全 文 ：第 ll卷 第 4期
2 0 0 3年 1 0月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
VOI．11 NO．4
0ct．． 2003
夏玉米叶面积指数增长模型的研究
林忠辉 项月琴 莫兴国 李 俊 王 玲
(中国科 学 院地 理科 学 与资 源研 究 所 北 京 100101)(西南 农 业大 学 资源 与环 境学 院 重庆 400716)
摘 要 以玉米 多品种 多年 试验资料 ，研 究 了反 映 区域叶面积指数(L )动态变化 的模拟模 型 ，该模 型 以积温指标表 示 的
生育阶段为 自变量，综合不同地理位置、品种、播期、密度等的影响，是一个扩展的Logistic叶面积生长模型，经检验可很好地
模 拟不 同生育 阶段 叶面积指数动态变化 ，可用 于区域 作物生长模拟模 型和 区域作 物生长监测及遥感估 产。
关 键词 夏 玉米 叶面 积指 数 积 温 归一化 曲线
Normalized leaf area index model for summer maize．LIN Zhong Hui，XIANG Yue—Qin，M0 Xing—Guo，LI Jun(Institute
of Geographical Sciences and Natural Resources，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101)，wANG Ling(College of Re—
sources and Environmental Sciences，Southwest Agricultural University，Chongqing 400716)，CJEA，2003，11(4)：69～72
Abstract Based on the data of severaI summer maize varieties acquired at Yucheng and Luancheng experimentaI stations，
as wel as some data from literatures．a general model of LAj was developed．It is a modified Logistic curve with normalized
accumulation temperature as a dependent variable．It is intended to provide a generalized LAI curve within the growing sea—
son for regionaI crop monitoring and yield estimation，
Key words Maize，Leaf area index，AccumuLation temperature，Norm alized curve
我国玉米种植面积仅次于小麦和水稻 ，由于地域 、品种或播期不同，玉米叶面积指数(LAJ)存在很大差
异。而叶面积指数是计算作物蒸散和干物质累积最重要的生理参数 ，且最能反映遥感数据与作物生长状态
密切相关关系，因此研究叶面积指数动态变化模式有重要理论和应用价值u’ 。本研究探讨了积温与玉米
叶面积指数动态变化的关系，并基于修正的 Logistic生长曲线，建立 了适用于区域作物生长模拟的玉米叶面
积指数增长普适模型。
1 叶面积指数动态变化 的模拟
Weigand C．L．等 探讨 了将 叶面积 指数作 为作物模 型输 入变 量或用 以检定 作物模 型 的可能性 ，并 发现
由遥感反演的叶面积指数可提供足够的信息以反映小麦生长状态及生长条件。Moran M．S．等 曾在 向日
葵生长模型中将遥感反演的叶面积指数作为输入变量并取得较好效果。以往一些作物生长模拟模型和遥感
估产中叶面积指数作为输入变量处理，通常只注重其不同生育期 的数值变化 ，或使用有限次的测量结果抑或
在主要阶段设定一些数值 ，其表达式为：
LAJ= 厂(t) (1)
式中，t为生育期参数 ，通常以自出苗始计 日数表示。而单纯将式(1)用于区域作物生长模拟和遥感监测 ，几
乎各计算单元均需给定一系列数值 ，使输入参数量增多。叶面积指数除与作物品种特性、种植密度和栽培措
施密切相关外，还与气象条件密切相关。一般作物完成整个生育期所需积温值相对稳定 ，若作物生长阶段环
