紫色土地區水鉀耦合對油菜產量及水分利用效率的影響研究

胡中科，莊文化，，劉 超，劉鐵剛，李 卓

（1.四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，水利水電學院，成都610065；2.南方丘區節水農業研究四川省重點實驗室，成都610066）

四川紫色土分布面積約1.6×107hm2，占全省耕地面積68%左右，復種指數高達251%左右，是四川農業生產的主體區域。雖然該類型土壤在全國各類土壤中鉀的含量居中上水平，但全省土壤速效鉀平均含量僅為79mg／kg，低于全國平均水平，而且紫色土保水能力低，飽和滲漏率大，養分流失問題嚴重，使土壤中鉀素和水分供應更加不足［1－3］。油菜作為四川省重要油料作物，其90%的種植面積分布在紫色土區域，而且在整個生育期對鉀肥和水分需求量非常大［4］。因此為保證紫色土地區油菜的高產優質，對其進行水鉀耦合效應研究重要而緊迫。呂剛等［5］在紫色土地區進行水肥耦合效應研究認為，水氮耦合能顯著提高作物產量和水氮利用效率，且耦合效應顯著。王定勇等［6］研究指出，旱作季節紫色土隨干旱程度的加重供鉀能力下降。Mengel等［7］也發現，隨著土壤含水量增加，肥料鉀的有效性顯著增加。Buttar等［8］研究認為，油菜產量及水分利用效率與氮肥用量、土壤含水量關系極為密切。

目前有關水肥耦合對作物產量和水分利用效率的研究大多集中在玉米、小麥和大豆等作物上，針對紫色土地區油菜的影響鮮見報道［9－11］。本次研究采用紫色土盆栽試驗，在油菜蕾苔期和開花期設置不同的土壤水分和鉀肥處理，深入研究紫色土地區因季節性干旱引起土壤缺水對油菜產量及水分利用效率的影響，并運用回歸分析方法，初步建立了油菜水鉀耦合模型，以期為提高紫色土地區油菜產量的同時獲得較高水、鉀利用效率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2012年9月—2013年5月在南方丘區節水農業研究四川省重點實驗室備用試驗基地的移動式防雨棚內進行。供試油菜品種為樂油5號，種于進行油菜盆栽試驗的專用塑料桶內，每盆裝篩過的風干土8.3kg。供試土壤為四川盆地最具代表性的紫色土，土壤肥力中等，其基本理化性質見表1。

表1 供試土壤基本物理化學性質

1.2 試驗設計

試驗采用3×3×3交叉試驗設計方案（即設高、中、低3個鉀肥處理，蕾苔期（L）、開花期（H）各設高、中、低3個水分處理）（見表2和3）。其中氮肥和磷肥的50%用作基肥，臘肥（冬至前后施）和薹肥（開春后施）各占25%，其余各種肥料做基肥一次性施入。土壤水分以占干土重的田間持水量的百分數來表示，利用精度為1g的電子臺秤稱重，當土壤水分降至或接近該處理水分下限時即進行灌水，灌水至水分控制上限，用量筒精確量取所需水量，并記錄每次各個處理的灌水量。補水間隔1—2d，視天氣、植株、土壤水分狀況而定。油菜長出3片真葉時定苗，于11月10日移入大小、性狀、長勢一直的幼苗，各處理5次重復。

表2 盆栽試驗土壤水肥處理

表3 水鉀耦合試驗設計方案

1.3 測定項目及方法

（1）水分利用效率測定。播種前和整個生育期結束時分別用烘干法測定土壤含水量，利用水量平衡法，按下式計算油菜各處理的耗水總量：ETa＝P＋I＋G－R－D±ΔW，水分利用效率WUE按下式計算：WUE＝Y／ETa。其中：P——降水量（mm）；I——灌水量（mm）；G——毛管上升水量（mm）；ΔW——Δt時段內土壤水分的變化值（mm）；R——徑流量（mm）；D——滲流量（mm）。由于試驗在防雨棚內的盆栽內進行，土層淺薄，因此計算時可忽略P，G，R，D的值，則水量平衡公式可以簡化為ETa＝I±ΔW。WUE——為物水分利用效率 ［kg／（hm2·mm）］；Y——產量（kg／hm2）；ETa——時段Δt內的平均騰發量（mm）。

（2）產量測定。生育期結束后統計每盆油菜的有效角果數、每角果粒數及千粒重并計產，以5次重復產量的平均值代表該處理的實際產量。以9.74株／m2的種植密度折成單位面積產量。

