喀斯特坡地玉米生长期冠层结构变化特征研究

2021-04-28方乾余万洋侯瑞

山地农业生物学报 2021年1期

方乾余万洋侯瑞

摘要：玉米冠层结构是玉米形态特征的主要指标，是坡地水土流失预测（预报）的重要参数。在喀斯特地区，玉米种植面积较大，探索玉米冠层结构变化，对喀斯特坡地水土流失的研究具有重要意义。本研究采用田间种植试验方法对玉米全生长期冠层结构变化特征进行定量研究。结果表明：（1）玉米冠层叶面积随玉米的生长呈增加趋势，但在不同生长期增加幅度存在差异。在大喇叭口期和小喇叭口期增长最快，在拔节期和成熟期增长缓慢;（2）玉米冠层叶面积指数的变化表现为缓慢增长期、迅速增长期和缓慢下降期三个阶段，二者关系可用指数函数模拟（R2=0.98）;（3）玉米冠层特征随玉米生长期呈线性函数变化，其中叶片长度和宽度拟合较好（R2≥0.90），而株高和冠幅的拟合程度相对较差（R2<0.80）。以上结果表明玉米冠层在各生长阶段存在差异，在喀斯特坡地水土流失估算时应根据生长期采取不同的植被与管理因子。

关键词：玉米;叶面积指数;冠层结构;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

玉米冠層结构是玉米形态特征的重要指标，包括植物的叶、茎、花和果实等的大小、形状、角度、位置分布以及在时空上的动态变化特征[1]。吴门新等[2]利用3D max技术重建了大田玉米三维特征和行播结构，并利用计算机模拟了玉米生长过程。Drouet等[3]利用鱼眼镜头摄像机，以图像中的透光率来推算冠层的叶面积指数。同时，冠层的形态结构以及功能对作物产量的提高具有重要影响[4-5]。冠层作为最先接触到外界气体环境和太阳光照的部分，对光照的利用和分配，以及对植被生长发育、生理过程产生影响[6-7]。丁希武等[8]的研究表明，光照强度随叶层的加深呈降低的趋势;王传宇等[9]利用半球图像法研究了玉米冠层的光照辐射强度分布，得出玉米冠层顶部的光照辐射较强，而冠层底部的光照辐射较低。此外，玉米种植对土壤侵蚀具有重要影响[10-11]，首先，冠层防止了降雨直接打击地表并对降雨截留，降低了雨水到达地表的动能和水量[12-13];其次，玉米种植将改变地表微地形地貌，改变地表糙度，影响地表汇流和土壤水分下渗[14]。韩雪等[15]的研究表明冠层截流量随降雨强度呈指数函数变化;刘战东等[16]的研究表明冠层截流量和茎秆流量随玉米生长呈先增大后减小的趋势;何淑勤等[17]的研究指出随着玉米生长降雨后地表糙度变化不同。

可见，对于玉米冠层结构进行研究具有重要意义。但是，以往的研究主要集中在东北、华北和西北一带，而对于西南喀斯特地区的贵州省玉米冠层结构的研究却鲜有报道。贵州省位于西南喀斯特中心，受特殊地形地貌影响，在农业用地中陡坡耕地占比大，其中坡度大于15°的约占69%[18]。鉴于此，本文研究了贵州省喀斯特坡地玉米的冠层结构特征，以期为深入了解喀斯特地区玉米生物学特性及其坡地水土流失预测（预报）提供科学依据。

1 研究区概况及方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵阳市花溪区。花溪区地处长江流域清水江与珠江流域蒙江的分水岭地带，地势东部高，南部和北部较低。气候属于亚热带季风湿润气候，季风气候明显，垂直差异较大。无霜期较长，平均为246 d。试验地土壤类型为碳酸盐岩发育的石灰土。当年气候条件见表1。

1.2 试验方法

试验在5 m×2 m（长×宽），坡度为10°的径流小区上完成。于2017年7月25日等株行距（30 cm×50 cm）播种玉米种子，到出苗期时共54株玉米，期间死亡玉米由移栽保持玉米株数。玉米出苗后对其进行挂牌编号，并在玉米生长期内施肥一次，时间为2017年8月7号，施肥时将复合肥料265 g溶解在12 kg水中，然后将水平均浇灌到每一株玉米上。

