河套地区食用向日葵干旱等级指标研究

云文丽，贾成朕

(1．内蒙古自治区气象干部培训学院,内蒙古 呼和浩特 010051; 2．内蒙古自治区生态与农业气象中心，内蒙古 呼和浩特 010051)

向日葵是内蒙古自治区的重要经济作物之一，内蒙古向日葵种植面积占全国向日葵种植面积的70%～80%，是全国向日葵的主产区。向日葵因其耐盐碱的特性，主要在内蒙古自治区河套地区种植。近年来，河套地区向日葵种植面积占到河套地区总播种面积的1/4以上，已成为当地特色作物的支柱产业[1-2]。近年来，面对黄河水资源日趋紧缺、内蒙古河套灌区引黄河水量指令性缩减的严峻形势，为摆脱因缺水给灌区农业带来的诸多不利影响，迫切需要准确评价作物干旱程度用于定量指导灌溉，提高灌溉用水管理水平，确保水资源科学、高效利用[3-7]。很多学者利用不同方法，针对发生干旱的作物得出一系列的干旱指标，可为确定干旱是否发生及其严重程度提供标准[8-12]。其中一类指标主要通过不同生育阶段水分条件对作物生长发育及产量影响的试验研究[13-15]，确定不同阶段的适宜或受旱的土壤湿度指标[16-18]，这也是目前开展最广泛的研究内容。土壤水分对向日葵生长发育影响的研究已有报道，包括土壤水分对向日葵株高、叶面积、干物质累积和光合生理指标的影响等[19-23]。这些研究从不同阶段的土壤水分条件对向日葵生长发育的影响入手，但尚未确定系统性的干旱等级指标，不能服务于干旱灾害的监测、影响评估和指导灌溉等业务需要。本文以河套地区向日葵为研究对象，通过分析已有的向日葵土壤水分田间控制试验研究成果，利用土壤相对湿度与作物生长参数之间的相关关系，结合数理统计分析方法，建立向日葵不同生育阶段干旱等级指标，为开展向日葵干旱灾害的监测及指导节水灌溉服务提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据材料

所用数据资料主要包括2012—2014年在内蒙古巴彦淖尔市开展的向日葵土壤水分控制田间试验结果，以及该站向日葵农业气象常规观测的历史资料(2005—2019年)。向日葵土壤田间水分控制试验水分控制指标设4类，即严重缺水、缺水、水分适宜和偏湿，分别占田间持水量(FC)的比例为： <40%，40%～55%，55%～70%，70%～90%，把自然降水不灌溉设为对照(CK)。水分控制试验设置依据历年土壤水分状况对向日葵发育形态、产量等特征的影响，以及当地土壤参数对灌溉后土壤水分的下渗深度的影响，水分控制分3个时段：出苗～花序形成期、花序形成～开花期、开花～成熟期，其它时段水分按FC的55%～70%供给，各处理设2个重复，共计22个小区。试验小区面积为4 m×6 m，小区之间设置隔离层，试验场设有大型活动式防雨棚。井水灌溉，灌水量通过水表记录。与本文相关的试验测定项目包括：土壤水分、株高、叶面积、干物重和产量。其中，土壤水分测定深度0～100 cm，每隔10 cm为一层，每隔5 d测定一次；选择5株作为株高和叶面积的观测样本，二对真叶期开始测定，每5 d测量一次，开花后停止株高观测，开花后叶面积每7 d观测一次，直至收获。叶面积计算采用系数法，向日葵叶面积系数为0.64；在花序形成、开花期和成熟期，每个小区每次随机取5株测定地上部分各器官干物质重量。农业气象站点观测资料主要包括向日葵发育期数据、土壤相对湿度观测数据、土壤水分常数和产量数据等，相应气象数据主要包括逐日最高气温、最低气温、平均气温、降水量、日照时数、平均风速和水汽压。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤相对湿度(Rsm) 根据向日葵根系发育情况，苗期测定土层厚度取30 cm，其它生长发育时段取50 cm。土壤相对湿度计算公式为:

(1)

式中，Rsm为土壤相对湿度(%)；Swi为第i层土壤重量含水率(%)；FCi为第i层土壤田间持水量(%)。

1.2.2 作物生长参数

(1)相对高度(ΔH)：向日葵相对生长高度参数只可用于出苗～花序形成和花序形成～开花后一周的评价，相对高度(ΔH)按式(2)计算：

(2)

(2)相对阶段生物量(ΔB)按式(3)计算：

(3)

