基于Jensen模型的紅棗水分生產(chǎn)函數(shù)及敏感指數(shù)研究

王則玉，馬曉鵬，劉國(guó)宏，謝香文

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091)

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基于Jensen模型的紅棗水分生產(chǎn)函數(shù)及敏感指數(shù)研究

王則玉，馬曉鵬，劉國(guó)宏，謝香文

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091)

【目的】研究滴灌條件下紅棗各生育期水分虧缺對(duì)產(chǎn)量的影響，明確紅棗各生育期水分敏感指數(shù)和關(guān)鍵需水期。【方法】通過(guò)對(duì)紅棗各生育期不同水分虧缺處理，分析紅棗灌水量和耗水量、耗水量和產(chǎn)量的關(guān)系，分析各生育期內(nèi)水分虧缺對(duì)產(chǎn)量的顯著性影響。根據(jù)紅棗產(chǎn)量和不同生育階段的耗水量關(guān)系，建立基于Jensen模型的水分生產(chǎn)函數(shù)，利用轉(zhuǎn)換方程組解出相關(guān)參數(shù)?！窘Y(jié)果】紅棗水分敏感指數(shù)(萌芽展葉期0.089；開(kāi)花坐果期0.324；果實(shí)膨大期0.392；成熟期0.068)?！窘Y(jié)論】果實(shí)膨大期為影響產(chǎn)量的需水關(guān)鍵期，萌芽展葉期和成熟期水分虧缺對(duì)產(chǎn)量影響小。

紅棗；Jensen模型；水分生產(chǎn)函數(shù)；敏感指數(shù)

0 引 言

【研究意義】新疆阿克蘇地區(qū)光照資源豐富、晝夜溫差大，是紅棗適宜生長(zhǎng)的地區(qū)。該地區(qū)灌溉用水主要來(lái)自阿克蘇河，由于河流來(lái)水量年內(nèi)分配不均，紅棗關(guān)鍵需水期不能適時(shí)灌溉，必造成一定程度減產(chǎn)和品質(zhì)下降。將有限的水資源在棗樹(shù)生育期內(nèi)進(jìn)行科學(xué)合理的分配以獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益，關(guān)鍵在于得到紅棗水分生產(chǎn)函數(shù)，此函數(shù)能夠反映作物產(chǎn)量隨水量變化的規(guī)律，是進(jìn)行指導(dǎo)灌溉管理和灌溉經(jīng)濟(jì)效益分析的基本依據(jù)，將對(duì)新疆林果業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。【前人研究進(jìn)展】作物水分生產(chǎn)函數(shù)Jensen模型是生育期內(nèi)水分優(yōu)化分配基礎(chǔ)，而相乘Jensen模型克服了相加Blank模型對(duì)實(shí)際中相對(duì)產(chǎn)量與相對(duì)蒸發(fā)蒸騰量的非線性關(guān)系，以及各生育階段缺水對(duì)產(chǎn)量的影響是獨(dú)立的兩大缺陷[1]。而按照生育期劃分求得作物水分敏感指數(shù)都是正值,且分配比較合理[2]。在此基礎(chǔ)上國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)多種作物的水分生產(chǎn)函數(shù)進(jìn)行了研究[3-7]，并提出了洋蔥、水稻、小麥、棉花等作物水分生產(chǎn)函數(shù)Jensen模型中各生育期敏感指數(shù)。敏感指數(shù)能夠反映作物不同階段缺水對(duì)產(chǎn)量影響程度，一般采用田間試驗(yàn)方法分不同發(fā)育階段確定敏感指數(shù)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】滴灌條件下，水分對(duì)棗樹(shù)生長(zhǎng)指標(biāo)及產(chǎn)量品質(zhì)影響研究較為深入，而對(duì)棗樹(shù)各生育期水分虧缺對(duì)產(chǎn)量影響較少，更未涉及水分生產(chǎn)函數(shù)相關(guān)研究。研究滴灌條件下紅棗各生育期水分虧缺對(duì)產(chǎn)量的影響。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】研究在滴灌條件下，對(duì)紅棗的不同生育時(shí)期進(jìn)行階段水分虧缺處理，通過(guò)Jensen模型建立水分生產(chǎn)函數(shù)，闡明產(chǎn)量與耗水量的函數(shù)關(guān)系，確定敏感指數(shù)以及紅棗的需水關(guān)鍵期，為新疆阿克蘇地區(qū)紅棗調(diào)虧灌溉技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)地點(diǎn)位于新疆阿克蘇地區(qū)科技示范園，試驗(yàn)材料為當(dāng)?shù)刂髟缘募t棗品種(灰棗)，樹(shù)齡為10 a，株行距(2×3)m，采用一行兩管滴灌，滴頭間距30 cm，流量2 L/h,距棗樹(shù)40 cm，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，田間持水量為35%(體積)，平均容重為1.40 g/cm3。土壤養(yǎng)分狀況：總鹽1.4 g/kg、全氮0.446 g/kg、全磷0.703 g/kg、有機(jī)質(zhì)9.548 g/kg、速效氮57.23 g/kg、速效磷4.4 g/kg,速效鉀179 g/kg。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)CK、W1、W2、W3、W4、W5、W6處理，整個(gè)棗樹(shù)生育期可分為四個(gè)生育期，分別是: 萌芽展葉期(15/4～15/5)、開(kāi)花坐果期(16/5～15/7)、果實(shí)膨大期(16/7～31/8) 和果實(shí)成熟期(1/9～20/9)。在四個(gè)生育期內(nèi)采用不同灌溉定額進(jìn)行調(diào)虧灌溉，每10棵棗樹(shù)為1個(gè)處理， 3 個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積63 m2。表1

