不同灌水處理對寒旱區(qū)紫花苜蓿葉面積指數的影響

曹 彪，白云崗，陳俊克，肖 軍

(1.新疆水利水電科學研究院，烏魯木齊 830049；2.河海大學水利水電學院，江蘇南京 210098)

0 引 言

【研究意義】葉面積指數(Leaf Area Index，LAI)是描述植物冠層結構的一個重要參數，可以定量地描述群體水平上葉子的生長和密度變化過程，也是進行植物群體和群落生長分析的一個重要參數[1-2]。冠層作為植物體光合、蒸騰作用等關鍵生理過程的主要載體，葉面積指數被作為是作物生長模型[3-4]、凈初級生產力模型[5-7]、森林水文分布式模型[8]等的重要特征參量。經過多年研究，葉面積指數已經成為植物光合作用、蒸騰作用、水分利用以及構成生產力基礎等方面進行群體和群落生長分析時必不可少的一個重要參數[9]。對于以獲取植株為目的的飼草作物，冠層不僅是光合作用、蒸騰作用的載體，冠層的變化在一定程度上反映了飼草作物干物質累積過程，研究紫花苜蓿葉面積指數特征及其在時空變化規(guī)律具有重要意義。【前人研究進展】國內外學者對小麥、玉米和棉花的LAI變化研究較多，如劉占東等[10]通過研究新鄉(xiāng)地區(qū)冬小麥LAI與有效積溫的關系，建立了以氣溫估算小麥葉面積的半經驗模型；喬玉輝等[11]研究認為綠葉干物質生長量和比葉面積是影響小麥LAI變化的主要因素，并建立了小麥群體葉面積指數模型；張旭東等[12]以歸一化后的積溫為變量，采用修正后的作物普適生長函數，擬合了黃土區(qū)夏玉米相對葉面積指數與生長期間的關系，擬合的方程具有較高的可信度；吳立峰等[13]開展了棉花水分虧缺條件下LAI動態(tài)變化及其加速衰老模擬研究，擬合的模型能夠較準確地預測充分和虧缺灌溉下LAI的動態(tài)變化。模型的LAI模擬模型效果均較好，具有應用和參考價值，可為掌握作物群體發(fā)育和動態(tài)理論提供理論依據和決策支持。作為一種優(yōu)質的飼草作物，國內外許多學者對紫花苜蓿的生長特性[14-15]、耗水規(guī)律[16-17]、灌溉制度[18]等做了研究。但有關紫花苜蓿LAI相關的研究較少，佟長福[19]定性研究了不同灌溉水平處理下紫花苜蓿LAI的變化過程。張明艷等[20]通過采集子葉、復葉以及真葉，研究建立了甘農1號、隴東苜蓿、天水苜蓿三個不同品種紫花苜蓿的LAI動態(tài)變化Logistic模型?！颈狙芯壳腥朦c】紫花苜蓿作為一種密植作物，分枝數較多，葉片較小，研究具體葉片變化，尺度較小，紫花苜蓿生長群體特征的冠層變化規(guī)律還需進一步研究。研究不同滴灌灌水條件下，灌水定額和灌水周期如何影響紫花苜蓿LAI變化，確定紫花苜蓿豐產條件下作物群體發(fā)育和冠層動態(tài)變化模型?！緮M解決的關鍵問題】分析灌水周期和灌水定額對紫花苜蓿葉面積指數的影響，確定紫花苜蓿適宜的灌水組合；研究最佳灌水條件下紫花苜蓿葉面積指數的變化規(guī)律，建立紫花苜蓿適宜灌水條件下葉面積指數生長模型，為干旱區(qū)紫花苜蓿豐產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗在阿勒泰地區(qū)青河縣的阿葦灌區(qū)實施。該灌區(qū)位于準噶爾盆地東北部，阿爾泰山東南麓，地理坐標46°25′30″N，90°04′01″E，海拔1 137 m。試驗區(qū)屬于大陸性北溫帶干旱氣候，冬季漫長寒冷，風勢較大，夏季酷熱，極端最低氣溫-53℃，極端最高氣溫36.5℃；年平均氣溫1.3℃，年均降水量189.1 mm，蒸發(fā)量1 367 mm，無霜期103 d。試驗區(qū)土壤質地為沙土，土壤容重為1.74 g/cm3，土壤田間持水量為13.3%，地表以下80 cm為輕礫石粗砂土，80～100 cm為中礫石粗砂土。試驗地土壤粘粒含量較少，以粗沙、細沙為主，該地土壤孔隙多，粘性小，土壤通氣透水性強，蓄水保肥能力較差，容易受到干旱侵襲。土壤pH值為8.0，土壤肥力較低，平均有機質含量4.16 g/kg，全氮0.2 g/kg，速效氮19.68 mg/kg，全磷0.7 g/kg，速效磷5.1 mg/kg，全鉀6.78 g/kg，速效鉀309.52 mg/kg，石膏含量70.93 g/kg，石灰含量126.87 g/kg。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗于2016年4～9月進行。試驗苜蓿為2012年8月播種的當地主栽紫花苜蓿品種阿爾岡金，苜蓿行距30 cm。毛管采用大禹節(jié)水集團股份有限公司生產的防負壓的內鑲貼片式滴灌帶，滴頭流量2.0 L/h，滴灌帶埋深5～8 cm，毛管間距60 cm。試驗采用兩因素三水平的設計方法，三個灌水定額分別為300、375和450 m3/hm2；三個灌水周期分別為6、9和12 d，共9個處理，重復1次。每個試驗小區(qū)長30 m，寬2.4 m。試驗約定灌水周期內單次降水大于15 mm，灌水周期延長3 d；單次降水大于20 mm，下一次灌水順延4 d；單次降水大于30 mm，下一次灌水順延6 d。第一茬苜蓿在分枝期出現降雨最大值，5月17日單次有效降雨為8.8 mm；第二茬苜蓿生育期在8月2日降雨最大，單次有效降雨5.2 mm，所以降雨未對試驗產生影響。試驗區(qū)地下水位較深，無地下水補給。試驗各處理分別在每一茬的分枝期和現蕾期統(tǒng)一隨水施磷酸二氫鉀10 kg/667 m2，尿素5 kg/667 m2。第一茬苜蓿于6月20日刈割，第二茬苜蓿在9月5日刈割。第一茬紫花苜蓿返青時土壤含水率主要受上一年度降雪影響，試驗區(qū)紫花苜蓿約在4月底開始返青，試驗于5月3日灌第一次水，第一茬紫花苜蓿6月19日結束灌水，灌水歷時45 d；第二茬紫花苜蓿7月3日開始灌水，9月2日結束灌水，列出試驗各處理的設計及對應的灌水量。表1

