黑土稻作水肥耦合對水分生產(chǎn)函數(shù)和產(chǎn)量的影響試驗(yàn)研究

金子茗，林彥宇，張玉慶，聶堂哲

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150030)

黑土稻作水肥耦合對水分生產(chǎn)函數(shù)和產(chǎn)量的影響試驗(yàn)研究

金子茗1，2，林彥宇1，2，張玉慶1，2，聶堂哲1，2

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150030)

為了探究水肥耦合對水分生產(chǎn)函數(shù)和水稻產(chǎn)量的影響，于2013年在慶安縣和平灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行水稻田間試驗(yàn)，采用最優(yōu)飽和D3-11設(shè)計方案，通過Jensen模型和回歸模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、擬合方程，對水稻耗水規(guī)律和產(chǎn)量進(jìn)行分析。結(jié)果表明：鉀肥用量為95 kg/hm2，磷肥用量為100 kg/hm2，控制水稻分蘗后期土壤含水量下限值占飽和含水量的70%時，水稻可獲得最佳產(chǎn)量。

水稻；水分生產(chǎn)函數(shù)；回歸模型；水肥耦合

黑龍江省是糧食生產(chǎn)與輸出大省，為保障全國糧食安全穩(wěn)定貢獻(xiàn)較大，但是黑龍江省又是水資源總量較少的省份，屬于干旱半干旱氣候區(qū)，水資源供需矛盾日益突出[1]，不合理施肥所造成的環(huán)境污染也日趨嚴(yán)重[2]。近年來對于水和氮肥，以及氮肥和鉀肥耦合的研究備受關(guān)注，并在灌溉模式結(jié)合施氮肥對水稻產(chǎn)量影響規(guī)律[3]以及氮磷鉀肥配合施用對水稻生長性狀、產(chǎn)量影響規(guī)律[4]等方面的研究有了長足的進(jìn)步。但對于水與磷鉀肥耦合效應(yīng)下耗水以及產(chǎn)量變化規(guī)律的研究則較少。本試驗(yàn)通過Jensen模型分析水稻不同生育期耗水量以及產(chǎn)量變化，利用回歸模型分析水與磷鉀肥耦合對水稻產(chǎn)量的影響。為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)合理灌水與施肥提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2013年4月—9月在慶安縣和平灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)站位于綏化市慶安縣，東經(jīng)125°44′，北緯45°63′。試驗(yàn)區(qū)屬于低山丘陵平原區(qū)，氣候特征屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。多年平均氣溫為1.69℃，無霜期126 d左右，多年平均降雨量579 mm。試驗(yàn)地區(qū)為典型的寒地黑土，田間持水率39.61%，干密度1.10/cm3，有機(jī)質(zhì)含量4.95%，全氮0.188%，全磷0.083%，試驗(yàn)選用品種為龍慶稻2號。氮肥選用尿素，磷肥選用二胺，鉀肥選用硫酸鉀。每個試驗(yàn)小區(qū)面積為100 m2，插秧密度為24穴/m2。

1.1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采取飽和D3-11設(shè)計方案。采取三因素五水平，控制因素分別為控水下限(控制水稻分蘗后期土壤含水量下限值占土壤飽和含水量的比值)，磷肥與鉀肥用量。試驗(yàn)共設(shè)11個處理，重復(fù)4次，水稻在整個生育期灌水標(biāo)準(zhǔn)為返青期統(tǒng)一控制田面水層為 0～30 cm，黃熟期自然落干，其它各生育期灌水以分蘗后期為基準(zhǔn)，其比例關(guān)系為分蘗前期∶分蘗中期∶分蘗后期∶拔節(jié)孕穗前期∶拔節(jié)孕穗后期∶抽穗開花期∶乳熟期=1.3∶1.15∶1∶1.15∶1.3∶1.3∶1.15，另設(shè)一個對照組為充分灌水。采取隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)因素水平如表1所示。水稻于4月7日播種育苗，5月10日施基肥，5月23日進(jìn)行插秧，6月5日施分蘗肥，7月15日施穗肥。施用農(nóng)藥1次。全生育期施肥標(biāo)準(zhǔn)如下：氮肥總量為300 kg/hm2，分3次施入，施肥比例為，基肥∶分蘗肥∶穗肥=4.5∶3∶2.5。磷肥總量作為基肥一次性施入。鉀肥分兩次施入，施入比例為，基肥∶穗肥=1∶1。

