地下逐日滴灌棉花叶面积指数测定及动态模拟

肖兵+张胜江+麦尔丹·加帕尔

摘要 [目的]分析地下滴灌每日灌水情况下棉花叶面积指数变化情况。[方法]通过测坑试验，采用直接和间接方法测定棉花叶面积指数；利用LAI-2200冠层分析仪监测棉花全生育期叶面积指数，并利用修正的Logistic模型拟合全生育期棉花叶面积指数。[结果]LAI-2200在花铃中期测定值与实测值拟合直线较蕾期前测定值拟合结果更接近1∶1漸近线；采用Logistic修正模型拟合棉花全生育期叶面积指数，仪器实测值与模拟值分析表明：相关系数R=0.988，标准误差RMSE=0.266。[结论]冠层分析仪测定叶面积指数准确性与作物冠层分布均匀性有关，生育初期测定结果有一定偏差，后期测定结果与真实值相当接近；Logistic修正模型能够较好地模拟出棉花全生育期叶面积指数发展趋势。

关键词 棉花；叶面积指数；冠层分析仪；Logistic修正模型

中图分类号 S562 文献标识码 A 文章编号 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

植物冠层分析在生产和科学研究中有广泛应用，其中叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）是一个重要的生态学参数，定义为植物叶片单面表面积之和与其覆盖下土地面积的比值[1]。叶面积指数不仅直接反映植物的生长状况，而且影响着植物的许多生物、物理过程，如光合作用、呼吸作用、蒸腾作用、碳氮循环和降水截获等。因此，叶面积指数的快速和准确测定显得十分重要。LAI测量方法包括直接测量法和间接测量法[2]。直接测量的方法经典、成熟，多数属于毁坏性测量；间接测量法通过测定辐射的相关数据推断冠层的结构特征，可以避免直接测量法所造成的破坏植被的缺点。

本研究应用LAI-2200测定棉花叶面积指数，并验证其与直接测定的差异，通过线性关系拟合，确定LAI-2200作物叶面积指数测定修正公式。依此测定地下滴灌逐日供水条件下土壤水分状况[3]对棉花叶面积指数变化动态，并采用Logistic修正模型进行模拟分析。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年4—9月在新疆维吾尔自治区塔里木河流域巴音郭楞管理局水利科研所（灌溉试验站）进行（东经86°09′，北纬41°35′，海拔895～903 m），试验区位于库尔勒市西尼尔镇境内，处于天山南麓塔里木盆地边缘孔雀河冲积平原带，属于暖温带大陆性荒漠气候，干旱少雨且蒸发强烈，多年平均降雨量58.6 mm，主要集中在6—8月，多年平均蒸发量2 788.2 mm，蒸降比达47.58，日照时数3 036.2 h，年平均风速2.4 m/s，最大风速22 m/s，年平均气温11.5 ℃，最低气温-30.9 ℃，最高气温42.2 ℃，≥10 ℃积温4 121.2 ℃，无霜期191 d。试验年地下水水位（7.6±0.5）m。endprint

1.2 试验设计

供试棉花品种为新陆中55号，采用测坑试验（2.0 m×3.3 m，有衬底和排水设施），试验前测坑0～20 cm土壤捡出残留地膜和杂草根系等杂质。供试土壤为砂壤土，土壤体积质量1.45 g/cm3，田间持水率（体积含水率）26.98%，孔隙度41.66%，20～30 cm土层施入二銨750 kg/hm2、复合肥600 kg/hm2、硫酸钾75 kg/hm2、尿素75 kg/hm2作底肥。其他管理与大田相同。种植模式均为一膜双管4行，覆膜宽度1.2 m，滴灌带铺设于窄行间，行距设置为20 cm+45 cm+20 cm，如图1所示；膜间距40 cm，株距10 cm。

采用地下滴灌方式，滴灌带为内镶式滴灌带，设计滴头流量2.2 L/h，滴头间距30 cm，埋深20 cm，每日灌水，灌水定额根据生育阶段的不同设定，每次灌水时间持续2～3 h，全生育期总灌水量465 mm，灌溉定额分配计划如表1所示。灌溉用水为地下水，平均矿化度约为2.21 g/L，试验设3个重复。生育期内追肥量为尿素675 kg/hm2、磷酸二氢钾150 kg/hm2。

1.3 测试项目与方法

叶面积指数采用直接测定和间接测定2种方法。测定时先用仪器测定，再进行人工测定，避免人工测定扰乱冠层空间分布影响仪器测定效果。

直接测定方法，在测坑中选择具代表性的5株棉花，每株棉花选择上、中、下各2片叶采用十字交叉法[4]求得叶面积，同时统计全株叶片数，然后求得整株棉花叶面积，最后将测坑划分为4个区域，根据测坑内各区域棉花株数求得叶片总面积，除以各区域面积得相应区域冠层的实际LAI[5]，求得4个区域LAI值，取其均值作为该测坑直接法测定结果。

