地下逐日滴灌棉花葉面積指數(shù)測(cè)定及動(dòng)態(tài)模擬

肖兵+張勝江+麥爾丹·加帕爾

摘要 [目的]分析地下滴灌每日灌水情況下棉花葉面積指數(shù)變化情況。[方法]通過測(cè)坑試驗(yàn)，采用直接和間接方法測(cè)定棉花葉面積指數(shù)；利用LAI-2200冠層分析儀監(jiān)測(cè)棉花全生育期葉面積指數(shù)，并利用修正的Logistic模型擬合全生育期棉花葉面積指數(shù)。[結(jié)果]LAI-2200在花鈴中期測(cè)定值與實(shí)測(cè)值擬合直線較蕾期前測(cè)定值擬合結(jié)果更接近1∶1漸近線；采用Logistic修正模型擬合棉花全生育期葉面積指數(shù)，儀器實(shí)測(cè)值與模擬值分析表明：相關(guān)系數(shù)R=0.988，標(biāo)準(zhǔn)誤差RMSE=0.266。[結(jié)論]冠層分析儀測(cè)定葉面積指數(shù)準(zhǔn)確性與作物冠層分布均勻性有關(guān)，生育初期測(cè)定結(jié)果有一定偏差，后期測(cè)定結(jié)果與真實(shí)值相當(dāng)接近；Logistic修正模型能夠較好地模擬出棉花全生育期葉面積指數(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 棉花；葉面積指數(shù)；冠層分析儀；Logistic修正模型

中圖分類號(hào) S562 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）02-0007-02

Cotton Leaf Area Index Measurement and Dynamic Simulation Under Daily Subsurface Drip Irrigation

XIAO Bing 1，2 ZHANG Sheng-jiang 1，2 Maierdan·Jiapaer 1，2

（1 Xinjiang Research Institute of Water Resources and Hydropower，Urumqi Xinjiang 830049； 2 Xinjiang Agriculture Water-saving Engineering Technology Research Center）

Abstract [Objective]In order to analyze the change of cotton leaf area index under the condition of daily irrigation with subsurface drip irrigation.[Method] Through test-pit experiment and used the direct and indirect methods to measure cotton leaf area index；leaf area index in the whole growth period was estimated by LAI-2200 plant canopy analyzer，the leaf area index in the whole growth period was fitted by modified Logistic model.[Result]The fitting line estimated value by LAI-2200 plant canopy analyzer and measured value closer to the 1∶1 asymptote at the blossoming stage than bud stage. The leaf area index in the whole growth period was fitted by modified Logistic model，The correlation coefficient R=0.998，standard error RMSE=0.266.[Conclusion]The results showed that the accuracy of LAI-2200 measure leaf area index related with crop canopy uniformity. The measure results had a little deviation in the early growth period，and the measure results was fairly close with real data in the late growth period. The modified Logistic model could simulate the development trend of cotton leaf area index in the whole growth period.

Key words cotton；leaf area index；plant canopy analyzer；modified Logistic model

植物冠層分析在生產(chǎn)和科學(xué)研究中有廣泛應(yīng)用，其中葉面積指數(shù)（Leaf Area Index，LAI）是一個(gè)重要的生態(tài)學(xué)參數(shù)，定義為植物葉片單面表面積之和與其覆蓋下土地面積的比值[1]。葉面積指數(shù)不僅直接反映植物的生長(zhǎng)狀況，而且影響著植物的許多生物、物理過程，如光合作用、呼吸作用、蒸騰作用、碳氮循環(huán)和降水截獲等。因此，葉面積指數(shù)的快速和準(zhǔn)確測(cè)定顯得十分重要。LAI測(cè)量方法包括直接測(cè)量法和間接測(cè)量法[2]。直接測(cè)量的方法經(jīng)典、成熟，多數(shù)屬于毀壞性測(cè)量；間接測(cè)量法通過測(cè)定輻射的相關(guān)數(shù)據(jù)推斷冠層的結(jié)構(gòu)特征，可以避免直接測(cè)量法所造成的破壞植被的缺點(diǎn)。

本研究應(yīng)用LAI-2200測(cè)定棉花葉面積指數(shù)，并驗(yàn)證其與直接測(cè)定的差異，通過線性關(guān)系擬合，確定LAI-2200作物葉面積指數(shù)測(cè)定修正公式。依此測(cè)定地下滴灌逐日供水條件下土壤水分狀況[3]對(duì)棉花葉面積指數(shù)變化動(dòng)態(tài)，并采用Logistic修正模型進(jìn)行模擬分析。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年4—9月在新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域巴音郭楞管理局水利科研所（灌溉試驗(yàn)站）進(jìn)行（東經(jīng)86°09′，北緯41°35′，海拔895～903 m），試驗(yàn)區(qū)位于庫(kù)爾勒市西尼爾鎮(zhèn)境內(nèi)，處于天山南麓塔里木盆地邊緣孔雀河沖積平原帶，屬于暖溫帶大陸性荒漠氣候，干旱少雨且蒸發(fā)強(qiáng)烈，多年平均降雨量58.6 mm，主要集中在6—8月，多年平均蒸發(fā)量2 788.2 mm，蒸降比達(dá)47.58，日照時(shí)數(shù)3 036.2 h，年平均風(fēng)速2.4 m/s，最大風(fēng)速22 m/s，年平均氣溫11.5 ℃，最低氣溫-30.9 ℃，最高氣溫42.2 ℃，≥10 ℃積溫4 121.2 ℃，無霜期191 d。試驗(yàn)?zāi)甑叵滤唬?.6±0.5）m。endprint

