寒旱區(qū)不同灌水處理對(duì)紫花苜蓿葉面積指數(shù)影響研究

劉敏杰，曹 彪

(新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

作為一種優(yōu)質(zhì)的高植物蛋白飼草，紫花苜蓿具有耐寒、耐旱、耐鹽堿、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高等特點(diǎn)，在干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有十分重要的地位[1]。紫花苜蓿也是一種優(yōu)良的改土培肥植物，能夠吸收深層土壤水分和養(yǎng)分[2],成為寒旱荒漠地區(qū)飼草料基地大力發(fā)展的優(yōu)良飼草之一。作物葉面積指數(shù)(Leaf Area Index，LAI)是定量描述群體水平上葉子的生長(zhǎng)和密度變化過(guò)程重要參數(shù)，可以反映植物群體和群落生長(zhǎng)過(guò)程[3-4]。對(duì)于追求以莖葉為高鮮草量的飼草作物，準(zhǔn)確的估測(cè)作物的LAI有利于計(jì)算植被生物量[5]，所以研究紫花苜蓿LAI特征及其時(shí)空變化規(guī)律具有重要的意義。

作物冠層作為植物體光合、蒸騰作用等關(guān)鍵生理過(guò)程的主要載體，也是葉片生長(zhǎng)最直接的反應(yīng)。國(guó)內(nèi)外通過(guò)遙感反演作物L(fēng)AI的文獻(xiàn)較多[6-8]。然而葉面積指數(shù)利用遙感反演結(jié)果評(píng)價(jià)作物生長(zhǎng)變化規(guī)律精度較低。國(guó)內(nèi)對(duì)紫花苜蓿葉面積指數(shù)研究多集中在葉片，尺度較小，佟長(zhǎng)福[9]定性研究了不同灌溉水平處理下紫花苜蓿葉面積指數(shù)的變化過(guò)程。張明艷[10]通過(guò)采集子葉、復(fù)葉以及真葉，研究建立了紫花苜蓿的葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)變化Logistic模型。利用LAI-2200C測(cè)量紫花苜蓿葉面積指數(shù),反映葉面積群體變化特征的研究目前鮮有報(bào)道。本文通過(guò)開(kāi)展不同灌水處理對(duì)紫花苜蓿淺埋式滴灌試驗(yàn)，研究了不同灌水條件下葉面積指數(shù)變化規(guī)律，運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法，研究了灌水定額和灌水周期對(duì)紫花苜蓿葉面積指數(shù)的影響，擬合了合理灌水條件下，紫花苜蓿葉面積指數(shù)的變化曲線(xiàn)，以期為紫花苜蓿冠層變化規(guī)律提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年4—10月在阿勒泰地區(qū)青河縣境內(nèi)的阿葦灌區(qū)實(shí)施。阿葦灌區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地東北部，阿勒泰山東南麓，海拔平均高度1137 m。試驗(yàn)區(qū)氣候?qū)儆诖箨懶员睖貛Ц珊禋夂?，高山高寒，空氣干燥，冬季漫長(zhǎng)寒冷，風(fēng)勢(shì)較大，夏季酷熱，年降雨量小，蒸發(fā)量大。當(dāng)?shù)貥O端最低氣溫為-53 ℃，最高氣溫為36.5 ℃；年平均氣溫1.3 ℃，年均降水量189.1 mm，蒸發(fā)量1367 mm(小型蒸發(fā))，無(wú)霜期平均為103 d。土壤質(zhì)地為沙土，土壤容重為1.74 g/cm3。土壤田間持水量為13.3%，根據(jù)土壤質(zhì)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)區(qū)土壤80 cm以上部分為輕礫石粗砂土，80～100 cm為中礫石粗砂土。試驗(yàn)地土壤黏粒含量較少，以粗沙、細(xì)沙為主，土壤孔隙多，黏性小，土壤通氣透水性強(qiáng)，蓄水保肥能力較差，容易受到干旱侵襲。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)苜蓿為2012年8月份播種的當(dāng)?shù)刂髟宰匣ㄜ俎Ｆ贩N“阿爾岡金”。苜蓿行距為30 cm，毛管采用大禹節(jié)水集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的可以防負(fù)壓的內(nèi)鑲貼片式滴灌帶，滴頭流量2.6 L/h，滴灌帶埋深5～8 cm，毛管間距60 cm，毛管布置如圖1所示。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)灌水定額，分別為：300 m3/hm2、375 m3/hm2、450 m3/hm2；3個(gè)灌水周期，分別為：6 d、9 d、12 d。共9個(gè)處理，重復(fù)一次，試驗(yàn)各處理的設(shè)計(jì)及對(duì)應(yīng)的灌水量見(jiàn)表1。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)30 m左右，寬2.4 m。試驗(yàn)設(shè)定灌水周期內(nèi)單次降水大于15 mm，灌水周期延長(zhǎng)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(xiàn)降雨最大值，5月17日單次有效降雨為8.8 mm，所以降雨未對(duì)試驗(yàn)計(jì)劃產(chǎn)生影響。試驗(yàn)區(qū)地下水位較深，無(wú)地下水補(bǔ)給。試驗(yàn)各處理分別在分枝期和現(xiàn)蕾期統(tǒng)一隨水畝施磷酸二氫鉀10 kg，畝施尿素5 kg。由于試驗(yàn)區(qū)位于干旱荒漠地區(qū)，氣候干冷，溫度回升緩慢，全年無(wú)霜期較短，當(dāng)?shù)刈匣ㄜ俎Ｈ曛荒茇赘顑刹?，本次試?yàn)選取第一茬紫花苜蓿，第一茬紫花苜蓿返青主要受上一年度降雪影響，試驗(yàn)認(rèn)為各處理土壤含水率初始水平相同。試驗(yàn)區(qū)紫花苜蓿約在4月底開(kāi)始返青，試驗(yàn)于5月3日灌第一次水，5月19日結(jié)束灌水，灌水歷時(shí)45 d。

