东北地区玉米大豆水分利用效率研究

米　娜，张玉书，蔡　福，纪瑞鹏，刘　明，于秀捷

(1.中国气象局沈阳大气环境研究所， 辽宁 沈阳 110166； 2.抚顺市气象局， 辽宁 抚顺 113006；

3.辽宁省气象信息中心， 辽宁 沈阳 110166)



东北地区玉米大豆水分利用效率研究

米娜1，张玉书1，蔡福1，纪瑞鹏1，刘明2，于秀捷3

(1.中国气象局沈阳大气环境研究所， 辽宁 沈阳 110166； 2.抚顺市气象局， 辽宁 抚顺 113006；

3.辽宁省气象信息中心， 辽宁 沈阳 110166)

摘要：利用大安和朝阳玉米研究站点、呼玛和锦州大豆研究站点近20 a作物产量、发育期及土壤水分实测资料，同时结合分期播种试验资料，研究了玉米大豆产量水分利用效率(WUEg)对降水、温度的响应特征，分析了两种作物产量水分利用效率与群落水平水分利用效率(WUEb)的关系。结果表明：大安和朝阳站点玉米WUEg分别为1.75±0.47 kg·m(-3)和1.98±0.72 kg·m(-3)，呼玛和锦州站点大豆WUEg分别为0.63±0.35 kg·m(-3)和0.55±0.18 kg·m(-3)；玉米站点WUEg与播种—成熟期间的降水量和ET均呈显著的二次曲线关系(P<0.05)，WUEg与温度关系不明显；大豆WUEg与播种至成熟期间的降水量呈现显著的负相关关系；历史资料分析结果表明，随着生育期期间平均气温的增加，大豆WUEg升高；在大安和朝阳站点，取得高水分利用效率与获得高产所消耗的水量(即ET)并不一致，表明对于存在干旱胁迫的半干旱和半湿润区，有效的利用水(Effective use of water，EUW)而不是一味追求水分利用效率(WUE)是提高产量的有效途径，植物消耗的水量(ET)往往是决定作物产量的重要因素。

关键词：有效的利用水；产量水分利用效率；群落水平水分利用效率；响应特征；耗水量

东北地区(辽宁、吉林、黑龙江)是我国重要的粮食生产基地，粮食商品率高达55%以上，商品粮占全国总量的1/4左右，居全国之首[1]。 特别是在《全国新增1 000亿斤粮食生产能力规划(2009—2020年)》中已经明确了东北三省作为全国13个粮食生产核心区的地位。东北地区是我国春玉米和春播大豆的主产区，玉米播种面积约占全区粮食作物面积的60%，春播大豆区和黄淮海夏播大豆区是中国大豆种植面积最大、产量最高的两个地区。东北地区农作物种植主要依靠雨养[2]。在全球气候变暖的背景下，东北地区的气候具有显著的变暖趋势，降水总量在具有减少趋势的背景下，降水事件还有向极端化发展的倾向，降水时间分布变得更不均匀，这可能引起更多更强的旱涝灾害，从而对东北地区的生态环境，尤其是农业生产带来不利的影响[3]，气候变化通过影响雨养农业区的土壤水分状况，威胁粮食生产的稳定性[4]。因此，当前气候变化情景下雨养农业所要面临的主要问题是严酷的水资源限制。提高水分利用效率，发展高效用水农业对解决全球缺水问题十分必要[5-6]。

