本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)作物節(jié)水技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種基于葉面積增長(zhǎng)模型制定作物灌水策略的方法。
背景技術(shù)：
中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，更是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國(guó)家，而水資源又是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展同時(shí)也面臨著缺水危機(jī)。如何從戰(zhàn)略高度和可持續(xù)發(fā)展角度有效地保護(hù)和合理利用有限的農(nóng)業(yè)灌溉水資源，已成為我國(guó)研究的重要課題。節(jié)水灌溉，就是改變千百年來(lái)人們澆地的傳統(tǒng)習(xí)慣，把澆地變?yōu)闈沧魑铮凑兆魑锏淖罴研杷窟M(jìn)行合理灌溉，用少量的水取得較高的效益，是使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的有效措施。傳統(tǒng)上，作物水分需求關(guān)鍵期和臨界期、農(nóng)田土壤水分消耗或者冠層溫度等信息通常被作為制定灌水時(shí)間和灌水量的依據(jù)。但這些方法通常受環(huán)境、地理等因素的限制，或者主要依靠經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法充分考慮到土壤類(lèi)型和作物自身水分利用狀況，容易導(dǎo)致灌溉過(guò)量或供水不足。
近來(lái)，作物對(duì)干旱的生理響應(yīng)信息在節(jié)水灌溉中應(yīng)用的研究逐漸引起重視，在充分利用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，結(jié)合作物自身抗旱潛力，改良灌水策略，可以提高水分利用效率。葉片萎蔫程度、葉片水勢(shì)、莖水勢(shì)、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、葉片含水率、莖直徑等指標(biāo)經(jīng)常被作為獲取植物水分虧缺信息的依據(jù)，然而，這些指標(biāo)不能直接反映植物的生長(zhǎng)狀況，且其測(cè)定過(guò)程稍顯復(fù)雜，成本較高。
葉片作為有機(jī)物質(zhì)生產(chǎn)的主要器官，其面積的大小及光合作用的強(qiáng)弱對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有重要影響。在形態(tài)上，干旱條件下單株總?cè)~面積和各部位葉片的面積與水分充足條件下生長(zhǎng)的植株相比均有所降低，雖然光合作用有所下降，但是因蒸騰作用而發(fā)生的水分散失同樣有所減少，該過(guò)程有利于水分利用效率的提高。干旱條件下生長(zhǎng)的植物為了彌補(bǔ)因葉片面積減小而造成的光合產(chǎn)物損失，需在同等條件下通過(guò)提高葉面積的增長(zhǎng)速率來(lái)快速提升光合有效面積，從而相對(duì)提高植物的光合效率。通過(guò)比較對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期內(nèi)葉面積增長(zhǎng)加速期持續(xù)時(shí)間與開(kāi)始測(cè)定葉面積到完成整個(gè)對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期所需時(shí)間的比值，獲取葉面積增長(zhǎng)速率升至最大所需相對(duì)時(shí)間，有助于準(zhǔn)確評(píng)估植物的生長(zhǎng)狀況，為作物灌水策略的研究提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供了一種基于葉面積增長(zhǎng)模型制定作物灌水策略的方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中測(cè)定過(guò)程較為復(fù)雜、成本較高、無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的不足，解決了現(xiàn)有技術(shù)中不能簡(jiǎn)化測(cè)定作物灌水策略的難題。
本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：
一種基于葉面積增長(zhǎng)模型制定作物灌水策略的方法，包括以下步驟：
步驟一，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用同樣規(guī)格的穴盤(pán)萌發(fā)植物種子，配制培養(yǎng)液培養(yǎng)植物幼苗，至3葉期以上，隨機(jī)選擇生長(zhǎng)長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗作為被考察植物幼苗；
步驟二，被考察植物幼苗分別培養(yǎng)在不同干旱脅迫水平的培養(yǎng)液中培養(yǎng)10天以上，將不同干旱脅迫水平的培養(yǎng)液依次復(fù)水至相對(duì)較低干旱脅迫水平的培養(yǎng)液，被考察植物幼苗在相對(duì)較低干旱脅迫水平的培養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)1周以上，以此設(shè)計(jì)出不同供水方案；
步驟三，從被考察植物幼苗在不同干旱脅迫水平的培養(yǎng)液中培養(yǎng)的第1天開(kāi)始，以第4完全展開(kāi)葉為考察對(duì)象，于每天同一時(shí)段測(cè)定葉片的長(zhǎng)l和寬w，葉片長(zhǎng)l和寬w的測(cè)定持續(xù)至復(fù)水后1周以上；
