旱區(qū)壓砂地甜瓜水分生產(chǎn)函數(shù)試驗研究

沈 暉，田軍倉，馬 波

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2. 寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；3. 旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021)

作物水分生產(chǎn)函數(shù)是以作物各生育階段的相對耗水量為自變量，反映作物各生育階段水分消耗與作物產(chǎn)量之間的函數(shù)關(guān)系，是水資源短缺的地區(qū)進行灌溉工程的規(guī)劃、設(shè)計、用水管理和灌溉經(jīng)濟效益分析的基本依據(jù)[1-3]。國內(nèi)外學者對作物不同時期耗水規(guī)律及水分對與產(chǎn)量的影響進行了大量的研究。國外Kirda.C[4]、Cabelguenne M.[5]等根據(jù)不同農(nóng)作物的耗水規(guī)律及水分對產(chǎn)量的影響, 提出了優(yōu)化灌溉措施的方案。國內(nèi)對甜菜、冬小麥、玉米、水稻、大豆作物的耗水規(guī)律及水分生產(chǎn)函數(shù)模型均有一定的研究，王加蓬等研究了日光溫室膜下滴灌條件下甜瓜耗水規(guī)律、產(chǎn)量以及水分生產(chǎn)函數(shù)[6]；孫宇光等認為在干旱區(qū)甜菜各個生育期耗水量從小到大依次是苗期、糖分積累期、葉叢生長期和塊根增長期[7]；梁銀麗等研究了黃土旱區(qū)冬小麥和春玉米的水分生產(chǎn)函數(shù)，為黃土灌區(qū)制定各個制度提供了重要的理論依據(jù)[8]。但國內(nèi)對壓砂地甜瓜水分生產(chǎn)函數(shù)的研究尚未見研究報道，本文以補灌條件下甜瓜為研究對象，分析其不同生育階段的耗水規(guī)律，建立水分生產(chǎn)函數(shù)模型，以期為干旱地區(qū)甜瓜生產(chǎn)及制定灌溉制度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在寧夏中衛(wèi)市香山鎮(zhèn)紅圈子村三合隊進行。該試驗點位于北緯36°15′，東經(jīng)105°15′，海拔1 697.8 m。試驗田為沙壤土，密度為1.43 g/cm3，田間持水率為25.5%(質(zhì)量比)。土壤全鹽量為0.54 g/kg，速效氮為32 mg/kg，速效磷為5.8 mg/kg，速效鉀為185 mg/kg，全氮為0.63 g/kg，全磷為0.52 g/kg，全鉀為20.9 g/kg，有機質(zhì)為8.15 g/kg，pH值為8.57。全生育期降雨量為76.0 mm，日照時數(shù)為1 079.5 h,平均氣溫為20.0 ℃,平均風速為4.78 m/s(高度2 m)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用防雨桶栽，塑料桶上口直徑35 cm，下口直徑32 cm，高32 cm；桶的下方鋪有2cm的小石子，其上按原始土壤密度分層裝過0.5 cm篩的細土，最上方鋪砂12 cm；盆中埋有TDR管，用來定期測定土壤含水量。供試作物選擇當?shù)靥鸸现髟云贩N玉金香；供試肥料為生物有機肥(由寧夏大學與中衛(wèi)市豐盛生物有機肥廠共同研制生產(chǎn)，含N 1.8%，P2O50.52%，K2O 2.4%，)、尿素(含N 46%)、磷酸二銨(含N 18%，含P2O546%)，其中生物有機肥作底肥一次施入，尿素和磷酸二銨作為追肥，分別在伸蔓期和開花坐果期施入[9]。

試驗將甜瓜生育期分為苗期、伸蔓前期、伸蔓后期、開花坐果期、膨大初期、膨大中期和膨大后期7個階段，共設(shè)16個處理(見表1)，每個處理3次重復，在田間隨機排列[10]。5月1日施底肥、播前灌水，5月3日播種、覆膜，6月1日放苗，8月5日收獲，除水分外，各處理基肥、施肥、耕作等田間管理管理措施相同。采用平衡施肥，灌水指標采取定時定量方法，采用機械補灌方法，灌水定額為45 m3/(hm2·次)。

