黑土區(qū)玉米高效節(jié)水優(yōu)化灌溉模式研究

閆學(xué)斌，王 柏

(1.黑河市水務(wù)局，黑龍江黑河164300;2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱150080)

黑土區(qū)玉米高效節(jié)水優(yōu)化灌溉模式研究

閆學(xué)斌1，王 柏2

(1.黑河市水務(wù)局，黑龍江黑河164300;2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱150080)

為了探明黑土區(qū)春玉米高效灌溉制度，采用“D－206”飽和最優(yōu)設(shè)計(jì)，通過(guò)田間小區(qū)試驗(yàn)研究了苗期、拔節(jié)期不同灌溉控制水平對(duì)玉米產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明:對(duì)玉米產(chǎn)量不利影響大小為拔節(jié)期水分虧缺程度大于苗期水分虧缺程度;當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)量為11 250 kg/hm2以上時(shí)，在95%的置信區(qū)間，優(yōu)化調(diào)虧灌溉組合為苗期水分虧缺下限閾值取田間持水量的51%～63%，上限為70% ～75%，拔節(jié)期水分虧缺下限閾值取田間持水量的60% ～73%，上限為80% ～85%。

黑土區(qū);春玉米;苗期;拔節(jié)期;優(yōu)化灌溉;互作效應(yīng)

黑龍江省水資源總量為810.33億m3，其中地表水686.08億 m3，地下水資源量172.14億 m3，地下水可利用量158.52億m3。黑龍江省耕地面積占全國(guó)的1/9，是全國(guó)最大的商品糧生產(chǎn)基地，全省耕地面積的1/2為半干旱區(qū)耕地，季節(jié)性干旱是該地區(qū)糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)的主要因素，進(jìn)一步加劇了農(nóng)業(yè)灌溉用水短缺的問(wèn)題。黑龍江省大氣可降水量的季節(jié)性、分布區(qū)域差異較大，總體上呈由北向南增加的趨勢(shì)，夏季、秋季降水量較高，在春季或者冬季大氣水汽含量較少。黑龍江省玉米播種面積占全國(guó)玉米播種總面積的10%，產(chǎn)量占全國(guó)玉米總產(chǎn)量的9%左右，商品率高達(dá)70%。降水與水資源時(shí)空分布不均形成的水資源缺乏影響黑龍江省春玉米種植面積的發(fā)展和產(chǎn)量的穩(wěn)定與提高。因此，探索寒地黑土區(qū)玉米高效節(jié)水灌溉制度對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響規(guī)律、對(duì)發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)具有重要意義［1］。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)研究在黑龍江省水利科學(xué)研究院綜合試驗(yàn)基地自動(dòng)感應(yīng)式遮雨棚內(nèi)測(cè)坑內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)在2010年5月初開始至9月末結(jié)束。供試玉米品種為“久龍5號(hào)”，采用測(cè)坑法，測(cè)坑矩形有底，與外部無(wú)水分交換，長(zhǎng)2.5 m，寬2 m，深1.7 m，分層(每層土壤深度10 cm)回填土壤，測(cè)坑土壤表面與田間地面齊平，每個(gè)測(cè)坑種植4壟，壟寬0.65 m，每壟定植7株玉米。底肥412 kg/hm2，其中，尿素與二銨的比例為2∶1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用“D－206”飽和最優(yōu)設(shè)計(jì)，設(shè)6個(gè)處理，見表1。試驗(yàn)對(duì)玉米苗期與拔節(jié)期進(jìn)行不同水分虧缺處理，調(diào)虧水分控制上限為占土壤田間持水量的85%，并對(duì)應(yīng)水平編碼1;下限為占土壤田間持水量的55%，并對(duì)應(yīng)水平編碼－1。其他生育期正常供水灌溉，水分控制上限為占土壤田間持水量的85%。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Excel和SPSS17.0軟件，建模使用Matlab7.1軟件。

表1 因素水平編碼表

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量模型的建立和檢驗(yàn)

