寒旱区不同灌水处理对紫花苜蓿叶面积指数影响研究

刘敏杰，曹 彪

(新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830049)

作为一种优质的高植物蛋白饲草，紫花苜蓿具有耐寒、耐旱、耐盐碱、适应性强、经济价值高等特点，在干旱、半干旱地区农业发展中具有十分重要的地位[1]。紫花苜蓿也是一种优良的改土培肥植物，能够吸收深层土壤水分和养分[2],成为寒旱荒漠地区饲草料基地大力发展的优良饲草之一。作物叶面积指数(Leaf Area Index，LAI)是定量描述群体水平上叶子的生长和密度变化过程重要参数，可以反映植物群体和群落生长过程[3-4]。对于追求以茎叶为高鲜草量的饲草作物，准确的估测作物的LAI有利于计算植被生物量[5]，所以研究紫花苜蓿LAI特征及其时空变化规律具有重要的意义。

作物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，也是叶片生长最直接的反应。国内外通过遥感反演作物LAI的文献较多[6-8]。然而叶面积指数利用遥感反演结果评价作物生长变化规律精度较低。国内对紫花苜蓿叶面积指数研究多集中在叶片，尺度较小，佟长福[9]定性研究了不同灌溉水平处理下紫花苜蓿叶面积指数的变化过程。张明艳[10]通过采集子叶、复叶以及真叶，研究建立了紫花苜蓿的叶面积指数动态变化Logistic模型。利用LAI-2200C测量紫花苜蓿叶面积指数,反映叶面积群体变化特征的研究目前鲜有报道。本文通过开展不同灌水处理对紫花苜蓿浅埋式滴灌试验，研究了不同灌水条件下叶面积指数变化规律，运用经典统计方法，研究了灌水定额和灌水周期对紫花苜蓿叶面积指数的影响，拟合了合理灌水条件下，紫花苜蓿叶面积指数的变化曲线，以期为紫花苜蓿冠层变化规律提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年4—10月在阿勒泰地区青河县境内的阿苇灌区实施。阿苇灌区位于准噶尔盆地东北部，阿勒泰山东南麓，海拔平均高度1137 m。试验区气候属于大陆性北温带干旱气候，高山高寒，空气干燥，冬季漫长寒冷，风势较大，夏季酷热，年降雨量小，蒸发量大。当地极端最低气温为-53 ℃，最高气温为36.5 ℃；年平均气温1.3 ℃，年均降水量189.1 mm，蒸发量1367 mm(小型蒸发)，无霜期平均为103 d。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%，根据土壤质地分类标准，试验区土壤80 cm以上部分为轻砾石粗砂土，80～100 cm为中砾石粗砂土。试验地土壤黏粒含量较少，以粗沙、细沙为主，土壤孔隙多，黏性小，土壤通气透水性强，蓄水保肥能力较差，容易受到干旱侵袭。

1.2 试验设计

试验苜蓿为2012年8月份播种的当地主栽紫花苜蓿品种“阿尔冈金”。苜蓿行距为30 cm，毛管采用大禹节水集团股份有限公司生产的可以防负压的内镶贴片式滴灌带，滴头流量2.6 L/h，滴灌带埋深5～8 cm，毛管间距60 cm，毛管布置如图1所示。试验设3个灌水定额，分别为：300 m3/hm2、375 m3/hm2、450 m3/hm2；3个灌水周期，分别为：6 d、9 d、12 d。共9个处理，重复一次，试验各处理的设计及对应的灌水量见表1。每个试验小区长30 m左右，宽2.4 m。试验设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，所以降雨未对试验计划产生影响。试验区地下水位较深，无地下水补给。试验各处理分别在分枝期和现蕾期统一随水亩施磷酸二氢钾10 kg，亩施尿素5 kg。由于试验区位于干旱荒漠地区，气候干冷，温度回升缓慢，全年无霜期较短，当地紫花苜蓿全年只能刈割两茬，本次试验选取第一茬紫花苜蓿，第一茬紫花苜蓿返青主要受上一年度降雪影响，试验认为各处理土壤含水率初始水平相同。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，5月19日结束灌水，灌水历时45 d。

