水鹽脅迫條件下制種玉米水鹽生產(chǎn)函數(shù)參數(shù)的推求

袁 成 福

(江西水利職業(yè)學(xué)院，南昌 330013)

1 研究背景

我國西北地區(qū)氣候干旱少雨，生態(tài)環(huán)境脆弱，是我國水資源短缺最嚴(yán)重的地區(qū)之一。西北地區(qū)面積約為2.5×106km2，水資源總量為1.979×1011m3，占全國的5.84%，可利用的水資源量約為1.364×1011m3，人均占有量為全國的80.5%[1]。西北地區(qū)農(nóng)業(yè)年用水量為7.08×1011m3，農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的90%以上，遠(yuǎn)高于全國的70%[2]。西北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要利用地下水進(jìn)行灌溉，由于長時期對地下水過度開采，導(dǎo)致地下水埋深逐漸增加，同時地下水礦化度也逐年升高[3]。為了使干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能夠穩(wěn)步發(fā)展，咸水灌溉和非充分灌溉技術(shù)逐漸成為干旱地區(qū)的重要灌溉模式，也是緩解淡水資源緊缺、維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[4-6]。然而咸水灌溉和非充分灌溉由于存在水鹽脅迫作用，對作物的生長狀況和產(chǎn)量有一定的影響。國內(nèi)外研究者對作物產(chǎn)量與土壤含水量、含鹽量的關(guān)系進(jìn)行了大量的定性與定量的研究，建立了各種不同形式的作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)。作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)是反映土壤水鹽與作物產(chǎn)量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，是制定咸水灌溉和非充分灌溉制度的重要依據(jù)。王仰仁等通過作物水分生產(chǎn)函數(shù)和鹽分生產(chǎn)函數(shù)分步建立了棉花水鹽生產(chǎn)函數(shù)，并在此基礎(chǔ)上了優(yōu)化得到了棉花較優(yōu)的咸水灌溉制度[7]。王軍濤等通過開展微咸水灌溉試驗，以作物水分生產(chǎn)模型為基礎(chǔ)，建立了作物水鹽響應(yīng)模型，并分別建立分階段水鹽生產(chǎn)函數(shù)，求得夏玉米各生育階段的鹽分敏感指數(shù)[8-9]。譚帥等通過開展微咸水膜下滴灌試驗，建立了棉花水鹽生產(chǎn)函數(shù)，并提出了研究區(qū)中粉砂壤土和砂質(zhì)壤土下適宜棉花生長的微咸水灌溉定額[10]。郭向紅等通過開展微咸水膜下滴灌試驗，建立了西葫蘆微咸水膜下滴灌土壤水鹽運(yùn)移模型和水鹽生產(chǎn)函數(shù)，模擬了西葫蘆微咸水灌溉膜下滴灌土壤水鹽動態(tài)和西葫蘆的產(chǎn)量[11]。本研究通過在石羊河流域開展咸水非充分灌溉試驗，綜合考慮土壤水分和鹽分對制種玉米生長和產(chǎn)量的影響，推求作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)的參數(shù)，構(gòu)建咸水非充分灌溉條件下制種玉米的水鹽生產(chǎn)函數(shù)，為研究區(qū)地下咸水資源合理利用和節(jié)水灌溉提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 田間試驗

田間試驗于2012-2013年在農(nóng)業(yè)部作物高效用水武威科學(xué)觀測實驗站進(jìn)行，該試驗站位于甘肅省武威市涼州區(qū)東河鄉(xiāng)王景寨村(E102°52′，N37°52′，海拔1581 m)。研究區(qū)屬于典型的大陸性溫帶干旱氣候，多年平均降雨量為164.4 mm，全年蒸發(fā)量為2 000 mm，是降雨量的12倍，研究區(qū)地下水位埋深達(dá)40～50 m。咸水非充分灌溉試驗在試驗站內(nèi)的測坑進(jìn)行，試驗站內(nèi)擁有測坑18個，每個測坑面積為6.66 m2(長度3.33 m、寬度2 m)，深度為3 m，測坑為有底測坑，在底板和回填土間有20 cm厚的砂石濾層，并設(shè)有排水通道，每個測坑之間由水泥混凝土隔開。測坑內(nèi)0～120 cm土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

