李秀芬 馬樹慶 于海 徐麗萍 陳鳳濤 宮麗娟

(1.黑龍江省氣象科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150030； 2.中國氣象局東北地區(qū)生態(tài)氣象創(chuàng)新開放實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150030； 3.吉林省氣象臺，吉林 長春 130062； 4.吉林省氣象服務(wù)中心，吉林 長春 130062；5.榆樹市氣象局，吉林 榆樹 130400)

引言

大豆作為重要的油料和蛋白質(zhì)作物，其生長速率、產(chǎn)量狀況、品質(zhì)和適宜栽培地理等都與氣象條件密切相關(guān)。天氣和氣候變化對大豆的影響作為全球性的科學(xué)問題而備受關(guān)注[1-9]。氣候條件對大豆生長和產(chǎn)量影響顯著[10-11]，氣候變暖導(dǎo)致大豆種植界限北移[3,7]，溫度升高加速了大豆生長發(fā)育，吉林春大豆生長季平均氣溫每升高1 ℃，大豆生育天數(shù)縮短約5.4 d[5]；秋季平均氣溫升高對大豆增產(chǎn)具有積極的正效應(yīng)[4]，但作物生長季平均最高氣溫或溫差增加1 ℃時(shí)，有可能使內(nèi)蒙古地區(qū)大豆減產(chǎn)87 kg·hm-2[12]；延遲播種能夠減緩高溫脅迫對印度大豆生產(chǎn)的不利影響[13-14]。大豆產(chǎn)量對水分條件反應(yīng)敏感，干燥少雨和土壤干旱脅迫明顯影響大豆的生長狀態(tài)和產(chǎn)量[15-17]。播種—出苗期中度以上干旱明顯延遲種子發(fā)芽的時(shí)間，致使出苗延遲或不出苗[18-21]。苗期干旱脅迫導(dǎo)致大豆幼苗矮小，葉面積指數(shù)、葉綠素含量降低[16,22-23]，根系活力下降[9]，導(dǎo)致大豆生物量累積受限[24]。開花—鼓粒期的旱澇與大豆產(chǎn)量波動密切相關(guān)[25]，盛花期干旱大豆植株生物量減少16%，鼓粒初期干旱生物量減少6%[26]；結(jié)莢期干旱脅迫持續(xù)時(shí)間越長，大豆植株生長受抑制情況越明顯[23]；鼓粒期干旱會使大豆蛋白質(zhì)含量和百粒重下降，脂肪含量升高[9]。

中國東北地區(qū)氣候溫涼，土壤較肥沃，適宜大豆栽培，是優(yōu)質(zhì)春大豆主產(chǎn)區(qū)，大豆播種面積、總產(chǎn)量均占全國的40%以上[27]。受季風(fēng)氣候的影響，該區(qū)域降雨變率大，多數(shù)縣市春秋季雨水不足，經(jīng)常發(fā)生大豆干旱[28]。大豆開花—鼓粒期耗水最多[29]，此間發(fā)生干旱大豆減產(chǎn)最大，鼓?！墒炱谌彼畬ζ焚|(zhì)影響最大。相關(guān)研究從不同角度揭示了大豆對水分等氣象條件的反應(yīng)特征[30]，但在氣候變化和目前大豆品種、栽培措施背景下，鼓粒期后土壤干旱對東北春大豆產(chǎn)量形成的影響規(guī)律和干旱定量指標(biāo)仍然不十分清晰。因此，配合東北地區(qū)大豆生產(chǎn)的恢復(fù)性發(fā)展，為大豆栽培管理和干旱防御提供科學(xué)依據(jù)，于2017—2018年在吉林省榆樹市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站開展夏秋季大豆水分控制試驗(yàn)，試圖揭示土壤水分對大豆結(jié)實(shí)及產(chǎn)量的影響規(guī)律，提煉大豆夏秋旱土壤水分指標(biāo)。

1 資料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在吉林省中部的榆樹農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站(44°51′N，126°31′E)進(jìn)行，常年≥ 10 ℃活動積溫為2933 ℃·d，無霜期為161 d，期間雨量472 mm。試驗(yàn)場距氣象觀測場150 m，試驗(yàn)地平坦，平均海拔為196.5 m，土壤為壤土，肥力水平中等，0—30 cm土層的土壤容重、田間持水量和凋萎系數(shù)依次為1.33 g·cm-3、25.6%和11.8%。圖1為試驗(yàn)地所在地吉林省榆樹市位置及地形圖。

