寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)玉米葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)變化模擬

摘 要：該研究選用玉米品種先玉335為試驗(yàn)材料，在寧夏典型的揚(yáng)黃灌區(qū)馮記溝試驗(yàn)基地開展不同氮素水平的小區(qū)試驗(yàn)，采集獲取玉米各生育期的葉面積指數(shù)和輻熱積，對(duì)其動(dòng)態(tài)變化過程進(jìn)行了定量的分析，然后采用歸一化數(shù)學(xué)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，得到歸一化葉面積指數(shù)和歸一化輻熱積，并采用數(shù)據(jù)模擬軟件曲線專家對(duì)歸一化葉面積指數(shù)和歸一化輻熱積進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。結(jié)果表明，有理函數(shù)方程能夠較準(zhǔn)確地對(duì)寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)玉米葉面積動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析描述，其R2值達(dá)0.803。由此可見，基于輻熱積的有理函數(shù)方程能準(zhǔn)確地反映玉米群體動(dòng)態(tài)變化。

關(guān)鍵詞：玉米；葉面積指數(shù)；光合有效輻射；相對(duì)熱效應(yīng)；有理函數(shù)

中圖分類號(hào) S513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2016）12-0011-04

Simulating on Leaf Area Index of Maize of New Irrigation Area Pumping Water from the Yellow River in Ningxia

Jia Biao

（School of Agriculture，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

Abstract：In order to investigate the dynamic relationship of cotton between leaf area index and accumulate total production of thermal effectiveness and photosynthetically active radiation，plot experiments were conducted with Xianyu335 cultivar and four N levels were imposed of Fengjigou of new irrigation area pumping water from the Yellow River in Ningxia.The experiment quantificationally analyzed the dynamic changes of leaf area index and TEP of the whole growth period through test data in four N levels according to normalization process and dynamically simulated relative leaf area index and relative TEP using the Curve Expert.The results indicated that seven analog models showed a better fitting effect and the rational function which have strong biological significance and a high determination coefficient（R2=0.803）can be more accurate to describe the maize leaf area index dynamic correlation than others.The results indicated the rational function dynamic change based the thermal effectiveness and photosynthetically active radiation description can accurately reflect the dynamic changes in the maize groups in Ningxia.

Key words：Maize；Leaf area index；Photosynthetically active radiation；Related thermal effectiveness；Rational function

1 引言

作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化分析模擬主要是根據(jù)作物生長(zhǎng)發(fā)育的內(nèi)在規(guī)律，對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程、光合作用以及產(chǎn)量形成等多個(gè)因子進(jìn)行量化分析和動(dòng)態(tài)概括，從而實(shí)現(xiàn)作物栽培措施的優(yōu)化[1-3]，以達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、高效的目的。

葉面積指數(shù)是作物冠層光合作用和光合速率的重要參數(shù)之一，是反映作物群體質(zhì)量和群體變化的重要指標(biāo)[4-5]。作物吸收太陽(yáng)輻射，進(jìn)行光合作用的強(qiáng)度，主要決定因素是其葉面積指數(shù)的大小。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)業(yè)專家通常用作物葉面積指數(shù)來衡量其生長(zhǎng)發(fā)育健康狀況，并以此作為參考指標(biāo)來確定具體的栽培措施。已有的作物葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)變化模擬分析過程中，大部分是通過Logistic和Richards等模型實(shí)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)分析，分別建立在玉米、水稻等多種糧食作物上[1，2，6-11]，且這些動(dòng)態(tài)分析模型模擬的擬合度高，分析效果好，具有一定的學(xué)術(shù)參考價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。然而，在上述動(dòng)態(tài)分析模擬模型中，并未綜合運(yùn)用溫、光互作效應(yīng)的光溫指標(biāo)輻熱積來動(dòng)態(tài)分析農(nóng)作物葉面積指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程[1，2]。大量研究結(jié)果表明，充足的溫、光條件是實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的必要因素，因此，綜合運(yùn)用溫、光因子對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育的葉面積動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行定量分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米整個(gè)生長(zhǎng)過程動(dòng)態(tài)數(shù)字化控制顯得尤為重要[6，12]。

本研究初步探討了溫度和輻射的乘積對(duì)玉米葉面積指數(shù)的影響，借鑒其他糧食作物葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)模擬的優(yōu)點(diǎn)，量化玉米生長(zhǎng)與溫、光互作因子間的關(guān)系，采用輻熱積法[10-14]建立玉米葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)模擬模型，為實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

2 材料與方法

2.1 供試材料 試驗(yàn)于2015年在鹽池農(nóng)業(yè)示范園區(qū)馮記溝玉米種植基地（天朗現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水科技有限公司）進(jìn)行。供試品種先玉335。4月27日播種，種植模式為寬窄行（30cm+70cm+30cm）的機(jī)播模式，采用滴灌技術(shù)，4月30日灌出苗水。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)不同水平的氮素處理，氮肥為含N質(zhì)量分?jǐn)?shù)46%的尿素，分別為：對(duì)照0kg/hm2（N0）、150kg/hm2（N1）、300kg/hm2（N2）和450kg/hm2（N3），完全隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次試驗(yàn)。其他種植管理與方法措施以及病蟲害防治等與鹽池當(dāng)?shù)赜衩赘弋a(chǎn)示范田保持一致。