表1 試驗設計
Table 1 The design of experiment

試驗處理Treatment灌水周期Interval of irrigation(d)灌水定額Quota of irrigating water(m3/hm2)灌溉定額 Irrigation quotas(m3/hm2)第一茬First cutting第二差Second cutting合計TotalW1163002 4003 3005 700W1263753 0004 1257 125W1364503 6004 9508 550W2193001 8002 1003 900W2293752 2502 6254 875W2394502 7003 1505 850W31123001 2001 8003 000W32123751 5002 2503 750W33124501 8002 7004 500

1.2.2 測量指標

紫花苜蓿葉面積指數采用LAI-2200C植物冠層分析儀測定。在晴天下午19：00左右進行，同時盡量減小冠層上下讀數的時間差，且保證測量時方向相同。測量時，首先進行散射校正。紫花苜蓿被認為是低矮均一的冠層，選擇使用270°視眼遮蓋帽，測量點選在每個處理的中間行，測量點位置連線近似s形，根據冠層儀測量規(guī)范，分別讀取冠層上1個A值和冠層下5個B值，求LAI。每組試驗處理重復測量3次，計算時取3次測量平均值，即為該處理的葉面積指數。

1.3 數據處理

試驗數據采用Excel 2007軟件進行整理和制圖，采用SPSS 18.0(IBM，美國)對測得數據進行相關性統(tǒng)計分析。利用Origin 8.5.1軟件對測得數據進行公式擬合，擬合時采用自定義函數的方法。

