喀斯特坡地玉米生長(zhǎng)期冠層結(jié)構(gòu)變化特征研究

方乾 余萬(wàn)洋 侯瑞

摘 要：玉米冠層結(jié)構(gòu)是玉米形態(tài)特征的主要指標(biāo)，是坡地水土流失預(yù)測(cè)（預(yù)報(bào)）的重要參數(shù)。在喀斯特地區(qū)，玉米種植面積較大，探索玉米冠層結(jié)構(gòu)變化，對(duì)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(yàn)方法對(duì)玉米全生長(zhǎng)期冠層結(jié)構(gòu)變化特征進(jìn)行定量研究。結(jié)果表明：（1）玉米冠層葉面積隨玉米的生長(zhǎng)呈增加趨勢(shì)，但在不同生長(zhǎng)期增加幅度存在差異。在大喇叭口期和小喇叭口期增長(zhǎng)最快，在拔節(jié)期和成熟期增長(zhǎng)緩慢;（2）玉米冠層葉面積指數(shù)的變化表現(xiàn)為緩慢增長(zhǎng)期、迅速增長(zhǎng)期和緩慢下降期三個(gè)階段，二者關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)模擬（R2=0.98）;（3）玉米冠層特征隨玉米生長(zhǎng)期呈線性函數(shù)變化，其中葉片長(zhǎng)度和寬度擬合較好（R2≥0.90），而株高和冠幅的擬合程度相對(duì)較差（R2<0.80）。以上結(jié)果表明玉米冠層在各生長(zhǎng)階段存在差異，在喀斯特坡地水土流失估算時(shí)應(yīng)根據(jù)生長(zhǎng)期采取不同的植被與管理因子。

關(guān)鍵詞：玉米;葉面積指數(shù);冠層結(jié)構(gòu);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(jié)構(gòu)是玉米形態(tài)特征的重要指標(biāo)，包括植物的葉、莖、花和果實(shí)等的大小、形狀、角度、位置分布以及在時(shí)空上的動(dòng)態(tài)變化特征[1]。吳門(mén)新等[2]利用3D max技術(shù)重建了大田玉米三維特征和行播結(jié)構(gòu)，并利用計(jì)算機(jī)模擬了玉米生長(zhǎng)過(guò)程。Drouet等[3]利用魚(yú)眼鏡頭攝像機(jī)，以圖像中的透光率來(lái)推算冠層的葉面積指數(shù)。同時(shí)，冠層的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及功能對(duì)作物產(chǎn)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(huán)境和太陽(yáng)光照的部分，對(duì)光照的利用和分配，以及對(duì)植被生長(zhǎng)發(fā)育、生理過(guò)程產(chǎn)生影響[6-7]。丁希武等[8]的研究表明，光照強(qiáng)度隨葉層的加深呈降低的趨勢(shì);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(qiáng)度分布，得出玉米冠層頂部的光照輻射較強(qiáng)，而冠層底部的光照輻射較低。此外，玉米種植對(duì)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(duì)降雨截留，降低了雨水到達(dá)地表的動(dòng)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(qiáng)度呈指數(shù)函數(shù)變化;劉戰(zhàn)東等[16]的研究表明冠層截流量和莖稈流量隨玉米生長(zhǎng)呈先增大后減小的趨勢(shì);何淑勤等[17]的研究指出隨著玉米生長(zhǎng)降雨后地表糙度變化不同。