据研究，目前世界范围玉米作物的平均水分生产效率为1.8 kg·m-3，而目前玉米的水分利用效率最高水平可达2.7 kg·m-3，存在着巨大的提升潜力[5]。综合以往文献来看，在东北地区开展提高农田作物水分利用效率的试验研究报道较少，邹文秀等[7]报道了施肥对东北黑土区大豆水分利用效率的影响，更多的研究集中在了提高华北平原农田作物水分利用效率适用技术的研究上，如张喜英[5]、梅旭荣等[8]提出了实现华北平原农田节水增产增效的对策；刘庚山等[9]研究表明，留残茬和秸秆覆盖能明显提高夏玉米叶片水平上的水分利用效率，最终提高产量上的水分利用效率；邵立威等[10]对华北夏玉米产量及水分利用效率的研究表明，种植密度为60 000～67 500株·hm-2的玉米产量高于75 000株·hm-2的密度产量，且选择高产品种是提高水分利用效率的一个重要途径，产量高的品种其水分利用效率也较高，两者存在正相关关系。然而也有研究指出，在干旱胁迫下，有效的利用水(effective use of water，EUW)才是提高产量的重要途径[11]。本研究利用东北地区有代表性的玉米大豆农业气象观测站点的长期观测资料，同时结合分期播种试验资料，分析了玉米大豆水分利用效率对降水、温度的响应，阐明两种作物产量水分利用效率与群落水平水分利用效率的关系，探讨了玉米高产与高水分利用效率下玉米耗水特性，旨在明确提高作物产量的有效途径，从而为气候变化背景下保障东北地区的粮食安全提供理论依据。

1材料与方法

1.1站点选取及数据来源

本研究在东北地区选取了具有较长时段作物产量、发育期、土壤墒情观测记录的农试站点，其站点详情参见表1。数据取自农业气象观测记录报表，研究站点的数据内容包括：1990—2009年玉米产量、播种、成熟日期、土壤水分资料及1994—2009年大豆产量、播种、成熟日期、土壤水分资料等。

表1　农试站点详情介绍

大安农田试验站位于吉林省西北部，地处松嫩平原腹地，1990—2009年在该区定点观测玉米农田，该区玉米通常在4月下旬至5月上旬播种，9月下旬成熟，根据1990—2009年的发育期记录，玉米的平均生育期为137 d。朝阳农田试验站位于辽宁省西部，该区玉米每年5月上旬播种，9月中旬至下旬成熟，该区玉米的平均生育期为126 d。2009年该试验区遭遇了较严重的干旱，7月21日至8月16日期间的降水量仅为0.2 mm，干旱使得大部分作物枯死，因此未能获取2009年的产量数据。

呼玛农田试验站位于大兴安岭东麓，1994—2009年在该区定点观测大豆农田，该区大豆通常在5月中旬播种，9月中下旬成熟，根据1994—2009年的发育期记录，该区大豆的平均生育期为124 d。锦州农田试验站位于朝阳站东南110 km处，该区大豆4月底至5月上旬播种，9月下旬成熟，平均发育期145 d。

1.2分期播种试验设置

本研究2011和2012年在辽宁朝阳和锦州设置了玉米和大豆分期播种试验，用以研究不同气候条件下作物的水分利用效率状况。玉米选用4个品种(丹玉39、丹玉99、良玉88、农华101)，在锦州和朝阳分别设置8个和7个播期(分别于4月10日，4月15日，4月20日，4月25日，4月30日，5月10日，5月20日，5月30日播种，朝阳没有4月10日的播期)；大豆选用2个品种(铁丰29和辽豆15)，在锦州设置4个播期(分别于4月20日，4月30日，5月10日，5月20日播种)。

各农试站点从作物播种开始至成熟，每5 d测定一次土壤含水量，土壤含水量采用称重法测定，测定深度为0～100 cm，每隔10 cm测定一次。玉米成熟后按照《农业气象观测规范》测定籽粒产量。

由于试验期间对玉米和大豆进行了破坏性采样，因此无法获得试验小区的实际产量，本研究中用理论产量代替实际产量用于分期播种水分利用效率的计算。

1.3ET的计算

本研究中，ET采用如下方法估算

ET=CR+I+P+ΔW-D-R

(1)

