遼寧地區(qū)玉米耗水量與產(chǎn)量的關(guān)系

張淑杰，周廣勝，張玉書，米 娜，孟 瑩，紀(jì)瑞鵬，蔡 福，武晉雯，李廣霞

(1.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所， 遼寧 沈陽 110166； 2.中國氣象科學(xué)研究院， 北京 100081；3.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院遼寧分院， 遼寧 沈陽110166； 4.遼寧省氣象臺， 遼寧 沈陽 110166)

玉米是東北地區(qū)的主要種植作物之一，播種面積基本維持在500萬hm2以上，種植面積約占糧食作物面積的1/3，其產(chǎn)量占到糧食總產(chǎn)的50%以上[1]。近年來干旱災(zāi)害頻繁發(fā)生，對雨養(yǎng)條件下的玉米生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的影響，因此研究其生長發(fā)育對水分的需求及水分對其產(chǎn)量的影響非常重要，直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)用水管理和國家糧食安全。而農(nóng)作物生長動態(tài)監(jiān)測和較準(zhǔn)確的產(chǎn)量預(yù)測，對于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、改進(jìn)管理措施和提高農(nóng)田水肥的高效利用有著非常重要的意義[2]。

玉米生長與水分關(guān)系密切，其生命活動都需要在一定的水分條件下才能進(jìn)行，任何一個階段缺水，都會使生命活動受阻,有關(guān)水分脅迫對玉米生長發(fā)育,耗水量和產(chǎn)量等的影響已有較多報道[3-4],多數(shù)研究表明缺水對玉米植株生長發(fā)育和產(chǎn)量有較大影響，水分脅迫下玉米減產(chǎn)的程度及其原因因脅迫時期而異[5-8]。針對以上情況，國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度探討了水分與產(chǎn)量之間的關(guān)系，建立了很多的水分生產(chǎn)函數(shù)模型。主要有二類：一是全生育期內(nèi)水分生產(chǎn)函數(shù)，二是階段性水分生產(chǎn)函數(shù)。全生育期水分生產(chǎn)函數(shù)模型有線性模型及二次函數(shù)模型；階段性水分生產(chǎn)函數(shù)模型有加法模型和乘法模型。加法模型主要有Blank模型[9]、Stewart模型[10]、Singh模型[11]、Hiller模型、Sudar模型、D-G模型等，乘法模型主要有Jensen模型[12]、Hanks模型[13]、Minhas模型[14]和Rao模型等。水分生產(chǎn)函數(shù)模型既考慮了作物生長進(jìn)程，又考慮了作物需水，逐漸被應(yīng)用于作物干旱評估[15]和產(chǎn)量預(yù)報[16-20]中，但由于氣候、地理位置及作物品種等因素的影響，作物對水分的敏感性各地存在差異[21-23]，使得水分敏感系數(shù)在不同地區(qū)的應(yīng)用受到限制。近年來，東北地區(qū)干旱發(fā)生頻繁[24]，特別是2000、2009、2014年和2015年，東北地區(qū)均發(fā)生了較嚴(yán)重的干旱，當(dāng)前的統(tǒng)計預(yù)報產(chǎn)量方法[25-27]已不能完全滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策的信息需求，引進(jìn)的作物生長模型預(yù)報方法[28-30]在產(chǎn)量預(yù)報中準(zhǔn)確率較低，特別是針對干旱年的產(chǎn)量預(yù)報準(zhǔn)確率急待提高，而水分生產(chǎn)函數(shù)模型克服了過程模型難以準(zhǔn)確模擬干旱的影響，因此迫切需要開展本地的玉米水分生產(chǎn)函數(shù)模型研究，為準(zhǔn)確地評估干旱及其影響提供技術(shù)支撐。