玉米產(chǎn)量按2種方式進(jìn)行計(jì)算，Y1為根據(jù)實(shí)測(cè)百粒重和單株粒數(shù)計(jì)算出的單株平均產(chǎn)量，Y2為根據(jù)實(shí)測(cè)總重量取株數(shù)平均計(jì)算出的單株平均產(chǎn)量，X1為苗期土壤相對(duì)含水率(占田間持水量的百分比)編碼，X2拔節(jié)期土壤相對(duì)含水率(占田間持水量的百分比)編碼，具體試驗(yàn)產(chǎn)量結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)矩陣及試驗(yàn)產(chǎn)量結(jié)果

根據(jù)二次飽和最優(yōu)設(shè)計(jì)原理與統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，將玉米單株產(chǎn)量作為目標(biāo)函數(shù)，利用SPSS軟件進(jìn)行分析，用SPSS建立回歸方程式，將顯著性＞0.05的自變量進(jìn)入模型，如果有顯著性＜0.1的自變量的話，從模型剔除。建立單株產(chǎn)量和2個(gè)試驗(yàn)因素的回歸數(shù)學(xué)模型為:

回歸方程相關(guān)系數(shù)R2=0.917，表明方程擬合度較高。對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明回歸方程的顯著性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F=13.173，檢驗(yàn)P=0.003，顯著性水平＜0.05，可以認(rèn)為所建立的回歸方程有效。對(duì)方程回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，按α=0.5顯著性水平，通過(guò)逐步回歸分析，剔除不顯著項(xiàng)，建立α

回歸方程相關(guān)系數(shù)R2=0.916，回歸方程的顯著性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F=29.005，檢驗(yàn)P=0.000，建立的回歸方程有效。

2.2 主因素效應(yīng)分析

模型應(yīng)用的是經(jīng)過(guò)無(wú)量綱線性編碼代換，偏回歸系數(shù)已標(biāo)準(zhǔn)化，可根據(jù)其絕對(duì)值的大小判斷試驗(yàn)因素對(duì)產(chǎn)量的影響程度，系數(shù)正負(fù)號(hào)表示因素的作用方向。由回歸方程回歸系數(shù)可以看出，試驗(yàn)因素對(duì)玉米產(chǎn)量影響大小為拔節(jié)期水分虧缺程度大于苗期水分虧缺程度，苗期和拔節(jié)期水分虧缺程度的交互項(xiàng)回歸系數(shù)、苗期水分虧缺程度平方項(xiàng)回歸系數(shù)=0.5顯著水平回歸方程。都是負(fù)號(hào)，說(shuō)明在苗期灌水量過(guò)大、土壤含水率過(guò)高可影響玉米的產(chǎn)量［2］。

2.3 雙因素效應(yīng)分析

為了確定各因素的單獨(dú)效應(yīng)，采用降維分析法解析出單因素在其它因素居一定水平時(shí)這個(gè)因素對(duì)對(duì)產(chǎn)量影響效應(yīng)，得出一組試驗(yàn)因素的一元回歸產(chǎn)量子模型:

式中:Y1為苗期水分虧缺程度對(duì)產(chǎn)量的影響，Y2為拔節(jié)期水分虧缺程度對(duì)產(chǎn)量的影響看，在方程中令各因素取不同水平進(jìn)行計(jì)算。

取苗期控水因素X1為不同水平時(shí):

取拔節(jié)期控水因素X2為不同水平時(shí):

2.4 兩因素互作效應(yīng)分析

為了研究苗期控水因素和拔節(jié)期控水因素之間的耦合效應(yīng)，作回歸方程三維模型圖1。

圖1 苗期虧水和拔節(jié)期虧水對(duì)玉米產(chǎn)量的交互作用

圖1中曲面各點(diǎn)的高度代表兩因素一定水平組合時(shí)的玉米單株產(chǎn)量，曲面的高度越高，表示籽粒產(chǎn)量越高，當(dāng)苗期控水水平處于高水平(－1～0.5)或低水平(0.5～1)時(shí)，產(chǎn)量隨拔節(jié)期灌水量的增加而增加;當(dāng)苗期控水水平處于中間水平－0.5～0.5時(shí)，產(chǎn)量隨拔節(jié)期灌水量的增加而增加，并且增產(chǎn)幅度大于高水平和低水平;當(dāng)拔節(jié)期控水水平處于不同控水水平時(shí)，苗期控水水平從－1逐漸增加到0時(shí)，產(chǎn)量增加并達(dá)到最大值，苗期控水水平從0逐漸增加到1時(shí)，產(chǎn)量隨苗期灌水量的增加而降低，整體變化呈低水平、高水平小，中水平大的拋物線形式。

