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(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，遼寧 沈陽 110866)

玉米(Zeamays)是我國第一大農(nóng)作物,東北地區(qū)是中國商品玉米生產(chǎn)的主要基地，玉米的種植面積約占總糧食作物的70%，其中90%依靠雨養(yǎng)。東北雨養(yǎng)區(qū)近年來春季冷空氣活動(dòng)頻繁，氣候逐步呈現(xiàn)出暖干化趨勢，經(jīng)常發(fā)生干旱農(nóng)業(yè)[1]，其中春旱是影響玉米生產(chǎn)的主要原因之一，對玉米苗期和根系發(fā)育產(chǎn)生嚴(yán)重影響。地膜覆蓋農(nóng)業(yè)措施可以改善土壤水熱條件，有效緩解春旱，提高玉米出苗率。但是，對于地膜顏色的選擇說法不一，仍是需研究的問題。Liu等[2]研究了中國黃土高原區(qū)覆膜對春玉米產(chǎn)量的影響，2013年無色透明膜處理產(chǎn)量最高，但在2014年黑膜處理產(chǎn)量最高。無論何種顏色地膜覆蓋均會(huì)改善田間土壤水熱狀況[3-5]，然而黑膜對田間雜草的防治效果優(yōu)于無色透明膜[6]，但是無色透明膜的透光性遠(yuǎn)優(yōu)于黑膜，對土壤耕層溫度影響程度也不同于黑膜。因此本研究以不同顏色地膜覆蓋作為試驗(yàn)處理,探索適合研究區(qū)域的地膜顏色。

Logistic方程作為一種S型生長曲線(Slogistic模型)，被廣泛地用于玉米、小麥(Triticumaestivum)、棉花(Gossypiumspp.)、西葫蘆(Cucurbitapepo)等作物的模擬，可以定量的描述作物株高、葉面積指數(shù)以及干物質(zhì)累積等方面。王玲等[7]研究發(fā)現(xiàn)Logistic及其擴(kuò)充模型可以較好地模擬不同地理位置、不同品種以及不同播種時(shí)間的玉米葉面積生長。張旭東等[8]利用Logistic修正式分析了黃土區(qū)玉米葉面積指數(shù)隨出苗天數(shù)變化情況，從而可以確定最大葉面積指數(shù)出現(xiàn)日期，并建立氣積溫與葉面積指數(shù)的歸一化模型。張銀鎖等[9]利用Logistic曲線模擬夏玉米干物質(zhì)積累過程，發(fā)現(xiàn)環(huán)境適宜時(shí)干物質(zhì)積累遵循經(jīng)典的Logistic生長曲線，但存在脅迫(溫度、水分、鹽分等)時(shí)曲線會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的多峰變化。趙姣等[10]通過Logistic模型分析了冬小麥干物質(zhì)累積特征對產(chǎn)量的影響。Sepaskhah等[11]利用Logistic模型定量分析水氮管理?xiàng)l件對玉米干物質(zhì)累積和產(chǎn)量的影響，并且建立預(yù)測玉米干物質(zhì)累積和產(chǎn)量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。目前基于氣積溫研究作物生長較多，但是實(shí)踐證明，作物根系的生命活動(dòng)、生理生化過程、攝取水分和養(yǎng)分的速率都與土壤溫度有關(guān),并且土壤溫度也影響空氣溫度，另外在研究區(qū)域，不同顏色地膜覆蓋處理下的氣積溫都是相同的，所以僅用氣積溫的概念來解釋不同處理?xiàng)l件下玉米生長狀況是不可行的，而用耕層積溫的概念來進(jìn)行研究，就比較清楚，另外用積溫等生態(tài)因素變量代替時(shí)間變量作為衡量玉米生長發(fā)育過程的時(shí)間標(biāo)尺比用天數(shù)更具有代表性，可以從根本上反映玉米的生長狀況[12]。

本研究以有效耕層積溫為自變量，分別以株高、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)累積為因變量建立Slogistic模型，研究玉米生育期生長動(dòng)態(tài)，建立了產(chǎn)量與干物質(zhì)累積Slogistic模型特征量的關(guān)系模型。通過擬合曲線和曲線特征點(diǎn)，分別研究了不同處理?xiàng)l件下玉米的生長指標(biāo)在漸增期、快增期和緩增期的耕層積溫區(qū)間，從而確定了3個(gè)生長階段的日期，比較了各生長階段生長指標(biāo)的平均增長速率、持續(xù)時(shí)間、最大生長速率和出現(xiàn)的時(shí)期等信息，還研究了各生育階段各生物量隨耕層積溫升高的變化情況,以期為東北地區(qū)玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016和2017年在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院綜合試驗(yàn)場進(jìn)行，該試驗(yàn)場位于沈陽市東部，N 41°44′，E 123°27′，海拔44.7 m，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季氣溫回升迅速但是不穩(wěn)定，夏季則高溫多雨，秋季氣溫下降較快，冬季寒冷干燥，雨熱同期。全年雨量較為充足，主要集中在5-9月，5-9月降水量占全年降水量的79%。其中2016年生育期內(nèi)降水量為789.6 mm,2017年生育期內(nèi)降水量為301.5 mm,玉米生育期內(nèi)月平均最高溫為31.2 ℃，月平均最低溫為12.8 ℃，全年平均活動(dòng)積溫為3258.8 ℃·d，有效積溫(≥10 ℃)為2530.1 ℃·d。平均日照時(shí)數(shù)為2743 h，光熱資源豐富，日照時(shí)數(shù)長，晝夜溫差大，較適宜玉米生長。

