控制排水条件下冬小麦水位生产函数的试验研究

孙 涛,俞双恩,2,何妙妙,孙天录

(1.河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室,江苏南京 210098;2.河海大学水电学院,江苏南京 210098;3.中卫市南山台电力灌溉管理站,宁夏中卫 755000)

作物水位生产函数是反映作物产量随水位变化规律的函数,是进行农田控制排水最为基本也最为重要的函数.开展此类问题的试验研究,对于指导农田控制排水[1-4]或节水灌溉[5-11]实践、提高农田水分利用率,具有重要的指导意义.本文以冬小麦作为供试作物,研究不同地下水埋深条件下的产量情况,进而建立小麦水位生产函数.

1 试验研究方法

1.1 试验区基本情况

冬小麦的水位控制试验于2009年11月至2010年6月在河海大学高效灌排重点实验室生态试验场蒸渗测坑内进行.该试验场所在的江宁校区属于亚热带湿润季风气候区,多年平均降雨量为1021.3mm,多年平均蒸发量为900mm左右,多年平均气温为15.7℃,最高气温43.0℃,最低气温-14.0℃,无霜期237天.一年中温差较大,四季分明,降雨丰沛,全年降雨日数120天左右,其中汛期(5—9月)降雨量占年均雨量的60%以上.

蒸渗测坑内的土壤为黏壤土,由当地土分层回填密实,已经过4个年度的水旱轮作.经测定,0～30cm土壤田间持水量为25.28%,土壤密度为1.46g/cm3,总孔隙度为44.97%,pH值为6.97,土壤有机质质量分数为2.40%、全氮质量比为0.9048g/kg、速效氮质量比为27.65mg/kg、土壤全磷质量比为0.32g/kg,土壤速效磷质量比为12.5mg/kg.

1.2 试验处理方案

按照SL 13—2004《灌溉试验规范》[12]中划分作物生育阶段的标准,将冬小麦划分为6个生育阶段,分别为出苗越冬期(11月12日—2月10日)、返青分蘖期(2月11日—3月8日)、拔节孕穗期(3月9日—4月20日)、抽穗开花期(4月21日—5月8日)、乳熟期(5月9日—5月29日)和黄熟期(5月29—6月6日).试验分别在分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期和乳熟期进行农田水位控制试验,各处理设计及控水时段见表1,每个处理设3个重复.

1.3 观测设备及方法

冬小麦的控水试验在32个蒸渗测坑中进行,每个测坑的规格为长2.5m、宽2.0m、深2.0m,测坑分南北两排布置,一排16个,中间设有地下廊道,廊道东面有地下设备间,地上有长18.0m、宽7.0m、高3.0m的两节大型电动活动雨棚.每个测坑都与地下设备间的一个水柱连通,便于控制测坑内的地下水位.

表1 冬小麦水位控制试验处理设计及控水时段Table 1 Design and periods of water level control test on winter wheat

a.地下水位观测.每天上午8:00、下午5:00观测地下水位深度,当天上午的观测值低于或接近下限值(≤50mm)时当天按处理要求灌水至上限.

b.灌水量的观测.田面有水层时,记录灌水前后水层深度,两者之差即为灌水量;田面无水层时,记录灌溉水量.

c.排水量的观测.雨后若测桶水层超过处理要求的上限时按照处理要求进行排水,记录排水前后的水层深度,之差即为排水量.

d.土壤水分观测.控水期间每天9:00左右用TDR观测分层土壤含水量,观测水位,控水结束后,隔5d观测1次.

2 冬小麦水位生产函数模型

2.1 模型的构建

冬小麦生长过程中,如果田间地下水位始终保持在小麦适宜生长的范围内,则不会产生水分胁迫,理论上讲冬小麦产量应该达到最高.然而在实际农业生产过程中,由于连续降雨过多或者一段时间内降水不足,则可能使麦田地下水位高于或者低于适宜埋深,从而导致小麦因涝、渍、旱的影响而减产.若把涝、渍、旱的变化看作一个连续的过程,以麦田地下水位作为控制指标,建立其与小麦产量的函数关系,把这种函数关系称为水位生产函数.

