水盐胁迫条件下制种玉米水盐生产函数参数的推求

袁 成 福

(江西水利职业学院，南昌 330013)

1 研究背景

我国西北地区气候干旱少雨，生态环境脆弱，是我国水资源短缺最严重的地区之一。西北地区面积约为2.5×106km2，水资源总量为1.979×1011m3，占全国的5.84%，可利用的水资源量约为1.364×1011m3，人均占有量为全国的80.5%[1]。西北地区农业年用水量为7.08×1011m3，农业用水量占总用水量的90%以上，远高于全国的70%[2]。西北地区农业生产主要利用地下水进行灌溉，由于长时期对地下水过度开采，导致地下水埋深逐渐增加，同时地下水矿化度也逐年升高[3]。为了使干旱地区农业生产能够稳步发展，咸水灌溉和非充分灌溉技术逐渐成为干旱地区的重要灌溉模式，也是缓解淡水资源紧缺、维持农业可持续发展的有效途径[4-6]。然而咸水灌溉和非充分灌溉由于存在水盐胁迫作用，对作物的生长状况和产量有一定的影响。国内外研究者对作物产量与土壤含水量、含盐量的关系进行了大量的定性与定量的研究，建立了各种不同形式的作物水盐生产函数。作物水盐生产函数是反映土壤水盐与作物产量关系的数学模型，是制定咸水灌溉和非充分灌溉制度的重要依据。王仰仁等通过作物水分生产函数和盐分生产函数分步建立了棉花水盐生产函数，并在此基础上了优化得到了棉花较优的咸水灌溉制度[7]。王军涛等通过开展微咸水灌溉试验，以作物水分生产模型为基础，建立了作物水盐响应模型，并分别建立分阶段水盐生产函数，求得夏玉米各生育阶段的盐分敏感指数[8-9]。谭帅等通过开展微咸水膜下滴灌试验，建立了棉花水盐生产函数，并提出了研究区中粉砂壤土和砂质壤土下适宜棉花生长的微咸水灌溉定额[10]。郭向红等通过开展微咸水膜下滴灌试验，建立了西葫芦微咸水膜下滴灌土壤水盐运移模型和水盐生产函数，模拟了西葫芦微咸水灌溉膜下滴灌土壤水盐动态和西葫芦的产量[11]。本研究通过在石羊河流域开展咸水非充分灌溉试验，综合考虑土壤水分和盐分对制种玉米生长和产量的影响，推求作物水盐生产函数的参数，构建咸水非充分灌溉条件下制种玉米的水盐生产函数，为研究区地下咸水资源合理利用和节水灌溉提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 田间试验

田间试验于2012-2013年在农业部作物高效用水武威科学观测实验站进行，该试验站位于甘肃省武威市凉州区东河乡王景寨村(E102°52′，N37°52′，海拔1581 m)。研究区属于典型的大陆性温带干旱气候，多年平均降雨量为164.4 mm，全年蒸发量为2 000 mm，是降雨量的12倍，研究区地下水位埋深达40～50 m。咸水非充分灌溉试验在试验站内的测坑进行，试验站内拥有测坑18个，每个测坑面积为6.66 m2(长度3.33 m、宽度2 m)，深度为3 m，测坑为有底测坑，在底板和回填土间有20 cm厚的砂石滤层，并设有排水通道，每个测坑之间由水泥混凝土隔开。测坑内0～120 cm土壤基本理化性质见表1。