表1 2016和2017年不同處理玉米灌漿末期與收獲時(shí)有效耕層積溫 Table 1 Effective surface-layer accumulated temperature of maize under different treatments at the end of milking stage and harvest in 2016 and 2017 (℃·d)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用傳統(tǒng)的大壟雙行種植方式(壟臺(tái)寬 40 cm，溝寬 80 cm)，以良玉99玉米為試驗(yàn)材料，采用單因素完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置3種處理，分別為黑膜(M2)、無色透明膜(M1)和露地(M0)，每種處理3個(gè)重復(fù)(表1)，共9個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的面積為23.4 m2(6.0 m×3.9 m),小區(qū)四周設(shè)置保護(hù)行，不同處理之間設(shè)置隔離行，各處理下種植密度均為75000株·hm-2。播種時(shí)一次施基肥1000 kg·hm-2(N、P2O5和K2O含量分別為27%，15%和13%)，生育期內(nèi)不再進(jìn)行追肥，試驗(yàn)期內(nèi)依靠自然降水，田間管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶種植一致。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1地溫測定 土壤耕層溫度通過曲管地溫計(jì)，從播種至玉米成熟，每天8:00、14:00、18:00定時(shí)觀測土壤5、10、15、20、25 cm處溫度。

1.3.2氣象數(shù)據(jù) 采用試驗(yàn)場內(nèi)氣象監(jiān)測儀進(jìn)行檢測。

1.3.3玉米株高測定 每個(gè)小區(qū)選取長勢均勻的3株玉米，每隔15 d用卷尺進(jìn)行測量，并做標(biāo)記。

1.3.4葉面積指數(shù) 選取長勢均勻的5株玉米并做標(biāo)記，每隔15 d采用人工測量的方法利用鋼尺測量選定植株上的所有有效葉片的長和寬，計(jì)算每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)單位面積上的葉面積，并利用長寬系數(shù)法推求葉面積指數(shù)[13]。

1.3.5干物質(zhì)累積測定 干物質(zhì)在每個(gè)生育期末測一次，成熟期加測1次，每個(gè)小區(qū)選出3株有代表性的植株，從莖基部砍下裝袋，放入烘箱殺青(105 ℃)30 min，然后恒溫(80 ℃) 烘干至恒質(zhì)量，用天平(精度為0.01 g)測定干物質(zhì)生物量。

1.3.6產(chǎn)量測定 每個(gè)小區(qū)單獨(dú)收獲計(jì)產(chǎn)(除去取樣植株所占面積)，并隨機(jī)選取10 m2進(jìn)行測產(chǎn)，最終折算為14%含水量的籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.4 耕層有效積溫計(jì)算

根據(jù)《作物栽培學(xué)》關(guān)于玉米的敘述[14]，對于沈陽地區(qū)的春玉米來說，玉米生物學(xué)零度B=8 ℃，玉米生長下限溫度Tbase=8 ℃，生長上限溫度Tupper=35 ℃。耕層有效積溫計(jì)算如下[15]：

(1)

(2)

式中：Ti為平均溫度；Tx*為適宜的最高溫度；Tn*為適宜的最低溫度。取值如下：

(3)

(4)

1.5 Slogistic方程參數(shù)及關(guān)鍵點(diǎn)推求

1.5.1生長模型通式 不同顏色地膜覆蓋處理和露地玉米出苗后，生長量(Y，cm，cm2·cm-2，kg·hm-2)隨5～25 cm耕層積溫(T, ℃·d)增加呈現(xiàn)“緩慢增長—快速增長—緩慢增長”的趨勢，可以用Slogistic方程擬合，其一般通式為[16]：

(5)

式中:a為一定環(huán)境條件下玉米單株生長量的上限；b,k為待定系數(shù)。

1.5.2生物量累積速率方程和曲線的拐點(diǎn) 對式(5)進(jìn)行求導(dǎo)，整理得：

(6)

該方程為生物量累積速率方程，是一個(gè)連續(xù)變化的單峰曲線，曲線的峰值即為增長速率的最大值，對(6)式進(jìn)行求一階導(dǎo)，并令其等于0，即可求出最大增長速率Vmax和此時(shí)對應(yīng)的耕層積溫Tg,計(jì)算公式如下：

(7)

(8)

1.5.3曲線兩個(gè)特征點(diǎn)的確定 對式(5)進(jìn)行二階求導(dǎo)，并令其等于0，就可以求出生長曲線上的兩個(gè)突變拐點(diǎn)，即Y最大生長階段對應(yīng)的積溫區(qū)間(Ts，Th),計(jì)算公式如下：

