引言

气候变化背景下农田生态系统水分供需矛盾日益凸显。中国农业用水占全国平均年用水量的70%(靳乐乐等, 2019)，以目前平均作物水分利用效率计算，到2030年农业缺水量将达到900亿m³(梅旭荣等, 2013)。提高高耗水作物对有效降水的利用率(马青荣等，2020)，定量评估降水的有效性, 进而制定科学精准的灌溉计划是解决农田水资源供需矛盾的重要手段。冠层截留水量也称冠层截留损失，指的是被冠层截获，最终通过蒸发回到大气的那部分降水(刘战东等, 2012)。在农田水利学中有效降水指旱作农业种植条件下，总降水量中用以满足作物蒸发蒸腾所需的那部分降水量(刘战东等，2007)；水文学领域则为降水产生的径流量。显然，无论哪种定义，在降水经由作物转化为有效降水的过程中，冠层截留是植被影响降水的首要环节(尹伊和陈海山，2013)。因此，明确冠层截留损失是评估降水有效性的必要条件。

玉米截留的试验研究始于1940年(Haynes, 1940), 国内近20年逐渐兴起。国内外学者对试验方法(直接测定法和水量平衡法)(王文等, 2010)、水分再分配过程(转变为穿透雨、茎秆流、冠层截留损失和冠内蒸散发)(马波等, 2015)、存在饱和截留现象(刘艳丽等, 2015)等方面意见较为一致，但对玉米冠层截留量和截留率研究结果差异较大。玉米冠层基于逐次(日)截留量较小，因此黄仲冬等(2014)以日平均最大截留能力代替实际截留量。马波等(2015)研究得到最大截留能力平均值为0.16 mm，所占总降雨比例最大仅为1%；王迪等(2007)考虑到截留水分蒸发抑制了蒸腾，计算出喷灌条件下夏玉米净截留损失变化范围为1~2 mm, 截留率小于7%。在基于不同时间长度的定点研究中, Zheng et al(2018a)测定黄土高原玉米生长季23次降水事件的冠层截留率为12.5%；刘战东等(2015)在中国农业科学院广利灌区灌溉试验基地利用水量平衡原理测定夏玉米拔节、抽雄、完熟期的15场降雨事件平均冠层截留率为10.4%；郑子成等(2012a)对四川丘陵玉米成熟期的12场降雨事件进行冠层截留测定，结果为7.5%，不同发育期和不同降雨强度的冠层截留率平均值分别为8.42%和8.53%(郑子成等, 2012b)；韩雪等(2014)在自然降雨条件下观测黄土高原沟壑区夏玉米的10场降雨事件冠层平均截留率为13.3%。上述结果的差异是由于试验方法不同、玉米属性(熟性、品种、种植密度、高度、叶面积指数等)、属型(春玉米、夏玉米)局限共同造成的。中国玉米栽培地域分布广，品种繁多，性状差异大，全生育期降水时空分布千差万别，不同地区冠层截留率不应是一个固定值(Zheng et al, 2018b)。以往的研究侧重于点(固定地点、单一属性、某一时间段或发育期)的细致研究，缺少对基于自然条件下全生育期动态截留的面(中国玉米主产区)的宏观把握。冠层截留影响因素的复杂性、多元性和交互性导致难以开展大范围、长时间序列、多属性对象的试验研究，截留损失很难被精确计算。应用现有模型计算大范围自然条件下玉米冠层对降水的截留同时解决了试验研究推广难和自然条件下模拟难两个问题。虽然截留模型的局限会对研究结果产生一定的影响，但仍不失为全面掌握不同产区冠层截留范围的一种方法。本研究目的是计算中国主产区玉米冠层生长季不同累积雨量下的截留率和截留量，并找出其变化规律，为有效降水评估和利用、干旱指标修正和水分精准管理提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 资料来源