步驟四，將葉片的長(zhǎng)l和寬w代入預(yù)先構(gòu)建的植物葉面積計(jì)算模型，獲取不同供水方案下持續(xù)2周以上植物每天的葉面積a；
步驟五，利用四參數(shù)邏輯斯蒂方程構(gòu)建植物葉面積a與時(shí)間d的關(guān)系模型；
步驟六，利用植物葉面積a與時(shí)間d的關(guān)系模型分別獲取不同供水方案下葉面積增長(zhǎng)速率升至最大所需的相對(duì)時(shí)間rtgrm；
步驟七，由不同供水方案下葉面積增長(zhǎng)速率升至最大所需的相對(duì)時(shí)間的最小值，制定出作物的灌水策略。
進(jìn)一步，所述步驟四中植物葉面積計(jì)算模型為a＝k×(l×w)，其中k為模型常數(shù)。
進(jìn)一步，所述步驟五中植物葉面積a與時(shí)間d的關(guān)系模型為
進(jìn)一步，所述步驟六中葉面積增長(zhǎng)速率升至最大所需的相對(duì)時(shí)間rtgrm指的是：對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期內(nèi)，葉面積增長(zhǎng)加速期持續(xù)時(shí)間與開(kāi)始測(cè)定葉面積到完成整個(gè)對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期所需時(shí)間的比值，即rtgrm＝(d0-dts)/(dtlog+dts)，其中dts為開(kāi)始測(cè)定葉面積到進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期時(shí)間，dts＝d0+2d0/b；dtlog為對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期持續(xù)時(shí)間，dtlog＝-4d0/b。
進(jìn)一步，所述步驟七中制定作物灌水策略具體為：首先對(duì)比選出葉面積增長(zhǎng)速率升至最大所需的相對(duì)時(shí)間rtgrm的最小值對(duì)應(yīng)的供水方案，此方案供水前后作物所處的脅迫水平分別為作物灌水的起點(diǎn)和終點(diǎn)。
本發(fā)明的有益效果為：
1)本發(fā)明先測(cè)定植物葉片的長(zhǎng)和寬再通過(guò)葉面積計(jì)算模型來(lái)計(jì)算植物的葉面積，克服了現(xiàn)有葉面積測(cè)試技術(shù)對(duì)葉片造成較大損傷的缺陷。
2)本發(fā)明根據(jù)葉面積的動(dòng)態(tài)變化模型可以快速計(jì)算植物葉面積的增長(zhǎng)速率升至最大值時(shí)相對(duì)所需時(shí)間，測(cè)定過(guò)程簡(jiǎn)單，易于操作。
3)本發(fā)明通過(guò)對(duì)比分析植物葉面積的增長(zhǎng)速率升至最大值時(shí)相對(duì)所需時(shí)間，可以為作物灌水策略的制定提供數(shù)據(jù)支撐，不受外界環(huán)境的干擾，所得數(shù)據(jù)可靠，測(cè)定的結(jié)果精確度高。
附圖說(shuō)明
圖1為不同供水方案下甘藍(lán)型油菜葉面積隨時(shí)間變化的增長(zhǎng)曲線(xiàn)圖。
具體實(shí)施方式
下面將對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。
發(fā)明原理：
葉片作為有機(jī)物質(zhì)生產(chǎn)的主要器官，其面積的大小對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有重要影響，葉面積增長(zhǎng)速率的大小可以反映植物的生長(zhǎng)狀況。所以，葉面積隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化情況可以通過(guò)生長(zhǎng)曲線(xiàn)模型即四參數(shù)邏輯斯蒂方程進(jìn)行擬合。利用四參數(shù)邏輯斯蒂方程構(gòu)建植物葉面積a與時(shí)間d的關(guān)系模型為：
其中a0為進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的起始葉面積，a為葉面積隨時(shí)間變化的上限，d0為達(dá)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的一半時(shí)的天數(shù)，b為系數(shù)即常數(shù)。
邏輯斯蒂曲線(xiàn)通常分為5個(gè)時(shí)期：
1、開(kāi)始期，由于植物葉面積起始值很小，增長(zhǎng)緩慢，又稱(chēng)潛伏期。
2、加速期，隨葉面積的增加，增長(zhǎng)逐漸加快。
3、轉(zhuǎn)折期，當(dāng)葉面積達(dá)到飽和面積一半
4、減速期，葉面積超過(guò)飽和面積一半
5、飽和期，植物葉面積達(dá)到a值而飽和。
其中，觀察時(shí)到進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的時(shí)間為dts
dts＝d0+2d0/b(2)
對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期持續(xù)時(shí)間為dtlog
dtlog＝-4d0/b(3)
因此，植物葉面積的增長(zhǎng)速率達(dá)到最大值時(shí)相對(duì)所需時(shí)間，即
rtgrm＝(d0-dts)/(dtlog+dts)(4)
由此可知，植物葉面積的增長(zhǎng)速率升至最大值時(shí)相對(duì)所需時(shí)間rtgrm越短，其葉面積可憑借最快速度實(shí)現(xiàn)最大增長(zhǎng)速率，快速?gòu)浹a(bǔ)因葉片面積減小而造成的光合產(chǎn)物損失，對(duì)應(yīng)的供水方案就越好。
實(shí)施例：
