孫 濤,俞雙恩,2,何妙妙,孫天錄

(1.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)水電學(xué)院,江蘇南京 210098;3.中衛(wèi)市南山臺(tái)電力灌溉管理站,寧夏中衛(wèi) 755000)

作物水位生產(chǎn)函數(shù)是反映作物產(chǎn)量隨水位變化規(guī)律的函數(shù),是進(jìn)行農(nóng)田控制排水最為基本也最為重要的函數(shù).開展此類問(wèn)題的試驗(yàn)研究,對(duì)于指導(dǎo)農(nóng)田控制排水[1-4]或節(jié)水灌溉[5-11]實(shí)踐、提高農(nóng)田水分利用率,具有重要的指導(dǎo)意義.本文以冬小麥作為供試作物,研究不同地下水埋深條件下的產(chǎn)量情況,進(jìn)而建立小麥水位生產(chǎn)函數(shù).

1 試驗(yàn)研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本情況

冬小麥的水位控制試驗(yàn)于2009年11月至2010年6月在河海大學(xué)高效灌排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室生態(tài)試驗(yàn)場(chǎng)蒸滲測(cè)坑內(nèi)進(jìn)行.該試驗(yàn)場(chǎng)所在的江寧校區(qū)屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),多年平均降雨量為1021.3mm,多年平均蒸發(fā)量為900mm左右,多年平均氣溫為15.7℃,最高氣溫43.0℃,最低氣溫-14.0℃,無(wú)霜期237天.一年中溫差較大,四季分明,降雨豐沛,全年降雨日數(shù)120天左右,其中汛期(5—9月)降雨量占年均雨量的60%以上.

蒸滲測(cè)坑內(nèi)的土壤為黏壤土,由當(dāng)?shù)赝练謱踊靥蠲軐?shí),已經(jīng)過(guò)4個(gè)年度的水旱輪作.經(jīng)測(cè)定,0～30cm土壤田間持水量為25.28%,土壤密度為1.46g/cm3,總孔隙度為44.97%,pH值為6.97,土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.40%、全氮質(zhì)量比為0.9048g/kg、速效氮質(zhì)量比為27.65mg/kg、土壤全磷質(zhì)量比為0.32g/kg,土壤速效磷質(zhì)量比為12.5mg/kg.

1.2 試驗(yàn)處理方案

按照SL 13—2004《灌溉試驗(yàn)規(guī)范》[12]中劃分作物生育階段的標(biāo)準(zhǔn),將冬小麥劃分為6個(gè)生育階段,分別為出苗越冬期(11月12日—2月10日)、返青分蘗期(2月11日—3月8日)、拔節(jié)孕穗期(3月9日—4月20日)、抽穗開花期(4月21日—5月8日)、乳熟期(5月9日—5月29日)和黃熟期(5月29—6月6日).試驗(yàn)分別在分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期和乳熟期進(jìn)行農(nóng)田水位控制試驗(yàn),各處理設(shè)計(jì)及控水時(shí)段見表1,每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù).

1.3 觀測(cè)設(shè)備及方法

冬小麥的控水試驗(yàn)在32個(gè)蒸滲測(cè)坑中進(jìn)行,每個(gè)測(cè)坑的規(guī)格為長(zhǎng)2.5m、寬2.0m、深2.0m,測(cè)坑分南北兩排布置,一排16個(gè),中間設(shè)有地下廊道,廊道東面有地下設(shè)備間,地上有長(zhǎng)18.0m、寬7.0m、高3.0m的兩節(jié)大型電動(dòng)活動(dòng)雨棚.每個(gè)測(cè)坑都與地下設(shè)備間的一個(gè)水柱連通,便于控制測(cè)坑內(nèi)的地下水位.

