魏永霞，白　楊

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江農(nóng)墾勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150090)

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基于不同黑土層厚度的大豆水氮耦合模式※

魏永霞1，白楊2

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江農(nóng)墾勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150090)

摘要：采用黑土層厚度(H)、土壤水分(W)、氮(N)3種因素的飽和最優(yōu)試驗(yàn)D(311-A)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，研究了不同黑土層厚度(H)條件下，不同數(shù)量的水(W)氮(N)耦合對(duì)大豆產(chǎn)量及水分利用效率的影響。結(jié)果表明，各因素對(duì)大豆產(chǎn)量及水分利用效率均有影響，其中水氮耦合作用影響較大，黑土層厚度影響次之；分別提出了基于大豆產(chǎn)量和水分利用效率以及綜合考慮產(chǎn)量和水分利用效率的水氮耦合的最佳模式，目的是為該地區(qū)不同土壤侵蝕程度條件下的大豆水肥管理提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大豆；黑土層厚度；水氮耦合；產(chǎn)量；水分利用效率；最優(yōu)模式

黑龍江省為我國重要的商品糧基地，大豆的播種面積和總產(chǎn)量居全國之首，約占全國的1/ 3左右。黑土是我國的主要耕作土壤，東北黑土區(qū)是我國六大水土流失區(qū)之一，嚴(yán)重的水土流失導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)惡化，黑土肥力降低，農(nóng)田生產(chǎn)力下降[1]，黑土區(qū)每年流失掉0.5～1 cm厚度的表土[2]。土層厚度影響土壤的肥力并直接影響著植物的生長，土層厚度越大，土壤含水量和涵養(yǎng)養(yǎng)分越多，其保水保肥效果就越好[3]，土層厚度直接影響了土壤生產(chǎn)力和作物的產(chǎn)量。

水分和養(yǎng)分是作物生長不可或缺的主要因素，水分與養(yǎng)分的作用是相互影響、相互制約的[4]。水分是養(yǎng)分發(fā)揮的關(guān)鍵，合理的養(yǎng)分供應(yīng)能有效的提高作物的水分利用效率，增加作物的產(chǎn)量[5]，從而獲得更佳的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。

針對(duì)黑龍江省水土資源狀況，選取具有代表性的松嫩平原北部丘陵漫崗黑土區(qū)坡耕地地區(qū)——黑龍江省北安市紅星農(nóng)場，進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。本文主要研究在不同的黑土層厚度、水分、施氮量處理下的耦合作用對(duì)大豆產(chǎn)量、水分利用效率的影響，利用MATLAB、SAS、Excel等軟件進(jìn)行分析并建立數(shù)學(xué)模型，分析確定該區(qū)不同黑土層厚度下的大豆水氮耦合的最佳模式，對(duì)研究區(qū)坡耕地不同土壤侵蝕程度條件下的大豆水肥管理提供科學(xué)依據(jù)。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于小興安嶺西麓向松嫩平原過渡地帶的黑龍江省北安市紅星農(nóng)場水土保持科技園內(nèi)，海拔高程在272～310 m，為丘陵漫崗黑土區(qū)坡耕地，試驗(yàn)區(qū)土壤以質(zhì)地肥沃的黑草甸土為主，有機(jī)質(zhì)含量為11%，速效氮含量為5.5～6.5 mg/100g土，速效磷含量為4.8～9.8 mg/100g土。

試驗(yàn)區(qū)屬溫帶濕潤大陸性季風(fēng)氣候，無霜期110～115 d，最大凍深3.0 m，多年平均氣溫0.4 ℃，多年平均降水量553 mm，其中7—9月降雨量401.7 mm，年平均蒸發(fā)量1 100～1 200 mm。全年大風(fēng)天數(shù)達(dá)30d，平均風(fēng)速3.7 m/s，最大風(fēng)速28 m/s。