因此，本文擬利用適宜水分和干旱年份的分期播種試驗(yàn)數(shù)據(jù)及多年大田觀測的試驗(yàn)資料，從反映區(qū)域氣候-作物特征入手，結(jié)合作物水分生產(chǎn)函數(shù)，綜合考慮玉米生長過程中對水分的需求，探討雨養(yǎng)條件下干旱對產(chǎn)量的影響，將水分與產(chǎn)量關(guān)系的研究由定性轉(zhuǎn)向定量，提高玉米產(chǎn)量預(yù)報的準(zhǔn)確率。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)設(shè)在錦州市生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站(41°8′53″N,121°12′6″E，海拔23 m)。該區(qū)域?qū)儆跍貛О敫珊蛋霛駶櫄夂騾^(qū)，1981—2010年年平均氣溫為10.0℃，年降水量為568 mm，年日照時數(shù)為2 648 h。試驗(yàn)土壤為中壤土，0～1 m土壤容重平均值為1.62 g·cm-3，田間持水量為22.3%,凋萎濕度為6.5%。

試驗(yàn)于2011、2012年和2014年在大田雨養(yǎng)條件下進(jìn)行，無灌溉，供試玉米品種為丹玉39，屬晚熟種，生育期平均為141 d。在當(dāng)?shù)剡m宜播種時間內(nèi)進(jìn)行分期播種試驗(yàn)，2011年和2012年設(shè)3個播期，早播(4月20日)、中播(4月30日)、晚播(5月10日)，2014年設(shè)5個播期(4月20日、4月25日、4月30日、5月10日和5月20日)。每個小區(qū)長8 m，寬6 m，種植密度分別為4.51、4.19 株·m-2和4.56 株·m-2。試驗(yàn)期間分別觀測不同播期的出苗期、三葉期、七葉期、拔節(jié)期、抽雄期、乳熟期和成熟期出現(xiàn)日期，并于出現(xiàn)日期當(dāng)日測定不同器官(莖、葉、穗)生物量(干、鮮質(zhì)量)、葉面積，觀測產(chǎn)量結(jié)構(gòu)，土壤濕度按中國農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范進(jìn)行觀測，同時觀測逐日的氣象要素(最高、最低、平均氣溫、降水、日照時數(shù)、風(fēng)速和相對濕度等)。播種前精細(xì)整地,及時除草, 防治病蟲害，其它栽培管理措施同一般高產(chǎn)玉米田，播種時一次性施用底肥。2011、2012年和2014年降水量分別為415、759 mm和310 mm,其中2014年發(fā)生了干旱脅迫,生長期氣象條件見表1。

本研究同時利用1981—2010年遼寧11個玉米農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站農(nóng)業(yè)氣象觀測資料，包括土壤水分、發(fā)育期和產(chǎn)量等觀測資料。其中農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站的觀測數(shù)據(jù)和錦州2011年和2012年分期播種試驗(yàn)數(shù)據(jù)用來計算分析耗水量與產(chǎn)量的關(guān)系，用于確定水分敏感系數(shù)，并用2011年和2012年的分期播種試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立適宜條件下的葉面積指數(shù)模擬方程，2014年的分期播種數(shù)據(jù)用來建立作物水分脅迫系數(shù)模擬方法及進(jìn)行模擬結(jié)果驗(yàn)證。

表1 2011、2012年和2014年及1981—2010年作物生長季平均氣溫及降水量 Table 1 Average air temperature and precipitation in crop growing season in 2011—2012, 2014 and 1981—2010

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)際耗水量計算 實(shí)際蒸散量可以代表作物耗水量，因此利用土壤水分平衡方程[31]計算：

(1)

式中，ETa為農(nóng)田實(shí)際蒸散量(mm)；n為取土層次；hi和di分別為第i層土層厚度(cm)和土壤容重(g·cm-3)；W1和W2分別為時段開始和結(jié)束時的第i層土壤濕度(計算中分別乘100)；P和I分別為時段內(nèi)降水量和灌水量(mm)；G和D分別為地下水補(bǔ)給量和滲漏量,對于遼寧地區(qū)地下水位大于4 m,地下水補(bǔ)給及滲漏忽略不計[32]，R0為徑流量，Pe=P-R0為有效降水量，采用式(2)計算[33]：