表1 冬小麥水位控制試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)及控水時(shí)段Table 1 Design and periods of water level control test on winter wheat

a.地下水位觀測(cè).每天上午8:00、下午5:00觀測(cè)地下水位深度,當(dāng)天上午的觀測(cè)值低于或接近下限值(≤50mm)時(shí)當(dāng)天按處理要求灌水至上限.

b.灌水量的觀測(cè).田面有水層時(shí),記錄灌水前后水層深度,兩者之差即為灌水量;田面無(wú)水層時(shí),記錄灌溉水量.

c.排水量的觀測(cè).雨后若測(cè)桶水層超過(guò)處理要求的上限時(shí)按照處理要求進(jìn)行排水,記錄排水前后的水層深度,之差即為排水量.

d.土壤水分觀測(cè).控水期間每天9:00左右用TDR觀測(cè)分層土壤含水量,觀測(cè)水位,控水結(jié)束后,隔5d觀測(cè)1次.

2 冬小麥水位生產(chǎn)函數(shù)模型

2.1 模型的構(gòu)建

冬小麥生長(zhǎng)過(guò)程中,如果田間地下水位始終保持在小麥適宜生長(zhǎng)的范圍內(nèi),則不會(huì)產(chǎn)生水分脅迫,理論上講冬小麥產(chǎn)量應(yīng)該達(dá)到最高.然而在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,由于連續(xù)降雨過(guò)多或者一段時(shí)間內(nèi)降水不足,則可能使麥田地下水位高于或者低于適宜埋深,從而導(dǎo)致小麥因澇、漬、旱的影響而減產(chǎn).若把澇、漬、旱的變化看作一個(gè)連續(xù)的過(guò)程,以麥田地下水位作為控制指標(biāo),建立其與小麥產(chǎn)量的函數(shù)關(guān)系,把這種函數(shù)關(guān)系稱為水位生產(chǎn)函數(shù).

冬小麥在不同的生育期受澇漬或受旱對(duì)最終產(chǎn)量的影響是不同的,在某一生育階段受澇漬或受旱,不僅影響該階段的生長(zhǎng)發(fā)育,而且對(duì)以后的生育階段的生長(zhǎng)都有不同程度的影響.連乘形式的函數(shù)能反映出這種滯后效應(yīng),以第i生育階段農(nóng)田水位大于該生育階段適宜水位上限Hmax的累積值SFWi,Hmax作為衡量該階段澇漬災(zāi)害程度的指標(biāo),以第i生育階段農(nóng)田水位小于該生育階段適宜水位下限Hmin的累積值SEWi,Hmin作為衡量該階段受旱程度的指標(biāo),以這兩項(xiàng)指標(biāo)為自變量,建立作物相對(duì)產(chǎn)量Ry與澇、漬、旱的災(zāi)害程度關(guān)系的階段水位生產(chǎn)函數(shù)模型[13]:

以冬小麥相對(duì)產(chǎn)量Ry為因變量,各生育階段SFWi,Hmax和SEWi,Hmin為自變量,可以構(gòu)造如式(2)所示的冬小麥水位生產(chǎn)函數(shù)表達(dá)形式:

式中:Ym——適宜水位條件下冬小麥最高產(chǎn)量,kg/hm2;Y——冬小麥的實(shí)際產(chǎn)量,kg/hm2;ηi—第i階段冬小麥澇漬敏感指數(shù);θi——第i階段冬小麥?zhǔn)芎得舾兄笖?shù).

2.2 模型的修正(考慮土壤含水量)

式(2)只考慮了地下水位的高低對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響,事實(shí)上,就水分管理而言,冬小麥產(chǎn)量不僅與地下水埋深有關(guān)而且與根層土壤含水量也有關(guān)系.當(dāng)?shù)叵滤桓哂谶m宜埋深上限,而根系層土壤含水量較低時(shí),其漬害程度就會(huì)降低,否則漬害就會(huì)加重;當(dāng)?shù)叵滤坏陀谶m宜埋深下限,而根系層土壤含水量較高時(shí),冬小麥一般不會(huì)產(chǎn)生缺水脅迫,否則就會(huì)受旱.因此,在建立冬小麥水位生產(chǎn)函數(shù)時(shí)應(yīng)考慮進(jìn)行根層土壤含水量的修正.

考慮根系層土壤含水量對(duì)冬小麥生產(chǎn)的影響,在式(2)的基礎(chǔ)上構(gòu)建式(3):

式中:ki——小麥在第i生育階段內(nèi)某一時(shí)段受澇漬時(shí)的土壤含水量修正系數(shù);λi——小麥在第i生育階段內(nèi)某一時(shí)段受旱時(shí)的土壤含水量修正系數(shù);ζi——第i生育階段0～30 cm深度實(shí)測(cè)平均土壤含水量;ζc1——適宜土壤含水量,取田間持水量的80%.