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試棉花品種為新陸中55號(hào)，采用測(cè)坑試驗(yàn)（2.0 m×3.3 m，有襯底和排水設(shè)施），試驗(yàn)前測(cè)坑0～20 cm土壤撿出殘留地膜和雜草根系等雜質(zhì)。供試土壤為砂壤土，土壤體積質(zhì)量1.45 g/cm3，田間持水率（體積含水率）26.98%，孔隙度41.66%，20～30 cm土層施入二銨750 kg/hm2、復(fù)合肥600 kg/hm2、硫酸鉀75 kg/hm2、尿素75 kg/hm2作底肥。其他管理與大田相同。種植模式均為一膜雙管4行，覆膜寬度1.2 m，滴灌帶鋪設(shè)于窄行間，行距設(shè)置為20 cm+45 cm+20 cm，如圖1所示；膜間距40 cm，株距10 cm。

采用地下滴灌方式，滴灌帶為內(nèi)鑲式滴灌帶，設(shè)計(jì)滴頭流量2.2 L/h，滴頭間距30 cm，埋深20 cm，每日灌水，灌水定額根據(jù)生育階段的不同設(shè)定，每次灌水時(shí)間持續(xù)2～3 h，全生育期總灌水量465 mm，灌溉定額分配計(jì)劃如表1所示。灌溉用水為地下水，平均礦化度約為2.21 g/L，試驗(yàn)設(shè)3個(gè)重復(fù)。生育期內(nèi)追肥量為尿素675 kg/hm2、磷酸二氫鉀150 kg/hm2。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目與方法

葉面積指數(shù)采用直接測(cè)定和間接測(cè)定2種方法。測(cè)定時(shí)先用儀器測(cè)定，再進(jìn)行人工測(cè)定，避免人工測(cè)定擾亂冠層空間分布影響儀器測(cè)定效果。

直接測(cè)定方法，在測(cè)坑中選擇具代表性的5株棉花，每株棉花選擇上、中、下各2片葉采用十字交叉法[4]求得葉面積，同時(shí)統(tǒng)計(jì)全株葉片數(shù)，然后求得整株棉花葉面積，最后將測(cè)坑劃分為4個(gè)區(qū)域，根據(jù)測(cè)坑內(nèi)各區(qū)域棉花株數(shù)求得葉片總面積，除以各區(qū)域面積得相應(yīng)區(qū)域冠層的實(shí)際LAI[5]，求得4個(gè)區(qū)域LAI值，取其均值作為該測(cè)坑直接法測(cè)定結(jié)果。

間接測(cè)定方法，采用LAI-2200冠層分析儀（LI-COR，美國(guó)）在無直接輻射且光線比較均勻的條件下進(jìn)行測(cè)定（陰天、晴天日出前或傍晚）。LAI-2200具有320～490 nm的感應(yīng)波段，用于感應(yīng)天空被遮蔽的情況，得到天空開度，進(jìn)而得到在冠層覆蓋條件下的透光率，最終計(jì)算出冠層的葉面積指數(shù)。根據(jù)棉花種植模式，測(cè)定時(shí)儀器設(shè)定為ABBBB的記錄模式，即記錄1個(gè)冠層上方的數(shù)據(jù)，4個(gè)冠層下方的數(shù)據(jù)。先將探頭放置于冠層上方，保持探頭上水平泡水平，按下測(cè)定按鈕，聽到2聲蜂鳴后A值記錄完畢；將探頭放入冠層下地面，仍需保持水平，按下測(cè)定按鈕，聽到2聲蜂鳴聲后記錄1個(gè)B值。4個(gè)B值點(diǎn)選擇在垂直棉花行的橫剖面上，從寬行中間至兩膜間均勻分布測(cè)定，儀器即根據(jù)所測(cè)A、B值自動(dòng)計(jì)算出群體LAI。每個(gè)測(cè)坑隨機(jī)選擇直接測(cè)定法所劃區(qū)域的3個(gè)剖面，采用LAI-2200進(jìn)行測(cè)定，所測(cè)定數(shù)據(jù)采用FV 2200軟件（LAI-2200設(shè)備數(shù)據(jù)分析軟件）進(jìn)行校正、剔除無效數(shù)據(jù)，求得3個(gè)區(qū)域LAI值，取其均值作為該測(cè)坑間接法測(cè)定結(jié)果。