2.3 項(xiàng)目測(cè)定

2.3.1 葉面積測(cè)量 采用數(shù)字葉面積掃描儀測(cè)定計(jì)量各處理玉米單株葉面積大小，各試驗(yàn)小區(qū)采樣3株，于玉米出苗后30d開始采樣，每隔10d采樣1次。

2.3.2 氣象數(shù)據(jù)獲取 在鹽池馮記溝試驗(yàn)基地安裝田間小型氣象觀測(cè)站，自動(dòng)記錄玉米各生育期內(nèi)每日太陽(yáng)總輻射和每日實(shí)時(shí)溫度，每隔1h記錄所測(cè)定的氣象數(shù)據(jù)1次。

2.3.3 輻熱積計(jì)算 首先計(jì)算每1h的熱效應(yīng)，然后將每1h熱效應(yīng)與1h內(nèi)的光合有效輻射乘積記為1h輻熱積。然后計(jì)算24h輻熱積積累值，以此類推，可計(jì)算玉米每一個(gè)生育階段和整個(gè)生育期的累計(jì)輻熱積。輻熱積計(jì)算公式如下：

其中：To、Tb、Tm分別為玉米生長(zhǎng)的三基點(diǎn)溫度，T為每1h內(nèi)獲取的實(shí)時(shí)溫度的平均溫度。Q為1h內(nèi)太陽(yáng)總輻射，PAR為1h內(nèi)總光合有效輻射，HTEP為1h的輻熱積；DTEP為1d的輻熱積；TEPi+1為i+1d的累積輻熱積，TEPi為id的累積輻熱積，DTEPi+1為第i+1d的日輻熱積。

2.3.4 數(shù)據(jù)歸一化 對(duì)葉面積指數(shù)和輻熱積均采用歸一化方法[1，2，5，7]處理，得到從出苗到成熟期的相對(duì)葉面積指數(shù)和相對(duì)輻熱積，其計(jì)算式為：

其中：RLAIi為玉米不同生育時(shí)期的相對(duì)葉面積指數(shù)，LAIi為玉米不同生育時(shí)期的葉面積指數(shù)；LAImax為玉米最大葉面積指數(shù)；RTEPi為相對(duì)輻熱積；TEPi為不同生育時(shí)期的累積輻熱積；TEPmax為玉米整個(gè)生育期內(nèi)的最大輻熱積。

2.4 數(shù)據(jù)分析 采用Excel計(jì)算葉面積指數(shù)和輻熱積累積值，然后進(jìn)行歸一化處理；運(yùn)用SPSS18.0對(duì)歸一化的葉面積指數(shù)和輻熱積數(shù)據(jù)分析和相關(guān)性分析；用Origin Pro8.5對(duì)葉面積指數(shù)和輻熱積間關(guān)系進(jìn)行作圖和模擬動(dòng)態(tài)變化曲線。

3 結(jié)果與分析

3.1 葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律 由圖1可知，不同的施氮水平顯著地影響玉米生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)變化，且各氮素處理間葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)變化滿足一個(gè)基本規(guī)律，在玉米生長(zhǎng)的整個(gè)生育期內(nèi)，隨輻熱積值增加而增大，且各氮素水平葉面積指數(shù)均呈單峰曲線變化，即前期緩慢增長(zhǎng)、中期快速增長(zhǎng)、后期緩慢下降的偏峰曲線。另外，研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，CK處理由于不施氮肥，玉米田營(yíng)養(yǎng)不足，從而導(dǎo)致玉米葉面積指數(shù)一直處于相對(duì)較低的數(shù)值，這在很大程度上影響了玉米光合產(chǎn)物的累積、傳輸與運(yùn)轉(zhuǎn)；N3水平因氮肥充足，玉米在生長(zhǎng)前期，葉面積指數(shù)一直處于各處理的最大值，但由于氮肥施用量偏高，導(dǎo)致該處理玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期偏長(zhǎng)，其光合產(chǎn)物的累積、傳輸與運(yùn)轉(zhuǎn)同樣會(huì)受到一定影響。

由圖2可知，將各N素處理玉米葉面積指數(shù)和輻熱積的值分別進(jìn)行歸一化處理，得到其歸一化后的相對(duì)葉面積指數(shù)與相對(duì)輻熱積值。結(jié)果表明，歸一化處理后的相對(duì)葉面積指數(shù)CK（N0）處理葉面積指數(shù)提前到達(dá)最大值1，也就是說，玉米生長(zhǎng)提前進(jìn)入衰老期；N3處理葉面積指數(shù)達(dá)到最大值1的時(shí)期明顯推后，主要由于施肥量過高，導(dǎo)致玉米生長(zhǎng)貪青晚熟，影響其產(chǎn)量形成。由此可見，歸一化數(shù)據(jù)處理方法不但可以簡(jiǎn)化復(fù)雜量綱的計(jì)算過程，而且還能方便快捷地分析和預(yù)測(cè)玉米生長(zhǎng)中出現(xiàn)的問題，從而實(shí)現(xiàn)了玉米葉面積指數(shù)的動(dòng)態(tài)模擬。