境和温度均最适宜，达到该稳定积温值所需时间即可代表作物生育期长度 ，即积温值可表征作物生育期长
度，式(1)中生育期参数则变为积温。
玉米 叶面积指 数随生育进程 变化可分 为 4个 时期 ，即缓慢 增 长期 ，指 播种 ～拔节 期 叶面积 指 数增 长缓
慢 ；线性增长期，指拔节～抽雄吐丝期叶面积指数增长最快 ，且吐丝期达最大值；相对稳定期，指抽雄 吐丝～
乳熟期叶面积指数相对稳定而后期略有下降 ；衰退期 ，指乳熟 ～蜡熟期叶面积指数下降。Logistic曲线可较
好地表述玉米叶面积指数前 2个生育阶段，但不能表述相对稳定期后期及衰退期叶面积指数下降过程，必须经
*国家自然科学基金项 目(49771058、40171068)~国家重点基础研究(973)发展规划项 目(G20000779)共同资助
收稿 日期：2002—11—26 改回la期：2002—12—29
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70 中 国 生 态 农 业 学 报 第 ll卷
过修正方可用于整个生育期动态变化模拟。王信理 提出的 Logistic修正模型较好地描述 了种群密度( )
随时间(t)变化达最大值后缓慢下降的过程 ，其方程式为：
d3c
： (口+bx)(c+dx) (2)
其积分形式 为 ：
：
1 e 0 1 2
(3)
J_ ～口 1 d l⋯ ，
式中，Xm为种群密度最大值 ，a O、a 、a 为待定系数。本研究采用修正 的 Logistic模型模拟玉米叶面积指数
动态变化过 程。
2 叶面积指数增长普适模型 的构建
作物生育期随品种、播期 、地域不同而变化 ，故统一模型必须首先统一时间尺度。本研究用活动积温表
示生育期长度，对叶面积指数和生长期作归一化处理 ，建立叶面积指数增长普适模型。作物生育期某 日叶面
积指 数可表示为 ：
RLAI,： LA Ij (4)
式中，RLAI，为某 日归一化后叶面积指数 ，称为相对叶面积指数 ，其最大取值为 1，LAJ一 为整个生育期最大
叶 面积指数 。
据实际观测表明玉米吐丝期叶面积指数达最大值 ，故以吐丝日为界将整个生育期分为 2个阶段 ，出苗～
吐丝前 1d为第 1阶段 ，即营养生长阶段 ，积温用AT 表示，吐丝日～成熟期为第2阶段 ，即生殖生长阶段 ，积
温用 AT，表示 ：
山东禹城 掖单 4号 1991 06 13 90000
山东禹城 掖单 4号 1992 06—14 82500
山东冠县【 掖单 4号 1991 06．13 90000
90000
河北廊坊[’ 掖单 4号 1992 06—14 105000
90000
75000
60000
45000
河北廊坊【 掖单 4号 1989 06—12 82500
06．15 82500
06．18 82500
06．21 82500
06—24 82500
山东禹城 掖单 13号 1992 06．07 75750
河北栾城 鲁玉 10号 1994 06．15 71400
河北栾城 掖单 20号 2000 06．12 66667
河北廊坊[ 唐 抗 l号 1992 06．14 90000
75000
45000
*单株播种 ；**双株播种。
玉米生长期 归一化公式 为 ：
一 1
DS，=
式(5)和式(6)中 和 m分别为玉
米出苗 ～ 吐丝 日、吐丝 日 ～ 成熟期
天数 ， 为逐 日平均气温，DS,为积
温归一化后数值。营养生长阶段 DS,
取值范围为 0～ 1，生殖生长阶段其
取值范围为 1～2。以 R[：A r。为因变
量 ，DS,为 自变量 ，式(3)变为 ：
RL4r ： ————— —一 (7)
1+ P(。o 。1Ds a2D )
式中，C取值为 1，a。、a 、a 为待定参数。
叶面积指数研究资料取 自1991年 、1992年中国科学院禹城综合试验站和 1994年 、2000年 中国科学院
栾城农业生态系统试验站实测数据与文献 (见表 1)，逐 日气温资料取 自中国气象局。采用试射法对
Logistic曲线进行拟合 ，首先将式(7)变形为：
-n( 一 )=。。+a。 +a 2t 2 (8)
1 汀一乖叭 一 表重l
b 一 一 a
0 ， u ¨ ” 培 ∞
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第 4期 林忠辉等：夏玉米叶面积指数增长模型的研究 7l
之后给定 C值即可拟合上式。通过检验并调整 C值直至取得最佳拟合效果 ，即得式(7)参数的优