表1 試驗(yàn)因素水平表

注：0水平X1為70%，X2為75 kg/hm2，X3為100 kg/hm2；2平X1為80%，X2為150 kg/hm2，X3為200 kg/hm2；-2水平X1為60%，X2為0 kg/hm2，X3為0 kg/hm2。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

灌水量的測定：在土壤中水分含量達(dá)到試驗(yàn)方案的灌溉下限時進(jìn)行灌水，記錄灌水時間，灌溉水量。

水稻耗水量的測定：在田面有水層時通過水尺記錄水層深度，沒有水層時用土壤含水率測定儀確定土壤含水率，并與上一次測定的數(shù)值進(jìn)行對比確定耗水量。

水稻各生育期生長性狀的觀測：在水稻各生育期記錄水稻株數(shù)、分蘗數(shù)以及株高的變化。

水稻產(chǎn)量測定：水稻測定產(chǎn)量時，通過記錄水稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒重，計算理論產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2010，SAS等軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分生產(chǎn)函數(shù)模型的建立與求解

水分生產(chǎn)函數(shù)描述的是作物產(chǎn)量和灌溉水量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。本次試驗(yàn)分析不同土壤水分含量下限對水稻各生育期耗水量的影響，而在統(tǒng)計水分生產(chǎn)函數(shù)時，采用國內(nèi)外公認(rèn)比較合理和常用的Jensen模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，選水分生產(chǎn)函數(shù)靜態(tài)模型中的相乘模型[5-7]。

Jensen模型表達(dá)式：

(1)

試驗(yàn)選取分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期，及乳熟期作為試驗(yàn)建立模型的階段時期[8-9]，所得到的生育期耗水量以及最終水稻產(chǎn)量如表2所示，代入Jensen模型方程求得相應(yīng)階段的水分敏感指數(shù)與相關(guān)系數(shù)如表3所示。

表2 選取生育期的耗水量及最終水稻產(chǎn)量

表3 試驗(yàn)生育階段水分敏感指數(shù)以及相關(guān)系數(shù)

從表2可以看出，土壤水分含量對水稻各生育階段的耗水量、水稻的產(chǎn)量的影響。在施肥量相同而土壤水分含量不同情況下，處理4比處理3的耗水量在分蘗期提高44.8%，拔節(jié)期提高31.4%，抽穗期提高34.9%，乳熟期提高42.9%，產(chǎn)量提高42.8%。處理6與處理5相比，耗水量在分蘗期提高24.2%，拔節(jié)期提高30.7%，抽穗期提高26%，乳熟期提高42.4%，產(chǎn)量提高43.1%。

土壤中的各種肥效均是通過溶于水分，由作物吸收而起到促進(jìn)作物生長、提高產(chǎn)量的作用。適當(dāng)提高土壤水分含量對水稻吸收養(yǎng)分、快速增長和增加產(chǎn)量有明顯促進(jìn)作用。

由表3可見，Jensen模型的水分敏感指數(shù)的順序由大到小為：抽穗開花期>拔節(jié)孕穗期>分蘗期>乳熟期。Jensen模型的敏感指數(shù)表明該階段對缺水的敏感程度，即敏感指數(shù)值愈大，缺水導(dǎo)致的減產(chǎn)愈嚴(yán)重。試驗(yàn)處理的相關(guān)系數(shù)為0.9879說明相關(guān)性較高，且各階段敏感指數(shù)順序和水稻的生長發(fā)育的生理需水特性相吻合。

通過Jensen模型的求解可知，水稻在不同生育階段的缺水會對形成最終產(chǎn)量產(chǎn)生不同程度的影響。通過各生育期對缺水的敏感程度分析可以明確水稻的需水關(guān)鍵期。

2.2 回歸方程的建立

根據(jù)試驗(yàn)因素水平表(表1)和試驗(yàn)小區(qū)產(chǎn)量表(表2)，建立回歸數(shù)學(xué)模型[10]，得到產(chǎn)量對土壤水分含量、磷肥和鉀肥用量的回歸方程。