取甘藍(lán)型油菜為研究材料，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用12孔穴盤(pán)萌發(fā)甘藍(lán)型油菜種子，配制霍格蘭培養(yǎng)液培養(yǎng)幼苗至第45天，隨機(jī)選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗作為被考察植物幼苗；添加不同濃度的聚乙二醇(polyethyleneglycol，peg6000)到霍格蘭培養(yǎng)液中，配制不同干旱脅迫水平(0、10、20、40gl-1)的培養(yǎng)液。
首先隨機(jī)選取并測(cè)定各個(gè)干旱脅迫水平下培養(yǎng)的部分甘藍(lán)型油菜葉片的長(zhǎng)l、寬w，同時(shí)利用葉面積儀測(cè)定對(duì)應(yīng)葉片的葉面積a，根據(jù)測(cè)得的葉面積和對(duì)應(yīng)葉片長(zhǎng)l與寬w的乘積計(jì)算校正系數(shù)，平均值為0.96，得出葉面積計(jì)算模型為：
a＝0.96×(l×w)(5)
具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
表1甘藍(lán)型油菜葉片的長(zhǎng)度、寬度、對(duì)應(yīng)葉片的葉面積及校正系數(shù)
分別用不同干旱脅迫水平(0、10、20、40gl-1)的培養(yǎng)液對(duì)上述45天后的甘藍(lán)型油菜幼苗同時(shí)進(jìn)行培養(yǎng)，每天更換新的相對(duì)應(yīng)的培養(yǎng)液，待甘藍(lán)型油菜幼苗培養(yǎng)12天后；將干旱脅迫水平為0、10、20、40gl-1的培養(yǎng)液依次復(fù)水至干旱脅迫水平為0、0、10、20gl-1的培養(yǎng)液，甘藍(lán)型油菜幼苗在0、0、10、20gl-1的培養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)9天，以此設(shè)計(jì)出不同供水方案為：40→20gl-1，20→10gl-1，10→0gl-1，0→0gl-1。
從甘藍(lán)型油菜幼苗在不同干旱脅迫水平培養(yǎng)液中培養(yǎng)的第1天開(kāi)始，以第4完全展開(kāi)葉為考察對(duì)象，測(cè)定其葉片長(zhǎng)度l和寬度w，每天固定在上午9：00-10：00之間測(cè)量，持續(xù)測(cè)定至復(fù)水后第9天，將葉片長(zhǎng)度l和寬度w(數(shù)據(jù)見(jiàn)表2)代入式(5)，計(jì)算不同供水方案下持續(xù)21天期間甘藍(lán)型油菜每天的葉面積a，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。
表2不同供水方案下甘藍(lán)型油菜葉片的長(zhǎng)度、寬度
表3不同供水方案下甘藍(lán)型油菜的葉面積a的變化
利用四參數(shù)邏輯斯蒂方程構(gòu)建甘藍(lán)型油菜葉面積a與時(shí)間d的關(guān)系模型，即式(1)。
通過(guò)sigmaplot軟件對(duì)甘藍(lán)型油菜葉面積a與時(shí)間d的關(guān)系進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，擬合曲線(xiàn)見(jiàn)圖1；同時(shí)可得到四參數(shù)邏輯斯蒂方程的擬合參數(shù)，即0→0gl-1為a0＝19.83，a＝52.26，b＝-1.97，d0＝6.90；10→0gl-1為a0＝23.70，a＝31.70，b＝-2.16，d0＝4.69；20→10gl-1為a0＝22.48，a＝23.57，b＝-3.57，d0＝4.57；40→20gl-1為a0＝28.52，a＝9.12，b＝-4.08，d0＝3.32；將參數(shù)值代入四參數(shù)邏輯斯蒂方程即可得到對(duì)應(yīng)的關(guān)系模型；如表4所示。
表4不同供水方案下甘藍(lán)型油菜葉面積a與時(shí)間d的關(guān)系模型
從表4可以看出，甘藍(lán)型油菜葉面積a與時(shí)間d的關(guān)系模型可以很好地表征葉面積隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)情況；由表4即可獲得不同供水方案下甘藍(lán)型油菜葉面積的增長(zhǎng)速率升至最大值時(shí)相對(duì)所需時(shí)間rtgrm(即rtgrm＝(d0-dts)/(dtlog+dts)，其中dts為觀察時(shí)到進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的時(shí)間，dts＝d0+2d0/b；dtlog為對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期持續(xù)時(shí)間，dtlog＝-4d0/b。)，如表5所示。
表5不同供水方案下甘藍(lán)型油菜葉面積的增長(zhǎng)速率升至最大值時(shí)相對(duì)所需時(shí)間
由表5可以看出，甘藍(lán)型油菜在40→20gl-1供水方案下葉面積的增長(zhǎng)速率升至最大值時(shí)相對(duì)所需時(shí)間最短，該供水方案下其葉面積可憑借最快速度實(shí)現(xiàn)最大增長(zhǎng)速率，快速?gòu)浹a(bǔ)因葉片面積減小而造成的光合產(chǎn)物損失，該方案下的供水效果最好，則其灌水策略可以制定為從土壤水勢(shì)為-0.44mpa(40gl-1)時(shí)灌水至-0.22mpa(20gl-1)。
以上說(shuō)明僅僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本發(fā)明并不限于列舉上述實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本說(shuō)明書(shū)的教導(dǎo)下，所做出的所有等同替代、明顯變形形式，均落在本說(shuō)明書(shū)的實(shí)質(zhì)范圍之內(nèi)，理應(yīng)受到本發(fā)明保護(hù)。