喀斯特坡地玉米生長期冠層結構變化特征研究

方乾 余萬洋 侯瑞

摘 要：玉米冠層結構是玉米形態特征的主要指標，是坡地水土流失預測（預報）的重要參數。在喀斯特地區，玉米種植面積較大，探索玉米冠層結構變化，對喀斯特坡地水土流失的研究具有重要意義。本研究采用田間種植試驗方法對玉米全生長期冠層結構變化特征進行定量研究。結果表明：（1）玉米冠層葉面積隨玉米的生長呈增加趨勢，但在不同生長期增加幅度存在差異。在大喇叭口期和小喇叭口期增長最快，在拔節期和成熟期增長緩慢;（2）玉米冠層葉面積指數的變化表現為緩慢增長期、迅速增長期和緩慢下降期三個階段，二者關系可用指數函數模擬（R2=0.98）;（3）玉米冠層特征隨玉米生長期呈線性函數變化，其中葉片長度和寬度擬合較好（R2≥0.90），而株高和冠幅的擬合程度相對較差（R2<0.80）。以上結果表明玉米冠層在各生長階段存在差異，在喀斯特坡地水土流失估算時應根據生長期采取不同的植被與管理因子。

關鍵詞：玉米;葉面積指數;冠層結構;喀斯特;坡地

Abstract：The canopy structure isa main index of quantifyingmorphological characteristics of maize，and it also an important parameter in theprediction modelingofsoil and water loss.In karst areas，the cultivation area of maize is relativelylarge; it will be important that exploring the change of maize canopy structure for soil and water loss estimation on karst hillslope.Experiments were implemented for measuring the maize canopy structure （i.e.，leaf length，leaf width，plant height andcrown diameter） under field condition.Results showed that：1） the leaf area index （LAI） of maize canopy increased with maize growing，but to different extent.Overall，the increment of LAI was the greatest in small-trumpet period and big-trumpetperiod，while growth was slow in jointing stage and maturation period; 2） the change of LAIcan be divided into slow growth，rapid growth and decline stages，and the relationship between LAI and growth time could be described using an exponential function （R2=0.98） and 3），the maize canopycharacteristicsshowed the linear relation with the growth time.The determine coefficient of leaf length and width （R2≥0.90） was greater than those of plant height and crown diameter （R2<0.80）.Therefore，the different plant and management factor （C factor） should be consideredwhen the soil and water loss amount was estimated using a soil erosion predication model on karst hillslope because maize canopy structure is varied with different growth stages.

Keywords：maize;leaf area index;canopy structure;karst;slope

玉米冠層結構是玉米形態特征的重要指標，包括植物的葉、莖、花和果實等的大小、形狀、角度、位置分布以及在時空上的動態變化特征[1]。吳門新等[2]利用3D max技術重建了大田玉米三維特征和行播結構，并利用計算機模擬了玉米生長過程。Drouet等[3]利用魚眼鏡頭攝像機，以圖像中的透光率來推算冠層的葉面積指數。同時，冠層的形態結構以及功能對作物產量的提高具有重要影響[4-5]。冠層作為最先接觸到外界氣體環境和太陽光照的部分，對光照的利用和分配，以及對植被生長發育、生理過程產生影響[6-7]。丁希武等[8]的研究表明，光照強度隨葉層的加深呈降低的趨勢;王傳宇等[9]利用半球圖像法研究了玉米冠層的光照輻射強度分布，得出玉米冠層頂部的光照輻射較強，而冠層底部的光照輻射較低。此外，玉米種植對土壤侵蝕具有重要影響[10-11]，首先，冠層防止了降雨直接打擊地表并對降雨截留，降低了雨水到達地表的動能和水量[12-13];其次，玉米種植將改變地表微地形地貌，改變地表糙度，影響地表匯流和土壤水分下滲[14]。韓雪等[15]的研究表明冠層截流量隨降雨強度呈指數函數變化;劉戰東等[16]的研究表明冠層截流量和莖稈流量隨玉米生長呈先增大后減小的趨勢;何淑勤等[17]的研究指出隨著玉米生長降雨后地表糙度變化不同。

可見，對于玉米冠層結構進行研究具有重要意義。但是，以往的研究主要集中在東北、華北和西北一帶，而對于西南喀斯特地區的貴州省玉米冠層結構的研究卻鮮有報道。貴州省位于西南喀斯特中心，受特殊地形地貌影響，在農業用地中陡坡耕地占比大，其中坡度大于15°的約占69%[18]。鑒于此，本文研究了貴州省喀斯特坡地玉米的冠層結構特征，以期為深入了解喀斯特地區玉米生物學特性及其坡地水土流失預測（預報）提供科學依據。