1.3 測定項目

測定項目包括甜瓜生育期、葉片數(shù)、蔓長、莖粗、葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累量、灌水量、土壤含水率、土壤養(yǎng)分及產(chǎn)量等。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤水分的影響

從圖1、2可以看出，不同處理土壤水分隨時間的變化呈波浪形的變化趨勢。由于灌水次數(shù)的不同，各處理存在比較明顯的差異，但土壤水分含量均控制在一定范圍之內(nèi)。在甜瓜各個生育階段，對土壤水分消耗均不一樣，灌水次數(shù)越少，土壤水分消耗越大。從甜瓜種植到6月4日，土壤含水率無明顯變化，隨著伸蔓前期水的灌溉，導致土壤含水率的差別增大。T1(灌6水)處理在各個時期都進行補水，所以在整個生育期土壤水分變化相對平穩(wěn)，均保持在田間持水率的60%以上，其他處理與之相比，前期變化不大，后期因為灌水次數(shù)減少導致變化幅度增大。在膨大后期，T2(灌5水)、T3(灌4水)、T4(灌3水)、T5(灌2水)和T6(灌1水)土壤水分與T1(灌6水)相比分別下降了25.26%、52.06%、62.37%、66.49%和68.56%，由此說明，灌水次數(shù)少的處理由于灌水間隔時間較長，不能滿足甜瓜的需水要求，而灌水次數(shù)多的處理因間隔時間短，土壤水分能夠滿足甜瓜正常的生長。

表1 試驗設(shè)計方案Tab.1 Test scheme

圖1 不同灌水次數(shù)對土壤水分的影響(灌前)Fig.1 Effect of irrigation frequency on soil moisture (before irrigation)

圖2 不同灌水次數(shù)對土壤水分的影響(灌后)Fig.2 Effect of irrigation frequency on soil moisture (after irrigation)

2.2 不同處理對水分生產(chǎn)效率的影響

作物需水量是指作物在任一土壤水分條件下的植株蒸騰量、棵間蒸發(fā)量以及構(gòu)成植株體的水量之和，其大小會受到氣候條件、土壤水分狀況、作物種類及生長階段、農(nóng)業(yè)技術(shù)措施、灌溉排水措施等因素的影響[11]。不同生育階段甜瓜需水量采用水量平衡方程計算。在本試驗條件下，壓砂地甜瓜為旱作物，且由于試驗采用防雨盆栽，所以地下水補給量、降雨量及和由計劃濕潤層增加而增加的水量可不加以考慮，則簡化后的水量平衡方程為：

ET=M-Wt+W0

(1)

式中：W0、Wt為時段初和任意時間t時的儲水量，mm；M為時段t內(nèi)的灌溉水量，mm；ET為時段t內(nèi)的作物田間需水量，mm。

根據(jù)簡化后的水量平衡方程，利用前后兩次土壤水分的實際測定結(jié)果，計算不同水分處理的甜瓜實際需水量，計算結(jié)果見表2。

表2 甜瓜實際需水量、產(chǎn)量及水分利用效率Tab.2 Water requirement and water use efficiency for melon

由表2可知，隨著灌水次數(shù)及灌水量的增大，甜瓜需水量和產(chǎn)量均呈上升趨勢。T1處理全生育期不缺水，需水量和產(chǎn)量均為最大，但水分生產(chǎn)效率卻相對較低。T3、T4、 T4、 T5和T15處理的水分生產(chǎn)效率相對較高，但產(chǎn)量卻低于T1處理。由此說明，較高的水分供應雖然能獲得較高的產(chǎn)量，但并不一定能實現(xiàn)水分高效利用。

2.3 甜瓜水分生產(chǎn)函數(shù)模型的建立

2.3.1回歸模型

通過對壓砂地甜瓜需水量與產(chǎn)量之間進行回歸分析， 結(jié)果表明，產(chǎn)量Y與實際總需水量x的關(guān)系符合一元二次回歸模型，模型相關(guān)性較高，R2為0.855 3，擬合方程為：

y=-1.379 5x2+240.83x+223.82

(2)