2 結果與分析

2.1 灌水定額對紫花苜蓿葉面積指數動態(tài)變化的影響

研究表明，3個灌水周期下不同灌水定額紫花苜蓿LAI變化趨勢大體相同，呈較緩慢生長—快速生長—緩慢下降趨勢。紫花苜蓿在分枝后期、現蕾期生長較快，返青期和開花期生長較緩慢，葉面積指數的變化與紫花苜蓿生長呈正相關。灌水周期6 d時，不同灌水定額紫花苜蓿葉LAI變化差異不大，其中W13葉面積指數為9.42，是全部試驗處理中最大值。灌水周期9 d時，表現出灌水定額越大，葉面積指數越大的規(guī)律，紫花苜蓿在初花期時葉面積指數快速降低，反映出生育后期缺水對紫花苜蓿LAI的不利影響。灌水周期12 d時，亦表現出灌水定額越大，葉面積指數越大的規(guī)律，葉面積指數在現蕾后期開始下降，說明灌水周期12 d，灌水定額在450 m3/hm2以下都不能滿足紫花苜蓿葉片正常生長的需要。灌水周期6 d，灌水定額300 m3/hm2時，紫花苜蓿LAI受灌水定額影響的作用不明顯；灌水周期9和12 d時，灌水定額小于450 m3/hm2時，紫花苜蓿LAI受灌水定額影響明顯，且灌水定額越大，葉面積指數越大。圖1

圖1 不同灌水定額下紫花苜蓿葉面積指數變化
Fig.1 Effect of irrigation quota on LAI of alfalfa

2.2 灌水周期對紫花苜蓿葉面積指數動態(tài)變化的影響

研究表明，同一灌水定額，灌水周期越短，葉面積指數越大。灌水定額300 m3/hm2時，不同灌水周期葉面積指數值差異極顯著。其中W31灌水周期最大，葉面積指數最小，整個生育期，葉面積指數最大，僅達到3.47。因為灌水量小，灌水周期長，導致植株嚴重缺水，植株下部葉片脫落，葉片萎蔫，葉片間空隙增大，葉面積指數下降。灌水定額375 m3/hm2時，不同灌水周期葉面積指數值差異較顯著，W12葉面積指數變化速度最大，W32葉面積指數變化速度最小，W12生育期最大葉面積指數是W32的1.74倍。灌水定額450 m3/hm2時，不同灌水周期葉面積指數值差異顯著，葉面積指數增加速率W13最大，W33最小，生育期最大葉面積指數W13是W33的1.38倍。紫花苜蓿LAI在灌水定額小于375 m3/hm2情況下，灌水周期越短，葉面積指數越大，但隨著灌水量的增大，灌水周期對紫花苜蓿影響減小。當灌水定額450 m3/hm2，灌水周期6和9 d的試驗處理，葉面積指數差異不是太大。圖2

圖2 不同灌水周期下紫花苜蓿苜蓿葉面積指數變化
Fig.2 Effect of irrigation cycle on LAI of alfalfa

2.3 紫花苜蓿適宜灌水條件下葉面積指數生長模型

2016年試驗區(qū)紫花苜蓿5月初開始返青，第一茬紫花苜蓿在6月14日植株出現開花現象，由于初花期時的苜蓿營養(yǎng)品質及干物質含量都很高[21]，試驗紫花苜蓿選擇在初花期刈割。第一茬紫花苜蓿于6月20日植株開花率達到10%，進入初花期。第二茬紫花苜蓿在7月1日開始返青，9月5日進入初花期。列出紫花苜蓿整個生育期各生育階段時間段劃分。表2

表2 紫花苜蓿各生育期時間劃分
Table 2 The growth period of alfalfa in various time division

紫花苜蓿Alfalfa生育期 Growth period返青期Regreening period分枝期Branching period現蕾期Squaring period初花期Early flowering period第一茬 First cutting5月1～15日5月16日～6月3日6月4～13日6月14～20日第二茬 Second cutting7月1～10日7月11日～8月9日8月10～19日8月20日～9月5日

研究表明，第二茬產量均低于第一茬，但灌水定額和灌水周期對兩茬紫花苜蓿產量的影響基本相似。灌水周期為9和12 d時，兩茬苜蓿的干重均隨灌水定額的增大而增大；灌水周期為6 d時，第一茬紫花苜蓿在灌水定額為375 m3/hm2的試驗處理產量最大，即W12第一茬干物質累積量最大，選取處理W12第一茬葉面積指數與生長天數的試驗數據。圖3，表3