圖1 毛管布置示意圖

試驗(yàn)處理灌水周期/d灌水定額/(m3·hm-2)灌水量/(m3·hm-2)W1163002400W1263753000W1364503600W2193001800W2293752250W2394502700W31123001200W32123751500W33124501800

1.3 測(cè)量?jī)x器與方法

紫花苜蓿葉面積指數(shù)采用LAI-2200C測(cè)定。LAI-2200C是通過(guò)一個(gè)視角為 148°的 “魚(yú)眼”光學(xué)傳感器(或稱(chēng)為“魚(yú)眼”鏡頭 )，從5個(gè)不同角度的天頂角方向測(cè)定冠層上、下光強(qiáng)的變化，通過(guò)測(cè)定幾個(gè)不同天頂角度上輻射量的衰減程度，可獲得葉片的分布方位等信息，并通過(guò)建立的冠層內(nèi)輻射傳播模型來(lái)計(jì)算冠層的葉面積指數(shù)(LAI)。LAI-2200C測(cè)量葉面積指數(shù)屬于葉面積指數(shù)間接測(cè)量法的一種，采用LAI-2200C測(cè)量葉面積指數(shù)，具有快速、對(duì)作物葉片無(wú)損傷、對(duì)觀測(cè)對(duì)象可重復(fù)測(cè)量等特點(diǎn)，缺點(diǎn)是容易受天氣影響[11]。

為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，最理想測(cè)量時(shí)間是太陽(yáng)在地平線(xiàn)以下(日出前或日落后)，或者在晴朗無(wú)云的時(shí)間段。同時(shí)盡量減小冠層上下讀數(shù)的時(shí)間差，且保證測(cè)量時(shí)方向相同。測(cè)量時(shí)，首先進(jìn)行散射校正。紫花苜蓿認(rèn)為是低矮均一的冠層，所以選擇使用270°視眼遮蓋帽，在每個(gè)處理的中間行，測(cè)量點(diǎn)位置連線(xiàn)近似S形，讀取冠層上1個(gè)A值和冠層下5個(gè)B值。 重復(fù)測(cè)量三次，求LAI均值，即為該處理的葉面積指數(shù)。然后對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007軟件進(jìn)行整理和制圖，采用SPSS 18.0(IBM，美國(guó))對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析。其中差異顯著性分析采用LSD法。利用Origin8.5.1軟件對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行公式擬合，擬合時(shí)采用自定義函數(shù)的方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌水定額對(duì)紫花苜蓿葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)變化的影響