可見(jiàn)，對(duì)于玉米冠層結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)于西南喀斯特地區(qū)的貴州省玉米冠層結(jié)構(gòu)的研究卻鮮有報(bào)道。貴州省位于西南喀斯特中心，受特殊地形地貌影響，在農(nóng)業(yè)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(jié)構(gòu)特征，以期為深入了解喀斯特地區(qū)玉米生物學(xué)特性及其坡地水土流失預(yù)測(cè)（預(yù)報(bào)）提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴陽(yáng)市花溪區(qū)。花溪區(qū)地處長(zhǎng)江流域清水江與珠江流域蒙江的分水嶺地帶，地勢(shì)東部高，南部和北部較低。氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，季風(fēng)氣候明顯，垂直差異較大。無(wú)霜期較長(zhǎng)，平均為246 d。試驗(yàn)地土壤類(lèi)型為碳酸鹽巖發(fā)育的石灰土。當(dāng)年氣候條件見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在5 m×2 m（長(zhǎng)×寬），坡度為10°的徑流小區(qū)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(shí)共54株玉米，期間死亡玉米由移栽保持玉米株數(shù)。玉米出苗后對(duì)其進(jìn)行掛牌編號(hào)，并在玉米生長(zhǎng)期內(nèi)施肥一次，時(shí)間為2017年8月7號(hào)，施肥時(shí)將復(fù)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(cè)量時(shí)以玉米的冠幅、株高、葉片長(zhǎng)度和葉片寬度作為其冠層結(jié)構(gòu)特征值，玉米生長(zhǎng)周期內(nèi)利用直尺量取每株玉米全部葉片的長(zhǎng)度和葉長(zhǎng)中點(diǎn)處的寬度，以及測(cè)量玉米冠幅和株高，同時(shí)對(duì)全株活葉數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)量數(shù)值精確到小數(shù)點(diǎn)后一位。測(cè)量分為六個(gè)時(shí)期進(jìn)行：第一次測(cè)量日期為玉米出苗期（三葉期），時(shí)間是2017年8月9日;第二次為玉米拔節(jié)期，測(cè)量時(shí)間為2017年8月26日;第三次為小喇叭口期，測(cè)量時(shí)間為2017年9月5日;第四次為大喇叭口期，測(cè)量時(shí)間為2017年9月17日;第五次為抽雄期，測(cè)量時(shí)間為2017年10月1日;第六次為成熟期，測(cè)量時(shí)間為2017年10月30日。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本研究共6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)有54組特征值，運(yùn)用EXCEL 2010整理數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)每一時(shí)期葉片總量。

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

式中：w為各特征值的平均值;m為數(shù)量，計(jì)算平均株高和平均冠幅時(shí)m=54，計(jì)算平均長(zhǎng)度和平均寬度時(shí)m為統(tǒng)計(jì)的葉片總量;ri為各冠層特征的測(cè)量值。

（2）利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算玉米葉面積指數(shù)（LAI），其計(jì)算公式如下：

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

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

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米冠層變化分析

六個(gè)觀測(cè)時(shí)期玉米冠層結(jié)構(gòu)的指標(biāo)值見(jiàn)表2，由表可知，隨著玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，玉米冠層特征值（株高、冠幅、葉片長(zhǎng)度、葉片寬度）在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但各時(shí)期的增長(zhǎng)幅度存在差異。其中株高和冠幅的最大增幅出現(xiàn)在大喇叭口期，最小增幅分別出現(xiàn)在拔節(jié)期和成熟期;葉片長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)期增幅大小依次為大喇叭口期>小喇叭口期>抽雄期>拔節(jié)期>成熟期，其余冠層特征變化此處不再一一贅述?？傮w上玉米在大喇叭口期和小喇叭口期生長(zhǎng)較快，在拔節(jié)期和成熟期生長(zhǎng)較慢。

方差分析表明：玉米在大喇叭口期時(shí)的株高與其它玉米生長(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)期內(nèi)并無(wú)顯著性差異（p>0.05）;玉米葉片長(zhǎng)度和葉片寬度在相鄰兩個(gè)玉米生長(zhǎng)期內(nèi)并無(wú)顯著性差異（p>0.05），但大喇叭口期前的玉米葉片長(zhǎng)度和寬度與大喇叭口期后的葉片長(zhǎng)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(zhǎng)期中較為關(guān)鍵的一個(gè)時(shí)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(shuō)明玉米在大喇叭口期生長(zhǎng)較快，其變化也較大。

上述研究結(jié)果與王道波等[19]、魏子涵等[20]對(duì)玉米的研究結(jié)果類(lèi)似，玉米在大喇叭口期和小喇叭口期生長(zhǎng)較快，是由于玉米處于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，主要以葉片和莖稈生長(zhǎng)為主，為后期生殖生長(zhǎng)作營(yíng)養(yǎng)積累。當(dāng)玉米進(jìn)入成熟期后，以生殖生長(zhǎng)為主，以至玉米葉片和莖稈生長(zhǎng)變緩甚至部分葉片開(kāi)始干枯。而在拔節(jié)期生長(zhǎng)緩慢，則是由于此階段玉米主要進(jìn)行地下部分根系的生長(zhǎng)，所以地上部分生長(zhǎng)變緩[21-22]。

