控制排水條件下冬小麥水位生產(chǎn)函數(shù)的試驗研究

孫 濤,俞雙恩,2,何妙妙,孫天錄

(1.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)水電學(xué)院,江蘇南京 210098;3.中衛(wèi)市南山臺電力灌溉管理站,寧夏中衛(wèi) 755000)

作物水位生產(chǎn)函數(shù)是反映作物產(chǎn)量隨水位變化規(guī)律的函數(shù),是進行農(nóng)田控制排水最為基本也最為重要的函數(shù).開展此類問題的試驗研究,對于指導(dǎo)農(nóng)田控制排水[1-4]或節(jié)水灌溉[5-11]實踐、提高農(nóng)田水分利用率,具有重要的指導(dǎo)意義.本文以冬小麥作為供試作物,研究不同地下水埋深條件下的產(chǎn)量情況,進而建立小麥水位生產(chǎn)函數(shù).

1 試驗研究方法

1.1 試驗區(qū)基本情況

冬小麥的水位控制試驗于2009年11月至2010年6月在河海大學(xué)高效灌排重點實驗室生態(tài)試驗場蒸滲測坑內(nèi)進行.該試驗場所在的江寧校區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),多年平均降雨量為1021.3mm,多年平均蒸發(fā)量為900mm左右,多年平均氣溫為15.7℃,最高氣溫43.0℃,最低氣溫-14.0℃,無霜期237天.一年中溫差較大,四季分明,降雨豐沛,全年降雨日數(shù)120天左右,其中汛期(5—9月)降雨量占年均雨量的60%以上.

蒸滲測坑內(nèi)的土壤為黏壤土,由當(dāng)?shù)赝练謱踊靥蠲軐?已經(jīng)過4個年度的水旱輪作.經(jīng)測定,0～30cm土壤田間持水量為25.28%,土壤密度為1.46g/cm3,總孔隙度為44.97%,pH值為6.97,土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為2.40%、全氮質(zhì)量比為0.9048g/kg、速效氮質(zhì)量比為27.65mg/kg、土壤全磷質(zhì)量比為0.32g/kg,土壤速效磷質(zhì)量比為12.5mg/kg.

1.2 試驗處理方案

按照SL 13—2004《灌溉試驗規(guī)范》[12]中劃分作物生育階段的標(biāo)準(zhǔn),將冬小麥劃分為6個生育階段,分別為出苗越冬期(11月12日—2月10日)、返青分蘗期(2月11日—3月8日)、拔節(jié)孕穗期(3月9日—4月20日)、抽穗開花期(4月21日—5月8日)、乳熟期(5月9日—5月29日)和黃熟期(5月29—6月6日).試驗分別在分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期和乳熟期進行農(nóng)田水位控制試驗,各處理設(shè)計及控水時段見表1,每個處理設(shè)3個重復(fù).

1.3 觀測設(shè)備及方法

冬小麥的控水試驗在32個蒸滲測坑中進行,每個測坑的規(guī)格為長2.5m、寬2.0m、深2.0m,測坑分南北兩排布置,一排16個,中間設(shè)有地下廊道,廊道東面有地下設(shè)備間,地上有長18.0m、寬7.0m、高3.0m的兩節(jié)大型電動活動雨棚.每個測坑都與地下設(shè)備間的一個水柱連通,便于控制測坑內(nèi)的地下水位.

表1 冬小麥水位控制試驗處理設(shè)計及控水時段Table 1 Design and periods of water level control test on winter wheat

a.地下水位觀測.每天上午8:00、下午5:00觀測地下水位深度,當(dāng)天上午的觀測值低于或接近下限值(≤50mm)時當(dāng)天按處理要求灌水至上限.

b.灌水量的觀測.田面有水層時,記錄灌水前后水層深度,兩者之差即為灌水量;田面無水層時,記錄灌溉水量.

c.排水量的觀測.雨后若測桶水層超過處理要求的上限時按照處理要求進行排水,記錄排水前后的水層深度,之差即為排水量.

d.土壤水分觀測.控水期間每天9:00左右用TDR觀測分層土壤含水量,觀測水位,控水結(jié)束后,隔5d觀測1次.

2 冬小麥水位生產(chǎn)函數(shù)模型

2.1 模型的構(gòu)建

冬小麥生長過程中,如果田間地下水位始終保持在小麥適宜生長的范圍內(nèi),則不會產(chǎn)生水分脅迫,理論上講冬小麥產(chǎn)量應(yīng)該達到最高.然而在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,由于連續(xù)降雨過多或者一段時間內(nèi)降水不足,則可能使麥田地下水位高于或者低于適宜埋深,從而導(dǎo)致小麥因澇、漬、旱的影響而減產(chǎn).若把澇、漬、旱的變化看作一個連續(xù)的過程,以麥田地下水位作為控制指標(biāo),建立其與小麥產(chǎn)量的函數(shù)關(guān)系,把這種函數(shù)關(guān)系稱為水位生產(chǎn)函數(shù).

冬小麥在不同的生育期受澇漬或受旱對最終產(chǎn)量的影響是不同的,在某一生育階段受澇漬或受旱,不僅影響該階段的生長發(fā)育,而且對以后的生育階段的生長都有不同程度的影響.連乘形式的函數(shù)能反映出這種滯后效應(yīng),以第i生育階段農(nóng)田水位大于該生育階段適宜水位上限Hmax的累積值SFWi,Hmax作為衡量該階段澇漬災(zāi)害程度的指標(biāo),以第i生育階段農(nóng)田水位小于該生育階段適宜水位下限Hmin的累積值SEWi,Hmin作為衡量該階段受旱程度的指標(biāo),以這兩項指標(biāo)為自變量,建立作物相對產(chǎn)量Ry與澇、漬、旱的災(zāi)害程度關(guān)系的階段水位生產(chǎn)函數(shù)模型[13]:

以冬小麥相對產(chǎn)量Ry為因變量,各生育階段SFWi,Hmax和SEWi,Hmin為自變量,可以構(gòu)造如式(2)所示的冬小麥水位生產(chǎn)函數(shù)表達形式:

式中:Ym——適宜水位條件下冬小麥最高產(chǎn)量,kg/hm2;Y——冬小麥的實際產(chǎn)量,kg/hm2;ηi—第i階段冬小麥澇漬敏感指數(shù);θi——第i階段冬小麥?zhǔn)芎得舾兄笖?shù).