依據(jù)回歸模型計算出當壓砂地甜瓜全生育期需水量為87.28 mm時，產(chǎn)量達最大值10 789.31 kg/hm2。由產(chǎn)量與總需水量的相關(guān)圖3可以看出，擬合曲線呈凸拋物線形，在桶栽試驗條件下，當全生育期需水量由5.90 mm增加到87.28 mm時，產(chǎn)量隨之增加，當需水量大于87.28 mm時，產(chǎn)量不但不增加，反而逐漸下降，呈報酬遞減規(guī)律。由此說明，水量過少或過多都不能取得高產(chǎn)，水量過少會造成植株在某些生育階段遭受嚴重水分脅迫而不能正常發(fā)育,從而導致產(chǎn)量降低，但灌水過量會造成開花期推遲、植株莖葉徒長以及病害的發(fā)生, 從而會影響產(chǎn)量，不能獲得高產(chǎn)[12]。

圖3 甜瓜產(chǎn)量與需水量的關(guān)系Fig.3 The relationship between yield and water requirement for melon

2.3.2Jensen模型

水分生產(chǎn)函數(shù)是水分與作物產(chǎn)量之間的數(shù)量關(guān)系，作物在不同生育階段對水分的敏感程度具有一定的差異。根據(jù)各生育階段甜瓜需水量和實測產(chǎn)量(表2)，采用目前普遍應用的Jensen連乘模型，對甜瓜不同生育階段對產(chǎn)量的影響進行分析：

(3)

式中：Ya為各處理條件下的實際產(chǎn)量；Ym為充分灌溉處理下的產(chǎn)量；i為不同生育階段編號；n為生育階段總數(shù)；ETi為i階段的實際需水量；ETmi為充分灌溉條件下i階段的需水量；λi為第i生育階段的水分敏感指數(shù)。

在本試驗條件下，模型中的Ym和ETmi可采用本試驗條件下的實際最高產(chǎn)量及其相對應的階段需水量；求解水分敏感指數(shù)λi時，首先對Jensen模型兩邊取自然對數(shù)，則有：

(4)

(5)

然后通過對式(5)進行多元線性回歸，求解各生育階段水分敏感指數(shù)λi，并對回歸方程進行顯著性檢驗，結(jié)果(表3)表明，F(xiàn)=68.38>F0.01(6，15)=4.32，因素與產(chǎn)量的復相關(guān)系數(shù)R2為0.980，表明水分與產(chǎn)量間的回歸關(guān)系達到極顯著水平；各生育階段水分敏感指數(shù)λ的大小順序為開花坐果期>伸蔓前期>膨大前期>伸蔓后期>膨大中期>膨大后期；λ值越高，作物對水分的需求就越大,對缺水越敏感，開花

表3 甜瓜水分敏感指數(shù)及回歸方程的顯著性檢驗Tab.3 Moisture sensitive index and significant test of the regression equation for melon

坐果期、伸蔓前期和膨大前期的λ值都很高，說明這些階段需要保證水分需要，若遭受水分脅迫，將不可避免的造成減產(chǎn)；膨大后期的λ值最低，表明此階段耗水量較低，在此階段控水，對產(chǎn)量的影響程度不大[13,14]。

根據(jù)Jensen模型計算的水分敏感指數(shù)，得出在本試驗條件下的甜瓜水分生產(chǎn)函數(shù)為：

(6)

3 結(jié) 論

通過對壓砂地甜瓜水分生產(chǎn)函數(shù)進行研究分析，得出如下結(jié)論。

(1)壓砂地甜瓜產(chǎn)量與需水量之間呈凸拋物線趨勢變化，水量過少或過多都會影響產(chǎn)量。在桶栽試驗條件下，隨著需水量的增加，產(chǎn)量隨之增加；當需水量大于87.28 mm時，產(chǎn)量非但不增加，反而逐漸下降，呈報酬遞減規(guī)律。

(2)建立了壓砂地甜瓜水分生產(chǎn)函數(shù)模型，各生育階段水分敏感指數(shù)按開花坐果期、伸蔓前期、膨大前期、伸蔓后期、膨大中期、膨大后期依次降低，其變化規(guī)律與甜瓜的需水規(guī)律相一致。在開花坐果期、伸蔓前期和膨大前期需要保證水分需要；在伸蔓后期和膨大中期，對缺水的敏感性較低，在水資源嚴重不足干旱地區(qū)可適當減少灌水量；膨大后期水分對產(chǎn)量影響程度很小，可考慮在此階段不灌水，以取得最佳的生產(chǎn)效益。

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