(9)

式中:Ts、Th為玉米生長量隨耕層積溫變化模式的兩個(gè)特征值，分別對應(yīng)玉米生長量隨耕層積溫增加從緩慢增長轉(zhuǎn)為迅速增長和從迅速增長轉(zhuǎn)為緩慢增長的耕層積溫值。在Ts之前和Th之后玉米生物量累計(jì)緩慢，其中在Ts之前為漸增期，在Th之后至收獲結(jié)束為緩增期，在Ts和Th之間，生物量累積迅速，Y與T之間基本上呈線性關(guān)系，為群體的旺盛生長期，稱為快增期。由Ts、Th還可以求出最大生長時(shí)段的平均生長速率。

(10)

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel分析數(shù)據(jù)，用Origin 2016對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合以及繪圖，用DPS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下玉米株高隨耕層積溫變化動(dòng)態(tài)

根據(jù)2016和2017年株高實(shí)測數(shù)據(jù)，對不同處理下的株高進(jìn)行非線性擬合，得到兩年不同顏色地膜覆蓋處理下株高擬合曲線如圖1所示。經(jīng)比較分析，2017年玉米株高隨耕層積溫變化動(dòng)態(tài)規(guī)律和2016年一致，以下通過2016年玉米株高隨耕層積溫變化動(dòng)態(tài)情況為例進(jìn)行說明。

由表2可知，M0、M1、M2處理玉米株高漸增期的耕層積溫區(qū)間分別為0～652.8 ℃·d、0～692.8 ℃·d、0～645.7 ℃·d，在玉米株高漸增期，耕層積溫每增加10 ℃·d， 植株平均分別增高0.91、0.92、1.02 cm, 平均生長速率表現(xiàn)為M2>M1>M0，說明漸增期覆膜改善了土壤的水熱條件，比露地能更有效地提高玉米的生長速率，黑膜對生長速率的影響大于無色透明膜；M0、M1、M2處理玉米株高快增期耕層積溫區(qū)間分別為652.8～1046.6 ℃·d、692.8～1226.0 ℃·d、645.7～1080.3 ℃·d，不同的耕層積溫區(qū)間均處于各自處理生長最迅速的拔節(jié)期，耕層積溫每增加10 ℃·d，植株分別平均增高4.07、3.23、4.14 cm，平均生長速率表現(xiàn)為M2>M0>M1，說明從株高快增期，也就是玉米拔節(jié)期開始，覆膜的作用在逐漸減弱，其中表現(xiàn)出黑膜優(yōu)于無色透明膜；M0、M1、M2處理玉米株高緩增期耕層積溫區(qū)間分為1046.6～2037.9 ℃·d、1226.0～2557.2 ℃·d、1080.0～2254.3 ℃·d，耕層積溫每增加10 ℃·d，植株平均分別增高0.61、0.48、0.56 cm，平均生長速率表現(xiàn)為M0>M2>M1，從玉米生長快增期至緩增期，露地玉米株高平均生長速率超過黑膜處理，M0處理玉米株高的生長速率分別比M1和M2處理增加了27.08%和8.93%，更加進(jìn)一步說明了黑膜和無色透明地膜均加速了玉米衰老，縮短了生育期，尤其是無色透明膜表現(xiàn)突出。M0、M1、M2處理玉米株高達(dá)到最大生長速率時(shí)的耕層積溫分別為849.7、959.4、862.9 ℃·d，對應(yīng)日期分別為6月24日、6月19日、6月21日，均發(fā)生在玉米的拔節(jié)期，從最大生長速率出現(xiàn)的日期上也可以說明無色透明地膜對玉米的衰老影響最大，無色透明地膜處理比露地和黑色地膜處理分別提前了5和2 d。最大生長速率分別為0.4657、0.3689、0.4726 cm·℃-1·d-1。

圖1 2016和2017年不同顏色地膜覆蓋下玉米株高實(shí)測值和擬合比較Fig.1 Comparison of measured values and the fitting of maize plant height under different film mulching in 2016 and 2017

年際 Year處理 TreatmentSlogistic方程Slogistic equation 最大速率對應(yīng)的積溫The accumulated temperature of the maximum growth rate(Tg,℃·d)進(jìn)入快增期積溫The accumulated temperature when entering the rapid growth period (Ts,℃·d)進(jìn)入緩增期積溫The accumulated temperature when entering the slowly increasing stage (Th,℃·d)最大生長速率Maximum growth rate (Vmax,cm·℃-1·d-1)快增期平均生長速率Average growth rate of the rapid growth period (V,cm·℃-1·d-1)2016 M0YH1=284.401+294.27e-0.0067T1 849.7c652.8b1046.6c0.4657b0.4070b M1YH2=298.701+114.38e-0.0049T2 959.4a692.8a1226.0a0.3689c0.3234cM2YH3=311.931+186.73e-0.0061T3 862.9b645.7b1080.3b0.4726a0.4143a2017 M0YH4=258.121+80.35e-0.0061T4 717.9c502.4b933.5c0.3943b0.3457cM1YH5=279.771+87.72e-0.0054T5 832.9a581.4a1066.5a0.3798c0.3330bM2YH6=290.411+68.69e-0.0057T6 738.2b508.3b967.9b0.4160a0.3648a

