寒旱區不同灌水處理對紫花苜蓿葉面積指數影響研究

劉敏杰，曹 彪

(新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

作為一種優質的高植物蛋白飼草，紫花苜蓿具有耐寒、耐旱、耐鹽堿、適應性強、經濟價值高等特點，在干旱、半干旱地區農業發展中具有十分重要的地位[1]。紫花苜蓿也是一種優良的改土培肥植物，能夠吸收深層土壤水分和養分[2],成為寒旱荒漠地區飼草料基地大力發展的優良飼草之一。作物葉面積指數(Leaf Area Index，LAI)是定量描述群體水平上葉子的生長和密度變化過程重要參數，可以反映植物群體和群落生長過程[3-4]。對于追求以莖葉為高鮮草量的飼草作物，準確的估測作物的LAI有利于計算植被生物量[5]，所以研究紫花苜蓿LAI特征及其時空變化規律具有重要的意義。

作物冠層作為植物體光合、蒸騰作用等關鍵生理過程的主要載體，也是葉片生長最直接的反應。國內外通過遙感反演作物LAI的文獻較多[6-8]。然而葉面積指數利用遙感反演結果評價作物生長變化規律精度較低。國內對紫花苜蓿葉面積指數研究多集中在葉片，尺度較小，佟長福[9]定性研究了不同灌溉水平處理下紫花苜蓿葉面積指數的變化過程。張明艷[10]通過采集子葉、復葉以及真葉，研究建立了紫花苜蓿的葉面積指數動態變化Logistic模型。利用LAI-2200C測量紫花苜蓿葉面積指數,反映葉面積群體變化特征的研究目前鮮有報道。本文通過開展不同灌水處理對紫花苜蓿淺埋式滴灌試驗，研究了不同灌水條件下葉面積指數變化規律，運用經典統計方法，研究了灌水定額和灌水周期對紫花苜蓿葉面積指數的影響，擬合了合理灌水條件下，紫花苜蓿葉面積指數的變化曲線，以期為紫花苜蓿冠層變化規律提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2016年4—10月在阿勒泰地區青河縣境內的阿葦灌區實施。阿葦灌區位于準噶爾盆地東北部，阿勒泰山東南麓，海拔平均高度1137 m。試驗區氣候屬于大陸性北溫帶干旱氣候，高山高寒，空氣干燥，冬季漫長寒冷，風勢較大，夏季酷熱，年降雨量小，蒸發量大。當地極端最低氣溫為-53 ℃，最高氣溫為36.5 ℃；年平均氣溫1.3 ℃，年均降水量189.1 mm，蒸發量1367 mm(小型蒸發)，無霜期平均為103 d。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%，根據土壤質地分類標準，試驗區土壤80 cm以上部分為輕礫石粗砂土，80～100 cm為中礫石粗砂土。試驗地土壤黏粒含量較少，以粗沙、細沙為主，土壤孔隙多，黏性小，土壤通氣透水性強，蓄水保肥能力較差，容易受到干旱侵襲。

1.2 試驗設計

試驗苜蓿為2012年8月份播種的當地主栽紫花苜蓿品種“阿爾岡金”。苜蓿行距為30 cm，毛管采用大禹節水集團股份有限公司生產的可以防負壓的內鑲貼片式滴灌帶，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。試驗設3個灌水定額，分別為：300 m3/hm2、375 m3/hm2、450 m3/hm2；3個灌水周期，分別為：6 d、9 d、12 d。共9個處理，重復一次，試驗各處理的設計及對應的灌水量見表1。每個試驗小區長30 m左右，寬2.4 m。試驗設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，所以降雨未對試驗計劃產生影響。試驗區地下水位較深，無地下水補給。試驗各處理分別在分枝期和現蕾期統一隨水畝施磷酸二氫鉀10 kg，畝施尿素5 kg。由于試驗區位于干旱荒漠地區，氣候干冷，溫度回升緩慢，全年無霜期較短，當地紫花苜蓿全年只能刈割兩茬，本次試驗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，試驗認為各處理土壤含水率初始水平相同。試驗區紫花苜蓿約在4月底開始返青，試驗于5月3日灌第一次水，5月19日結束灌水，灌水歷時45 d。

圖1 毛管布置示意圖

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

1.3 測量儀器與方法

紫花苜蓿葉面積指數采用LAI-2200C測定。LAI-2200C是通過一個視角為 148°的 “魚眼”光學傳感器(或稱為“魚眼”鏡頭 )，從5個不同角度的天頂角方向測定冠層上、下光強的變化，通過測定幾個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，并通過建立的冠層內輻射傳播模型來計算冠層的葉面積指數(LAI)。LAI-2200C測量葉面積指數屬于葉面積指數間接測量法的一種，采用LAI-2200C測量葉面積指數，具有快速、對作物葉片無損傷、對觀測對象可重復測量等特點，缺點是容易受天氣影響[11]。