2.2 模型的修正(考慮土壤含水量)

式(2)只考慮了地下水位的高低對冬小麥產(chǎn)量的影響,事實上,就水分管理而言,冬小麥產(chǎn)量不僅與地下水埋深有關(guān)而且與根層土壤含水量也有關(guān)系.當(dāng)?shù)叵滤桓哂谶m宜埋深上限,而根系層土壤含水量較低時,其漬害程度就會降低,否則漬害就會加重;當(dāng)?shù)叵滤坏陀谶m宜埋深下限,而根系層土壤含水量較高時,冬小麥一般不會產(chǎn)生缺水脅迫,否則就會受旱.因此,在建立冬小麥水位生產(chǎn)函數(shù)時應(yīng)考慮進行根層土壤含水量的修正.

考慮根系層土壤含水量對冬小麥生產(chǎn)的影響,在式(2)的基礎(chǔ)上構(gòu)建式(3):

式中:ki——小麥在第i生育階段內(nèi)某一時段受澇漬時的土壤含水量修正系數(shù);λi——小麥在第i生育階段內(nèi)某一時段受旱時的土壤含水量修正系數(shù);ζi——第i生育階段0～30 cm深度實測平均土壤含水量;ζc1——適宜土壤含水量,取田間持水量的80%.

3 冬小麥水位生產(chǎn)函數(shù)模型參數(shù)求解

3.1 試驗數(shù)據(jù)的整理

根據(jù)各生育階段地下水位觀測資料,經(jīng)計算,各生育階段SFWi,Hmax和SEWi,Hmin值見表2.根據(jù)各生育階段根層土壤含水量的觀測數(shù)據(jù),經(jīng)計算,各生育階段土壤含水量修正系數(shù)見表3.

表2 各生育階段 SFWi,Hmax和 SEWi,Hmin計算值Table 2 Calculated results of SFWi,Hmaxand SEWi,Hminat growth stages cm/d

3.2 模型參數(shù)的確定

采用多元線性回歸法求解式(2)和式(3)的敏感指數(shù).具體過程如下:

對式(2)和式(3)線性化,即對式(2)和式(3)兩邊取自然對數(shù),得:

表3 土壤含水量修正系數(shù)Table 3 Correction coefficients of soil water content

在不考慮土壤含水量修正系數(shù)和考慮土壤含水量修正系數(shù)兩種情況下,篩選適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量和各階段的SFWi,Hmax和SEWi,Hmin值以及土壤含水量修正系數(shù)分別代入式(6)(不考慮土壤含水量修正系數(shù))和式(7)(考慮土壤含水量修正系數(shù)),經(jīng)過回歸分析,得出相應(yīng)參數(shù)見表4.不考慮土壤含水量修正系數(shù)的情況下,復(fù)相關(guān)檢驗R2=0.719,顯著性檢驗F=13.74＞F0.05(8,3)=8.85;考慮土壤含水量修正系數(shù)的情況下,復(fù)相關(guān)檢驗R2=0.761,顯著性檢驗F=15.77＞F0.05(8,3)=8.85,因此可以認為上述回歸方程是顯著的.

冬小麥水位生產(chǎn)函數(shù)式(6)各生育階段敏感指數(shù)結(jié)果表明,在澇漬條件下和受旱情況下,冬小麥各生育階段受澇漬和受旱影響程度由大到小順序均為:拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期、分蘗期.經(jīng)土壤含水量修正后的冬小麥生育階段水位生產(chǎn)函數(shù)式(7)各生育階段敏感指數(shù)大小順序有所變化,在澇漬條件下,冬小麥各生育階段受澇漬影響程度由大到小順序為:拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期、分蘗期;受旱情況下,冬小麥各生育階段受旱敏感指數(shù)由大到小順序為:抽穗開花期、拔節(jié)孕穗期、分蘗期、乳熟期.

表4 冬小麥水位生產(chǎn)函數(shù)模型參數(shù)Table 4 Parameters of water-level production function for winter wheat

4 結(jié) 語

在雨水比較多的南方地區(qū),由于降雨的時程分布不均,冬小麥的澇、漬、旱往往是一個動態(tài)變化的過程,在排水條件下,地下水位能較好地反映冬小麥澇、漬、旱的變化狀態(tài).水位生產(chǎn)函數(shù)既反映了作物產(chǎn)量對農(nóng)田地下水位的響應(yīng)關(guān)系,又反映了作物各生育階段對地下水位的敏感程度.考慮土壤含水量修正系數(shù)的冬小麥水位生產(chǎn)函數(shù),更加真實地反映了根層土壤含水量與地下水位的耦合作用對作物最終產(chǎn)量的影響.通過排水條件下冬小麥水位生產(chǎn)函數(shù)的試驗研究,可以得出結(jié)論:冬小麥拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期對澇漬和受旱比較敏感,乳熟期和分蘗期對澇漬和受旱的敏感程度相對較低.這一結(jié)果與前人的澇漬研究和受旱研究的成果基本一致[14].

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