注：T1、T2、T3、T4、T5、T6分別表示2016年M0、M1、M2和2017年M0、M1、M2處理耕層積溫；YH1、YH2、YH3、YH4、YH5、YH6分別表示2016年M0、M1、M2和2017年M0、M1、M2處理玉米株高。同列不同小寫字母表示P<0.05水平上的差異顯著。下同。

Note:T1、T2、T3、T4、T5、T6indicate the surface-layer accumulated temperature of M0、M1、M2in 2016 and 2017, respectively;YH1、YH2、YH3、YH4、YH5、YH6indicate the plant height of M0、M1、M2in 2016 and 2017, respectively. Different small letters in the same column indicate significant differences at theP<0.05 level. The same below.

2.2 不同處理葉面積指數(shù)隨耕層積溫變化動(dòng)態(tài)

在玉米出苗至灌漿過程中，葉面積指數(shù)呈現(xiàn)出“緩慢增長—快速增長—緩慢增長”的趨勢，滿足Slogistic曲線的變化規(guī)律[17]。本研究選取的研究時(shí)段為2016和2017年玉米出苗至灌漿期，探索葉面積指數(shù)隨耕層積溫增加而變化的動(dòng)態(tài)規(guī)律。經(jīng)比較分析，2017年玉米葉面積指數(shù)隨耕層積溫變化動(dòng)態(tài)規(guī)律和2016年一致(圖2)，以下通過2016年玉米葉面積指數(shù)隨耕層積溫生長動(dòng)態(tài)情況為例進(jìn)行說明。

由表3可知，M0、M1、M2處理玉米葉面積指數(shù)漸增期的耕層積溫區(qū)間分別為0～758.2 ℃·d、0～756.3 ℃·d、0～703.4 ℃·d，在葉面積指數(shù)漸增期，耕層積溫每增加10 ℃·d，葉面積指數(shù)分別增加0.019、0.020、0.021，平均增加速率表現(xiàn)為M2>M1>M0，各處理間差異不顯著；M0、M1、M2處理玉米葉面積指數(shù)快增期的耕層積溫區(qū)間分別為758.2～1083.7 ℃·d、756.3～1075.9 ℃·d、703.4～957.1 ℃·d，對應(yīng)的日期分別為6月18日-7月11日、6月9日-6月27日、6月10日-6月29日，不同顏色地膜覆蓋處理葉面積指數(shù)快增期持續(xù)的時(shí)間不同，具體表現(xiàn)為M0>M2>M1，說明覆膜縮短了快增期的持續(xù)時(shí)間，無色透明地膜和黑膜處理快增期持續(xù)時(shí)間分別比露地少了5和4 d。在葉面積指數(shù)快增期，耕層積溫每增加10 ℃·d，葉面積指數(shù)分別增加0.121、0.124、0.167，平均生長速率表現(xiàn)與漸增期一致，其中黑膜和無色透明地膜處理的平均生長速率比露地分別提高了34.68%、2.48%，說明在玉米抽穗期前，覆膜處理的葉面積指數(shù)增加速率比露地快，尤其以黑膜處理較為突出，從而增大了葉面積指數(shù)，促進(jìn)光合作用，增加干物質(zhì)累積，為提高玉米產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)；M0、M1、M2處理玉米葉面積指數(shù)緩增期的耕層積溫區(qū)間分別為1083.7～1737.8 ℃·d、1075.9～2021.9 ℃·d、957.1～1842.6 ℃·d，在此期間，耕層積溫每增加10 ℃·d，葉面積指數(shù)分別增加0.022、0.015、0.018，平均增加速率表現(xiàn)為M0>M2>M1，說明無色透明膜加快了玉米生長速率，縮短了玉米生育期。M0、M1、M2處理玉米葉面積指數(shù)達(dá)到最大生長速率時(shí)的耕層積溫分別為920.9、916.1、830.2 ℃·d，對應(yīng)日期分別為6月30日、6月17日、6月18日，可以看出，無色透明地膜處理葉面積指數(shù)最先達(dá)到最大生長速率，黑膜處理次之，露地處理最慢，最大生長速率分別為0.0138、0.0142、0.0190 cm2·cm-2·℃-1·d-1，表現(xiàn)為M2>M1>M0。另外，由Slogistic方程可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)耕層積溫T趨近于無窮大時(shí)，Y趨近于a，因此參數(shù)a可以代表作物生物量的最大累積量，由表3可知，2016和2017年最大葉面積指數(shù)均表現(xiàn)為M2>M1>M0，M2處理的葉面積指數(shù)最大，兩年的試驗(yàn)測產(chǎn)結(jié)果也均為M2處理的產(chǎn)量最高。2016年不同處理?xiàng)l件下最大玉米葉面積指數(shù)均比2017年高，表現(xiàn)為M0、M1、M2處理葉面積指數(shù)分別比2017年提高了19.20%、11.69%、5.92%。

