基于全信息模型的膜下滴灌甜菜水氮供應(yīng)指標(biāo)優(yōu)化

李 智，李國龍，孫亞卿，閆 威，張少英

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)甜菜生理研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院特色作物研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031)

水和氮作為作物生長發(fā)育過程中所必需的重要要素，影響作物體內(nèi)的碳、氮代謝，進(jìn)而影響產(chǎn)量和品質(zhì)[1-3].水分是養(yǎng)分的溶劑，缺水會直接影響植株對養(yǎng)分的吸收和利用.宋明丹等[4]的研究表明，缺水會影響小麥吸收氮素，缺氮影響植株營養(yǎng)生長，使水分利用效率降低造成減產(chǎn)，水和氮在植物生長中相互制約相互促進(jìn).甜菜是我國主要的糖料作物之一，主要種植在內(nèi)蒙古、新疆、河北、甘肅、黑龍江等北方地區(qū).國家糖料產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系數(shù)據(jù)表明，2017年、2018年華北地區(qū)的甜菜種植面積占到全國總種植面積的44%和58%，并且仍有增長趨勢，內(nèi)蒙古已經(jīng)成為甜菜生產(chǎn)的主要原料區(qū).甜菜是以利用其塊根榨糖為目的的經(jīng)濟(jì)作物，葉片通過光合作用積累的光合產(chǎn)物是塊根中糖分的主要來源.灌水可以改善甜菜對養(yǎng)分的吸收，提高植株的光合速率，進(jìn)而提高產(chǎn)量；同時，甜菜又是需氮肥較多的作物，適量的氮肥有利于甜菜生育前期地上部生長，為甜菜塊根增長和糖分積累提供充足的“源”[5].曹禹等[6]的研究表明，氮、磷、鉀中氮肥對甜菜產(chǎn)量貢獻(xiàn)率最大.但生產(chǎn)實踐中，農(nóng)民為了增加產(chǎn)量，大量施用氮肥，造成甜菜源庫關(guān)系失調(diào)，產(chǎn)質(zhì)量下降.因此，合理灌溉和施氮是甜菜獲得高產(chǎn)、高糖的重要措施.

目前，涉及作物產(chǎn)量估算模型的研究較多[7-8]，但有關(guān)灌水量和施氮量與甜菜產(chǎn)質(zhì)量模型的研究較少，因此，本文以內(nèi)蒙古半干旱地區(qū)為研究區(qū)域，通過建立灌水量和施氮量與甜菜產(chǎn)質(zhì)量回歸模型，研究了灌水量和施氮量與甜菜產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)系，以為甜菜高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)優(yōu)化水氮管理提供理論依據(jù)和應(yīng)用參數(shù).

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

2017年，試驗在內(nèi)蒙古烏蘭察布市涼城縣六蘇木鎮(zhèn)腦包村進(jìn)行，該地位于東經(jīng)112°27′、北緯40°26′，氣候?qū)贉貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫5.5℃，年降水量350～450 mm，年日照時數(shù)3 026 h，有效積溫2 500℃，無霜期125 d左右.土壤質(zhì)地屬于沙壤土，土壤中全氮含量0.31 g/kg，全磷含量0.60 g/kg，全鉀含量17.63 g/kg，堿解氮含量51.77 mg/kg，有效磷含量6.17 mg/kg，速效鉀含量93.01 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量8.21 g/kg，pH=8.35.甜菜生育期有效降雨量215.2 mm.

1.2 試驗材料

供試品種：瑞士先正達(dá)HI1003.

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，灌水量和施氮量各設(shè)4個水平共16個處理(見表1)，另設(shè)空白對照(CK，甜菜生育期灌水3次，不施氮肥).每個處理4次重復(fù)，共68個小區(qū)，采用完全隨機(jī)排列；小區(qū)長6 m，寬5 m，行距50 cm，株距23 cm，理論株數(shù)87 000株/hm2.試驗種植方式采用膜下滴灌紙筒育苗移栽，1膜2行，2行中間鋪1根滴灌帶，灌水量用水表控制.5月15日進(jìn)行大田人工移栽，用尿素(N 46%)、重過磷酸鈣(P2O546%)、硫酸鉀(K2O 50%)分別作為氮肥、磷肥、鉀肥，以基肥的形式一次性施入大田，根據(jù)測土配方計算得出施肥量：磷肥108 kg/hm2，鉀肥90 kg/hm2.灌水間隔為30 d，每次灌水450 m3/hm2.9月29日收獲甜菜.

表1 裂區(qū)設(shè)計試驗

1.4 測定指標(biāo)及方法

產(chǎn)量和含糖率的測定：取小區(qū)中間6行，采用一刀切的方法收獲塊根，用精確度0.01 kg的電子秤稱重，用日產(chǎn)Refractometer PAL-1錘度計測定錘度值.產(chǎn)糖量(kg/hm2)=產(chǎn)量(kg/hm2)×含糖率(%)，含糖率(%)=錘度值×0.8.