Y=10 115+837.419X1+205.596X2+

2)人文歷史底蘊(yùn)深厚。 森林古道周邊常常存在一些人文古跡。如大潦馬嶺古道有石器時代的遺址。另外古橋、古碑?dāng)?shù)量更多。歷代文人墨客也常由于森林古道風(fēng)景優(yōu)美而到此游覽，留下許多詩詞歌賦。像陸游攜父游車慈嶺古道，其父留下《題獨(dú)秀亭》和《題安文山居》兩首詩和“入車慈嶺”散句。另外水竹塢古道、孟婆嶺古道等也均有詩詞與傳說留下。本次調(diào)查古道發(fā)現(xiàn)相關(guān)古籍文獻(xiàn)資料54篇。

(2)

式中：Y為產(chǎn)量，kg/hm2；X1為分蘗后期控制土壤含水量下限，%；X2為磷肥用量，kg/hm2；X3為鉀肥用量，kg/hm2。應(yīng)用SAS軟件對得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，擬合方程，得出各因素對水稻產(chǎn)量影響的顯著程度。

2.2.1 主因子效應(yīng)分析

由于式(2)中偏回歸系數(shù)已標(biāo)準(zhǔn)化。通過式(2)中偏回歸系數(shù)的絕對值大小可以判斷各因子對產(chǎn)量影響的顯著程度,系數(shù)正負(fù)號表示各因素對產(chǎn)量的提高是促進(jìn)還是抑制。式中X1、X2、X3的系數(shù)為正，即控制水稻分蘗后期土壤含水量和施磷鉀肥對水稻產(chǎn)量起到促進(jìn)作用，促進(jìn)作用的效果為：分蘗后期土壤含水量X1>鉀肥X3>磷肥X2。方程交互項(xiàng)X1X2、X1X3、X2X3的系數(shù)為正，表明土壤含水量與磷肥，土壤含水量與鉀肥，磷肥與鉀肥耦合作用對產(chǎn)量起到促進(jìn)作用。式中X1和X3的平方項(xiàng)為負(fù)數(shù)則表明，過多的土壤含水量、鉀肥用量會抑制產(chǎn)量增加。

2.2.2 耦合效應(yīng)分析

令式(2)中一個因素編碼值為零，可得到由另外兩個因素所組成的二元二次方程。從式(2)可知，因素之間所表現(xiàn)出的交互作用，對產(chǎn)量影響的顯著程度為：土壤含水量與鉀肥交互>磷肥與鉀肥交互>土壤含水量與磷肥交互。其中，土壤含水量與磷交互作不顯著，暫不予考慮。

分析水和鉀肥的交互作用，令式(2)中代表磷的編碼值為零。得到土壤含水量和鉀肥作用下產(chǎn)量效應(yīng)方程。

(3)

根據(jù)式(3)做土壤含水量和鉀肥耦合作用水肥效應(yīng)圖，如圖1所示。

圖1 水與鉀肥耦合效應(yīng)圖

從圖1可看出，在土壤水分含量水平較低時提高鉀肥施用量，隨著鉀肥用量的提高，產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。即在較低土壤含水量時可獲得較高產(chǎn)量，如土壤含水量編碼值X1=-2、鉀肥編

碼值X3=-1.414時，產(chǎn)量為7855.50 kg/hm2。而當(dāng)土壤含水量編碼值X1=-2、鉀肥編碼值X3=2時，產(chǎn)量為5876.41 kg/hm2。隨著土壤水份含量提升而增加鉀肥用量，產(chǎn)量表現(xiàn)為先增加后趨于穩(wěn)定平緩。當(dāng)再進(jìn)一步提高土壤含水量時產(chǎn)量所能達(dá)到的最大值有所提高。即在較高的土壤含水量時施用鉀肥能更有效提高產(chǎn)量，如土壤含水量編碼值X1=0、鉀肥編碼值X3=1.414時，產(chǎn)量為10 210.88 kg/hm2。而當(dāng)土壤含水量編碼X1=2、鉀肥編碼值X3=1.414時，產(chǎn)量為12 220.71 kg/hm2。同樣的當(dāng)固定鉀肥用量而改變土壤含水量時產(chǎn)量有相類似的變化。

當(dāng)同時改變土壤含水量和鉀肥用量時，產(chǎn)量的變化會更加顯著。當(dāng)土壤含水量編碼值X1=-2、鉀肥編碼值X3=-2時，產(chǎn)量為7701.70 kg/hm2。同時增加土壤含水量和鉀肥用量，會使產(chǎn)量明顯提高，如土壤含水量編碼值X1=2、鉀肥編碼值X3=2時，產(chǎn)量為12 487.84 kg/hm2。