2.2 玉米葉面積指數(shù)變化分析

從圖1可以看出玉米葉面積指數(shù)變化呈單峰曲線，經(jīng)歷了緩慢增長(zhǎng)、快速增長(zhǎng)和緩慢下降三個(gè)階段。其中在出苗期—小喇叭口期緩慢增長(zhǎng);在小喇叭口期—抽雄期快速增長(zhǎng)，并在抽雄期達(dá)到最大葉面積指數(shù)1.89，而最小葉面積指數(shù)為出苗期，其值為0.02;在抽雄期—成熟期開(kāi)始緩慢下降。說(shuō)明玉米在抽雄期對(duì)地表覆蓋最好。

由圖1還可知，玉米葉面積指數(shù)在出苗期—抽雄期之間呈指數(shù)函數(shù)變化，運(yùn)用SPSS20.0對(duì)其進(jìn)行指數(shù)函數(shù)擬合能較好反映出苗期—抽雄期的玉米葉面積指數(shù)變化，擬合方程如下：

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

此外，華北地區(qū)夏玉米葉面積指數(shù)的變化與西北夏玉米葉面積指數(shù)的變化相一致[30]?？梢?jiàn)玉米葉面積指數(shù)的變化呈三個(gè)階段或四個(gè)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(qū)域（西北地區(qū)、東北地區(qū)和華北地區(qū)）其氣候條件不同。同時(shí)對(duì)于同一研究大區(qū)，雖然大氣候條件相同，但各研究小區(qū)域小氣候條件也存在差異。此外，玉米種植時(shí)間的不同，對(duì)玉米的生長(zhǎng)同樣會(huì)產(chǎn)生影響。就麻雪艷等[26-27]的研究結(jié)果與本文研究結(jié)果的差異而言，麻雪艷等的研究區(qū)氣候?qū)儆跍貛О霛駶?rùn)氣候，與本研究區(qū)的高原季風(fēng)濕潤(rùn)氣候存在差異。此外，本研究玉米種植時(shí)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(jié)果出現(xiàn)差異。本研究葉面積指數(shù)在成熟期下降，是由于玉米在此階段以生殖生長(zhǎng)為主，葉片開(kāi)始脫落或死亡，葉片總量下降，進(jìn)而導(dǎo)致葉面積指數(shù)下降[31]。

2.3 冠層結(jié)構(gòu)特征值、冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)回歸分析

表3為玉米冠層結(jié)構(gòu)回歸分析表，由表可知，玉米冠層結(jié)構(gòu)特征值與玉米生長(zhǎng)時(shí)間呈線性函數(shù)關(guān)系。其中玉米葉片長(zhǎng)度、寬度回歸擬合度較高，均為0.9以上，該關(guān)系式可以很好地模擬葉片長(zhǎng)度和寬度與生長(zhǎng)時(shí)間的關(guān)系。而玉米株高、冠幅回歸擬合度相對(duì)較低，但R2均大于0.7，各時(shí)期玉米變化范圍較大。

3 結(jié)論與討論

喀斯特坡地的玉米冠層結(jié)構(gòu)特征值（玉米冠幅、葉片長(zhǎng)度、葉片總量、葉片寬度和株高）隨玉米生長(zhǎng)期的進(jìn)行呈增加的趨勢(shì)，但各時(shí)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(zhǎng)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(xiàn)在拔節(jié)期和成熟期。

在喀斯特坡地上，玉米冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)—葉面積指數(shù)（LAI）的變化趨勢(shì)分為三個(gè)時(shí)期：即緩慢增長(zhǎng)期、迅速增長(zhǎng)期和緩慢下降期，其中最大葉面積指數(shù)出現(xiàn)在抽雄期，最小葉面積指數(shù)出現(xiàn)在出苗期。

喀斯特坡地玉米冠層與玉米生長(zhǎng)周期呈一次函數(shù)變化，其中葉片長(zhǎng)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(duì)較低，其R2在0.7～0.8之間。

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