宁夏扬黄灌区玉米叶面积指数动态变化模拟

摘 要：该研究选用玉米品种先玉335为试验材料，在宁夏典型的扬黄灌区冯记沟试验基地开展不同氮素水平的小区试验，采集获取玉米各生育期的叶面积指数和辐热积，对其动态变化过程进行了定量的分析，然后采用归一化数学方法进行数据处理与分析，得到归一化叶面积指数和归一化辐热积，并采用数据模拟软件曲线专家对归一化叶面积指数和归一化辐热积进行动态模拟。结果表明，有理函数方程能够较准确地对宁夏扬黄灌区玉米叶面积动态进行分析描述，其R2值达0.803。由此可见，基于辐热积的有理函数方程能准确地反映玉米群体动态变化。

关键词：玉米；叶面积指数；光合有效辐射；相对热效应；有理函数

中图分类号 S513 文献标识码 A 文章编号 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

作物生长动态变化分析模拟主要是根据作物生长发育的内在规律，对其生长发育进程、光合作用以及产量形成等多个因子进行量化分析和动态概括，从而实现作物栽培措施的优化[1-3]，以达到优质、高产、稳产、高效的目的。

叶面积指数是作物冠层光合作用和光合速率的重要参数之一，是反映作物群体质量和群体变化的重要指标[4-5]。作物吸收太阳辐射，进行光合作用的强度，主要决定因素是其叶面积指数的大小。在农业生产中，农业专家通常用作物叶面积指数来衡量其生长发育健康状况，并以此作为参考指标来确定具体的栽培措施。已有的作物叶面积指数动态变化模拟分析过程中，大部分是通过Logistic和Richards等模型实现其动态分析，分别建立在玉米、水稻等多种粮食作物上[1，2，6-11]，且这些动态分析模型模拟的拟合度高，分析效果好，具有一定的学术参考价值和应用价值。然而，在上述动态分析模拟模型中，并未综合运用温、光互作效应的光温指标辐热积来动态分析农作物叶面积指数的动态变化过程[1，2]。大量研究结果表明，充足的温、光条件是实现玉米高产稳产的必要因素，因此，综合运用温、光因子对玉米生长发育的叶面积动态变化进行定量分析，实现对玉米整个生长过程动态数字化控制显得尤为重要[6，12]。

本研究初步探讨了温度和辐射的乘积对玉米叶面积指数的影响，借鉴其他粮食作物叶面积指数动态模拟的优点，量化玉米生长与温、光互作因子间的关系，采用辐热积法[10-14]建立玉米叶面积指数动态模拟模型，为实现玉米高产稳产提供理论依据和技术支撑。

2 材料与方法

2.1 供试材料 试验于2015年在盐池农业示范园区冯记沟玉米种植基地（天朗现代农业节水科技有限公司）进行。供试品种先玉335。4月27日播种，种植模式为宽窄行（30cm+70cm+30cm）的机播模式，采用滴灌技术，4月30日灌出苗水。

2.2 试验设计 试验设置4个不同水平的氮素处理，氮肥为含N质量分数46%的尿素，分别为：对照0kg/hm2（N0）、150kg/hm2（N1）、300kg/hm2（N2）和450kg/hm2（N3），完全随机区组排列，重复3次试验。其他种植管理与方法措施以及病虫害防治等与盐池当地玉米高产示范田保持一致。

2.3 项目测定

2.3.1 叶面积测量 采用数字叶面积扫描仪测定计量各处理玉米单株叶面积大小，各试验小区采样3株，于玉米出苗后30d开始采样，每隔10d采样1次。

2.3.2 气象数据获取 在盐池冯记沟试验基地安装田间小型气象观测站，自动记录玉米各生育期内每日太阳总辐射和每日实时温度，每隔1h记录所测定的气象数据1次。

2.3.3 辐热积计算 首先计算每1h的热效应，然后将每1h热效应与1h内的光合有效辐射乘积记为1h辐热积。然后计算24h辐热积积累值，以此类推，可计算玉米每一个生育阶段和整个生育期的累计辐热积。辐热积计算公式如下：

其中：To、Tb、Tm分别为玉米生长的三基点温度，T为每1h内获取的实时温度的平均温度。Q为1h内太阳总辐射，PAR为1h内总光合有效辐射，HTEP为1h的辐热积；DTEP为1d的辐热积；TEPi+1为i+1d的累积辐热积，TEPi为id的累积辐热积，DTEPi+1为第i+1d的日辐热积。

2.3.4 数据归一化 对叶面积指数和辐热积均采用归一化方法[1，2，5，7]处理，得到从出苗到成熟期的相对叶面积指数和相对辐热积，其计算式为：

其中：RLAIi为玉米不同生育时期的相对叶面积指数，LAIi为玉米不同生育时期的叶面积指数；LAImax为玉米最大叶面积指数；RTEPi为相对辐热积；TEPi为不同生育时期的累积辐热积；TEPmax为玉米整个生育期内的最大辐热积。

