【摘 要】
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降雨是土壤侵蚀发生的动力之一,它通过雨滴击溅和径流冲刷作用对土壤颗粒进行分离和搬运。而植被通过拦截降雨、调节地表径流以及增加入渗等减少土壤侵蚀。植被冠层对降雨过程的影响表现为两个方面:一是降雨通过植被冠层会产生再分配现象,原本扩散均匀的降雨在通过植被冠层后会发生变化,被分割为穿透雨、茎秆流和冠层截留三个部分,雨水在到达地面后将变得不均匀。二是植被冠层通过降低雨滴速度、雨滴数量、雨滴下落高度等削减了
【基金项目】
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国家重点研发计划项目（2017YFC0505302）； 国家自然科学基金（41907052）；
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降雨是土壤侵蚀发生的动力之一,它通过雨滴击溅和径流冲刷作用对土壤颗粒进行分离和搬运。而植被通过拦截降雨、调节地表径流以及增加入渗等减少土壤侵蚀。植被冠层对降雨过程的影响表现为两个方面:一是降雨通过植被冠层会产生再分配现象,原本扩散均匀的降雨在通过植被冠层后会发生变化,被分割为穿透雨、茎秆流和冠层截留三个部分,雨水在到达地面后将变得不均匀。二是植被冠层通过降低雨滴速度、雨滴数量、雨滴下落高度等削减了降雨动能、使得雨滴到达地面的时间、空间和比例分布等产生变化。植被冠层在水平和垂直方向上的形态结构能改变降雨再分配过程,并削减降雨动能,进而直接或间接影响水土流失过程。但在实际应用中,由于植被冠层形态结构的相关参数具有较大的时空变异性,观测工作量巨大,大多数研究仅考虑植被冠层的水平结构,较少考虑植被冠层垂直结构对水土流失的影响。坡耕地是我国山地丘陵区土壤侵蚀的主要源区,农作物是其表面重要的覆盖因素,在作物整个生长周期内,其茎秆以及枝叶形态等变化快速,引起作物冠层垂直结构发生巨大改变,导致植被冠层垂直结构和降雨分配过程之间的关系更加复杂。因此研究作物冠层垂直结构的动态演变特征以及作物冠层垂直结构动态演变下的降雨分配过程特征,定量表征作物冠层垂直结构动态演变对降雨分配过程的影响有助于理解植被对降雨的利用方式,为我国坡耕地土壤侵蚀防治和坡耕地耕作模式优选提供科学的理论依据和技术支持。本文选取玉米作为研究对象,基于三维激光扫描技术获取玉米群落不同生长期的三维点云数据,使用双边滤波法、K-Means聚类法、经典的限制Laplacian算法、Ball pivoting算法等点云处理及三维重建方法,提取了不同生长期玉米群落各项冠层垂直结构参数（株高、茎高、叶片面积、叶面积指数、叶长、叶宽、叶夹角、茎直径、冠长率、冠径）,并使用实测数据进行精度验证,研究其动态演变规律。采用模拟降雨试验,获取不同降雨强度条件下玉米冠层垂直结构动态演变下的各项降雨分配参数（冠下穿透雨、茎秆流、冠层截留、雨滴通过冠层被削减的动能）,解析玉米冠层垂直结构动态演变下的降雨分配过程特征。基于以上研究,结合相关性分析和偏最小二乘法,定量分析玉米冠层垂直结构各参数对降雨分配过程的影响。构建玉米冠层垂直结构指数,定量表征玉米冠层垂直结构指数的动态演变对降雨分配过程的影响,得到了以下主要结论:（1）使用经典的限制Laplacian算法、Ball pivoting算法提取的玉米株高和叶片面积与实测数据的相关系数R~2均大于0.85,模型的适用性较高。玉米冠层垂直结构各参数呈现三种不同的生长趋势:株高、冠径、茎高、叶长、叶宽、茎直径呈先上升后下降趋势;冠长率呈先下降后上升趋势;叶夹角呈持续上升趋势。（2）随着降雨强度增大,玉米群落的穿透雨率、茎秆流率、冠层截留率与其对雨滴动能的削减量均呈增长趋向。在玉米幼苗期至衰败期,玉米群落的冠下平均穿透雨率呈先减小后增大趋势,在成熟期达到最低值;玉米平均茎秆流率与平均冠层截留率、雨滴动能削减量均呈先增大后减小趋势,并且均在成熟期达到最大值。（3）玉米冠层垂直结构各参数中,叶夹角、茎高、叶片面积、冠径、株高是影响降雨分配过程的主要因素。构建了基于穿透雨、茎秆流以及雨滴动能削减的玉米冠层垂直结构指数((1、(1、(1)。使用玉米冠层垂直结构指数与相应降雨分配参数构建的回归方程计算发现:(1、(1、(1的值每增加0.05,相应的穿透雨率在不同降雨强度下分别减少10.39%～16.02%;茎秆流率分别增加5.38%～8.37%;每小时每平方米内对雨滴动能的削减量分别增加46.407～138.34。
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