基于不同黑土层厚度的大豆水氮耦合模式※

魏永霞，白　杨

(1.东北农业大学水利与建筑学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江农垦勘测设计研究院，哈尔滨 150090)



基于不同黑土层厚度的大豆水氮耦合模式※

魏永霞1，白杨2

(1.东北农业大学水利与建筑学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江农垦勘测设计研究院，哈尔滨 150090)

摘要：采用黑土层厚度(H)、土壤水分(W)、氮(N)3种因素的饱和最优试验D(311-A)设计方案，进行盆栽试验，研究了不同黑土层厚度(H)条件下，不同数量的水(W)氮(N)耦合对大豆产量及水分利用效率的影响。结果表明，各因素对大豆产量及水分利用效率均有影响，其中水氮耦合作用影响较大，黑土层厚度影响次之；分别提出了基于大豆产量和水分利用效率以及综合考虑产量和水分利用效率的水氮耦合的最佳模式，目的是为该地区不同土壤侵蚀程度条件下的大豆水肥管理提供科学依据。

关键词：大豆；黑土层厚度；水氮耦合；产量；水分利用效率；最优模式

黑龙江省为我国重要的商品粮基地，大豆的播种面积和总产量居全国之首，约占全国的1/ 3左右。黑土是我国的主要耕作土壤，东北黑土区是我国六大水土流失区之一，严重的水土流失导致土壤结构恶化，黑土肥力降低，农田生产力下降[1]，黑土区每年流失掉0.5～1 cm厚度的表土[2]。土层厚度影响土壤的肥力并直接影响着植物的生长，土层厚度越大，土壤含水量和涵养养分越多，其保水保肥效果就越好[3]，土层厚度直接影响了土壤生产力和作物的产量。

水分和养分是作物生长不可或缺的主要因素，水分与养分的作用是相互影响、相互制约的[4]。水分是养分发挥的关键，合理的养分供应能有效的提高作物的水分利用效率，增加作物的产量[5]，从而获得更佳的经济和生态效益。

针对黑龙江省水土资源状况，选取具有代表性的松嫩平原北部丘陵漫岗黑土区坡耕地地区——黑龙江省北安市红星农场，进行盆栽试验。本文主要研究在不同的黑土层厚度、水分、施氮量处理下的耦合作用对大豆产量、水分利用效率的影响，利用MATLAB、SAS、Excel等软件进行分析并建立数学模型，分析确定该区不同黑土层厚度下的大豆水氮耦合的最佳模式，对研究区坡耕地不同土壤侵蚀程度条件下的大豆水肥管理提供科学依据。

1试验材料与方法

1.1试验区概况

试验区位于小兴安岭西麓向松嫩平原过渡地带的黑龙江省北安市红星农场水土保持科技园内，海拔高程在272～310 m，为丘陵漫岗黑土区坡耕地，试验区土壤以质地肥沃的黑草甸土为主，有机质含量为11%，速效氮含量为5.5～6.5 mg/100g土，速效磷含量为4.8～9.8 mg/100g土。

试验区属温带湿润大陆性季风气候，无霜期110～115 d，最大冻深3.0 m，多年平均气温0.4 ℃，多年平均降水量553 mm，其中7—9月降雨量401.7 mm，年平均蒸发量1 100～1 200 mm。全年大风天数达30d，平均风速3.7 m/s，最大风速28 m/s。

1.2试验材料与试验设计

试验盆栽材料选用规格为口径230 mm，高330 mm的塑料桶，在移动式防雨棚内进行，试验品种选用该地区具有代表性的黑河52号大豆。通过测量塑料桶体积、当地原状土含水量及土壤容重，计算不同黑土层厚度的土壤质量，将磷肥P：1.77g/盆，钾肥K：1.68 g/盆全部作为底肥施入。将不同处理的肥料与土壤混均，将扰动土分层填入塑料桶内并注意控制土层厚度，每盆播种12粒，出苗后定苗4株。

本试验设计采用黑土层厚度(H)、土壤水分(W)、氮(N)三因素D-最优饱和设计(311-A)方法，共设11个处理，三次重复。土壤含水量指标根据田间持水量来确定，全生育期大豆耗水量的控制采用称重法。在每天下午17:00采用电子秤称量桶的重量，逐日称重补水至控水标准直到大豆成熟后称重测产，产量取其三次测量的平均值。试验设计及盆栽各处理的大豆产量见表1。

表1　试验设计及各处理水平的大豆产量

2试验结果与分析

2.1建立大豆产量回归方程

试验利用SAS 9.2软件对根据三因素D-最优饱和试验设计所得的大豆产量进行统计分析，建立不同黑土层厚度条件下的大豆水氮耦合效应与产量的数学回归模型，分析不同黑土层厚度及不同数量水氮相互配合对大豆产量的影响：