試驗設(shè)置灌溉水量和灌溉水礦化度兩種因素，灌溉水量設(shè)置3種水平：w1(ETc)、w2(2/3ETc)、w3(1/2ETc)，ETc為作物需水量，通過Penman-Menteith公式計算，得到當(dāng)?shù)刂品N玉米總需水量為555 mm[12]。灌溉水礦化度設(shè)置3種水平：s1(淡水灌溉，灌溉水礦化度為0.71 g/L)、s2(灌溉水礦化度為3 g/L)、s3(灌溉水礦化度6 g/L)。這3種灌溉水礦化度分別代表石羊河流域上游、中游和下游典型地區(qū)的地下水礦化度。試驗采用裂區(qū)排列方式布置，共設(shè)9個處理，分別為w1s1(對照)、w1s2、w1s3、w2s1、w2s2、w2s3、w3s1、w3s2和w3s3，受試驗地條件所限，每個處理重復(fù)2次，共設(shè)置18個試驗小區(qū)。本試驗灌溉咸水根據(jù)研究區(qū)地下水化學(xué)組成(質(zhì)量比為2∶2∶1的NaCl、MgSO4和CaSO4)配置而成，利用管道進(jìn)行灌溉。供試作物選為制種玉米(“金西北22號”)，2012年于4月24日播種，9月23日收獲，全生育期150 d；2013年于4月20日播種，9月13日收獲，全生育期146 d。根據(jù)制種玉米不同生育階段，結(jié)合當(dāng)?shù)毓喔冉?jīng)驗，設(shè)置灌溉制度如表2所示。試驗期間各種農(nóng)藝措施均參照當(dāng)?shù)貙嶋H情況進(jìn)行。

表2 制種玉米灌溉制度

試驗期間分別在制種玉米生育期內(nèi)灌溉和降雨前后利用土鉆分層獲取土樣，取土深度分別為0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 和100～120 cm。采用烘干法測定土壤含水率；利用SG-3型電導(dǎo)率儀(SG3-ELK742，Switzerland)測定土壤溶液電導(dǎo)率EC1∶5[13]。收獲后進(jìn)行測產(chǎn)，每個小區(qū)所有玉米進(jìn)行脫粒并曬干后進(jìn)行稱重得到每個處理的產(chǎn)量。土壤水分特征曲線參數(shù)采用高速離心機(jī)測定，VG (Van Genuchten)模型水力特性參數(shù)利用RETC軟件擬合得到，飽和導(dǎo)水率采用滲透儀(TST-55，China)，按常水頭法測定，結(jié)果見表3。2012-2013年制種玉米全生育期內(nèi)降雨量分別為130、64.5 mm。

表3 VG模型水力特性參數(shù)值

2.2 作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)簡介

本研究所選取的作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)是基于Stewart等人提出的水分生產(chǎn)函數(shù)，即用在不同生長階段的ETa/ETm比值來估計農(nóng)作物產(chǎn)量[14]，即：

(1)

式中：Ya和Ym是作物實際產(chǎn)量和最大產(chǎn)量，kg/hm2；n為作物的生長階段，本研究n取為5；j為作物實際的生長階段；kyj為作物各生育階段產(chǎn)量影響因子；ETa和ETm分別為與Ya和Ym相對應(yīng)的蒸散量，mm。

咸水非充分灌溉由于作物存在水分脅迫和鹽分脅迫，故在計算作物蒸散量時需要分別計算水分脅迫下的蒸散量(ETaw)、鹽分脅迫下的蒸散量(ETas)和水鹽聯(lián)合脅迫下的蒸散量(ETaws)，而式(1)中并沒有考慮鹽分脅迫及水鹽聯(lián)合脅迫，因此需要對該作物水分生產(chǎn)函數(shù)進(jìn)行修正。本研究通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，采用下列方法對該作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)進(jìn)行修正[15,16]。

作物的蒸散量直接關(guān)系到作物根區(qū)的土壤含水量，如果土壤含水量高于p(水分脅迫發(fā)生前根區(qū)消耗的土壤水分占總有效土壤水的比例)時，則作物不受水分脅迫，此時ETaw由如下方法判斷和估算，TAW=Dr≥(1-p)TAW=TAW-RAW，則ETaw=ETm，否則：

(2)

式中：Dr為給定時間內(nèi)作物根區(qū)的耗損量，mm；TAW為總的有效土壤含水量；RAW為實際利用的有效水量，mm。

如果作物根區(qū)存在可溶性鹽，作物蒸騰能力會降低，使得土壤飽和浸提液電導(dǎo)率(ECe)大于閾值(ECet)，采用如下公式來估算鹽分脅迫和水鹽聯(lián)合脅迫條件下的作物散量(ETa)。

(3)

式中：ETaws為水鹽聯(lián)合脅迫條件下的作物蒸散量，mm；Ksc為依賴于Ksw和Kss的蒸騰減少因素，無量綱；Kss為依賴于土壤飽和浸提液電導(dǎo)率的蒸騰減少因素，無量綱，Kss值范圍為0～1，如果ECe≤ECet，則Kss=1；Ksw為依賴于土壤有效水的蒸騰減少因素，無量綱，Ksw值范圍為0～1，如果Dr≤RAW，則Ksw=1；ECe為作物根區(qū)土壤飽和浸提液電導(dǎo)率的平均值，dS/m；ECet為土壤飽和浸提液電導(dǎo)率的閾值，dS/m，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)ECet取為4.0 dS/m[17]；b為描述作物單位多余鹽分產(chǎn)量減少率特定的參數(shù)。

