黑土区玉米高效节水优化灌溉模式研究

闫学斌，王 柏

(1.黑河市水务局，黑龙江黑河164300;2.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨150080)

黑土区玉米高效节水优化灌溉模式研究

闫学斌1，王 柏2

(1.黑河市水务局，黑龙江黑河164300;2.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨150080)

为了探明黑土区春玉米高效灌溉制度，采用“D－206”饱和最优设计，通过田间小区试验研究了苗期、拔节期不同灌溉控制水平对玉米产量的影响。结果表明:对玉米产量不利影响大小为拔节期水分亏缺程度大于苗期水分亏缺程度;当目标产量为11 250 kg/hm2以上时，在95%的置信区间，优化调亏灌溉组合为苗期水分亏缺下限阈值取田间持水量的51%～63%，上限为70% ～75%，拔节期水分亏缺下限阈值取田间持水量的60% ～73%，上限为80% ～85%。

黑土区;春玉米;苗期;拔节期;优化灌溉;互作效应

黑龙江省水资源总量为810.33亿m3，其中地表水686.08亿 m3，地下水资源量172.14亿 m3，地下水可利用量158.52亿m3。黑龙江省耕地面积占全国的1/9，是全国最大的商品粮生产基地，全省耕地面积的1/2为半干旱区耕地，季节性干旱是该地区粮食产量低而不稳的主要因素，进一步加剧了农业灌溉用水短缺的问题。黑龙江省大气可降水量的季节性、分布区域差异较大，总体上呈由北向南增加的趋势，夏季、秋季降水量较高，在春季或者冬季大气水汽含量较少。黑龙江省玉米播种面积占全国玉米播种总面积的10%，产量占全国玉米总产量的9%左右，商品率高达70%。降水与水资源时空分布不均形成的水资源缺乏影响黑龙江省春玉米种植面积的发展和产量的稳定与提高。因此，探索寒地黑土区玉米高效节水灌溉制度对玉米生长发育的影响规律、对发展高效节水农业具有重要意义［1］。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验研究在黑龙江省水利科学研究院综合试验基地自动感应式遮雨棚内测坑内进行。试验在2010年5月初开始至9月末结束。供试玉米品种为“久龙5号”，采用测坑法，测坑矩形有底，与外部无水分交换，长2.5 m，宽2 m，深1.7 m，分层(每层土壤深度10 cm)回填土壤，测坑土壤表面与田间地面齐平，每个测坑种植4垄，垄宽0.65 m，每垄定植7株玉米。底肥412 kg/hm2，其中，尿素与二铵的比例为2∶1。

1.2 试验设计

试验采用“D－206”饱和最优设计，设6个处理，见表1。试验对玉米苗期与拔节期进行不同水分亏缺处理，调亏水分控制上限为占土壤田间持水量的85%，并对应水平编码1;下限为占土壤田间持水量的55%，并对应水平编码－1。其他生育期正常供水灌溉，水分控制上限为占土壤田间持水量的85%。数据统计分析采用Excel和SPSS17.0软件，建模使用Matlab7.1软件。

表1 因素水平编码表

2 结果与分析

2.1 产量模型的建立和检验

玉米产量按2种方式进行计算，Y1为根据实测百粒重和单株粒数计算出的单株平均产量，Y2为根据实测总重量取株数平均计算出的单株平均产量，X1为苗期土壤相对含水率(占田间持水量的百分比)编码，X2拔节期土壤相对含水率(占田间持水量的百分比)编码，具体试验产量结果见表2。

表2 试验结构矩阵及试验产量结果

根据二次饱和最优设计原理与统计检验方法，将玉米单株产量作为目标函数，利用SPSS软件进行分析，用SPSS建立回归方程式，将显著性＞0.05的自变量进入模型，如果有显著性＜0.1的自变量的话，从模型剔除。建立单株产量和2个试验因素的回归数学模型为:

回归方程相关系数R2=0.917，表明方程拟合度较高。对回归模型进行方差分析，结果表明回归方程的显著性检验统计量F=13.173，检验P=0.003，显著性水平＜0.05，可以认为所建立的回归方程有效。对方程回归系数进行显著性检验，按α=0.5显著性水平，通过逐步回归分析，剔除不显著项，建立α

回归方程相关系数R2=0.916，回归方程的显著性检验统计量F=29.005，检验P=0.000，建立的回归方程有效。

2.2 主因素效应分析

模型应用的是经过无量纲线性编码代换，偏回归系数已标准化，可根据其绝对值的大小判断试验因素对产量的影响程度，系数正负号表示因素的作用方向。由回归方程回归系数可以看出，试验因素对玉米产量影响大小为拔节期水分亏缺程度大于苗期水分亏缺程度，苗期和拔节期水分亏缺程度的交互项回归系数、苗期水分亏缺程度平方项回归系数=0.5显著水平回归方程。都是负号，说明在苗期灌水量过大、土壤含水率过高可影响玉米的产量［2］。