测量时以玉米的冠幅、株高、叶片长度和叶片宽度作为其冠层结构特征值，玉米生长周期内利用直尺量取每株玉米全部叶片的长度和叶长中点处的宽度，以及测量玉米冠幅和株高，同时对全株活叶数量进行统计，测量数值精确到小数点后一位。测量分为六个时期进行：第一次测量日期为玉米出苗期（三叶期），时间是2017年8月9日;第二次为玉米拔节期，测量时间为2017年8月26日;第三次为小喇叭口期，测量时间为2017年9月5日;第四次为大喇叭口期，测量时间为2017年9月17日;第五次为抽雄期，测量时间为2017年10月1日;第六次为成熟期，测量时间为2017年10月30日。

1.3 數据分析

本研究共6组试验数据，每组数据有54组特征值，运用EXCEL 2010整理数据，统计每一时期叶片总量。

（1）计算每一时期玉米平均高度、平均冠幅、每株玉米各叶片的平均长度和宽度。其计算公式如下：

式中：w为各特征值的平均值;m为数量，计算平均株高和平均冠幅时m=54，计算平均长度和平均宽度时m为统计的叶片总量;ri为各冠层特征的测量值。

（2）利用统计数据计算玉米叶面积指数（LAI），其计算公式如下：

式中：0.75为玉米叶面积的校正系数;ρ为植株密度;m为测量株数;n为第i株的叶片数;Lij和Wij分别为第i株玉米、第j片叶子的长度和最大宽度。

（3）运用SPSS 20.0软件对玉米冠层特征值作方差分析与回归分析，检验各特征值在各生长阶段的差异显著性和得出各特征值的回归拟合方程。

2 结果与分析

2.1 玉米冠层变化分析

六个观测时期玉米冠层结构的指标值见表2，由表可知，随着玉米的生长发育，玉米冠层特征值（株高、冠幅、叶片长度、叶片宽度）在整个生长过程中呈增长趋势，但各时期的增长幅度存在差异。其中株高和冠幅的最大增幅出现在大喇叭口期，最小增幅分别出现在拔节期和成熟期;叶片长度和叶片宽度最大增幅分别为小喇叭口期和抽雄期;最小增幅均为成熟期。就叶片平均长度而言，最大增幅平均为1.31 cm/d，最小增幅平均为0.03 cm/d，各时期增幅大小依次为大喇叭口期>小喇叭口期>抽雄期>拔节期>成熟期，其余冠层特征变化此处不再一一赘述。总体上玉米在大喇叭口期和小喇叭口期生长较快，在拔节期和成熟期生长较慢。

方差分析表明：玉米在大喇叭口期时的株高与其它玉米生长期的株高存在显著性差异（p<0.05），但大喇叭口期前的玉米株高之间和大喇叭口期后的玉米株高之间并无显著性差异（p>0.05）;玉米冠幅除了在小喇叭口期和大喇叭口期外具有显著性差异外（p<0.05），其余玉米冠幅在相邻的玉米生长期内并无显著性差异（p>0.05）;玉米叶片长度和叶片宽度在相邻两个玉米生长期内并无显著性差异（p>0.05），但大喇叭口期前的玉米叶片长度和宽度与大喇叭口期后的叶片长度和宽度具有显著性差异（p<0.05）。由此可知，大喇叭口期是玉米生长期中较为关键的一个时期，在大喇叭口期前的玉米冠层特征值与大喇叭口期后的玉米冠层特征值具有显著性差异（p<0.05），说明玉米在大喇叭口期生长较快，其变化也较大。

上述研究结果与王道波等[19]、魏子涵等[20]对玉米的研究结果类似，玉米在大喇叭口期和小喇叭口期生长较快，是由于玉米处于营养生长阶段，主要以叶片和茎秆生长为主，为后期生殖生长作营养积累。当玉米进入成熟期后，以生殖生长为主，以至玉米叶片和茎秆生长变缓甚至部分叶片开始干枯。而在拔节期生长缓慢，则是由于此阶段玉米主要进行地下部分根系的生长，所以地上部分生长变缓[21-22]。