圖2 2016和2017年不同覆蓋處理玉米葉面積指數(shù)實(shí)測值和擬合值 Fig.2 Comparison of measured values and the fitting of maize leaf area index under different film mulching in 2016 and 2017

年際 Year處理 TreatmentSlogistic方程Slogistic equation 最大速率對應(yīng)的積溫The accumulated temperature of the maximum growth rate(Tg,℃·d)進(jìn)入快增期積溫The accumulated temperature when entering the rapid growth period (Ts,℃·d)進(jìn)入緩增期積溫The accumulated temperature when entering the slowly increasing stage (Th,℃·d)最大生長速率Maximum growth rate (Vmax,cm2·cm-2·℃-1·d-1)快增期平均生長速率Average growth rate of the rapid growth period (V,cm2·cm-2·℃-1·d-1)2016M0YL1=6.831+1720.82e-0.0081T1 920.9a758.2a1083.7a0.0138c0.0121bM1YL2=6.881+1898.52e-0.0082T2 916.1a756.3a1075.9a0.0142b0.0124bM2YL3=7.331+5529.64e-0.01045T3 830.2b703.4b957.1b0.0190a0.0167a2017M0YL4=5.731+669.76e-0.0072T4 899.9a717.8a1082.1a0.0104c0.0091cM1YL5=6.161+1599.48e-0.0084T5 882.5a724.9a1039.9a0.0129b0.0113bM2YL6=6.921+846.05e-0.0085T6 797.7b641.8b953.0b0.0146a0.0128a

注：T1、T2、T3、T4、T5、T6分別表示2016年M0、M1、M2和2017年M0、M1、M2處理耕層積溫；YL1、YL2、YL3、YL4、YL5、YL6分別表示2016年M0、M1、M2和2017年M0、M1、M2處理玉米葉面積指數(shù)。

Note: T1、T2、T3、T4、T5、T6indicate the surface-layer accumulated temperature of M0、M1、M2in 2016 and 2017, respectively;YL1、YL2、YL3、YL4、YL5、YL6indicate the leaf area index of M0、M1、M2in 2016 and 2017, respectively.

2.3 不同處理干物質(zhì)隨耕層積溫變化動(dòng)態(tài)

土壤溫度對于干物質(zhì)累積有重要的作用，隨著耕層積溫的增加，干物質(zhì)累積過程逐漸減弱，趨于停止，結(jié)束生命。根據(jù)2016和2017年干物質(zhì)累積實(shí)測數(shù)據(jù)，對不同處理下玉米的干物質(zhì)累積進(jìn)行Slogistic擬合，各處理擬合R2均大于0.9，擬合度均較好(圖3)。經(jīng)比較分析，2017年玉米干物質(zhì)累積隨耕層積溫變化動(dòng)態(tài)規(guī)律和2016年一致，以下通過2016年玉米干物質(zhì)累積隨耕層積溫生長動(dòng)態(tài)情況為例進(jìn)行說明。

由表4可知，M0、M1、M2處理玉米干物質(zhì)累積漸增期的耕層積溫區(qū)間分別為0～631.8 ℃·d、0～582.1 ℃·d、0～683.3 ℃·d，在干物質(zhì)累積漸增期，耕層積溫每增加10 ℃·d，干物質(zhì)累積分別平均增加77.69、91.23、86.26 kg·hm-2；M0、M1、M2處理玉米干物質(zhì)累積快增期的耕層積溫區(qū)間分別為631.8～1444.7 ℃·d、582.1～1587.5 ℃·d、683.3～1522.1 ℃·d，對應(yīng)的日期分別為6月16日-8月4日、6月4日-7月29日、6月2日-8月2日，均處于各自處理玉米的拔節(jié)期至灌漿期。黑膜處理顯著的增加了干物質(zhì)累積快增期持續(xù)的時(shí)間，有利于產(chǎn)量的形成，分別比露地和無色透明地膜處理延長了12和6 d，并且黑膜處理更早進(jìn)入干物質(zhì)累積快增期，從而為產(chǎn)量提高提供更多物質(zhì)基礎(chǔ)，無色透明地膜次之。在干物質(zhì)累積快增期，耕層積溫每增加10 ℃·d，干物質(zhì)平均分別增加164.76、165.92、191.85 kg·hm-2；M0、M1、M2處理玉米干物質(zhì)累積緩增期的耕層積溫區(qū)間分別為1444.7～2037.9 ℃·d、1587.5～2557.2 ℃·d、1522.1～2254.3 ℃·d，在此期間，耕層積溫每增加10 ℃·d，干物質(zhì)平均分別增加67.77、49.87、60.54 kg·hm-2。M0、M1、M2處理玉米干物質(zhì)累積達(dá)到最大生長速率時(shí)的耕層積溫分別為1038.2、1084.8、1102.7 ℃·d，對應(yīng)的日期分別為7月8日、6月27日、7月5日，處于各自處理的灌漿期，由此可見，在玉米灌漿期加強(qiáng)田間管理，有助于產(chǎn)量的提高，干物質(zhì)最大生長速率分別為18.7916、14.5480、21.8806 kg· ℃-1·d-1，表現(xiàn)為M2>M0>M1。從最大干物質(zhì)累積量來看，2016和2017年均表現(xiàn)為M2>M1>M0，說明黑膜覆蓋處理能夠提高干物質(zhì)累積量，從而提高了玉米最終產(chǎn)量，這與張琳琳等[18]研究結(jié)果一致。由圖4可知，各個(gè)處理每個(gè)月的干物質(zhì)累積量均隨著月份的增加呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，其中2016和2017年7月干物質(zhì)累積量最大，該時(shí)間段為玉米抽穗和灌漿期，為生殖生長階段，由于籽粒的形成導(dǎo)致干物質(zhì)累積的增加。覆膜處理對5和6月，即苗期和拔節(jié)期的干物質(zhì)累積影響較大，隨著時(shí)間的推移，覆膜的作用在逐漸減小，甚至無色透明地膜處理在7月的干物質(zhì)累積量小于露地處理。