(3)相对叶面积指数(ΔLAI)按式(4)计算：

(4)

(4)波动产量(ΔYd)：水分控制试验小区波动产量波动按式(5)计算：

(5)

2 结果与分析

2.1 基于土壤相对湿度的干旱等级指标的构建

依据向日葵生育期划分结果，按照公式(1)计算向日葵水分控制试验中各小区3个发育时段(出苗～花序形成、花序形成～开花后一周和开花后一周～成熟期)的土壤相对湿度，同时按照公式(2)～(5)计算相应发育时段的作物生长参数，包括作物相对高度、相对叶面积指数、相对阶段干物质和产量，建立土壤相对湿度与作物生长参数在3个发育时段的回归方程，确定之间的定量关系(表1)。用所建立的11个方程(向日葵开花后高度停止观测)可以看出，各阶段土壤相对湿度与作物生长参数之间具有较好的线性相关关系。其中，出苗～花序形成时段内，土壤相对湿度与4个作物生长参数之间的相关性都通过了0.01水平的显著性检验，其中，与相对高度相关性最好，相关系数为0.6626，其次是相对阶段生物量和相对叶面积指数，相关系数分别为0.6403和0.6278，与产量波动的相关性较低。可见，在生育前期向日葵处于营养生长快速期，表征营养生长的作物高度对土壤水分更为敏感。向日葵在花序形成～开花后一周期间，土壤相对湿度与产量波动间的相关性最高，相关系数为0.8546，其次阶段干物质与相对高度和相对叶面积指数的相关性基本相同，分别为0.4636和0.4670，相关性只通过了0.05水平的显著性检验，说明该阶段的土壤水分状况对向日葵的最终产量起到了决定性作用。同时，该时段植株进入生殖生长阶段，营养生长缓慢，土壤水分对株高和叶面积的影响逐渐减弱。向日葵在开花后一周～成熟期期间，土壤相对湿度与作物生长参数的相关性总体较前两个发育期低，开花后向日葵高度不再作为观测项目，土壤相对湿度和阶段生物量的相关性通过了0.01水平的显著性检验，与其它两个因子的相关性只通过了0.05水平的显著性检验。向日葵在该时段进入籽粒成熟阶段，叶子逐渐枯黄，在开花后一周叶面积指数急速下滑，土壤水分对叶面积指数的影响逐渐减弱，后期的土壤水分更多地影响到叶面积的衰减速率[23]。同时，该时段的向日葵需水量较关键期减少，产量形成基本已成定局，产量较相对阶段生物量积累对土壤水分的依赖性逐渐降低。

表1 土壤相对湿度和向日葵各生长参数的相关性

将土壤相对湿度值代入表1的方程中，计算相应作物生长参数值(表2)，从表2的数据可以看出，一定的土壤相对湿度下各个作物生长参数在不同发育阶段都表现出了一致性。出苗～花序形成期，4个作物参数在土壤相对湿度为60%时，计算结果都开始出现负值，表明此时土壤相对湿度为60%时植物生长开始受限；花序形成～开花后一周，4个作物参数基本在土壤相对湿度为65%时出现了负值，其中，相对高度在土壤相对湿度为70%时就开始出现了负值，这很可能与观测误差有关。向日葵开花后高度生长停止且花盘下垂，高度出现后缩现象；开花后一周～成熟期，土壤相对湿度为55%时，3个作物参数出现了明显的负值。根据表2的计算结果，本文确定了向日葵不同发育时段发生干旱胁迫时土壤相对湿度的阶段阈值(见表3)。由于不同发育阶段的水分亏缺敏感指数、需水量、补偿生长等影响，表3中不同生育期的指标并不完全一致。花序形成～开花后一周土壤相对湿度指标要高于其他发育期，这是由于该发育阶段为向日葵的生殖生长期，水分敏感系数和需水量都较其他时段高的缘故。开花后一周～成熟期基于土壤相对湿度的干旱等级指标较其他发育阶段最低，主要是由于向日葵生长逐渐趋缓，产量基本形成，水分敏感系数较小的缘故。基于表1中土壤湿度与各作物生长参数的相关性，得到不同土壤水分梯度在向日葵不同发育时段内，对作物参数的影响结果，具体划分等级见表4。不同发育时段主要作物参数的变化阈值可作为作物受旱的辅助指标。