2.2.3 數(shù)學(xué)模型尋優(yōu)

最佳產(chǎn)量優(yōu)化方案由式(2)分別對X1，X2，X3求偏導(dǎo)，得到方程組(4)～(6)，并求解方程組。

?y/?X1=837.419-404.518X1+

51.428X2+407.719X3=0

(4)

?y/?X2=205.596+51.428X1+

50.406X2+189.471X3=0

(5)

?y/?X3=359.098+407.719X1+

189.471X2-421.016=0

(6)

解方程組得X1=0.669、X2=-5.08、X3=-0.1，即在土壤水分含量下限為70%、鉀肥95 kg/hm2、而磷肥在試驗(yàn)中沒有對應(yīng)的編碼值，且磷肥對水稻產(chǎn)量影響不顯著，根據(jù)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐選用磷肥用量100 kg/hm2，在這種土壤水分含量、磷鉀肥用量水肥組合時，水稻可獲得最佳產(chǎn)量。

3 結(jié) 論

(1)通過Jensen模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出各生育期的缺水敏感指數(shù)，由大到小為：抽穗開花期>拔節(jié)孕穗期>分蘗期>乳熟期。提高土壤水分含量下限，對促進(jìn)水稻各生育期耗水量、水稻最終產(chǎn)量有十分顯著的影響，

(2)通過對回歸方程進(jìn)行擬合，并對模型尋優(yōu)可得到：在水稻分蘗期控制土壤水分含量下限為土壤飽和含水量的70%、鉀肥95 kg/hm2、磷肥用量100 kg/hm2的水肥組合時，可獲得最佳產(chǎn)量。

(3)在Jensen模型水分生產(chǎn)函數(shù)分析的基礎(chǔ)上，通過回歸方程進(jìn)行分析水肥耦合作用對水稻產(chǎn)量的影響。由于在水肥耦合組合中水與鉀肥耦合作用顯著，所以進(jìn)行主要分析。得出結(jié)論：在確定土壤水分含量下限時應(yīng)注意鉀肥施用量，而施用鉀肥的量也根據(jù)土壤水分含量下限高低確定。不合理搭配土壤水分含量和鉀肥用量達(dá)不到高產(chǎn)的目的，甚至?xí)斐僧a(chǎn)量的減少，浪費(fèi)水資源和肥料，造成生態(tài)破環(huán)。只有合理進(jìn)行土壤水分含量、磷鉀肥的用量組合才能達(dá)到水肥耦合最佳效果，獲得最佳產(chǎn)量，并根據(jù)作物在不同生育期的對缺水敏感程度，合理灌水，達(dá)到水肥資源的高效利用。

[1] 王克全，付強(qiáng).黑龍江省西部半干旱區(qū)水稻水分生產(chǎn)函數(shù)及優(yōu)化灌溉制度研究[J].節(jié)水灌溉，2007(8):48-51.

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Experimental study on the influence of water-fertilizer coupling on water production function and yield of rice planted in black soil

JIN Ziming1，2，LIN Yanyu1，2，ZHANG Yuqing1，2，NIE Tangzhe1,2

(1.WaterConservancyandArchitectureCollege,NortheastAgiculturalUniversity，HarbinHeilongjiang150030,China;2.KeyLaboratoryofEfficientUtilizationofAgriculturalWaterResources，MinistryofAgriculture,NortheastAgricultureUniversity,Harbin150030,China)

t：In order to explore the influence of water and fertilizer coupling on water production function and yield of rice，field experiment was carried out in Helping irrigation station of Qing'an county in 2013. Through the application of the optimal saturation D3-11 design, data analysis and equation fitting were performed with Jensen Model and regression model and the water consumption regulation and yield of rice were analyzed. The results showed that the rice yield reached optimal value with the potash fertilizer of 95 kg/hm2, phosphatic fertilizer of 100 kg/hm2, and soil moisture limit at final tillering stage of 70%.

rice;water production function;regression model;water-fertilizer coupling

“十二五”國家科技支撐計劃(2012BAD08B05)

金子茗(1988-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)節(jié)水理論與技術(shù)。E-mail：jzm_88@qq.com

S275

A

2096-0506(2015)02-0001-04