1.2試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)盆栽材料選用規(guī)格為口徑230 mm，高330 mm的塑料桶，在移動(dòng)式防雨棚內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)品種選用該地區(qū)具有代表性的黑河52號(hào)大豆。通過測量塑料桶體積、當(dāng)?shù)卦瓲钔梁考巴寥廊葜兀?jì)算不同黑土層厚度的土壤質(zhì)量，將磷肥P：1.77g/盆，鉀肥K：1.68 g/盆全部作為底肥施入。將不同處理的肥料與土壤混均，將擾動(dòng)土分層填入塑料桶內(nèi)并注意控制土層厚度，每盆播種12粒，出苗后定苗4株。

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用黑土層厚度(H)、土壤水分(W)、氮(N)三因素D-最優(yōu)飽和設(shè)計(jì)(311-A)方法，共設(shè)11個(gè)處理，三次重復(fù)。土壤含水量指標(biāo)根據(jù)田間持水量來確定，全生育期大豆耗水量的控制采用稱重法。在每天下午17:00采用電子秤稱量桶的重量，逐日稱重補(bǔ)水至控水標(biāo)準(zhǔn)直到大豆成熟后稱重測產(chǎn)，產(chǎn)量取其三次測量的平均值。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及盆栽各處理的大豆產(chǎn)量見表1。

表1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)及各處理水平的大豆產(chǎn)量

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1建立大豆產(chǎn)量回歸方程

試驗(yàn)利用SAS 9.2軟件對(duì)根據(jù)三因素D-最優(yōu)飽和試驗(yàn)設(shè)計(jì)所得的大豆產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立不同黑土層厚度條件下的大豆水氮耦合效應(yīng)與產(chǎn)量的數(shù)學(xué)回歸模型，分析不同黑土層厚度及不同數(shù)量水氮相互配合對(duì)大豆產(chǎn)量的影響：

Y=465+1.249X1+6.293X2+4.768X3-

1.822X12-2.397X22-3.075X32+

0.363X1X2-0.276X1X3+2.918X2X3

(1)

式中：Y為大豆的產(chǎn)量，g·盆-1；X1為黑土層厚度，mm；X2為田間持水量的百分?jǐn)?shù)，%；X3為施氮量，g/盆。

經(jīng)檢驗(yàn)，所得大豆產(chǎn)量回歸方程在0.05水平下回歸關(guān)系顯著，可以作為分析和預(yù)測的根據(jù)?；貧w模型中的各因素經(jīng)過量綱形編碼代換，其標(biāo)準(zhǔn)化的偏回歸系數(shù)絕對(duì)值的大小可以用來判斷各因素對(duì)產(chǎn)量的影響程度。由方程(2)中一次項(xiàng)的回歸系數(shù)可以看出X1、X2、X3系數(shù)均為正值，X2明顯大于X3，且顯著大于X1，這說明黑土層厚度、土壤水分、施氮量都是正效應(yīng)，對(duì)產(chǎn)量起到增產(chǎn)的效果，其中水氮耦合作用影響較大，黑土層厚度影響次之。

2.2基于產(chǎn)量的最佳水氮耦合模式

針對(duì)試驗(yàn)區(qū)當(dāng)?shù)氐暮谕翆雍穸惹闆r，取不同的黑土層厚度水平值X1，代入產(chǎn)量回歸方程(1)，得到關(guān)于產(chǎn)量的水分和施氮量兩因子耦合效應(yīng)的回歸子模型，分別對(duì)水分和施氮量求導(dǎo)并令其為零，解方程組得到相應(yīng)X2和X3的水平值，即為在此黑土層厚度下能夠獲得最大產(chǎn)量時(shí)的最佳的水氮投入量，見表2。

表2　不同黑土層厚度下產(chǎn)量最大時(shí)

由表2可知，試驗(yàn)區(qū)大豆產(chǎn)量最高時(shí)，不同黑土層厚度條件下的水氮組合模式為：在黑土層厚度分別為0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的情況下，相應(yīng)的土壤水分和施氮量分別為：81.87%和3.85 g·盆-1、82.07%和3.76 g·盆-1、82.21%和3.68g·盆-1、82.55%和3.59 g·盆-1、82.89%和3.50 g·盆-1、83.03%和3.42 g·盆-1、83.23%和3.34 g·盆-1時(shí)大豆的產(chǎn)量達(dá)到最大值。

