欠量灌溉供水率脅迫強度與玉米產(chǎn)量的規(guī)律分析

謝小清，唐懷君，張 磊，孫寶成，劉 成

(新疆農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】旱災嚴重威脅著糧食和生態(tài)安全[1]。玉米是我國重要糧食作物[2]，抗旱是玉米品種穩(wěn)產(chǎn)的重要表現(xiàn)?？购涤衩仔缕贩N培育是提高玉米產(chǎn)量重要途徑[3]。玉米抗旱性與水分關系的理論研究對于完善抗旱性鑒定方法有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】玉米抗旱性田間鑒定，一種是階段性缺水抗旱鑒定法，主要用于研究玉米在苗期[4]、拔節(jié)期[5]、開花期[6-7]或灌漿期[8]等某一生育時期的抗旱性，稱為缺次灌溉脅迫鑒定法；另一種是全生育期均灌水，但每次灌水量都是充分灌水量的特定比例，稱為欠量灌溉脅迫法[9]。欠量灌溉脅迫法的準確性受開花期不一致的影響小，已用于大批量鑒定中。缺次灌水脅迫法已有相關模型[10]，可獲得玉米的階段抗旱性。【本研究切入點】欠量灌溉脅迫法雖然在玉米抗旱鑒定中得到應用，但仍缺乏相應的理論依據(jù)，制約著對欠量灌水法的完善。亟需研究和補齊欠量灌溉脅迫條件下玉米雜交種的抗旱性與供水率的理論模型?！緮M解決的關鍵問題】選擇12個雜交種，設置6個水分梯度的欠量脅迫處理，運用等價變換和推導獲得欠量模型，采用2017～2019年12個雜交種的抗旱性數(shù)據(jù)對模型進行檢驗,建立欠量灌溉的供水率與玉米抗旱性的理論關系模型。

1 材料與方法

1.1 材 料

材料為10個新疆玉米主栽品種，以及2個對照品種鄭單958和先玉335，參試雜交種10個，分別是新玉9號、新玉23號、新玉24號、新玉38號、新玉46號、新玉54號、新玉60號、新玉67號、新玉69號、張玉1233，共計12個。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗于2017年5月至2019年10月在新疆農(nóng)業(yè)科學院安寧渠綜合試驗場內進行。滴灌覆膜種植，地膜寬度0.7 m，膜間距0.4 m。1膜2行，中間滴灌帶。膜上行距0.4 m，膜間行距0.7 m，平均行距0.55 m，株距0.3 m，種植密度60 600株/hm2。材料在每個水分處理中種植3膜6行，并重復3次。

設6個灌水處理，各處理區(qū)全程灌水8次，灌水時間同大田。5月15日播種，5月16日各處理區(qū)統(tǒng)一灌水675 m3/hm2，確保出苗并保障蹲苗階段的土壤水分；拔節(jié)后6個水分處理區(qū)均灌水7次，灌水時間相同，但灌水量不同。處理T1、T2、T3、T4、T5和T6灌水量每次分別為0、135、270、405、540和675 m3/ hm2。全生育期灌水總量分別為675、1 620、2 565、3 510、4 455和5 400 m3/ hm2。表1

表1 欠量滴灌方案和總灌水量Table 1 Irrigation scheme and total water amount

1.2.2 模型建立

劉成等[10]在2016年缺次灌溉條件下提出的產(chǎn)量-水分模型，該模型可用于分析玉米特定階段的抗旱性，其公式為：

Y=Ym×Wk/(Wk+Whk).

(1)

(1)式中變量含義：Y為產(chǎn)量，W為供水量；參數(shù)含義：Ym為充分灌水的產(chǎn)量，Wh為半產(chǎn)需水量，k為水分敏感系數(shù)。

模型變換如下：

符號定義：Φ為供水率，Φh為半產(chǎn)供水率,γ為抗旱系數(shù)，Wm為充分灌水量。因為Φ=W/Wm,Φh=Wh/Wm,γ=Y/Ym，經(jīng)轉換如下關系

W=Φ·Wm，Wh=Φh·Wm，Y=γ·Ym.

(2)

將關系(2)代入式(1)并簡化，得到抗旱系數(shù)γ與供水率Φ的理論關系.