圖1 試驗(yàn)地所在位置及地形Fig.1 Location and topographic of a test site

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及田間管理

試驗(yàn)通過防雨棚和人工噴水控制土壤水分。防雨棚為鋼架塑料拱棚，兩端開放通風(fēng)。棚脊高為2.0 m，棚底高為1.0 m，棚長為22 m，寬為9 m。降雨時(shí)及時(shí)遮蓋棚頂防雨，雨后卷起，自然通風(fēng)透光。棚內(nèi)設(shè)6 個(gè)水分脅迫處理(圖1)，棚外設(shè)1 個(gè)雨水+灌水處理(H1)和1 個(gè)自然雨養(yǎng)處理(H8)。每個(gè)處理小區(qū)3.0 m×3.5 m=10.5 m2，小區(qū)四周埋深度33 cm左右的塑料膜，防止橫向水分滲透。供試大豆品種為當(dāng)?shù)刂魍频摹凹?7”，中晚熟品種，適宜播種密度每公頃2.0×104株左右，耐旱性中等，播種至成熟所需≥ 10 ℃活動積溫為2900 ℃·d，全生育期為138 d左右。試驗(yàn)田管理與當(dāng)?shù)仄胀ù蠖固镆恢?。播種時(shí)施足底肥(長效復(fù)合肥)，肥量為50 g·m-2。兩年均為5月7日播種(當(dāng)?shù)仄毡椴シN期)，壟作，每小區(qū)5 壟，壟距為54 cm，株距為9.0 cm左右，密度為19 粒(株)·m-2，播種深度為5—6 cm。各小區(qū)播種至結(jié)莢期不蓋棚，大豆生長在自然條件下，干旱時(shí)適量且等量灌水，使土壤水分基本適宜，不發(fā)生明顯旱象。結(jié)莢后期開始水分控制，根據(jù)土壤濕度情況，用噴壺每隔5—10 d澆水1 次，每次最多灌水量換算成雨量20 mm左右，土壤濕潤深度不超過30 cm，且無徑流。通過灌水次數(shù)和灌水量使6 個(gè)水分控制小區(qū)呈現(xiàn)不旱、輕旱至嚴(yán)重干旱的梯度變化，依次標(biāo)記為H2、H3、H4、H5、H6和H7區(qū)。各小區(qū)進(jìn)入成熟初期時(shí)結(jié)束水分控制。表1給出了2017年和2018年各處理的灌溉時(shí)間及灌溉量。

表1 2017年和2018年各處理灌溉時(shí)間及灌溉量Table 1 Date and amount of irrigation for each treatment in 2017 and 2018

1.3 觀測項(xiàng)目及資料處理

觀測耕層土壤濕度(重量含水率)、大豆結(jié)莢數(shù)、空秕莢率、百粒重及產(chǎn)量，各項(xiàng)觀測方法遵循《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[31]，單產(chǎn)由小區(qū)總產(chǎn)量換算。采用土鉆法每隔5 d左右測土壤濕度，其中澆水前1 d和澆水后1 d必測。測得各小區(qū)成熟期大豆根系長度都不超過30 cm，因此采用0—30 cm層平均土壤濕度(0—10 cm、10—20 cm和20—30 cm 3 個(gè)土層濕度的平均值)。

1.4 研究方法

采用回歸法分析產(chǎn)量結(jié)構(gòu)對土壤濕度變化的反應(yīng)，推算大豆鼓?！墒炱诟珊档燃壷笜?biāo)。為消除兩年間土壤水分、氣溫、日照及管理可能存在的系統(tǒng)性偏差，各項(xiàng)分析均采用相對于當(dāng)年棚內(nèi)不旱小區(qū)(H2)的相對值，即

(1)