叶面积指数(LAI)和降水量是不同植被类型冠层截留研究的关键因子(Kang et al, 2005, 范世香等, 2007；韩雪等, 2014；刘艳丽等, 2015；朱永杰等, 2014)。由于实测LAI频次不能满足基于逐日降水的截留量计算的需求，因此需要配合发育期数据和逐日平均气温资料模拟出降水当日LAI。生长季起始日期为发育期观测中播种到成熟的普遍期。本研究采用玉米主产区13个农业气象试验站2010—2017年发育期数据、实测LAI资料、逐日平均气温和降水量，资料均来源于国家气象信息中心。对异常数据和缺测数据分别做剔除和插值处理。

1.2 研究方法 1.2.1 站点选取

中国气象局农业气象试验站采取直接法测量LAI，此方法是一种相对成熟、经典、准确的测量方法，经常为其他间接测量法进行验证，但也存在工作量大、取样具有破坏性等缺点，因此有LAI观测项目的站点只有15个，一年最多观测5个发育期(三叶、七叶、拔节、抽雄、乳熟)。在综合考虑站点的代表性和观测资料年限一致性的基础上选择13个站点。所选取站点覆盖了我国玉米主产区，分别代表北方春播玉米区(Ⅰ)、黄淮海平原夏播玉米区(Ⅱ)、西南山地玉米区(Ⅲ)以及西北灌溉玉米区(Ⅳ)。四大玉米产区播种面积约占全国玉米总面积的93%。研究站点详细信息见表 1。

1.2.2 逐日LAI模拟方法

修正的Logistic方程(王信理, 1986)可以用来拟合玉米LAI的动态变化(王玲等, 2004)。方法是将LAI、有效积温和生育期长度都换算成相对值，即相对LAI、相对积温和积温生育期长度，再利用实测LAI与观测当日的相对LAI模拟出每年最大LAI，最后用式(1)即可模拟出逐日LAI：

$ L A I_{i}=L A I_{\max } \times R L A I_{i} $

(1)

式中：LAI_i为玉米出苗后第i天的LAI，LAI_max为一年中最大LAI，RLAI_i为出苗后第i天相对LAI。春玉米RLAI_i模拟选择麻雪艳和周广胜(2013)的基于2005—2011年多品种春玉米大田试验资料建立的LAI动态普适模型：

$ RLA{I_i} = \frac{{0.999}}{{1 + {{\rm{e}}^{5.216 - 13.831D{S_i} + 5.648DS_i^2}}}} $

(2)

夏玉米RLAI_i模拟选择张旭东等(2006)通过对连续4年夏玉米LAI研究建立的归一化模型：

$ RLA{I_i} = \frac{{1.093}}{{1 + {{\rm{e}}^{6.4307 - 8.157D{S_i} + 1.9596\;DS_i^2}}}} $

(3)

式中：DS_i为积温生育期长度，也被称为标准化生育期。有效积温按各自模型的选用标准，春玉米为≥10℃的积温，夏玉米为10~30℃的积温。

1.2.3 截留模型

采用基于直接测定法建立的针对玉米不同生长时期LAI对不同降水量的统计模型(郭建平等, 2020)：

$ {y = 0.025x_1^2 + 0.04\ln {x_2} - 0.002} $

(4)

$ {Y = 0.0744x_1^2 - 0.0701{x_1} + 0.0416} $

(5)

式中: y为截留量(单位：mm)，x₁为LAI，x₂为降水量(单位：mm)，Y为饱和截留量(单位：mm)，即y的上限。该模型认为当LAI < 1时，玉米对降水的截留可忽略不计，因此用拔节到成熟期累积截留量作为全生育期截留量，计算公式如下：

$ {I_{\rm{Q}}} = \sum\limits_{i = 1}^n y $

(6)

式中: I_Q为全生育期截留量(以下简称为截留量)，n为拔节到成熟期降水日数。I_Q与生长季累积降水量的比值即为生育期截留率(以下简称为截留率)，I_Q与n的比值为日均截留量，最大截留能力指研究时段内出现的最大截留量。截留量和截留率的多年平均值下文分别简称为平均截留量和平均截留率。