(2)

式中，Pu為第u次降水的降水量(mm)；αu為有效利用系數(shù)。一般情況下，αu的取值如下：當(dāng)Pu≤5 mm時，αu=0；當(dāng)5 mm50 mm時，αu=0.75[33-34]。則式(1)簡化為式(3)：

(3)

1.2.2 作物需水量計算 作物需水量是指在光溫水等適宜氣象條件下，作物能夠正常生長發(fā)育并達(dá)到高產(chǎn)所需要消耗的水量。采用下面的方法計算：

ETmi=kciET0i

(4)

式中，ETmi為充分供水條件下的日作物實(shí)際蒸散量，即作物需水量；ET0i為日參考蒸散量，采用Penman-Monteith提出的反映參考植被(淺草和苜蓿)的ET0模型計算；Kci為玉米逐日的基礎(chǔ)作物系數(shù)。ET0i和Kci的計算方法具體見文獻(xiàn)[35]。

1.2.3 葉面積指數(shù)動態(tài)模擬 采用修正的Logistic方程模擬葉面積指數(shù)的動態(tài)變化過程。

(5)

式中，LAIi為葉面積指數(shù)；ti為出苗后各階段內(nèi)≥10℃的有效積溫標(biāo)準(zhǔn)化生育期[35]；a、b、c、d均為參數(shù)。

1.2.4 水分生產(chǎn)函數(shù)模型選取 選取乘法模型(Jenson模型[12]、Minhas模型[14])和加法模型(Blank模型[9]、Singh模型[11])對遼寧春玉米水分生產(chǎn)函數(shù)進(jìn)行分析。

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，λi，Ai，Bi為作物不同階段缺水對產(chǎn)量的敏感指數(shù)，i為生育期；Ya為處理條件下的實(shí)際產(chǎn)量(g·m-2)；Ym為適宜水分條件下的產(chǎn)量(g·m-2)；ETa為各處理條件下實(shí)際蒸散量(mm)；ETm為階段需水量(mm)，通過水分適宜且獲得較高產(chǎn)量的小區(qū)作物耗水量確定；n為模型的階段總數(shù)，在模型的計算中n=4。利用最小二乘法轉(zhuǎn)換為求解線性方程組，得到水分敏感指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分生產(chǎn)函數(shù)的建立

2.1.1 總產(chǎn)量與總耗水量的關(guān)系 選擇遼寧11個農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站1981—2010年農(nóng)業(yè)氣象歷史觀測資料和錦州2011年和2012年分期播種試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用式(3)計算整個生育期的實(shí)際蒸散量，即作物耗水量，進(jìn)一步分析玉米耗水量與產(chǎn)量的關(guān)系，二者呈二次拋物線(圖1)。在耗水量較低的情況下，隨著耗水量的增加，產(chǎn)量上升較快，但耗水量達(dá)到一定數(shù)值時，產(chǎn)量達(dá)到最大，之后隨著耗水量的增加產(chǎn)量維持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，其后產(chǎn)量再呈快速下降趨勢，二者之間存在適宜水分的界限。根據(jù)擬合方程可以看出，當(dāng)耗水量在400～600mm之間玉米產(chǎn)量維持在一個比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，因此將此值定為玉米的適宜耗水界限值，產(chǎn)量為904～1 250g·m-2。利用擬合方程對計算的產(chǎn)量結(jié)果進(jìn)行回代檢驗(yàn)，可以看出計算的產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量基本吻合(圖2)，擬合方程合理(R2=0.793,F=105,P<0.01,n=57)，平均相對誤差為8.7%。

