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1、不同灌水量下新疆高产棉花冠层结构分析研究及产量初报新疆农业科学2005,42(2):7782XinjiangAgriculturalSciences不同灌水量下新疆高产棉花冠层结构分析研究及产量初报张伟,吕新,朱芸,曹连莆(新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室,新疆石河子832003)摘要:主要讨论了北疆棉区推广棉种新陆早l2号与新陆早l3号在不同灌水量条件下冠层结构特征的差异,得出新陆早l3号对限量滴灌反应不敏感,而新陆早l2号对限量滴灌反应较敏感.因此在限量滴灌条件下选择新陆早l2号,适量滴灌条件下选择新陆早l3号栽培种植较为适宜.由此得出了不同品种对灌水量的反应表现及理想群体冠层结构的
2、合理指标,为增加棉花产量和提高水分利用效率提供了理论依据.关键词:不同灌水量;新疆;高产棉花;冠层结构;分析;产量中图分类号:$562.07文献标识码:A文章编号:10014330(20(O)02007706StudyonCottonCanopyStructureFactorImageAnalysisinHighyieldCottonofxinjiangatDifferentIrrigationZHANGWei,LUXin,ZHUYun,CAOHartpu(研LaboratoryofQasisEcologyAgriculture,XinjiangProductionandConstructio
3、nCorps,Sh/hhotze832003,China)Abstract:3”hispapermainlydiscussedthedifferencesofcottoncanopystructuralcharacteristicsindifferentirfigafionconditionoftheextendbreedXinluzaol2andXinluzaol3inN0rd1Xinjiangcottongrowingregion.thendiscovelthatXinluzaol2ismoresensibletolimiteddripirrigation.Bythecomparisonb
4、etweenthetwovarieties,Xinluzaol3ismoresensibletoadaptiveirrigationandcarlacquirehigheryield.ThusXinluzaol3isbetteratadapriveigationconditionandXinluzaol2isbetteratlimitedirrigationcondition.Thentheresponseofvarietiestowarddifferentirrigationandtheidealreasonableindexofcottoncanopystructurealeacquire
5、d,andtheoreticalbasisofincreasingcottonproductionandimprovingavailabilityofwaterisprovided.Keywords:differentirrigation;Xinjiang;highyieldcotton;canopystructure;analysis;yield新疆位于欧亚大陆腹地,是我国最大的荒漠半荒漠地区.荒漠中的绿洲光能丰富,温度日较差大,降水量少,光热资源优化.绿洲农业是新疆荒漠地区经济的主体,其中棉花无论是面积,单产,总产及出口量,在全国均领先.新疆农业生态与生产特点独特,国营农场规模化经营程度高
