敏感性分析在板栗水分敏感期試驗中的應(yīng)用

(1.承德市節(jié)約用水辦公室，河北 承德 067000； 2.河北省水利技術(shù)試驗推廣中心，河北 石家莊 050061； 3.寬城縣水務(wù)局，河北 寬城 067600)

寬城滿族自治縣(以下簡稱寬城縣)位于燕山山脈沉降帶東南端，屬暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風(fēng)型燕山山地氣候，四季分明、雨熱同季，年平均氣溫8.6℃，無霜期150～175天，光照充足，晝夜溫差大。獨特的氣候和土壤條件，使寬城縣成為享譽盛名的“京東板栗”重點產(chǎn)區(qū)。

隨著退耕還林、防沙治沙、扶貧等項目的實施，寬城縣板栗種植以667hm2/年的速度增長，2014年種植面積達到36000hm2，其經(jīng)濟收入占農(nóng)民總收入的38%。但由于未結(jié)果小樹占比高，栽培、灌溉技術(shù)落后，全縣栗園平均產(chǎn)量較低，僅為1083kg/hm2。2011年，為滿足市場需求，在增加種植面積的同時，提高板栗產(chǎn)量成為更有效的辦法之一。河北省農(nóng)科院昌黎果樹研究所從密植、施肥、蟲害防治、整枝等農(nóng)業(yè)措施的角度研究板栗早期豐產(chǎn)技術(shù)和密植栗園持續(xù)高產(chǎn)技術(shù)等，對當(dāng)?shù)匕謇醯脑霎a(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)起到了一定作用。但是由于山區(qū)水利條件差、水源不穩(wěn)，板栗灌溉無法保證，特別是干旱年份板栗仍可能因缺水造成大面積減產(chǎn)，栗農(nóng)急需板栗灌溉管理方面的技術(shù)指導(dǎo)，以減少損失。從水的角度研究板栗節(jié)水高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的灌溉技術(shù)成為十分緊迫的科研任務(wù)。

2006年，林利[1]通過對板栗全年土壤含水量的研究，根據(jù)土壤含水量的變化曲線峰值，找出了板栗的需水關(guān)鍵期，但沒有進一步研究需水關(guān)鍵期與不同的灌水量與產(chǎn)量的關(guān)系。作物敏感系數(shù)、敏感指數(shù)是制定作物非充分灌溉制度的基礎(chǔ)，經(jīng)過檢索，大部分的研究成果集中在20世紀(jì)90年代，李會昌[2]對河北省3個試驗站小麥、玉米各生育期的水量與產(chǎn)量分別用相乘的Jensen模型和相加的Black模型計算了敏感系數(shù)和敏感指數(shù)；郭群善等[3]、王仰仁等[4-5]、張玉順等[6]利用Jensen模型對冬小麥的敏感系數(shù)進行了區(qū)域性數(shù)值的驗證。利用Jensen模型計算作物敏感系數(shù)需要相當(dāng)多的試驗數(shù)據(jù)，由于當(dāng)時經(jīng)濟作物沒有像現(xiàn)在的經(jīng)濟價值，加上沒有試驗數(shù)據(jù)，所以沒有板栗敏感系數(shù)的成果。郭浩[7]利用了經(jīng)濟評價的敏感性分析，評價水稻EPIC模型參數(shù)的空間差異性對模擬產(chǎn)量的影響，用于篩選對模擬結(jié)果影響較大的參數(shù)。

在板栗高產(chǎn)綜合措施中，水分是充分激發(fā)板栗產(chǎn)量潛力的主要因素。在寬城縣1/3的板栗種植區(qū)實現(xiàn)了微噴灌溉的條件下，為使節(jié)水灌溉工程和板栗栽培管理技術(shù)有機結(jié)合，充分發(fā)揮栗園最大的提質(zhì)增產(chǎn)潛力，滿足農(nóng)民增產(chǎn)要求和市場需求，2015年由河北省水利技術(shù)試驗推廣中心和寬城縣水務(wù)局聯(lián)合開展“寬城縣板栗節(jié)水高產(chǎn)灌溉技術(shù)應(yīng)用研究”，列入省水利科研計劃。

1 試驗方法

1.1 敏感性分析

敏感性分析是投資建設(shè)項目經(jīng)濟評價中常用的不確定分析方法，主要用于可行性研究階段投資或產(chǎn)品方案的比選?；驹硎欠治鰧ν顿Y或產(chǎn)品方案的收益影響不確定的因素，通過選擇一組不確定因素的變化值，計算各因素對投資或產(chǎn)品方案效益的敏感性系數(shù)，直至方案變得不可行。敏感性較強的因素微小變化也會導(dǎo)致工程項目方案經(jīng)濟效果的重大變化，以至影響方案的決策，因此，亦稱靈敏度分析。

