云文麗，賈成朕

(1．內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象干部培訓(xùn)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051; 2．內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

向日葵是內(nèi)蒙古自治區(qū)的重要經(jīng)濟作物之一，內(nèi)蒙古向日葵種植面積占全國向日葵種植面積的70%～80%，是全國向日葵的主產(chǎn)區(qū)。向日葵因其耐鹽堿的特性，主要在內(nèi)蒙古自治區(qū)河套地區(qū)種植。近年來，河套地區(qū)向日葵種植面積占到河套地區(qū)總播種面積的1/4以上，已成為當(dāng)?shù)靥厣魑锏闹еa(chǎn)業(yè)[1-2]。近年來，面對黃河水資源日趨緊缺、內(nèi)蒙古河套灌區(qū)引黃河水量指令性縮減的嚴峻形勢，為擺脫因缺水給灌區(qū)農(nóng)業(yè)帶來的諸多不利影響，迫切需要準(zhǔn)確評價作物干旱程度用于定量指導(dǎo)灌溉，提高灌溉用水管理水平，確保水資源科學(xué)、高效利用[3-7]。很多學(xué)者利用不同方法，針對發(fā)生干旱的作物得出一系列的干旱指標(biāo)，可為確定干旱是否發(fā)生及其嚴重程度提供標(biāo)準(zhǔn)[8-12]。其中一類指標(biāo)主要通過不同生育階段水分條件對作物生長發(fā)育及產(chǎn)量影響的試驗研究[13-15]，確定不同階段的適宜或受旱的土壤濕度指標(biāo)[16-18]，這也是目前開展最廣泛的研究內(nèi)容。土壤水分對向日葵生長發(fā)育影響的研究已有報道，包括土壤水分對向日葵株高、葉面積、干物質(zhì)累積和光合生理指標(biāo)的影響等[19-23]。這些研究從不同階段的土壤水分條件對向日葵生長發(fā)育的影響入手，但尚未確定系統(tǒng)性的干旱等級指標(biāo)，不能服務(wù)于干旱災(zāi)害的監(jiān)測、影響評估和指導(dǎo)灌溉等業(yè)務(wù)需要。本文以河套地區(qū)向日葵為研究對象，通過分析已有的向日葵土壤水分田間控制試驗研究成果，利用土壤相對濕度與作物生長參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計分析方法，建立向日葵不同生育階段干旱等級指標(biāo)，為開展向日葵干旱災(zāi)害的監(jiān)測及指導(dǎo)節(jié)水灌溉服務(wù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)材料

所用數(shù)據(jù)資料主要包括2012—2014年在內(nèi)蒙古巴彥淖爾市開展的向日葵土壤水分控制田間試驗結(jié)果，以及該站向日葵農(nóng)業(yè)氣象常規(guī)觀測的歷史資料(2005—2019年)。向日葵土壤田間水分控制試驗水分控制指標(biāo)設(shè)4類，即嚴重缺水、缺水、水分適宜和偏濕，分別占田間持水量(FC)的比例為： <40%，40%～55%，55%～70%，70%～90%，把自然降水不灌溉設(shè)為對照(CK)。水分控制試驗設(shè)置依據(jù)歷年土壤水分狀況對向日葵發(fā)育形態(tài)、產(chǎn)量等特征的影響，以及當(dāng)?shù)赝寥绤?shù)對灌溉后土壤水分的下滲深度的影響，水分控制分3個時段：出苗～花序形成期、花序形成～開花期、開花～成熟期，其它時段水分按FC的55%～70%供給，各處理設(shè)2個重復(fù)，共計22個小區(qū)。試驗小區(qū)面積為4 m×6 m，小區(qū)之間設(shè)置隔離層，試驗場設(shè)有大型活動式防雨棚。井水灌溉，灌水量通過水表記錄。與本文相關(guān)的試驗測定項目包括：土壤水分、株高、葉面積、干物重和產(chǎn)量。其中，土壤水分測定深度0～100 cm，每隔10 cm為一層，每隔5 d測定一次；選擇5株作為株高和葉面積的觀測樣本，二對真葉期開始測定，每5 d測量一次，開花后停止株高觀測，開花后葉面積每7 d觀測一次，直至收獲。葉面積計算采用系數(shù)法，向日葵葉面積系數(shù)為0.64；在花序形成、開花期和成熟期，每個小區(qū)每次隨機取5株測定地上部分各器官干物質(zhì)重量。農(nóng)業(yè)氣象站點觀測資料主要包括向日葵發(fā)育期數(shù)據(jù)、土壤相對濕度觀測數(shù)據(jù)、土壤水分常數(shù)和產(chǎn)量數(shù)據(jù)等，相應(yīng)氣象數(shù)據(jù)主要包括逐日最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、降水量、日照時數(shù)、平均風(fēng)速和水汽壓。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤相對濕度(Rsm) 根據(jù)向日葵根系發(fā)育情況，苗期測定土層厚度取30 cm，其它生長發(fā)育時段取50 cm。土壤相對濕度計算公式為:

(1)

式中，Rsm為土壤相對濕度(%)；Swi為第i層土壤重量含水率(%)；FCi為第i層土壤田間持水量(%)。

1.2.2 作物生長參數(shù)

(1)相對高度(ΔH)：向日葵相對生長高度參數(shù)只可用于出苗～花序形成和花序形成～開花后一周的評價，相對高度(ΔH)按式(2)計算：

(2)

(2)相對階段生物量(ΔB)按式(3)計算：

(3)

(3)相對葉面積指數(shù)(ΔLAI)按式(4)計算：

(4)

(4)波動產(chǎn)量(ΔYd)：水分控制試驗小區(qū)波動產(chǎn)量波動按式(5)計算：

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 基于土壤相對濕度的干旱等級指標(biāo)的構(gòu)建

依據(jù)向日葵生育期劃分結(jié)果，按照公式(1)計算向日葵水分控制試驗中各小區(qū)3個發(fā)育時段(出苗～花序形成、花序形成～開花后一周和開花后一周～成熟期)的土壤相對濕度，同時按照公式(2)～(5)計算相應(yīng)發(fā)育時段的作物生長參數(shù)，包括作物相對高度、相對葉面積指數(shù)、相對階段干物質(zhì)和產(chǎn)量，建立土壤相對濕度與作物生長參數(shù)在3個發(fā)育時段的回歸方程，確定之間的定量關(guān)系(表1)。用所建立的11個方程(向日葵開花后高度停止觀測)可以看出，各階段土壤相對濕度與作物生長參數(shù)之間具有較好的線性相關(guān)關(guān)系。其中，出苗～花序形成時段內(nèi)，土壤相對濕度與4個作物生長參數(shù)之間的相關(guān)性都通過了0.01水平的顯著性檢驗，其中，與相對高度相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為0.6626，其次是相對階段生物量和相對葉面積指數(shù)，相關(guān)系數(shù)分別為0.6403和0.6278，與產(chǎn)量波動的相關(guān)性較低?？梢?，在生育前期向日葵處于營養(yǎng)生長快速期，表征營養(yǎng)生長的作物高度對土壤水分更為敏感。向日葵在花序形成～開花后一周期間，土壤相對濕度與產(chǎn)量波動間的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)為0.8546，其次階段干物質(zhì)與相對高度和相對葉面積指數(shù)的相關(guān)性基本相同，分別為0.4636和0.4670，相關(guān)性只通過了0.05水平的顯著性檢驗，說明該階段的土壤水分狀況對向日葵的最終產(chǎn)量起到了決定性作用。同時，該時段植株進入生殖生長階段，營養(yǎng)生長緩慢，土壤水分對株高和葉面積的影響逐漸減弱。向日葵在開花后一周～成熟期期間，土壤相對濕度與作物生長參數(shù)的相關(guān)性總體較前兩個發(fā)育期低，開花后向日葵高度不再作為觀測項目，土壤相對濕度和階段生物量的相關(guān)性通過了0.01水平的顯著性檢驗，與其它兩個因子的相關(guān)性只通過了0.05水平的顯著性檢驗。向日葵在該時段進入籽粒成熟階段，葉子逐漸枯黃，在開花后一周葉面積指數(shù)急速下滑，土壤水分對葉面積指數(shù)的影響逐漸減弱，后期的土壤水分更多地影響到葉面積的衰減速率[23]。同時，該時段的向日葵需水量較關(guān)鍵期減少，產(chǎn)量形成基本已成定局，產(chǎn)量較相對階段生物量積累對土壤水分的依賴性逐漸降低。