式中，CR代表重力提升水，I代表灌溉，P代表降水，D代表地下渗漏，R代表地表径流，ΔW代表1m土层深度的土壤水分含量变化(mm)。由于试验区域地势平坦，因此忽略地表径流。观测记录表明试验区地下水位大于4m，因此，渗漏和重力提升水也可以忽略不计。此外，试验区为雨养农业区，没有灌溉，因此本研究中可采用ET=P+ΔW来计算ET值。

1.4水分利用效率定义

本文将产量水分利用效率(WUEg，kg·m-3)定义为玉米每消耗1 m3水所能生产的籽粒产量，采用籽粒产量与整个生育期ET的比值来计算。群落水平的水分利用效率(WUEb，kg·m-3)是作物群体光合产物与作物总蒸腾量的比值，也可以看作群体生物量与作物蒸发蒸腾量(即蒸散量)ET的比值。

1.5线性方程及一元二次方程的拟合

利用Origin软件对玉米大豆产量水分利用效率对温度、降水及ET的响应进行线性拟合(y=ax+b)及一元二次方程(y=ax2+bx+c)拟合。利用公式x=-b/2a，求出使得WUEg达到最大值时的降水及ET值。

2结果与分析

2.1玉米、大豆产量水分利用效率对降水、温度的响应

大安和朝阳站点玉米产量水分利用效率对播种至成熟期间降水量的响应如图1a、b所示。对于大安和朝阳站点来说，在较干旱的年份和较湿润的年份里，玉米WUEg均表现出较低的值(图1a，b)。当播种—成熟期间的降水分别为325 mm(大安)、391 mm(朝阳)时，产量水分利用效率达最高值(图1a、b，表2)。大安和朝阳站点WUEg与播种至成熟期降水量的关系可以用一个二次曲线函数来拟合，且关系显著(P<0.05)(大安1997年、朝阳2000和2002年的数据除外)(图1a，b)。综合2个站点(大安和朝阳)来看，玉米产量水分利用效率为0.8～2.9 kg·m-3，该值与我国华北平原夏玉米WUEg(1.6～2.3 kg·m-3)和西北地区春玉米WUEg(1.1～2.9 kg·m-3)的值基本相当[12-13]。不同于玉米水分利用效率与降水量的关系，大豆WUEg与播种至成熟期间的降水量呈现显著的负相关关系(P<0.05)(图1c、d)，即随着播种至成熟期间降水量的增加，大豆WUEg表现为降低。与锦州大豆WUEg(0.4～0.8 kg·m-3，变异系数0.33)相比，呼玛WUEg(0.1～1.3 kg·m-3，变异系数0.56)变异较大，可能与该地区热量条件较差有关。

玉米和大豆站点产量水分利用效率对播种至成熟期平均气温的响应如图2所示。玉米产量水分利用效率随温度的变化并没有表现出明显的规律，大安站点玉米生长期间的平均温度为19℃～21℃，朝阳站点热量条件好于大安，玉米生长期间的平均温度为21℃～24℃。2个站点WUEg与发育期期间的平均温度关系不明显，说明生长季温度能保证玉米的正常生长，对WUEg不起主导作用。锦州和呼玛站点大豆水分利用效率随着播种至成熟期平均气温的增加而增高，但该趋势在两个站点均未通过显著性检验，还有待更多的试验数据来验证。

注：(a) 中实心方点代表1997年，(b) 中实心方点代表2002年，实心三角点代表2000年

The solid square in (a) represents the year of 1997. The solid square and triangle in (b) represent the years of 2002 and 2000，respectively.

图1　玉米〔大安(a)、朝阳(b)〕和大豆〔锦州(c)、呼玛(d)〕产量水分利用效率对播种至成熟期降水量的响应

图2玉米〔大安(a)、朝阳(b)〕和大豆〔锦州(c)、呼玛(d)〕产量水平水分利用效率对播种至成熟期平均温度的响应

Fig.2Variations in water use efficiency at the level of maize yield (WUEg) to changes of mean temperatures from planting

to harvest at maize (Da'an: a; Chaoyang: b) and soybean (Jinzhou: c; Huma: d) sites.