表1 灌溉試驗(yàn)方案

Table 1 Irrigation experiment scheme

處理Treatments灌溉量(mm)Irrigation各生育期灌水量(mm) Theirrigationwateringrowthperiod萌芽展葉期Exhibitionleafbudperiod開(kāi)花坐果期Floweringfruit-bearingperiod果實(shí)膨大期Fruitenlargementperiod果實(shí)成熟期FruitmatureperiodCK810112 5337 5225135W178082 5337 5225135W275355 5337 5225135W3720112 5247 5225135W4832 5112 5337 5247 5135W5774112 5337 522599W6742 5112 5337 522567 5

注：棗樹(shù)萌芽展葉期灌水周期9 d，盛花期5 d，膨大期3 d，成熟期8 d

Notice: Jujube bud acquisition period water cycle for nine days, Full bloom five days, Fruit enlargement period of three days, Fruit mature period four eight days

1.2.2 耗水量和水分生產(chǎn)函數(shù)的確定

采用測(cè)定土壤含水率計(jì)算耗水量時(shí)，耗水量計(jì)算公式為：

(1)

式中ET1-2-階段耗水量，mm；i-土壤層次號(hào)數(shù)；n-土壤層次總數(shù)；γi-第i層的土壤干容重，g/cm3；Hi-第i層的土壤厚度，cm；θi1-第i層的土壤初始含水率，以占干容重的百分比計(jì)；M-時(shí)段內(nèi)的灌水量，mm；K-時(shí)段內(nèi)地下水補(bǔ)給量，mm，當(dāng)?shù)叵滤?2.5 m時(shí)，不計(jì)。

Jensen模型通常成為非充分灌溉水分生產(chǎn)函數(shù)計(jì)算時(shí)的選擇，該模型是考慮到作物生長(zhǎng)的時(shí)間概念的產(chǎn)量與水分的單因子模型。近年來(lái)試驗(yàn)研究應(yīng)用比較廣泛。模型的表達(dá)式為式中：

(2)

Ya為生育階段不同缺水條件下的實(shí)際產(chǎn)量，kg/hm2；Ym為全生育階段充分灌溉的產(chǎn)量，kg/hm2；ETai為第i生育階段的實(shí)際騰發(fā)量，mm；ETmi為充分灌溉的第i生育階段的騰發(fā)量，mm；i為作物生育階段數(shù)；λi為作物生育階段編號(hào)是第i生育階段的敏感指數(shù)，能夠反映階段缺水對(duì)產(chǎn)量影響的程度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及相關(guān)分析，并用轉(zhuǎn)換線性方程計(jì)算棗樹(shù)各生育階段的水分敏感指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 耗水量與產(chǎn)量

試驗(yàn)區(qū)紅棗耗水量是在采用水分測(cè)試儀TRIME監(jiān)測(cè)土壤剖面水分，利用水量平衡公式計(jì)算出不同水處理的棗樹(shù)各生育期的耗水量，灌溉總量相近各生育期不同分配比例造成最終產(chǎn)量的差異。