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行整理。

2 結(jié)果與分析

2.1 直接與間接測(cè)定葉面積指數(shù)對(duì)比分析

用直接測(cè)定法和間接測(cè)定法所獲得的結(jié)果與棉花的生育階段有關(guān)，主要表現(xiàn)為與棉花冠層的覆蓋相關(guān)。蕾期之前，棉花冠層發(fā)展尚未郁閉，葉面積測(cè)定結(jié)果表現(xiàn)為線性相關(guān)關(guān)系較好，決定系數(shù)R2達(dá)到0.946 2，但是方程斜率為0.574 7，與1.0相差較大，且截距達(dá)到0.903 5，如圖2（a）所示?；ㄢ徶衅诿藁ㄒ呀?jīng)“封行”，再次進(jìn)行葉面積指數(shù)測(cè)定對(duì)比分析，葉面積測(cè)定結(jié)果表現(xiàn)為線性相關(guān)關(guān)系較好，決定系數(shù)R2達(dá)到0.906 9，且方程斜率為0.927 3，與1.0十分接近，且截距低至0.228，如圖2（b）所示。由此表明，在棉花生長(zhǎng)初期，植株較矮、冠層均勻性較差、行間地面裸露，此時(shí)應(yīng)用LAI-2200測(cè)定葉面積指數(shù)，出現(xiàn)儀器測(cè)定值較實(shí)測(cè)值大的現(xiàn)象。在蕾期以后棉花冠層覆蓋度增大，冠層發(fā)展至趨近“封行”狀態(tài)，此時(shí)冠層均勻性有所改善、行間地面裸露面積減小，儀器測(cè)定值與實(shí)際值相當(dāng)接近，具有很強(qiáng)的代表性。

2.2 棉花全生育期葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)與模擬

采用LAI對(duì)地下滴灌棉花生育期葉面積指數(shù)全程監(jiān)測(cè)，可見棉花在出苗后40～80 d（蕾期-花鈴中期）葉面積指數(shù)增長(zhǎng)較快，100 d以后葉面積指數(shù)隨著棉花葉片的衰老脫落開始逐漸降低，110 d以后葉面積指數(shù)開始快速降低，測(cè)定值的變化過程如圖3所示。根據(jù)前人研究結(jié)果[6]，采用Logistic修正模型進(jìn)行擬合，模型表達(dá)式如下：

式中：LAI為棉花葉面積指數(shù)；LAIm為棉花在最優(yōu)環(huán)境中葉面積指數(shù)最大值；t為棉花出苗后天數(shù)；a、b、c為待定系數(shù)。

3 結(jié)論與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，棉花生長(zhǎng)初期冠層均勻性不高情況下測(cè)定結(jié)果與實(shí)際值差異較大；蕾期以后棉花冠層均勻性增大，測(cè)定結(jié)果與實(shí)際值差異很小。通過擬合修正后，與實(shí)測(cè)值相關(guān)度較高，可以直接用于實(shí)踐。

通過Logistic修正模型對(duì)LAI-2200所測(cè)葉面積指數(shù)進(jìn)行模擬，模擬相關(guān)性較高且模型特征值具有代表性，能夠較好地模擬出棉花全生育期葉面積指數(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

植被葉片是光合作用的主要器官，葉面積指數(shù)作為生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠反映植物葉面數(shù)量、冠層結(jié)構(gòu)變化、植物群落生命活力及其環(huán)境效應(yīng)，為植物冠層表面物質(zhì)和能量交換的描述提供結(jié)構(gòu)化的定量信息。研究棉花群體葉面積指數(shù)的非破壞性測(cè)定方法及全生育期動(dòng)態(tài)變化狀況，有助于更好地了解地下逐日滴灌棉花的生長(zhǎng)狀況。采用LAI-2200進(jìn)行棉花葉面積指數(shù)測(cè)定過程需要考慮棉花的生育時(shí)期及生長(zhǎng)狀況。對(duì)不同生育時(shí)期棉花進(jìn)行群體葉面積指數(shù)測(cè)定（以棉花是否“封行”進(jìn)行劃分），測(cè)定結(jié)果與實(shí)測(cè)值之間的差異和田間冠層覆蓋狀況變化相關(guān)，尤其從行間裸露到“封行”這一過程尤為明顯。本文獲得了分階段的儀器測(cè)定值校正模型，這一結(jié)果與賀昆侖等[1]在棉花不同種植密度條件下采用LAI-2200測(cè)定葉面積指數(shù)的結(jié)果相似?？梢姴捎肔AI-2200在考慮棉花“封行”狀況的分階段測(cè)定葉面積指數(shù)是有效的。對(duì)于棉花行間逐漸“封行”過程中，即隨覆蓋度的變化情況，模型參數(shù)的變化情況還需進(jìn)一步研究。endprint

4 參考文獻(xiàn)

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