1 研究區概況及方法

1.1 研究區概況

研究區位于貴陽市花溪區。花溪區地處長江流域清水江與珠江流域蒙江的分水嶺地帶，地勢東部高，南部和北部較低。氣候屬于亞熱帶季風濕潤氣候，季風氣候明顯，垂直差異較大。無霜期較長，平均為246 d。試驗地土壤類型為碳酸鹽巖發育的石灰土。當年氣候條件見表1。

1.2 試驗方法

試驗在5 m×2 m（長×寬），坡度為10°的徑流小區上完成。于2017年7月25日等株行距（30 cm×50 cm）播種玉米種子，到出苗期時共54株玉米，期間死亡玉米由移栽保持玉米株數。玉米出苗后對其進行掛牌編號，并在玉米生長期內施肥一次，時間為2017年8月7號，施肥時將復合肥料265 g溶解在12 kg水中，然后將水平均澆灌到每一株玉米上。

測量時以玉米的冠幅、株高、葉片長度和葉片寬度作為其冠層結構特征值，玉米生長周期內利用直尺量取每株玉米全部葉片的長度和葉長中點處的寬度，以及測量玉米冠幅和株高，同時對全株活葉數量進行統計，測量數值精確到小數點后一位。測量分為六個時期進行：第一次測量日期為玉米出苗期（三葉期），時間是2017年8月9日;第二次為玉米拔節期，測量時間為2017年8月26日;第三次為小喇叭口期，測量時間為2017年9月5日;第四次為大喇叭口期，測量時間為2017年9月17日;第五次為抽雄期，測量時間為2017年10月1日;第六次為成熟期，測量時間為2017年10月30日。

1.3 數據分析

本研究共6組試驗數據，每組數據有54組特征值，運用EXCEL 2010整理數據，統計每一時期葉片總量。

（1）計算每一時期玉米平均高度、平均冠幅、每株玉米各葉片的平均長度和寬度。其計算公式如下：

式中：w為各特征值的平均值;m為數量，計算平均株高和平均冠幅時m=54，計算平均長度和平均寬度時m為統計的葉片總量;ri為各冠層特征的測量值。

（2）利用統計數據計算玉米葉面積指數（LAI），其計算公式如下：

式中：0.75為玉米葉面積的校正系數;ρ為植株密度;m為測量株數;n為第i株的葉片數;Lij和Wij分別為第i株玉米、第j片葉子的長度和最大寬度。

（3）運用SPSS 20.0軟件對玉米冠層特征值作方差分析與回歸分析，檢驗各特征值在各生長階段的差異顯著性和得出各特征值的回歸擬合方程。

2 結果與分析

2.1 玉米冠層變化分析

六個觀測時期玉米冠層結構的指標值見表2，由表可知，隨著玉米的生長發育，玉米冠層特征值（株高、冠幅、葉片長度、葉片寬度）在整個生長過程中呈增長趨勢，但各時期的增長幅度存在差異。其中株高和冠幅的最大增幅出現在大喇叭口期，最小增幅分別出現在拔節期和成熟期;葉片長度和葉片寬度最大增幅分別為小喇叭口期和抽雄期;最小增幅均為成熟期。就葉片平均長度而言，最大增幅平均為1.31 cm/d，最小增幅平均為0.03 cm/d，各時期增幅大小依次為大喇叭口期>小喇叭口期>抽雄期>拔節期>成熟期，其余冠層特征變化此處不再一一贅述。總體上玉米在大喇叭口期和小喇叭口期生長較快，在拔節期和成熟期生長較慢。

方差分析表明：玉米在大喇叭口期時的株高與其它玉米生長期的株高存在顯著性差異（p<0.05），但大喇叭口期前的玉米株高之間和大喇叭口期后的玉米株高之間并無顯著性差異（p>0.05）;玉米冠幅除了在小喇叭口期和大喇叭口期外具有顯著性差異外（p<0.05），其余玉米冠幅在相鄰的玉米生長期內并無顯著性差異（p>0.05）;玉米葉片長度和葉片寬度在相鄰兩個玉米生長期內并無顯著性差異（p>0.05），但大喇叭口期前的玉米葉片長度和寬度與大喇叭口期后的葉片長度和寬度具有顯著性差異（p<0.05） 。由此可知，大喇叭口期是玉米生長期中較為關鍵的一個時期，在大喇叭口期前的玉米冠層特征值與大喇叭口期后的玉米冠層特征值具有顯著性差異（p<0.05），說明玉米在大喇叭口期生長較快，其變化也較大。

上述研究結果與王道波等[19]、魏子涵等[20]對玉米的研究結果類似，玉米在大喇叭口期和小喇叭口期生長較快，是由于玉米處于營養生長階段，主要以葉片和莖稈生長為主，為后期生殖生長作營養積累。當玉米進入成熟期后，以生殖生長為主，以至玉米葉片和莖稈生長變緩甚至部分葉片開始干枯。而在拔節期生長緩慢，則是由于此階段玉米主要進行地下部分根系的生長，所以地上部分生長變緩[21-22]。

