基于莖稈直徑微變化信號(hào)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)交替溝灌玉米水分狀況

杜 斌，冉 輝，胡笑濤，王文娥，周始威

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基于莖稈直徑微變化信號(hào)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)交替溝灌玉米水分狀況

杜 斌，冉 輝※，胡笑濤，王文娥，周始威

（西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100）

為研究莖稈直徑微變化信號(hào)強(qiáng)度與交替溝灌玉米水分狀況，試驗(yàn)設(shè)置常規(guī)溝灌處理、交替溝灌高水處理和交替溝灌低水處理，研究了3種處理玉米莖稈直徑最大日收縮量（maximum daily shrinkage, MDS）、莖稈直徑日增長(zhǎng)量（daily increase, DI）與土壤含水率的關(guān)系，探討了以信號(hào)強(qiáng)度（指標(biāo)實(shí)測(cè)值與參考值的比值）診斷玉米水分狀況的可行性，并通過(guò)“信噪比”結(jié)合水分敏感性對(duì)各生育期內(nèi)MDS信號(hào)值（signal MDS, SIMDS）與DI信號(hào)值（signal DI, SIDI）適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：MDS和DI在不同生育期表現(xiàn)出顯著差異（<0.01），易受到氣象因素影響，對(duì)土壤含水率變化的響應(yīng)較弱。信號(hào)強(qiáng)度可排除氣象因素干擾，各水分處理信號(hào)值呈現(xiàn)出不同規(guī)律，交替溝灌玉米信號(hào)值高于常規(guī)處理信號(hào)值。不同生育期內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度與水分敏感性表現(xiàn)出顯著差異，拔節(jié)期內(nèi)3組處理SIDI信噪比平均值大于SIMDS，且復(fù)水后SIDI信號(hào)強(qiáng)度降低幅度平均值（51.44%）大于SIMDS（30.55%），因此SIDI是更適宜的拔節(jié)期水分診斷指標(biāo)；抽穗期內(nèi)2種指標(biāo)敏感性和信噪比相差不大，SIMDS與土壤含水率相關(guān)性更好，抽穗期應(yīng)選擇SIMDS作為水分虧缺診斷指標(biāo)。成熟期SIMDS信噪比平均值大于SIDI，復(fù)水后信號(hào)強(qiáng)度降低幅度平均值（65.12%）大于SIDI（52.78%），SIMDS更適宜作為玉米水分狀況診斷指標(biāo)。該研究可為監(jiān)測(cè)交替溝灌玉米水分技術(shù)提供技術(shù)支撐。

信號(hào)分析；灌溉；水分；日最大收縮量；日增長(zhǎng)量

0 引 言

基于作物的生長(zhǎng)特點(diǎn)，分析作物每個(gè)生育階段需水信息的適宜指標(biāo)對(duì)于優(yōu)化灌溉制度，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)，提高水分利用效率具有重要意義。多年來(lái)，針對(duì)作物莖稈直徑變化指標(biāo)的研究，大多驗(yàn)證其作為水分虧缺診斷指標(biāo)的可行性，日最大收縮量（maximum daily shrinkage，MDS）、日增長(zhǎng)量（daily increase，DI）等莖稈直徑指標(biāo)在不同作物的水分診斷上得到了驗(yàn)證[1-7]，而分析各生育階段作物水分信息診斷指標(biāo)敏感性，詳細(xì)探討作物不同生育階段最合適水分診斷指標(biāo)的研究相對(duì)較少。作物莖稈的生長(zhǎng)會(huì)隨著生育進(jìn)程而變慢，在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段和生殖生長(zhǎng)階段莖稈直徑微變化指標(biāo)有明顯差別，對(duì)于處在莖稈快速生長(zhǎng)期的作物，MDS可能不適合作為水分診斷指標(biāo)；對(duì)于處在果實(shí)生長(zhǎng)期或者成熟期生長(zhǎng)停滯時(shí)的作物，DI可能也不能用作指導(dǎo)灌溉的指標(biāo)[8-9]。作物不同生育期內(nèi)生長(zhǎng)狀況差異可能顯著影響莖稈直徑變化衍生指標(biāo)用于指導(dǎo)灌溉的潛力，因此在不同生長(zhǎng)階段宜采用不同指標(biāo)，這方面研究還較少，需要進(jìn)一步研究。

莖稈直徑變化受到作物自身發(fā)育和外界氣象因素的共同影響，當(dāng)葉片蒸騰速率大于作物吸水的速率時(shí)，作物莖稈收縮，蒸騰停止后，莖稈吸水膨脹。因此任何基于作物莖稈的水分指標(biāo)的變化規(guī)律在很大程度上取決于氣象狀況，如何排除氣象因素干擾一直是尋求理想指標(biāo)的難點(diǎn)。MDS和DI由于影響因素較多，不適于單獨(dú)作為指導(dǎo)灌溉的指標(biāo)，直接用來(lái)反映作物水分狀況誤差較大，必須通過(guò)與參考值的比較（即相對(duì)值）對(duì)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)[10-11]。信號(hào)強(qiáng)度是用充分灌溉下莖稈直徑指標(biāo)的參考值對(duì)實(shí)際生長(zhǎng)狀況測(cè)定值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化得到，可很好地消除氣象因子的影響[12]。目前信號(hào)強(qiáng)度已經(jīng)在充分供水條件下果樹上進(jìn)行了諸多研究[13-15]，但信號(hào)強(qiáng)度用于玉米等禾本作物以及在交替灌溉下指導(dǎo)作物灌溉研究相對(duì)較少。