2.3建立大豆水分利用效率回歸方程

作物在生長過程中由于受到不同的環(huán)境等條件的影響，其維持水分平衡的能力是有限的，會(huì)表現(xiàn)出短時(shí)間的水分不平衡[6]。對(duì)不同生育期的大豆耗水量采用稱重法進(jìn)行測定，并用產(chǎn)量與總耗水量的比值求得水分利用效率，如表3。

根據(jù)表3，分析所獲得的大豆水分利用效率的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)不同黑土層厚度條件下的不同數(shù)量水氮相互配合對(duì)大豆水分利用效率的影響建立數(shù)學(xué)模型：

W=0.930+0.025Y1+0.126X2+0.095X3-

0.036X12-0.048X22-0.062X32+

0.007X1X2-0.006X1X3+0.058X2X3

(2)

式中：W為大豆的水分利用效率；X1為黑土層厚度，mm；X2為田間持水量的百分?jǐn)?shù)，%；X3為施氮量，g/盆。

經(jīng)檢驗(yàn)，所求得的大豆水分利用效率回歸方程在0.05水平下回歸關(guān)系顯著，由方程(2)中一次項(xiàng)的回歸系數(shù)可以看出X2明顯大于X3，且顯著大于X1，說明對(duì)大豆水分利用效率的影響順序?yàn)樗中?yīng)X2>氮肥X3>黑土層厚度X1，其中水氮耦合作用影響較大，黑土層厚度影響次之。

表3　大豆產(chǎn)量、總耗水量及水分利用效率

2.4基于水分利用效率的最佳水氮耦合模式

針對(duì)試驗(yàn)區(qū)當(dāng)?shù)夭煌暮谕翆雍穸惹闆r，取不同的水平值X1，將其代入水分利用效率回歸方程(2)中，得到關(guān)于水分利用效率的回歸子模型，分別對(duì)水分和施氮量兩因子耦合效應(yīng)方程求導(dǎo)并令其得零，解方程組得到相應(yīng)的X2和X3的水平值，即為在此黑土層厚度下獲得最高水分利用效率時(shí)的最佳的水氮投入量，見表4。

由表4可知，在試驗(yàn)區(qū)黑土層厚度不同時(shí)，大豆水分利用效率最高時(shí)的水氮最佳耦合模式為：在黑土層厚度分別為0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的情況下，相應(yīng)的土壤水分和氮肥施用量分別為： 81.76%和3.82 g·盆-1、81.92%和3.73 g·盆-1、82.07%和3.65 g·盆-1、82.37%和3.55 g·盆-1、82.68%和3.46 g·盆-1、82.83%和3.38 g·盆-1、82.98%和3.29 g·盆-1時(shí)大豆的水分利用效率達(dá)到最大值。

2.5基于產(chǎn)量及水分利用效率綜合最優(yōu)的水氮耦合模式

衡量大豆生產(chǎn)效率的兩個(gè)主要指標(biāo)是產(chǎn)量和水分利用效率，根據(jù)對(duì)不同黑土層厚度條件下產(chǎn)量最大時(shí)的最佳水氮耦合模式與水分利用效率最高時(shí)的最佳水氮耦合模式進(jìn)行比較分析，確定大豆水氮耦合的最佳模式，以便按照所得結(jié)果對(duì)各因素最佳投入量進(jìn)行控制，指導(dǎo)當(dāng)?shù)馗咝У倪M(jìn)行大豆生產(chǎn)。

表4　不同黑土層厚度下水分利用

根據(jù)產(chǎn)量回歸方程(1)及水分利用效率回歸方程(2)，將不同黑土層厚度X1的編碼值代入產(chǎn)量及水分利用效率回歸方程，將所得方程聯(lián)立方程組，利用Matlab軟件對(duì)基于遺傳算法的多目標(biāo)規(guī)劃原理進(jìn)行迭代求解，得到多組符合方程條件的水分及施氮量的編碼值，并選取在產(chǎn)量及水分利用效率綜合最優(yōu)時(shí)相應(yīng)耗水量及施氮量較少的組合為其最佳水氮耦合模式，見表5。