（3）數據分析方法。本文所有數據圖表均采用Excel、Spss、Matlab等軟件進行數據的計算、繪圖及統計分析。

2 結果與分析

2.1 回歸模型建立與檢驗

以籽粒產量為目標函數（因變量），以施鉀量和蕾苔、開花期土壤含水量為自變量，求得三元二次多項式的數學模型：

式中：y——油菜產量（g／盆）；x1，x2，x3——蕾苔期土壤含水量編碼值（WL）、施鉀量編碼值（K）和開花期土壤含水量編碼值（WH）三個因素的水平編碼值。經檢驗：F＝80.523，對應F值的顯著性概率p＜0.01且R2＝0.975表明回歸方程是極顯著的，且與實際情況擬合很好。每項系數的t檢驗結果表明：蕾苔期、開花期土壤含水量x1、x3和施鉀量x2的一次項、二次項以及交互項回歸系數均對產量影響達到顯著水平。這說明施鉀、不同生育期土壤含水量及水鉀耦合對產量均產生了顯著的影響。

2.2 因子效應分析

2.2.1 主因子效應分析 在相同量綱情況下，偏回歸系數是反映某一因子對產量的效應，其正負號表示因子作用方向，其大小表示對產量的貢獻。在本試驗中對偏回歸系數經過無量綱線性編碼代換后可知：一次項系數均為正，說明K和W對產量都有增產效應，但對籽粒產量影響的大小順序為：開花期W＞蕾苔期W＞施鉀量；交互項系數為正，說明三個因素相互之間產生了協同作用，對產量的影響是相互促進的。二次項系數均為負，這說明不論是施鉀量還是蕾苔、開花期土壤含水量均不能超過一定范圍，過多的施鉀和土壤水分不僅造成資源浪費而且會降低產量。

2.2.2 單因子效應分析 目標函數（1）是各因子共同作用的結果。可采用降維法選其中一個因子作為變量，將另外兩個因子固定在0水平，即可得到一組試驗因子的一元二次回歸子模型：

由“降維法”所得結果圖（見圖1）可以看出籽粒產量隨各因素的變化規律。在試驗設計的各因素水平范圍內：三因素的產量效應均為拋物線，表明產量隨各因素投入量的增加而劇烈遞增，超過一定范圍后而呈現緩慢遞減的趨勢。圖中曲線斜率越大說明該因素對產量影響最大。在本試驗條件下，各因素均存在產量最高點，在最高點以前求各曲線與 的切線，在各切點之前產量隨水鉀用量的增大而劇烈增加，說明在該階段水肥效益最好，在切點和最高點之間，雖然產量還在隨著水鉀用量的增加而增加，但是沒有在切點（x1＝2.1，x2＝2.6，x3＝3.0）之前增加劇烈。因此，可根據不同決策需求確定水鉀用量。

圖1 油菜產量的單因素效應分析

2.2.3 單因子邊際效應分析 邊際效應是對各因子的最適投入量和單位投入量變化的分析，是對產量增減速率的反映。各因子在不同水平下的邊際產量效應方程，可對回歸子模型（2），（3），（4）求一階導數，得到各因子的邊際效應方程（5），（6），（7）。當各因子的邊際效應方程為0時，此時即為各因子最高產量的施用量。

不同生育期土壤含水量和施鉀量的邊際產量均隨投入量的增加而呈遞減趨勢（見圖2）。但是蕾苔期水分遞減率＞開花期水分遞減率＞施鉀量遞減率。這說明油菜在獲得最高產量時對鉀肥和開花期水分需求較高。三因素的邊際效應方程與x軸的交點即為各因素獲得最高產量時的施用量，在與x軸相交之前邊際產量為正，說明該階段隨著投入量的增大總產量增長速率，x1＝2.277，x2＝2.951，x3＝2.948。折算為水肥用量即：蕾苔期水分控制在θf69.7%，施鉀量控制在0.64g／（kg土），開花期水分控制在θf79.3%時總產量累積值最高（171.99g／盆）。

圖2 油菜產量的邊際效應分析

2.2.4 耦合效應分析 由模型（1）中交互項系數可知：三因素之間均表現出不同程度的耦合效應，其強弱順序表現為：KWH＞KWL＞WHWL，其中鉀肥（K）與開花期土壤水分（WH）的耦合效應達到了極顯著的水平。因此，可以用KWH耦合效應分析為例，探究油菜產量的水鉀耦合適應機制。將x1因子固定在0水平，得到KWH耦合效應方程的二元回歸子模型：