6、,机械化程度高,农业生产管理水平高,农业新技术推广快;同时,新疆为灌溉农业,各种技术措施宜于控制.这些为实施精准农业提供了得天独厚的条件.而实施精准农业的关键技术之一是数字图像处理.主要利用CI一110数字结构冠层图像分析仪研究棉花在生育进程中的冠层结构特征及其与主要影响因子之间的关系,通过研究棉花不同生育阶段中个体与群体在不同密度间的影响,为棉花冠层的图像诊断提供理论依据,对进一步在图像处理技术支持下的精准农业的实施具有重要意义.针对北疆推广棉种新陆早12,13号在不同灌水量条件下的冠层结构表现展开研究,以探索最适灌水量下的理想群体冠层结构.1材料与方法1.1试验概况田间试验于2003200
7、4年分别在石河子大学农学院实验站(44.N,86.E),农六师新湖农场(45.N,86.E)一场十连1号地一1,2号地以及15号地一3进行,图像处理及数据分析在新疆兵团绿洲生态农业收稿日期120031105;修回日期:20041209作者简介:张伟(1979一),男,新疆人,硕士研究生,研究方向为农业智能化与信息化,(Email)zhangwei2002040sina.coin.(Te1)09932314573;通讯作者:吕新(1964一),男,河北人,博士,教授,博士生导师,主要从事农业生态和农业信息化方向研究与教学,(Te1)09932057999,(Email)snolxsh.基金项目:
8、国家自然科学基金项目(30160040)?78?新疆农业科学42卷重点实验室进行.农学院田间试验地前茬为棉花,土质重壤,播前1hmz深施肥料为N210kg,P2O5150kg,试验均采用宽膜栽培,(30+60)era宽窄行种植,分别于2003年4月2628日,20O4年4月2728日布滴灌带,铺膜,膜上点播,供试棉花品种选用北疆棉区株型差异较大的新陆早12号和新陆早13号.灌水方式为膜下滴灌,田间种植方式及管道铺设方法同大田膜下滴灌棉花,1留苗22104株左右.生育期间灌水9次,用缩节胺(7.040.0g/hm2)化控3次(6月2日,6月14日和6月26日),7月17日打顶.根据不同灌水量设4
9、个处理:0(无灌量),1200m3/(限量滴灌),2400m3/hm2(适量滴灌),36OOm3/(高灌量).新湖农场3块高产田采用新陆早12号品种,常规高产栽培管理.1.2测试内容和方法冠层结构指标及棉田光量子传递特性测试时间包括棉花生长的现蕾期(出苗后35d),盛蕾期(出苗后50d),开花期(出苗后65d),盛花期(出苗后80d),结铃前期(出苗后95d),盛铃后期(出苗后110d),吐絮期(出苗后125d),收获期(出苗后140d),冠层结构指标用美国CID公司生产的CI一110数字式冠层结构分析仪测定,测定时间20:0022:00,在田间将安装有鱼眼探测头的观测棒定点在行间中央,调好水
10、平,并从计算机显示屏上观察无人影等其它外界影响时开始拍照,每处理测定46个点(分宽,窄行),通过计算机图像数字化处理及专用软件分析后,采集到冠层叶面积指数,散射辐射透过系数,直接辐射透过系数,平均叶簇倾斜角度,消光系数,叶分布等参数L2J.2结果与分析2.1不同灌水量对叶面积指数的影响叶面积指数LAI(kafAreaIndex)是指单位地面积上某一指定层次内所包含的总的叶面积,它通常是指作物群落内从地面到层顶的叶总面积.不同灌水量对棉花冠层的生长有较大的影响,水分充足情况下棉花生长较快,叶面积指数LAI高L3J,试验证明,2400m3/的灌水量使棉株具有最高的叶面积指数,与以往的研究结果相同.
11、随着灌水量的进一步增加或减少,叶面积指数都有下降的趋势,故而灌水量过高或过低都对最大叶面积指数的出现不利.同时新陆早12号的LI值普遍稍高于新陆早13号的LI值.棉田LAI值在8月初达到最大,高值范围在2.3714.107.新陆早12号在盛花期达到3.812的较高水平,在盛铃期达到4.107的最高值,以后至吐絮盛期不断下降;新陆早13号的在盛花期达到较高值,在盛铃期达到高峰,值为3.973,在整个生育期内变化较为平稳.在灌水量12OOm3/hm2条件下,新陆早12号的LAI值高于新陆早13号,而在24OOm3/处理中新陆早13号的LAI值高于新陆早12号.图12.A.-B4.5r43.532.