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SAS9.0軟件進(jìn)行編程，建立灌水量和施氮量與甜菜產(chǎn)質(zhì)量的回歸模型，并進(jìn)行模型檢驗；模擬尋優(yōu)采用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；采用Surfer12.50軟件繪制全信息模型圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮耦合條件下甜菜產(chǎn)量模型建立

2.1.1 甜菜產(chǎn)量全信息模型的建立

根據(jù)試驗設(shè)計，分別建立不同水、氮組合處理甜菜產(chǎn)量的全信息模型，結(jié)果見表2.由表2可以看出，模型檢驗結(jié)果<0.000 1，且模型擬合率為0.946 0，說明模型擬合較好，可以用于水氮耦合甜菜產(chǎn)量的預(yù)測.水氮耦合甜菜產(chǎn)量的模型為Y=-0.127N×N+44.356N-0.004N×W+10.797W-0.004W×W.其中，模型中的產(chǎn)量指與CK相比增加的產(chǎn)量，CK產(chǎn)量為52 499.05 kg/hm2.從模型中各項平方和可以看出，對產(chǎn)量影響由高到低依次為W>W×W>N>N×N>N×W，說明灌水量對甜菜產(chǎn)量的作用要大于施氮量.

表2 水氮耦合處理甜菜產(chǎn)量全信息模型

2.1.2 基于全信息模型的產(chǎn)量模擬尋優(yōu)

在建立水氮耦合甜菜產(chǎn)量全信息模型的基礎(chǔ)上，以N(施氮量)步長為5 kg/hm2、W(灌水量)步長為30 m3/hm2進(jìn)行模擬尋優(yōu)，共獲得2 116個模擬結(jié)果.其中，產(chǎn)量大于甜菜所有處理平均產(chǎn)量(不計CK平均值，原數(shù)據(jù)已經(jīng)減去CK)的模擬結(jié)果為1 600個，水氮耦合的施氮量為167.62～173.12 kg/hm2，灌水量為1 170.02～1 203.99 m3/hm2，與CK相比產(chǎn)量為9 101.29～9 157.76 kg/hm2；產(chǎn)量大于平均產(chǎn)量5%的模擬結(jié)果為1 394個，施氮量為162.09～167.58 kg/hm2，灌水量為1 193.59～1 227.5 m3/hm2，產(chǎn)量增加的范圍為9 245.64～9 295.42 kg/hm2(見表3).

表3 甜菜產(chǎn)量模擬尋優(yōu)結(jié)果

2.1.3 全信息模型的理論產(chǎn)量

依據(jù)全信息模型，從理論產(chǎn)量三維圖(見圖1)可以看出，甜菜水氮耦合產(chǎn)量隨灌水量和施氮量的增加都是呈先增加后降低的趨勢.為了使橫、縱坐標(biāo)間距相同，圖1中灌水量的坐標(biāo)為實際值的1/6、灌水量縱坐標(biāo)為250左右時，即灌水量為1 500 m3/hm2時，橫坐標(biāo)施氮量接近150 kg/hm2時，甜菜產(chǎn)量較高.

圖1 全信息模型的理論產(chǎn)量

2.2 水氮耦合條件下甜菜含糖率模型建立

2.2.1 甜菜含糖率全信息模型的建立

根據(jù)試驗設(shè)計，分別建立不同水、氮組合處理甜菜含糖率的全信息模型，結(jié)果見表4.從表4可以看出，水氮耦合甜菜含糖率模型擬合率為0.671 6，且檢驗結(jié)果<0.000 1，說明模型可以用于甜菜含糖率的預(yù)測.模型中各項對含糖率的影響由高到低依次為W>W×W>N×W>N×N>N，模型中常數(shù)項為17.17，說明在本試驗條件下，甜菜含糖率可以達(dá)到17.17%，即灌水和施氮都會使甜菜含糖率降低，CK含糖率最高.

表4 含糖率全信息模型

2.2.2 基于全信息模型的含糖率模擬尋優(yōu)

同理，施氮和灌水量以N步長為5 kg/hm2、W步長為30 m3/hm2進(jìn)行模擬尋優(yōu)，共獲得2 116個模擬結(jié)果(見表5).其中含糖率大于CK最低含糖率16.53% 的模擬結(jié)果為219個，施氮量為133.07～145.06 kg/hm2，灌水量為535.33～555.08 m3/hm2；含糖率大于CK平均含糖率16.72% 的模擬結(jié)果為25個，此時施氮量為97.52～114.88 kg/hm2，灌水量為455.04～466.56 m3/hm2.

