曹 彪，白云崗，陳俊克，肖 軍

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

0 引 言

【研究意義】葉面積指數(shù)(Leaf Area Index，LAI)是描述植物冠層結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù)，可以定量地描述群體水平上葉子的生長(zhǎng)和密度變化過(guò)程，也是進(jìn)行植物群體和群落生長(zhǎng)分析的一個(gè)重要參數(shù)[1-2]。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，葉面積指數(shù)被作為是作物生長(zhǎng)模型[3-4]、凈初級(jí)生產(chǎn)力模型[5-7]、森林水文分布式模型[8]等的重要特征參量。經(jīng)過(guò)多年研究，葉面積指數(shù)已經(jīng)成為植物光合作用、蒸騰作用、水分利用以及構(gòu)成生產(chǎn)力基礎(chǔ)等方面進(jìn)行群體和群落生長(zhǎng)分析時(shí)必不可少的一個(gè)重要參數(shù)[9]。對(duì)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(zhì)累積過(guò)程，研究紫花苜蓿葉面積指數(shù)特征及其在時(shí)空變化規(guī)律具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)小麥、玉米和棉花的LAI變化研究較多，如劉占東等[10]通過(guò)研究新鄉(xiāng)地區(qū)冬小麥LAI與有效積溫的關(guān)系，建立了以氣溫估算小麥葉面積的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；喬玉輝等[11]研究認(rèn)為綠葉干物質(zhì)生長(zhǎng)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(shù)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(zhǎng)函數(shù)，擬合了黃土區(qū)夏玉米相對(duì)葉面積指數(shù)與生長(zhǎng)期間的關(guān)系，擬合的方程具有較高的可信度；吳立峰等[13]開(kāi)展了棉花水分虧缺條件下LAI動(dòng)態(tài)變化及其加速衰老模擬研究，擬合的模型能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)充分和虧缺灌溉下LAI的動(dòng)態(tài)變化。模型的LAI模擬模型效果均較好，具有應(yīng)用和參考價(jià)值，可為掌握作物群體發(fā)育和動(dòng)態(tài)理論提供理論依據(jù)和決策支持。作為一種優(yōu)質(zhì)的飼草作物，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)紫花苜蓿的生長(zhǎng)特性[14-15]、耗水規(guī)律[16-17]、灌溉制度[18]等做了研究。但有關(guān)紫花苜蓿LAI相關(guān)的研究較少，佟長(zhǎng)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(guò)程。張明艷等[20]通過(guò)采集子葉、復(fù)葉以及真葉，研究建立了甘農(nóng)1號(hào)、隴東苜蓿、天水苜蓿三個(gè)不同品種紫花苜蓿的LAI動(dòng)態(tài)變化Logistic模型。【本研究切入點(diǎn)】紫花苜蓿作為一種密植作物，分枝數(shù)較多，葉片較小，研究具體葉片變化，尺度較小，紫花苜蓿生長(zhǎng)群體特征的冠層變化規(guī)律還需進(jìn)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(chǎn)條件下作物群體發(fā)育和冠層動(dòng)態(tài)變化模型?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】分析灌水周期和灌水定額對(duì)紫花苜蓿葉面積指數(shù)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(shù)的變化規(guī)律，建立紫花苜蓿適宜灌水條件下葉面積指數(shù)生長(zhǎng)模型，為干旱區(qū)紫花苜蓿豐產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)在阿勒泰地區(qū)青河縣的阿葦灌區(qū)實(shí)施。該灌區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地東北部，阿爾泰山東南麓，地理坐標(biāo)46°25′30″N，90°04′01″E，海拔1 137 m。試驗(yàn)區(qū)屬于大陸性北溫帶干旱氣候，冬季漫長(zhǎng)寒冷，風(fēng)勢(shì)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(wú)霜期103 d。試驗(yàn)區(qū)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%，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(yàn)地土壤粘粒含量較少，以粗沙、細(xì)沙為主，該地土壤孔隙多，粘性小，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。土壤pH值為8.0，土壤肥力較低，平均有機(jī)質(zhì)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(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年4～9月進(jìn)行。試驗(yàn)苜蓿為2012年8月播種的當(dāng)?shù)刂髟宰匣ㄜ俎Ｆ贩N阿爾岡金，苜蓿行距30 cm。毛管采用大禹節(jié)水集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的防負(fù)壓的內(nèi)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(yàn)采用兩因素三水平的設(shè)計(jì)方法，三個(gè)灌水定額分別為300、375和450 m3/hm2；三個(gè)灌水周期分別為6、9和12 d，共9個(gè)處理，重復(fù)1次。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)30 m，寬2.4 m。試驗(yàn)約定灌水周期內(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；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(duì)試驗(yàn)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)各處理分別在每一茬的分枝期和現(xiàn)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(shí)土壤含水率主要受上一年度降雪影響，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，第一茬紫花苜蓿6月19日結(jié)束灌水，灌水歷時(shí)45 d；第二茬紫花苜蓿7月3日開(kāi)始灌水，9月2日結(jié)束灌水，列出試驗(yàn)各處理的設(shè)計(jì)及對(duì)應(yīng)的灌水量。表1