年際 Year處理 TreatmentSlogistic方程Slogistic equation 最大速率對應(yīng)的積溫The accumulated temperature of the maximum growth rate(Tg,℃·d)進(jìn)入快增期積溫The accumulated temperature when entering the rapid growth period (Ts,℃·d)進(jìn)入緩增期積溫The accumulated temperature when entering the slowly increasing stage (Th,℃·d)最大生長速率Maximum growth rate (Vmax,kg·℃-1·d-1)快增期平均生長速率Average growth rate of the rapid growth period (V,kg·℃-1·d-1)2016 M0YD1=23199.531+28.90e-0.0032T1 1038.2c631.8b1444.7c18.7916b16.4764bM1YD2=25331.731+17.15e-0.0026T2 1084.8b582.1c1587.5a14.5480c16.5923bM2YD3=27873.421+31.89e-0.0031T3 1102.7a683.3a1522.1b21.8806a19.1848a2017 M0YD4=26631.671+105.31e-0.0036T41282.9b920.1a1645.7b24.1682b21.1907bM1YD5=31316.531+41.45e-0.0026T5 1421.6a918.9a1924.2a20.5123c17.9851cM2YD6=32530.701+67.19e-0.0033T6 1263.5c868.0b1658.9b27.0818a23.7452a

注：T1、T2、T3、T4、T5、T6分別表示2016年M0、M1、M2，2017年M0、M1、M2處理耕層積溫；YD1、YD2、YD3、YD4、YD5、YD6分別表示2016年M0、M1、M2和2017年M0、M1、M2處理玉米干物質(zhì)。

Note: T1、T2、T3、T4、T5、T6indicate the surface-layer accumulated temperature of M0、M1、M2in 2016 and 2017, respectively;YD1、YD2、YD3、YD4、YD5、YD6indicate the dry matter accumulation of M0、M1、M2in 2016 and 2017, respectively.

圖4 5-9月干物質(zhì)累積量 Fig.4 Dry matter accumulation from May to September in 2016 and 2017 不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。The different letters mean significant differences at P<0.05, the same below.

2.4 干物質(zhì)累積過程對產(chǎn)量形成的影響

玉米干物質(zhì)的累積是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，不同顏色地膜覆蓋和生態(tài)因子都會(huì)對玉米干物質(zhì)的累積過程產(chǎn)生影響。在Slogistic方程中，達(dá)到生物量最大累積速率時(shí)對應(yīng)的耕層積溫與參數(shù)b，k有關(guān)，另外，玉米生長旺盛期的出現(xiàn)和結(jié)束時(shí)間則也與參數(shù)b，k有關(guān)，生物量最大累積速率則與參數(shù)a，k有關(guān)。由此可見，Slogistic特征量的組合不僅代表作物不同的生物量累積過程，而且還具有不同的生物學(xué)意義，因此要研究不同的干物質(zhì)累積過程如何最終影響到玉米的產(chǎn)量，就要研究干物質(zhì)累積隨耕層積溫變化的Slogistic模型特征量與產(chǎn)量之間的關(guān)系。將干物質(zhì)累積Slogistic模型的特征量與玉米產(chǎn)量(kg·hm-2)之間做逐步回歸分析，得到模型如下：

Y=4530.43-16.92Ts+8.58Th+77.96ak(R=0.85，P=0.01)

(11)

從式(11)可以看出，玉米產(chǎn)量和Slogistic模型特征量之間存在一定的相關(guān)性，玉米產(chǎn)量的形成與曲線的特征ak/4、Ts和Th的關(guān)系較大。不同處理的干物質(zhì)累積過程反映到Slogistic耕層積溫模型上就是參數(shù)的變化，反映在數(shù)學(xué)關(guān)系上即是不同的模型參數(shù)組合的表達(dá)式，不同的參數(shù)組合就會(huì)形成不同形狀的圖形，而不同形狀的圖形反映的就是不同的干物質(zhì)累積過程。因?yàn)門s=(lnb-1.32)/k，Th=(lnb+1.32)/k，所以將式(11)進(jìn)行變形處理如下：

