寒地稻作水氮生產(chǎn)函數(shù)及其評(píng)價(jià)研究

梁乾平，王孟雪，金子茗

(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.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)

寒地稻作水氮生產(chǎn)函數(shù)及其評(píng)價(jià)研究

梁乾平1,2，王孟雪1,2，金子茗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.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)

采用全面小區(qū)試驗(yàn)，以龍慶稻3號(hào)為試驗(yàn)材料，設(shè)四種灌溉水平(控制灌溉、蓄水控灌、淺水灌溉、淹灌)和四種施氮水平(135 kg/hm2、105 kg/hm2、75 kg/hm2、0 kg/hm2)，建立了不同水氮耦合模式的水氮生產(chǎn)函數(shù)。利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。水氮因素對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成因素影響大小依次為千粒重>結(jié)實(shí)率>穗粒數(shù)>有效穗數(shù)；在分蘗期、抽開(kāi)期、乳熟期充足的水氮有助于提高產(chǎn)量，在拔孕期水氮充足會(huì)使水稻產(chǎn)量降低。結(jié)果表明：蓄水控灌施氮量為105 kg/hm2是最佳的水氮耦合方式。

稻作；水氮耦合；水氮生產(chǎn)函數(shù)

中國(guó)是水資源嚴(yán)重缺乏且分布不均的國(guó)家[1]，同時(shí)也是氮肥消耗第一大國(guó)[2]。水稻是我國(guó)耗水量最多的作物[3]。傳統(tǒng)稻作生產(chǎn)的水肥管理模式，不僅造成了水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，而且引起了一系列的環(huán)境問(wèn)題[4]。水分和氮肥是影響其生長(zhǎng)發(fā)育的主要限制因子，氮肥對(duì)水稻產(chǎn)量的影響不亞于水，因此氮肥的施用量逐年增加。氮肥的增產(chǎn)作用不僅在于氮肥本身，更重要的在于與土壤水分的互作，只有水分和養(yǎng)分的合理投入，才能產(chǎn)生明顯的協(xié)同效果，達(dá)到以肥調(diào)水和以水促肥的雙重目的[5]。近年來(lái)關(guān)于水稻水氮高效利用的研究表明：氮素與水分的相互作用同時(shí)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生影響。水分不足影響作物根系對(duì)肥料的吸收利用，養(yǎng)分不足則限制作物對(duì)水分的充分利用，二者互為制約，又互相促進(jìn)[6]。以往多數(shù)研究成果評(píng)價(jià)指標(biāo)籠統(tǒng)單一，無(wú)法對(duì)各處理進(jìn)行客觀全面的評(píng)價(jià)[7]，提出的水氮生產(chǎn)函數(shù)模型多數(shù)針對(duì)全生育期的靜態(tài)模型，沒(méi)有深入到各生育階段，因而無(wú)法指導(dǎo)各階段的水氮施用[8-9]。本文采取模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)影響產(chǎn)量的多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并依據(jù)各指標(biāo)所占權(quán)重判斷各指標(biāo)對(duì)產(chǎn)量影響的大小。采用基于Jensen模型的水氮生產(chǎn)函數(shù)模型求解各生育階段的水氮交互作用系數(shù)[10]，從而為水稻各生育階段的水分管理及施氮管理提供理論依據(jù)，進(jìn)而改變當(dāng)前 “大水大肥”的水肥管理模式，有利于發(fā)展優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)農(nóng)業(yè)。這對(duì)解決我國(guó)的水資源危機(jī)，保障國(guó)家糧食安全具有重大意義[11]。

1 材料和方法

試驗(yàn)于2014年5月初至9月末在黑龍江省水稻灌溉試驗(yàn)中心(慶安站)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)與安邦河提水渠首工程相鄰，地理坐標(biāo)為東經(jīng)125°44′，北緯45°63′。試驗(yàn)區(qū)屬于寒溫帶大陸季風(fēng)氣候，多年平均降雨量577 mm，平均氣溫1.69 ℃，平均無(wú)霜期128 d，平均日照時(shí)數(shù)2600 h，平均蒸發(fā)量770 mm。