2.2 玉米葉面積指數變化分析

從圖1可以看出玉米葉面積指數變化呈單峰曲線，經歷了緩慢增長、快速增長和緩慢下降三個階段。其中在出苗期—小喇叭口期緩慢增長;在小喇叭口期—抽雄期快速增長，并在抽雄期達到最大葉面積指數1.89，而最小葉面積指數為出苗期，其值為0.02;在抽雄期—成熟期開始緩慢下降。說明玉米在抽雄期對地表覆蓋最好。

由圖1還可知，玉米葉面積指數在出苗期—抽雄期之間呈指數函數變化，運用SPSS20.0對其進行指數函數擬合能較好反映出苗期—抽雄期的玉米葉面積指數變化，擬合方程如下：

由以上分析可知，玉米葉面積指數變化呈三個階段，即緩慢增長期、快速增長期和緩慢下降期。孫銳等[23]，王聰玲等[24]，任志勇等[25]對東北地區春玉米和夏玉米葉面積指數的研究表明，玉米葉面積指數變化呈先緩慢增大后快速增大，最后緩慢下降的趨勢。這與本文的研究結果一致。而麻雪艷等[26-27]對東北地區春玉米的研究指出，玉米葉面積指數的變化通常要經歷緩慢增長期、迅速增長期、相對穩定期和緩慢下降期四個階段。對于西北地區玉米葉面積指數的研究結果也存在差異，姚小英等[28]對西北地區春玉米葉面積指數的研究結果呈三個階段變化，而張旭東等[29]對西北夏玉米葉面積指數的研究結果卻呈四個階段變化。

此外，華北地區夏玉米葉面積指數的變化與西北夏玉米葉面積指數的變化相一致[30]。可見玉米葉面積指數的變化呈三個階段或四個階段變化，究其原因，這是由于氣候條件的影響造成的，不同的研究大區域（西北地區、東北地區和華北地區）其氣候條件不同。同時對于同一研究大區，雖然大氣候條件相同，但各研究小區域小氣候條件也存在差異。此外，玉米種植時間的不同，對玉米的生長同樣會產生影響。就麻雪艷等[26-27]的研究結果與本文研究結果的差異而言，麻雪艷等的研究區氣候屬于溫帶半濕潤氣候，與本研究區的高原季風濕潤氣候存在差異。此外，本研究玉米種植時期為夏季，而麻雪艷等[26-27]的玉米種植為春季。受以上因素的影響，研究結果出現差異。本研究葉面積指數在成熟期下降，是由于玉米在此階段以生殖生長為主，葉片開始脫落或死亡，葉片總量下降，進而導致葉面積指數下降[31]。

2.3 冠層結構特征值、冠層結構參數回歸分析

表3為玉米冠層結構回歸分析表，由表可知，玉米冠層結構特征值與玉米生長時間呈線性函數關系。其中玉米葉片長度、寬度回歸擬合度較高，均為0.9以上，該關系式可以很好地模擬葉片長度和寬度與生長時間的關系。而玉米株高、冠幅回歸擬合度相對較低，但R2均大于0.7，各時期玉米變化范圍較大。

3 結論與討論

喀斯特坡地的玉米冠層結構特征值（玉米冠幅、葉片長度、葉片總量、葉片寬度和株高）隨玉米生長期的進行呈增加的趨勢，但各時期的增加幅度存在差異。其中株高和冠幅在大喇叭口期增幅最大;葉片長度和葉片寬度分別在小喇叭口期和抽雄期增幅最大;最小增幅出現在拔節期和成熟期。

在喀斯特坡地上，玉米冠層結構參數—葉面積指數（LAI）的變化趨勢分為三個時期：即緩慢增長期、迅速增長期和緩慢下降期，其中最大葉面積指數出現在抽雄期，最小葉面積指數出現在出苗期。

喀斯特坡地玉米冠層與玉米生長周期呈一次函數變化，其中葉片長度和寬度的擬合程度較高，R2>0.9;而株高和冠幅的擬合程度相對較低，其R2在0.7～0.8之間。

參 考 文 獻：

[1] 龔壘.杉木幼樹冠層結構與生物量關系的初步研究[J].生態學報，1984（3）：248-258.

[2] 吳門新，朱啟疆，王錦地，等.夏玉米結構參數計算及大田玉米冠層的可視研究[J].作物學報，2002（6）：721-726.

[3] DROUET J L，MOULIA B，BONHOMME R.Do changes in the azimuthal distribution of maize leaves over time affect canopy light absorption[J].Agronomie，1999，19：281- 294.