2 结果与分析 2.1 不同玉米主产区气候条件分析

植被特征对截留量有很大影响(王文等, 2010)，LAI是反映品种、种植密度、农业技术措施(王玲等, 2004)、株高(张宏鸣等, 2019)等诸多特征的综合参数，控制着植被的蒸发、蒸散、截留等多种过程(朱伟峰等, 2018)。不同地区、不同播期、不同气候条件下LAI差异很大。LAI的动态变化与出苗到成熟期有效积温密切相关，生长季降水量影响截留率。图 1为各玉米主产区热量和水分条件分析，可以看出，Ⅰ、Ⅱ区热量条件好于Ⅲ区；Ⅲ区降水量明显高于其他地区，相同的截留率需要更大的截留量；临河、乌兰乌苏和莎车是降水低值区，易出现低截留量、高截留率；莎车是13个站中降水条件最差的，属于典型的灌溉农业区。

2.2 玉米冠层平均截留情况

玉米冠层平均截留量为4.3~23.5 mm，主要与拔节到成熟期降水量(R₁)和LAI_max有关；平均截留率为1.9%~11.6%，受截留量和生长季降水量共同影响。应用表 2可以为不同需求估算截留量、最大截留能力、日均截留量和平均截留率提供参考。最大截留能力和日均截留量的标准差分别为0.92和0.16，可见，日均截留量比最大截留能力作为日尺度有效降水估算指标误差更小。

2.3 中国不同主产区玉米冠层截留分析 2.3.1 北方春播玉米区

北方春播玉米区冠层截留量为3.8~39.1 mm，截留率为1.2%~17.2%(图 2a)。临河截留量最小，但截留率最高，全距最大，四分位差也最大，即年际间波动幅度较大，中位数(12.3%)的代表性不强。原因是生长季降水量小(87.8 mm)，截留量的小幅波动会造成截留率大幅升降。榆树和西峰截留率波动较小，中位数代表性较强。东北(榆树、锦州、白城)截留率高于西北(西峰)。

2.3.2 黄淮海夏播玉米区

黄淮海夏播玉米冠层截留量为2.7~27.1 mm，截留率为0.6%~5.7%(图 2b)，中位数和平均值几乎相同，说明出现极端值的概率较小。最小值(0.6%)出现在泰安(2013年)，原因是生长季降水量集中在拔节前，拔节到成熟期降水量仅占生长季的11.9%(53.8 mm)，因此截留量少、截留率低。可见，生长季内降水的时间分配也会影响冠层截留。泰安、郑州、咸阳四分位差≤1.2%，中位数代表性强。与北方春播玉米区相比，黄淮海夏播玉米区截留率相对稳定，变化范围小。

2.3.3 西南山地玉米区

西南山地玉米冠层截留量为8.0~51.0 mm，截留率为1.2%~8.1%(图 2c)。昭通截留率低于昆明，但稳定性和中位数代表性均好于昆明。昆明截留率最大值远远超过昭通，但从其偏态分布看，存在极大值。在所选站点中，昭通平均截留率最低，原因是LAI偏小导致截留量小，同时又地处中亚热带湿润区，生长季平均降水量高(591.2 mm)。

2.3.4 西北灌溉玉米区

西北灌溉玉米区冠层截留量为1.2~24.6 mm，截留率为2.3%~18.5%(图 2d)。两站截留率全距超过12%，莎车呈偏左态分布，即偏小数据较多；乌兰乌苏呈偏右态分布，偏大数据出现概率大。两站对比，莎车截留率高于乌兰乌苏，但乌兰乌苏最小和最大截留率高于莎车，这可能是由于乌兰乌苏生长季降水量比莎车明显偏多。西北灌溉玉米区是四大玉米主产区中截留率波动最大，极端值出现概率最高的地区。