敏感性分析包括單因素敏感性分析和多因素敏感性分析。單因素敏感性分析是指每次只改變一個不確定因素，估計單個因素的變化對投資或產(chǎn)品方案的效益產(chǎn)生的影響。多因素敏感性分析就是同時改變兩個或者兩個以上因素，預(yù)計多因素同時發(fā)生變化對投資或產(chǎn)品方案效益的影響。主要步驟是：確定效益指標(biāo)和主要的不確定因素→設(shè)計不確定因素的變化程度→計算效益指標(biāo)與不確定因素的敏感系數(shù)→確定最敏感的不確定因素和風(fēng)險臨界點→對項目的可行性作出評價。

1.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不確定性

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在產(chǎn)量形成的不確定性方面與經(jīng)濟評價的敏感性分析有非常相似的地方。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要一個生產(chǎn)周期才能得到產(chǎn)量，在這個過程中很多不可控的因素都可能對產(chǎn)量造成影響。除了冰雹、洪水、大風(fēng)、凍害、干旱等災(zāi)害性因素外，還有一部分不確定的因素，如肥料、農(nóng)藥、灌溉等，這些因素可以通過試驗獲得使用時間和使用數(shù)量及相應(yīng)產(chǎn)量的數(shù)據(jù)，把不確定的因素轉(zhuǎn)化為確定性數(shù)據(jù)，再分析什么時間使用多少量對產(chǎn)量的影響是最大的，這一點與可行性論證中的敏感性分析有些類似。因此嘗試?yán)妹舾行苑治龇椒ǚ治龉喔仍囼炠Y料中的數(shù)據(jù)，獲得作物的水分敏感期。

結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際情況，主要步驟如下：

a.確定產(chǎn)量為效益指標(biāo)，不確定性為全生育期灌水量及對應(yīng)的灌水次數(shù)和灌水時間。

b.全生育期灌水量分為5個水平，以第一個處理為評價基準(zhǔn)。

c.利用全生育期灌水量與產(chǎn)量結(jié)果計算敏感系數(shù)。農(nóng)業(yè)的臨界點就是產(chǎn)量對水量敏感性為零的時期，對農(nóng)業(yè)灌溉來說是一個最佳灌水量，對敏感期的確定沒有實際意義。

d.由于是單因素敏感性分析，這個過程就是比較敏感系數(shù)確定最優(yōu)灌溉設(shè)計處理。

e.通過處理之間灌水季節(jié)的差異得到最敏感期、次敏感期。

f.配合統(tǒng)計分析，進一步得到最優(yōu)的灌溉策略。

1.3 板栗的灌溉試驗

板栗灌溉水源為通過機井抽水到山頂?shù)乃?，容積為30m3；灌水方式為微噴，每棵樹一個微噴頭，微噴頭距樹中心1.5m，額定出水量40L/h；其他農(nóng)業(yè)措施如生育期劃分、施肥、用藥、修剪嫁接等，采取與當(dāng)?shù)乩蹀r(nóng)相同的操作。經(jīng)過調(diào)查，當(dāng)?shù)匕謇跤泄喔仍绱核牧?xí)慣，早春水在萌芽初期或前幾天開始施灌。為了保證試驗區(qū)能夠取得一定的產(chǎn)量，每個試驗處理都灌溉早春水，灌水量為240m3/hm2。

該試驗為單因素5水平試驗，試驗因素為灌水量和灌水時間的復(fù)合因子。試驗區(qū)位于半山坡，1、2小區(qū)在底層，每小區(qū)4棵樹；3、4、5小區(qū)在上層，每小區(qū)3棵樹。具體試驗設(shè)計及5個試驗處理見表1～表5。

表1 板栗微噴試驗設(shè)計(處理1)

表2 板栗微噴試驗設(shè)計表(處理2)

表3 板栗微噴試驗設(shè)計表(處理3)

表4 板栗微噴試驗設(shè)計表(處理4)

表5 板栗微噴試驗設(shè)計表(處理5)

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗數(shù)據(jù)

通過2015—2016年的試驗，獲得板栗灌水量及灌水時間與產(chǎn)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)果見表6。2015年板栗生育期降雨量435mm，為偏枯年份；2016年板栗生育期降雨量520mm，為平水年。由于降雨量不同板栗的年際間產(chǎn)量也有所不同。