2.1.2 不同生育時段需水量的確定 將玉米生育期分成5個階段，根據(jù)式(3)計算生育階段實(shí)際蒸散量即耗水量，選取其中玉米全生育期耗水量在400～600 mm之間的產(chǎn)量較高的試驗(yàn)小區(qū)及歷史年份(n=28)數(shù)據(jù)，確定玉米各生育時段需水量(表2)，對應(yīng)產(chǎn)量為1 055 g·m-2。

圖1 總耗水量和總產(chǎn)量的關(guān)系 Fig.1 Relationship between total water consumption and total yield

圖2 計算產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量比較 Fig.2 Comparision between calculated and actual yields表2 玉米各生育階段需水量 Table 2 Water requirement during growth stages for maize

由表2可知，在當(dāng)?shù)氐乩砗蜌庀髼l件下，整個生育期內(nèi)玉米在充分供水時的需水量為491 mm，平均耗水強(qiáng)度為3.43 mm·d-1。玉米需水規(guī)律表現(xiàn)為播種～出苗期最小，抽雄～乳熟期最大，其余各階段居中。具體表現(xiàn)為抽雄～乳熟期>拔節(jié)～抽雄期>出苗～拔節(jié)期>乳熟～成熟期>播種～出苗期的變化規(guī)律，總耗水量分別為215、117、93、51 mm和19 mm;日耗水強(qiáng)度分別為5.75、4.78、2.36、1.84 mm·d-1和1.35 mm·d-1。

2.1.3 水分生產(chǎn)函數(shù)模型建立 選擇遼西和遼北半干旱半濕潤地區(qū)7個站(彰武、阜新、朝陽、葉柏壽、建昌、綏中、昌圖)發(fā)生干旱年份的歷史數(shù)據(jù)(n=31個樣本)，根據(jù)式(6)～式(9)計算得到4種水分生產(chǎn)函數(shù)模型的敏感指數(shù)及檢驗(yàn)參數(shù)值(表3)。

表3 遼寧地區(qū)玉米水分生產(chǎn)函數(shù)模型敏感指標(biāo)及檢驗(yàn)參數(shù)(n=31) Table 3 Sensitive index and parametric test for maize water production function in Liaoning

由表3可以看出：Jensen模型，Blank模型和Minhas模型λi值從高到低的順序?yàn)槌樾邸槭炱?、拔?jié)～抽雄期、乳熟～成熟期、苗期，與前期研究所得的玉米不同生長發(fā)育階段的土壤水分對產(chǎn)量的影響一致[36]。即玉米在抽雄～乳熟的生殖生長階段耗水量最大，對缺水最敏感，其次是拔節(jié)～抽雄階段，對水分需求次之，再次乳熟～成熟階段對水分需求呈減小趨勢，苗期階段植株矮小，對水分要求最低，可見敏感值順序合理。而Singh模型λi值從高到低的順序?yàn)槌樾邸槭炱?、拔?jié)～抽雄期、苗期、乳熟～成熟期，不符合玉米的水分生理特性。進(jìn)一步分析Jenson模型，Blank模型和Minhas模型模擬計算產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)可以看出，均達(dá)到了0.01的顯著性檢驗(yàn)，但相關(guān)性最好的是Blank模型，相關(guān)系數(shù)為0.839，其次是Jenson模型，相關(guān)系數(shù)為0.837。同時分析模擬產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量之間的平均相對誤差，Jenson模型的相對誤差為13%，Blank模型的相對誤差為15%。綜上所述，Jenson模型和Blank模型都可以作為遼寧地區(qū)玉米水分生產(chǎn)函數(shù)模型。

以Jenson模型和Blank模型為基礎(chǔ)建立遼寧玉米水分生產(chǎn)函數(shù)模型，對遼寧西部和北部地區(qū)7個站31 a干旱年樣本的農(nóng)業(yè)氣象觀測資料進(jìn)行回代，與實(shí)際產(chǎn)量進(jìn)行對比。由圖3可以看出，模型的解釋率達(dá)到了70%以上，回代結(jié)果較好，分析二者的誤差情況，誤差在±10%以內(nèi)的分別占39%和45%，因此選用Jenson模型進(jìn)行遼寧地區(qū)玉米水分脅迫對其產(chǎn)量影響分析。