為了評(píng)價(jià)信號(hào)強(qiáng)度能否應(yīng)用于交替溝灌玉米的水分診斷，并找出各生育期水分虧缺評(píng)價(jià)最合適指標(biāo)，本研究在遮雨棚下進(jìn)行了充分灌溉和交替溝灌玉米測(cè)坑試驗(yàn)。研究充分灌溉和交替溝灌處理下玉米MDS信號(hào)值（signal MDS，SIMDS）與DI信號(hào)值（signal DI，SIDI）的差異，評(píng)價(jià)MDS、DI信號(hào)強(qiáng)度能否應(yīng)用于交替溝灌玉米的水分診斷；分析信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)敏感性，判別各生育期內(nèi)玉米SIMDS和SIDI的適宜性，以期為玉米精量灌溉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年7月至2016年9月在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室節(jié)水灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行，該站位于東經(jīng)108°24，北緯34°20，海拔高度521 m，地處暖溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)，多年平均氣溫12.5℃，年均降水量635～665 mm，年蒸發(fā)量在900～1 100 mm之間。試驗(yàn)測(cè)坑中土壤類型為塿土，其機(jī)械組成為砂粒（粒徑>0.02 mm）占62.00%，粉粒（粒徑0.002～0.02 mm）占 32.36%，黏粒（粒徑<0.002 mm）占5.64%。土壤容重為1.35 g/cm3，田間持水率（FC）為31.2%（體積含水率）。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在6個(gè)規(guī)格為深60 cm寬80 cm長(zhǎng)100 cm的測(cè)坑中進(jìn)行。試驗(yàn)布置圖如圖1所示，每隔10 cm在每個(gè)測(cè)坑中間塑料薄膜兩側(cè)分別埋設(shè)1套土壤水分傳感器ECH2O（Decagon，USA），兩邊各垂直布設(shè)5個(gè)，探頭間距10 cm，每個(gè)測(cè)坑共設(shè)置10個(gè)探頭。裝土完成后，在測(cè)坑內(nèi)起壟，壟寬10 cm，2壟間形成頂寬為15 cm的溝，溝深10 cm。

圖1 試驗(yàn)布置示意圖

試驗(yàn)研究對(duì)象為夏玉米，品種為西農(nóng)985。每個(gè)測(cè)坑種植6棵玉米，行距40 cm，株距25 cm。試驗(yàn)設(shè)置常規(guī)灌溉處理（conventional furrow irrigation，CFI）（每條溝都灌水）、交替溝灌高水處理（alternate furrow irrigation high water treatment, AFIH）和交替溝灌低水處理（alternate furrow irrigation low water treatment, AFIL）3個(gè)處理，每個(gè)處理2個(gè)重復(fù)，各生育期灌水量見表1。CFI處理保持充分灌溉，土壤含水率降到70%田間持水率時(shí)開始灌溉，灌水上限為100%FC。每條灌水溝灌水量通過(guò)公式（1）計(jì)算得到

··(FC?) （1）

式中為計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，苗期取30 cm，其他生育期取50 cm；為測(cè)坑長(zhǎng)度，取80 cm；為玉米種植間距，取25 cm；為計(jì)劃濕潤(rùn)層深度內(nèi)土壤水分平均含水率。AFIH和AFIL灌水量分別為CFI灌水量的2/3和1/2。當(dāng)灌水側(cè)的ECH2O測(cè)得的含水率平均值下降至土壤含水率下限（70%）時(shí)，開始給未灌水一側(cè)進(jìn)行灌水，以后輪流交替進(jìn)行。首次灌水3個(gè)處理均灌至田間持水量，玉米長(zhǎng)至苗期后開始控水處理。除草、施肥等其他管理措施均跟當(dāng)?shù)乇３忠恢隆?/p>

表1 不同處理玉米各生育期灌水量

注：CFI、AFIH和AFIL分別表示常規(guī)灌溉處理、交替溝灌高水處理、交替溝灌低水處理。

Note: CFI, AFIH and AFIL means conventional furrow irrigation treatment, alternate furrow irrigation-high water treatment, alternate furrow irrigation low water treatment respectively.

