地下逐日滴灌棉花葉面積指數測定及動態模擬

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變化情況。[方法]通過測坑試驗，采用直接和間接方法測定棉花葉面積指數；利用LAI-2200冠層分析儀監測棉花全生育期葉面積指數，并利用修正的Logistic模型擬合全生育期棉花葉面積指數。[結果]LAI-2200在花鈴中期測定值與實測值擬合直線較蕾期前測定值擬合結果更接近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，儀器實測值與模擬值分析表明：相關系數R=0.988，標準誤差RMSE=0.266。[結論]冠層分析儀測定葉面積指數準確性與作物冠層分布均勻性有關，生育初期測定結果有一定偏差，后期測定結果與真實值相當接近；Logistic修正模型能夠較好地模擬出棉花全生育期葉面積指數發展趨勢。

關鍵詞 棉花；葉面積指數；冠層分析儀；Logistic修正模型

中圖分類號 S562 文獻標識碼 A 文章編號 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和科學研究中有廣泛應用，其中葉面積指數（Leaf Area Index，LAI）是一個重要的生態學參數，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]。葉面積指數不僅直接反映植物的生長狀況，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、碳氮循環和降水截獲等。因此，葉面積指數的快速和準確測定顯得十分重要。LAI測量方法包括直接測量法和間接測量法[2]。直接測量的方法經典、成熟，多數屬于毀壞性測量；間接測量法通過測定輻射的相關數據推斷冠層的結構特征，可以避免直接測量法所造成的破壞植被的缺點。

本研究應用LAI-2200測定棉花葉面積指數，并驗證其與直接測定的差異，通過線性關系擬合，確定LAI-2200作物葉面積指數測定修正公式。依此測定地下滴灌逐日供水條件下土壤水分狀況[3]對棉花葉面積指數變化動態，并采用Logistic修正模型進行模擬分析。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年4—9月在新疆維吾爾自治區塔里木河流域巴音郭楞管理局水利科研所（灌溉試驗站）進行（東經86°09′，北緯41°35′，海拔895～903 m），試驗區位于庫爾勒市西尼爾鎮境內，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，干旱少雨且蒸發強烈，多年平均降雨量58.6 mm，主要集中在6—8月，多年平均蒸發量2 788.2 mm，蒸降比達47.58，日照時數3 036.2 h，年平均風速2.4 m/s，最大風速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。試驗年地下水水位（7.6±0.5）m。endprint

1.2 試驗設計

供試棉花品種為新陸中55號，采用測坑試驗（2.0 m×3.3 m，有襯底和排水設施），試驗前測坑0～20 cm土壤撿出殘留地膜和雜草根系等雜質。供試土壤為砂壤土，土壤體積質量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，滴灌帶鋪設于窄行間，行距設置為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，滴灌帶為內鑲式滴灌帶，設計滴頭流量2.2 L/h，滴頭間距30 cm，埋深20 cm，每日灌水，灌水定額根據生育階段的不同設定，每次灌水時間持續2～3 h，全生育期總灌水量465 mm，灌溉定額分配計劃如表1所示。灌溉用水為地下水，平均礦化度約為2.21 g/L，試驗設3個重復。生育期內追肥量為尿素675 kg/hm2、磷酸二氫鉀150 kg/hm2。

1.3 測試項目與方法

葉面積指數采用直接測定和間接測定2種方法。測定時先用儀器測定，再進行人工測定，避免人工測定擾亂冠層空間分布影響儀器測定效果。

直接測定方法，在測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，同時統計全株葉片數，然后求得整株棉花葉面積，最后將測坑劃分為4個區域，根據測坑內各區域棉花株數求得葉片總面積，除以各區域面積得相應區域冠層的實際LAI[5]，求得4個區域LAI值，取其均值作為該測坑直接法測定結果。

間接測定方法，采用LAI-2200冠層分析儀（LI-COR，美國）在無直接輻射且光線比較均勻的條件下進行測定（陰天、晴天日出前或傍晚）。LAI-2200具有320～490 nm的感應波段，用于感應天空被遮蔽的情況，得到天空開度，進而得到在冠層覆蓋條件下的透光率，最終計算出冠層的葉面積指數。根據棉花種植模式，測定時儀器設定為ABBBB的記錄模式，即記錄1個冠層上方的數據，4個冠層下方的數據。先將探頭放置于冠層上方，保持探頭上水平泡水平，按下測定按鈕，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，按下測定按鈕，聽到2聲蜂鳴聲后記錄1個B值。4個B值點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定，儀器即根據所測A、B值自動計算出群體LAI。每個測坑隨機選擇直接測定法所劃區域的3個剖面，采用LAI-2200進行測定，所測定數據采用FV 2200軟件（LAI-2200設備數據分析軟件）進行校正、剔除無效數據，求得3個區域LAI值，取其均值作為該測坑間接法測定結果。

