寒地稻作水氮生产函数及其评价研究

梁乾平，王孟雪，金子茗

(1.东北农业大学 水利与建筑学院，黑龙江 哈尔滨 150030;2.农业部农业水资源高效利用重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150030)

寒地稻作水氮生产函数及其评价研究

梁乾平1,2，王孟雪1,2，金子茗1,2

(1.东北农业大学 水利与建筑学院，黑龙江 哈尔滨 150030;2.农业部农业水资源高效利用重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150030)

采用全面小区试验，以龙庆稻3号为试验材料，设四种灌溉水平(控制灌溉、蓄水控灌、浅水灌溉、淹灌)和四种施氮水平(135 kg/hm2、105 kg/hm2、75 kg/hm2、0 kg/hm2)，建立了不同水氮耦合模式的水氮生产函数。利用模糊综合评价方法对产量进行评价。水氮因素对产量构成因素影响大小依次为千粒重>结实率>穗粒数>有效穗数；在分蘖期、抽开期、乳熟期充足的水氮有助于提高产量，在拔孕期水氮充足会使水稻产量降低。结果表明：蓄水控灌施氮量为105 kg/hm2是最佳的水氮耦合方式。

稻作；水氮耦合；水氮生产函数

中国是水资源严重缺乏且分布不均的国家[1]，同时也是氮肥消耗第一大国[2]。水稻是我国耗水量最多的作物[3]。传统稻作生产的水肥管理模式，不仅造成了水资源的严重浪费，而且引起了一系列的环境问题[4]。水分和氮肥是影响其生长发育的主要限制因子，氮肥对水稻产量的影响不亚于水，因此氮肥的施用量逐年增加。氮肥的增产作用不仅在于氮肥本身，更重要的在于与土壤水分的互作，只有水分和养分的合理投入，才能产生明显的协同效果，达到以肥调水和以水促肥的双重目的[5]。近年来关于水稻水氮高效利用的研究表明：氮素与水分的相互作用同时对植物的生长发育产生影响。水分不足影响作物根系对肥料的吸收利用，养分不足则限制作物对水分的充分利用，二者互为制约，又互相促进[6]。以往多数研究成果评价指标笼统单一，无法对各处理进行客观全面的评价[7]，提出的水氮生产函数模型多数针对全生育期的静态模型，没有深入到各生育阶段，因而无法指导各阶段的水氮施用[8-9]。本文采取模糊综合评价模型对影响产量的多个指标进行评价，并依据各指标所占权重判断各指标对产量影响的大小。采用基于Jensen模型的水氮生产函数模型求解各生育阶段的水氮交互作用系数[10]，从而为水稻各生育阶段的水分管理及施氮管理提供理论依据，进而改变当前 “大水大肥”的水肥管理模式，有利于发展优质、高效、生态农业。这对解决我国的水资源危机，保障国家粮食安全具有重大意义[11]。

1 材料和方法

试验于2014年5月初至9月末在黑龙江省水稻灌溉试验中心(庆安站)进行。试验区与安邦河提水渠首工程相邻，地理坐标为东经125°44′，北纬45°63′。试验区属于寒温带大陆季风气候，多年平均降雨量577 mm，平均气温1.69 ℃，平均无霜期128 d，平均日照时数2600 h，平均蒸发量770 mm。

试验区土壤类型为黑土，全氮0.188%，全磷0.083%，全钾1.89%，有机质4.96%。试验站大田0～20 cm土壤体积饱和含水率为54.72%，供试品种为龙庆稻3号，移栽密度26万穴/hm2，每穴3株。

试验采取两因素四水平全面试验的方式在小区里进行，小区规格为10 m×10 m，小区间采用PVC板防渗、其余各面采用水泥修埂及排水管道并铺设无纺布进行防渗，试验中两因素分别为灌溉模式(见表1)和氮肥施用量。

表1 不同灌溉模式水分管理表

注：表中灌水下限百分数为占土壤体积饱和含水率(θs)的百分数，灌水上限为水层厚度/mm，上下限中0表示田面无水层。

施肥设定的标准为纯氮肥135 kg/hm2(高氮)、105 kg/hm2(常氮)、75 kg/hm2(低氮)、0 kg/hm2(零氮)，分4次施入。施肥比例为基肥∶孽肥∶调节肥∶穗肥=5∶2.5∶1∶1.5。P肥作为基肥一次性施入(施P2O5为45 kg/hm2)，K肥分两次施入(施K2O为80 kg/hm2)，施入比例为基肥∶穗肥=1∶1。试验16个小区(见表2)采取3次重复，共计48个小区。试验小区采用随机排列的方式进行。

表2 试验处理表

灌排水量用水表、水尺测量，耗水量用水尺和土壤水分测定仪测量。从试验站自动气象站收集降雨时间、历时和降雨量资料。各小区采用五点法取样测产。测定结实率、千粒质量等指标。