图1 毛管布置示意图

试验处理灌水周期/d灌水定额/(m3·hm-2)灌水量/(m3·hm-2)W1163002400W1263753000W1364503600W2193001800W2293752250W2394502700W31123001200W32123751500W33124501800

1.3 测量仪器与方法

紫花苜蓿叶面积指数采用LAI-2200C测定。LAI-2200C是通过一个视角为 148°的 “鱼眼”光学传感器(或称为“鱼眼”镜头 )，从5个不同角度的天顶角方向测定冠层上、下光强的变化，通过测定几个不同天顶角度上辐射量的衰减程度，可获得叶片的分布方位等信息，并通过建立的冠层内辐射传播模型来计算冠层的叶面积指数(LAI)。LAI-2200C测量叶面积指数属于叶面积指数间接测量法的一种，采用LAI-2200C测量叶面积指数，具有快速、对作物叶片无损伤、对观测对象可重复测量等特点，缺点是容易受天气影响[11]。

为了保证测量数据的准确，最理想测量时间是太阳在地平线以下(日出前或日落后)，或者在晴朗无云的时间段。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。紫花苜蓿认为是低矮均一的冠层，所以选择使用270°视眼遮盖帽，在每个处理的中间行，测量点位置连线近似S形，读取冠层上1个A值和冠层下5个B值。 重复测量三次，求LAI均值，即为该处理的叶面积指数。然后对测得数据进行相关性统计分析。

1.4 数据处理与分析

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。其中差异显著性分析采用LSD法。利用Origin8.5.1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

灌水周期分别为6 d、9 d、12 d，不同灌水定额紫花苜蓿叶面积指数动态变化过程如图2所示。由图可知：叶面积指数变化趋势大体相似，基本变化规律为较缓慢生长—快速生长—缓慢下降。第一茬紫花苜蓿在分枝期后期、现蕾期生长较快，返青期和开花期生长较缓慢。灌水周期为6 d时，不同灌水定额，紫花苜蓿叶面积指数差异不大；灌水周期为9 d时，灌水定额越大，叶面积指数越大，紫花苜蓿在生育后期叶面积指数快速降低，说明紫花苜蓿在初花期表现出一定水分亏缺，灌水不能满足后期紫花苜蓿植株对水分的需求；灌水周期为12 d时，亦表现出灌水定额越大，叶面积指数越大的规律，但是叶面积指数在现蕾后期开始下降，说明灌水周期为12 d，灌水定额为450 m3/hm2都达不到紫花苜蓿叶面积指数正常生长的需要。综上所述：灌水周期为6 d时，紫花苜蓿受灌水定额作用的影响不大，灌水周期为9 d和12 d时，紫花苜蓿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。

图2 灌水定额对紫花苜蓿叶面积指数的影响

2.2 灌水周期对紫花苜蓿叶面积指数动态变化的影响

当灌水定额分别为300 m3/hm2、375 m3/hm2、450 m3/hm2时，不同灌水周期紫花苜蓿叶面积指数动态变化过程如图3所示。由图3可知：同一灌水定额，灌水周期越短，叶面积指数越大。灌水定额为300 m3/hm2时，不同灌水周期叶面积指数值差异极显著；这是由于灌水量小，灌水周期长，导致植株缺水，一方面植株下部叶片脱落，一方面叶片收缩，叶片间空隙增大，叶面积指数下降。灌水定额为375 m3/hm2时，不同灌水周期叶面积指数值差异较显著；灌水定额为450 m3/hm2时，不同灌水周期叶面积指数值差异较显著。综上所述，紫花苜蓿叶面积指数在同一灌水定额下，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。