表1 土壤基本理化性质

试验设置灌溉水量和灌溉水矿化度两种因素，灌溉水量设置3种水平：w1(ETc)、w2(2/3ETc)、w3(1/2ETc)，ETc为作物需水量，通过Penman-Menteith公式计算，得到当地制种玉米总需水量为555 mm[12]。灌溉水矿化度设置3种水平：s1(淡水灌溉，灌溉水矿化度为0.71 g/L)、s2(灌溉水矿化度为3 g/L)、s3(灌溉水矿化度6 g/L)。这3种灌溉水矿化度分别代表石羊河流域上游、中游和下游典型地区的地下水矿化度。试验采用裂区排列方式布置，共设9个处理，分别为w1s1(对照)、w1s2、w1s3、w2s1、w2s2、w2s3、w3s1、w3s2和w3s3，受试验地条件所限，每个处理重复2次，共设置18个试验小区。本试验灌溉咸水根据研究区地下水化学组成(质量比为2∶2∶1的NaCl、MgSO4和CaSO4)配置而成，利用管道进行灌溉。供试作物选为制种玉米(“金西北22号”)，2012年于4月24日播种，9月23日收获，全生育期150 d；2013年于4月20日播种，9月13日收获，全生育期146 d。根据制种玉米不同生育阶段，结合当地灌溉经验，设置灌溉制度如表2所示。试验期间各种农艺措施均参照当地实际情况进行。

表2 制种玉米灌溉制度

试验期间分别在制种玉米生育期内灌溉和降雨前后利用土钻分层获取土样，取土深度分别为0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 和100～120 cm。采用烘干法测定土壤含水率；利用SG-3型电导率仪(SG3-ELK742，Switzerland)测定土壤溶液电导率EC1∶5[13]。收获后进行测产，每个小区所有玉米进行脱粒并晒干后进行称重得到每个处理的产量。土壤水分特征曲线参数采用高速离心机测定，VG (Van Genuchten)模型水力特性参数利用RETC软件拟合得到，饱和导水率采用渗透仪(TST-55，China)，按常水头法测定，结果见表3。2012-2013年制种玉米全生育期内降雨量分别为130、64.5 mm。

表3 VG模型水力特性参数值

2.2 作物水盐生产函数简介

本研究所选取的作物水盐生产函数是基于Stewart等人提出的水分生产函数，即用在不同生长阶段的ETa/ETm比值来估计农作物产量[14]，即：

(1)

式中：Ya和Ym是作物实际产量和最大产量，kg/hm2；n为作物的生长阶段，本研究n取为5；j为作物实际的生长阶段；kyj为作物各生育阶段产量影响因子；ETa和ETm分别为与Ya和Ym相对应的蒸散量，mm。

咸水非充分灌溉由于作物存在水分胁迫和盐分胁迫，故在计算作物蒸散量时需要分别计算水分胁迫下的蒸散量(ETaw)、盐分胁迫下的蒸散量(ETas)和水盐联合胁迫下的蒸散量(ETaws)，而式(1)中并没有考虑盐分胁迫及水盐联合胁迫，因此需要对该作物水分生产函数进行修正。本研究通过查阅相关文献，采用下列方法对该作物水盐生产函数进行修正[15,16]。

作物的蒸散量直接关系到作物根区的土壤含水量，如果土壤含水量高于p(水分胁迫发生前根区消耗的土壤水分占总有效土壤水的比例)时，则作物不受水分胁迫，此时ETaw由如下方法判断和估算，TAW=Dr≥(1-p)TAW=TAW-RAW，则ETaw=ETm，否则：

(2)

式中：Dr为给定时间内作物根区的耗损量，mm；TAW为总的有效土壤含水量；RAW为实际利用的有效水量，mm。

如果作物根区存在可溶性盐，作物蒸腾能力会降低，使得土壤饱和浸提液电导率(ECe)大于阈值(ECet)，采用如下公式来估算盐分胁迫和水盐联合胁迫条件下的作物散量(ETa)。

(3)

式中：ETaws为水盐联合胁迫条件下的作物蒸散量，mm；Ksc为依赖于Ksw和Kss的蒸腾减少因素，无量纲；Kss为依赖于土壤饱和浸提液电导率的蒸腾减少因素，无量纲，Kss值范围为0～1，如果ECe≤ECet，则Kss=1；Ksw为依赖于土壤有效水的蒸腾减少因素，无量纲，Ksw值范围为0～1，如果Dr≤RAW，则Ksw=1；ECe为作物根区土壤饱和浸提液电导率的平均值，dS/m；ECet为土壤饱和浸提液电导率的阈值，dS/m，根据相关文献ECet取为4.0 dS/m[17]；b为描述作物单位多余盐分产量减少率特定的参数。