化 值 。
3 模 型模 拟 结 果 验 证
以“掖单 4号”为例，对同一品种不同地点 、密度和播期的叶面积指数动态变化研究分析表明，玉米出苗
后各处理叶面积指数动态变化实测值(见图 la)不同生育时段有明显差异 ，若直接用 Logistic曲线拟合 ，各曲
线仅能代表某特定地点叶面积指数变化过程。经对每条叶面积指数实测数据按式(4)和式(6)进行归一化处
理后，各实例相对叶面积指数随生长期动态变化大致表现为相同趋势(见图 lb)，数据点离散程度大大下降 ，
表明用相对积温表述生育期的方法可行 ，且多个实例可共用 l条拟合曲线。对图 lb进行拟合得方程(9)：
RLAJ — — — ( l77，r 0．9620)(
6．9787-16．
(9)
l 十 D5 。 D5 )
根据该曲线，当确定种植密度后依据品种特性可给出某玉米处理全生育期单株最大叶面积指数 ，即可得
出玉米不同生育
阶段叶面 积指数
值 。进而将 禹城
站和栾城站 4个
品种不 同年 份和
不同种植密度夏
玉 米全生育 期实
测 数 据 汇 总 ，构
建归 一化 的相对
叶面积指数 和生
长期 变 化 曲线 ，
其 回归 方程 和相
关 系 数 见 式
(10)，拟 合 效 果
见 图 2。 由 图 2
0 l0 20 30 40 50 60 70 80 90 lO0 l】0 120
出苗后天数 ／d
船
嚏
亡
靛
霉
0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1．2 I 4 l 6 l 8 2．0 2 2 2
．4
生长期
图 1 不 同处理 “掖单 4号”叶面 积指 数 与相 对 叶面 积指 数 动态 变化
Fig．1 Changes of LAJ and RLAI of summer maize(Yedan一4)under different
treatm ents at different sites
*图中图例编号为表 1中代号，下同。
可知玉米叶面积指数模拟值与实测值吻合较好，表明模型对该区不同品种和不同播期夏玉米具有通用性。
RLAI ■ ( 37，r=0．9712) (10) l十 P( 。 。 。 。 Ds 。 。 Ds ) ’ ‘～
0 0 0 5 1．0 I 5 2 0
生长期
船
嚏
亡
捉
罂
0 0 0 5 I．0 1 5 2
．0
生长期
为 进 一 步 检 验 该 方
法 可行 性 ，本 研 究根 据 佟
屏亚 对 河 北 省 廊 坊 市
夏玉 米 “唐 抗 l号 ”实 测
数据 绘 制 了相 对 叶 面 积
指数 随 生 长 期 动 态 变 化
散点 图 (见 图 3)，图 中 曲
线 为 图 2拟 合 曲线 且 基
本吻合 ，仅前期的叶面积
指数 测定 值偏 高。经检
Iit 2 不同地区不同品种夏玉米相对叶面积指数动态变化 图3 “唐抗1号”夏玉米相对叶面积指数动态变化 验证 明 ，月j Logistic修 正
F 2 Changes of relativeleaf areaindex of diferent varieties atdiferent sites Fig
．3 Changes of relativeleaf areaindex of s~nermaize(Tangkang．1) 模 型 拟 合 的 归 一 化 相 对
叶面积指数和生 长期变化 曲线 能反 映某个 区域 叶面积指 数动态 变化 ，Nm l条类 似式 (10)的归一化 叶 面积
指数 曲线 表达华北平原 地 区夏玉米 叶面积指数增 长动态变化 全过程
，较单纯 以时间为 自变量的叶面积指数
曲线适用性 更广泛 ，可用于 区域 作物生 长模拟模 型和 区域作物 生长监测及遥感估 产
。
O 9 8 7 6 5 4 3 2 O
7 6 5 4 3 2 ● O
鞴颦 瞎古
2 O 8 6 4 2 D ¨
妊 喧亡靛霉
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72 中 国 生 态 农 业 学 报 第 11卷
参 考 文 献
项月琴，王锦地 ，李小文等 二向反射遥感 中冬小麦植被组分和土壤特性 的季相变化．遥感学报，2000，4(增刊)：90～100
于 强．水稻叶面积指数的普适增长模型．中国农业气象 ，1995，16(2)：6～8
王信理．在作物干物质累积的动态模拟中如何运用 Logistic方程．农业气象，1986，7(1)：14～19