γ=Φk/(Φk+Φhk).

(3)

式中，γ為抗旱系數(shù)(0～1)、Φ為供水率(0～1)。Φh為產(chǎn)量達到一半時所需的供水率(即半產(chǎn)供水率)，代表品種生長所需水量；k為水分敏感系數(shù)，是品種對水分變化的敏感性。

1.2.3 測定指標

收獲前記載小區(qū)株數(shù)，收獲后測定小區(qū)產(chǎn)量和籽粒含水量，產(chǎn)量折算為標準水分(14%)的單株產(chǎn)量，計算各品種不同供水率下的抗旱系數(shù)。供水率和抗旱系數(shù)值將用于模型驗證。

供水率=(總灌水量+總降雨量)/(最大總灌水量+總降雨量)；

單株產(chǎn)量(g)=小區(qū)產(chǎn)量/小區(qū)株數(shù)×(100-實際含水量)/86；

抗旱系數(shù)=單株產(chǎn)量/供水率為1的單株產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel規(guī)劃功能求解模型中的參數(shù)(半產(chǎn)供水率Φh和水分敏感系數(shù)k)。

采用殘差預測偏差值RPD(Residual prediction deviation，)判定模型的擬合性能，當RPD>3.0時，模型具有極好的估測能力，模型RPD值越高，估測能力越強[11]。

2 結果與分析

2.1 實際供水量和供水率變化

研究表明，2017～2019年5至10月生育期內降雨總量WR分別為105.7、66.0和64.2 mm，折合為自然供水量WR分別為1 057、660和642 m3/hm2。2017和2018年灌水總量分別為5 370和5 400 m3/hm2，2019年灌水總量提高到了6 750 m3/hm2。相對于T6處理，其它5個水分處理3年總供水率(Φ)的幅度分別為0.19～0.30、0.35～0.44、0.51～0.58、0.68～0.72、0.84～0.86。表2

表2 2017～2019年灌水量和降雨量以及總供水率變化Table 2 Amount of irrigation and rain and total watering ratio in 2017-2019 (m3/hm2)

2.2 不同供水率下玉米產(chǎn)量和抗旱系數(shù)變化

研究表明，2017～2019年12個玉米雜交種的產(chǎn)量隨供水率的增加而增加，在供水率達到1.0時產(chǎn)量達到最大。12個品種在最高灌水處理條件下(T6)單株產(chǎn)量為123.3～268.3 g，早熟品種新玉9號和新玉54號產(chǎn)量較低，分別為123.3和168.7 g；其它中晚熟品種的單株產(chǎn)量均在200 g以上。對照品種鄭單958和先玉335的單株產(chǎn)量分別為233.8和267.5 g。新玉38號的最大單株產(chǎn)量268.3 g，與對照先玉335持平。表3，表4

2.3 參數(shù)求解和擬合驗證

研究表明，2017年新玉67號在供水率0.30、0.44、0.58、0.72、0.86、1.00條件下的抗旱系數(shù)分別為0.55、0.79、0.88、1.00、1.00、1.00。

設定模型的參數(shù)初值在C2和C3單元格。

根據(jù)B7至B12單元格的供水率、模型參數(shù)值C2和C3，用公式(3)計算抗旱系數(shù)理論值并列入E7至E12單元格中。

計算實際值和理論值的差平方并分別列入G7至G12單元格。

計算差方和并列入H7單元格(算式為“= SUM(G7∶G12)”)。

打開Excel的規(guī)劃求解功能，設置“目標”為差方和所在單元格(H7)，設“最小值”，在“通過更改可變單元格”設置為參數(shù)所在單元格(“$C$2∶$C$3”)，點“求解”按鈕，C2和C3單元格將顯示求得的參數(shù)值(0.285和3.29)。圖1

表3 2017～2019年12個玉米雜交種在不同供水率產(chǎn)量Table 3 Yield of 12 hybrids at different watering ratio in 2017-2019

表4 2017～2019年12個玉米雜交種不同供水率抗旱系數(shù)Table 4 Drought resistance coefficient of 12 hybrids at different watering ratio in 2017-2019

圖1 用Excel規(guī)劃求解功能求模型參數(shù)值示例Fig.1 An example of solving model parameters with excel programming function