為了保證測量數據的準確，最理想測量時間是太陽在地平線以下(日出前或日落后)，或者在晴朗無云的時間段。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。紫花苜蓿認為是低矮均一的冠層，所以選擇使用270°視眼遮蓋帽，在每個處理的中間行，測量點位置連線近似S形，讀取冠層上1個A值和冠層下5個B值。 重復測量三次，求LAI均值，即為該處理的葉面積指數。然后對測得數據進行相關性統計分析。

1.4 數據處理與分析

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計分析。其中差異顯著性分析采用LSD法。利用Origin8.5.1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動態變化過程如圖2所示。由圖可知：葉面積指數變化趨勢大體相似，基本變化規律為較緩慢生長—快速生長—緩慢下降。第一茬紫花苜蓿在分枝期后期、現蕾期生長較快，返青期和開花期生長較緩慢。灌水周期為6 d時，不同灌水定額，紫花苜蓿葉面積指數差異不大；灌水周期為9 d時，灌水定額越大，葉面積指數越大，紫花苜蓿在生育后期葉面積指數快速降低，說明紫花苜蓿在初花期表現出一定水分虧缺，灌水不能滿足后期紫花苜蓿植株對水分的需求；灌水周期為12 d時，亦表現出灌水定額越大，葉面積指數越大的規律，但是葉面積指數在現蕾后期開始下降，說明灌水周期為12 d，灌水定額為450 m3/hm2都達不到紫花苜蓿葉面積指數正常生長的需要。綜上所述：灌水周期為6 d時，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，紫花苜蓿受灌水定額作用的影響明顯。灌水定額越大，葉面積指數越高。

圖2 灌水定額對紫花苜蓿葉面積指數的影響

2.2 灌水周期對紫花苜蓿葉面積指數動態變化的影響

當灌水定額分別為300 m3/hm2、375 m3/hm2、450 m3/hm2時，不同灌水周期紫花苜蓿葉面積指數動態變化過程如圖3所示。由圖3可知：同一灌水定額，灌水周期越短，葉面積指數越大。灌水定額為300 m3/hm2時，不同灌水周期葉面積指數值差異極顯著；這是由于灌水量小，灌水周期長，導致植株缺水，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，葉面積指數下降。灌水定額為375 m3/hm2時，不同灌水周期葉面積指數值差異較顯著；灌水定額為450 m3/hm2時，不同灌水周期葉面積指數值差異較顯著。綜上所述，紫花苜蓿葉面積指數在同一灌水定額下，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。

圖3 灌水周期對紫花苜蓿苜蓿葉面積指數的影響

2.3 灌水周期和灌水定額對紫花苜蓿葉面積指數影響主體效益分析

根據試驗植株調查，紫花苜蓿整個生育期各生育階段劃分見表2。

對各生育階段葉面積指數進行方差分析，方差分析采用F檢驗的方法，差異性檢驗值見表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紫花苜蓿各生育期葉面積指數影響主體間效應檢驗

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)，說明紫花苜蓿在返青期葉面積指數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)，說明紫花苜蓿葉面積指數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生長模型

本次試驗紫花苜蓿于6月20日刈割。圖4為不同試驗處理下紫花苜蓿干重、濕重以及干濕比。各試驗處理中，W13濕重最大，可以達到39 653 kg/hm2；W12干重最大，可以達到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，說明灌水周期和苜蓿產量表現出一定的相關性，即高頻率灌水產量比中等頻率灌水的產量顯著提高，中等頻率灌水的產量要大于低頻率灌水產量。由干重、濕重W21W13，說明灌水周期為6 d時，灌水定額達到450 m3/hm2，不利于紫花苜蓿干物質的形成。同時灌水周期為6 d的試驗處理，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的試驗處理干濕比與灌水量表現正相關性。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的積累。綜上所述，干旱荒漠地區第一茬紫花苜蓿所需水量基本由灌溉補充，產量的形成受灌水量和灌水周期的影響，同時干濕比也是產量形成的一個重要因素。高頻灌水有利于紫花苜蓿的鮮物質累積，但紫花苜蓿干濕比較小，當灌水頻率小于苜蓿需水頻率時，灌水量越多，干濕比越大，越有利于苜蓿干物質積累。所以選定W12為最優產量下的適宜水分處理。

圖4 不同試驗處理下紫花苜蓿干重、濕重以及干濕比

作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[11]。

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

(1)

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

選取W12葉面積指數與生長天數的試驗數據，如表4所示。

表4 W12生育期間葉面積指數

利用Origin8.5.1軟件，對W12試驗數據進行擬合，待定系數擬合結果如表5所示，相關系數為0.998，所擬合的公式精度較高。

表5 紫花苜蓿葉面積指數生長模型參數

3 結 論

(1)灌水周期為6 d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和12 d 時，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。紫花苜蓿葉面積指數在同一灌水定額下，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在減小。

(2)紫花苜蓿葉面積指數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)葉面積指數的模擬是作物生長發育模擬的重要內容，本文利用Origin軟件，運用自定義函數擬合的方法，建立了紫花苜蓿最優產量下返青期至盛花初期葉面積指數變化的半經驗公式，模擬精度較高，能較好的反映出適宜水分下葉面積指數變化規律。