表2 土壤相对湿度对应的向日葵各生长参数

表3 基于土壤相对湿度的向日葵干旱等级指标

表4 干旱胁迫的向日葵生长参数阈值

2.2 基于土壤相对湿度的干旱等级指标的验证

利用内蒙古巴彦淖尔市2005—2019年农业气象常规观测站从向日葵播种到收获每月逢8的土壤水分观测数据，通过具体分析每次灌溉前的土壤相对湿度对应的干旱等级来判断实际旱情，利用实际生产是否进行灌溉来验证干旱评价结果的准确性(表5)。从表5中可以看出，实际生产中第一次灌溉基本在6月中旬到7月上旬进行，正值近花序形成期，该时段灌溉前土壤相对湿度有60%的年份湿度值大于65%，即按照本文建立的向日葵干旱等级指标应该为无旱，实际灌溉生产中一般也是推后5～10 d进行灌溉。可以看出，随着植物需水逐渐增加土壤相对湿度快速降低，作物开始受干旱胁迫。第2次灌溉基本在7月中下旬进行，正值向日葵开花期，该时期作物需水达到高峰，实测发生轻旱的年份为60%，中旱为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年的土壤湿度观测在83.28%，为无旱，灌溉可推后，实际当年灌溉在观测后的第7天进行，可见历年灌溉实际生产活动基本符合作物需水要求。2007年进行了3次灌溉，第3次灌溉日期处于向日葵开花后一周～成熟期，根据土壤相对湿度≥60%为无旱，而当年土壤相对湿度观测值为71.87%，土壤湿度完全能够满足作物需水要求，且向日葵逐渐进入成熟阶段，此时的作物需水逐渐降低，此时段可以不灌溉或实行节水优化灌溉。通过计算该农业气象观测站点2005—2019年向日葵历史减产率发现，向日葵减产率波动在-11.9%～8.07%，减产率在±5%的年份占所有年份的80%，可见河套灌区向日葵产量基本稳定，因此利用土壤相对湿度判定作物是否发生干旱胁迫，是否需要进行灌溉，可实现作物稳产增产。

表5 干旱等级判别结果

3 结论与讨论

通过作物生长参数和土壤相对湿度的相关性分析寻找土壤发生干旱后植物的反应，进一步确定土壤相对湿度干旱等级，建立的指标较为科学合理，同时研究结果符合作者前期研究得出向日葵不同发育时段对水分的需求和敏感性[24]。与Jensen水分生产函数模型计算的向日葵对水分亏缺的敏感顺序相一致，敏感性从高到低为：开花期>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～开花期的需水量和日耗水强度最高，是需水高峰期，这个阶段需水量占总需水量的42.22%，平均日耗水达9.5 mm·d-1。可见，该生长发育时段的水分相对湿度指数最为敏感的结果是合理的。

干旱是内蒙古地区对农业影响最大的农业气象灾害，建立干旱对农业影响的评估指标和方法一直是农业研究的主题。由于对向日葵干旱评估指标研究的较少，有必要逐渐建立准确定量的评估指标[26-29]。由于受向日葵种植区域的局限和资料可获取等因素限制，本文只建立了河套地区干旱灾害等级评价指标，该指标在其他区域应用效果还有待进一步的验证；在该指标用于实际评价中要求有土壤湿度观测资料，这也限制了该指标的应用。同时，本文确定的向日葵不同生育阶段干旱灾害等级指标，仅适用于单一阶段发生干旱时进行不同等级判别及影响评估，但在向日葵整个生育期还会有菌核病、锈病和草地螟等因素造成的向日葵减产[30]，因此建立适用于全生育期的综合干旱影响评估指标也是今后向日葵干旱监测、评估研究的重点。

本文在向日葵土壤水分控制田间试验研究成果的基础上，由土壤相对湿度和作物生长参数之间的相关模型，得出了向日葵出苗～花序形成、花序形成～开花后一周、开花后一周～成熟3个生育阶段轻旱、中旱、重旱、特旱的等级指标。根据土壤相对湿度计算得出，向日葵3个生育阶段发生轻旱的临界值分别为65%、70%和60%，发生中旱的临界值分别为55%、60%和50%，发生重旱的临界值分别为45%、50%和40%，发生特旱的临界值分别为35%、40%和30%。利用向日葵农业气象常规观测站2005—2019年从播种到收获每月3次(8日、18日、28日)的土壤水分观测数据，分析每次灌溉前的土壤相对湿度对应干旱等级来判断实际旱情，通过进行灌溉验证干旱评价结果的准确性，分析结果表明干旱等级指标合理且能在河套地区对实际灌溉进行较好地指导。