2.3 作物水盐生产函数计算指标

2.3.1 作物蒸散量

ET=P0+I-ΔW-R-L+D

(4)

ΔW=10rH(W1-W0)

(5)

式中：ET为生育期内的蒸散量，mm；P0为生育期内的降雨量，mm；I为生育期内的灌水量，mm；ΔW为土壤水分变化量，mm；W0、W1分别为各生育期初期和末期土壤质量含水率，%；R为试验小区与外部区域的地面径流量，mm，本试验为测坑试验，取为0；L为土壤水分侧向交换量，mm，本试验为测坑试验，取为0；H为土壤水计算深度，cm，本试验取为100 cm；r为土壤容重；D为0～100 cm土层与下层土壤的水分交换量，mm，向下为负，向上为正，可通过达西定律进行计算。

根据达西定律计算0～100 cm土层与下层土壤的水分交换量：

(6)

K(θ)=C(θ)D(θ)

(7)

式中：θ为土壤体积含水率，cm3/cm3；C(θ)为比水容量，1/cm；D(θ)为土壤水扩散率，cm2/min。C(θ)通过实测的土壤水分特征曲线求得，如下式表示：

S=5.394 68×105e-26.886θ

(8)

C(θ)=6.895×10-8e26.885θ

(9)

式中：S为土壤吸力，水头(水柱)，cm。

D(θ)采用水平土柱法测定[18]，由下式表示：

D(θ)=0.0008 e21.275θ

(10)

2.3.2 土壤根区有效水量

TAW=10×(θFC-θWP)×Zr

(11)

RAW=p×TAW

(12)

式中：TAW为土壤根区总的有效水量，mm；θFC为田间持水量，cm3/cm3；θWP为凋萎系数，结合土壤物理性质和水力特性曲线，取值为0.075 cm3/cm3；Zr为作物根区深度，取为100 cm；RAW为土壤根区实际有效水量，mm；p为水分胁迫发生前根区消耗的土壤水分占总有效土壤水的比例，根据相关文献玉米取值为0.55[19]。

2.3.3 土壤根区消耗量

Dr=10(θFC-θi)×Zr

(13)

式中：Dr为根区水分消耗量，mm；θi为计算时段内的平均土壤含水量，cm3/cm3。

2.4 作物水盐生产函数参数率定与验证评价指标

作物水盐生产函数的模拟值与实测值吻合度采用均方误差(RMSE)和平均相对误差(MRE)2个指标进行评价。

(14)

(15)

式中：N为观测值的个数；Pi表示第i个模拟值；Oi表示第i个观测值。

3 结果与分析

3.1 作物水盐生产函数参数的率定

本研究根据制种玉米不同生育阶段对土壤水分、盐分胁迫有不同程度的敏感反应，把制种玉米整个生育期划分为5个阶段，分别为出苗-拔节期、拔节-孕穗期、孕穗-开花期、开花-灌浆期、灌浆-成熟期，即作物水盐生产函数计算中n=5。依据2012年田间试验实测数据，采用式(4)～(13)分别计算制种玉米各生育阶段土壤水分变化量ΔW、土体下界面水分交换量D、作物蒸散量ET、土壤根区总的有效水量TAW、土壤根区实际有效水量RAW以及土壤根区水分消耗量Dr。在对作物水盐生产函数计算过程中参数b、kyj未知，需要对这2个参数进行推求。在对参数b、kyj推求过程中，假定2012年淡水充分灌溉处理(w1s1)的实测产量和实际蒸散量分别作为制种玉米可获得的最高产量Ym和最大蒸散量ETm，利用2012年制种玉米田间试验各试验处理的实测产量Ya和各生育阶段计算的实际蒸散量ETa，带入(1)～(3)式，对作物水盐生产函数参数进行计算和率定。