3.2 玉米相對(duì)葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型 將試驗(yàn)中玉米葉面積指數(shù)歸一化處理數(shù)據(jù)利用Origin8.5數(shù)據(jù)處理與作圖軟件進(jìn)行模擬，建立相對(duì)葉面積指數(shù)與相對(duì)輻熱積的動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果。其數(shù)據(jù)模擬結(jié)果表明，有理函數(shù)方程模擬效果較好，決定系數(shù)較高，且能合理地解釋玉米葉面積動(dòng)態(tài)變化過程受溫度和光照的影響，具有一定的生物學(xué)意義。其有理函數(shù)模擬曲線方程為：

其中：x表示玉米相對(duì)輻熱積值，y表示玉米相對(duì)葉面積指數(shù)。

3.3 不同氮素處理與玉米產(chǎn)量的關(guān)系 通過對(duì)不同施氮量水平的玉米試驗(yàn)田進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，各處理產(chǎn)量具有顯著的規(guī)律性，表現(xiàn)出相對(duì)高肥處理高于低肥處理和不施N處理（N3處理除外），其中，N2處理增產(chǎn)效果最顯著，其次是N1處理。這充分表明氮肥施用量能夠直接影響到光合產(chǎn)物向玉米籽粒的轉(zhuǎn)移與運(yùn)輸，且適量施氮肥對(duì)產(chǎn)量有積極的促進(jìn)作用。不施氮肥或施氮肥較低的處理，玉米生長(zhǎng)發(fā)育的中、后期其葉片葉綠素含量降解速度快，凈光合速率低，光合產(chǎn)物少；過量施氮肥的處理（N3），玉米生長(zhǎng)發(fā)育整個(gè)過程體現(xiàn)出氮代謝過旺，雖然能改善玉米葉片的光合性能，光能轉(zhuǎn)化效率高，玉米植株生長(zhǎng)極快，但導(dǎo)致玉米群體過大，冠層內(nèi)光照條件惡化，玉米光合產(chǎn)物最終分配失調(diào)，玉米庫(kù)轉(zhuǎn)化強(qiáng)度降低，從而降低了其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

4 討論與結(jié)論

本研究?jī)H僅探討了在不同氮肥施用量的條件下基于輻熱積的調(diào)控，分析其促進(jìn)與制約玉米生長(zhǎng)發(fā)育過程中群體指標(biāo)葉面積指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。研究結(jié)果表明，不同氮肥施用量玉米葉面積指數(shù)隨輻熱積的增加而增大，其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律符合有理函數(shù)式，從而證實(shí)了有理函數(shù)能很好地解釋玉米相對(duì)葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)變化[7]。同時(shí)，該函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是參數(shù)少、計(jì)算簡(jiǎn)便，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中實(shí)用性較強(qiáng)，不需要花費(fèi)大量的人力與財(cái)力便可方便準(zhǔn)確地模擬玉米葉面積指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，從而為玉米優(yōu)質(zhì)、高效、穩(wěn)產(chǎn)提供較為科學(xué)的理論依據(jù)。

玉米葉面積指數(shù)是玉米群體質(zhì)量的重要量化指標(biāo)，直接影響著玉米的群體光合能力和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的形成[1-3]，其動(dòng)態(tài)變化與特征值對(duì)于確定玉米高產(chǎn)群體結(jié)構(gòu)具有參考價(jià)值。本研究結(jié)果表明，在模擬玉米葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)關(guān)系時(shí)，綜合考慮了光合有效輻射與相對(duì)熱效應(yīng)乘積這個(gè)值，即輻熱積，并應(yīng)用于玉米大田試驗(yàn)，在分析模擬思路和方法上有了新突破。其主要原因是輻熱積的累加值和玉米生長(zhǎng)發(fā)育過程具有一定的同步性。另外，本研究在模擬玉米葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)變化過程中，采用的“歸一化”數(shù)據(jù)處理與分析方法消除量綱，簡(jiǎn)化計(jì)算，實(shí)用性強(qiáng)[1-2，5，7]。

本研究初步分析討論了不同施氮肥水平下的玉米葉面積指數(shù)與輻熱積間的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，然而玉米的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程受還受到水肥運(yùn)籌、種植密度和田間管理措施等各種影響因子的制約，因此，綜合因子驅(qū)動(dòng)下的玉米葉面積動(dòng)態(tài)變化過程還需要進(jìn)一步研究與探討。

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（責(zé)編：張宏民）