試驗(yàn)區(qū)土壤類型為黑土，全氮0.188%，全磷0.083%，全鉀1.89%，有機(jī)質(zhì)4.96%。試驗(yàn)站大田0～20 cm土壤體積飽和含水率為54.72%，供試品種為龍慶稻3號(hào)，移栽密度26萬(wàn)穴/hm2，每穴3株。

試驗(yàn)采取兩因素四水平全面試驗(yàn)的方式在小區(qū)里進(jìn)行，小區(qū)規(guī)格為10 m×10 m，小區(qū)間采用PVC板防滲、其余各面采用水泥修埂及排水管道并鋪設(shè)無(wú)紡布進(jìn)行防滲，試驗(yàn)中兩因素分別為灌溉模式(見(jiàn)表1)和氮肥施用量。

表1 不同灌溉模式水分管理表

注：表中灌水下限百分?jǐn)?shù)為占土壤體積飽和含水率(θs)的百分?jǐn)?shù)，灌水上限為水層厚度/mm，上下限中0表示田面無(wú)水層。

施肥設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)為純氮肥135 kg/hm2(高氮)、105 kg/hm2(常氮)、75 kg/hm2(低氮)、0 kg/hm2(零氮)，分4次施入。施肥比例為基肥∶孽肥∶調(diào)節(jié)肥∶穗肥=5∶2.5∶1∶1.5。P肥作為基肥一次性施入(施P2O5為45 kg/hm2)，K肥分兩次施入(施K2O為80 kg/hm2)，施入比例為基肥∶穗肥=1∶1。試驗(yàn)16個(gè)小區(qū)(見(jiàn)表2)采取3次重復(fù)，共計(jì)48個(gè)小區(qū)。試驗(yàn)小區(qū)采用隨機(jī)排列的方式進(jìn)行。

表2 試驗(yàn)處理表

灌排水量用水表、水尺測(cè)量，耗水量用水尺和土壤水分測(cè)定儀測(cè)量。從試驗(yàn)站自動(dòng)氣象站收集降雨時(shí)間、歷時(shí)和降雨量資料。各小區(qū)采用五點(diǎn)法取樣測(cè)產(chǎn)。測(cè)定結(jié)實(shí)率、千粒質(zhì)量等指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于Jensen模型的水氮生產(chǎn)函數(shù)

水氮生產(chǎn)函數(shù)描述的是作物產(chǎn)量和灌溉水量及施氮量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。由于水分生產(chǎn)函數(shù)和氮素生產(chǎn)函數(shù)具有相同的變化趨勢(shì)，都可以用一元二次曲線來(lái)擬合。因此認(rèn)為可將分階段的水分生產(chǎn)函數(shù)(Jensen)模型與分階段氮素生產(chǎn)函數(shù)相結(jié)合，構(gòu)造基于Jensen模型的水氮生產(chǎn)函數(shù)模型。

模型表達(dá)式：

(1)

式中：ki代表水氮交互作用系數(shù)；i為作物生育期階段編號(hào)；Ym代表水氮充足條件下的產(chǎn)量(即作物光溫產(chǎn)量)；ETm i代表充分灌溉下的耗水量；Yα代表實(shí)際水氮條件下的產(chǎn)量；ETα i代表各處理的實(shí)際耗水量；n為劃分的作物生育期階段數(shù)，本次試驗(yàn)中為4；NCα i和NCm i分別代表實(shí)際吸氮量和潛在吸氮量。

選取分蘗期、拔孕期、抽開(kāi)期和乳熟期作為建立模型的生育階段，不同水氮處理各生育階段耗水量、吸氮量以及最終水稻產(chǎn)量相對(duì)于水氮供給充足時(shí)的相對(duì)值如表3所示。