12、521.5l0.5035506580951l0125140出苗后天数Daysafteremergence(d)A:新陆早12号0m3/hrA:Xinluzaol2,0m/hm2B:新陆早12号1200m3/hrA:Xirduzaol2.1200m3/hmC:新陆早12号240O/hA:Xinluzaol2,24o0/hD:新陆早12号36OO/hA:Xinlurol2.36()0m3/hn下同thexa丌1easbel0w图1不同灌水量对不同生育期新陆早12号叶面积指数的影响Fig.1EffectofdifferentirrigationonleafareaindexofXinluzaol2a
13、tdifferentgrowthstagesJ籁随L3550658095110125l40出苗后天数Daysafteremergence(d)A:新陆早13号0m3/hA:Xinluzaol3.O/hB:新陆早13号1200m3/hA:Xinluzaol3.1200m3/hC:新陆早13号2400/hA:Xinluzaol3.2400/113/hD:新陆早13号3600m3/hA:Xinlumol3.3600m/h下同thexarnea8below图2不同灌水量对不同生育期新陆早l3号叶面积指数的影响Fig.2Effectofdifferentirrigationonleafareaindex
14、ofXinluzaol3atdifferentgrowthstages5453525l50432102期张伟等:不同灌水量下新疆高产棉花冠层结构分析研究及产量初报?79.2.2不同灌水量对棉花群体冠层结构的影响2.2.1对平均叶簇倾斜角度的影响平均叶簇倾斜角MFIA(MeanFoliageIncfinationAne)是指叶面法线方向与Z轴方向的夹角,即叶片与水平面的夹角(平均叶簇倾斜角为叶片与主茎间的夹角),以叶片倾斜程度的不同将作物划分为”直立型”,”平伸型”等株型,认为上层叶片直立,下层叶片平伸是较为理想的株型J.试验表明,在不同灌水量条件下平均叶簇倾斜角在无灌量一限量滴灌一适量滴灌一高
15、灌量时明显表现出有较小一变大一变小的趋势,叶倾角在8月中上旬达最低值,此阶段叶片由平展变为直立,利于透光,是较为合理的结构,使叶片截获更多的光能;出苗后130d左右(即吐絮后期至收获期)由于绿叶面积减少,叶倾角增大,叶片向平展型发展,同时新陆早l3号的MFIA值均大于新陆早l2号.图34蒌出苗后天数Daysafteremergence(d)图3不同灌水量对不同生育时期新陆早12号平均叶簇倾斜角度的影响Fig.3Effectof衄erentirrigationonmeanfoliageinclirmtangleofXinluTnol2atdifferentgrowthstages一a一bc一0d
16、70r6055O征量40302O1O03550658O出苗后天数Daysafteremergence(d)图4不同灌水量对不同生育时期新陆早13号平均叶簇倾斜角度的影响Fig.4E伍ectof衄erentirrigationonmeanfoliageinclinatangleofXinluzaol3at衄erentgrowthstages2.2.2对散射辐射透过系数的影响散射辐射是指太阳辐射以散射的形式到达地面的辐射,对光合作用有较大的辅助作用.试验表明由于灌水量的增加使棉花叶倾角度变小,散射辐射透过系数TC(TransmissionCoefficientforDiffusePenetrati
17、on)减小,其中又以盛铃期1值最低.在高灌水量情况下新陆早l3号的1值小于新陆早12号的TC值.图560.80.7捌0.60.5臻0.4拯0.30.2O.1-A.卜-B,_3550658O95llOl2jl0出苗后天数Daysafteremergence(d)图5不同灌水量对不同生育时期新陆早l2号散射辐射透过系数的影响Fig.5Effectof衄erentirrigationontransmollcoefficientfordiffusepenetrationofXinluzaol2atdifferentgrowthstages-a.卜-b0.8O.70.60,5杂O.4O30,20?13出
18、茁后天数Daysafteremergence(d)图6不同灌水量对不同生育时期新陆早l3号散射辐射透过系数的影晌Fig.6EffectofdifferentirrigationontransmissioncoefficientfordiffusepenetrationofXinluzaol3atdirentgrowthstages?8O?新疆农业科学42卷2.2.3对直接辐射透过系数的影响直接辐射是指太阳辐射以平行光的方式到达地面的辐射,是光合作用的主要成分.当灌水量较小时棉花叶倾角较大,直射辐射透过系数T(TransmissionCoefficientfremergence(d)图7不同灌水