2.2 玉米叶面积指数变化分析

从图1可以看出玉米叶面积指数变化呈单峰曲线，经历了缓慢增长、快速增长和缓慢下降三个阶段。其中在出苗期—小喇叭口期缓慢增长;在小喇叭口期—抽雄期快速增长，并在抽雄期达到最大叶面积指数1.89，而最小叶面积指数为出苗期，其值为0.02;在抽雄期—成熟期开始缓慢下降。说明玉米在抽雄期对地表覆盖最好。

由图1还可知，玉米叶面积指数在出苗期—抽雄期之间呈指数函数变化，运用SPSS20.0对其进行指数函数拟合能较好反映出苗期—抽雄期的玉米叶面积指数变化，拟合方程如下：

由以上分析可知，玉米叶面积指数变化呈三个阶段，即缓慢增长期、快速增长期和缓慢下降期。孙锐等[23]，王聪玲等[24]，任志勇等[25]对东北地区春玉米和夏玉米叶面积指数的研究表明，玉米叶面积指数变化呈先缓慢增大后快速增大，最后缓慢下降的趋势。这与本文的研究结果一致。而麻雪艳等[26-27]对东北地区春玉米的研究指出，玉米叶面积指数的变化通常要经历缓慢增长期、迅速增长期、相对稳定期和缓慢下降期四个阶段。对于西北地区玉米叶面积指数的研究结果也存在差异，姚小英等[28]对西北地区春玉米叶面积指数的研究结果呈三个阶段变化，而张旭东等[29]对西北夏玉米叶面积指数的研究结果却呈四个阶段变化。

此外，华北地区夏玉米叶面积指数的变化与西北夏玉米叶面积指数的变化相一致[30]。可见玉米叶面积指数的变化呈三个阶段或四个阶段变化，究其原因，这是由于气候条件的影响造成的，不同的研究大区域（西北地区、东北地区和华北地区）其气候条件不同。同时对于同一研究大区，虽然大气候条件相同，但各研究小区域小气候条件也存在差异。此外，玉米种植时间的不同，对玉米的生长同样会产生影响。就麻雪艳等[26-27]的研究结果与本文研究结果的差异而言，麻雪艳等的研究区气候属于温带半湿润气候，与本研究区的高原季风湿润气候存在差异。此外，本研究玉米种植时期为夏季，而麻雪艳等[26-27]的玉米种植为春季。受以上因素的影响，研究结果出现差异。本研究叶面积指数在成熟期下降，是由于玉米在此阶段以生殖生长为主，叶片开始脱落或死亡，叶片总量下降，进而导致叶面积指数下降[31]。

2.3 冠层结构特征值、冠层结构参数回归分析

表3为玉米冠层结构回归分析表，由表可知，玉米冠层结构特征值与玉米生长时间呈线性函数关系。其中玉米叶片长度、宽度回归拟合度较高，均为0.9以上，该关系式可以很好地模拟叶片长度和宽度与生长时间的关系。而玉米株高、冠幅回归拟合度相对较低，但R2均大于0.7，各时期玉米变化范围较大。

3 结论与讨论

喀斯特坡地的玉米冠层结构特征值（玉米冠幅、叶片长度、叶片总量、叶片宽度和株高）随玉米生长期的进行呈增加的趋势，但各时期的增加幅度存在差异。其中株高和冠幅在大喇叭口期增幅最大;叶片长度和叶片宽度分别在小喇叭口期和抽雄期增幅最大;最小增幅出现在拔节期和成熟期。

在喀斯特坡地上，玉米冠层结构参数—叶面积指数（LAI）的变化趋势分为三个时期：即缓慢增长期、迅速增长期和缓慢下降期，其中最大叶面积指数出现在抽雄期，最小叶面积指数出现在出苗期。

喀斯特坡地玉米冠层与玉米生长周期呈一次函数变化，其中叶片长度和宽度的拟合程度较高，R2>0.9;而株高和冠幅的拟合程度相对较低，其R2在0.7～0.8之间。

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