圖3 Jenson模型(a)和Blank模型(b)模擬產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量比較

Fig.3 Comparision between calculated yields and actual yields on Jenson model(a) and Blank model(b)

2.2 作物系數(shù)的相對葉面積指數(shù)訂正

當(dāng)作物受到水分脅迫時，葉面積指數(shù)成為表征作物生長發(fā)育狀況的重要指標(biāo)，其大小與實(shí)際蒸散量存在密切關(guān)系，因而可以用作物系數(shù)與葉面積指數(shù)的關(guān)系對水分脅迫進(jìn)行訂正[37-38]。利用2011年和2012年水分適宜條件下的葉面積指數(shù)觀測數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)化生育期方法[35]建立水分適宜條件下葉面積指數(shù)動態(tài)變化方程，見公式(10),復(fù)相關(guān)系數(shù)達(dá)0.97(F=257，P<0.01，n=30)，進(jìn)而計算非水分脅迫條件下的期望葉面積指數(shù)。采用張淑杰[35]提出的作物系數(shù)計算方法計算實(shí)際作物系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)，二者比值為相對作物系數(shù)，即作物水分脅迫系數(shù)(kc′)，通過分析2014年水分脅迫條件下相對葉面積指數(shù)與同期作物水分脅迫系數(shù)的關(guān)系發(fā)現(xiàn),二者可以用指數(shù)曲線較好地描述(圖4)，復(fù)相關(guān)系數(shù)達(dá)0.90(F=438，P<0.01，n=49)。由于從7葉期才開始進(jìn)行葉面積的觀測，因此作物水分脅迫系數(shù)模型只適用于七葉期以后的茂盛生長階段。

(10)

RLAIi=LAI實(shí)際/LAI標(biāo)準(zhǔn)

(11)

(12)

由此，得出春玉米水分脅迫條件下實(shí)際作物系數(shù)動態(tài)計算式：

(13)

圖4 作物水分脅迫系數(shù)與相對葉面積指數(shù)的關(guān)系

Fig.4Relationshipbetweencropwaterstresscoefficientandrelativeleafareaindex

2.3 基于水分生產(chǎn)函數(shù)的產(chǎn)量預(yù)測

利用2014年玉米3期(4月20日、4月30日和5月10日播期)觀測數(shù)據(jù)，采用式(6)、式(12)計算水分生產(chǎn)函數(shù)和作物水分脅迫系數(shù)，對計算結(jié)果進(jìn)行合理性檢驗(yàn)。計算玉米不同階段實(shí)際蒸散量，代入水分生產(chǎn)函數(shù)模型中對玉米產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測。通過式(13)進(jìn)一步計算玉米實(shí)際作物系數(shù)，計算結(jié)果在3個播期中變化一致，4個發(fā)育階段訂正后的實(shí)際作物系數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)低。利用實(shí)際作物系數(shù)和對應(yīng)時期的參考作物蒸散量進(jìn)一步計算4個發(fā)育時段的實(shí)際蒸散量，通過表4中實(shí)際蒸散量和表2中對應(yīng)時段的需水量對比可以看出4月20日和4月30日播期乳熟～成熟期實(shí)際蒸散量比需水量高，其余3個時段實(shí)際蒸散量比需水量低，5月10日播期4個生育階段實(shí)際蒸散量均低，將實(shí)際蒸散量的計算結(jié)果代入玉米水分生產(chǎn)函數(shù)模型中，模擬產(chǎn)量分別為899.1、838.3g·m-2和789.5g·m-2，模擬產(chǎn)量較3個播期的實(shí)際產(chǎn)量分別誤差2.3%、7.8%和2.8%，可見通過玉米作物水分脅迫系數(shù)訂正的水分生產(chǎn)函數(shù)模型模擬的產(chǎn)量基本接近實(shí)際產(chǎn)量，因而該文提出的方法對產(chǎn)量預(yù)報有很好的適用性，可進(jìn)一步應(yīng)用于不同階段缺水對產(chǎn)量影響的預(yù)評估中。

