不同灌水处理对寒旱区紫花苜蓿叶面积指数的影响

曹 彪，白云岗，陈俊克，肖 军

(1.新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049；2.河海大学水利水电学院，江苏南京 210098)

0 引 言

【研究意义】叶面积指数(Leaf Area Index，LAI)是描述植物冠层结构的一个重要参数，可以定量地描述群体水平上叶子的生长和密度变化过程，也是进行植物群体和群落生长分析的一个重要参数[1-2]。冠层作为植物体光合、蒸腾作用等关键生理过程的主要载体，叶面积指数被作为是作物生长模型[3-4]、净初级生产力模型[5-7]、森林水文分布式模型[8]等的重要特征参量。经过多年研究，叶面积指数已经成为植物光合作用、蒸腾作用、水分利用以及构成生产力基础等方面进行群体和群落生长分析时必不可少的一个重要参数[9]。对于以获取植株为目的的饲草作物，冠层不仅是光合作用、蒸腾作用的载体，冠层的变化在一定程度上反映了饲草作物干物质累积过程，研究紫花苜蓿叶面积指数特征及其在时空变化规律具有重要意义。【前人研究进展】国内外学者对小麦、玉米和棉花的LAI变化研究较多，如刘占东等[10]通过研究新乡地区冬小麦LAI与有效积温的关系，建立了以气温估算小麦叶面积的半经验模型；乔玉辉等[11]研究认为绿叶干物质生长量和比叶面积是影响小麦LAI变化的主要因素，并建立了小麦群体叶面积指数模型；张旭东等[12]以归一化后的积温为变量，采用修正后的作物普适生长函数，拟合了黄土区夏玉米相对叶面积指数与生长期间的关系，拟合的方程具有较高的可信度；吴立峰等[13]开展了棉花水分亏缺条件下LAI动态变化及其加速衰老模拟研究，拟合的模型能够较准确地预测充分和亏缺灌溉下LAI的动态变化。模型的LAI模拟模型效果均较好，具有应用和参考价值，可为掌握作物群体发育和动态理论提供理论依据和决策支持。作为一种优质的饲草作物，国内外许多学者对紫花苜蓿的生长特性[14-15]、耗水规律[16-17]、灌溉制度[18]等做了研究。但有关紫花苜蓿LAI相关的研究较少，佟长福[19]定性研究了不同灌溉水平处理下紫花苜蓿LAI的变化过程。张明艳等[20]通过采集子叶、复叶以及真叶，研究建立了甘农1号、陇东苜蓿、天水苜蓿三个不同品种紫花苜蓿的LAI动态变化Logistic模型。【本研究切入点】紫花苜蓿作为一种密植作物，分枝数较多，叶片较小，研究具体叶片变化，尺度较小，紫花苜蓿生长群体特征的冠层变化规律还需进一步研究。研究不同滴灌灌水条件下，灌水定额和灌水周期如何影响紫花苜蓿LAI变化，确定紫花苜蓿丰产条件下作物群体发育和冠层动态变化模型。【拟解决的关键问题】分析灌水周期和灌水定额对紫花苜蓿叶面积指数的影响，确定紫花苜蓿适宜的灌水组合；研究最佳灌水条件下紫花苜蓿叶面积指数的变化规律，建立紫花苜蓿适宜灌水条件下叶面积指数生长模型，为干旱区紫花苜蓿丰产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验在阿勒泰地区青河县的阿苇灌区实施。该灌区位于准噶尔盆地东北部，阿尔泰山东南麓，地理坐标46°25′30″N，90°04′01″E，海拔1 137 m。试验区属于大陆性北温带干旱气候，冬季漫长寒冷，风势较大，夏季酷热，极端最低气温-53℃，极端最高气温36.5℃；年平均气温1.3℃，年均降水量189.1 mm，蒸发量1 367 mm，无霜期103 d。试验区土壤质地为沙土，土壤容重为1.74 g/cm3，土壤田间持水量为13.3%，地表以下80 cm为轻砾石粗砂土，80～100 cm为中砾石粗砂土。试验地土壤粘粒含量较少，以粗沙、细沙为主，该地土壤孔隙多，粘性小，土壤通气透水性强，蓄水保肥能力较差，容易受到干旱侵袭。土壤pH值为8.0，土壤肥力较低，平均有机质含量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，全钾6.78 g/kg，速效钾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 试验设计