图3 灌水周期对紫花苜蓿苜蓿叶面积指数的影响

2.3 灌水周期和灌水定额对紫花苜蓿叶面积指数影响主体效益分析

根据试验植株调查，紫花苜蓿整个生育期各生育阶段划分见表2。

对各生育阶段叶面积指数进行方差分析，方差分析采用F检验的方法，差异性检验值见表3。

表2 紫花苜蓿生育阶段划分

表3 灌水周期和灌水定额对紫花苜蓿各生育期叶面积指数影响主体间效应检验

注：P<0.01表示非常显著，P<0.05表示显著。

紫花苜蓿在返青期受灌水定额和灌水周期的作用不明显(P>0.05)，说明紫花苜蓿在返青期叶面积指数受灌水作用的影响很小。在分枝期、孕蕾期以及初花期受灌水定额和灌水周期的影响非常显著(P<0.01)，但受灌水定额和灌水周期交互作用的影响不显著(P>0.05)，说明紫花苜蓿叶面积指数在返青期后受灌水量或灌水周期作用影响显著。即增加灌水量或者是高频率灌水均能够促进紫花苜蓿冠层的形成。

2.4 紫花苜蓿适宜灌水条件下叶面积指数生长模型

本次试验紫花苜蓿于6月20日刈割。图4为不同试验处理下紫花苜蓿干重、湿重以及干湿比。各试验处理中，W13湿重最大，可以达到39 653 kg/hm2；W12干重最大，可以达到10 254 kg/hm2；W23干湿比最大，干湿比为0.36。由干重、湿重W11>W21>W31，W12>W22>W32，W23>W33，说明灌水周期和苜蓿产量表现出一定的相关性，即高频率灌水产量比中等频率灌水的产量显著提高，中等频率灌水的产量要大于低频率灌水产量。由干重、湿重W21W13，说明灌水周期为6 d时，灌水定额达到450 m3/hm2，不利于紫花苜蓿干物质的形成。同时灌水周期为6 d的试验处理，灌水量增大，干湿比降低，这是由于土壤水份盈余，苜蓿水分含量较高。灌水周期为12 d的处理和灌水周期为9 d的试验处理干湿比与灌水量表现正相关性。随着灌水量增大，干湿比增大。这是由于灌水周期相同，灌水量大的处理，株高较高，茎粗较大，而且叶面积指数较高，紫花苜蓿生物量积累较高。所以适宜的灌水有利于苜蓿干物质的积累。综上所述，干旱荒漠地区第一茬紫花苜蓿所需水量基本由灌溉补充，产量的形成受灌水量和灌水周期的影响，同时干湿比也是产量形成的一个重要因素。高频灌水有利于紫花苜蓿的鲜物质累积，但紫花苜蓿干湿比较小，当灌水频率小于苜蓿需水频率时，灌水量越多，干湿比越大，越有利于苜蓿干物质积累。所以选定W12为最优产量下的适宜水分处理。

图4 不同试验处理下紫花苜蓿干重、湿重以及干湿比

作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[11]。

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

(1)

式中：LAI为紫花苜蓿叶面积指数；LAImax为种群密度最大值；t为返青后的天数，d；a1,a2，a3为待定系数，R2为相关系数。

选取W12叶面积指数与生长天数的试验数据，如表4所示。

表4 W12生育期间叶面积指数

利用Origin8.5.1软件，对W12试验数据进行拟合，待定系数拟合结果如表5所示，相关系数为0.998，所拟合的公式精度较高。

表5 紫花苜蓿叶面积指数生长模型参数

3 结 论

(1)灌水周期为6 d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和12 d 时，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。紫花苜蓿叶面积指数在同一灌水定额下，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在减小。

(2)紫花苜蓿叶面积指数在返青期受灌水定额或灌水周期作用影响不显著，在返青期后灌水量或灌水周期对紫花苜蓿冠层的形成作用显著。即返青期后增加灌水量或者是减小灌水周期均有利于紫花苜蓿冠层的形成。

(3)叶面积指数的模拟是作物生长发育模拟的重要内容，本文利用Origin软件，运用自定义函数拟合的方法，建立了紫花苜蓿最优产量下返青期至盛花初期叶面积指数变化的半经验公式，模拟精度较高，能较好的反映出适宜水分下叶面积指数变化规律。