水土资源是农田生态系统中最为重要的自然资源，但随着我国人口增长和经济的发展，迫使农田生态环境日益恶化，干旱缺水和水土流失已经严重威胁我国的农业发展和粮食安全。中国农田面积占国土面积19%，是仅次于草地和森林的第三大植被生态系统^{[1, 2]}。对于农田生态系统而言，水循环过程与作物生长关系密切，对农业节水和粮食增产都有重要的影响^[3]。作物冠层对降雨或喷灌水具有拦截再分配作用，其结果是使其转变为穿透雨、茎秆流、冠层截留和冠层内蒸散发四部分，从而造成雨水或喷灌水在作物冠下和地表的分布不均匀^{[4, 5, 6]}。其中，冠层内蒸散发为降雨或喷灌过程中附着于枝叶表面并蒸发掉的水量，由于其量甚微，故常忽略不计^{[5, 7, 8]}。目前常见的对降雨再分配的量化计算方法是在忽略冠层内蒸散发的前提下，已知冠下穿透雨、茎秆流和冠层截留中的任意两个量，通过水量平衡法计算出第3个量^{[4, 5, 7, 8]}。

作为防治水土流失最为有效的措施之一，植被冠层的水文作用一直是国内外研究的焦点。植被冠层对降雨的截留，改变了降雨在地表的分布；但是针对林冠影响降雨空间分布的研究较多较深入，而研究作物冠层对降雨或喷灌水量的截留分异作用目前还较少^{[5, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15]}。有关作物冠层截雨能力的研究多集中于玉米，大量的研究得出玉米冠下穿透雨量比例在31%—91%之间，茎秆流量占总降雨量比例约为40%—50%，冠层截留量总体较小^{[4, 5, 7, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27]}。但是不同学者的观测结果差异较大，例如Quinn和Laflen^[18]通过测定发现玉米冠下穿透雨约占总降雨量比例为51%—84%，茎秆流可占总降雨量比例49%。Steiner等^[7]则研究认为玉米穿透雨量占总降雨量比例为31%—55%，茎秆流量比例为35%—64%，并利用水量平衡得出玉米冠层截留量为0.8—7.0 mm，平均约为2.7 mm。Lamm和Manges^[4]研究认为玉米穿透雨量占总降雨量比例为43%，茎秆流量比例为53%，冠层截留量为1.8 mm。国内相关研究也得出相差较大的结论，李王成等^[23]的观测结果为穿透雨量比例为47%，茎秆流量比例为53%；王迪等^[5]的观测结果表明，穿透雨量和茎秆流量占冠上总降雨量比例分别为45%和43%，截留量为3.6 mm。郝芝建等^{[25, 26]}研究认为穿透雨量占冠层上方总雨量比例为48%，茎秆流量比例为44%，冠层截雨量在0.8—2.9mm之间。林代杰等^[27]则认为玉米穿透雨比例平均为64%，茎秆流为29%，但是其冠层截留率高达约8%。由此可见，对于玉米冠层截雨能力的观测研究，其成果还存在较大的差异，这可能是由于玉米品种、叶型、种植密度以及喷灌或降雨等实验条件的不同所造成的^[6]。目前的研究多集中于生长成熟的玉米植株，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。作物冠层对降雨的截留能力有限且截留水量很小；对于这方面的研究，大部分是以喷灌为背景的，因为冠层截留作为喷灌水量的损失，其多寡关系到喷灌是否节水的争论^[5]。而玉米的茎秆流所占比例较大，加之穿透雨在行间的分布不均，造成了降雨在地表的分布不均，不仅影响了玉米植株对水分的利用和根系生长^{[4, 6]}，而且对土壤侵蚀也会产生一定的影响^{[18, 21]}。本研究的目的是系统测定玉米不同生长阶段的穿透雨、茎秆流和冠层截留，对其进行量化分析并探寻三者与玉米叶面积指数和降雨强度之间的关系，为提高农田水分利用效率、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了参考依据。

试验在西北农林科技大学资源环境学院水土保持工程实验室人工降雨大厅进行。供试玉米品种为郑单958，分别于2007年6月10日和2008年6月13日种植于实验室邻近的教学实验种植园内，行距60 cm、株距25 cm。玉米的种植与管理按当地农作习惯进行，并依据玉米生长和叶片数量及面积将玉米生育期划分为幼苗期、拔节初期、拔节中期、拔节中后期、抽雄前期和抽雄后期6个生长阶段，根据各项试验的实际需要将玉米植株移植到降雨大厅分别进行试验。在玉米生长季内每次随机采取玉米分别进行穿透雨、茎秆流、冠层截留和叶面积的观测，在各个生长阶段的不同降雨强度下各测定1次。