2.3 双因素效应分析

为了确定各因素的单独效应，采用降维分析法解析出单因素在其它因素居一定水平时这个因素对对产量影响效应，得出一组试验因素的一元回归产量子模型:

式中:Y1为苗期水分亏缺程度对产量的影响，Y2为拔节期水分亏缺程度对产量的影响看，在方程中令各因素取不同水平进行计算。

取苗期控水因素X1为不同水平时:

取拔节期控水因素X2为不同水平时:

2.4 两因素互作效应分析

为了研究苗期控水因素和拔节期控水因素之间的耦合效应，作回归方程三维模型图1。

图1 苗期亏水和拔节期亏水对玉米产量的交互作用

图1中曲面各点的高度代表两因素一定水平组合时的玉米单株产量，曲面的高度越高，表示籽粒产量越高，当苗期控水水平处于高水平(－1～0.5)或低水平(0.5～1)时，产量随拔节期灌水量的增加而增加;当苗期控水水平处于中间水平－0.5～0.5时，产量随拔节期灌水量的增加而增加，并且增产幅度大于高水平和低水平;当拔节期控水水平处于不同控水水平时，苗期控水水平从－1逐渐增加到0时，产量增加并达到最大值，苗期控水水平从0逐渐增加到1时，产量随苗期灌水量的增加而降低，整体变化呈低水平、高水平小，中水平大的抛物线形式。

2.5 玉米水分亏缺灌溉模式寻优

通过Matlab软件分析，采用频率分析法对试验所得的数学模型寻优，将编码制在试验范围内划分出(－1、－0.5、0、0.5、1)5个水平，总共可构成25 个处理组合。当单株产量为227 g、密度3 300株/hm2，产量可达到1.125万kg/hm2以上，因此，选定玉米目标产量为1.125万kg/hm2进行频率分析，其中产量高于1.125万 kg/hm2的方案有5个，得到玉米苗期、拔节期调亏灌溉模拟方程寻优结果，当目标产量为1.125万kg/hm2以上时，在95%的置信区间，优化调亏灌溉组合为苗期水分亏缺下限阈值取田间持水量的51% ～63%，上限为70% ～75%，拔节期水分亏缺下限阈值取田间持水量的60% ～73%，上限为80% ～85%。

3 结论

文章研究了苗期、拔节期的2个生育期水分亏缺对玉米产量的影响，建立了2个生育期水分亏缺条件下的玉米产量模型。模型表明苗期、拔节期对产量都有显著影响，对产量的增产作用为拔节期＞苗期。苗期控水、拔节期控水两因素交互作用中，拔节期控水的效果远大于苗期控水的效果。通过对数学模型的寻优分析，在95%的置信区间，得到最佳产量的各因素优化配比方案，当目标产量为1.125万kg/hm2以上时，优化调亏灌溉组合为苗期水分亏缺下限阈值取田间持水量的51%～63%，上限为70% ～75%，拔节期水分亏缺下限阈值取田间持水量的60% ～73%，上限为80% ～85%。

［1］夏军，刘春蓁，任国玉.气候变化对我国水资源影响研究面临的机遇与挑战［J］.地球科学进展，2011，26(01):1 －12.

［2］王秋菊来永才.试论黑龙江省水稻生产与水资源持续利用的对策与建议［J］.中国稻米，2010，16(04):25 －28.

Study on Maize High Efficiency Water Saving Irrigation in Black Soil Region

YAN Xue-bin1and WANG Bo2
(1.Heihe City Water Conservancy Bureau，Heihe 16400，China;2.Heilongjiang Province Water Conservancy Science Research Institute，Harbin 150080，China)

In order to study the efficient irrigation system of spring maize in black soil region，“D—206”saturated optimum design is adopted;field experiment was conducted to study the effects of seedling，jointing different irrigation levels on the yield of maize.The results show that the adverse effect on maize yield at jointing stage，and the water deficit degree at jointing stage is bigger than that at seedling stage.When the target yield is above 11 250 kg/hm2，within the 95%confidence interval，optimized regulated deficit irrigation combination is the lowest threshold of water deficit at seedling stage，which is 51% ～63%of field capacity，the highest limit is 70% ～75%;the lowest threshold for water deficit at jointing stage is 60% ～73%of field capacity，the highest limit is 80% ～85%.

black soil region;spring maize;seedling stage;jointing stage;optimal irrigation;interaction effect

S513

A

1007－7596(2014)07－0005－03

2013－12－16

闫学斌(1980－)，男，山东平阴人，工程师;王柏(1980－)，男，黑龙江阿城人，工程师。