2.2玉米产量及水分利用效率对ET的响应

20年来(1990—2009年)大安和朝阳站点玉米ET值分别为200～580 mm及250～580 mm。在大安和朝阳站点，玉米产量水分利用效率与ET呈现二次曲线关系，且关系显著(P<0.05)，即随着ET的增加WUEg升高，ET增加到一定值后，WUEg则随着ET的增加而减小(图3a，c)。对于大安和朝阳站点，使WUEg达到最大值的ET值分别为329 mm和404 mm(表2)。

大安和朝阳站点产量与ET的关系如图3b，d所示，大安和朝阳站点玉米产量与ET呈现显著的二次曲线关系(P<0.01)，该结果与董玉云等[14]对西部地区玉米的研究结果相一致，即玉米产量与玉米生育期总耗水量呈良好的抛物线关系。通过计算可知，使大安和朝阳站点产量达到最大值的ET分别为442 mm和469 mm(表2)。

在大安站点，使WUEg和产量达到最大值所对应的ET1和ET2分别为329 mm和442mm，将该值分别代入图3b的拟合公式中，则求得的产量分别为6.67 t·hm-2和7.60 t·hm-2，ET2下获得的产量比ET1增产14%，同样在朝阳站点，ET1和ET2分别为404 mm和469 mm，代入图3d的拟合公式中，得到的产量分别为9.17 t·hm-2和9.84 t·hm-2，ET2下获得的产量比ET1增产7%。

注：(a)(b)中实心方点代表1997年，(c)中实心方点代表2002年，实心三角点代表2000年

Note: The solid square in (a) and (b) represents the year 1997. The solid square and triangle in (c) represent the years 2002 and 2000, respectively.

图3　大安(a,b)、朝阳(c,d)站点玉米产量水平水分利用效率和籽粒产量对ET的响应

注：*数据通过图1、3中拟合方程y=ax2+bx+c中的-b/2a计算得到。

Note: Data were obtained by calculating -b/2afrom the equationy=ax2+bx+cin Figs. 1 and 3.

2.3玉米、大豆分期播种试验与历史资料的比对

分期播种试验结果表明，在锦州和朝阳站点当播种至成熟期间的降水量为400 mm左右时，产量水分利用效率达最高(图4)，且玉米产量水分利用效率与生育期内平均温度关系不明显(图略)，该结果与朝阳玉米站点历史数据的研究结果相一致。

图4丹玉39(a)、丹玉99(b)、良玉88(c)、农华101(d)产量水分利用效率对播种至成熟期间降水量的响应

Fig.4Correlations between precipitation from planting to harvest and water use efficiency at the level of maize yield (WUEg) for

hybrids of Danyu 39, Danyu 99, Liangyu 88 and Nonghua 101

大豆分期播种试验表明，随着播种至成熟期间降水量的增加，产量水分利用效率降低(图略)。产量水分利用效率对生育期内平均温度的响应如图5所示，大豆WUEg与生育期内平均温度呈显著的线性相关关系(P<0.05)，即随着生育期内平均温度的升高，WUEg表现为增加。以上结果与对大豆历史数据的研究结果相一致。

图5辽豆15(a)、铁丰29(b)产量水平水分利用效率对播种至成熟期间均温的响应

Fig.5Correlations between mean temperature from planting to harvest and water use efficiency at the level of

soybean yield (WUEg) for hybrids of Liaodou 15 (a) and Tiefeng 29 (b)

2.4产量水分利用效率与群落水分利用效率的关系

从图6、7可以看出，玉米和大豆WUEb和WUEg呈现显著的线性关系(P<0.01)，如果设置线性关系截距为零，则玉米WUEb约为WUEg的2倍，对于大豆而言，WUEb约为WUEg的2.4倍。玉米和大豆WUEb和WUEg之间的正相关关系表明，较高的群落水平水分利用效率对于获得较高的产量水分利用效率有利，最终对经济产量的获得有利。目前，对玉米和大豆WUEb和WUEg之间关系的研究并不多见，Qiu等[15]对冬小麦WUEb和WUEg之间关系的研究结果与本研究对玉米和大豆的研究结果类似。