表5　不同黑土層厚度下產(chǎn)量及

由表5可知，在試驗(yàn)區(qū)不同黑土層厚度條件下，大豆的產(chǎn)量及水分利用效率均能達(dá)到最大值時(shí)的最佳水氮耦合模式為：在黑土層厚度分別為0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的情況下，相應(yīng)的土壤水分和氮肥施用量分別為：81.83%和3.84g·盆-1、81.98%和3.75 g·盆-1、82.18%和3.67 g·盆-1、82.51%和3.58 g·盆-1、82.81%和3.49 g·盆-1、82.99%和3.40 g·盆-1、83.21%和3.33 g·盆-1。

4結(jié)論

1)通過建立并分析大豆產(chǎn)量及水分利用效率的回歸模型，表明黑土層厚度、土壤水分和施氮量三因素對(duì)大豆產(chǎn)量及水分利用效率均有影響，其中水氮耦合作用的影響較大，黑土層厚度的影響次之。

2)不同黑土層厚度條件下大豆產(chǎn)量最高時(shí)的水氮耦合模式為：在黑土層厚度分別為0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的情況下，相應(yīng)的土壤水分和施氮量分別為：81.87%和3.85 g·盆-1、82.07%和3.76 g·盆-1、82.21%和3.68g·盆-1、82.55%和3.59 g·盆-1、82.89%和3.50 g·盆-1、83.03%和3.42 g·盆-1、83.23%和3.34 g·盆-1。

3)不同黑土層厚度條件下大豆水分利用效率最高時(shí)的水氮耦合模式為：在黑土層厚度分別為0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的情況下，相應(yīng)的土壤水分和氮肥施用量分別為：81.76%和3.82 g·盆-1、81.92%和3.73 g·盆-1、82.07%和3.65 g·盆-1、82.37%和3.55 g·盆-1、82.68%和3.46 g·盆-1、82.83%和3.38 g·盆-1、82.98%和3.29 g·盆-1。

4)綜合考慮大豆產(chǎn)量和水分利用效率，得出不同黑土層厚度條件下保證二者均較高時(shí)的水氮耦合模式為：在黑土層厚度分別為0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的情況下，相應(yīng)的土壤水分和氮肥施用量分別為：81.83%和3.84g·盆-1、81.98%和3.75 g·盆-1、82.18%和3.67 g·盆-1、82.51%和3.58 g·盆-1、82.81%和3.49 g·盆-1、82.99%和3.40 g·盆-1、83.21%和3.33 g·盆-1。

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Water and Nitrogen Coupling Mode of Soybean under Different Thickness of Black Soil Layer

WEI Yong-xia1and BAI Yang2

(1.Water Conservancy & Civil Engineering College，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China;2.Heilongjiang Provincial Land Reclamation Investigation & Design Institute，Harbin 150090，China )

Abstract：Adopting the D(311-A) optimum design with the 3 experimental factors of black soil layer thickness (H)，soil water content (W) and nitrogen (N)，the pot experiment of water and nitrogen coupling mode of soybean was conducted.The influences of different amounts of water and nitrogen fertilizer on soybean yield and water use efficiency were analyzed.The results showed that the influence of various factors on yield and water use efficiency were obvious，and the effects of water and nitrogen coupling were greater than that of black soil layer thickness.The best coupling mode of water and nitrogen with the highest yield and highest water use efficiency，and the optimum mode with all higher both of them were proposed in the paper.It should be useful for water and fertilizer management of the region with different degree of soil erosion.

Key words：soybean；thickness of black soil layer；water and nitrogen coupling；yield；use efficiency of water；optimal mode

文章編號(hào)：1007-7596(2016)04-0034-04

[收稿日期]2016-03-16

[基金項(xiàng)目]國家農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)東北黑土區(qū)水土流失治理項(xiàng)目

中圖分類號(hào)：S506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

[作者簡介]魏永霞(1961-)，女，黑龍江海倫人，教授，博士生導(dǎo)師，從事農(nóng)業(yè)節(jié)水和水土保持理論與技術(shù)研究，本刊編委、現(xiàn)任副院長；白楊(1987-)，女，黑龍江齊齊哈爾人，工程師，碩士研究生。