2 结果与分析

2.1 基于Jensen模型的水氮生产函数

水氮生产函数描述的是作物产量和灌溉水量及施氮量之间的数学关系。由于水分生产函数和氮素生产函数具有相同的变化趋势，都可以用一元二次曲线来拟合。因此认为可将分阶段的水分生产函数(Jensen)模型与分阶段氮素生产函数相结合，构造基于Jensen模型的水氮生产函数模型。

模型表达式：

(1)

式中：ki代表水氮交互作用系数；i为作物生育期阶段编号；Ym代表水氮充足条件下的产量(即作物光温产量)；ETm i代表充分灌溉下的耗水量；Yα代表实际水氮条件下的产量；ETα i代表各处理的实际耗水量；n为划分的作物生育期阶段数，本次试验中为4；NCα i和NCm i分别代表实际吸氮量和潜在吸氮量。

选取分蘖期、拔孕期、抽开期和乳熟期作为建立模型的生育阶段，不同水氮处理各生育阶段耗水量、吸氮量以及最终水稻产量相对于水氮供给充足时的相对值如表3所示。

代入式(1)，求得各生育阶段的水氮交互作用系数如表4所示。

通过表4可知在所选择的4个生育阶段中，分蘖期、抽开期和乳熟期ki为正，水稻耗水量和吸氮量的交互作用对水稻产量的影响表现为协同作用；拔孕期ki为负，水稻耗水量和吸氮量的交互作用对水稻产量的影响表现为拮抗作用。分蘖期是水稻营养生长的旺盛时期，充足的水氮供给可以使水稻分蘖数快速增加，从而影响有效穗数和最终产量；抽开期正是水稻授粉期，缺少水氮会使水稻的结实率大大降低，从而影响最终的水稻产量；乳熟期是水稻将光合产物向籽粒中转移的时期，水和氮素是水稻进行光合作用必不可少的物质，缺少水氮会使水稻植株光合作用减弱，进而影响水稻的千粒重使得水稻产量降低。拔孕期是营养生长向生殖生长过渡的阶段，如果水氮供应充足会使水稻继续进行分蘖，造成后期养分供应不足，导致结实率下降产量降低。

表3 不同水氮处理相对值

表4 生育阶段水氮交互作用系数表

2.2 模糊综合评价方法对不同水氮处理的评价

2.2.1 模糊综合评价模型的建立

步骤1：确定评价指标集合U={U1,U2,…,Un}其中，U1,U2,…,Un为评价指标。

步骤2：数据无量纲化处理

对于越大越优的指标：

(2)

对于越小越优的指标：

(3)

式中：xmax(j)为第j个指标中的最大值；xmin(j)为第j个指标中的最小值。x*(i,j)为第i个样本中第j个指标值；x(i,j)为指标特征值归一化序列。

步骤3：建立单因素评价矩阵，即

(4)

(5)

式中：i=1,2,…,n;j=1,2,…,m;r(i,j)为单因素评价值。

步骤4：计算权重

(1)单项指标权重

(6)

式中：gi为某指标实测值；si为某处理加权平均值；wi为单项指标权重值。

(7)

(2)单个指标在总体中的权重值

(8)

式中：A为单个指标在总体中的权重值。

步骤5：综合评价

对于权重A=(a1,a2,…,an)，取max-min合成运算，即计算B=A∘R，方法如下：

(9)

步骤6：按评判值B的大小进行排序，即确定各处理的优劣顺序。

2.2.2 模糊综合评价模型应用

水肥耦合方案优选过程中，通常存在评价指标笼统和单一；而水肥耦合方案优劣的影响因素往往很多，难以对方案的优劣进行全面评价。本文采用模糊综合评价模型，取影响水稻产量的主要因素(千粒重、有效穗数、穗粒数、结实率)作为评价指标对各水氮处理方案进行优劣评价。基本资料如表5所示。

表5 不同水氮处理资料表

所选取的四个指标均为越大越优型，采用式(2)进行无量纲化处理。通过计算得出评价矩阵R。

根据式(6)～(8)计算出各项指标权重为：

根据评价矩阵R和各项指标权重A通过MATLAB软件计算可以得出评判值B，并按照评判值B的大小顺序对各水氮处理进行优劣排序为：处理6>处理2>处理1>处理5>处理9>处理13>处理10>处理7>处理14>处理3>处理11>处理4>处理8>处理12>处理15>处理16。按照实际产量进行优劣排序为：处理6>处理2>处理1>处理5>处理9>处理13>处理10>处理7>处理14>处理3>处理11>处理12>处理8>处理4>处理15>处理16，两者排序基本相同如表6所示。