表5 含糖率模擬尋優(yōu)結(jié)果

2.2.3 全信息模型的理論含糖率

根據(jù)對甜菜水氮耦合含糖率全信息模型的分析，水氮耦合甜菜理論含糖率變化情況見圖2.由圖2可見，甜菜含糖率隨灌水量和施氮量的增加呈逐漸降低的趨勢，因此，在實踐生產(chǎn)中，要考慮灌水量和施氮量對甜菜產(chǎn)量、產(chǎn)糖量的影響，含糖率達(dá)到目標(biāo)含糖率16%即可.

圖2 全信息模型的含糖率變化

2.3 水氮耦合條件下甜菜產(chǎn)糖量模型建立

2.3.1 甜菜產(chǎn)糖量全信息模型的建立

根據(jù)試驗設(shè)計，分別建立不同水、氮組合處理甜菜產(chǎn)糖量的全信息模型，結(jié)果見表6.從表6可以看出，甜菜水氮耦合產(chǎn)糖量的模型擬合率為0.905 6，模型檢驗結(jié)果<0.000 1，說明模型可用于甜菜水氮耦合產(chǎn)糖量增加的預(yù)測.水氮耦合產(chǎn)糖量模型為Y=-0.028N×N+10.058N-0.002N×W+1.336W-0.000 5W×W，其中，產(chǎn)糖量指與CK相比增加的產(chǎn)糖量(CK產(chǎn)糖量為8 777.57 kg/hm2).對產(chǎn)糖量模型影響由高到低依次為N>N×N>W>W×W>N×W，可見施氮量對甜菜產(chǎn)糖量的影響要大于灌水量.

表6 甜菜產(chǎn)糖量全信息模型

2.3.2 基于全信息模型的產(chǎn)糖量模擬尋優(yōu)

同樣，以N步長為5 kg/hm2、W步長為30 m3/hm2進(jìn)行模擬尋優(yōu)，共獲得2 116個模擬結(jié)果(見表7).其中大于產(chǎn)糖量平均值(不包含CK的平均值)的模擬結(jié)果為1 567個，施氮量為157.14～162.31 kg/hm2，灌水量為1 052～1 089.74 m3/hm2；大于產(chǎn)糖量平均值5%的模擬結(jié)果為1 482個，施氮量為153.12～158.21 kg/hm2，灌水量為1 045.69～1 084.11 m3/hm2.

表7 甜菜產(chǎn)糖量模擬尋優(yōu)結(jié)果

2.3.3 全信息模型的理論產(chǎn)糖量

根據(jù)對甜菜水氮耦合產(chǎn)糖量全信息模型的分析(見圖3)可以看出，甜菜水氮耦合產(chǎn)糖量隨適當(dāng)?shù)墓嗨亢褪┑康脑黾佣黾?，但灌水量和施氮量過多都會使產(chǎn)糖量降低.因此，本試驗通過模擬尋優(yōu)的方法，得出甜菜在產(chǎn)糖量較高時適宜的灌水量和施氮量.

圖3 全信息模型的產(chǎn)糖量變化

2.4 最優(yōu)母序列關(guān)聯(lián)分析

最優(yōu)母序列關(guān)聯(lián)分析見表8.從表8可以看出，以水氮不同耦合處理甜菜產(chǎn)量、含糖率和產(chǎn)糖量各自的最大值為最優(yōu)序列，三者關(guān)聯(lián)度大于0.7的處理有5個，分別為W1N1、W1N3、W2N1、W3N1和W3N2處理，其中處理W3N2三者關(guān)聯(lián)度最大，達(dá)到0.865 2，說明綜合考慮甜菜的產(chǎn)質(zhì)量，處理W3N2要優(yōu)于其他處理，即施氮量150 kg/hm2，灌水量1 350 m3/hm2，有利于甜菜獲得高產(chǎn)、高糖.

表8 最優(yōu)母序列關(guān)聯(lián)序

根據(jù)擬合方程和模擬尋優(yōu)的原理，對產(chǎn)量、含糖率和產(chǎn)糖量三者的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析，結(jié)果見表9.其中，關(guān)聯(lián)度>0.80的有580個樣本量，灌水量平均值為1 091.90 m3/hm2，施氮量平均值為144.65 kg/hm2，與CK相比產(chǎn)量可以提高9 638.45 kg/hm2，含糖率為16.23%，產(chǎn)糖量可以提高1 331.12 kg/hm2；關(guān)聯(lián)度>0.85的樣本量有345個，施氮量和灌水量變化不大；關(guān)聯(lián)度>0.90的樣本有152個，施氮量平均值為144.21 kg/hm2，灌水量為1 101.91 m3/hm2.從三者的關(guān)聯(lián)度來看，灌水量和施氮量的差異不大，但從樣本的代表性來看，關(guān)聯(lián)度>0.80比較適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn).