Y=465+1.249X1+6.293X2+4.768X3-

1.822X12-2.397X22-3.075X32+

0.363X1X2-0.276X1X3+2.918X2X3

(1)

式中：Y为大豆的产量，g·盆-1；X1为黑土层厚度，mm；X2为田间持水量的百分数，%；X3为施氮量，g/盆。

经检验，所得大豆产量回归方程在0.05水平下回归关系显著，可以作为分析和预测的根据。回归模型中的各因素经过量纲形编码代换，其标准化的偏回归系数绝对值的大小可以用来判断各因素对产量的影响程度。由方程(2)中一次项的回归系数可以看出X1、X2、X3系数均为正值，X2明显大于X3，且显著大于X1，这说明黑土层厚度、土壤水分、施氮量都是正效应，对产量起到增产的效果，其中水氮耦合作用影响较大，黑土层厚度影响次之。

2.2基于产量的最佳水氮耦合模式

针对试验区当地的黑土层厚度情况，取不同的黑土层厚度水平值X1，代入产量回归方程(1)，得到关于产量的水分和施氮量两因子耦合效应的回归子模型，分别对水分和施氮量求导并令其为零，解方程组得到相应X2和X3的水平值，即为在此黑土层厚度下能够获得最大产量时的最佳的水氮投入量，见表2。

表2　不同黑土层厚度下产量最大时

由表2可知，试验区大豆产量最高时，不同黑土层厚度条件下的水氮组合模式为：在黑土层厚度分别为0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的情况下，相应的土壤水分和施氮量分别为：81.87%和3.85 g·盆-1、82.07%和3.76 g·盆-1、82.21%和3.68g·盆-1、82.55%和3.59 g·盆-1、82.89%和3.50 g·盆-1、83.03%和3.42 g·盆-1、83.23%和3.34 g·盆-1时大豆的产量达到最大值。

2.3建立大豆水分利用效率回归方程

作物在生长过程中由于受到不同的环境等条件的影响，其维持水分平衡的能力是有限的，会表现出短时间的水分不平衡[6]。对不同生育期的大豆耗水量采用称重法进行测定，并用产量与总耗水量的比值求得水分利用效率，如表3。

根据表3，分析所获得的大豆水分利用效率的相关数据，根据不同黑土层厚度条件下的不同数量水氮相互配合对大豆水分利用效率的影响建立数学模型：

W=0.930+0.025Y1+0.126X2+0.095X3-

0.036X12-0.048X22-0.062X32+

0.007X1X2-0.006X1X3+0.058X2X3

(2)

式中：W为大豆的水分利用效率；X1为黑土层厚度，mm；X2为田间持水量的百分数，%；X3为施氮量，g/盆。

经检验，所求得的大豆水分利用效率回归方程在0.05水平下回归关系显著，由方程(2)中一次项的回归系数可以看出X2明显大于X3，且显著大于X1，说明对大豆水分利用效率的影响顺序为水分效应X2>氮肥X3>黑土层厚度X1，其中水氮耦合作用影响较大，黑土层厚度影响次之。

表3　大豆产量、总耗水量及水分利用效率

2.4基于水分利用效率的最佳水氮耦合模式

针对试验区当地不同的黑土层厚度情况，取不同的水平值X1，将其代入水分利用效率回归方程(2)中，得到关于水分利用效率的回归子模型，分别对水分和施氮量两因子耦合效应方程求导并令其得零，解方程组得到相应的X2和X3的水平值，即为在此黑土层厚度下获得最高水分利用效率时的最佳的水氮投入量，见表4。

由表4可知，在试验区黑土层厚度不同时，大豆水分利用效率最高时的水氮最佳耦合模式为：在黑土层厚度分别为0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的情况下，相应的土壤水分和氮肥施用量分别为： 81.76%和3.82 g·盆-1、81.92%和3.73 g·盆-1、82.07%和3.65 g·盆-1、82.37%和3.55 g·盆-1、82.68%和3.46 g·盆-1、82.83%和3.38 g·盆-1、82.98%和3.29 g·盆-1时大豆的水分利用效率达到最大值。

2.5基于产量及水分利用效率综合最优的水氮耦合模式

衡量大豆生产效率的两个主要指标是产量和水分利用效率，根据对不同黑土层厚度条件下产量最大时的最佳水氮耦合模式与水分利用效率最高时的最佳水氮耦合模式进行比较分析，确定大豆水氮耦合的最佳模式，以便按照所得结果对各因素最佳投入量进行控制，指导当地更高效的进行大豆生产。