2 結(jié)果分析

2.1 各處理土壤濕度和產(chǎn)量變化

兩年內(nèi)大豆播種至開花期都出現(xiàn)少雨時(shí)段，各小區(qū)經(jīng)過澆水后都沒有形成明顯干旱，因此前中期土壤水分和氣溫條件對大豆生長沒有明顯不利影響。2017年大豆生長期間日均氣溫≥ 10 ℃積溫為2940 ℃·d，降雨量為472 mm；2018年分別為3050 ℃·d和408 mm。大豆鼓粒始期至成熟期間，2017年(8月21日至9月23日前后)雨量僅46 mm，對照區(qū)發(fā)生干旱；2018年(8月17日至9月27日前后)雨量為134 mm，雨水比較充沛，對照區(qū)不旱。各處理土壤濕度和結(jié)實(shí)狀況見圖2和圖3。土壤濕度梯度變化明顯，鼓粒—成熟期間0—30 cm土壤濕度為11.8%—25.7%。各處理小區(qū)大豆產(chǎn)量結(jié)構(gòu)要素及產(chǎn)量有明顯差異，相對于棚內(nèi)不旱小區(qū)(H2)的結(jié)莢數(shù)比率在53%—111%之間，差異很大，其中2017年重旱(H6)和特旱(H7)小區(qū)大豆空秕莢率達(dá)20%以上，是適宜區(qū)的2.5倍左右；各區(qū)百粒干重在19.4—23.9 g之間，相對百粒重在90%—111%之間，相對產(chǎn)量在69%—106%之間。

圖2 各處理小區(qū)0—30 cm土層的土壤濕度Fig.2 Soil moisture at 0-30 cm soil depth in each treatment plot

株莢數(shù)單位為個(gè)；空秕莢率單位為%；百粒重單位為g圖3 各處理大豆產(chǎn)量結(jié)構(gòu)要素和產(chǎn)量Fig.3 Yield and its structure elements of soybean in each treatment

2.2 土壤水分脅迫對結(jié)莢和產(chǎn)量的影響

2.2.1 土壤水分對結(jié)莢率的影響

大豆生長期其他條件及其影響基本一致，因此認(rèn)為各處理小區(qū)大豆結(jié)莢情況主要由鼓粒后水分脅迫決定。相對于棚內(nèi)不旱小區(qū)(H2)而言，各處理的大豆莢數(shù)和有效莢數(shù)差異較大，與鼓?！墒炱?—30 cm土壤濕度關(guān)系顯著，呈近于線性的拋物線函數(shù)關(guān)系(圖4)。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)(11.8%—25.7%)，土壤濕度每下降1個(gè)百分點(diǎn)，大豆單株莢數(shù)和有效莢數(shù)分別下降3.1和3.7個(gè)百分點(diǎn)。試驗(yàn)沒有設(shè)漬澇災(zāi)害處理，沒能甄別導(dǎo)致結(jié)莢下降的土壤水分上限。相對空秕莢率與土壤濕度的關(guān)系為反拋物線函數(shù)(圖5)，在24%以下范圍內(nèi)，土壤濕度每下降1個(gè)百分點(diǎn)，相對空秕莢率上升9—10個(gè)百分點(diǎn)；土壤濕度20%—24%空秕莢率最低，高于25%空秕莢率有上升趨勢。本試驗(yàn)沒有細(xì)致觀測結(jié)莢動態(tài)和幼莢變化，但在重旱、特旱區(qū)發(fā)現(xiàn)鼓?！墒炱诟珊涤绊懡Y(jié)莢狀況的兩個(gè)現(xiàn)象，一是鼓粒期(8月20日前后)干旱抑制部分幼莢的幼粒膨脹，導(dǎo)致秕莢；二是干旱導(dǎo)致少部分豆莢脫落，單株莢數(shù)減少。

圖4 單株相對有效莢數(shù)(a)和單株相對莢數(shù)(b)與土壤濕度的關(guān)系Fig.4 Relationships of relative effective pods per plant (a) and relative pods per plant (b) with soil moisture

圖5 相對空秕莢率與土壤濕度的關(guān)系Fig.5 Relationship between relative empty pod rate and soil moisture