表9 擬合結(jié)果最優(yōu)母序列關(guān)聯(lián)序

3 討論

水氮耦合可以達(dá)到“以水促肥”“以肥調(diào)水”的目的[9]，提高作物對水分和氮肥的利用效率[10].對水稻[11]、小麥[12-13]、玉米[14]、甜菜[15]等作物的大量研究表明，水與氮存在明顯的互作作用，水氮的最優(yōu)結(jié)合是作物獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的重要措施.甜菜是生物產(chǎn)量較高的大田作物，水、肥需求量較大[16-23]，水肥的合理供應(yīng)，不僅可保證高產(chǎn)、高糖，而且節(jié)水、節(jié)肥.

適宜的灌水可以提高植株對養(yǎng)分的吸收和利用，相關(guān)的研究[24]表明，甜菜生育期適宜的灌水量是1 350 m3/hm2，甜菜產(chǎn)質(zhì)量可以達(dá)到最大值.施氮主要通過提高葉片光合能力，從而使植株干物質(zhì)量積累.于雪等[25]的研究表明，盆栽甜菜施氮量為180 kg/hm2時，甜菜產(chǎn)量最高，產(chǎn)糖量也較高.另外，增加施氮量可促使葉片氣孔導(dǎo)度增大，提高了葉片蒸騰速率和水分利用效率.蔡柏巖等[26]的研究表明，甜菜植株各器官干物質(zhì)積累量隨施氮量的增加而增加，但施氮量超過120 kg/hm2時，甜菜根冠比降低，從而使塊根產(chǎn)量不再增加，甚至減小.施氮量過多，使植株體內(nèi)營養(yǎng)失衡，造成地上部徒長，不利于生育后期塊根中糖分的積累.張翼飛等[27]的研究表明，適量施氮對甜菜有保綠、防衰效果，促進(jìn)生育后期葉片進(jìn)行光合作用，抑制葉片衰老.但高氮濃度處理下，植株體內(nèi)細(xì)胞液滲透壓下降，植株氣孔導(dǎo)度降低，不利于植株生長.前人的研究主要集中在水分或者氮素單因素對甜菜產(chǎn)質(zhì)量的影響上，而對二者耦合效應(yīng)的研究較少.因此，本文研究了水、氮耦合條件下，甜菜產(chǎn)質(zhì)量與灌水量和施氮量之間的關(guān)系，建立了灌水量和施氮量與甜菜產(chǎn)質(zhì)量的全信息模型，以施氮量和灌水量為自變量(包含一次項、交互項和二次項)，分別以產(chǎn)量、含糖率和產(chǎn)糖量為因變量，進(jìn)行多元回歸分析，對自變量是否通過檢驗不做進(jìn)一步考慮，通過模型檢驗水平(P<0.05)確定模型是否被采用.

從建立的灌水量和施氮量與甜菜產(chǎn)質(zhì)量的全信息模型可以看出，灌水量對甜菜塊根產(chǎn)量的影響要大于施氮量，這與林鳳等[28]的研究結(jié)果一致.采用模擬尋優(yōu)的方法對模型進(jìn)行分析[29-30]，分別得出了達(dá)到最佳產(chǎn)量、含糖率和產(chǎn)糖量時，甜菜適宜的灌水量和施氮量.另外，對灌水量和施氮量與甜菜產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行的最優(yōu)母序列分析表明，甜菜生育期灌水1 350 m3/hm2，配合施氮150 kg/hm2，有利于甜菜產(chǎn)質(zhì)量達(dá)到最佳.

4 結(jié)論

本文建立了內(nèi)蒙古烏蘭察布地區(qū)施氮量和灌水量與甜菜產(chǎn)質(zhì)量的回歸模型，采用模擬尋優(yōu)的方法，研究了甜菜水氮耦合產(chǎn)質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)時的適宜施氮量和灌水量.結(jié)果表明，膜下滴灌條件下，在正常降雨年份，以甜菜產(chǎn)量為目標(biāo)函數(shù)，產(chǎn)量達(dá)到61 744.69 kg/hm2以上，最適施氮量為162.09～167.58 kg/hm2，灌水量為1 193.59～1 227.5 m3/hm2；以含糖率為目標(biāo)函數(shù)，含糖率達(dá)到16.53%以上，適宜施氮量為133.07～145.06 kg/hm2，灌水量為535.33～555.08 m3/hm2；以產(chǎn)糖量為目標(biāo)函數(shù)，產(chǎn)糖量達(dá)到10 014.84 kg/hm2以上，施氮量最適為153.12～158.21 kg/hm2，灌水量為1 045.69～1 084.11 m3/hm2.本研究為內(nèi)蒙古半干旱地區(qū)甜菜大田水、氮管理提供了理論與技術(shù)支持.