19、量对不同生育时期新陆早12号直射辐射透过系数的影响Fig.7EffectofdifferentirrigationontransmissioncoefficientforradiafionpenetrationofXinluzaol2atdifferentgrowthstages2.2.4对叶分布的影响0.6_a.卜_b0.5.一聂骂0.4蝌蚕0.3接0.2O.1一一一一一355O658O951l0125140出苗后天数Daysafteremergence(d)图8不同灌水量对不同生育时期新陆早13号直射辐射透过系数的影响I.8EffectofdifferentirrigationOiltra
20、rrmatoncoefficientforradiationpenetrationofYanhamol3atdirentgrowthstages叶分布LD(IDistribution)是指作物叶片在植株上不同层次,不同方位角中的分布.不同品种在不同方位角中的叶分布比例是不一样的.总体上看,在灌水量24OOm3/hm2的处理下两品种在0o360.内叶分布均较为均匀,但在灌水量3600m3/hm2处理下两品种在OO360o内叶分布均呈现不规则状态,这是因为灌水量过高,叶片相互重叠紧密造成冠层密闭严重.在适量滴灌条件下新陆早l2号在0o360全方位内叶分布比例较新陆早13号的高.图910+A一-_-
21、BCD_-a一-_-b.c.dL一一L一J090180270360不同方位角中叶分布的动态变化Dynamicvarietyofleafdistributionatdifferentazimuth.gle图9不同灌水量对不同生育期新陆早12号叶分布的影响.9EffectofdifferentirrigaUonOilleafdistributionofXinluzaol2atdifferentgrowthstaes0.0.0.暑0.O.0.0.0.O.090i80270360不同方位角中叶分布的动态变化Dynamicvailety0fleafdistributionatdifferentazimu
22、thang】e图1O不同灌水量对不同生育期新陆早13号叶分布的影响rig.10EffectofdifferenthlonOilleafdistributionofXinlun13atdifferentgrowthstagesI_.5432J,裁捌按驿删2期张伟等:不同灌水量下新疆高产棉花冠层结构分析研究及产量初报.81?2.2.5对消光系数的影响消光系数K(E)【dnetionCoefficient)是描述作物群体中叶面积遮荫程度或者消弱辐射(光)程度的参数,它反映了不同叶片空间取向和不同太阳辐射入射方向下群体中叶面积对太阳直接辐射的消弱能力.K表示在一定方向的入射平行光下在作物群体或某一水平
23、层内,平均单位叶面积所形成的水平阴影面积.K反映了群体结构,好的株型K值较小I引.当果枝与主茎夹角由下而上逐渐减小时可使冠层结构疏朗,中,下层光照条件得到改善,冠层消光系数下降I,也即上层叶直立而下层叶水平的这种组合具有最低的消光系数.试验表明,棉田合理的消光系数应是从上层至下层逐渐增大,同时新陆早13号的K值较新陆早12号所对应的K值低.表1表1新陆早12号与新陆早13号消光系数(K)的变化值Tlable1VariationofExtinctionCoefficientofXinluzaol2andXinluzao132.4不同灌水量对产量及产量构成因素的影响不同灌水量条件下,棉花籽棉产量以
24、新陆早13号为最高,新陆早12号为次,高灌量条件下新陆早l2号最低,表明新陆早13号能较好适应适量灌量条件,新陆早12号相对更适宜于限量灌量条件,进一步考察其产量构成因素,两品种的单株结铃数均表现为适量灌量>限量灌量>高灌量>无灌量;单铃重的变化则表现为,新陆早13号适量灌量>高灌量>限量灌量,而新陆早12号限量灌量相对大于适量灌量和高灌量,因此在适量灌量条件下选择新陆早13号,限量灌量田间下选择新陆早l2号能获得较高产量.同时还发现高灌量下产量降低明显,说明灌水量达到一定程度,产量可达最高值,如果再继续增加灌量,产量反而会下降.从不同灌水量对产量的反应差异可以看