灌水周期分別為6 d、9 d、12 d，不同灌水定額紫花苜蓿葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程如圖2所示。由圖可知：葉面積指數(shù)變化趨勢(shì)大體相似，基本變化規(guī)律為較緩慢生長(zhǎng)—快速生長(zhǎng)—緩慢下降。第一茬紫花苜蓿在分枝期后期、現(xiàn)蕾期生長(zhǎng)較快，返青期和開(kāi)花期生長(zhǎng)較緩慢。灌水周期為6 d時(shí)，不同灌水定額，紫花苜蓿葉面積指數(shù)差異不大；灌水周期為9 d時(shí)，灌水定額越大，葉面積指數(shù)越大，紫花苜蓿在生育后期葉面積指數(shù)快速降低，說(shuō)明紫花苜蓿在初花期表現(xiàn)出一定水分虧缺，灌水不能滿(mǎn)足后期紫花苜蓿植株對(duì)水分的需求；灌水周期為12 d時(shí)，亦表現(xiàn)出灌水定額越大，葉面積指數(shù)越大的規(guī)律，但是葉面積指數(shù)在現(xiàn)蕾后期開(kāi)始下降，說(shuō)明灌水周期為12 d，灌水定額為450 m3/hm2都達(dá)不到紫花苜蓿葉面積指數(shù)正常生長(zhǎng)的需要。綜上所述：灌水周期為6 d時(shí)，紫花苜蓿受灌水定額作用的影響不大，灌水周期為9 d和12 d時(shí)，紫花苜蓿受灌水定額作用的影響明顯。灌水定額越大，葉面積指數(shù)越高。

圖2 灌水定額對(duì)紫花苜蓿葉面積指數(shù)的影響

2.2 灌水周期對(duì)紫花苜蓿葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)變化的影響

當(dāng)灌水定額分別為300 m3/hm2、375 m3/hm2、450 m3/hm2時(shí)，不同灌水周期紫花苜蓿葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程如圖3所示。由圖3可知：同一灌水定額，灌水周期越短，葉面積指數(shù)越大。灌水定額為300 m3/hm2時(shí)，不同灌水周期葉面積指數(shù)值差異極顯著；這是由于灌水量小，灌水周期長(zhǎng)，導(dǎo)致植株缺水，一方面植株下部葉片脫落，一方面葉片收縮，葉片間空隙增大，葉面積指數(shù)下降。灌水定額為375 m3/hm2時(shí)，不同灌水周期葉面積指數(shù)值差異較顯著；灌水定額為450 m3/hm2時(shí)，不同灌水周期葉面積指數(shù)值差異較顯著。綜上所述，紫花苜蓿葉面積指數(shù)在同一灌水定額下，灌水周期越短，葉面積指數(shù)越大，但隨著灌水量的增大，灌水周期對(duì)紫花苜蓿影響減小。

圖3 灌水周期對(duì)紫花苜蓿苜蓿葉面積指數(shù)的影響

2.3 灌水周期和灌水定額對(duì)紫花苜蓿葉面積指數(shù)影響主體效益分析

根據(jù)試驗(yàn)植株調(diào)查，紫花苜蓿整個(gè)生育期各生育階段劃分見(jiàn)表2。

對(duì)各生育階段葉面積指數(shù)進(jìn)行方差分析，方差分析采用F檢驗(yàn)的方法，差異性檢驗(yàn)值見(jiàn)表3。

表2 紫花苜蓿生育階段劃分

表3 灌水周期和灌水定額對(duì)紫花苜蓿各生育期葉面積指數(shù)影響主體間效應(yīng)檢驗(yàn)

注：P<0.01表示非常顯著，P<0.05表示顯著。

紫花苜蓿在返青期受灌水定額和灌水周期的作用不明顯(P>0.05)，說(shuō)明紫花苜蓿在返青期葉面積指數(shù)受灌水作用的影響很小。在分枝期、孕蕾期以及初花期受灌水定額和灌水周期的影響非常顯著(P<0.01)，但受灌水定額和灌水周期交互作用的影響不顯著(P>0.05)，說(shuō)明紫花苜蓿葉面積指數(shù)在返青期后受灌水量或灌水周期作用影響顯著。即增加灌水量或者是高頻率灌水均能夠促進(jìn)紫花苜蓿冠層的形成。

