，為噴頭設(shè)計與選型、噴灌侵蝕預(yù)測等研究的開展提供了詳實的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。值得注意的是，噴灌水滴測試技術(shù)的持續(xù)進步有效推動了噴灌水滴動能量化研究的發(fā)展。早期用于水滴粒徑測試的面粉法和色斑法因成本低廉得到廣泛應(yīng)用，但無法得到噴灑水滴的速度和角度；攝影法[81]測試方法直觀，測試結(jié)果準確，但可獲取水滴樣本數(shù)量有限，對試驗條件要求也較高；以LPM激光雨滴譜[4,82]和2維視頻雨滴譜儀[5]為代表的雨滴譜儀測試法近年來得到廣泛應(yīng)用，此類方法具有測試樣本大，數(shù)據(jù)處理方便等特點，大大提高了試驗效率(見圖5)。

圖5 水滴粒徑測試試驗布置圖及2DVD視頻雨滴譜儀[5]

上述研究雖然獲得大量噴灌水滴動能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但在模型計算或?qū)崪y中均未考慮作物冠層對水滴動能的影響，難以真實反映噴灌水滴抵達地面時的實際動能分布。

2 現(xiàn)有研究不足

(1) 玉米冠下噴灌水滴動能再分布的量化分析。噴灌水滴動能的大小主要取決于噴灑水滴粒徑與速度。對噴灌水滴動能的研究從20世紀60年代起持續(xù)至今，研究者通過實測、模型計算等手段對噴灌水滴粒徑、速度等指標進行規(guī)律總結(jié)，實現(xiàn)噴灌水滴動能的量化計算，得到了多種噴頭的水滴動能分布規(guī)律，為噴灌系統(tǒng)的設(shè)計與田間管理提供了詳實的數(shù)據(jù)支撐。但是，目前噴灌水滴動能的研究仍停留在水滴直接沖擊裸地，而生產(chǎn)實踐中噴灌水滴往往受到作物冠層的攔截。冠層攔截過程中，噴灌水滴的粒徑與速度等關(guān)鍵指標發(fā)生變化，這也必然引起冠下水滴動能分布與直接沖擊裸地時水滴動能分布的差異。作物冠層下的噴灌水滴動能分布對噴灌系統(tǒng)的設(shè)計與運行具有直接指導(dǎo)意義，但目前此方面的研究存在不足。

(2) 玉米冠下水滴動能分布對冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的響應(yīng)機制。玉米植株冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化帶來冠下噴灌水滴動能分布的改變，但是，這種改變是否有規(guī)律可循仍不明晰。其中哪些冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)起到了關(guān)鍵性作用，不同生育期冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)鍵性程度是否有所改變是需要考慮的問題。以往關(guān)于冠層對降水特性影響的研究一般是基于單因素考慮，且影響規(guī)律傾向于定性描述。如何將冠下水滴動能分布與株高、葉面積指數(shù)、葉傾角、冠層透光率等多因素統(tǒng)籌考慮，并確立動能分布與冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的定量關(guān)系，以實現(xiàn)對冠下動能分布的動態(tài)預(yù)測，可能是未來研究需要關(guān)注的課題。

(3) 不同生育期玉米冠層與抵冠水滴動能狀態(tài)的匹配。水滴抵冠動能狀態(tài)決定了過冠后的水滴粒徑：向葉緣/葉尖匯流成大粒徑水滴或濺射成小粒徑水滴；冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了過冠水滴的下落高度與降落位置。對冠下噴灌水滴動能分布的優(yōu)化調(diào)控實質(zhì)上就是冠層與抵冠水滴動能狀態(tài)的優(yōu)化匹配問題。當前噴灌研究中很少考慮到通過調(diào)整水滴抵冠動能狀態(tài)來改變水滴落地動能狀態(tài)。在具體研究中應(yīng)如何達成匹配，研究方法是采取黑箱實驗還是基于噴灌水滴過冠前后速度與粒徑的變化過程都是以后要解決的關(guān)鍵問題。

3 未來研究建議

基于上述問題，為進一步明晰玉米冠層對噴灌水力性能影響，并將研究結(jié)果用于指導(dǎo)生產(chǎn)，今后可在如下三方面加深研究。

(1) 玉米冠下噴灌水滴動能分布時空變異特征研究。通過室內(nèi)噴灌試驗，采集株高、葉片高度、葉面積指數(shù)、葉傾角、透光率等植株生理指標參數(shù)與冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)；實測冠下測試區(qū)內(nèi)水量分布和噴灌水滴動能分布，相同噴灌條件下實測移除冠層影響后的水量分布和噴灌水滴動能分布；對比分析動能分布，對玉米冠下噴灌水滴動能分布時空變異特征做定量描述。

(2) 玉米冠層對噴灌水滴動能分布的影響規(guī)律與作用機制研究。在對玉米冠下噴灌水滴動能分布時空變異特征定量描述的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮冠下雨滴譜和玉米冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)，以動能構(gòu)成要素為切入點解析冠下動能分布差異性直接成因，反演過冠水滴的粒徑與速度變化過程，構(gòu)建冠下水滴動能分布對冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的響應(yīng)函數(shù)，分析玉米冠層對噴灌水滴動能分布的影響規(guī)律與作用機制。

(3) 玉米冠下噴灌水滴動能分布優(yōu)化調(diào)控研究。在實測噴頭噴灑水力性能的基礎(chǔ)上，構(gòu)建工作壓力、噴嘴直徑、噴頭安裝高度與水滴粒徑和速度之間的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)對噴灑水滴粒徑與速度的精準控制；基于多水平水滴粒徑-速度組合實現(xiàn)對水滴抵冠動能的調(diào)控；開展玉米噴灌試驗，保證相同灌水量和不同的抵冠動能，實測冠下水滴動能分布；以降低冠下水滴總動能和能量聚集處動能峰值為調(diào)控目標，從多組粒徑-速度組合中篩選玉米植株在不同生育期適宜的噴灌水滴粒徑與速度。