25、出,在新疆针对不同灌水量开展品种选育,实行节水灌溉是有潜力的.表2表2不同灌水量处理棉花的产量及产量结构Table2Yieldandyieldstructureatdifferentirrigation3结论与讨论3.1试验采用CI一110作物冠层映像仪测定作物冠层结构特征主要是通过CI一110的鱼眼成像原理,将CI一110水平放置在近地面处对作物群体照相,每次成像形成一个Image文件,存储在仪器中,由专门的串行口下载到计算机作物冠层分析软件进行映像分析,通过计算光透射系数或冠层以下可见光的比例来计算相关的参数.该映像分析仪采集数据准确迅速,测定项目较全,是当今世界先进的作物信息采集和图像处
26、理系统,可用于棉田冠层特征的诊断.应用这一方法测定的叶面积指数避免了室内测定不能考虑平均叶簇倾斜角度,破坏性强,费时费力的缺陷8】.3.2不同的棉花品种其冠层特征不同.新陆早12号叶面积指数大,叶倾角较小,透光率较低,相对容易构建理想高产群体模式,同时应注意群体控制,进行限量灌溉,避免偏旺;新陆早13号由于株型紧凑,?82?新疆农业科学42卷叶面积指数小,叶倾角大,透光率较高,消光系数较低,相对不易形成丰产群体结构,故应注重形成大群体,进行适量灌溉,同时加强后期管理.根据不同的品种特性制定栽培措施,创造合理群体.3.3通过两年(20032004年)的试验观测,图像处理及数据统计分析,发现各项指
27、标(LAI,MFIA,TC,T,K,LD)的平均值与两年中各项的实测值差异很小,这说明年度间差异并不大.不同灌量处理(相同施肥状况)下的棉花冠层表现亦有所不同.土壤水分在影响棉株生长的同时,使棉花平均叶簇倾斜角度发生了变化,平均叶簇倾斜角度的变化又影响叶片对光的截获.棉花未滴水前,土壤含水量相同,新陆早13号的平均叶簇倾斜角度大于新陆早12号,滴水后不同处理间出现明显差异.限量灌量条件下棉田土壤水分亏缺,致使叶面积指数降低,叶片平均倾斜角度增大.滴水后不同处理间出现明显差异,群体散射辐射透过系数和群体直射辐射透过系数增加,消光系数增加,对光能的截获率降低;适量灌量条件下土壤水分充足,叶面积指数
28、高,叶片平均叶倾角度小,群体散射辐射透过系数和群体直射辐射透过系数降低,消光系数减少,对光能的截获率增加.资料表明,作物根区水分变化必然导致根系生长受影响,对于不同品种,限量灌量下可选择新陆早12号种植,水分充足条件下种植新陆早13号可获较高产量.3.4新疆高产棉区不同灌量条件下(花铃期)理想的群体冠层结构指标为:适量灌量条件下叶面积指数为3.03.6,冠层平均叶簇倾斜角度为31.36.,散射辐射透过系数为0.180.25,直射辐射透过系数为0.190.31,消光系数上层为0.300.36,中层0.360.63,下层0.631.00;限量灌量条件下叶面积指数为2.23.1,冠层平均叶簇倾斜角度
29、为35.40,散射辐射透过系数为0.200.32,直射辐射透过系数为0.220.36,消光系数上层为0.310.36,中层0.360.74,下层0.741.00.参考文献:1张立桢,潘学标,李亚兵,等.棉花不同群体冠层特征的映像分析J.棉花学报,1998,10(3):140145.2张旺峰,王振林,余松烈,等.膜下滴灌对新疆高产棉花群体光合作用冠层结构和产量形成的影响J.中国农业科学,2OO2,35(6):632637.33吕新.李正尚,李正和,等.北疆超高产(24OOk)棉田冠层结构指标初步研究(简报)J.石河子大学学报(自然科学版),1998:1071o8.4裴炎,邱晓,刘明钊.棉花冠层结
30、构及光合作用研究J.作物学报.1988,14(3):214220.5吕新,白萍,王克如.不同棉花品种群体冠层构成分析J.中国棉花,2001,28(4):1415.6郑有飞.棉花的光能利用J.中国棉花,1991,(3):2122.7刘殿英,黄炳如,董庆裕.土壤水分对冬小麦根系生长的影响J.山东农业大学学报,1991,22(2):356363.8吕新,张伟,王登伟,等.棉花冠层对不同灌水量的反应J.棉花学报,20O4,16(1):2125.本刊获中国科技信息研究所中国核心期刊(遴选)数据库收录证书“万方数据一数字化期刊群”属国家”九五”重点科技攻关项目,是专门收录中国核心期刊的大型数据库系统.她由
31、国家科技部组织实施,中国科技信息研究所万方数据股份有限公司具体操作运行.自1998年开发运作以来,集纳了2500种学术期刊的全文内容,其中既包容自然科学类期刊,又吸纳人文社会科学类期刊,中国科技论文统计源的核心期刊达96%以上,成为国家遴选和评价中国核心期刊的重要依据.“万方数据一数字化期刊群”不仅通过因特网向全球宣传和传播中国核心期刊,而且向国际着名检索机构推介中国优秀期刊,是中国期刊国际化的重要途径.“万方数据一数字化期刊群”不仅是我国核心期刊(遴选)数据库系统,还是首家网上中文期刊出版联盟.在此,本刊编辑部特向多年来关心和支持我们工作的各级领导,作者,审稿专家以及广大读者表示衷心感谢.我们将继续努力工作,不断提高刊物质量,把最好的文章奉献给社会.新疆农业科学编辑部
