用桑葉最大重疊度指數(shù)和桑樹冠層內(nèi)部透光性指數(shù)表征桑樹冠層特征

王 謝 張建華

(1四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所， 四川成都 610066； 2農(nóng)業(yè)部西南山地農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610066)

用桑葉最大重疊度指數(shù)和桑樹冠層內(nèi)部透光性指數(shù)表征桑樹冠層特征

王 謝1,2張建華1,2

(1四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所， 四川成都 610066；2農(nóng)業(yè)部西南山地農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610066)

桑樹冠層特征直接影響著桑葉的產(chǎn)量。由于測(cè)量技術(shù)的原因，用葉面積指數(shù)表征桑樹冠層特征受到了一定的限制。為此，借鑒葉面積指數(shù)的計(jì)算框架和思路，提出桑葉最大重疊度指數(shù)(MLMOI)和桑樹冠層內(nèi)部透光性指數(shù)(TMCI)以表征桑樹冠層特征。同時(shí)，基于桑葉最大重疊度指數(shù)在行水平和面水平上的拓展，提出了行水平上桑葉最大重疊度指數(shù)(LMLMOI)、面水平上桑葉最大重疊度指數(shù)(PMLMOI)和行間桑葉最大重疊度指數(shù)(LOI)，為未來評(píng)估桑樹栽培模式提供了新的指標(biāo)參考。

桑樹； 樹冠； 葉面積指數(shù)； 重疊度； 產(chǎn)葉量

WATSON[1]于1947年提出用葉面積指數(shù)(leaf area index，LAI)來表征植物的冠層特征，葉面積指數(shù)被描述為單位土地面積上植物葉片總面積占土地面積的倍數(shù)。雖然葉面積指數(shù)可用于預(yù)測(cè)產(chǎn)量，但其更重要的意義在于描述大氣圈和生物圈之間物質(zhì)(水和碳)和能量(輻射和熱)的交換[2-3]。葉面積指數(shù)在指導(dǎo)生產(chǎn)中具有重要意義，但在用于桑樹生長(zhǎng)狀況的日常快速評(píng)估上，卻存在這樣一個(gè)問題，即用直接法測(cè)定耗時(shí)費(fèi)力、用間接法測(cè)定需要專業(yè)設(shè)備和圖像處理技術(shù)[2-4]。因此，極大地限制了葉面積指數(shù)在桑園生產(chǎn)和管理中的應(yīng)用。為此，本文借鑒葉面積指數(shù)的基本評(píng)估思路，嘗試提出了一組新的評(píng)估指標(biāo)用于表征桑樹的冠層特征，并將它們分別命名為桑葉最大重疊度指數(shù)(mulberry leaves maximum overlap index，MLMOI)和桑樹冠層內(nèi)部透光性指數(shù)(transmittance of mulberry canopy index，TMCI)，為桑樹種植模式和桑樹光合利用率的評(píng)估提供新的模型參考。

1 MLMOI和TMCI的定義、測(cè)定及計(jì)算方法

1.1 MLMOI的定義、測(cè)定及計(jì)算方法

MLMOI被定義為單株水平上桑葉最大可能覆蓋面積(leaves maximum possible coverage area，LMPCA)與桑樹冠層投影面積(canopy projection area，CPA)的比值，單位為m2/m2(公式1)。

(公式1)

首先，CPA用冠幅面積(crown area，CA)表示，單位為m2；CA的計(jì)算是根據(jù)植株縱向(平行于行的方向)上的冠幅長(zhǎng)(L1，單位為cm)和植株橫向(垂直于行的方向)上的冠幅寬(L2，單位為cm)，采用橢圓面積公式計(jì)算得到，單位為m2(公式2)。

(公式2)

其次，LMPCA用總?cè)~片數(shù)(total number of leaves，TNL)與最大葉片的面積(maximum leaf area，MLA，單位為cm2)的乘積表示，單位為m2(公式3)；可將其理解為將現(xiàn)階段最大葉面積葉片的生長(zhǎng)狀況看作是所有葉片的最大葉片面積生長(zhǎng)可能，將所有最大生長(zhǎng)可能的葉片平鋪所占據(jù)的平面面積。

(公式3)