表2 各生育期棗樹(shù)耗水量

Table 2 The growth period of jujube water consumption

處理Treatments生育期 Growthperiod(mm)萌芽展葉期Exhibitionleafbudperiod開(kāi)花坐果期Floweringfruit-bearingperiod果實(shí)膨大期Fruitenlargementperiod果實(shí)成熟期Fruitmatureperiod全生育期Wholegrowthperiod(mm)產(chǎn)量Yield(kg/hm2)CK74 27307 32203 4983 18668 261226 60aW169 81298 78195 0376 73640 351204 68aW263 72306 71187 2993 57651 291179 54abW375 32310 23206 9190 21682 671021 26cdW472 94309 21171 3684 99638 5981 83dW576 45308 22204 6564 02653 341192 98abW674 65309 45202 3170 99657 41180 79ab

研究表明，不同水處理的棗樹(shù)全生育期耗水量在6 385～6 682 m3/hm2，在總量較為相近。各生育期耗水量對(duì)比：開(kāi)花坐果期>果實(shí)膨大期>果實(shí)成熟期>萌芽展葉期，在特定生育期內(nèi)紅棗的耗水量隨著灌水量的減少而減少，各生育期不同水分處理對(duì)產(chǎn)量的影響不同，萌芽展葉期和成熟期水分虧缺對(duì)產(chǎn)量影響較小，而果實(shí)膨大期，開(kāi)花坐果期水分虧缺使得產(chǎn)量下降。因此開(kāi)花坐果期和果實(shí)膨大期是對(duì)水分需求較為敏感。表2

圖1 不同生育期水分虧缺下產(chǎn)量變化

Fig.1 The effects of of production with water deficit in different growth period

研究表明，在紅棗生長(zhǎng)過(guò)程中，各生育期內(nèi)的水分虧缺對(duì)紅棗產(chǎn)量的影響呈拋物線趨勢(shì)，Y=45.376X2-298.75X+1 517.6，R=0.730 4。各生育期進(jìn)行對(duì)比：萌芽展葉期、果實(shí)成熟期水分虧缺對(duì)產(chǎn)量影響較小，未達(dá)到顯著水平，而開(kāi)花坐果期、果實(shí)膨大期水分虧缺降低產(chǎn)量，并達(dá)到顯著水平。圖1

2.2 水分生產(chǎn)函數(shù)模型

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用兩邊加ln的方法將Jensen模型轉(zhuǎn)換求解線性方程組，采用excle解方程組模型求出棗樹(shù)各生育階段水分敏感指數(shù)，試驗(yàn)紅棗生育期分為萌芽展葉期、開(kāi)花坐果期、果實(shí)膨大期和果實(shí)成熟期四個(gè)階段。

上式兩邊加ln得到線性方程組：

ln(Ya/Ym)=λ1ln(ETa1/ETm1)+

λ2ln(ETa2/ETm2)+λ3ln(ETa3/ETm3)+

λ4ln(ETa4/ETm4)然后方程組轉(zhuǎn)化為矩陣方程式：Aλ=B?λ=A-1B其中A-ln(ETai/ETmi)；B-ln(Ya/Ym)。最后利用excle解方程組模型解出λi。

紅棗的水分敏感指數(shù)在果實(shí)膨大期最大，開(kāi)花坐果期次之，萌芽展葉期和成熟期較小，說(shuō)明紅棗在果實(shí)膨大期最大，開(kāi)花坐果期兩個(gè)生育期對(duì)水分虧缺最為敏感，對(duì)產(chǎn)量影響大，而在萌芽展葉期和成熟期進(jìn)行一定的水分虧缺，對(duì)紅棗產(chǎn)量影響較小。

紅棗各生育階段水分敏感指數(shù)在萌芽展葉期、開(kāi)花坐果期、果實(shí)膨大期和果實(shí)成熟期分別為0.089、0.324、0.392、0.068。