试验于2016年4～9月进行。试验苜蓿为2012年8月播种的当地主栽紫花苜蓿品种阿尔冈金，苜蓿行距30 cm。毛管采用大禹节水集团股份有限公司生产的防负压的内镶贴片式滴灌带，滴头流量2.0 L/h，滴灌带埋深5～8 cm，毛管间距60 cm。试验采用两因素三水平的设计方法，三个灌水定额分别为300、375和450 m3/hm2；三个灌水周期分别为6、9和12 d，共9个处理，重复1次。每个试验小区长30 m，宽2.4 m。试验约定灌水周期内单次降水大于15 mm，灌水周期延长3 d；单次降水大于20 mm，下一次灌水顺延4 d；单次降水大于30 mm，下一次灌水顺延6 d。第一茬苜蓿在分枝期出现降雨最大值，5月17日单次有效降雨为8.8 mm；第二茬苜蓿生育期在8月2日降雨最大，单次有效降雨5.2 mm，所以降雨未对试验产生影响。试验区地下水位较深，无地下水补给。试验各处理分别在每一茬的分枝期和现蕾期统一随水施磷酸二氢钾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时土壤含水率主要受上一年度降雪影响，试验区紫花苜蓿约在4月底开始返青，试验于5月3日灌第一次水，第一茬紫花苜蓿6月19日结束灌水，灌水历时45 d；第二茬紫花苜蓿7月3日开始灌水，9月2日结束灌水，列出试验各处理的设计及对应的灌水量。表1

表1 试验设计
Table 1 The design of experiment

试验处理Treatment灌水周期Interval of irrigation(d)灌水定额Quota of irrigating water(m3/hm2)灌溉定额 Irrigation quotas(m3/hm2)第一茬First cutting第二差Second cutting合计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 测量指标

紫花苜蓿叶面积指数采用LAI-2200C植物冠层分析仪测定。在晴天下午19：00左右进行，同时尽量减小冠层上下读数的时间差，且保证测量时方向相同。测量时，首先进行散射校正。紫花苜蓿被认为是低矮均一的冠层，选择使用270°视眼遮盖帽，测量点选在每个处理的中间行，测量点位置连线近似s形，根据冠层仪测量规范，分别读取冠层上1个A值和冠层下5个B值，求LAI。每组试验处理重复测量3次，计算时取3次测量平均值，即为该处理的叶面积指数。

1.3 数据处理

试验数据采用Excel 2007软件进行整理和制图，采用SPSS 18.0(IBM，美国)对测得数据进行相关性统计分析。利用Origin 8.5.1软件对测得数据进行公式拟合，拟合时采用自定义函数的方法。

2 结果与分析

2.1 灌水定额对紫花苜蓿叶面积指数动态变化的影响

研究表明，3个灌水周期下不同灌水定额紫花苜蓿LAI变化趋势大体相同，呈较缓慢生长—快速生长—缓慢下降趋势。紫花苜蓿在分枝后期、现蕾期生长较快，返青期和开花期生长较缓慢，叶面积指数的变化与紫花苜蓿生长呈正相关。灌水周期6 d时，不同灌水定额紫花苜蓿叶LAI变化差异不大，其中W13叶面积指数为9.42，是全部试验处理中最大值。灌水周期9 d时，表现出灌水定额越大，叶面积指数越大的规律，紫花苜蓿在初花期时叶面积指数快速降低，反映出生育后期缺水对紫花苜蓿LAI的不利影响。灌水周期12 d时，亦表现出灌水定额越大，叶面积指数越大的规律，叶面积指数在现蕾后期开始下降，说明灌水周期12 d，灌水定额在450 m3/hm2以下都不能满足紫花苜蓿叶片正常生长的需要。灌水周期6 d，灌水定额300 m3/hm2时，紫花苜蓿LAI受灌水定额影响的作用不明显；灌水周期9和12 d时，灌水定额小于450 m3/hm2时，紫花苜蓿LAI受灌水定额影响明显，且灌水定额越大，叶面积指数越大。图1

图1 不同灌水定额下紫花苜蓿叶面积指数变化
Fig.1 Effect of irrigation quota on LAI of alfalfa

2.2 灌水周期对紫花苜蓿叶面积指数动态变化的影响

研究表明，同一灌水定额，灌水周期越短，叶面积指数越大。灌水定额300 m3/hm2时，不同灌水周期叶面积指数值差异极显著。其中W31灌水周期最大，叶面积指数最小，整个生育期，叶面积指数最大，仅达到3.47。因为灌水量小，灌水周期长，导致植株严重缺水，植株下部叶片脱落，叶片萎蔫，叶片间空隙增大，叶面积指数下降。灌水定额375 m3/hm2时，不同灌水周期叶面积指数值差异较显著，W12叶面积指数变化速度最大，W32叶面积指数变化速度最小，W12生育期最大叶面积指数是W32的1.74倍。灌水定额450 m3/hm2时，不同灌水周期叶面积指数值差异显著，叶面积指数增加速率W13最大，W33最小，生育期最大叶面积指数W13是W33的1.38倍。紫花苜蓿LAI在灌水定额小于375 m3/hm2情况下，灌水周期越短，叶面积指数越大，但随着灌水量的增大，灌水周期对紫花苜蓿影响减小。当灌水定额450 m3/hm2，灌水周期6和9 d的试验处理，叶面积指数差异不是太大。图2

图2 不同灌水周期下紫花苜蓿苜蓿叶面积指数变化
Fig.2 Effect of irrigation cycle on LAI of alfalfa

2.3 紫花苜蓿适宜灌水条件下叶面积指数生长模型

2016年试验区紫花苜蓿5月初开始返青，第一茬紫花苜蓿在6月14日植株出现开花现象，由于初花期时的苜蓿营养品质及干物质含量都很高[21]，试验紫花苜蓿选择在初花期刈割。第一茬紫花苜蓿于6月20日植株开花率达到10%，进入初花期。第二茬紫花苜蓿在7月1日开始返青，9月5日进入初花期。列出紫花苜蓿整个生育期各生育阶段时间段划分。表2