通过各指标权重A可以看出千粒重对产量的影响大于结实率对产量的影响大于穗粒数对产量的影响大于有效穗数对产量的影响，因此提高水稻产量可优先提高千粒重。处理6即施氮量为105 kg/hm2蓄水控灌模式为最优组合，与处理14(C4N2)相比较，产量提高了39.5%，水分生产效率提高78.1%。

表6 不同水氮处理的评价值

3 结 论

(1)以往研究通常把水和氮的效应分开进行分析，而实际水和氮不是彼此独立的，是彼此相互作用共同对水稻的生长产生影响，由于水和氮的生产函数变化趋势相似，因此把氮素因子加入到水分生产函数Jensen模型中，得出基于Jensen模型的水氮生产函数模型。通过求解各生育阶段水氮交互作用系数可知：分蘖期水氮的交互作用系数为正值，表现为协同作用，因此在分蘖期供给充分的水和氮肥，从而得到较多的分蘖数；在拔孕期水氮的交互作用系数为负值，表现为拮抗作用，因此不能一味采用大水大肥，造成营养生长过于旺盛，迟迟不向生殖生长转化，造成水稻减产；抽开期和乳熟期水氮交互作用系数为正值，表现为协同作用，应尽量提供充足水氮来提高结实率和千粒重，从而提高产量。

(2)根据模糊综合评判值B的大小对处理进行优劣排序，确定处理6(C2N2)是最优水氮耦合方案(蓄水控灌施氮量为105 kg/hm2，基肥∶调节肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶1∶2.5∶1.5)为最佳组合。与处理14(C4N2)相比产量提高了39.5%，水分生产效率显著提高。按照评判值B进行的优劣排序与按照实际产量进行的优劣排序基本相符，通过对各指标权重A值的计算，在影响产量的因素中千粒重对产量的影响最大，因此提高千粒重是提高产量的有效途径。

[1] 张启舜，沈振荣.中国农业持续发展的水危机及共对策[J].作物杂志,1997(6)：9-12.

[2] 刘立军，徐伟，桑大志,等.实地氮肥管理提高水稻氮肥利用效率[J].作物学报，2006 (7):987-994.

[3] 程旺大，赵国平，张国平，等.水稻节水栽培的生态和环境效应[J].农业工程学报，2002，18(1):191-194.

[4] 王欢元，胡克林，李保国，等.不同管理模式下农田水氮利用效率及其环境效应[J].中国农业科学，2011，44 (13)：2701-2710.

[5] 翟晶，曹凑贵，潘圣刚，等.水肥耦合对水稻生长性状及产量的影响[J].安徽农业科学，2008，36(29):12632-12635.

[6] 陈伟.水稻水分生产函数及水氮耦合模型试验研究[D].沈阳：沈阳农业大学，2013.

[7] 林彦宇.黑土稻作控制灌溉条件下水肥调控试验研究[D].哈尔滨：东北农业大学,2014.

[8] 王绍华,曹卫星，丁艳锋，等.水氮互作对水稻氮吸收与利用的影响[J].中国农业科学,2004,37(4)：497-501.

[9] 龚少红.水稻水肥高效利用机理及模型研究[D].武汉：武汉大学,2005.

[10] 李亚龙,崔远来,李远华.作物水氮生产函数研究进展[J].水利学报,2006，37(6):704-710.

[11] 康绍忠，马孝义.对我国发展节水农业几个问题的思考[J].中国农业资源与区划,1999，20(2):30-31.

Evaluation study on water and nitrogen production function of rice in cold black soil region

LIANG Qianping1,2, WANG Mengxue1,2, JIN Ziming1,2

(1.WaterConservancyandArchitectureCollege,NortheastAgriculturalUniversity，Harbin150030，China；2.KeyLaboratoryofhighefficiencyutilizationofAgriculturalWaterResourcesMinistryofAgriculture，Harbin150030，China)

t：Field plot experiment was conducted, which set four irrigation levels (control irrigation, intermittent irrigation, shallow wet irrigation and basin irrigation) and four nitrogen levels (135 kg/hm2, 105 kg/hm2, 75 kg/hm2and 0 kg/hm2). Longqing No. 3 was selected as test material. Water and nitrogen production function was established under different water and nitrogen coupling models. Fuzzy comprehensive evaluation method was used to evaluate the yield of rice. The effect of water and nitrogen on yield followed the sequence as 1000-grain weight, ripening rate, grain number per panicle and effective panicles. Sufficient water and nitrogen result in increase yield at tillering stage, tasseling stage and milk ripe stage, but contribute to a reduction of rice yield at jointing-booting stage. The results showed that the control irrigation with nitrogen amount of 105 kg/hm2is optimal water and nitrogen coupling model.

rice; water and nitrogen coupling; production function of water and nitrogen

“十二五”国家科技支撑计划(2012BAD08B05)

梁乾平(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为节水灌溉理论与新技术。E-mail：420944239@qq.com

S274.3

A

2096-0506(2015)01-0029-05