代入式(1)，求得各生育階段的水氮交互作用系數(shù)如表4所示。

通過(guò)表4可知在所選擇的4個(gè)生育階段中，分蘗期、抽開(kāi)期和乳熟期ki為正，水稻耗水量和吸氮量的交互作用對(duì)水稻產(chǎn)量的影響表現(xiàn)為協(xié)同作用；拔孕期ki為負(fù)，水稻耗水量和吸氮量的交互作用對(duì)水稻產(chǎn)量的影響表現(xiàn)為拮抗作用。分蘗期是水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的旺盛時(shí)期，充足的水氮供給可以使水稻分蘗數(shù)快速增加，從而影響有效穗數(shù)和最終產(chǎn)量；抽開(kāi)期正是水稻授粉期，缺少水氮會(huì)使水稻的結(jié)實(shí)率大大降低，從而影響最終的水稻產(chǎn)量；乳熟期是水稻將光合產(chǎn)物向籽粒中轉(zhuǎn)移的時(shí)期，水和氮素是水稻進(jìn)行光合作用必不可少的物質(zhì)，缺少水氮會(huì)使水稻植株光合作用減弱，進(jìn)而影響水稻的千粒重使得水稻產(chǎn)量降低。拔孕期是營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)過(guò)渡的階段，如果水氮供應(yīng)充足會(huì)使水稻繼續(xù)進(jìn)行分蘗，造成后期養(yǎng)分供應(yīng)不足，導(dǎo)致結(jié)實(shí)率下降產(chǎn)量降低。

表3 不同水氮處理相對(duì)值

表4 生育階段水氮交互作用系數(shù)表

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)不同水氮處理的評(píng)價(jià)

2.2.1 模糊綜合評(píng)價(jià)模型的建立

步驟1：確定評(píng)價(jià)指標(biāo)集合U={U1,U2,…,Un}其中，U1,U2,…,Un為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

步驟2：數(shù)據(jù)無(wú)量綱化處理

對(duì)于越大越優(yōu)的指標(biāo)：

(2)

對(duì)于越小越優(yōu)的指標(biāo)：

(3)

式中：xmax(j)為第j個(gè)指標(biāo)中的最大值；xmin(j)為第j個(gè)指標(biāo)中的最小值。x*(i,j)為第i個(gè)樣本中第j個(gè)指標(biāo)值；x(i,j)為指標(biāo)特征值歸一化序列。

步驟3：建立單因素評(píng)價(jià)矩陣，即

(4)

(5)

式中：i=1,2,…,n;j=1,2,…,m;r(i,j)為單因素評(píng)價(jià)值。

步驟4：計(jì)算權(quán)重

(1)單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重

(6)

式中：gi為某指標(biāo)實(shí)測(cè)值；si為某處理加權(quán)平均值；wi為單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重值。

(7)

(2)單個(gè)指標(biāo)在總體中的權(quán)重值

(8)

式中：A為單個(gè)指標(biāo)在總體中的權(quán)重值。

步驟5：綜合評(píng)價(jià)

對(duì)于權(quán)重A=(a1,a2,…,an)，取max-min合成運(yùn)算，即計(jì)算B=A°R，方法如下：

(9)

步驟6：按評(píng)判值B的大小進(jìn)行排序，即確定各處理的優(yōu)劣順序。

2.2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型應(yīng)用

水肥耦合方案優(yōu)選過(guò)程中，通常存在評(píng)價(jià)指標(biāo)籠統(tǒng)和單一；而水肥耦合方案優(yōu)劣的影響因素往往很多，難以對(duì)方案的優(yōu)劣進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)模型，取影響水稻產(chǎn)量的主要因素(千粒重、有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各水氮處理方案進(jìn)行優(yōu)劣評(píng)價(jià)?；举Y料如表5所示。

表5 不同水氮處理資料表

所選取的四個(gè)指標(biāo)均為越大越優(yōu)型，采用式(2)進(jìn)行無(wú)量綱化處理。通過(guò)計(jì)算得出評(píng)價(jià)矩陣R。

根據(jù)式(6)～(8)計(jì)算出各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重為：

根據(jù)評(píng)價(jià)矩陣R和各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重A通過(guò)MATLAB軟件計(jì)算可以得出評(píng)判值B，并按照評(píng)判值B的大小順序?qū)Ω魉幚磉M(jìn)行優(yōu)劣排序?yàn)椋禾幚?>處理2>處理1>處理5>處理9>處理13>處理10>處理7>處理14>處理3>處理11>處理4>處理8>處理12>處理15>處理16。按照實(shí)際產(chǎn)量進(jìn)行優(yōu)劣排序?yàn)椋禾幚?>處理2>處理1>處理5>處理9>處理13>處理10>處理7>處理14>處理3>處理11>處理12>處理8>處理4>處理15>處理16，兩者排序基本相同如表6所示。