冬小麦在不同的生育期受涝渍或受旱对最终产量的影响是不同的,在某一生育阶段受涝渍或受旱,不仅影响该阶段的生长发育,而且对以后的生育阶段的生长都有不同程度的影响.连乘形式的函数能反映出这种滞后效应,以第i生育阶段农田水位大于该生育阶段适宜水位上限Hmax的累积值SFWi,Hmax作为衡量该阶段涝渍灾害程度的指标,以第i生育阶段农田水位小于该生育阶段适宜水位下限Hmin的累积值SEWi,Hmin作为衡量该阶段受旱程度的指标,以这两项指标为自变量,建立作物相对产量Ry与涝、渍、旱的灾害程度关系的阶段水位生产函数模型[13]:

以冬小麦相对产量Ry为因变量,各生育阶段SFWi,Hmax和SEWi,Hmin为自变量,可以构造如式(2)所示的冬小麦水位生产函数表达形式:

式中:Ym——适宜水位条件下冬小麦最高产量,kg/hm2;Y——冬小麦的实际产量,kg/hm2;ηi—第i阶段冬小麦涝渍敏感指数;θi——第i阶段冬小麦受旱敏感指数.

2.2 模型的修正(考虑土壤含水量)

式(2)只考虑了地下水位的高低对冬小麦产量的影响,事实上,就水分管理而言,冬小麦产量不仅与地下水埋深有关而且与根层土壤含水量也有关系.当地下水位高于适宜埋深上限,而根系层土壤含水量较低时,其渍害程度就会降低,否则渍害就会加重;当地下水位低于适宜埋深下限,而根系层土壤含水量较高时,冬小麦一般不会产生缺水胁迫,否则就会受旱.因此,在建立冬小麦水位生产函数时应考虑进行根层土壤含水量的修正.

考虑根系层土壤含水量对冬小麦生产的影响,在式(2)的基础上构建式(3):

式中:ki——小麦在第i生育阶段内某一时段受涝渍时的土壤含水量修正系数;λi——小麦在第i生育阶段内某一时段受旱时的土壤含水量修正系数;ζi——第i生育阶段0～30 cm深度实测平均土壤含水量;ζc1——适宜土壤含水量,取田间持水量的80%.

3 冬小麦水位生产函数模型参数求解

3.1 试验数据的整理

根据各生育阶段地下水位观测资料,经计算,各生育阶段SFWi,Hmax和SEWi,Hmin值见表2.根据各生育阶段根层土壤含水量的观测数据,经计算,各生育阶段土壤含水量修正系数见表3.

表2 各生育阶段 SFWi,Hmax和 SEWi,Hmin计算值Table 2 Calculated results of SFWi,Hmaxand SEWi,Hminat growth stages cm/d

3.2 模型参数的确定

采用多元线性回归法求解式(2)和式(3)的敏感指数.具体过程如下:

对式(2)和式(3)线性化,即对式(2)和式(3)两边取自然对数,得:

表3 土壤含水量修正系数Table 3 Correction coefficients of soil water content

在不考虑土壤含水量修正系数和考虑土壤含水量修正系数两种情况下,筛选适当的产量和各阶段的SFWi,Hmax和SEWi,Hmin值以及土壤含水量修正系数分别代入式(6)(不考虑土壤含水量修正系数)和式(7)(考虑土壤含水量修正系数),经过回归分析,得出相应参数见表4.不考虑土壤含水量修正系数的情况下,复相关检验R2=0.719,显著性检验F=13.74＞F0.05(8,3)=8.85;考虑土壤含水量修正系数的情况下,复相关检验R2=0.761,显著性检验F=15.77＞F0.05(8,3)=8.85,因此可以认为上述回归方程是显著的.

冬小麦水位生产函数式(6)各生育阶段敏感指数结果表明,在涝渍条件下和受旱情况下,冬小麦各生育阶段受涝渍和受旱影响程度由大到小顺序均为:拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期、分蘖期.经土壤含水量修正后的冬小麦生育阶段水位生产函数式(7)各生育阶段敏感指数大小顺序有所变化,在涝渍条件下,冬小麦各生育阶段受涝渍影响程度由大到小顺序为:拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期、分蘖期;受旱情况下,冬小麦各生育阶段受旱敏感指数由大到小顺序为:抽穗开花期、拔节孕穗期、分蘖期、乳熟期.

表4 冬小麦水位生产函数模型参数Table 4 Parameters of water-level production function for winter wheat

4 结 语

在雨水比较多的南方地区,由于降雨的时程分布不均,冬小麦的涝、渍、旱往往是一个动态变化的过程,在排水条件下,地下水位能较好地反映冬小麦涝、渍、旱的变化状态.水位生产函数既反映了作物产量对农田地下水位的响应关系,又反映了作物各生育阶段对地下水位的敏感程度.考虑土壤含水量修正系数的冬小麦水位生产函数,更加真实地反映了根层土壤含水量与地下水位的耦合作用对作物最终产量的影响.通过排水条件下冬小麦水位生产函数的试验研究,可以得出结论:冬小麦拔节孕穗期、抽穗开花期对涝渍和受旱比较敏感,乳熟期和分蘖期对涝渍和受旱的敏感程度相对较低.这一结果与前人的涝渍研究和受旱研究的成果基本一致[14].

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