Y=4530.43+77.96ak+8.58(Th-Ts)-8.34Ts

(12)

Y=4530.43+77.96ak+8.58(2.64/k)-8.34 (lnb+1.317)/k

(13)

從干物質(zhì)累積過程來看，式(12)表明產(chǎn)量的形成與最大干物質(zhì)累積速率呈正相關(guān)，累積速率越大，產(chǎn)量越高，因此在干物質(zhì)累積最大速率出現(xiàn)的時(shí)期加強(qiáng)田間管理，可以提高產(chǎn)量；Th-Ts代表干物質(zhì)累積快增期的持續(xù)時(shí)間，Th-Ts越大，干物質(zhì)累積就越多，玉米產(chǎn)量就越高；Ts代表進(jìn)入干物質(zhì)累積快增期的時(shí)間，進(jìn)入快增期時(shí)間越早，玉米產(chǎn)量就越高。由表5可知，Ts、Th和ak的偏相關(guān)系數(shù)分別為-0.81、0.80和0.66，表明對產(chǎn)量的影響大小依次為Ts>Th>ak。2016和2017年不同顏色覆蓋處理下干物質(zhì)累積最大生長速率表現(xiàn)為M2>M0>M1， 干物質(zhì)累積快增期持續(xù)時(shí)間表現(xiàn)為M2>M1>M0，并且黑色地膜處理比露地和無色透明地膜處理分別提前14和2 d進(jìn)入干物質(zhì)累積快增期。由圖5可知，2016和2017年M2處理產(chǎn)量最高，因此該地區(qū)黑膜覆蓋較適宜玉米生長。而(13)式可以進(jìn)一步形成產(chǎn)量與Slogistic模型參數(shù)a、b和k的關(guān)系。

表5 玉米產(chǎn)量與表征干物質(zhì)動(dòng)態(tài)過程的特征量的回歸關(guān)系Table 5 The relationship between the maize yield and the characteristic of the dynamic process of dry matter

圖5 2016和2017年不同顏色地膜覆蓋下玉米產(chǎn)量Fig.5 Maize yield with different color mulch treatments in 2016 and 2017

此外，各參數(shù)通過其他參數(shù)來間接影響產(chǎn)量，其中最大生長速率(ak/4)和結(jié)束干物質(zhì)累積快增期時(shí)間(Th)均主要通過影響進(jìn)入干物質(zhì)累積快增期的時(shí)間(Ts)來間接影響玉米產(chǎn)量，進(jìn)入干物質(zhì)累積快增期的時(shí)間(Ts)主要是通過影響最大生長速率(ak/4)來間接影響玉米產(chǎn)量。

3 討論

Liu等[2]研究表明，無色透明膜處理的土壤溫度顯著高于黑膜處理；Dang等[19]也研究發(fā)現(xiàn)，在玉米生長早期時(shí)，覆膜處理的土壤溫度顯著高于露地處理。研究發(fā)現(xiàn)，不同顏色地膜覆蓋下，覆膜效應(yīng)不同，2016和2017年無色透明膜處理下耕層積溫比露地和黑膜處理分別提高了25.48%、13.43%和11.07%、7.94%。覆膜效應(yīng)的產(chǎn)生主要是因?yàn)槠涓纳屏送寥赖乃疅釛l件，一方面，無色透明膜可以截獲更多的太陽輻射，減少太陽輻射的反射，從而影響土壤溫度[20]，另一方面，長波會(huì)被薄膜上凝結(jié)的露珠阻斷，引起地面溫度上升，同時(shí)水分蒸發(fā)帶走的部分潛熱會(huì)被保留，亂流或者平流也會(huì)傳遞給地表部分熱能；但是無色透明膜使耕層積溫升高的同時(shí)，也縮短了玉米的生育期，這是因?yàn)椴煌幚碛衩淄瓿赡骋簧A段的有效積溫值是相同的，而地積溫會(huì)彌補(bǔ)氣積溫的不足，生育期的縮短一定程度上影響了玉米灌漿進(jìn)程和產(chǎn)量的提高。