2.4 玉米冠层截留变化规律

为明确截留量、拔节到成熟期降水量(R₁)和LAI_max三者之间的关系，选取了低截留量(≤10 mm)和高截留量(≥20 mm)两种情况进行分析(图 3)。可以看出，当R₁≤70 mm时，无论LAI_max大小，截留量均在8 mm以下。当70 mm＜R₁≤390 mm，LAI_max＜5时截留量低, LAI_max＞6.5时截留量高；比较R₁相似情况下a、b、c的截留量变化可以发现，LAI_max增幅相差不多的情况下，LAI_max＞5后截留量增幅加大；对比R₁相差104 mm的c和d，可以看出，LAI_max从6.8增加到7.9，截留量并未增加，说明截留量受两个因素互相制衡。当R₁>390 mm时，截留量对LAI_max敏感性更强，受R₁制约程度降低。例如，A、B两点降水量相差130 mm，在LAI_max相差0.6的情况下，截留量几乎相同，而B、C两点LAI_max差距仅为0.5，截留量却相差11.1 mm。

从截留量、截留率与生长季降水量的平均状况(图 4)进行分析，生长季降水量 < 120 mm的地区截留率超过10%，而截留量高的地区(如昆明、锦州)截留率可能很小(分别为3.6%和5.4%)。按气候干湿分区(郑景云等, 2010)来看，半湿润地区冠层截留率为2.3%~5.4%；湿润地区为1.9%~3.6%；干旱、半干旱地区可达10.1%~11.6%。

3 结论与讨论 3.1 结论

本文采用已有科研成果，研究了中国玉米主产区自然降雨条件下的冠层截留，得到以下主要结论：

(1) 中国主产区玉米冠层平均截留量为4.3~23.5 mm，日均截留量为0.2~0.8 mm，最大截留能力为0.5~3.8 mm·d^-1。

(2) 中国主产区玉米冠层平均截留率为1.9%~11.6%。北方半湿润春播玉米区截留率高于西北半湿润地区和黄淮海夏播玉米区。按玉米主产区和气候干湿度两种分类提供截留率范围。

(3) 明确了不同降水量下，截留量的变化规律。截留率不仅与截留量有关，与降水量及其生育期内的时间分布也有关。降水量小的地区，截留率年际波动大，多年平均值的代表性差。

3.2 讨论

玉米生长旺盛期与全年降水集中时段高度同步，玉米冠层对降水的截留不容忽视。本文所计算截留率低于一些文献(Zheng et al, 2018a；韩雪等, 2014；林代杰等, 2011；刘战东等, 2015；郑子成等, 2012a)的研究结果，分析原因有三个方面，一是所选模型基于直接测定方法，该方法计算结果通常比水量平衡方法结果低(郭建平等，2020)；二是本文累积降水量时间长度比其他研究长，因此累积降水量大，造成截留率低；三是人工模拟降雨试验与自然降雨存在差异。在降水充沛地区冠层截留量主要取决于叶面积，这与孙彩红等(2020)的研究结论一致。虽然目前受限于模型研制、参数选择和站点数量等条件，但总体来说，本文的研究结果更全面、更能代表全生育期降水截留状况，同时也更易于推广。依据各产区冠层截留指标和变化规律可以估算不同地区全生育期冠层平均截留量、日均截留量、最大截留能力、平均截留率，进而为水分精准管理、科学利用水资源以及干旱指标(左冰洁和孙玉军，2019)修正提供科学依据。

影响玉米冠层截留的因素众多，包括雨滴动能、风、湿冠蒸发、雨强及历时、冠层结构参数等，本文只考虑了降水和LAI，未考虑其他影响因素，对所得结果会产生一定影响。LAI模拟方法基于不存在水分胁迫的假设，但LAI实测值受降水影响很大，而且不同模型模拟结果存在差异。所选站点的代表性和数量以及农业气象试验站LAI观测误差都对研究结果有影响。因此，建立物理意义明确、准确度高、易于求解、针对农作物的物理模型并改进参数测量方法是今后进一步细化、深入、完善本研究的关键。