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模型制定作物灌水策略的方法。

背景技術(shù)：

中國是農(nóng)業(yè)大國，更是一個干旱缺水嚴(yán)重的國家，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，已成為我國研究的重要課題。節(jié)水灌溉，就是改變千百年來人們澆地的傳統(tǒng)習(xí)慣，把澆地變?yōu)闈沧魑?，按照作物的最佳需水量進(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)，無法充分考慮到土壤類型和作物自身水分利用狀況，容易導(dǎo)致灌溉過量或供水不足。

近來，作物對干旱的生理響應(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，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、莖水勢、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狀況，且其測定過程稍顯復(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)弱對植物的生長發(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，該過程有利于水分利用效率的提高。干旱條件下生長的植物為了彌補(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提高葉面積的增長速率來快速提升光合有效面積，從而相對提高植物的光合效率。通過比較對數(shù)生長期內(nèi)葉面積增長加速期持續(xù)時間與開始測定葉面積到完成整個對數(shù)生長期所需時間的比值，獲取葉面積增長速率升至最大所需相對時間，有助于準(zhǔn)確評估植物的生長狀況，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模型制定作物灌水策略的方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中測定過程較為復(fù)雜、成本較高、無法準(zhǔn)確預(yù)測的不足，解決了現(xiàn)有技術(shù)中不能簡化測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)選擇生長長勢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)水至相對較低干旱脅迫水平的培養(yǎng)液，被考察植物幼苗在相對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天開始，以第4完全展開葉為考察對象，于每天同一時段測定葉片的長l和寬w，葉片長l和寬w的測定持續(xù)至復(fù)水后1周以上；

步驟四，將葉片的長l和寬w代入預(yù)先構(gòu)建的植物葉面積計算模型，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與時間d的關(guān)系模型；

步驟六，利用植物葉面積a與時間d的關(guān)系模型分別獲取不同供水方案下葉面積增長速率升至最大所需的相對時間rtgrm；

步驟七，由不同供水方案下葉面積增長速率升至最大所需的相對時間的最小值，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與時間d的關(guān)系模型為其中a0為進(jìn)入對數(shù)生長期的起始葉面積，a為葉面積隨時間變化的上限，d0為達(dá)到對數(shù)生長期一半時的天數(shù)，b為系數(shù)即常數(shù)。

進(jìn)一步，所述步驟六中葉面積增長速率升至最大所需的相對時間rtgrm指的是：對數(shù)生長期內(nèi)，葉面積增長加速期持續(xù)時間與開始測定葉面積到完成整個對數(shù)生長期所需時間的比值，即rtgrm＝(d0-dts)/(dtlog+dts)，其中dts為開始測定葉面積到進(jìn)入對數(shù)生長期時間，dts＝d0+2d0/b；dtlog為對數(shù)生長期持續(xù)時間，dtlog＝-4d0/b。

進(jìn)一步，所述步驟七中制定作物灌水策略具體為：首先對比選出葉面積增長速率升至最大所需的相對時間rtgrm的最小值對應(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)明先測定植物葉片的長和寬再通過葉面積計算模型來計算植物的葉面積，克服了現(xiàn)有葉面積測試技術(shù)對葉片造成較大損傷的缺陷。

2)本發(fā)明根據(jù)葉面積的動態(tài)變化模型可以快速計算植物葉面積的增長速率升至最大值時相對所需時間，測定過程簡單，易于操作。

3)本發(fā)明通過對比分析植物葉面積的增長速率升至最大值時相對所需時間，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，測定的結(jié)果精確度高。

附圖說明

圖1為不同供水方案下甘藍(lán)型油菜葉面積隨時間變化的增長曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面將對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，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，其面積的大小對植物的生長發(fā)育有重要影響，葉面積增長速率的大小可以反映植物的生長狀況。所以，葉面積隨時間的動態(tài)變化情況可以通過生長曲線模型即四參數(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與時間d的關(guān)系模型為：

其中a0為進(jìn)入對數(shù)生長期的起始葉面積，a為葉面積隨時間變化的上限，d0為達(dá)到對數(shù)生長期的一半時的天數(shù)，b為系數(shù)即常數(shù)。

邏輯斯蒂曲線通常分為5個時期：

1、開始期，由于植物葉面積起始值很小，增長緩慢，又稱潛伏期。

2、加速期，隨葉面積的增加，增長逐漸加快。

3、轉(zhuǎn)折期，當(dāng)葉面積達(dá)到飽和面積一半時，葉面積增長最快。

4、減速期，葉面積超過飽和面積一半后，增長變慢。

5、飽和期，植物葉面積達(dá)到a值而飽和。

其中，觀察時到進(jìn)入對數(shù)生長期的時間為dts

dts＝d0+2d0/b(2)

對數(shù)生長期持續(xù)時間為dtlog

dtlog＝-4d0/b(3)

因此，植物葉面積的增長速率達(dá)到最大值時相對所需時間，即

rtgrm＝(d0-dts)/(dtlog+dts)(4)

由此可知，植物葉面積的增長速率升至最大值時相對所需時間rtgrm越短，其葉面積可憑借最快速度實(shí)現(xiàn)最大增長速率，快速彌補(bǔ)因葉片面積減小而造成的光合產(chǎn)物損失，對應(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)選擇長勢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)選取并測定各個干旱脅迫水平下培養(yǎng)的部分甘藍(lán)型油菜葉片的長l、寬w，同時利用葉面積儀測定對應(yīng)葉片的葉面積a，根據(jù)測得的葉面積和對應(yīng)葉片長l與寬w的乘積計算校正系數(shù)，平均值為0.96，得出葉面積計算模型為：

a＝0.96×(l×w)(5)

具體數(shù)據(jù)見表1。

表1甘藍(lán)型油菜葉片的長度、寬度、對應(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)液對上述45天后的甘藍(lán)型油菜幼苗同時進(jìn)行培養(yǎng)，每天更換新的相對應(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天開始，以第4完全展開葉為考察對象，測定其葉片長度l和寬度w，每天固定在上午9：00-10：00之間測量，持續(xù)測定至復(fù)水后第9天，將葉片長度l和寬度w(數(shù)據(jù)見表2)代入式(5)，計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，計算結(jié)果見表3。

表2不同供水方案下甘藍(lán)型油菜葉片的長度、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與時間d的關(guān)系模型，即式(1)。

通過sigmaplot軟件對甘藍(lán)型油菜葉面積a與時間d的關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，擬合曲線見圖1；同時可得到四參數(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與時間d的關(guān)系模型可以很好地表征葉面積隨時間變化的動態(tài)生長情況；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速率升至最大值時相對所需時間rtgrm(即rtgrm＝(d0-dts)/(dtlog+dts)，其中dts為觀察時到進(jìn)入對數(shù)生長期的時間，dts＝d0+2d0/b；dtlog為對數(shù)生長期持續(xù)時間，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速率升至最大值時相對所需時間

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速率升至最大值時相對所需時間最短，該供水方案下其葉面積可憑借最快速度實(shí)現(xiàn)最大增長速率，快速彌補(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為-0.44mpa(40gl^-1)時灌水至-0.22mpa(20gl^-1)。

以上說明僅僅為本發(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)說明的是，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本說明書的教導(dǎo)下，所做出的所有等同替代、明顯變形形式，均落在本說明書的實(shí)質(zhì)范圍之內(nèi)，理應(yīng)受到本發(fā)明保護(hù)。