表1 土壤相對濕度和向日葵各生長參數(shù)的相關(guān)性

將土壤相對濕度值代入表1的方程中，計算相應(yīng)作物生長參數(shù)值(表2)，從表2的數(shù)據(jù)可以看出，一定的土壤相對濕度下各個作物生長參數(shù)在不同發(fā)育階段都表現(xiàn)出了一致性。出苗～花序形成期，4個作物參數(shù)在土壤相對濕度為60%時，計算結(jié)果都開始出現(xiàn)負值，表明此時土壤相對濕度為60%時植物生長開始受限；花序形成～開花后一周，4個作物參數(shù)基本在土壤相對濕度為65%時出現(xiàn)了負值，其中，相對高度在土壤相對濕度為70%時就開始出現(xiàn)了負值，這很可能與觀測誤差有關(guān)。向日葵開花后高度生長停止且花盤下垂，高度出現(xiàn)后縮現(xiàn)象；開花后一周～成熟期，土壤相對濕度為55%時，3個作物參數(shù)出現(xiàn)了明顯的負值。根據(jù)表2的計算結(jié)果，本文確定了向日葵不同發(fā)育時段發(fā)生干旱脅迫時土壤相對濕度的階段閾值(見表3)。由于不同發(fā)育階段的水分虧缺敏感指數(shù)、需水量、補償生長等影響，表3中不同生育期的指標(biāo)并不完全一致?；ㄐ蛐纬伞_花后一周土壤相對濕度指標(biāo)要高于其他發(fā)育期，這是由于該發(fā)育階段為向日葵的生殖生長期，水分敏感系數(shù)和需水量都較其他時段高的緣故。開花后一周～成熟期基于土壤相對濕度的干旱等級指標(biāo)較其他發(fā)育階段最低，主要是由于向日葵生長逐漸趨緩，產(chǎn)量基本形成，水分敏感系數(shù)較小的緣故?；诒?中土壤濕度與各作物生長參數(shù)的相關(guān)性，得到不同土壤水分梯度在向日葵不同發(fā)育時段內(nèi)，對作物參數(shù)的影響結(jié)果，具體劃分等級見表4。不同發(fā)育時段主要作物參數(shù)的變化閾值可作為作物受旱的輔助指標(biāo)。

表2 土壤相對濕度對應(yīng)的向日葵各生長參數(shù)

表3 基于土壤相對濕度的向日葵干旱等級指標(biāo)

表4 干旱脅迫的向日葵生長參數(shù)閾值

2.2 基于土壤相對濕度的干旱等級指標(biāo)的驗證

利用內(nèi)蒙古巴彥淖爾市2005—2019年農(nóng)業(yè)氣象常規(guī)觀測站從向日葵播種到收獲每月逢8的土壤水分觀測數(shù)據(jù)，通過具體分析每次灌溉前的土壤相對濕度對應(yīng)的干旱等級來判斷實際旱情，利用實際生產(chǎn)是否進行灌溉來驗證干旱評價結(jié)果的準(zhǔn)確性(表5)。從表5中可以看出，實際生產(chǎn)中第一次灌溉基本在6月中旬到7月上旬進行，正值近花序形成期，該時段灌溉前土壤相對濕度有60%的年份濕度值大于65%，即按照本文建立的向日葵干旱等級指標(biāo)應(yīng)該為無旱，實際灌溉生產(chǎn)中一般也是推后5～10 d進行灌溉?？梢钥闯觯S著植物需水逐漸增加土壤相對濕度快速降低，作物開始受干旱脅迫。第2次灌溉基本在7月中下旬進行，正值向日葵開花期，該時期作物需水達到高峰，實測發(fā)生輕旱的年份為60%，中旱為20%，重旱和特旱各1年，灌溉日期基本和干旱程度一致，只有2018年的土壤濕度觀測在83.28%，為無旱，灌溉可推后，實際當(dāng)年灌溉在觀測后的第7天進行，可見歷年灌溉實際生產(chǎn)活動基本符合作物需水要求。2007年進行了3次灌溉，第3次灌溉日期處于向日葵開花后一周～成熟期，根據(jù)土壤相對濕度≥60%為無旱，而當(dāng)年土壤相對濕度觀測值為71.87%，土壤濕度完全能夠滿足作物需水要求，且向日葵逐漸進入成熟階段，此時的作物需水逐漸降低，此時段可以不灌溉或?qū)嵭泄?jié)水優(yōu)化灌溉。通過計算該農(nóng)業(yè)氣象觀測站點2005—2019年向日葵歷史減產(chǎn)率發(fā)現(xiàn)，向日葵減產(chǎn)率波動在-11.9%～8.07%，減產(chǎn)率在±5%的年份占所有年份的80%，可見河套灌區(qū)向日葵產(chǎn)量基本穩(wěn)定，因此利用土壤相對濕度判定作物是否發(fā)生干旱脅迫，是否需要進行灌溉，可實現(xiàn)作物穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。