3 討 論

由于棗樹(shù)各生育期的持續(xù)時(shí)間和氣候條件不同，因而作物的階段需水量和需水強(qiáng)度也有很大差異。棗樹(shù)是多年生的果樹(shù)，根系較為發(fā)達(dá)，對(duì)水分需求的響應(yīng)有一定的延遲。研究通過(guò)逐階段求解Jensen模型中的敏感指數(shù)在整個(gè)生育期內(nèi)呈現(xiàn)兩頭小，中間大的趨勢(shì)，與近幾年研究成果大致相同[8-10]。水分敏感指數(shù)值的大小能夠較好的反映作物和作物各生育階段，對(duì)缺水敏感的程度及其對(duì)作物不同生育期缺水減產(chǎn)的生物學(xué)特性，對(duì)優(yōu)化灌溉制度和水分高效利用具有重要的意義。

由于紅棗生育時(shí)段劃分?jǐn)?shù)量和時(shí)間間隔的差異，求出的水分敏感指數(shù)存在時(shí)域不穩(wěn)定性，有些專(zhuān)家學(xué)者提出水分敏感指數(shù)累積函數(shù)的概念及計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)作物生長(zhǎng)過(guò)程中水分敏感指數(shù)的變化模擬。但該方法的物理和生理機(jī)制研究不夠清晰，在實(shí)際應(yīng)用中還較為困難。而紅棗是多年生果樹(shù)，年際間生長(zhǎng)變化會(huì)引起對(duì)水分的需求和敏感性不同，重復(fù)性試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證亦較困難。

在耗水總量接近的條件下，各生育期水分分配也是影響產(chǎn)量關(guān)鍵的因素。故需進(jìn)一步的研究，發(fā)掘棗樹(shù)的節(jié)水潛力，從而為干旱區(qū)林果節(jié)水提供理論支撐。

4 結(jié) 論

4.1 紅棗各生育期內(nèi)耗水量隨著灌水量的減少而減少，萌芽展葉期和成熟期水分虧缺對(duì)其產(chǎn)量無(wú)顯著影響，而果實(shí)膨大期最大，開(kāi)花坐果期水分虧缺使得紅棗產(chǎn)量顯著下降。

4.2 紅棗各生育期水分敏感指數(shù)排序?yàn)椋汗麑?shí)膨大期>開(kāi)花坐果期>萌芽展葉期>成熟期，水分敏感指數(shù)分別為：0.392、0.324、0.089和0.068；萌芽展葉期和成熟期水分虧缺對(duì)產(chǎn)量影響小，在這兩個(gè)生育期采取水分虧缺不僅不影響產(chǎn)量，而且進(jìn)一步提高了水分利用效率。

4.3 果實(shí)膨大期為影響產(chǎn)量的需水關(guān)鍵期。

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Research on Water Production Function and Sensitive Indexes Based on Jujube Jensen Model

WANG Ze-yu, MA Xiao-peng , LIU Guo-hong, XIE Xiang-wen

(ResearchInstituteofSoil,FertilizerandAgriculturalWaterConservation,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi830091,China)

【Objective】 This project aims to research the effect of water deficit on the yield of jujube in different growth stages under drip irrigation, and to determine the water sensitivity index of each growth period, and to determine the critical water requirement period.【Method】This paper analyzed the relationship between water consumption and yield, and the effect of water deficit on yield in different growth stages. Based on the relationship between jujube yield and water consumption in different growth stages, the water production function based on Jensen model was established. 【Result】Jujube water sensitive indexes (bud and leaf 0.089; flowering stage 0.324; fruit enlargement period 0.392; mature period 0.068) were determined. 【Conclusion】The fruit enlargement period is the critical period of water requirement, and water deficit during the germination and mature stage has little effect on the fruit yield.

jujube; Jensen model; water production function; water sensitivity index

MA Xiao-peng(1972-), male, Associate Professor, (E-mail)xp.ma@qq.com

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.04.006

2016-12-20

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“新疆綠洲灌區(qū)林果高效節(jié)水綜合技術(shù)研究與示范”(2011BAD29B05)

王則玉(1986- )，男，新疆人，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)節(jié)水，(E-mail)wzylxy001@126.com

馬曉鵬(1972-)男，新疆人，副研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)節(jié)水，(E-mail)xp.ma@qq.com

S665.1

A

1001-4330(2017)04-0634-05

Supported by: Supported by the National Science and Technology Support Program"Xinjiang oasis irrigation forest fruit efficient comprehensive water-saving technology research and demonstration" (2011 BAD29B05)