2.4 数据分析 采用Excel计算叶面积指数和辐热积累积值，然后进行归一化处理；运用SPSS18.0对归一化的叶面积指数和辐热积数据分析和相关性分析；用Origin Pro8.5对叶面积指数和辐热积间关系进行作图和模拟动态变化曲线。

3 结果与分析

3.1 叶面积指数动态变化规律 由图1可知，不同的施氮水平显著地影响玉米生长的动态变化，且各氮素处理间叶面积指数动态变化满足一个基本规律，在玉米生长的整个生育期内，随辐热积值增加而增大，且各氮素水平叶面积指数均呈单峰曲线变化，即前期缓慢增长、中期快速增长、后期缓慢下降的偏峰曲线。另外，研究结果还发现，CK处理由于不施氮肥，玉米田营养不足，从而导致玉米叶面积指数一直处于相对较低的数值，这在很大程度上影响了玉米光合产物的累积、传输与运转；N3水平因氮肥充足，玉米在生长前期，叶面积指数一直处于各处理的最大值，但由于氮肥施用量偏高，导致该处理玉米营养生长期偏长，其光合产物的累积、传输与运转同样会受到一定影响。

由图2可知，将各N素处理玉米叶面积指数和辐热积的值分别进行归一化处理，得到其归一化后的相对叶面积指数与相对辐热积值。结果表明，归一化处理后的相对叶面积指数CK（N0）处理叶面积指数提前到达最大值1，也就是说，玉米生长提前进入衰老期；N3处理叶面积指数达到最大值1的时期明显推后，主要由于施肥量过高，导致玉米生长贪青晚熟，影响其产量形成。由此可见，归一化数据处理方法不但可以简化复杂量纲的计算过程，而且还能方便快捷地分析和预测玉米生长中出现的问题，从而实现了玉米叶面积指数的动态模拟。

3.2 玉米相对叶面积指数动态优化模型 将试验中玉米叶面积指数归一化处理数据利用Origin8.5数据处理与作图软件进行模拟，建立相对叶面积指数与相对辐热积的动态模拟结果。其数据模拟结果表明，有理函数方程模拟效果较好，决定系数较高，且能合理地解释玉米叶面积动态变化过程受温度和光照的影响，具有一定的生物学意义。其有理函数模拟曲线方程为：

其中：x表示玉米相对辐热积值，y表示玉米相对叶面积指数。

3.3 不同氮素处理与玉米产量的关系 通过对不同施氮量水平的玉米试验田进行测产，试验结果表明，各处理产量具有显著的规律性，表现出相对高肥处理高于低肥处理和不施N处理（N3处理除外），其中，N2处理增产效果最显著，其次是N1处理。这充分表明氮肥施用量能够直接影响到光合产物向玉米籽粒的转移与运输，且适量施氮肥对产量有积极的促进作用。不施氮肥或施氮肥较低的处理，玉米生长发育的中、后期其叶片叶绿素含量降解速度快，净光合速率低，光合产物少；过量施氮肥的处理（N3），玉米生长发育整个过程体现出氮代谢过旺，虽然能改善玉米叶片的光合性能，光能转化效率高，玉米植株生长极快，但导致玉米群体过大，冠层内光照条件恶化，玉米光合产物最终分配失调，玉米库转化强度降低，从而降低了其经济产量。

4 讨论与结论

本研究仅仅探讨了在不同氮肥施用量的条件下基于辐热积的调控，分析其促进与制约玉米生长发育过程中群体指标叶面积指数的动态变化关系。研究结果表明，不同氮肥施用量玉米叶面积指数随辐热积的增加而增大，其动态变化规律符合有理函数式，从而证实了有理函数能很好地解释玉米相对叶面积指数动态变化[7]。同时，该函数的优点是参数少、计算简便，在农业生产过程中实用性较强，不需要花费大量的人力与财力便可方便准确地模拟玉米叶面积指数的动态变化，从而为玉米优质、高效、稳产提供较为科学的理论依据。

玉米叶面积指数是玉米群体质量的重要量化指标，直接影响着玉米的群体光合能力和经济产量的形成[1-3]，其动态变化与特征值对于确定玉米高产群体结构具有参考价值。本研究结果表明，在模拟玉米叶面积指数动态关系时，综合考虑了光合有效辐射与相对热效应乘积这个值，即辐热积，并应用于玉米大田试验，在分析模拟思路和方法上有了新突破。其主要原因是辐热积的累加值和玉米生长发育过程具有一定的同步性。另外，本研究在模拟玉米叶面积指数动态变化过程中，采用的“归一化”数据处理与分析方法消除量纲，简化计算，实用性强[1-2，5，7]。

本研究初步分析讨论了不同施氮肥水平下的玉米叶面积指数与辐热积间的动态变化规律，然而玉米的生长发育进程受还受到水肥运筹、种植密度和田间管理措施等各种影响因子的制约，因此，综合因子驱动下的玉米叶面积动态变化过程还需要进一步研究与探讨。

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（责编：张宏民）