式中：y——油菜產量（g／盆）；x2、x3——施鉀量編碼值（K）和開花期土壤含水量編碼值（WH）三個因素的水平編碼值。

根據水鉀耦合效應方程（8）可作出施鉀量（K）和開花期土壤含水量（WH）二因子的耦合效應圖（見圖3）。曲面上各點表示水鉀在一定水平下組合時油菜的籽粒產量，曲面上各線表示固定某一因子時，籽粒產量隨另一因子投入量的變化趨勢。由圖3可知：擬合油菜產量分布圖類似正凸面形狀，這說明K、W二因子同時變化對產量的影響比單因子影響更劇烈。產量最高點出現在土壤含水量和施鉀量均較高的情況下，而且最高產量比兩因子單獨作用時最高產量的疊加值（69.18g／盆）還高38.5%，說明該時期水鉀耦合產生了顯著的協同作用。在達到產量最高點之前隨著水鉀施用量的增加產量大幅增長，當超過最高點后產量開始隨著水鉀投入量的增加小幅減小。這說明水肥投入量存在一個閾值，并非越高越好，因此根據作物對水肥需求的閾值進行管理，不僅能發揮水肥協同作用獲得高產，而且可節約水肥資源降低成本。

圖3 油菜產量的耦合效應分析

2.3 數學模型尋優

模型尋優主要是探討水肥投入量與產量、產值和水分利用效率的關系，其目的在于尋求不同決策目標或不同自然條件的最佳投入量。本文根據不同決策需求對回歸模型（1）進行選優，從而確定在不同目標條件下的最適土壤含水量和施鉀量。根據回歸模型（1），在本試驗條件下，當 時，各取步長為0.1進行計算，共計27000個水鉀組合，再利用Spss和 Matlab軟件進行模擬運算篩選出符合不同目標的組合方案（見表4）。

表4 不同決策目標下的水鉀優化方案

3 結論與討論

3.1 結 論

（1）在季節性干旱和酸性紫色土地區，施鉀量和不同生育期土壤含水量對產量有顯著影響。其影響程度為：開花期水分＞蕾苔期水分＞施鉀量。三因素對產量的影響均呈開口向下的拋物線趨勢變化。

（2）在本試驗條件下，水鉀耦合作用為正效應，且水肥間耦合效應的大小順序為：鉀與開花期水分耦合＞鉀與蕾苔期水分耦合，這說明開花期是水鉀耦合的最佳時期。

（3）在整個生育期灌水總量不變的情況下，合理分配各個階段用水量，可使水分利用效率比常規灌溉提高5.1%。高施鉀肥也可使水分利用效率顯著提高，相同水分處理條件下高鉀組合的水分利用效率比低鉀組合的水分利用效率高16.4%。

（4）在水肥資源均豐富的地區，可選用獲得最高產量時的水鉀用量；在水肥資源受一定限制的地區，可將蕾苔、開花期土壤水分分別控制在θf68%、θf80%，施鉀量控制在0.57g／（kg土）；在水資源不足的地區，可將蕾苔期、開花期土壤水分分別控制在θf58.7%、θf74.7%，施鉀量控制在0.66g／（kg土）。

3.2 討 論

本次研究通過盆栽試驗，在紫色土地區，進行了水鉀耦合對油菜產量和水分利用效率等方面的影響研究。試驗結果表明，提高土壤含水量或增施鉀肥均可使油菜的產量有不同程度的增加，且水鉀協同作用顯著，這與陳修斌等［11］的研究結果相似。本次研究還發現：開花期土壤含水量對產量的影響最大，這與陳玉民等［12］的研究成果存在一定差異性，原因可能是紫色土地區油菜進入開花期后隨著氣溫的上升干旱程度繼續加深，復水補償效應明顯，而且該時期又是油菜營養生長和生殖生長最旺盛的階段，對水分需求迫切，提高土壤含水量增產效應顯著。

目前有關水肥耦合的模型和試驗已有不少研究，這些試驗大多注重在獲得理論最高產量時水肥在用量上的配合比［13－15］，較少考慮在不同決策目標下的最適用量以及與作物生育期配合的效果。實際上在季節性干旱和不同土壤地區作物在各個生育階段對水分和養分的需求是不同的，追求最高產量時的施用量不一定能夠充分發揮水肥利用效率，在考慮作物最佳施用量的同時，尋求作物對水肥需求的關鍵期、水肥協同作用的最佳期以及水肥在各生育階段的合理分配才能滿足不同決策目標條件下的需求。本文是在前人研究的有關水肥耦合模型的理論基礎上，通過模型的建立與選優得出了不同決策目標下的水鉀用量，對紫色土地區的生產實踐具有一定的指導作用。但該模型僅擬合了一年的盆栽試驗數據，存在一定的局限性，需要進行連續多年試驗并配合大田對該模型進行驗證，將水肥和各主要影響油菜生長的因素相結合，找到能滿足不同地區不同需求的最佳水肥耦合模式還需進一步研究。

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