3 冬小麥水位生產(chǎn)函數(shù)模型參數(shù)求解

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理

根據(jù)各生育階段地下水位觀測(cè)資料,經(jīng)計(jì)算,各生育階段SFWi,Hmax和SEWi,Hmin值見表2.根據(jù)各生育階段根層土壤含水量的觀測(cè)數(shù)據(jù),經(jīng)計(jì)算,各生育階段土壤含水量修正系數(shù)見表3.

表2 各生育階段 SFWi,Hmax和 SEWi,Hmin計(jì)算值Table 2 Calculated results of SFWi,Hmaxand SEWi,Hminat growth stages cm/d

3.2 模型參數(shù)的確定

采用多元線性回歸法求解式(2)和式(3)的敏感指數(shù).具體過(guò)程如下:

對(duì)式(2)和式(3)線性化,即對(duì)式(2)和式(3)兩邊取自然對(duì)數(shù),得:

表3 土壤含水量修正系數(shù)Table 3 Correction coefficients of soil water content

在不考慮土壤含水量修正系數(shù)和考慮土壤含水量修正系數(shù)兩種情況下,篩選適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量和各階段的SFWi,Hmax和SEWi,Hmin值以及土壤含水量修正系數(shù)分別代入式(6)(不考慮土壤含水量修正系數(shù))和式(7)(考慮土壤含水量修正系數(shù)),經(jīng)過(guò)回歸分析,得出相應(yīng)參數(shù)見表4.不考慮土壤含水量修正系數(shù)的情況下,復(fù)相關(guān)檢驗(yàn)R2=0.719,顯著性檢驗(yàn)F=13.74＞F0.05(8,3)=8.85;考慮土壤含水量修正系數(shù)的情況下,復(fù)相關(guān)檢驗(yàn)R2=0.761,顯著性檢驗(yàn)F=15.77＞F0.05(8,3)=8.85,因此可以認(rèn)為上述回歸方程是顯著的.

冬小麥水位生產(chǎn)函數(shù)式(6)各生育階段敏感指數(shù)結(jié)果表明,在澇漬條件下和受旱情況下,冬小麥各生育階段受澇漬和受旱影響程度由大到小順序均為:拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期、分蘗期.經(jīng)土壤含水量修正后的冬小麥生育階段水位生產(chǎn)函數(shù)式(7)各生育階段敏感指數(shù)大小順序有所變化,在澇漬條件下,冬小麥各生育階段受澇漬影響程度由大到小順序?yàn)?拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期、分蘗期;受旱情況下,冬小麥各生育階段受旱敏感指數(shù)由大到小順序?yàn)?抽穗開花期、拔節(jié)孕穗期、分蘗期、乳熟期.

表4 冬小麥水位生產(chǎn)函數(shù)模型參數(shù)Table 4 Parameters of water-level production function for winter wheat

4 結(jié) 語(yǔ)

在雨水比較多的南方地區(qū),由于降雨的時(shí)程分布不均,冬小麥的澇、漬、旱往往是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程,在排水條件下,地下水位能較好地反映冬小麥澇、漬、旱的變化狀態(tài).水位生產(chǎn)函數(shù)既反映了作物產(chǎn)量對(duì)農(nóng)田地下水位的響應(yīng)關(guān)系,又反映了作物各生育階段對(duì)地下水位的敏感程度.考慮土壤含水量修正系數(shù)的冬小麥水位生產(chǎn)函數(shù),更加真實(shí)地反映了根層土壤含水量與地下水位的耦合作用對(duì)作物最終產(chǎn)量的影響.通過(guò)排水條件下冬小麥水位生產(chǎn)函數(shù)的試驗(yàn)研究,可以得出結(jié)論:冬小麥拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期對(duì)澇漬和受旱比較敏感,乳熟期和分蘗期對(duì)澇漬和受旱的敏感程度相對(duì)較低.這一結(jié)果與前人的澇漬研究和受旱研究的成果基本一致[14].