2.4 紫花苜蓿適宜灌水條件下葉面積指數(shù)生長(zhǎng)模型

本次試驗(yàn)紫花苜蓿于6月20日刈割。圖4為不同試驗(yàn)處理下紫花苜蓿干重、濕重以及干濕比。各試驗(yàn)處理中，W13濕重最大，可以達(dá)到39 653 kg/hm2；W12干重最大，可以達(dá)到10 254 kg/hm2；W23干濕比最大，干濕比為0.36。由干重、濕重W11>W21>W31，W12>W22>W32，W23>W33，說(shuō)明灌水周期和苜蓿產(chǎn)量表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，即高頻率灌水產(chǎn)量比中等頻率灌水的產(chǎn)量顯著提高，中等頻率灌水的產(chǎn)量要大于低頻率灌水產(chǎn)量。由干重、濕重W21W13，說(shuō)明灌水周期為6 d時(shí)，灌水定額達(dá)到450 m3/hm2，不利于紫花苜蓿干物質(zhì)的形成。同時(shí)灌水周期為6 d的試驗(yàn)處理，灌水量增大，干濕比降低，這是由于土壤水份盈余，苜蓿水分含量較高。灌水周期為12 d的處理和灌水周期為9 d的試驗(yàn)處理干濕比與灌水量表現(xiàn)正相關(guān)性。隨著灌水量增大，干濕比增大。這是由于灌水周期相同，灌水量大的處理，株高較高，莖粗較大，而且葉面積指數(shù)較高，紫花苜蓿生物量積累較高。所以適宜的灌水有利于苜蓿干物質(zhì)的積累。綜上所述，干旱荒漠地區(qū)第一茬紫花苜蓿所需水量基本由灌溉補(bǔ)充，產(chǎn)量的形成受灌水量和灌水周期的影響，同時(shí)干濕比也是產(chǎn)量形成的一個(gè)重要因素。高頻灌水有利于紫花苜蓿的鮮物質(zhì)累積，但紫花苜蓿干濕比較小，當(dāng)灌水頻率小于苜蓿需水頻率時(shí)，灌水量越多，干濕比越大，越有利于苜蓿干物質(zhì)積累。所以選定W12為最優(yōu)產(chǎn)量下的適宜水分處理。

圖4 不同試驗(yàn)處理下紫花苜蓿干重、濕重以及干濕比

作物葉面積指數(shù)隨生育期的變化，符合經(jīng)典的Logistic曲線(xiàn)或其修正形式[11]。

LAI=|LAI|max/(1+expa1+a2t+a3tR2)

(1)

式中：LAI為紫花苜蓿葉面積指數(shù)；LAImax為種群密度最大值；t為返青后的天數(shù)，d；a1,a2，a3為待定系數(shù)，R2為相關(guān)系數(shù)。

選取W12葉面積指數(shù)與生長(zhǎng)天數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 W12生育期間葉面積指數(shù)

利用Origin8.5.1軟件，對(duì)W12試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，待定系數(shù)擬合結(jié)果如表5所示，相關(guān)系數(shù)為0.998，所擬合的公式精度較高。

表5 紫花苜蓿葉面積指數(shù)生長(zhǎng)模型參數(shù)

3 結(jié) 論

(1)灌水周期為6 d時(shí)，紫花苜蓿葉面積指數(shù)受灌水定額作用的影響不大，灌水周期為9 d和12 d 時(shí)，紫花苜蓿葉面積指數(shù)受灌水定額作用的影響明顯。灌水定額越大，葉面積指數(shù)越高。紫花苜蓿葉面積指數(shù)在同一灌水定額下，灌水周期越短，葉面積指數(shù)越大，但隨著灌水量的增大，灌水周期對(duì)紫花苜蓿影響在減小。

(2)紫花苜蓿葉面積指數(shù)在返青期受灌水定額或灌水周期作用影響不顯著，在返青期后灌水量或灌水周期對(duì)紫花苜蓿冠層的形成作用顯著。即返青期后增加灌水量或者是減小灌水周期均有利于紫花苜蓿冠層的形成。

(3)葉面積指數(shù)的模擬是作物生長(zhǎng)發(fā)育模擬的重要內(nèi)容，本文利用Origin軟件，運(yùn)用自定義函數(shù)擬合的方法，建立了紫花苜蓿最優(yōu)產(chǎn)量下返青期至盛花初期葉面積指數(shù)變化的半經(jīng)驗(yàn)公式，模擬精度較高，能較好的反映出適宜水分下葉面積指數(shù)變化規(guī)律。