本试验所用人工降雨装置为中国科学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4 m，有效降雨面积约为16 m²。通过不同喷头-阀门开关组合来实现供水压强的调节，可以达到调节降雨强度的目的，可实现的降雨强度范围为20—160 mm/h。经测定，调节至任一喷头-压强组合下的降雨强度是稳定的，可以为试验采用。

穿透雨测定是在每个测试阶段，将连续2行玉米植株齐地面剪断(每行4株，共计8株)，并迅速转移至室内按田间株行距竖直固定在铁质支架上并置于降雨机下方。利用喷雾器将玉米植株表面充分润湿以消除冠层截留对第1次穿透雨测定的影响。待润湿后的玉米叶片不再向下滴水之后，用内径5.5 cm高7 cm的有机玻璃杯按图 1所示以矩阵的方式置于作物冠下行间区域。为避免玉米叶缘叶尖处形成的水量过大超过雨量筒量程，故在设计降雨强度下降雨30 min，然后收集测量各玻璃杯水量，并计算各点降雨量及降雨强度。再将作物移开，将玻璃杯再次按原位置摆放并在当前设计降雨强度下继续降雨30 min，以观测对应降雨强度下裸地的降雨量。上述观测结束后将降雨强度调整其他设定值后，重复以上观测试验。根据当地夏秋两季多大到暴雨的特点，设计降雨强度为40 mm/h和80 mm/h，每次降雨历时为30 min，在各生长阶段不同降雨强度下各测定1次。将单位面积单位时间内的穿透雨量与其相应的降雨量相除，可得到玉米的穿透雨率(%)，即玉米穿透雨量所占总降雨量的比例。待该阶段穿透雨测定结束后，测定各株玉米的叶面积，并计算叶面积指数。

图 1 玉米冠下穿透雨测定示意图 Fig. 1 Throughfall measurement under crop canopy

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本试验所用茎秆流收集装置为一铁皮制带斜盖圆筒，直径20 cm，高15 cm，筒底圆心焊接一根长15 cm的钢钉用以固定玉米植株(图 2)。每次试验时随机采取12株玉米带至室内，利用喷雾器将玉米植株表面充分润湿以消除冠层截留对第1次茎秆流测定的影响。待润湿后将植株沥干，插入茎秆流收集筒中并编号。插入筒中时，保证每株玉米最下方的叶片基部不与茎秆流收集桶盖接触，以确保正常收集各生育期尤其是幼苗期下方叶片形成的茎秆流。以25 cm×60 cm的间距将玉米置于降雨机下进行降雨观测，为避免玉米成熟期茎秆流量过大，超过收集装置的容量，故将各降雨强度下的降雨历时设为10 min。降雨结束后，用量筒测定各株玉米产生的茎秆流量。再在茎秆流收集筒的相应位置各放置一个口径为8.3 cm的雨量筒，在当前降雨强度下降雨10 min，然后测量水量计算各位置点的实测雨强。为全面分析玉米茎秆流随降雨强度的变化，结合当地夏秋两季多大到暴雨的特点，将上述试验过程分别在20、40、60、80、100和120 mm/h设计降雨强度下分别进行观测。将作物茎秆流量与降雨量相除，可得到作物的茎秆流率(%)，即作物茎秆流量所占降雨量的比例。待该阶段观测结束后，测定各株玉米的叶面积，并计算叶面积指数。

图 2 玉米茎秆流收集筒剖面示意图 Fig. 2 Stemflow collection cylinder for corn

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为获得玉米植株的最大截留能力，宜采用喷雾法测定其冠层截留量。在每个测试阶段，随机将12株玉米植株齐地面切下后，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。迅速将作物植株转移至室内称重。再将植株直立固定，用喷雾器在植株上方喷雾对植株表面湿润，喷雾强度为0.3 mm/min，当叶缘叶尖处开始形成滴水以及叶基处开始有茎秆流形成时停止喷雾，并将作物取下称重。喷雾前后玉米植株的重量差再除以单株玉米的占地面积，即为玉米植株的冠层截留量(mm)。待该阶段观测结束后，测定各株玉米的叶面积，并计算叶面积指数。