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
Table 1 The design of experiment

試驗(yàn)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(jì)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(cè)量指標(biāo)

紫花苜蓿葉面積指數(shù)采用LAI-2200C植物冠層分析儀測(cè)定。在晴天下午19：00左右進(jìn)行，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。紫花苜蓿被認(rèn)為是低矮均一的冠層，選擇使用270°視眼遮蓋帽，測(cè)量點(diǎn)選在每個(gè)處理的中間行，測(cè)量點(diǎn)位置連線近似s形，根據(jù)冠層儀測(cè)量規(guī)范，分別讀取冠層上1個(gè)A值和冠層下5個(gè)B值，求LAI。每組試驗(yàn)處理重復(fù)測(cè)量3次，計(jì)算時(shí)取3次測(cè)量平均值，即為該處理的葉面積指數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

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。利用Origin 8.5.1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

研究表明，3個(gè)灌水周期下不同灌水定額紫花苜蓿LAI變化趨勢(shì)大體相同，呈較緩慢生長(zhǎng)—快速生長(zhǎng)—緩慢下降趨勢(shì)。紫花苜蓿在分枝后期、現(xiàn)蕾期生長(zhǎng)較快，返青期和開(kāi)花期生長(zhǎng)較緩慢，葉面積指數(shù)的變化與紫花苜蓿生長(zhǎng)呈正相關(guān)。灌水周期6 d時(shí)，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(shù)為9.42，是全部試驗(yàn)處理中最大值。灌水周期9 d時(shí)，表現(xiàn)出灌水定額越大，葉面積指數(shù)越大的規(guī)律，紫花苜蓿在初花期時(shí)葉面積指數(shù)快速降低，反映出生育后期缺水對(duì)紫花苜蓿LAI的不利影響。灌水周期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，葉面積指數(shù)在現(xiàn)蕾后期開(kāi)始下降，說(shuō)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(zhǎng)的需要。灌水周期6 d，灌水定額300 m3/hm2時(shí)，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(shí)，灌水定額小于450 m3/hm2時(shí)，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(shù)越大。圖1

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

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

研究表明，同一灌水定額，灌水周期越短，葉面積指數(shù)越大。灌水定額300 m3/hm2時(shí)，不同灌水周期葉面積指數(shù)值差異極顯著。其中W31灌水周期最大，葉面積指數(shù)最小，整個(gè)生育期，葉面積指數(shù)最大，僅達(dá)到3.47。因?yàn)楣嗨啃?，灌水周期長(zhǎng)，導(dǎo)致植株嚴(yán)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(shù)下降。灌水定額375 m3/hm2時(shí)，不同灌水周期葉面積指數(shù)值差異較顯著，W12葉面積指數(shù)變化速度最大，W32葉面積指數(shù)變化速度最小，W12生育期最大葉面積指數(shù)是W32的1.74倍。灌水定額450 m3/hm2時(shí)，不同灌水周期葉面積指數(shù)值差異顯著，葉面積指數(shù)增加速率W13最大，W33最小，生育期最大葉面積指數(shù)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(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。當(dāng)灌水定額450 m3/hm2，灌水周期6和9 d的試驗(yàn)處理，葉面積指數(shù)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(shù)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(shù)生長(zhǎng)模型

2016年試驗(yàn)區(qū)紫花苜蓿5月初開(kāi)始返青，第一茬紫花苜蓿在6月14日植株出現(xiàn)開(kāi)花現(xiàn)象，由于初花期時(shí)的苜蓿營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及干物質(zhì)含量都很高[21]，試驗(yàn)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(kāi)花率達(dá)到10%，進(jìn)入初花期。第二茬紫花苜蓿在7月1日開(kāi)始返青，9月5日進(jìn)入初花期。列出紫花苜蓿整個(gè)生育期各生育階段時(shí)間段劃分。表2