图1为参数率定时制种玉米各生育阶段的蒸散量和产量的实测值与模拟值的比较。由图1可以看出，各生育阶段的蒸散量和产量的实测值与模拟值吻合较好，大部分点都在1∶1线附近。率定结果与制种玉米的生长周期基本一致，即出苗-拔节阶段，制种玉米生长较缓慢，蒸散量也较小；拔节-孕穗阶段和孕穗-开花阶段，制种玉米快速生长，蒸散量逐渐增大；开花-灌浆阶段，制种玉米主要以生殖生长为主，玉米籽粒即将成熟，蒸散量也较大；灌浆-成熟阶段，制种玉米成熟并逐渐枯萎，蒸散量减小明显。表4为参数率定时制种玉米各生育阶段的蒸散量与产量的判别指标，由表4可知，各试验处理蒸散量的RMSE均在10 mm以下，蒸散量的MRE均在25%以内，产量的RMSE均在600 kg/hm2以下，产量的MRE均在15%以内，均在允许误差范围之内。率定得到的作物水盐生产函数参数分别为b=6.72、ky1=0.43、ky2=0.82、ky3=1.41、ky4=0.65、ky5=0.24。

图1 参数率定时制种玉米蒸散量与产量实测值与模拟值的比较

表4 参数率定时制种玉米蒸散量与产量的判别指标

3.2 作物水盐生产函数参数的验证

利用2013年制种玉米田间试验各试验处理的实测产量Ya和各生育阶段计算的实际蒸散量ETa，对作物水盐生产函数参数进行验证。图2为参数验证时制种玉米各生育阶段的蒸散量和产量实测值与模拟值的比较。由图2可知，各生育阶段的蒸散量和产量的实测值与模拟值吻合较好，大部分点都在1∶1线附近。表5为参数验证时制种玉米蒸散量与产量的判别指标，由表5可知，各试验处理蒸散量的RMSE均在10 mm以下，蒸散量的MRE均在25%以内，产量的RMSE均在800 kg/hm2以下，产量的MRE均在15%以内，均在允许误差范围之内。率定与验证作物水盐生产函数参数显示，ky3>ky2>ky4>ky1>ky5，这与制种玉米生长周期的变化规律类似。由此可知，不同生育阶段水盐胁迫对制种玉米产量的影响不同，在拔节-孕穗和孕穗-开花这两个阶段的参数值较大，这两个阶段水盐胁迫对制种玉米产量的反应敏感性较大；开花-灌浆阶段的参数值次之，这个阶段水盐胁迫对制种玉米产量也具有一定程度的反应敏感性；出苗-拔节和灌浆-成熟这两个阶段的参数值较小，这两个阶段水盐胁迫对制种玉米产量的反应敏感性较弱。率定与验证结果表明，通过计算推求得到的作物水盐生产函数参数基本可靠。

图2 参数验证时制种玉米蒸散量与产量实测值与模拟值的比较

表5 参数验证时制种玉米蒸散量与产量的判别指标

4 结 论

本文通过在石羊河流域开展为期2年的咸水非充分灌溉试验，引入作物水盐生产函数，利用田间实测资料推求作物水盐生产函数的参数，并对作物水盐生产函数的参数进行了率定和验证，主要结论如下：作物水盐生产函数参数的率定与验证过程中，制种玉米各生育阶段的蒸散量和产量的实测值与模拟值吻合较好，各试验处理蒸散量的RMSE均在10 mm以下，蒸散量的MRE均在25%以下，产量的RMSE均在800 kg/hm2以下，产量的MRE均在15%以下，均在允许误差范围之内，率定和验证后得到的作物水盐生产函数参数分别为b=6.72、ky1=0.43、ky2=0.82、ky3=1.41、ky4=0.65、ky5=0.24。率定和验证结果显示，ky3>ky2>ky4>ky1>ky5，这与制种玉米生长周期的变化规律类似，较好地反应了不同生育阶段水盐胁迫对制种玉米产量影响的敏感性。研究结果表明，率定参数后的水盐生产函数能够较好地模拟研究区水盐胁迫条件下制种玉米的蒸散量和产量，可用于咸水非充分灌溉方案的模拟与优化，为研究区制种玉米咸水非充分灌溉制度的制定提供依据。