1.3 觀測(cè)指標(biāo)

1.3.1 氣象因素

利用微型WatchDog（Spectrum Technologies Inc., USA）系列氣象站每30 min自動(dòng)測(cè)定并記錄一次空氣溫度（temperature,）、相對(duì)濕度（relative humidity, RH）、太陽(yáng)輻射（solar radiation,）等。空氣飽和水汽壓差（vapor pressure deficit, VPD）由空氣相對(duì)濕度（RH）和氣溫（）進(jìn)行估算[16]，參考作物蒸發(fā)蒸騰量（reference crop evapotranspiration, ET0）由FAO56中修正的Penman-Monteith公式計(jì)算得到。

1.3.2 土壤含水率

利用ECH2O（Decagon，USA）土壤水分傳感器監(jiān)測(cè)不同土層土壤體積含水率，時(shí)間間隔為30 min，ECH2O傳感器以烘干法校準(zhǔn)。每個(gè)測(cè)坑中分別安裝10個(gè)ECH2O探頭，交替溝灌干濕兩側(cè)每隔10 cm安裝一個(gè)傳感器，取其平均值作為土壤含水率。

1.3.3 莖稈直徑變化

由于所配備傳感器適用于直徑>5 mm的莖稈，因此本研究在玉米苗期以后開始監(jiān)測(cè)。用DEX20植物莖稈直徑測(cè)量?jī)x（Dynamax Ltd.,USA）連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)莖稈直徑變化，測(cè)量精度為0.050 mm。傳感器安裝在距離土壤約10 cm的玉米莖稈上，最大位移量為5 mm。每個(gè)處理選擇具有代表性的玉米植株進(jìn)行監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)采集器每隔30 min自動(dòng)記錄一次莖稈直徑。莖稈直徑相對(duì)變化量（relative variety, RV），是相對(duì)于探頭安裝那一刻莖直徑的變化值，由于植株間生長(zhǎng)差異，傳感器安裝時(shí)玉米莖稈直徑大小不一致，為了說(shuō)明不同水分處理引起的植株生長(zhǎng)變化差異，將各生育期傳感器安裝時(shí)刻的莖直徑初始值設(shè)定為1 mm，以便3組處理間方便比較。莖稈日最大收縮量（MDS）通過(guò)莖稈直徑最大值（maximum stem diameter, MXSD）減去最小值（minimum stem diameter, MNSD）得到。每日莖稈直徑周期性變化中，MXSD一般出現(xiàn)在凌晨，MNSD出現(xiàn)在中午。莖稈直徑日增長(zhǎng)量（DI）通過(guò)當(dāng)日MXSD減去前一天MXSD獲得。莖增長(zhǎng)總量是反映一段時(shí)間內(nèi)莖稈直徑累計(jì)生長(zhǎng)幅度的量，為一段時(shí)間內(nèi)的DI之和。

1.3.4 莖稈直徑指標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算

莖稈直徑指標(biāo)受外界天氣狀況影響較大，單純的MDS、DI指標(biāo)與土壤含水率的水分模型，往往不能排除外界因子的干擾，為了使植物莖稈微變化指標(biāo)更好的指導(dǎo)灌溉，Ortuno提出信號(hào)強(qiáng)度的概念，即莖稈直徑指標(biāo)除以參考值標(biāo)準(zhǔn)化[17-18]。該參考值通常采用無(wú)水分脅迫下植物莖稈直徑指標(biāo)，或者是將氣象指標(biāo)等代入?yún)⒖挤匠逃?jì)算得出[19-20]。本文中MDS與DI信號(hào)強(qiáng)度（或稱為信號(hào)值）計(jì)算方程如下

SIMDS=實(shí)際MDS/參考MDS （2）

SIDI=實(shí)際DI/參考DI （3）

本文通過(guò)對(duì)不同處理的MDS和DI值與氣象因子相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，不同處理玉米MDS、DI在各生育期均對(duì)（vapor pressure deficit, VPD）有較好的相關(guān)性，常規(guī)溝灌處理灌水率始終保持在70%田持以上，可近似作為無(wú)水分脅迫處理，以CFI處理莖稈MDS和DI與VPD建立不同生育期參考方程，計(jì)算得到各生育期MDS、DI參考值。

1.3.5 信號(hào)強(qiáng)度適用性評(píng)價(jià)

某一水分脅迫指標(biāo)變異性可能會(huì)隨著水分脅迫增加而增大[21]，高變異性指標(biāo)需要多次測(cè)量來(lái)降低誤差，這就提高了成本，因此還應(yīng)該考慮其強(qiáng)弱性與指標(biāo)的變異性（噪聲值，CV）。高信號(hào)值意味著該莖稈直徑變化衍生指標(biāo)對(duì)于土壤含水率響應(yīng)越強(qiáng)烈，如果信號(hào)值較高，那么由水分差異引起的指標(biāo)變異性便可接受。當(dāng)土壤水分發(fā)生變化時(shí)，短期內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度（signal intensity, SI）與噪聲值的比值（信噪比）越大，說(shuō)明該指標(biāo)越適合診斷植物的水分狀況[22]。同時(shí)，如果在對(duì)作物復(fù)水后不久便可記錄到較大的信號(hào)值變化，那么說(shuō)明該莖稈直徑變化衍生指標(biāo)對(duì)土壤水分的響應(yīng)更敏感，即該指標(biāo)的敏感性較強(qiáng)。

信噪比SI/CV=信號(hào)強(qiáng)度SI/噪聲值CV （4）

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

本文采用SPSS21.0軟件（IBM SPSS Statistics 21, USA）進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析以及回歸分析，其他數(shù)據(jù)分析及作圖均在Microsoft EXCEL中進(jìn)行?