戴万德．张付民．紧凑型夏玉米光能利用和合理密植试验．中国农业气象 ，1993，14(6)：21～33
佟屏亚．不同株型玉米在不同密度下生理特性 比较研究 ．北京农业科学 ，1993，ll(5)：6～10
佟屏 亚 ，程延 年 ．夏播 玉米 产量 形成 动态模 式 的研 究 玉米 科学 ，1992(创 刊号 )：23～35
W eigand C．L_，Richardson A．J．，Kanemasu E．T Leaf area index estimates for wheat from landsat and their implications for evapotranspi·
ration and crop modeling．Agron．J．，1979，71：336～342
Moran M ．S．，Mass S．J．，Pinter Jr P．J．Combining remote sensing and mod eling for estimating surface evaporation and biomas production．
Remote Sensing Reviews，1995，12：335～353
农 业 部 重 点 实 施 入 侵 生 物 灭 毒 除 害 综 合 防 治 措 施
目前已知我国至少有 380种入侵植物、40种入侵动物和 23种入侵微生物，其 中对我国农业带来严重危
害的植物有水葫芦、水花生、豚草、紫茎泽兰、飞机草、大米草、薇甘菊和银胶 菊等，虫害有美国白蛾、松 突圆
蚧 、湿地松粉蚧 、稻 水 象甲、蔗扁蛾 、苹果绵蚜 、葡萄根瘤 蚜、二斑 叶螨 、马铃 薯甲 虫和桔小 实蝇 等 ，动物 有福寿
螺和非洲大蜗牛等，微生物或病害有水稻细菌性条斑病、玉米霜霉病、马铃薯癌肿病、大豆疫病、棉花黄萎病、
柑橘黄龙 病 、木薯细 菌性枯 萎病和番茄 溃疡病等 ，这些外来物种给我 国农业生 态系统 、畜牧和 鱼类栖息环境 、
农业 生物 多样性保 护和人类健康 均带来很 大的威 胁。
农业部今年发 出通知，将外来入侵生物灭毒除害试点行动列入 2003年为农民所办 11件实事之一，并决
定在辽宁、云南和四川省以豚草、紫茎泽兰为重点开展这一行动。据农业部资料表明外来有害生物给我国带
来 了 巨大的 经济 损 失 ，如 水 花 生 给 水稻 、小 麦、玉 米 、红 苕 和 莴 苣 5种 作物 带来 的 产 量损 失分 别 达 45％、
36％、19％、63％和 47％。紫茎泽兰含有的毒素 易引起 马羊气喘病，仅 1996年四川省凉山州因此 而减产 6
万 多头羊 ，畜牧 业损 失 2100多万元 。南方一些省 市水 葫芦泛滥成 灾，2001年上 海 市用于打捞 水葫 芦的 费用
超过 6000万元。据有关专家测算，几种新近入侵的主要害虫防治费用每年约 14．83亿元 ，几种主要害虫及
杂草造成 的经济损失达数 百亿元 。
农业部制定的外来入侵生物灭毒除害试点行动方案中今年在辽宁省以豚草为重点，在云南省开远市、腾
冲县及四川省凉山州西昌市、宁南县和攀枝花市仁和区(简称“1省 5县”)以紫茎泽兰为重点开展灭毒除害
试 点行动 ，按 照全 面宣传 、重点 突破 的原则 ，在试点省 和县 (区、市)敏 感地 区分 别使 豚 草 、紫茎泽 兰铲 除率达
60％以上 ，探 索外来入侵 生物综合 防治有效模式 。
根 据外 来入侵 生物生长特 点今 年 4～5月份“1省 5县”组织 1次“大铲 除”活动 ，动 员社 会各界 运 用各种
有效 方法铲除豚 草和 紫茎泽 兰；9～10月份根 据第 1次铲 除活动经验 ，运用综合 防 治方法开展 第 2次豚 草和
紫茎泽兰“大铲除”活动，使试点省、县(区、市)敏感区紫茎泽兰和豚草铲除率达 60％以上。同时在“1省 5
县”选择一定区域组织有关科研单位联合 当地农业部门针对紫茎泽兰和豚草开展综合防治科研示范活动．包
括通过物理、化学和生物防治对比试验等探索外来入侵 生物有效防治技术模式。
农业部还通过 外 来入侵 生物综合 防治技 术培训 ，使 农业管理 干部 、农业技术人 员和农 民群众识 别外 来入
侵生物对农业生产、城 乡居 民生活造成的危害，掌握防治时间、措施和灭除技术，并加强对外来入侵生物监测
预 警和管理 。
(段武德 农业部 北京 100026)
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