表6 板栗試驗結(jié)果匯總

2.2 板栗的敏感性分析

敏感系數(shù)是指評價指標(biāo)變化的百分率與相應(yīng)的不確定因素變化的百分率之比值。計算公式為

式中：E為評價指標(biāo)A對于不確定因素F的敏感系數(shù)；ΔF/F為不確定因素F的變化率(%)；ΔA/A為不確定因素F發(fā)生ΔF變化時，評價指標(biāo)A的相應(yīng)變化率(%)。

產(chǎn)量為評價指標(biāo)A，水量及對應(yīng)的處理為不確定因素F。

通過計算不同處理產(chǎn)量對水量的敏感系數(shù)就可以判定產(chǎn)量對水量的敏感程度和敏感季節(jié)，因為每個設(shè)計的季節(jié)灌水量是不一樣的，比值越大說明這個階段產(chǎn)量的形成對水分需求越敏感。負(fù)值說明水量的增加沒有增加板栗產(chǎn)量，甚至造成減產(chǎn)。以處理1為基準(zhǔn)，2015—2016年板栗試驗敏感系數(shù)見表7。

表7 2015—2016年板栗產(chǎn)量對水量敏感系數(shù)

從表7可以看出，2015—2016年的敏感系數(shù)的規(guī)律是一致，只是數(shù)值有區(qū)別，處理2和處理3的敏感系數(shù)是正值，說明這兩個處理灌水對產(chǎn)量有促進作用。以2015年為例，判斷板栗產(chǎn)量對水分的敏感期。由于各個處理水量的差別因生育期灌水量差別而產(chǎn)生，因此水量的差別代表著生育期的差別。處理2的產(chǎn)量敏感系數(shù)為2.22，灌水是展葉水和促花水；處理3的敏感系數(shù)為0.67，在處理2灌水的基礎(chǔ)上增加了膨大水，處理3的產(chǎn)量敏感系數(shù)下降；處理4和處理5的產(chǎn)量對水分敏感系數(shù)為負(fù)值，說明板栗后期的灌水不但對產(chǎn)量增加沒有明顯作用甚至造成減產(chǎn)?？梢耘卸ㄌ幚?的灌水生育期有最敏感的生育期，以展葉水為基準(zhǔn)，灌促花水時節(jié)是產(chǎn)量對灌水量最敏感的季節(jié)，對應(yīng)的最敏感的灌水時機是開花前的促花水，其次為膨大水。

2.3 板栗灌溉策略

在水資源充足地區(qū)，可以追求取得最大產(chǎn)量的灌溉水量，即灌溉4次，參照處理3的灌水時機和水量。

在水資源相對不足的地區(qū)，可以參照處理2的灌水時機和水量。

在水資源嚴(yán)重不足地區(qū)，按照經(jīng)濟最大化的原則，選擇在敏感期和次敏感期進行灌水，可以參照處理1或處理2的時機和水量。

為簡明扼要說明不同灌水量的節(jié)水高產(chǎn)策略，便于廣大群眾應(yīng)用，特別把2015—2016年試驗結(jié)果匯總，見表8。由表8可以計算出75%、50%水文年份3個不同灌溉策略的灌溉水生產(chǎn)率分別為2.36kg/m3、3.25kg/m3、5.30kg/m3和3.43kg/m3、4.67kg/m3、8.23kg/m3。在不同的水文年型，產(chǎn)量也會受降雨量的影響，所以灌溉水生產(chǎn)率也會有所不同。雖然經(jīng)濟灌溉制度的水生產(chǎn)率高，但是總體的產(chǎn)量較低，所以在水資源條件允許的情況下，不追求產(chǎn)量最高，采用節(jié)水高產(chǎn)灌溉制度，是比較合適的。

表8 試驗結(jié)果匯總

3 結(jié) 語

從整體上看，把敏感性分析的方法、步驟應(yīng)用到板栗產(chǎn)量的水分敏感生育期分析計算是可行的。但是在應(yīng)用過程中，原來敏感性分析中概念的物理意義會發(fā)生一些變化，如板栗的灌水量及灌水時間復(fù)合因子為不確定性因素，產(chǎn)量為效益變量；判斷敏感性時，敏感系數(shù)不使用絕對值，對于作物來說，負(fù)的敏感系數(shù)是投入增加效益減少的情況；由于板栗生育期是一個連續(xù)的時期，所以不用計算敏感系數(shù)的臨界點，即使計算出來在實際生產(chǎn)中也沒有意義。

從實踐的角度看，在缺少灌溉試驗數(shù)據(jù)的情況下，利用1～2年的資料就可以快速計算作物特別是稀缺作物的敏感系數(shù)，分析敏感生育期，可為制定高效節(jié)水灌溉制度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。