2.5 玉米水分虧缺灌溉模式尋優(yōu)

通過(guò)Matlab軟件分析，采用頻率分析法對(duì)試驗(yàn)所得的數(shù)學(xué)模型尋優(yōu)，將編碼制在試驗(yàn)范圍內(nèi)劃分出(－1、－0.5、0、0.5、1)5個(gè)水平，總共可構(gòu)成25 個(gè)處理組合。當(dāng)單株產(chǎn)量為227 g、密度3 300株/hm2，產(chǎn)量可達(dá)到1.125萬(wàn)kg/hm2以上，因此，選定玉米目標(biāo)產(chǎn)量為1.125萬(wàn)kg/hm2進(jìn)行頻率分析，其中產(chǎn)量高于1.125萬(wàn) kg/hm2的方案有5個(gè)，得到玉米苗期、拔節(jié)期調(diào)虧灌溉模擬方程尋優(yōu)結(jié)果，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)量為1.125萬(wàn)kg/hm2以上時(shí)，在95%的置信區(qū)間，優(yōu)化調(diào)虧灌溉組合為苗期水分虧缺下限閾值取田間持水量的51% ～63%，上限為70% ～75%，拔節(jié)期水分虧缺下限閾值取田間持水量的60% ～73%，上限為80% ～85%。

3 結(jié)論

文章研究了苗期、拔節(jié)期的2個(gè)生育期水分虧缺對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，建立了2個(gè)生育期水分虧缺條件下的玉米產(chǎn)量模型。模型表明苗期、拔節(jié)期對(duì)產(chǎn)量都有顯著影響，對(duì)產(chǎn)量的增產(chǎn)作用為拔節(jié)期＞苗期。苗期控水、拔節(jié)期控水兩因素交互作用中，拔節(jié)期控水的效果遠(yuǎn)大于苗期控水的效果。通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)模型的尋優(yōu)分析，在95%的置信區(qū)間，得到最佳產(chǎn)量的各因素優(yōu)化配比方案，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)量為1.125萬(wàn)kg/hm2以上時(shí)，優(yōu)化調(diào)虧灌溉組合為苗期水分虧缺下限閾值取田間持水量的51%～63%，上限為70% ～75%，拔節(jié)期水分虧缺下限閾值取田間持水量的60% ～73%，上限為80% ～85%。

［1］夏軍，劉春蓁，任國(guó)玉.氣候變化對(duì)我國(guó)水資源影響研究面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2011，26(01):1 －12.

［2］王秋菊來(lái)永才.試論黑龍江省水稻生產(chǎn)與水資源持續(xù)利用的對(duì)策與建議［J］.中國(guó)稻米，2010，16(04):25 －28.

Study on Maize High Efficiency Water Saving Irrigation in Black Soil Region

YAN Xue-bin1and WANG Bo2
(1.Heihe City Water Conservancy Bureau，Heihe 16400，China;2.Heilongjiang Province Water Conservancy Science Research Institute，Harbin 150080，China)

In order to study the efficient irrigation system of spring maize in black soil region，“D—206”saturated optimum design is adopted;field experiment was conducted to study the effects of seedling，jointing different irrigation levels on the yield of maize.The results show that the adverse effect on maize yield at jointing stage，and the water deficit degree at jointing stage is bigger than that at seedling stage.When the target yield is above 11 250 kg/hm2，within the 95%confidence interval，optimized regulated deficit irrigation combination is the lowest threshold of water deficit at seedling stage，which is 51% ～63%of field capacity，the highest limit is 70% ～75%;the lowest threshold for water deficit at jointing stage is 60% ～73%of field capacity，the highest limit is 80% ～85%.

black soil region;spring maize;seedling stage;jointing stage;optimal irrigation;interaction effect

S513

A

1007－7596(2014)07－0005－03

2013－12－16

閆學(xué)斌(1980－)，男，山東平陰人，工程師;王柏(1980－)，男，黑龍江阿城人，工程師。