所有數據采用Excel 2007進行整理。

2 結果與分析

2.1 直接與間接測定葉面積指數對比分析

用直接測定法和間接測定法所獲得的結果與棉花的生育階段有關，主要表現為與棉花冠層的覆蓋相關。蕾期之前，棉花冠層發展尚未郁閉，葉面積測定結果表現為線性相關關系較好，決定系數R2達到0.946 2，但是方程斜率為0.574 7，與1.0相差較大，且截距達到0.903 5，如圖2（a）所示。花鈴中期棉花已經“封行”，再次進行葉面積指數測定對比分析，葉面積測定結果表現為線性相關關系較好，決定系數R2達到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，在棉花生長初期，植株較矮、冠層均勻性較差、行間地面裸露，此時應用LAI-2200測定葉面積指數，出現儀器測定值較實測值大的現象。在蕾期以后棉花冠層覆蓋度增大，冠層發展至趨近“封行”狀態，此時冠層均勻性有所改善、行間地面裸露面積減小，儀器測定值與實際值相當接近，具有很強的代表性。

2.2 棉花全生育期葉面積指數動態與模擬

采用LAI對地下滴灌棉花生育期葉面積指數全程監測，可見棉花在出苗后40～80 d（蕾期-花鈴中期）葉面積指數增長較快，100 d以后葉面積指數隨著棉花葉片的衰老脫落開始逐漸降低，110 d以后葉面積指數開始快速降低，測定值的變化過程如圖3所示。根據前人研究結果[6]，采用Logistic修正模型進行擬合，模型表達式如下：

式中：LAI為棉花葉面積指數；LAIm為棉花在最優環境中葉面積指數最大值；t為棉花出苗后天數；a、b、c為待定系數。

3 結論與討論

試驗結果表明，棉花生長初期冠層均勻性不高情況下測定結果與實際值差異較大；蕾期以后棉花冠層均勻性增大，測定結果與實際值差異很小。通過擬合修正后，與實測值相關度較高，可以直接用于實踐。

通過Logistic修正模型對LAI-2200所測葉面積指數進行模擬，模擬相關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發展趨勢。

植被葉片是光合作用的主要器官，葉面積指數作為生態系統的一個重要結構參數，能夠反映植物葉面數量、冠層結構變化、植物群落生命活力及其環境效應，為植物冠層表面物質和能量交換的描述提供結構化的定量信息。研究棉花群體葉面積指數的非破壞性測定方法及全生育期動態變化狀況，有助于更好地了解地下逐日滴灌棉花的生長狀況。采用LAI-2200進行棉花葉面積指數測定過程需要考慮棉花的生育時期及生長狀況。對不同生育時期棉花進行群體葉面積指數測定（以棉花是否“封行”進行劃分），測定結果與實測值之間的差異和田間冠層覆蓋狀況變化相關，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定值校正模型，這一結果與賀昆侖等[1]在棉花不同種植密度條件下采用LAI-2200測定葉面積指數的結果相似。可見采用LAI-2200在考慮棉花“封行”狀況的分階段測定葉面積指數是有效的。對于棉花行間逐漸“封行”過程中，即隨覆蓋度的變化情況，模型參數的變化情況還需進一步研究。endprint

4 參考文獻

[1] 賀昆侖，杜明偉，田曉莉，等.棉花種植密度對LAI-2200植物冠層分析儀測定葉面積指數的影響[J].作物雜志，2015（5）：123-127.HE Kunlun，DU Mingwei，TIAN Xiaoli，et al.Effect of cotton planting density on the estimation of leaf area index using the LAI-2200 plant canopy analyzer[J].Crops，2015（5）：123-127.

[2] 吳偉斌，洪添勝，王錫平，等.葉面積指數地面測量方法的研究進展[J].華中農業大學學報，2007，26（2）：270-275.WU Weibin，HONG Tian-sheng，WANG Xiping，et al.Advance in Ground-based LAI Measurement Methods[J].Journal of Huazhong Agricultural University，2007，26（2）：270-275.

[3] 陳紹民，張勝江，曹偉.不同灌溉方式對土壤水分及棉花光合特性的影響分析[J].灌溉排水學報，2016，35（6）：26-30.CHEN Shaomin，ZHANG Shengjiang，CAO Wei.Effects of Soil Moisture and Cotton Photosynthetic Characteristics under Different Irrigation Methods[J].Journal of Irrigation and Drainage，2016，35（6）：26-30.

[4] TSIALTAS J T，KOUNDOURAS S，ZIOZIOU E.Leaf area estimation by simple measurements and evaluation of leaf area prediction models in Cabernet-Sauvignon grapevine leaves[J].Photosynthetica，2008，46（3）：452-456.

[5] 朱高龍.基于LAI-2200的草地LAI測量與聚集度系數分析[J].農業機械學報，2016，47（5）：307-314.ZHU Gaolong.Validation of Grassland Leaf Area Index and Clumping Index Retrievals form LAI-2200[J].Transactions of The Chinese Society of Agricultural Machinery，2016，47（5）：307-314.

[6] 吳立峰，張富倉，王海東，等.新疆棉花虧缺灌溉葉面積指數模擬研究[J].農業機械學報，2015，46（1）：249-258.WU Lifeng，ZHANG Fucang，WANG Haidong，et al.Simulation of Cotton Leaf Area Index under Deficit Irrigation in Xinjiang[J].Transactions of The Chinese Society of Agricult-ural Machinery，2015，46（1）：249-258.endprint