单株玉米叶面积测定是将玉米叶片按顺序沿叶片基部剪下，分别测量每个叶片的长度L和叶片最宽处W，计算单株玉米的总叶面积A_L^[28]：

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玉米叶面积指数：

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为了便于分析，将作物冠下单位时间单位面积上的穿透雨量定义为穿透雨强度(mm/h)。由图 3中可知，玉米全生育期内平均穿透雨强度为39.84 mm/h，占冠上降雨量的比例为63.92%。就各生长阶段而言，幼苗期(LAI=0.26)的截雨能力最弱，冠下穿透雨量最大，可占冠上降雨量90%以上；而抽雄前期(LAI=4.48)的截雨能力最强，冠下穿透雨量也最小，占冠上总降雨量比例约为31%—41%。但是玉米进入抽雄后期(LAI=3.67)，由于营养生长逐渐由盛转衰，冠下穿透雨强度又有所上升，其穿透雨率较之前提高了16%以上。但总体上随着玉米生长，穿透雨呈逐步降低趋势。

图 3 玉米不同生育期冠下穿透雨 Fig. 3 Throughfall under corn canopy in different growth stage

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玉米冠层形成穿透雨的能力不仅受叶面积指数等自身生理指标的影响，同时也受到降雨强度的影响。30 min降雨历时条件下，全生育期内80 mm/h下的平均穿透雨强度为52.02 mm/h，是40 mm/h下的1.9倍。随着玉米的生长，不同降雨强度下的穿透雨强度变化趋势存在一定差异。由图 3可以看出随着玉米叶面积指数的增加，80 mm/h下穿透雨变化较为剧烈，40 mm/h下则较为平缓。雨强较大时(80 mm/h)，降雨具有较高的能量，对玉米植株的打击力度也较强。当玉米植株较小时，叶片也较小较柔弱，受降雨打击后，易发生向下弯曲变形且在受到打击的同时叶片发生较大震动，不利于雨水在叶片表面的附着和流动，从而使大部分降雨以穿透雨的形式到达地表。而随着玉米生长，植株承受降雨打击的能力加强，叶片也较为宽大，使降雨能更有效地转化为茎秆流等其他形式，从而大大减少了穿透雨量。当雨强较小时(40 mm/h)，降雨动能也较小，对玉米植株施加的作用较弱，因此穿透雨量的变化基本不受降雨能量的影响，故其变化较为平缓。由方差分析可知，玉米穿透雨强度与玉米叶面积指数存在显著差异(P<0.05)，与降雨强度存在极显著差异(P<0.01)。

不同降雨强度下，玉米冠下穿透雨率差异较小。由图 3可以看出，当玉米植株较小时(LAI=0.26—0.62)，不同雨强下的穿透雨率差异不到1%，而随着作物持续生长，这种差异逐渐扩大，在抽雄前期达到最大，即40 mm/h降雨强度下穿透雨率较80 mm/h降雨强度下高10个百分点。当进入抽雄后期阶段，两者差距又缩小至3.5个百分点，由此表明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玉米植株自身生理状态的制约和影响。由方差分析可知，玉米穿透雨率与玉米叶面积指数存在极显著差异(P<0.05)，与降雨强度的差异不显著(P>0.05)。

将不同降雨强度下玉米全育期内的穿透雨进行回归分析可知，玉米穿透雨强度和穿透雨率与各因子具有较高的线性相关性，回归结果如下所示:

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虽然玉米冠下的平均穿透雨强度随叶面积指数的增加呈降低趋势，但是在实验过程中经测定，在玉米生长旺盛期冠下某些位置的穿透雨强度较大，甚至超过了降雨强度。这说明玉米冠下降雨空间分布存在较大差异。若将两行玉米之间行间区域划分为如图 1所示的叶下空间和行中区域，则两个区域的穿透雨强度及其变化存在较大差异(表 1)。以40 mm/h降雨强度下的穿透雨强度为例，平均冠下穿透雨强度C_V值由幼苗期的0.14增加至抽雄前期的0.98，说明随着玉米的生长，冠下各点之间的穿透雨强度差异越来越大，分布越来越不均匀。而40 mm/h降雨强度下，各生长阶段的C_V值略高于80 mm/h降雨强度下的相应C_V值，说明小雨强下玉米冠下穿透雨空间分布不均匀性较高。这是因为大雨强下，由于雨滴能量大，在其打击下使玉米叶片上向地表滴水的位置点增加；加之雨量较大，使产生较大穿透雨量的位置数量也有所增加，在一定面积上降低了穿透雨的不均匀性。