2.2.2 土壤水分對籽粒重的影響

土壤濕度在11.8%—25.7%范圍內(nèi)，大豆百粒重與鼓?！墒炱谕寥罎穸瘸示€性相關(guān)(圖6)，影響系數(shù)也不大，土壤濕度每下降1 個(gè)百分點(diǎn)，百粒干重下降0.21 g，相對百粒重下降0.8%。土壤濕度21%以上粒重較大，小于16%粒重明顯偏低。干旱導(dǎo)致大豆光合作用和養(yǎng)分向籽粒運(yùn)輸速率下降或停滯是粒重降低的主要原因。

圖6 大豆百粒重(a)和相對百粒重(b)與土壤濕度的關(guān)系Fig.6 Relationships of soybean 100-kernel weight (a) and relative 100-kernel weight (b) with soil moisture

2.2.3 土壤水分對單產(chǎn)的影響

在試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)(11.8%—25.7%)，大豆實(shí)際產(chǎn)量與土壤濕度呈正相關(guān)(圖7)，但影響系數(shù)并不大。土壤濕度每下降1個(gè)百分點(diǎn)，大豆產(chǎn)量減產(chǎn)1.5個(gè)百分點(diǎn)。土壤濕度在22%左右產(chǎn)量偏高，可見雨量和土壤水分充沛有利于高產(chǎn)。試驗(yàn)顯示，土壤濕度14%左右仍有80%左右的收成，可見盡管大豆比較喜水，但對后期干旱還是有一定耐受性的。

圖7 大豆單產(chǎn)與土壤濕度的關(guān)系Fig.7 Relationship between soybean yield per unit area and soil moisture

2.3 大豆鼓?！墒炱诟珊档燃壷笜?biāo)及影響評估

根據(jù)作物干旱標(biāo)準(zhǔn)[32]把大豆鼓?！墒炱诟珊捣譃檩p旱、中旱、重旱和特旱4個(gè)等級，本研究對應(yīng)的減產(chǎn)率依次為5%—10%、11%—15%、16%—20%和20%以上。在試驗(yàn)控制土壤濕度范圍內(nèi)，考慮減產(chǎn)率梯度和土壤濕度樣本盡可能均勻分配，得到不同干旱等級的土壤濕度范圍(表2)。將大豆干旱等級標(biāo)準(zhǔn)[32]中的水分虧缺量指標(biāo)換算成土壤濕度指標(biāo)來比較，顯示本試驗(yàn)獲得的大豆干旱等級指標(biāo)值略大(絕對濕度大2—3個(gè)百分點(diǎn)，相對濕度大3—5個(gè)百分點(diǎn))。其主要原因，一是干旱持續(xù)時(shí)間有差異。本試驗(yàn)把鼓粒—成熟視為一個(gè)干旱階段(慣稱為夏秋旱)，一般為8月18日前后至9月末，較傳統(tǒng)的秋旱時(shí)間長了一周左右。干旱損失程度取決于干旱強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，持續(xù)時(shí)間長了，同一減產(chǎn)等級的土壤濕度偏高一點(diǎn)是合理的;二是本試驗(yàn)采用0—30 cm層土壤濕度，略偏淺一些;三是品種問題，以往干旱指標(biāo)不針對某一具體品種。

表2 春大豆鼓粒—成熟期土壤濕度指標(biāo)及其對應(yīng)的結(jié)實(shí)狀況Table 2 Soil moisture indexes of different droughts during pod filling to maturity of spring soybean and their corresponding fruiting conditions %

與以往指標(biāo)比較，本試驗(yàn)重旱、特旱指標(biāo)明顯大于凋萎濕度，更符合大豆水分生理規(guī)律。用上述土壤濕度影響方程推測不同干旱級別的相對結(jié)莢率、相對百粒重和相對產(chǎn)量(表2)。由于土壤質(zhì)地差異，業(yè)務(wù)上可以用土壤相對濕度大致估測大豆干旱等級，利用對應(yīng)的結(jié)實(shí)狀況描述其預(yù)期損失情況，開展大豆鼓?！墒炱诟珊涤绊懚吭u估。表2進(jìn)一步明確顯示，降低大豆結(jié)莢數(shù)，特別降低有效結(jié)莢率是鼓粒—成熟期干旱導(dǎo)致大豆減產(chǎn)的主要原因，而干旱對粒重的影響相對較小。