表5 干旱等級判別結(jié)果

3 結(jié)論與討論

通過作物生長參數(shù)和土壤相對濕度的相關(guān)性分析尋找土壤發(fā)生干旱后植物的反應(yīng)，進一步確定土壤相對濕度干旱等級，建立的指標(biāo)較為科學(xué)合理，同時研究結(jié)果符合作者前期研究得出向日葵不同發(fā)育時段對水分的需求和敏感性[24]。與Jensen水分生產(chǎn)函數(shù)模型計算的向日葵對水分虧缺的敏感順序相一致，敏感性從高到低為：開花期>花序形成期>成熟期>苗期[24-25]。前期研究表明，向日葵在花序形成～開花期的需水量和日耗水強度最高，是需水高峰期，這個階段需水量占總需水量的42.22%，平均日耗水達9.5 mm·d-1?？梢?，該生長發(fā)育時段的水分相對濕度指數(shù)最為敏感的結(jié)果是合理的。

干旱是內(nèi)蒙古地區(qū)對農(nóng)業(yè)影響最大的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，建立干旱對農(nóng)業(yè)影響的評估指標(biāo)和方法一直是農(nóng)業(yè)研究的主題。由于對向日葵干旱評估指標(biāo)研究的較少，有必要逐漸建立準(zhǔn)確定量的評估指標(biāo)[26-29]。由于受向日葵種植區(qū)域的局限和資料可獲取等因素限制，本文只建立了河套地區(qū)干旱災(zāi)害等級評價指標(biāo)，該指標(biāo)在其他區(qū)域應(yīng)用效果還有待進一步的驗證；在該指標(biāo)用于實際評價中要求有土壤濕度觀測資料，這也限制了該指標(biāo)的應(yīng)用。同時，本文確定的向日葵不同生育階段干旱災(zāi)害等級指標(biāo)，僅適用于單一階段發(fā)生干旱時進行不同等級判別及影響評估，但在向日葵整個生育期還會有菌核病、銹病和草地螟等因素造成的向日葵減產(chǎn)[30]，因此建立適用于全生育期的綜合干旱影響評估指標(biāo)也是今后向日葵干旱監(jiān)測、評估研究的重點。

本文在向日葵土壤水分控制田間試驗研究成果的基礎(chǔ)上，由土壤相對濕度和作物生長參數(shù)之間的相關(guān)模型，得出了向日葵出苗～花序形成、花序形成～開花后一周、開花后一周～成熟3個生育階段輕旱、中旱、重旱、特旱的等級指標(biāo)。根據(jù)土壤相對濕度計算得出，向日葵3個生育階段發(fā)生輕旱的臨界值分別為65%、70%和60%，發(fā)生中旱的臨界值分別為55%、60%和50%，發(fā)生重旱的臨界值分別為45%、50%和40%，發(fā)生特旱的臨界值分別為35%、40%和30%。利用向日葵農(nóng)業(yè)氣象常規(guī)觀測站2005—2019年從播種到收獲每月3次(8日、18日、28日)的土壤水分觀測數(shù)據(jù)，分析每次灌溉前的土壤相對濕度對應(yīng)干旱等級來判斷實際旱情，通過進行灌溉驗證干旱評價結(jié)果的準(zhǔn)確性，分析結(jié)果表明干旱等級指標(biāo)合理且能在河套地區(qū)對實際灌溉進行較好地指導(dǎo)。