从表中可以看出，玉米幼苗期至拔节期间(LAI=0.26—3.09)，行中穿透雨强度明显高于叶下区域，且差异随着生长逐渐呈增大趋势。在40 mm/h降雨强度下，两个区域穿透雨强度的差异率由10.98%增加至49.39%；80 mm/h降雨强度下行中穿透雨强度与叶下区域的差异率普遍小于40 mm/h降雨强度，并由幼苗期(LAI=0.26)的7.75%提高至拔节中后期(LAI=3.09)的35.82%。这也说明降雨强度对玉米冠下穿透雨的分布有一定影响。降雨强度较小时，穿透雨更倾向于向行中集中，而降雨强度较大时，冠下穿透雨分布倾向于均匀分布。然而进入抽雄前期以后，行中穿透雨又略小于叶下，随后又略高于叶下。这可能是因为玉米生长最为旺盛时期对行间空地的覆盖度更高的缘故。而当植株下层叶片开始衰败时(抽雄后期，LAI=3.67)，对地表覆盖相应下降，而且衰败的叶片向下倾斜，也使叶面上雨水趋于向行中流动，造成行中穿透雨量复又上升。根据玉米的生长变化，不难看出，冠下穿透雨的空间分布具有一定规律性。以40 mm/h为例，各生长阶段的冠下穿透雨强度空间分布特征如图 5所示。

在玉米幼苗期，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，其空间分布与裸地形似，分布较为均匀(图 4)。但随着玉米的生长，叶尖逐渐向行间伸展，穿透雨开始向某些特定区域集中，在拔节初期主要集中于行间10—20 cm之间区域，但是在20—30 cm的行中区域的穿透雨依然较大，且以降雨直接到达地表为主(图 4)。而进入拔节中后期，穿透雨主要集中于行正中20 cm宽度(20—30 cm区域)的区域内，其强度最大可到达111.67 mm/h，远远高于40 mm/h的降雨强度(图 4)。但进行抽雄后期以后，穿透雨集中点多分布于10—20 cm空间范围内，较拔节中后期相比，其分布较为均匀(图 4)。这是由于玉米叶片较长，在其生长旺盛期，一些较长叶片可跨过行中，叶尖靠近相邻一排玉米附近区域上空，因此减少了行中区域穿透雨量，增加了另外一行玉米叶下区域的穿透雨量，使其空间分布相对均匀。但进入抽雄后期，玉米营养生长由盛转衰，随着部分老叶片脱落，以及部分叶片形态发生较大改变，致使穿透雨又一次集中于行正中20 cm的行中区域(图 4)。综上所述，由于玉米特殊的形态结构，使降雨经过冠层后趋于向行中汇集，随玉米生长又倾向于向叶下汇集，且在某些特殊位置上出现远远大于降雨强度的极端值。在实际观测中，我们也发现出现这种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。

图 4 玉米不同生育期冠下穿透雨空间分布(以40mm/h降雨强度为例) Fig. 4 Spatial distribution of throughfall intensity under corn canopy in different growth stage. Rainfall intensity was 40 mm/h

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不同生长阶段单株玉米茎秆流量及茎秆流率如图 5所示。玉米全生育期内平均茎秆流量为24.11 mm/h，占降雨量比例可达35.28%。在各生长阶段，茎秆流差异较大，其中幼苗期为4.14 mm/h，占降雨量5.98%；而抽雄前期最大，为48.71 mm/h，占降雨量70.42%。这说明玉米对降雨的拦截能力是随着作物植株生长而逐渐增大的，并在生长旺盛期达到峰值，其茎秆流量可占降雨量达70%左右，而在20 mm/h降雨强度下更是高达76%。

图 5 玉米不同生育期的茎秆流 Fig. 5 Stemflow of corn in different growth stage

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在同一降雨强度下，单株玉米茎秆流量及茎秆流率随叶面积增加呈现增大趋势。由图 5a可知，玉米茎秆流量随叶面积指数和降雨强度呈显著增大的趋势。当降雨强度较小时(20—40 mm/h)，茎秆流量变化较为平缓，当降雨强度较大时(≥60 mm/h)，随雨强增大其茎秆流量上升幅度也逐渐增大。其中降雨强度为120 mm/h下的茎秆流变化最为剧烈，从幼苗期(LAI=0.29)的6.99 mm/h上升至抽雄前期的82.66 mm/h。这说明强降雨条件下，较大的降雨量为作物形成茎秆流提供较多水源的同时，其较强的雨滴动能打击使叶片产生较大震动，从而影响雨水在叶面上的移动方向，进而影响茎秆流的形成。这种影响在玉米植株较小时(LAI<0.56)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(LAI>1.50),逐渐强壮的植株使这种影响慢慢降低，加之漏斗型的特殊形态，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。因此，在同一叶面积指数下，降雨强度对茎秆流的影响较为显著，随降雨强度呈现增大趋势；并且这种趋势随着玉米生长逐渐扩大。各降雨强度下的茎秆流率随玉米生长的关系与茎秆流量具有相似的变化规律。但是同一生长阶段不同降雨强度下的茎秆流率差异不明显。由方差分析可知，玉米茎秆流量与玉米叶面积指数和降雨强度均存在极显著差异(P<0.01)；玉米茎秆流率与玉米叶面积指数存在极显著差异(P<0.01)，与降雨强度不存在显著差异(P>0.05)。说明降雨强度对其茎秆流率的影响较小，而叶面积成为其主要影响因素。将不同降雨强度下玉米全育期内的茎秆流进行回归分析，得到以下回归方程。