圖3 不同試驗處理下紫花苜蓿干重
Fig.3 Dry weight of alfalfa under different treatments

植物葉面積指數隨生育期的變化，符合經典的Logistic曲線或其修正形式[2,13]。

其中LAI：紫花苜蓿葉面積指數；LAImax：種群密度最大值；t：返青后的天數；a1，a2，a3：待定系數。

表3 W12生育期葉面積指數

Table3LeafareaindexofW12inthe

wholegrowthperiod

生長天數Growth days(d)葉面積指數平均值Leaf area index average150.912222.831347.461448.883509.397

利用Origin 8.5.1軟件，對W12試驗數據進行Logistic曲線擬合，模擬方程的系數分別為LAImax=0.978，a1=5.96，a2=-0.271，a3=0.002，擬合結果檢驗ReducedChi-Sqr為0.019，決定系數R2=0.998，擬合的公式精度較高。

研究表明，第二茬紫花苜蓿W13＇干重最大，所以紫花苜蓿第二茬處理W13＇條件下可以認定為適宜的水分處理，選取紫花苜蓿第二茬處理W13＇生長期不同生長階段葉面積指數對所擬合的模型進行檢驗。第二茬紫花苜蓿W13＇葉面積指數觀測值和預測值比較說明所擬合的模型對適宜水分下紫花苜蓿葉面積生長變化具有較好的模擬效果。對檢驗結果進行數值分析，實測值和模擬值之間的相關系數r為0.96，平均絕對誤差為0.372，擬合的相關系數較高，模型對于適宜灌水條件下的葉面積指數具有較好的模擬效果。圖4

圖4 第二茬紫花苜蓿W13＇葉面積指數觀測值和預測值比較

3 討 論

牧草的產量主要是莖葉產量，可以通過紫花苜蓿植株變化速率衡量其生物量累積的快慢。植株變化速率可以由株高、莖粗以及葉面積的變化定量描述。模擬紫花苜蓿葉面積指數在適宜灌水條件下冠層生長模型，不僅可以揭示苜蓿群體葉面積指數變化規(guī)律，為準確預測苜蓿生長和產量提高依據，還可以為判斷紫花苜蓿水分虧缺提供理論指導。從水分對紫花苜蓿葉面積影響角度進行了試驗研究，擬合了適宜水分條件下的紫花苜蓿葉面積指數變化規(guī)律，反映了紫花苜蓿生長群體的冠層變化規(guī)律，比張明艷等[20]通過采集子葉、復葉以及真葉，建立的紫花苜蓿的LAI動態(tài)變化模型更適用于指導生產實踐。

采用間接測量法對苜蓿葉面積進行測定，避免了因對苜蓿葉片葉面積進行定量計算而造成的誤差，用修正的Logistic函數對紫花苜蓿葉面積的變化特征值和生長時間進行模擬，建立的模型對紫花苜蓿葉面積生長規(guī)律的描述簡明客觀，且模擬精度較高，能較好的反映出適宜水分下紫花苜蓿冠層的變化規(guī)律。反映出模型具有較好的擬合度和預測能力，但生長中期擬合效果要好于生長末期和初期，擬合的模型對紫花苜蓿生長中期的預測效果更好。說明紫花苜蓿適宜水分條件下葉面積變化規(guī)律還受外界環(huán)境的影響，由于一年中第一茬和第二茬返青時的環(huán)境溫度不同，第二茬返青時的氣溫要明顯高于第一茬返青時的氣溫；同樣第一茬刈割時的氣溫要比第二茬刈割時氣溫高。

4 結 論

4.1 灌水周期為6 d時，灌水定額達到300 m3/hm2時，紫花苜蓿葉面積指數受灌水定額作用的影響不大，灌水周期為9 d時，灌水定額在小于450 m3/hm2條件下，紫花苜蓿葉面積指數受灌水定額作用的影響明顯，灌水定額越大，葉面積指數越高。

4.2 紫花苜蓿葉面積指數在灌水定額小于375 m3/hm2情況下，灌水周期越短，葉面積指數越大，但隨著灌水量的增大，灌水周期對紫花苜蓿葉面積指數的影響在減小。當灌水定額為450 m3/hm2，灌水周期為6和9 d的試驗處理，葉面積指數差異不是太大。

4.3 紫花苜蓿葉面積指數的變化規(guī)律可以用改進的Logistic曲線進行擬合，在適宜灌水條件下紫花苜蓿冠層生長模型為LAI=0.978/(1+exp(5.96-0.271t+0.002t2))，且該模型具有較高的精度。

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