作物垂直结构差异对降雨分配过程的影响研究

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土壤侵蚀所造成的水土流失已对人类社会发展构成严重威胁,是全球所共同关注的生态环境问题之一。植被在土壤侵蚀的发生与发展过程中具有重要影响,表现为拦截降雨、调节地表径流、增加降雨入渗以及改良土壤性状等作用。植被冠层的降雨分配过程能够削减雨滴动能减少产流从而有效防止土壤侵蚀。植被垂直结构是指植被垂直方向上的形态结构与层次构成,是影响土壤侵蚀的重要因素。与天然植被相比,作物受人为影响大,生长周期短,生育期内垂直结构变化明显,不同作物的垂直结构具有明显差异,使得其与土壤侵蚀的关系错综复杂。因此,探究不同作物垂直结构对降雨分配过程的影响差异,对于土壤侵蚀防治和环境保护具有重要意义。本文以玉米和大豆两种典型坡耕地作物为研究对象,基于三维激光扫描与点云重建技术对作物垂直结构参数进行提取,采用室内人工模拟降雨试验,对作物的降雨再分配和雨滴动能削减进行测定,构建作物垂直结构与降雨分配过程参数的偏最小二乘回归模型,分析作物垂直结构对降雨分配过程的影响关系,揭示作物垂直结构差异对土壤侵蚀的影响,为土壤侵蚀的精准预报与防治提供理论依据与技术支持。本文所得出的主要结论如下:(1)基于三维激光扫描与点云重建技术,提取了株高、冠径、冠长率、叶倾角、质心高度/株高、叶面积指数、植被覆盖度、叶长和叶宽共9个参数,总体精度大于85%,提取效果良好。随着生长期的推移,作物的株高、冠径、叶面积指数、植被覆盖度、叶长和叶宽总体呈现增加的趋势,冠长率、叶倾角和质心高度/株高总体呈现减少的趋势;其中叶面积指数的增长率较大,生育期内变化最为显著,质心高度/株高和叶倾角变化幅度较小,生育期内相对稳定。(2)从幼苗期至成熟期,作物的雨滴动能削减、茎秆流率和冠层截留率总体呈现增加趋势,穿透雨率呈现减少趋势。同一生长期内,降雨强度的变化对穿透雨率、茎秆流率和冠层截留率的影响不显著。整个生育期内,玉米的平均穿透雨率为60.02%,茎秆流率为37.80%,冠层截留率为2.18%;大豆的平均穿透雨率为81.59%,茎秆流率为15.99%,冠层截留率为2.42%。生育期内,玉米和大豆冠层对雨滴动能的平均削减量分别为197.49×8)-2×?-1和139.18×8)-2×?-1。(3)玉米和大豆垂直结构对降雨分配过程的影响具有明显差异,玉米冠层对降雨的拦截作用优于大豆。玉米和大豆的垂直结构参数总体变化趋势基本一致,仅在数值上具有明显差异,玉米的株高、冠径、叶长和叶宽大于大豆,其余垂直结构参数均小于大豆。在降雨分配过程方面,玉米的穿透雨率小于大豆,雨滴动能削减量大于大豆。相同降雨条件下,玉米能够拦截更多降雨以及削减更多雨滴动能。偏最小二乘回归模型结果显示,对玉米和大豆降雨分配过程影响最为显著的垂直结构参数分别是叶面积指数和冠径。
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