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米各生育期MDS和DI分析

圖2為玉米不同生育期內(nèi)各處理莖稈直徑相對(duì)變化量（relative variation，RV）規(guī)律。玉米拔節(jié)期RV值隨時(shí)間波動(dòng)逐漸增大，3種處理莖稈直徑RV曲線總體趨勢(shì)一致，但是不同灌水處理對(duì)玉米莖稈直徑生長(zhǎng)造成了不同程度的影響，CFI與AFIH處理呈現(xiàn)明顯的向上增長(zhǎng)趨勢(shì)，7月21日到7月25日AFIL處理玉米莖稈直徑生長(zhǎng)幾乎停止，在26日灌水后又恢復(fù)生長(zhǎng)。各處理間莖增長(zhǎng)總量（幾個(gè)觀測(cè)日DI總和）和MDS存在明顯差異。與CFI處理相比，交替灌溉下，高水與低水處理MDS較大。從莖稈直徑增長(zhǎng)總量來(lái)看，AFIH處理增長(zhǎng)量最大，AFIL處理增長(zhǎng)量最小，交替灌溉下高水處理和低水處理增長(zhǎng)總量分別是常規(guī)灌溉的145.1%和81.0%。抽穗期內(nèi)玉米R(shí)V曲線變化特點(diǎn)與拔節(jié)期基本一致。CFI處理波動(dòng)幅度較小，AFIH與AFIL處理曲線波動(dòng)幅度較大，莖稈直徑收縮明顯，交替溝灌處理的玉米MDS大于CFI處理。交替灌溉處理下莖稈直徑增長(zhǎng)量隨著灌水量的減小而減小。交替灌溉下高水和低水處理增長(zhǎng)總量分別為常規(guī)灌溉的146.1%和96.2%。成熟期內(nèi)3種處理RV曲線都沒有向上增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但3個(gè)處理莖稈仍有明顯收縮，莖稈直徑基本上處于白天失水收縮、夜晚吸水恢復(fù)的變化狀態(tài)。CFI、AFIH和AFIL處理莖稈直徑增長(zhǎng)總量分別為0.142、0.084和0.090 cm。這與成熟期內(nèi)玉米會(huì)向果實(shí)輸送更多的光合產(chǎn)物，莖稈直徑生長(zhǎng)停止有關(guān)。綜上，不同水分處理莖稈變化規(guī)律有很大差異，且不同生育期內(nèi)玉米莖稈直徑變化規(guī)律并不一致。

圖2 不同處理玉米生長(zhǎng)期莖直徑相對(duì)變化量變化規(guī)律

玉米各生育期不同處理的MDS和DI 平均值及方差分析如表2所示。從整個(gè)生育期來(lái)看，在拔節(jié)期和抽穗期，高水處理與低水處理MDS、DI平均值均大于常規(guī)處理（<0.01），交替溝灌條件下，MDS平均值隨著灌水量減少而增大（<0.01）。成熟期內(nèi)，交替灌溉處理MDS平均值有大幅減小，MDS與DI處理間沒有顯著差異。3組處理的MDS在整個(gè)生育期內(nèi)呈現(xiàn)出顯著差異（<0.01），其中拔節(jié)期MDS平均值最大，成熟期最小，MDS表現(xiàn)出很大的變異性。DI平均值在3個(gè)生育期內(nèi)均呈現(xiàn)出顯著差異（<0.01）。抽穗期DI最大，成熟期最小。

表2 不同處理玉米莖稈各生育期日最大收縮量（MDS）和日增長(zhǎng)量（DI）的比較

注：MDS、DI分別表示莖稈直徑日最大收縮量和莖稈直徑日增長(zhǎng)量；小寫字母表示同一生育期不同處理間在0.01水平有顯著差異；大寫字母表示同一處理不同生育期在0.01水平有顯著差異。

Note: MDS, DI means stem maximum daily shrinkage, stem daily increase respectively. Lower case represent the same growth period in different treatments had significant difference at 0.01 level; Capital letters represent significant difference at different growth stages of 0.01 levels of the same treatment.