[1]陳曉東,寇傳和.水田控制排水技術(shù)的環(huán)境效益初探[J].節(jié)水灌溉,2006(4):32-36.(CHEN Xiao-dong,KOU Chuan-he.Preliminary study on the environment benef it of controlled drainage technology in paddy field[J].Water Saving Irrigation,2006(4):32-36.(in Chinese))

[2]劉建剛,羅紈,賈忠華.銀南灌區(qū)控制排水實(shí)施效果分析[J].水利水電科技進(jìn)展,2009,29(1):40-43.(LIU Jian-gang,LUO Wan,JIA Zhong-hua.Implementation effect analysis of controlled drainage in Yinnan Irrigation District[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2009,29(1):40-43.(in Chinese))

[3]殷國(guó)璽,張展羽,郭相平,等.地標(biāo)控制排水對(duì)氨質(zhì)量濃度和排放量影響的試驗(yàn)研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,34(1):21-24.(YIN Guo-xi,ZHANG Zhan-yu,GUO Xiang-ping,et al.Experiment study on effect of controlled drainage from ground surface on concentration and discharge of nitrogen[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2006,34(1):21-24.(in Chinese))

[4]殷國(guó)璽,張展羽,邵光成.農(nóng)田地標(biāo)控制排水對(duì)排水中磷質(zhì)量濃度的影響[J].水利水電科技進(jìn)展,2006,26(4):24-26.((YU Shuang-en,ZHANG Zhan-yu,SHAO Guang-cheng.Effect of controlled drainage from field surface on concentration of phosphor discharge[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2006,26(4):24-26.(in Chinese))

[5]俞雙恩,張展羽.江蘇省水稻高產(chǎn)節(jié)水灌溉技術(shù)體系研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2002,30(6):30-34.(YU Shuangen,ZHANG Zhan-yu.Technical system of water-saving irrigation for rice planting in Jiangsu Province[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2002,30(6):30-34.(in Chinese))

[6]李遠(yuǎn)華.節(jié)水灌溉理論與技術(shù)[M].武漢:武漢水利電力大學(xué)出版社,1999.

[7]朱成立,邵孝侯,彭世彰,等.冬小麥水分脅迫效應(yīng)及節(jié)水高效灌溉指標(biāo)體系[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2003(11):22-24.(ZHU Cheng-li,SHAO Xiao-hou,PENG Shi-zhang,et al.Research on soil-water stress effect and high-efficiency water-saving[J].China Rural Water and Hydropower,2003(11):22-24.(in Chinese))

[8]黃修橋,李英能,顧宇平,等.節(jié)水灌溉技術(shù)體系與發(fā)展對(duì)策的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),1999,15(1):124-129.(HUANG Xiuqiao,LI Ying-neng,et al.Study on technical system and development measures of water-saving irrigation[J].Chinese Society of Agricultural Engineering,1999,15(1):124-129.(in Chinese))

[9]卯智,崔遠(yuǎn)來(lái),李新健.我國(guó)南方水稻水分生產(chǎn)函數(shù)試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào),1994(9):21-31.(MAO Zhi,CUI Yuan-lai.Study of water production function for rice in south China[J].Journal of Hydraulic Engineering,1994(9):21-31.(in Chinese))

[10]AYARS J E,CHRISTEN E W.Controlled drainage for improved water management in arid regions irrigated agriculture[J].Agricultural Water Management,2006,86(1/2):128-139.

[11]WESSTROM I,MESSING I.Effects of controlled drainage on N and P losses and N dynamics in a loamy sand with spring crops[J].Agricultural Water Management,2007,87(3):229-240.

[12]SL13—2004 灌溉試驗(yàn)規(guī)范

[13]俞雙恩.以農(nóng)田水位為調(diào)控指標(biāo)的水稻田間灌排理論研究[D].南京:河海大學(xué),2008.

[14]馮紹元,羅遵蘭,左海萍.河北省冬小麥水分生產(chǎn)函數(shù)模型初步分析[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2005,24(4):58-61.(FENG Shaolan,LUO Zun-lan,ZUO Hai-ping.The study of water product function of winter wheat in Hebei Province[J].Journal of Irrigation and Drainage,2005,24(4):58-61.(in Chinese))