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由回归方程的相关系数可知，玉米茎秆流与各因子具有较高的相关性，玉米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。

对玉米冠层的截留量进行了测定，其结果如表 2所示。

由表中可知，玉米全生育期内冠层截留量平均为0.16 mm，其中幼苗期(LAI=0.27)最小，平均为0.03 mm；抽雄前期(LAI=4.19)最大，平均为0.33 mm，较幼苗期增长了10倍。与喷雾法相比，根据水量平衡估算的玉米冠层截留量普遍偏低。所以要观测玉米的最大截留能力，就本研究结果看，喷雾法较为合适。单株玉米冠层截留量随玉米生长逐渐增加，但是与降雨量没有关系。在降雨过程中，各阶段冠层截留量达到最大后便趋于稳定，即茎叶可以承接附着降雨的表面全部润湿，也称最大截留能力。因此冠层截留量占降雨量的比例会随降雨强度或降雨量的增大而降低。以20 mm/h降雨强度为例，当玉米生长最为旺盛时(LAI=4.19)，其60 min降雨冠层截留量与降雨量比例为1.30%，而80、120 mm/h下这一比例将会更低，由此也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。

将玉米全育期内的冠层截留量进行回归，得到以下回归方程。

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单株玉米冠层截留量与叶面积指数具有较高的相关性。对回归结果的F检验可知，玉米冠层截留量的回归方程达到了极显著水平(P<0.01)。

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。但是冠层截留机制和作用依然存在，叶面、枝干汇集的雨水进一步转化为茎秆流和穿透雨。

玉米植株会对降雨产生强烈的再分配作用，再分配作用改变了降雨在地面上的均匀面状输入特性，将降雨主要划分为穿透雨、茎秆流和冠层截留，并以不同的形式进入地表或散入大气。人工模拟降雨条件下，玉米全生育期内，降雨经过冠层再分配后穿透雨率平均为64%，茎秆流率平均为35%，冠层截留率平均仅占1%。冠下穿透雨与玉米叶面积指数呈负相关关系，与降雨强度呈正相关关系。茎秆流和冠层截留与叶面积指数均呈正相关关系，其中茎秆流与降雨强度呈负相关关系。

作物冠层对降雨的再分配作用不仅受作物种类、品种、叶型等因素的影响，还与作物种植密度、降雨或喷灌特性等关系密切。种植密度不同，产生的集水面积也会发生变化，进而对田间的水量分布产生影响^[6]。通过对玉米的研究认为，玉米种植面积越大，穿透雨所占比例会随之增加，但是茎秆流率则会随之降低^{[4, 6, 18]}。此外本研究中在分析降雨强度对玉米穿透雨的影响时，仅设计了2个降雨强度，不利于分析。因此在以后的研究中需根据实际增加降雨强度梯度，以便于获得更精确的玉米穿透雨随降雨强度的变化规律。

穿透雨降低与茎秆流的增加，对坡耕地土壤侵蚀都具有重要意义。作物冠层对降雨起到缓冲作用，消减降雨动能，使其转化为能量较小的茎秆流和穿透雨。但是穿透雨又因作物形态不同而差异较大。玉米为高秆作物，其较高的株型使叶缘、叶尖处下落的大雨滴重新获得了能量，会对冠下溅蚀、增加坡面径流紊动性产生积极影响。在观测中我们也注意到，在作物生长旺盛期，玉米的茎秆流量占降雨量比例高达70%左右，如此多的雨水集中于作物茎秆根部下泄进入地表，势必会对土壤侵蚀产生一定影响。而在野外人工降雨观测中也发现玉米根部沿下坡方向有较为明显的茎秆流侵蚀痕迹。因此应重视玉米茎秆流的影响，在提高水分利用的同时，降低其侵蚀危害。作物冠层对降雨再分配作用研究是作物植被影响坡耕地土壤侵蚀发生发展的重要内容，也有助于阐明不同作物冠层的水分空间分异和农田水量平衡特征，为明晰农田生态水文过程和作物植被固土保水机理研究提供了理论参考。