2.2 玉米水分診斷指標(biāo)適用性評(píng)價(jià)

2.2.1 各生育期MDS、DI與影響因子相關(guān)性分析

對(duì)MDS、DI影響因子相關(guān)性分析如表3所示，（試驗(yàn)在遮雨棚內(nèi)進(jìn)行，風(fēng)速較小，基本可以忽略，選擇、VPD，以及作為反映氣象因素影響的綜合指標(biāo)ET0對(duì)MDS、DI進(jìn)行相關(guān)性分析）。成熟期內(nèi)3個(gè)處理MDS與輻射呈正相關(guān)，CFI和AFIL處理DI與輻射均呈負(fù)相關(guān)，DI和MDS在拔節(jié)期和抽穗期內(nèi)與輻射沒有表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。空氣飽和水汽壓差VPD與兩種指標(biāo)在3個(gè)生育期內(nèi)均表現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系。說(shuō)明太陽(yáng)輻射強(qiáng)度足夠大時(shí)，莖稈直徑MDS、DI的繼續(xù)增加主要受空氣飽和差的影響，飽和差的增大使空氣中可以容納的水蒸氣量增加，作物的失水也隨之增加，隨著飽和差達(dá)到最大值，植株莖稈直徑也萎縮至最小，白天失水增加也導(dǎo)致夜晚莖稈吸水膨脹，進(jìn)而DI值增大。建立MDS、DI與土壤含水率模型發(fā)現(xiàn)（表4），MDS、DI模型2較小，顯著性較弱。因此，玉米MDS和DI很容易受到氣象因素干擾，不能直接用于玉米水分狀況診斷。

表3 不同處理玉米莖稈各生育期日最大收縮量（MDS）和日增長(zhǎng)量（DI）與氣象因子相關(guān)性分析

注：**在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)，*在0.05水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。

Note:**Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed),*Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed).

表4 不同處理玉米莖稈各生育期日最大收縮量（MDS）和日增長(zhǎng)量（DI）土壤水分模型

注：表示土壤體積含水率，cm3·cm-3。

Note:represents soil volumetric moisture content, cm3·cm-3.

2.2.2 莖稈直徑指標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度

SIMDS和SIDI3個(gè)生育期內(nèi)變化規(guī)律如圖3所示，不同生育期內(nèi)3組處理間信號(hào)強(qiáng)度有明顯差異。在拔節(jié)期和抽穗期，常規(guī)灌溉處理SIMDS、SIDI在1附近波動(dòng)，交替溝灌條件下，SIMDS和SIDI變化幅度較大，且交替溝灌條件下2個(gè)處理信號(hào)值均大于同時(shí)期常規(guī)處理信號(hào)值。交替溝灌條件下，SIDI和SIMDS隨著灌水量減小而增大。3組處理SIMDS均在抽穗期達(dá)到了全生育期峰值，這主要是抽穗期時(shí)玉米莖稈內(nèi)儲(chǔ)存的水分更多用于蒸騰消耗，導(dǎo)致莖稈發(fā)生明顯的膨脹和收縮。與其他生育期相比，成熟期3個(gè)處理SIMDS和SIDI出現(xiàn)不同程度的降低，且交替溝灌條件下2個(gè)處理降低明顯，高水處理SIMDS均小于同時(shí)期的常規(guī)處理。成熟期SIDI波動(dòng)性較大，并且信號(hào)變化不平穩(wěn)，甚至出現(xiàn)負(fù)值。除成熟期外，SIMDS和SIDI均可以很好區(qū)分不同處理的玉米水分差異，初步推斷可以將其作為作物水分評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖3 不同處理玉米各生育期莖稈日最大收縮量信號(hào)值（SIMDS）和日增長(zhǎng)量信號(hào)值（SIDI）變化規(guī)律

對(duì)不同處理的SIDI和SIMDS與氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)（表5），3個(gè)生育期內(nèi)各處理SIDI與SIMDS與、VPD和ET0之間均沒有顯著相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明SIDI與SIMDS可以排除氣象因子影響[12]。從圖3中可以看出，隨著灌水過(guò)程，2種信號(hào)指標(biāo)均表現(xiàn)出相應(yīng)增加與減小的趨勢(shì)，為進(jìn)一步明確這種關(guān)系，利用莖稈直徑指標(biāo)信號(hào)判定作物水分虧缺程度，建立SIMDS和SIDI與土壤含水率線性回歸模型如表6，土壤水分作為水分虧缺間接指標(biāo)已經(jīng)相當(dāng)成熟，若莖稈微變化指標(biāo)與土壤含水率關(guān)系較敏感，則說(shuō)明可以利用該指標(biāo)來(lái)診斷作物水分狀況。SIMDS的線性回歸模型在3個(gè)生育期均獲得了較高的決定系數(shù)，診斷效果較好。SIDI拔節(jié)期模型決定系數(shù)較高，抽穗期與成熟期內(nèi)模型2較小，SIDI與土壤含水率相關(guān)性在整個(gè)生育期呈逐漸減弱的趨勢(shì)。與MDS和DI相比，SIDI和SIMDS是更優(yōu)的水分評(píng)價(jià)指標(biāo)，但不同生育期內(nèi)2種指標(biāo)診斷效果差異很大，還需要結(jié)合兩種信號(hào)值對(duì)水分的響應(yīng)敏感性進(jìn)一步討論不同生育期內(nèi)最合適的指標(biāo)。