通過(guò)各指標(biāo)權(quán)重A可以看出千粒重對(duì)產(chǎn)量的影響大于結(jié)實(shí)率對(duì)產(chǎn)量的影響大于穗粒數(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響大于有效穗數(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響，因此提高水稻產(chǎn)量可優(yōu)先提高千粒重。處理6即施氮量為105 kg/hm2蓄水控灌模式為最優(yōu)組合，與處理14(C4N2)相比較，產(chǎn)量提高了39.5%，水分生產(chǎn)效率提高78.1%。

表6 不同水氮處理的評(píng)價(jià)值

3 結(jié) 論

(1)以往研究通常把水和氮的效應(yīng)分開(kāi)進(jìn)行分析，而實(shí)際水和氮不是彼此獨(dú)立的，是彼此相互作用共同對(duì)水稻的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，由于水和氮的生產(chǎn)函數(shù)變化趨勢(shì)相似，因此把氮素因子加入到水分生產(chǎn)函數(shù)Jensen模型中，得出基于Jensen模型的水氮生產(chǎn)函數(shù)模型。通過(guò)求解各生育階段水氮交互作用系數(shù)可知：分蘗期水氮的交互作用系數(shù)為正值，表現(xiàn)為協(xié)同作用，因此在分蘗期供給充分的水和氮肥，從而得到較多的分蘗數(shù)；在拔孕期水氮的交互作用系數(shù)為負(fù)值，表現(xiàn)為拮抗作用，因此不能一味采用大水大肥，造成營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)于旺盛，遲遲不向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化，造成水稻減產(chǎn)；抽開(kāi)期和乳熟期水氮交互作用系數(shù)為正值，表現(xiàn)為協(xié)同作用，應(yīng)盡量提供充足水氮來(lái)提高結(jié)實(shí)率和千粒重，從而提高產(chǎn)量。

(2)根據(jù)模糊綜合評(píng)判值B的大小對(duì)處理進(jìn)行優(yōu)劣排序，確定處理6(C2N2)是最優(yōu)水氮耦合方案(蓄水控灌施氮量為105 kg/hm2，基肥∶調(diào)節(jié)肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶1∶2.5∶1.5)為最佳組合。與處理14(C4N2)相比產(chǎn)量提高了39.5%，水分生產(chǎn)效率顯著提高。按照評(píng)判值B進(jìn)行的優(yōu)劣排序與按照實(shí)際產(chǎn)量進(jìn)行的優(yōu)劣排序基本相符，通過(guò)對(duì)各指標(biāo)權(quán)重A值的計(jì)算，在影響產(chǎn)量的因素中千粒重對(duì)產(chǎn)量的影響最大，因此提高千粒重是提高產(chǎn)量的有效途徑。

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Evaluation study on water and nitrogen production function of rice in cold black soil region

LIANG Qianping1,2, WANG Mengxue1,2, JIN Ziming1,2

(1.WaterConservancyandArchitectureCollege,NortheastAgriculturalUniversity，Harbin150030，China；2.KeyLaboratoryofhighefficiencyutilizationofAgriculturalWaterResourcesMinistryofAgriculture，Harbin150030，China)

t：Field plot experiment was conducted, which set four irrigation levels (control irrigation, intermittent irrigation, shallow wet irrigation and basin irrigation) and four nitrogen levels (135 kg/hm2, 105 kg/hm2, 75 kg/hm2and 0 kg/hm2). Longqing No. 3 was selected as test material. Water and nitrogen production function was established under different water and nitrogen coupling models. Fuzzy comprehensive evaluation method was used to evaluate the yield of rice. The effect of water and nitrogen on yield followed the sequence as 1000-grain weight, ripening rate, grain number per panicle and effective panicles. Sufficient water and nitrogen result in increase yield at tillering stage, tasseling stage and milk ripe stage, but contribute to a reduction of rice yield at jointing-booting stage. The results showed that the control irrigation with nitrogen amount of 105 kg/hm2is optimal water and nitrogen coupling model.

rice; water and nitrogen coupling; production function of water and nitrogen

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAD08B05)

梁乾平(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉理論與新技術(shù)。E-mail：420944239@qq.com

S274.3

A

2096-0506(2015)01-0029-05