3讨论

图6　玉米产量水平水分利用效率与群落

图7大豆产量水平水分利用效率与群落水平水分利用效率的关系

Fig.7Correlation between water use efficiency at

the level of soybean yield (WUEg) and WUE at

the level of soybean biomass (WUEb)

大安和朝阳站点WUEg对播种至成熟期间降水量的响应较为相似，较少和较多的降水量均导致较低的WUEg，该结果与调亏灌溉试验研究所得出的结论较为一致，调亏灌溉理论认为，适度的水分亏缺往往会提高作物产量和水分利用效率，这是因为作物对适度水分亏缺产生了补偿或超补偿效应，这种补偿效应经常表现在作物受旱后复水，若干生理功能超过一直充足供水的生理功能，如刘吉利等[16]研究表明，花生苗期结合蹲苗，进行适当干旱处理(控水5 d)后复水，叶片光合性能可迅速恢复到正常水平，不影响产量，而且可减少耗水量，有利于提高花生水分利用效率。另外在作物受旱期间，虽然生长受到一定抑制，但可能强化了能量代谢和一些生物合成，增加了光合产物向经济产量的转化，提高了经济系数[5]。此外，一些灌溉控制试验在一定程度上也可以反映出降水对WUE的影响，在不同的年份里，灌溉量与夏玉米WUE之间的关系可以用二次曲线方程来拟合，这表明使得夏玉米获得最大WUE的最佳灌溉量要低于试验中所设置的最大灌溉量[17]。综合考虑产量和水分利用效率，生育期灌水量减少25%～30%并不降低玉米的产量，适度缺水反而有利于某些作物经济产量的增加[18]。

本研究结果表明，大安和朝阳站点WUEg和产量达到最大值时所对应的ET并不一致(表2)，产量达到最大值时所对应的ET2高于WUEg最大值时的ET1，且大安站点ET2和ET1之间的差值(约110 mm)大于朝阳站点(约70 mm)，相似的研究结果也体现在Du等[13]对玉米作物的研究，Du等对西北地区玉米的调亏灌溉研究结果显示，ET2和ET1的值约分别为500 mm和450 mm。上述结果表明，在大安和朝阳站点，取得高水分利用效率与获得高产所消耗的水量(即ET)是不一致的，也就是说作物水分利用效率达到最高值时，作物产量并没达到最高(图3)，由此可见，提高水分利用效率并不能作为产量提高的有效途径，那么什么才是提高产量的有效途径呢？Blum[11]指出干旱胁迫下，有效的利用水(Effective use of water，EUW)而不是单纯追求水分利用效率(WUE)才是提高产量的有效途径。有效的利用水是指最大化地获取土壤水分，同时使大部分可获得的土壤水用于气孔蒸腾，减少土壤蒸发造成的水分消耗[5]，扩大作物根系在空间所占体积，使根系接触更多的土壤水分，提高土壤水分对作物的有效性[5]。对小麦的试验研究表明，删减根系处理后，小麦的水分利用效率提高了，但产量却没得到提高[19-20]。因此，有效的利用水与提高水分利用效率有本质上的不同，因为高的水分利用效率往往会违背有效的利用水原则[11]。Passioura[21]指出，作物消耗的水量、水分利用效率及收获指数3个变量共同驱动着作物产量，而Blum[11]则认为真正决定产量的是消耗的水量以及收获指数，水分利用效率仅仅是一个过程量。其中，收获指数在很大程度上也受植物吸收的水及植物水分状况的影响，因此在有干旱胁迫影响的状况下，植物消耗的水量才是决定作物产量的重要(但不唯一)因素。本研究中，大安和朝阳站点产量达到最大值时所消耗的水量要大于WUEg最大值时消耗的水量，且这种差异在降水相对偏少的大安地区表现得比在朝阳地区更加明显(表2)。大安和朝阳站点WUEg和产量与ET的关系从某种程度上支持了Blum1[11]的观点，同时应用Blum1[11]的观点也可以解释发生在两个站点的研究结果。