最后，MLA是指該調(diào)查桑樹上在調(diào)查時(shí)葉面積最大、生長(zhǎng)最健康的那一片葉片的面積，計(jì)算時(shí)用葉形系數(shù)(leaf shape coefficient，K)乘以該葉片的長(zhǎng)(平行于主葉脈方向，B1)和寬(垂直于主葉脈方向，B2)，單位為cm2(公式4)。K應(yīng)針對(duì)不同的桑樹品種進(jìn)行實(shí)測(cè)而定，具體測(cè)定方法可參考《幾種桑樹葉面積測(cè)量方法及葉片大小與葉片質(zhì)量的相關(guān)性分析》[5]或《應(yīng)用桑樹葉片長(zhǎng)寬信息估測(cè)葉面積》[6]中的測(cè)定方法進(jìn)行，若對(duì)數(shù)據(jù)精度要求不高，在計(jì)算MLA時(shí)K可直接取0.7進(jìn)行計(jì)算。

MLA=K×B1×B2

(公式4)

1.2 TMCI的定義及計(jì)算方法

在桑樹植株冠層中，各枝條之間和各枝條內(nèi)部桑葉的空間分布具有垂直分布的特征。其具體表現(xiàn)為植株冠層的垂直深度越深、光穿透植株冠層遇到的阻力越大，同時(shí)，植株葉片之間的重疊度越高、光穿透冠層的阻力越大。因此，為了充分保證從上部到下部的葉片能更為充分地利用光資源進(jìn)行光合作用，我們希望葉片之間的重疊度和枝條的長(zhǎng)度保持在一個(gè)合適的比例范圍，以保證桑樹冠層內(nèi)部葉片接受光資源的量最均衡且桑葉產(chǎn)量最大。因此，本文用MLMOI與植株最長(zhǎng)枝條的長(zhǎng)度(length of the longest twig，LLT，單位為m)的乘積的倒數(shù)表示桑樹冠層內(nèi)部的透光性，并將其命名為TMCI(單位為m-1，公式5)。

(公式5)

1.3 MLMOI在不同水平上的定義及計(jì)算方法

1.3.1 行水平上MLMOI的定義和計(jì)算方法 行水平上MLMOI(mulberry leaves maximum overlap index at line level，LMLMOI)被定義為桑樹栽培行內(nèi)葉片最大可能覆蓋面積(leaves maximum possible coverage area at line level，LLMPCA)與桑樹栽培行冠層投影面積(canopy projection area at line level，LCPA)的比值，單位為m2/m2(公式6)。

(公式6)

(公式7)

圖1 不同水平上所有桑樹冠層投影面積示意圖

LCPA≈LL×LW

(公式8)

(公式9)

1.3.2 面水平上MLMOI的定義和計(jì)算方法 面水平上MLMOI(mulberry leaves maximum overlap index at plane level，PMLMOI)被定義為田間所有桑葉最大可能覆蓋面積(leaves maximum possible coverage area at plane level，PLMPCA)與田間所有桑樹冠層投影面積(canopy projection area at plane level，PCPA)的比值，單位為m2/m2(公式10)。

(公式10)

(公式11)

1.3.3 行間桑葉最大重疊度指數(shù)(LOI)的定義和計(jì)算方法 在考查MLMOI、LMLMOI、PMLMOI的同時(shí)，考慮行與行之間的重疊程度(圖1)，提出1個(gè)新的指數(shù)，即行間桑葉最大重疊度指數(shù)(overlap between lines，LOI，公式13)，特別是在研究窄行桑樹時(shí)十分有效。

(公式13)

2 案例分析

2.1 評(píng)估單株桑樹的冠層特征

表1列舉了3株果桑品種大10桑樹夏伐59 d后的生長(zhǎng)狀況調(diào)查成績(jī)，并利用MLMOI和TMCI表征每株桑樹的冠層特征。從表1可以看出，植株B的MLMOI為7.79，是植株A(MLMOI為5.24)和植株C(MLMOI為5.31)的1.49倍和1.47倍，表明該植株冠層內(nèi)部葉片的重疊度高。冠層內(nèi)葉片的重疊度高，往往意味著桑樹單條枝條的葉片數(shù)多，進(jìn)而導(dǎo)致其每米條長(zhǎng)產(chǎn)葉量高；植株B的每米條長(zhǎng)產(chǎn)葉量為110.83 g/m，分別是植株A(每米條長(zhǎng)產(chǎn)葉量為78.16 g/m)和植株C(每米條長(zhǎng)產(chǎn)葉量為78.41 g/m)的1.42倍和1.41倍，與他們的MLMOI的差別基本一致。