3 結(jié)論與討論

(1)兩年試驗(yàn)結(jié)果表明，大豆產(chǎn)量與鼓?！墒炱陂g土壤濕度關(guān)系密切，0—30 cm層土壤濕度在11.8%—25.7%之間，相應(yīng)的大豆單株莢數(shù)在54—108 個(gè)之間、單株空秕莢率在8.5%—28%之間、平均百粒干重在19.4—23.9 g之間、相對單產(chǎn)68.7%—106.0%之間變化。在田間持水量以下，大豆結(jié)莢數(shù)量、空秕莢率與鼓?！墒炱陂g土壤濕度呈二次函數(shù)關(guān)系，百粒重、產(chǎn)量與土壤水分呈線性相關(guān)。鼓?！墒炱陂g土壤濕度每下降1個(gè)百分點(diǎn)，大豆結(jié)莢數(shù)和有效莢數(shù)分別下降3.1和3.7個(gè)百分點(diǎn)，百粒重和單產(chǎn)分別下降0.8和1.5個(gè)百分點(diǎn)，空秕莢率上升9.3個(gè)百分點(diǎn)。土壤濕度22%—24%對增加莢數(shù)、降低空秕莢率、提升粒重和增產(chǎn)有利，土壤濕度25%以上易導(dǎo)致空秕莢率上升。鼓?！墒祀A段0—30 cm土壤濕度在17%—19%、15%—16%、13%—14%和13%以下分別為輕旱、中旱、重旱和特旱，依次減產(chǎn)5%—10%、11%—15%、16%—20%和20%以上。大豆鼓粒—成熟期雖比較喜水耐濕，但試驗(yàn)結(jié)果顯示“吉育47”品種后期耐旱能力較強(qiáng)。

(2)干旱脅迫試驗(yàn)結(jié)果表明，大豆結(jié)莢數(shù)、空秕莢率、粒重和單產(chǎn)對鼓?！墒炱谕寥浪址磻?yīng)比較敏感，在試驗(yàn)土壤濕度范圍內(nèi)(11.8%—25.7%)，產(chǎn)量與土壤水分正相關(guān)，水分充足利于結(jié)實(shí)，單產(chǎn)較高，干旱脅迫導(dǎo)致減產(chǎn)，原因是干旱導(dǎo)致結(jié)莢少、空秕莢增多和粒重下降。這些試驗(yàn)結(jié)果符合大豆生理生態(tài)特點(diǎn)，也符合作物氣象原理[5,32]。試驗(yàn)還顯示,鼓?！墒炱诟珊祵?dǎo)致減產(chǎn)的幅度并不大，單位土壤濕度變化減產(chǎn)1.5%左右，土壤濕度接近凋萎濕度的條件下也有70%左右的收成，說明該品種大豆后期有喜水和耐旱的雙重特性，對土壤水分的適應(yīng)性較寬，這與相關(guān)研究結(jié)果有一致性[26,28]。但相關(guān)研究也有認(rèn)為大豆后期抗旱能力偏弱，干旱會導(dǎo)致嚴(yán)重減產(chǎn)[33-34]，這可能與品種及所在地區(qū)的水分條件有關(guān)[35]。

本試驗(yàn)結(jié)果可視為對大豆干旱研究的補(bǔ)充、驗(yàn)證和發(fā)展，但也有其局限性，一是在試驗(yàn)設(shè)計(jì)上還可以更加細(xì)化；二是兩年試驗(yàn)樣本尚顯不足，以致試驗(yàn)隨機(jī)偏差影響比重較大，水分影響參數(shù)和干旱指標(biāo)不夠穩(wěn)定。今后如果能沿著以下方向改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，會獲得更全面、完善和創(chuàng)新性的試驗(yàn)成果。一是增加澇害處理，揭示影響大豆產(chǎn)量的土壤濕度上限及其致災(zāi)指標(biāo)，建立完整的水分影響函數(shù)模式；二是在鼓粒—成熟期間再設(shè)短期旱澇處理，甄別半個(gè)月或10 d左右短期旱澇影響;三是增加不同旱澇條件下大豆光合產(chǎn)物形成、轉(zhuǎn)運(yùn)及鼓?！墒斓臅r(shí)間動態(tài)變化，以進(jìn)一步揭示旱澇減產(chǎn)機(jī)理。