间接测定方法，采用LAI-2200冠层分析仪（LI-COR，美国）在无直接辐射且光线比较均匀的条件下进行测定（阴天、晴天日出前或傍晚）。LAI-2200具有320～490 nm的感应波段，用于感应天空被遮蔽的情况，得到天空开度，进而得到在冠层覆盖条件下的透光率，最终计算出冠层的叶面积指数。根据棉花种植模式，测定时仪器设定为ABBBB的记录模式，即记录1个冠层上方的数据，4个冠层下方的数据。先将探头放置于冠层上方，保持探头上水平泡水平，按下测定按钮，听到2声蜂鸣后A值记录完毕；将探头放入冠层下地面，仍需保持水平，按下测定按钮，听到2声蜂鸣声后记录1个B值。4个B值点选择在垂直棉花行的横剖面上，从宽行中间至两膜间均匀分布测定，仪器即根据所测A、B值自动计算出群体LAI。每个测坑随机选择直接测定法所划区域的3个剖面，采用LAI-2200进行测定，所测定数据采用FV 2200软件（LAI-2200设备数据分析软件）进行校正、剔除无效数据，求得3个区域LAI值，取其均值作为该测坑间接法测定结果。

所有数据采用Excel 2007进行整理。

2 结果与分析

2.1 直接与间接测定叶面积指数对比分析

用直接测定法和间接测定法所获得的结果与棉花的生育阶段有关，主要表现为与棉花冠层的覆盖相关。蕾期之前，棉花冠层发展尚未郁闭，叶面积测定结果表现为线性相关关系较好，决定系数R2达到0.946 2，但是方程斜率为0.574 7，与1.0相差较大，且截距达到0.903 5，如图2（a）所示。花铃中期棉花已经“封行”，再次进行叶面积指数测定对比分析，叶面积测定结果表现为线性相关关系较好，决定系数R2达到0.906 9，且方程斜率为0.927 3，与1.0十分接近，且截距低至0.228，如图2（b）所示。由此表明，在棉花生长初期，植株较矮、冠层均匀性较差、行间地面裸露，此时应用LAI-2200测定叶面积指数，出现仪器测定值较实测值大的现象。在蕾期以后棉花冠层覆盖度增大，冠层发展至趋近“封行”状态，此时冠层均匀性有所改善、行间地面裸露面积减小，仪器测定值与实际值相当接近，具有很强的代表性。

2.2 棉花全生育期叶面积指数动态与模拟

采用LAI对地下滴灌棉花生育期叶面积指数全程监测，可见棉花在出苗后40～80 d（蕾期-花铃中期）叶面积指数增长较快，100 d以后叶面积指数随着棉花叶片的衰老脱落开始逐渐降低，110 d以后叶面积指数开始快速降低，测定值的变化过程如图3所示。根据前人研究结果[6]，采用Logistic修正模型进行拟合，模型表达式如下：

式中：LAI为棉花叶面积指数；LAIm为棉花在最优环境中叶面积指数最大值；t为棉花出苗后天数；a、b、c为待定系数。

3 结论与讨论

试验结果表明，棉花生长初期冠层均匀性不高情况下测定结果与实际值差异较大；蕾期以后棉花冠层均匀性增大，测定结果与实际值差异很小。通过拟合修正后，与实测值相关度较高，可以直接用于实践。

通过Logistic修正模型对LAI-2200所测叶面积指数进行模拟，模拟相关性较高且模型特征值具有代表性，能够较好地模拟出棉花全生育期叶面积指数发展趋势。

植被叶片是光合作用的主要器官，叶面积指数作为生态系统的一个重要结构参数，能够反映植物叶面数量、冠层结构变化、植物群落生命活力及其环境效应，为植物冠层表面物质和能量交换的描述提供结构化的定量信息。研究棉花群体叶面积指数的非破坏性测定方法及全生育期动态变化状况，有助于更好地了解地下逐日滴灌棉花的生长状况。采用LAI-2200进行棉花叶面积指数测定过程需要考虑棉花的生育时期及生长状况。对不同生育时期棉花进行群体叶面积指数测定（以棉花是否“封行”进行划分），测定结果与实测值之间的差异和田间冠层覆盖状况变化相关，尤其从行间裸露到“封行”这一过程尤为明显。本文获得了分阶段的仪器测定值校正模型，这一结果与贺昆仑等[1]在棉花不同种植密度条件下采用LAI-2200测定叶面积指数的结果相似。可见采用LAI-2200在考虑棉花“封行”状况的分阶段测定叶面积指数是有效的。对于棉花行间逐渐“封行”过程中，即随覆盖度的变化情况，模型参数的变化情况还需进一步研究。endprint

4 参考文献

[1] 贺昆仑，杜明伟，田晓莉，等.棉花种植密度对LAI-2200植物冠层分析仪测定叶面积指数的影响[J].作物杂志，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] 吳伟斌，洪添胜，王锡平，等.叶面积指数地面测量方法的研究进展[J].华中农业大学学报，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] 陈绍民，张胜江，曹伟.不同灌溉方式对土壤水分及棉花光合特性的影响分析[J].灌溉排水学报，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] 朱高龙.基于LAI-2200的草地LAI测量与聚集度系数分析[J].农业机械学报，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] 吴立峰，张富仓，王海东，等.新疆棉花亏缺灌溉叶面积指数模拟研究[J].农业机械学报，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