2.2.3 各生育期信號(hào)強(qiáng)度適用性分析

基于以上分析，SIMDS和SIDI能很好的區(qū)分不同灌水處理的差異，排除氣象因子影響，并且與土壤含水率有密切相關(guān)性，還需要對(duì)不同生育期內(nèi)指標(biāo)敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)。從表7可以看出，SIMDS在整個(gè)生育期內(nèi)呈先增后減的趨勢(shì)，SIDI則呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。SIMDS噪聲值逐漸減小，SIDI噪聲值則隨著生育期逐漸增大。拔節(jié)期，3組處理SIMDS和SIDI平均值差別不大，但SIMDS變異性大于SIDI，抽穗期也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律，而且3組處理指標(biāo)信號(hào)噪聲值隨著灌水量降低而增加。在拔節(jié)期，SIMDS雖然信號(hào)強(qiáng)度較大，但因其較大的變異性，3組處理SIMDS信噪比均小于SIDI。而且SIDI復(fù)水后信號(hào)值降低幅度均大于對(duì)應(yīng)的SIMDS，SIDI對(duì)水分響應(yīng)更敏感。因此拔節(jié)期內(nèi)，SIDI更適合作為水分虧缺診斷指標(biāo)。抽穗期內(nèi)2種指標(biāo)敏感性和信噪比相差不大，但SIMDS信號(hào)值較大，與土壤含水率在抽穗期有更好的相關(guān)性，抽穗期應(yīng)選擇SIMDS作為水分虧缺診斷指標(biāo)。成熟期內(nèi)SIMDS信噪比較大，且敏感性以及土壤含水率相關(guān)性均好于SIDI，因此成熟期內(nèi)，SIMDS更適宜作為玉米水分狀況診斷指標(biāo)。

表5 不同處理玉米各生育期莖稈日最大收縮量信號(hào)值（SIMDS）和日增長(zhǎng)量信號(hào)值（SIDI）與氣象因子的相關(guān)系數(shù)

表6 各生育期不同處理玉米莖稈日最大收縮量信號(hào)值（SIMDS）和日增長(zhǎng)量信號(hào)值（SIDI）土壤水分模型

表7 各生育期不同處理玉米莖稈日最大收縮量信號(hào)值（SIMDS）和日增長(zhǎng)量信號(hào)值（SIDI）適用性分析

3 討 論

得到準(zhǔn)確的參考值是信號(hào)強(qiáng)度指導(dǎo)作物灌溉的前提，確定莖稈指標(biāo)參考值的常用方法主要為參考方程法，即根據(jù)參考作物莖稈直徑變化指標(biāo)和與莖稈直徑密切相關(guān)的氣象變量，通常為、VPD、R或者ET0之間的回歸方程確定。因此分析莖稈直徑指標(biāo)與氣象因子的關(guān)系尤為重要，本文通過(guò)分析3種水分處理玉米的DI和MDS與外界影響因子關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)生育期內(nèi)MDS和DI與R和ET0相關(guān)性較弱，這可能是由于西北地區(qū)7、8月份光熱資源豐富，輻射較高，當(dāng)輻射足夠大時(shí)，玉米蒸騰作用達(dá)到最大，當(dāng)輻射繼續(xù)增大時(shí)，玉米為避免過(guò)度失水，部分氣孔關(guān)閉，蒸騰作用減弱，導(dǎo)致莖稈直徑不再顯著變化。輻射作用對(duì)MDS和DI較弱的影響也導(dǎo)致ET0與2個(gè)指標(biāo)相關(guān)性較弱。其中DI與R表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，MDS與R為正相關(guān)，玉米復(fù)水過(guò)程可能會(huì)間接受到前一天的大氣蒸發(fā)需求影響，前一天的輻射越大，玉米蒸騰越大，莖稈收縮就越大，其恢復(fù)至最大值的過(guò)程中就會(huì)受到負(fù)影響，因此與前一天的莖稈最大值的差值就會(huì)減小，這就解釋了DI與輻射呈負(fù)相關(guān)，MDS呈正相關(guān)[6]。而張寄陽(yáng)等研究表明輻射是影響棉花莖稈直徑莖稈變化的主要因子。王曉森等研究結(jié)果表明溫室茄子MDS與輻射相關(guān)性最好，其次是 VPD、空氣相對(duì)濕度及氣溫[4]。李曉彬等研究結(jié)果表明VPD與R是影響的主要?dú)庀笠蜃覽23]。因此當(dāng)作物生長(zhǎng)環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，莖稈直徑變化指標(biāo)與氣象因子密切關(guān)系可能會(huì)發(fā)生變化，換言之，如果作物生長(zhǎng)環(huán)境發(fā)生變化，那么在某一特定狀況下獲得的參考方程就不能用來(lái)計(jì)算參考值，需要結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)重新進(jìn)行參考方程的建立。另外，在相同試驗(yàn)條件下，由于不同品種玉米對(duì)水分脅迫響應(yīng)不同，在出現(xiàn)脅迫后其氣孔阻力、蒸騰速率、光合速率等可能會(huì)出現(xiàn)品種差異，進(jìn)而引起莖稈內(nèi)液流變化，導(dǎo)致不同品種玉米莖稈指標(biāo)出現(xiàn)差異。如抗旱品種和非抗旱品種玉米對(duì)于水分脅迫出現(xiàn)時(shí)間和生理表現(xiàn)并不相同，且復(fù)水后抗旱品種玉米莖稈直徑更容易恢復(fù)至旱前水平，而非抗旱品種可能會(huì)因?yàn)樗置{迫出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。因此在某一品種玉米上獲得參考方程和SIMDS以及SIDI灌水臨界值可能不再適用，在計(jì)算作物參考值時(shí)，還應(yīng)以相同生長(zhǎng)條件下的同品種玉米作為參考作物為宜，若以已知品種玉米參考方程計(jì)算得到信號(hào)值，可在其信號(hào)值基礎(chǔ)上乘以一個(gè)修正值，這還需要進(jìn)一步研究。閾值的確定需要經(jīng)過(guò)多年試驗(yàn)和驗(yàn)證，而且單獨(dú)指標(biāo)確定閾值可能并不可靠，今后的試驗(yàn)中需加上莖稈直徑變化與作物生理指標(biāo)（如氣孔導(dǎo)度，莖流量，葉水勢(shì)、葉片含水率等）之間的響應(yīng)關(guān)系研究，結(jié)合這幾種指標(biāo)的灌溉閾值將是以后研究的重點(diǎn)。