4结论

利用东北地区代表站点玉米大豆长期(20年)观测资料，结合分期播种试验资料，开展了东北地区玉米大豆水分利用效率研究。玉米WUEg和产量与玉米生育期总耗水量(ET)呈现显著的二次曲线关系，WUEg和产量达到最大值时所对应的ET并不一致，表明对于存在干旱胁迫的半干旱和半湿润区，有效的利用水(Effective use of water，EUW)而不是水分利用效率(WUE)是提高产量的有效途径，植物消耗的水量(ET)往往是决定作物产量的重要因素。大豆WUEg与播种至成熟期间的降水量呈现显著的负相关关系，随着生育期期间平均气温的增加大豆WUEg升高，此关系有待进一步研究证实。玉米和大豆WUEb和WUEg之间的正相关关系表明，较高的群落水平水分利用效率对于获得较高的产量水分利用效率有利，最终对经济产量的获得有利。

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Research on water use efficiencies of maize and soybean in northeast China

MI Na1, ZHANG Yu-shu1, CAI Fu1, JI Rui-peng1, LIU Ming2, YU Xiu-jie3

(1.InstituteofAtmosphericEnvironment,ChinameteorologicalAdministration(Shenyang),Shenyang,Liaoning110166,China;2.FushunMeteorologicalService,Fushun,Liaoning113006,China;3.LiaoningMeteorologicalInformationCentre,Shenyang,Liaoning110166,China)

Abstract：Based on data in recent 20 years about crop production, developmental period, and soil water content collected from the agro-meteorological experiment sites at Da'an and Chaoyang (maize sites), and Huma and Jinzhou (soybean sites) in northeast China, as well as the trail results by periodic seeding, response of grain water use efficiency (WUEg) to precipitation/temperature and also the relationship between WUEg and water use efficiency at the level of biomass (WUEb) were analyzed. The results showed that the average maize WUEg in multi-years at Da'an and Chaoyang were 1.75±0.47 kg·m(-3) and 1.98±0.72 kg·m(-3), respectively, and soybean WUEg at Huma and Jinzhou were 0.63±0.35 kg·m(-3) and 0.55±0.18 kg·m(-3), respectively. For maize, the relationship between WUEg and precipitation during planting to harvest exhibited a quadratic function at a significant level of P<0.05. The relationship between WUEg and mean temperature during growing period showed no obvious pattern. For soybean, WUEg was significantly negatively correlated with precipitation during growing period. Results from historic data showed that soybean WUEg was elevated with the increase of mean temperature during growing period, although the correlation between them was not significant. In addition, at Da'an and Chaoyang areas, high WUEg did not agree with the water consumption for high yield, suggesting that in semi-arid and semi-humid regions under drought stress, effective use of water (EUW) but not water use efficiency was the critical factor to determine crop yield. It can be concluded that water use is the main (not the exclusive) drive of yield under drought stress.

Keywords:effective use of water; water use efficiency; response characteristic; water use

中图分类号：Q143

文献标志码：A

作者简介：米娜，博士，副研究员，主要研究方向为陆地生态系统与全球变化，生态系统过程模型，农田生态系统水循环。 E-mail:mina7921@126.com。通信作者：张玉书，正研级高级工程师。 E-mail:yushuzhang@126.com。

基金项目：沈阳大气环境研究所公益性科研院所基本科研业务费(2011IAE-CMA12)；公益性行业(气象)科研专项(GYHY201106029-6)；辽宁省科学技术厅农业攻关及成果产业化项目(2014210003); 辽宁省农业领域青年科技创新人才培养计划项目(2014060)

收稿日期：2015-01-17

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.01

文章编号：1000-7601(2016)02-0001-08