表2 紫花苜蓿各生育期時(shí)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(xiàn)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(chǎn)量均低于第一茬，但灌水定額和灌水周期對(duì)兩茬紫花苜蓿產(chǎn)量的影響基本相似。灌水周期為9和12 d時(shí)，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(shí)，第一茬紫花苜蓿在灌水定額為375 m3/hm2的試驗(yàn)處理產(chǎn)量最大，即W12第一茬干物質(zhì)累積量最大，選取處理W12第一茬葉面積指數(shù)與生長(zhǎng)天數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖3，表3

圖3 不同試驗(yàn)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(shù)隨生育期的變化，符合經(jīng)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(shù)；LAImax：種群密度最大值；t：返青后的天數(shù)；a1，a2，a3：待定系數(shù)。

表3 W12生育期葉面積指數(shù)

Table3LeafareaindexofW12inthe

wholegrowthperiod

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

利用Origin 8.5.1軟件，對(duì)W12試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Logistic曲線擬合，模擬方程的系數(shù)分別為L(zhǎng)AImax=0.978，a1=5.96，a2=-0.271，a3=0.002，擬合結(jié)果檢驗(yàn)ReducedChi-Sqr為0.019，決定系數(shù)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(rèn)定為適宜的水分處理，選取紫花苜蓿第二茬處理W13＇生長(zhǎng)期不同生長(zhǎng)階段葉面積指數(shù)對(duì)所擬合的模型進(jìn)行檢驗(yàn)。第二茬紫花苜蓿W13＇葉面積指數(shù)觀測(cè)值和預(yù)測(cè)值比較說(shuō)明所擬合的模型對(duì)適宜水分下紫花苜蓿葉面積生長(zhǎng)變化具有較好的模擬效果。對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值分析，實(shí)測(cè)值和模擬值之間的相關(guān)系數(shù)r為0.96，平均絕對(duì)誤差為0.372，擬合的相關(guān)系數(shù)較高，模型對(duì)于適宜灌水條件下的葉面積指數(shù)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(shù)觀測(cè)值和預(yù)測(cè)值比較

3 討 論

牧草的產(chǎn)量主要是莖葉產(chǎn)量，可以通過(guò)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(shù)在適宜灌水條件下冠層生長(zhǎng)模型，不僅可以揭示苜蓿群體葉面積指數(shù)變化規(guī)律，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)苜蓿生長(zhǎng)和產(chǎn)量提高依據(jù)，還可以為判斷紫花苜蓿水分虧缺提供理論指導(dǎo)。從水分對(duì)紫花苜蓿葉面積影響角度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，擬合了適宜水分條件下的紫花苜蓿葉面積指數(shù)變化規(guī)律，反映了紫花苜蓿生長(zhǎng)群體的冠層變化規(guī)律，比張明艷等[20]通過(guò)采集子葉、復(fù)葉以及真葉，建立的紫花苜蓿的LAI動(dòng)態(tài)變化模型更適用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

采用間接測(cè)量法對(duì)苜蓿葉面積進(jìn)行測(cè)定，避免了因?qū)俎Ｈ~片葉面積進(jìn)行定量計(jì)算而造成的誤差，用修正的Logistic函數(shù)對(duì)紫花苜蓿葉面積的變化特征值和生長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行模擬，建立的模型對(duì)紫花苜蓿葉面積生長(zhǎng)規(guī)律的描述簡(jiǎn)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(yù)測(cè)能力，但生長(zhǎng)中期擬合效果要好于生長(zhǎng)末期和初期，擬合的模型對(duì)紫花苜蓿生長(zhǎng)中期的預(yù)測(cè)效果更好。說(shuō)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(shí)的環(huán)境溫度不同，第二茬返青時(shí)的氣溫要明顯高于第一茬返青時(shí)的氣溫；同樣第一茬刈割時(shí)的氣溫要比第二茬刈割時(shí)氣溫高。

4 結(jié) 論

4.1 灌水周期為6 d時(shí)，灌水定額達(dá)到300 m3/hm2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時(shí)，灌水定額在小于450 m3/hm2條件下，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。

4.2 紫花苜蓿葉面積指數(shù)在灌水定額小于375 m3/hm2情況下，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)紫花苜蓿葉面積指數(shù)的影響在減小。當(dāng)灌水定額為450 m3/hm2，灌水周期為6和9 d的試驗(yàn)處理，葉面積指數(shù)差異不是太大。

4.3 紫花苜蓿葉面積指數(shù)的變化規(guī)律可以用改進(jìn)的Logistic曲線進(jìn)行擬合，在適宜灌水條件下紫花苜蓿冠層生長(zhǎng)模型為L(zhǎng)AI=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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