2.3 作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)計算指標(biāo)

2.3.1 作物蒸散量

ET=P0+I-ΔW-R-L+D

(4)

ΔW=10rH(W1-W0)

(5)

式中：ET為生育期內(nèi)的蒸散量，mm；P0為生育期內(nèi)的降雨量，mm；I為生育期內(nèi)的灌水量，mm；ΔW為土壤水分變化量，mm；W0、W1分別為各生育期初期和末期土壤質(zhì)量含水率，%；R為試驗小區(qū)與外部區(qū)域的地面徑流量，mm，本試驗為測坑試驗，取為0；L為土壤水分側(cè)向交換量，mm，本試驗為測坑試驗，取為0；H為土壤水計算深度，cm，本試驗取為100 cm；r為土壤容重；D為0～100 cm土層與下層土壤的水分交換量，mm，向下為負(fù)，向上為正，可通過達(dá)西定律進(jìn)行計算。

根據(jù)達(dá)西定律計算0～100 cm土層與下層土壤的水分交換量：

(6)

K(θ)=C(θ)D(θ)

(7)

式中：θ為土壤體積含水率，cm3/cm3；C(θ)為比水容量，1/cm；D(θ)為土壤水?dāng)U散率，cm2/min。C(θ)通過實測的土壤水分特征曲線求得，如下式表示：

S=5.394 68×105e-26.886θ

(8)

C(θ)=6.895×10-8e26.885θ

(9)

式中：S為土壤吸力，水頭(水柱)，cm。

D(θ)采用水平土柱法測定[18]，由下式表示：

D(θ)=0.0008 e21.275θ

(10)

2.3.2 土壤根區(qū)有效水量

TAW=10×(θFC-θWP)×Zr

(11)

RAW=p×TAW

(12)

式中：TAW為土壤根區(qū)總的有效水量，mm；θFC為田間持水量，cm3/cm3；θWP為凋萎系數(shù)，結(jié)合土壤物理性質(zhì)和水力特性曲線，取值為0.075 cm3/cm3；Zr為作物根區(qū)深度，取為100 cm；RAW為土壤根區(qū)實際有效水量，mm；p為水分脅迫發(fā)生前根區(qū)消耗的土壤水分占總有效土壤水的比例，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)玉米取值為0.55[19]。

2.3.3 土壤根區(qū)消耗量

Dr=10(θFC-θi)×Zr

(13)

式中：Dr為根區(qū)水分消耗量，mm；θi為計算時段內(nèi)的平均土壤含水量，cm3/cm3。

2.4 作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)參數(shù)率定與驗證評價指標(biāo)

作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)的模擬值與實測值吻合度采用均方誤差(RMSE)和平均相對誤差(MRE)2個指標(biāo)進(jìn)行評價。

(14)

(15)

式中：N為觀測值的個數(shù)；Pi表示第i個模擬值；Oi表示第i個觀測值。

3 結(jié)果與分析

3.1 作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)參數(shù)的率定

本研究根據(jù)制種玉米不同生育階段對土壤水分、鹽分脅迫有不同程度的敏感反應(yīng)，把制種玉米整個生育期劃分為5個階段，分別為出苗-拔節(jié)期、拔節(jié)-孕穗期、孕穗-開花期、開花-灌漿期、灌漿-成熟期，即作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)計算中n=5。依據(jù)2012年田間試驗實測數(shù)據(jù)，采用式(4)～(13)分別計算制種玉米各生育階段土壤水分變化量ΔW、土體下界面水分交換量D、作物蒸散量ET、土壤根區(qū)總的有效水量TAW、土壤根區(qū)實際有效水量RAW以及土壤根區(qū)水分消耗量Dr。在對作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)計算過程中參數(shù)b、kyj未知，需要對這2個參數(shù)進(jìn)行推求。在對參數(shù)b、kyj推求過程中，假定2012年淡水充分灌溉處理(w1s1)的實測產(chǎn)量和實際蒸散量分別作為制種玉米可獲得的最高產(chǎn)量Ym和最大蒸散量ETm，利用2012年制種玉米田間試驗各試驗處理的實測產(chǎn)量Ya和各生育階段計算的實際蒸散量ETa，帶入(1)～(3)式，對作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)參數(shù)進(jìn)行計算和率定。