基于圖3可以看出，CFI處理SIMDS在1附近波動(dòng)，有研究者提出充分灌溉條件下可以將信號(hào)值在1左右作為灌溉臨界值[14-15,24]。然而，AFIH與AFIL處理信號(hào)值波動(dòng)幅度較大，峰值均達(dá)到3以上。與上述結(jié)果相比，交替溝灌條件下SIMDS有明顯增大，這種現(xiàn)象可能與交替灌水方式下特殊的生理響應(yīng)有關(guān)。交替溝灌條件下，玉米干旱側(cè)根系會(huì)產(chǎn)生較多脫落酸（abscisic acid, ABA）傳遞到濕潤(rùn)側(cè)根系，白天由于蒸騰拉力，當(dāng)濕潤(rùn)側(cè)根系吸水速率較高時(shí)，可能會(huì)稀釋玉米莖稈內(nèi)的ABA濃度，導(dǎo)致葉片接收的脅迫信號(hào)減弱，使得葉片氣孔導(dǎo)度仍然上升，進(jìn)而導(dǎo)致莖稈直徑降低[25]。夜晚根部由生理吸水轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砦蓽y(cè)根系產(chǎn)生的ABA聚集，使得根系吸水能力和導(dǎo)水率增加，較高的根壓迫使莖稈迅速吸水膨脹，常規(guī)處理的莖稈細(xì)胞當(dāng)水分達(dá)到一定限度時(shí)便停止吸水，而交替溝灌條件下，玉米長(zhǎng)期經(jīng)歷干旱條件，莖稈內(nèi)細(xì)胞收縮程度更大，因此莖稈木質(zhì)部擴(kuò)張量更大，進(jìn)而導(dǎo)致SIDI顯著增大，同時(shí)，夜間較大的莖稈直徑與白天較小的莖稈直徑也將導(dǎo)致較高的SIMDS[26]。鑒于交替溝灌處理信號(hào)強(qiáng)度與常規(guī)灌溉處理的差異，因此對(duì)交替溝灌條件下玉米信號(hào)值灌溉閾值還需要進(jìn)一步研究。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)莖稈直徑變化數(shù)據(jù)指導(dǎo)灌溉做了大量研究，建立了許多MDS與土壤含水率的關(guān)系模型[27-28]，本文研究發(fā)現(xiàn)MDS與土壤水分關(guān)系相關(guān)性較弱。這是因?yàn)樽魑镌谙嗤譅顩r下，MDS會(huì)隨著周圍氣象因素變化而變化，并不能保持穩(wěn)定。要建立與土壤含水率的關(guān)系，需要消除這種氣象因素變化帶來(lái)的誤差[29]。Ortuno等提出可通過(guò)MDS除以參考值，將MDS進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[16]。本文對(duì)MDS進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，SIMDS與土壤含水率的線性關(guān)系更顯著，也證實(shí)了Ortuno的結(jié)果。作物莖稈在受到水分脅迫后會(huì)停止生長(zhǎng)，因此有研究提出可以將莖稈日增長(zhǎng)量為0時(shí)作為灌溉臨界值[30]。成熟期作物莖稈生長(zhǎng)隨著季節(jié)進(jìn)程而變慢，在果實(shí)生長(zhǎng)階段，甚至在無(wú)土壤水分限制的狀況下，莖稈也會(huì)表現(xiàn)出停止或者收縮的趨勢(shì)[31-32]。而且本研究中，3種水分處理下，除拔節(jié)期AFIL處理DI表現(xiàn)某時(shí)段出現(xiàn)生長(zhǎng)停止外，抽穗期未出現(xiàn)莖稈生長(zhǎng)停止的狀況，說(shuō)明交替溝灌玉米未表現(xiàn)出受旱狀況，因此以DI=0作為灌溉臨界值可能并不適用。而且本文中玉米DI在各生育期差異顯著，除受到氣象因素的影響，不同生育期作物生長(zhǎng)狀況對(duì)其影響較大，因此DI與土壤含水率間并沒有表現(xiàn)出顯著關(guān)系。對(duì)玉米DI標(biāo)準(zhǔn)化后，除成熟期外，SIDI與土壤含水率關(guān)系顯著性均有提高，具有指導(dǎo)灌溉的潛力。