與此同時(shí)，植株B的TMCI為0.09，僅為植株A(TMCI為0.12)和植株C(TMCI為0.12)的75%，表明植株B冠層內(nèi)部的透光性比植株A和植株C差。冠層內(nèi)部的透光性差意味著冠層內(nèi)可利用的光資源少，光合產(chǎn)物少，進(jìn)而導(dǎo)致了單株桑葉產(chǎn)量低；植株B單株桑葉產(chǎn)量為656.12 g/株，比植株A(單株桑葉產(chǎn)量為891.80 g/株)和植株B(單株桑葉產(chǎn)量為1 100.88 g/株)分別低26.43%和40.40%，與植株B冠層內(nèi)部的透光性指數(shù)低于植株A和植株C相吻合。

表13株果桑品種大10桑樹夏伐59d后的生長(zhǎng)狀況

項(xiàng)目植株A植株B植株C均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差冠幅長(zhǎng)(L1)/cm159106139134.67±26.76冠幅寬(L2)/cm1068111099.00±15.72最大葉長(zhǎng)(B1)/cm27232625.33±2.08最大葉寬(B2)/cm20202020.00±0總?cè)~片數(shù)(TNL)/片183162175173.33±10.60最長(zhǎng)枝條長(zhǎng)(LLT)/m1.631.481.561.56±0.08葉形系數(shù)(K)0.70.70.70.70±0最大葉面積(MLA)/cm2378.00322.00364.00354.67±29.14桑樹冠層投影面積(CPA)/m21.320.671.201.06±0.35葉片最大可能覆蓋面積(LMPCA)/m26.925.226.376.17±0.87桑葉最大重疊度指數(shù)(MLMOI)/(m2/m2)5.247.795.316.11±1.45桑樹冠層內(nèi)部透光性指數(shù)(TMCI)/m-10.120.090.120.11±0.02單株枝條數(shù)/條7496.67±2.52單株桑葉產(chǎn)量/(g/株)891.80656.121100.88882.93±222.51每米條長(zhǎng)產(chǎn)葉量/(g/m)78.16110.8378.4189.13±18.79

此外，植株A和植株C之間，雖然MLMOI和TMCI的差異不大，但植株C的單株產(chǎn)葉量是植株A的1.23倍。從表1可以看出，主要原因在于植株C的枝條數(shù)量多，植株C的枝條數(shù)量(9條/株)是植株A的枝條數(shù)量(7條/株)的1.29倍。由此，我們可推測(cè)在構(gòu)建良好的桑樹冠層結(jié)構(gòu)，保證MLMOI和TMCI在一定的范圍內(nèi)，增加單株桑樹一定的桑枝條數(shù)可實(shí)現(xiàn)單株桑樹桑葉產(chǎn)量的進(jìn)一步增加。

2.2 評(píng)估同一栽培模式下不同桑樹品種的冠層特征

表2調(diào)查了大10、川桑48-3和紅皮花桑3個(gè)桑樹品種在同一栽培模式下的冠層特征，該栽培模式在5.00 m×5.00 m的試驗(yàn)小區(qū)中進(jìn)行，設(shè)置株距為0.33 m、行距為1.00 m，無寬窄行之分。

表2大10等3個(gè)桑樹品種在0.33m×1.00m的株行距栽培模式下桑園的冠層特征

項(xiàng)目大10川桑48-3紅皮花桑土地面積(PA)/m225.0025.0025.00栽培行數(shù)(LN)/行555田間平均行內(nèi)葉片最大可能覆蓋面積(LLMPCA)/m292.5585.8049.50桑樹冠層投影面積之和(∑LCPA)/m224.7522.2525.00田間所有桑樹冠層投影面積(PCPA)/m224.7522.2525.00田間桑葉最大可能覆蓋面積(PLMPCA)/m2462.75429.00247.50面水平上桑葉最大重疊度指數(shù)(PMLMOI)/(m2/m2)18.7019.289.90行間桑葉最大重疊度指數(shù)(LOI)/(m2/m2)0.990.891.03