研究表明，12個雜交種的抗旱系數(shù)，其模型的計算值與實測值的相關系數(shù)為0.973～0.995(平均0.987)，數(shù)據(jù)擬合殘差預測偏差值RPD為3.91～9.49(平均6.40)，全部大于3.0。模型擬合性能優(yōu)異。表5，圖2，圖3

圖2 供水率-抗旱性模型擬合效果Fig.2 Model fitting performance of watering ratio and drought resistance

圖3 12個玉米雜交種抗旱系數(shù)的模型計算值和實際值的擬合性Fig.3 Fitness of model with calculated and actual values of drought resistance coefficient models of 12 hybrids

2.4 模型的應用

研究表明，半產(chǎn)供水率與水分敏感系數(shù)呈正相關關系。以半產(chǎn)供水率(Φh)和水分敏感系數(shù)(k)的平均值為界劃分為4個象限。第I象限是需水多且對水分敏感的品種，是抗旱性較弱的品種(新玉23號、新玉24號、新玉46號、新玉60號、鄭單958)；第Ⅲ象限是需水少且對水分變化的敏感性小的品種(新玉9號、新玉38號、新玉54號、新玉67號、新玉69號、先玉335、張玉1233)，其中，先玉335和新玉38號處于第Ⅲ象限，有較強的抗旱性，也在正常灌水條件下具有較高的產(chǎn)量。

第Ⅱ象限需水少且對水分敏感，第Ⅳ象限需水多但對水分不敏感。但實際上需水少的品種常常也是對水分不敏感的品種，反之需水多的則是對水分敏感的品種，研究中也未出現(xiàn)處于第Ⅱ象限和第Ⅳ象限的品種。表3，圖4

圖4 半產(chǎn)供水率與水分敏感系數(shù)的關系Fig.4 Relationship of Half-yield watering ratio and Water sensitive coefficient

3 討 論

De Wit建立第一個產(chǎn)量—水分模型后[12]，陸續(xù)出現(xiàn)不同形式的理論數(shù)學模型，其中包括Blank模型[13]； Jensen模型[14]、Minhas模型[15]， Stewart模型[16-17]。這類模型能夠很好的擬合產(chǎn)量與水分的關系，但經(jīng)常出現(xiàn)水分敏感性參數(shù)為負的錯誤，這些模型均屬于經(jīng)驗模型。劉成等[10]在理論假設的基礎上進行微積分推導，建立了適用于缺次灌溉模式的產(chǎn)量—水分理論模型，并提出了用半產(chǎn)需水量鑒定玉米抗旱性的觀點，該模型能很好的擬合缺次灌水過程中玉米產(chǎn)量和供水量的數(shù)量關系，在玉米抗旱性鑒定中得到了應用[18-19]。但與缺次灌水脅迫法相對應的欠量灌溉脅迫法，卻缺乏相應的理論基礎。

研究認為，缺次灌溉模型的3個基本假設同樣適用于欠量灌溉中。該文對缺次灌溉模型進行等價變換和推導，獲得了欠量灌溉模型，欠量灌溉模型中也包含2個參數(shù)(半產(chǎn)供水率Φh和水分敏感系數(shù)k)。參數(shù)同樣具有明確的生物學意義。Φh是產(chǎn)量達到一半時所需的供水率，該值越小抗旱性越好；k是玉米品種對水分變化的敏感性，k值越小玉米對水分變化越不敏感，產(chǎn)量越穩(wěn)定。通常，Φh和k值均小的玉米品種具有更穩(wěn)定的抗旱性，可根據(jù)這2個參數(shù)的大小對玉米雜交種的抗旱性強弱和穩(wěn)定性作出判斷。模型尚未涉及高溫對抗旱性的影響，溫度和水分對模型參數(shù)的互作影響有待下一步研究。

4 結 論

建立了欠量灌溉下供水率與玉米抗旱性的關系模型，12個玉米雜交種的抗旱系數(shù)計算值與實際測定值間的相關系數(shù)為0.973～0.995(平均0.987)，達到了極顯著水平 (P<0.01，0.917)；模型擬合得出的殘差預測偏差RPD值為3.914～9.485，均大于3.0，模型預測能力優(yōu)異，擬合效果良好，該模型可用于玉米雜交種抗旱性鑒定。