表4 水分生產(chǎn)函數(shù)模型模擬產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量對比Table 4 Water production function model to simulate yield compared with the actual production

3 結(jié)論與討論

隨著農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)需求的進(jìn)一步提高，當(dāng)前的產(chǎn)量預(yù)報方法已不能完全滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策的信息需求，精細(xì)化產(chǎn)量預(yù)報已成為農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)中一項亟待拓展的重要服務(wù)內(nèi)容，特別是針對干旱年的產(chǎn)量預(yù)報，其準(zhǔn)確率急待提高。本文以分期播種試驗(yàn)資料及多年大田觀測試驗(yàn)資料，綜合考慮作物生長過程中對水分的需求，研究雨養(yǎng)條件下作物水分脅迫發(fā)生時，作物不同生育階段對水分脅迫的敏感程度及其對產(chǎn)量的影響，將水分與產(chǎn)量關(guān)系的研究由定性轉(zhuǎn)向定量。

研究發(fā)現(xiàn)，玉米總產(chǎn)量與總耗水量呈二次曲線的關(guān)系，與米娜[32]的研究結(jié)果一致，耗水量在400～600mm之間玉米產(chǎn)量維持在一個比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，存在玉米需水的界限值，當(dāng)玉米生育過程中能夠獲得400～600mm水量時，玉米將達(dá)到高產(chǎn)水平。從生育過程中需水來看，呈現(xiàn)出抽雄～乳熟期>拔節(jié)～抽雄期>出苗～拔節(jié)期>乳熟～成熟期>播種～出苗期的變化規(guī)律，總耗水量分別為215、117、93、51mm和19mm;日耗水強(qiáng)度分別為5.75、4.78、2.36、1.84mm·d-1和1.35mm·d-1，與陳玉民[39]的研究結(jié)果基本一致。當(dāng)玉米不同生育階段獲得的水分達(dá)不到要求時，即會發(fā)生水分脅迫，隨之將導(dǎo)致減產(chǎn)。當(dāng)作物發(fā)生水分脅迫時，其葉面積指數(shù)可以表征水分脅迫的影響，而作物系數(shù)可通過相對葉面積指數(shù)的大小反映[38]，因此利用相對葉面積指數(shù)與相對作物系數(shù)的關(guān)系，來表征作物受到水分脅迫的影響，以此來確定作物受到水分脅迫影響時的耗水量。

在4種水分生產(chǎn)函數(shù)模型的研究中發(fā)現(xiàn)Jenson模型中的水分敏感指數(shù)最符合遼寧玉米的生理需水規(guī)律，因此，確定Jenson模型為當(dāng)?shù)刈钸m合的水分生產(chǎn)函數(shù)模型。在玉米出苗后的4個生育階段中對水分的敏感順序?yàn)槌樾邸槭炱凇喂?jié)～抽雄期、苗期、乳熟～成熟期。應(yīng)用玉米作物水分脅迫系數(shù)和水分生產(chǎn)函數(shù)模型計算分期播種產(chǎn)量，與實(shí)際產(chǎn)量分別差2.3%、7.8%和2.8%，初步證明本文提出的方法對玉米產(chǎn)量的預(yù)測結(jié)果較為理想，在該地區(qū)具有很好的適用性。

作物水分生產(chǎn)函數(shù)不但可以預(yù)測水分脅迫條件下作物的產(chǎn)量，而且為研究作物在缺水條件下的灌溉制度提供依據(jù)。同時也為不同階段缺水對作物產(chǎn)量影響的預(yù)評估進(jìn)行了很好的嘗試。在模型的應(yīng)用中，注意作物品種、參數(shù)及地區(qū)間的差異。

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