喬嘉等[16]通過Logistic模型研究了不同栽培管理措施條件下玉米的干物質(zhì)累積過程對產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)干物質(zhì)累積與產(chǎn)量有關(guān)，且單株玉米籽粒產(chǎn)量與Logistic方程參數(shù)之間存在一定關(guān)系。本研究進(jìn)一步揭示了干物質(zhì)累積Slogistic方程特征量與玉米群體產(chǎn)量的具體關(guān)系，產(chǎn)量的形成與最大干物質(zhì)累積速率呈正相關(guān)；干物質(zhì)累積快增期持續(xù)的時(shí)間越長，產(chǎn)量越高；進(jìn)入快增期的時(shí)間越早，產(chǎn)量越高。通過兩年試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同顏色地膜處理和年際間的差異對玉米達(dá)到最大干物質(zhì)累積速率的時(shí)間影響不大，主要時(shí)段分布在6月末至7月初。因此，在該時(shí)間段內(nèi)加強(qiáng)田間管理，有助于提高作物產(chǎn)量。通過對干物質(zhì)累積速率和快增期持續(xù)時(shí)間以及進(jìn)入快增期時(shí)間點(diǎn)的理論分析發(fā)現(xiàn)，2016和2017年不同顏色覆蓋處理下干物質(zhì)累積均以黑膜處理最大，干物質(zhì)累積快增期持續(xù)均以黑膜處理最長，進(jìn)入干物質(zhì)累積快增期的時(shí)間均以黑膜處理最早，因此從理論上分析黑膜處理產(chǎn)量最高。而由圖5實(shí)際測產(chǎn)可知，亦是黑膜處理最高，說明該模型能夠準(zhǔn)確描述產(chǎn)量與方程特征量之間的關(guān)系，2016和2017年黑膜處理產(chǎn)量分別比露地和無色透明地膜處理提高19.08%、2.74%和13.48%、4.48%，黑膜覆蓋在研究區(qū)較無色透明膜處理更有利于玉米生長。

付雪麗等[21]利用”歸一化”方法分別建立了不同作物的葉面積指數(shù)和粒重與生育天數(shù)的動(dòng)態(tài)共性模型，實(shí)現(xiàn)了以模型分析禾谷類作物葉面積指數(shù)和粒重動(dòng)態(tài)的普適性，利于作物間葉面積指數(shù)和粒重的直觀橫向比較。本研究對成熟期前的玉米葉面積指數(shù)進(jìn)行了Slogistic模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)模擬曲線能很好地描述玉米出苗至灌漿期間葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)變化過程；孔德胤等[22]利用了Logistic方程，確定了河套地區(qū)覆膜和露地玉米根系、地上部分器官隨地積溫增加而增長的漸增期、快增期和緩增期等信息，并發(fā)現(xiàn)覆膜玉米地上干重進(jìn)入緩增期的時(shí)間比露地提前了24 d。本研究則以不同顏色地膜覆蓋為試驗(yàn)處理，以有效耕層積溫為自變量，通過Slogistic方程來研究玉米生長隨耕層積溫增加的動(dòng)態(tài)規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，不同顏色地膜對玉米漸增期、快增期和緩增期株高的增長速率影響不同；無色透明地膜處理縮短了葉面積指數(shù)快增期的持續(xù)時(shí)間，在抽穗期前，黑膜處理的葉面積指數(shù)平均增長速率最大，無色透膜次之，葉面積指數(shù)的增大可以更好地進(jìn)行光合作用，這可為提高玉米產(chǎn)量打下基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

(1)玉米株高的快增期和最大生長速率均發(fā)生在拔節(jié)期，其中2016年無色透明膜處理株高達(dá)到最大生長速率的時(shí)間比露地和黑膜處理分別提前了5 和2 d。在玉米漸增期，不同處理平均生長速率表現(xiàn)為M2>M1>M0，在快增期表現(xiàn)為M2>M0>M1,緩增期表現(xiàn)為M0>M2>M1，說明在玉米苗期，黑膜對玉米株高的影響最大，無色透明膜次之，而在玉米苗期之后，覆膜對株高的影響不斷減弱，但仍表現(xiàn)為黑膜處理優(yōu)于無色透明膜。

(2)不同顏色地膜覆蓋下玉米葉面積指數(shù)的快增期均發(fā)生在拔節(jié)期，露地處理較其他處理增加了葉面積指數(shù)快增期持續(xù)時(shí)間，而無色透明膜縮短了玉米生育期。在漸增期和快增期，葉面積指數(shù)平均增加速率表現(xiàn)為M2>M1>M0，2016和2017年最大葉面積指數(shù)也表現(xiàn)為M2>M1>M0，說明黑膜處理增大了葉面積指數(shù)，葉面積指數(shù)的增加影響了玉米葉片光合作用，從而有利于提高玉米產(chǎn)量。

(3)2016和2017年玉米最大干物質(zhì)累積量均表現(xiàn)為M2>M1>M0，黑膜覆蓋延長了玉米干物質(zhì)累積的快增期持續(xù)時(shí)間，且較其他處理提前進(jìn)入快增期，無色透明膜次之。不同處理干物質(zhì)累積量均隨著月份的增加呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。干物質(zhì)最大增長速率表現(xiàn)為M2>M0>M1，并且干物質(zhì)到達(dá)最大增長速率的日期在6月27日-7月8日，因此在該時(shí)期內(nèi)加強(qiáng)田間管理，對于作物產(chǎn)量的提高非常關(guān)鍵。

(4)對干物質(zhì)累積過程的Slogistic方程特征量與產(chǎn)量進(jìn)行了逐步回歸分析，玉米產(chǎn)量和Slogistic模型特征量的組合之間存在密切關(guān)系，最大干物質(zhì)累積速率和干物質(zhì)累積快增期持續(xù)的時(shí)間與玉米產(chǎn)量正相關(guān)，進(jìn)入快增期時(shí)間與玉米產(chǎn)量負(fù)相關(guān)。