表2 紫花苜蓿各生育期时间划分
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现蕾期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，第二茬产量均低于第一茬，但灌水定额和灌水周期对两茬紫花苜蓿产量的影响基本相似。灌水周期为9和12 d时，两茬苜蓿的干重均随灌水定额的增大而增大；灌水周期为6 d时，第一茬紫花苜蓿在灌水定额为375 m3/hm2的试验处理产量最大，即W12第一茬干物质累积量最大，选取处理W12第一茬叶面积指数与生长天数的试验数据。图3，表3

图3 不同试验处理下紫花苜蓿干重
Fig.3 Dry weight of alfalfa under different treatments

植物叶面积指数随生育期的变化，符合经典的Logistic曲线或其修正形式[2,13]。

其中LAI：紫花苜蓿叶面积指数；LAImax：种群密度最大值；t：返青后的天数；a1，a2，a3：待定系数。

表3 W12生育期叶面积指数

Table3LeafareaindexofW12inthe

wholegrowthperiod

生长天数Growth days(d)叶面积指数平均值Leaf area index average150.912222.831347.461448.883509.397

利用Origin 8.5.1软件，对W12试验数据进行Logistic曲线拟合，模拟方程的系数分别为LAImax=0.978，a1=5.96，a2=-0.271，a3=0.002，拟合结果检验ReducedChi-Sqr为0.019，决定系数R2=0.998，拟合的公式精度较高。

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处理W13＇条件下可以认定为适宜的水分处理，选取紫花苜蓿第二茬处理W13＇生长期不同生长阶段叶面积指数对所拟合的模型进行检验。第二茬紫花苜蓿W13＇叶面积指数观测值和预测值比较说明所拟合的模型对适宜水分下紫花苜蓿叶面积生长变化具有较好的模拟效果。对检验结果进行数值分析，实测值和模拟值之间的相关系数r为0.96，平均绝对误差为0.372，拟合的相关系数较高，模型对于适宜灌水条件下的叶面积指数具有较好的模拟效果。图4

图4 第二茬紫花苜蓿W13＇叶面积指数观测值和预测值比较

3 讨 论

牧草的产量主要是茎叶产量，可以通过紫花苜蓿植株变化速率衡量其生物量累积的快慢。植株变化速率可以由株高、茎粗以及叶面积的变化定量描述。模拟紫花苜蓿叶面积指数在适宜灌水条件下冠层生长模型，不仅可以揭示苜蓿群体叶面积指数变化规律，为准确预测苜蓿生长和产量提高依据，还可以为判断紫花苜蓿水分亏缺提供理论指导。从水分对紫花苜蓿叶面积影响角度进行了试验研究，拟合了适宜水分条件下的紫花苜蓿叶面积指数变化规律，反映了紫花苜蓿生长群体的冠层变化规律，比张明艳等[20]通过采集子叶、复叶以及真叶，建立的紫花苜蓿的LAI动态变化模型更适用于指导生产实践。

采用间接测量法对苜蓿叶面积进行测定，避免了因对苜蓿叶片叶面积进行定量计算而造成的误差，用修正的Logistic函数对紫花苜蓿叶面积的变化特征值和生长时间进行模拟，建立的模型对紫花苜蓿叶面积生长规律的描述简明客观，且模拟精度较高，能较好的反映出适宜水分下紫花苜蓿冠层的变化规律。反映出模型具有较好的拟合度和预测能力，但生长中期拟合效果要好于生长末期和初期，拟合的模型对紫花苜蓿生长中期的预测效果更好。说明紫花苜蓿适宜水分条件下叶面积变化规律还受外界环境的影响，由于一年中第一茬和第二茬返青时的环境温度不同，第二茬返青时的气温要明显高于第一茬返青时的气温；同样第一茬刈割时的气温要比第二茬刈割时气温高。

4 结 论

4.1 灌水周期为6 d时，灌水定额达到300 m3/hm2时，紫花苜蓿叶面积指数受灌水定额作用的影响不大，灌水周期为9 d时，灌水定额在小于450 m3/hm2条件下，紫花苜蓿叶面积指数受灌水定额作用的影响明显，灌水定额越大，叶面积指数越高。

4.2 紫花苜蓿叶面积指数在灌水定额小于375 m3/hm2情况下，灌水周期越短，叶面积指数越大，但随着灌水量的增大，灌水周期对紫花苜蓿叶面积指数的影响在减小。当灌水定额为450 m3/hm2，灌水周期为6和9 d的试验处理，叶面积指数差异不是太大。

4.3 紫花苜蓿叶面积指数的变化规律可以用改进的Logistic曲线进行拟合，在适宜灌水条件下紫花苜蓿冠层生长模型为LAI=0.978/(1+exp(5.96-0.271t+0.002t2))，且该模型具有较高的精度。

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