從表2可以看出，PMLMOI值顯示為川桑48-3gt;大10gt;紅皮花桑。其中我們可以得出以下3個(gè)結(jié)論：第一，紅皮花桑的PMLMOI值約為川桑48-3的1/2，表明紅皮花桑在桑園中葉片的重疊度低，可以適當(dāng)考慮增加栽植密度。但從LOI值可以發(fā)現(xiàn)其行間桑葉已經(jīng)有所交叉。故而，紅皮花桑的密植措施應(yīng)主要考慮縮短株距。第二，川桑48-3的PMLMOI值較高，但LOI值未達(dá)到1，表明川桑48-3的栽培可以考慮在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加株距，縮短行距。第三，大10的PMLMOI值較高，且LOI值已接近1，表明大10在該栽培行距上的生長(zhǎng)合適，可以考慮在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加株距。

2.3 MLMOI和TMCI之間的關(guān)系

圖2 MLMOI和TMCI隨TNL增加的變化趨勢(shì)

2.4 MLMOI和TMCI極限值的確定

我們假設(shè)冠層中有100片桑葉，枝條的長(zhǎng)度為1.00 m。如果冠層中任意2片桑葉都是完全重疊的，那么葉片重疊部分的投影面積與葉片投影面積之比就等于1，MLMOI就等于總?cè)~片數(shù)，即MLMOI=100，TMCI=0.01。如果冠層中任意2片桑葉都不重疊，那么LMPCA×0.70=CPA，MLMOI=1.43，TMCI=0.70。所以MLMOI值的下限為1除以葉形系數(shù)K、上限為植株的葉片數(shù)TNL。

在桑園生產(chǎn)中，我們可假設(shè)桑樹每2片桑葉構(gòu)成1組，每組內(nèi)部重疊面積為2片桑葉總面積的38.22%(黃金比例)，且每組之間相互重疊的陰影面積為總陰影面積的38.22%，那么CPA=LMPCA×0.382 2，MLMOI=6.85。進(jìn)而，若已經(jīng)確定LLT=1.50 m為當(dāng)下最適宜的枝條長(zhǎng)，那么TMCI=0.09則可作為當(dāng)下桑樹冠層最為理想的透光性。

3 小結(jié)與討論

為何MLMOI的名字冠以桑葉，而非其他植物的葉片？這在于桑葉生產(chǎn)的獨(dú)特性。這種獨(dú)特性(闊葉、伐條、摘葉、相對(duì)固定的行間距)就導(dǎo)致了桑葉較其他樹葉具有葉片總量快速統(tǒng)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)性。這也是MLMOI可用于桑園生產(chǎn)管理，且在操作上優(yōu)于葉面積指數(shù)的最根本原因。

為何需要將MLMOI進(jìn)一步延伸到行水平和面水平？這在于未來可以進(jìn)一步將MLMOI體系用于表征不同桑園栽培模式的冠層特征，以便結(jié)合桑園的產(chǎn)量特征，快速總結(jié)出不同桑樹品種所特具的高效栽培模式。

最后，希望有關(guān)專家學(xué)者在未來生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用該模型，并為模型提供實(shí)際觀測(cè)值，找到最佳冠層構(gòu)型的MLMOI值，供實(shí)際生產(chǎn)使用。而本研究提供的假設(shè)最佳數(shù)據(jù)的MLMOI=6.85，在一定程度上可供實(shí)際使用時(shí)參考。

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2017-08-05;接受日期2017-10-11

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(編號(hào) CARS-18)；四川省財(cái)政創(chuàng)新能力提升專項(xiàng)青年基金項(xiàng)目(編號(hào) 2016QNJJ-015)。

信息： 王謝(1987—)，男，四川雅安，博士，助理研究員。

E-mail: wangxiechangde@hotmail.com

信息： 張建華(1965—)，男，四川眉山，研究員。

Tel： 028-84784147， E-mail: zjhu-11@163.com

S888.2

A

1007-0982(2017)04-0001-05