4 結(jié) 論

玉米在各生育期內(nèi)的MDS和DI有顯著性差異，玉米DI平均值在抽穗期最大，成熟期最小。在拔節(jié)期和抽穗期，高水處理與低水處理MDS平均值均大于常規(guī)處理，成熟期內(nèi)，交替灌溉處理MDS平均值有大幅下降。玉米莖稈直徑也會(huì)受到不同水分處理影響，交替溝灌條件下，MDS平均值隨著灌水量減少而增大。MDS和DI易受到氣象因素干擾，與土壤水分相關(guān)性較弱，不能直接應(yīng)用于玉米水分狀況診斷。SIMDS與SIDI可以很好地區(qū)分不同土壤水分條件下玉米莖指標(biāo)差異，能排除氣象因子的干擾，與土壤水分相關(guān)性較高，可以應(yīng)用于玉米水分診斷。拔節(jié)期內(nèi)，SIDI比SIMDS更適宜作為玉米水分診斷指標(biāo)，抽穗期、成熟期內(nèi)SIMDS比SIDI更適宜作為玉米水分狀況診斷指標(biāo)。

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Du Bin, Ran Hui※, Hu Xiaotao, Wang Wen’e, Zhou Shiwei

(712100,)

In order to evaluate the feasibility of applying signal strength to the diagnosis of alternate furrow irrigation of maize, and find out the most suitable growth period of water deficit index, the experiment was conducted in the experiment station of Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Area of Ministry of Education, Northwest Agriculture and Forestry University from July to September in 2016. In the experiment, the treatments of conventional furrow irrigation (CFI), alternate furrow irrigation of high water (AFIH) and alternate furrow irrigation of low water (AFIL) were set, and the irrigation amounts of AFIH and AFIL were 2/3 and 1/2 respectively of CFI at every turn. The soil moisture content, stem diameter changes, air temperature, radiation and other meteorological factors were measured. Responses in maximum daily stem shrinkage (MDS) and stem daily increase (DI) to soil water content and meteorological factors were analyzed, 2 signal irrigation indices (SIMDSand SIDI, which were signal MDS and signal DI) were established, and the signal values were calculated by the ratio of measured values to reference values. The reference values were obtained by the regression equation of plant stem diameter indicators and meteorological factors under no water stress condition. However, water-stress index variability may increase with the increase of water stress; high variability index requires multiple measurements to reduce the error, which increases the cost, so the variability (noise value) of index and the intensity also should be considered. High signal value means the change of the indicators derived from stem diameter for soil moisture response is stronger, and high signal value means the variability of the indicators caused by the water difference is acceptable. When soil moisture changes, the signal-to-noise ratio (SNR) in the short term is greater, indicating that the index is more suitable for diagnosing the water status of plants. At the same time, if the large signal value changes can be recorded shortly after rehydration, then the change of stem diameter is more sensitive to soil moisture, that is, the sensitivity of the index is stronger. The SNR and the suitability of indices (SIMDS, SIDI) in each growth period were evaluated. The results showed that MDS and DI were easily affected by meteorological factors, and there was a weak response for the above 2 indices to soil water content. SIMDSand SIDIcould exclude the interference of meteorological factors. The SIMDSand SIDIshowed a better linear relationship with soil moisture. Stem diameter signal indicator could be used in corn moisture status diagnosis under the alternate furrow irrigation. In the different periods, signal indicator and water sensitivity showed significant differences; in jointing period, the SNR of SIDIwas larger, and the decrease range of signal intensity after rehydration was greater than the SIMDS, so SIDIwas more suitable for moisture diagnosis in jointing stage. In heading stage and maturity stage, the SNR of SIMDSwas larger than SIDI, and the sensitivity and correlation with the soil moisture content were better than SIDI, so SIMDSwas more suitable for corn moisture diagnosis in heading and maturity stage.

signal analysis; irrigation; moisture; stem maximum daily shrinkage; stem daily increase

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.013

S275.3

A

1002-6819(2018)-02-0098-09

2017-09-04

2017-12-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51179163）

杜 斌，主要從事節(jié)水灌溉原理與新技術(shù)研究。Email：287684270@qq.com

冉 輝，博士，講師，主要從事節(jié)水灌溉原理與新技術(shù)研究。Email：huiran@nwsuaf.edu.cn

杜 斌，冉 輝，胡笑濤，王文娥，周始威. 基于莖稈直徑微變化信號(hào)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)交替溝灌玉米水分狀況[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(2)：98－106. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.013 http://www.tcsae.org

Du Bin, Ran Hui, Hu Xiaotao, Wang Wen’e, Zhou Shiwei. Signal intensity of stem diameter fluctuation diagnosing alternate furrow irrigation maize water deficit[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 98－106. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.013 http://www.tcsae.org