圖1為參數(shù)率定時制種玉米各生育階段的蒸散量和產(chǎn)量的實測值與模擬值的比較。由圖1可以看出，各生育階段的蒸散量和產(chǎn)量的實測值與模擬值吻合較好，大部分點都在1∶1線附近。率定結(jié)果與制種玉米的生長周期基本一致，即出苗-拔節(jié)階段，制種玉米生長較緩慢，蒸散量也較??；拔節(jié)-孕穗階段和孕穗-開花階段，制種玉米快速生長，蒸散量逐漸增大；開花-灌漿階段，制種玉米主要以生殖生長為主，玉米籽粒即將成熟，蒸散量也較大；灌漿-成熟階段，制種玉米成熟并逐漸枯萎，蒸散量減小明顯。表4為參數(shù)率定時制種玉米各生育階段的蒸散量與產(chǎn)量的判別指標(biāo)，由表4可知，各試驗處理蒸散量的RMSE均在10 mm以下，蒸散量的MRE均在25%以內(nèi)，產(chǎn)量的RMSE均在600 kg/hm2以下，產(chǎn)量的MRE均在15%以內(nèi)，均在允許誤差范圍之內(nèi)。率定得到的作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)參數(shù)分別為b=6.72、ky1=0.43、ky2=0.82、ky3=1.41、ky4=0.65、ky5=0.24。

圖1 參數(shù)率定時制種玉米蒸散量與產(chǎn)量實測值與模擬值的比較

表4 參數(shù)率定時制種玉米蒸散量與產(chǎn)量的判別指標(biāo)

3.2 作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)參數(shù)的驗證

利用2013年制種玉米田間試驗各試驗處理的實測產(chǎn)量Ya和各生育階段計算的實際蒸散量ETa，對作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)參數(shù)進(jìn)行驗證。圖2為參數(shù)驗證時制種玉米各生育階段的蒸散量和產(chǎn)量實測值與模擬值的比較。由圖2可知，各生育階段的蒸散量和產(chǎn)量的實測值與模擬值吻合較好，大部分點都在1∶1線附近。表5為參數(shù)驗證時制種玉米蒸散量與產(chǎn)量的判別指標(biāo)，由表5可知，各試驗處理蒸散量的RMSE均在10 mm以下，蒸散量的MRE均在25%以內(nèi)，產(chǎn)量的RMSE均在800 kg/hm2以下，產(chǎn)量的MRE均在15%以內(nèi)，均在允許誤差范圍之內(nèi)。率定與驗證作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)參數(shù)顯示，ky3>ky2>ky4>ky1>ky5，這與制種玉米生長周期的變化規(guī)律類似。由此可知，不同生育階段水鹽脅迫對制種玉米產(chǎn)量的影響不同，在拔節(jié)-孕穗和孕穗-開花這兩個階段的參數(shù)值較大，這兩個階段水鹽脅迫對制種玉米產(chǎn)量的反應(yīng)敏感性較大；開花-灌漿階段的參數(shù)值次之，這個階段水鹽脅迫對制種玉米產(chǎn)量也具有一定程度的反應(yīng)敏感性；出苗-拔節(jié)和灌漿-成熟這兩個階段的參數(shù)值較小，這兩個階段水鹽脅迫對制種玉米產(chǎn)量的反應(yīng)敏感性較弱。率定與驗證結(jié)果表明，通過計算推求得到的作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)參數(shù)基本可靠。

圖2 參數(shù)驗證時制種玉米蒸散量與產(chǎn)量實測值與模擬值的比較

表5 參數(shù)驗證時制種玉米蒸散量與產(chǎn)量的判別指標(biāo)

4 結(jié) 論

本文通過在石羊河流域開展為期2年的咸水非充分灌溉試驗，引入作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)，利用田間實測資料推求作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)的參數(shù)，并對作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行了率定和驗證，主要結(jié)論如下：作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)參數(shù)的率定與驗證過程中，制種玉米各生育階段的蒸散量和產(chǎn)量的實測值與模擬值吻合較好，各試驗處理蒸散量的RMSE均在10 mm以下，蒸散量的MRE均在25%以下，產(chǎn)量的RMSE均在800 kg/hm2以下，產(chǎn)量的MRE均在15%以下，均在允許誤差范圍之內(nèi)，率定和驗證后得到的作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)參數(shù)分別為b=6.72、ky1=0.43、ky2=0.82、ky3=1.41、ky4=0.65、ky5=0.24。率定和驗證結(jié)果顯示，ky3>ky2>ky4>ky1>ky5，這與制種玉米生長周期的變化規(guī)律類似，較好地反應(yīng)了不同生育階段水鹽脅迫對制種玉米產(chǎn)量影響的敏感性。研究結(jié)果表明，率定參數(shù)后的水鹽生產(chǎn)函數(shù)能夠較好地模擬研究區(qū)水鹽脅迫條件下制種玉米的蒸散量和產(chǎn)量，可用于咸水非充分灌溉方案的模擬與優(yōu)化，為研究區(qū)制種玉米咸水非充分灌溉制度的制定提供依據(jù)。