[4] 張慧，錢欣，高英波，等.種植密度對不同株型夏玉米產量和冠層特性的影響[J].中國農學通報，2020，36（4）：23-29.

[5] 柏延文，楊永紅，朱亞利，等.種植密度對不同株型玉米冠層光能截獲和產量的影響[J].作物學報，2019，45（12）：1868-1879.

[6] 林同保，曲奕威，張同香，等.玉米冠層內不同層次對光能利用的差異性[J].生態學雜志，2008（4）：551-556.

[7] 范盼盼，謝瑞芝，明博，等.基于不同葉位受光條件的玉米冠層光合生產能力分析[J].玉米科學，2017，25（5）：68-72.

[8] 丁希武，許曉明，鄭玉龍，等.不同生態類型玉米光分布規律的研究[J].黑龍江農業科學，1998（1）：6-10.

[9] 王傳宇，郭新宇，溫維亮，等.田間光照條件下應用半球圖像解析玉米冠層結構參數[J].農業工程學報，2016，32（4）：157-162.

[10] 尹曉愛，方乾，楊通杭，等.模擬玉米莖稈流對土壤侵蝕的影響[J].水土保持學報，2020，34（3）：67-72.

[11] 谷易.淺談坡耕地玉米作物根系對土壤侵蝕的影響[J].農業與技術，2017，37（5）：15+19.

[12] 郭建平，欒青，王婧瑄，等.玉米冠層對降水的截留模型構建[J].應用氣象學報，2020，31（4）：397-404.

[13] 林代杰，鄭子成，張錫洲，等.玉米植株對降雨再分配過程的影響[J].中國農業科學，2011，44（12）：2608-2615.

[14] 秦鳳，鄭子成，李廷軒，等.玉米季坡耕地地表糙度的變化特征及其對土壤侵蝕的影響[J].水土保持學報，2013，27（3）：18-22+27.

[15] 韓雪，王力，王艷萍.自然降雨條件下夏玉米冠層截留特征及影響因素[J].中國農業科學，2014，47（8）：1541-1549.

[16] 劉戰東，劉祖貴，張寄陽，等.夏玉米降雨冠層截留過程及其模擬[J].灌溉排水學報，2015，34（7）：13-17.

[17] 何淑勤，秦鳳，宮淵波，等.橫壟坡面地表糙度的變化特征及其對片蝕的響應[J].水土保持學報，2018，32（1）：54-58.

[18] 蘇維詞.中國西南巖溶山區石漠化的現狀成因及治理的優化模式[J].水土保持學報，2002，16（2）：29-32+79.

[19] 王道波，張廣錄.基于氣象因子的玉米生長模型擬合研究[J].玉米科學，2005（1）：119-122.

[20] 魏子涵，魏占民，李春強，等.不同灌溉方式對玉米植株生長參數及產量的影響[J].水土保持研究，2017，24（3）：183-187.

[21] 張振海，常治鋒，朱志淵，等.玉米的一生[J].河南農業，2008（7）：41.

[22] 牛麗君.試驗確定大氣溫度對北方玉米生長周期的影響[J].農業技術與裝備，2012（8）：66-67.

[23] 孫銳，彭暢，叢艷霞，等.不同密度春玉米葉面積系數動態特征及其對產量的影響[J].玉米科學，2008（4）：61-65.

[24] 王聰玲，龔宇，王璞.不同類型夏玉米主要性狀及產量的分析[J].玉米科學，2008（2）：39-43.

[25] 任志勇，張寶石，張宇，等.不同株型玉米品種的適宜最大葉面積指數分析[J].雜糧作物，2009，29（2）：115-116.

[26] 麻雪艷，周廣勝.春玉米最大葉面積指數的確定方法及其應用[J].生態學報，2013，33（8）：2596-2603.

[27] 麻雪艷，周廣勝.玉米葉面積指數動態模擬的最適野外觀測資料[J].應用生態學報，2013，24（6）：1579-1585.

[28] 姚小英，李曉薇，王禹錫，等.西北干旱區旱地玉米葉面積指數與氣象因子及生物量的關系[J].自然資源學報，2012，27（11）：1881-1889.

[29] 張旭東，蔡煥杰，付玉娟，等.黃土區夏玉米葉面積指數變化規律的研究[J].干旱地區農業研究，2006（2）：25-29.

[30] 林忠輝，項月琴，莫興國，等.夏玉米葉面積指數增長模型的研究[J].中國生態農業學報，2003（4）：74-77.

[31] 王寧珍，鄧振鏞，張謀草，等.隴東黃土高原氣候變化對玉米葉面積生長的影響研究[J].干旱地區農業研究，2006（2）：189-194.