表4　不同黑土层厚度下水分利用

根据产量回归方程(1)及水分利用效率回归方程(2)，将不同黑土层厚度X1的编码值代入产量及水分利用效率回归方程，将所得方程联立方程组，利用Matlab软件对基于遗传算法的多目标规划原理进行迭代求解，得到多组符合方程条件的水分及施氮量的编码值，并选取在产量及水分利用效率综合最优时相应耗水量及施氮量较少的组合为其最佳水氮耦合模式，见表5。

表5　不同黑土层厚度下产量及

由表5可知，在试验区不同黑土层厚度条件下，大豆的产量及水分利用效率均能达到最大值时的最佳水氮耦合模式为：在黑土层厚度分别为0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的情况下，相应的土壤水分和氮肥施用量分别为：81.83%和3.84g·盆-1、81.98%和3.75 g·盆-1、82.18%和3.67 g·盆-1、82.51%和3.58 g·盆-1、82.81%和3.49 g·盆-1、82.99%和3.40 g·盆-1、83.21%和3.33 g·盆-1。

4结论

1)通过建立并分析大豆产量及水分利用效率的回归模型，表明黑土层厚度、土壤水分和施氮量三因素对大豆产量及水分利用效率均有影响，其中水氮耦合作用的影响较大，黑土层厚度的影响次之。

2)不同黑土层厚度条件下大豆产量最高时的水氮耦合模式为：在黑土层厚度分别为0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的情况下，相应的土壤水分和施氮量分别为：81.87%和3.85 g·盆-1、82.07%和3.76 g·盆-1、82.21%和3.68g·盆-1、82.55%和3.59 g·盆-1、82.89%和3.50 g·盆-1、83.03%和3.42 g·盆-1、83.23%和3.34 g·盆-1。

3)不同黑土层厚度条件下大豆水分利用效率最高时的水氮耦合模式为：在黑土层厚度分别为0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的情况下，相应的土壤水分和氮肥施用量分别为：81.76%和3.82 g·盆-1、81.92%和3.73 g·盆-1、82.07%和3.65 g·盆-1、82.37%和3.55 g·盆-1、82.68%和3.46 g·盆-1、82.83%和3.38 g·盆-1、82.98%和3.29 g·盆-1。

4)综合考虑大豆产量和水分利用效率，得出不同黑土层厚度条件下保证二者均较高时的水氮耦合模式为：在黑土层厚度分别为0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的情况下，相应的土壤水分和氮肥施用量分别为：81.83%和3.84g·盆-1、81.98%和3.75 g·盆-1、82.18%和3.67 g·盆-1、82.51%和3.58 g·盆-1、82.81%和3.49 g·盆-1、82.99%和3.40 g·盆-1、83.21%和3.33 g·盆-1。

参考文献：

[1]孟凯，张兴义．松嫩平原黑土退化的机理及其生态复原[J]．土壤通报，1998，29(3)：100-102．

[2]田雨．北大仓已退化为第2个黄土高原[J]．河北国土资源，2005，(7)：44-45．

[3]石岩，林琪，位东斌．不同土层厚度条件下旱地小麦花后根系干重及产量变化[J]．干旱地区农业研究，2000，18(2)：61-64．

[4]肖自添，蒋卫杰，余宏军．作物水肥耦合效应研究进展[J]．作物杂志，2007(6)：19-22．

[5]穆兴民．水肥耦合效应与协同管理[M]．北京：中国林业出版社，1999．

Water and Nitrogen Coupling Mode of Soybean under Different Thickness of Black Soil Layer

WEI Yong-xia1and BAI Yang2

(1.Water Conservancy & Civil Engineering College，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China;2.Heilongjiang Provincial Land Reclamation Investigation & Design Institute，Harbin 150090，China )

Abstract：Adopting the D(311-A) optimum design with the 3 experimental factors of black soil layer thickness (H)，soil water content (W) and nitrogen (N)，the pot experiment of water and nitrogen coupling mode of soybean was conducted.The influences of different amounts of water and nitrogen fertilizer on soybean yield and water use efficiency were analyzed.The results showed that the influence of various factors on yield and water use efficiency were obvious，and the effects of water and nitrogen coupling were greater than that of black soil layer thickness.The best coupling mode of water and nitrogen with the highest yield and highest water use efficiency，and the optimum mode with all higher both of them were proposed in the paper.It should be useful for water and fertilizer management of the region with different degree of soil erosion.

Key words：soybean；thickness of black soil layer；water and nitrogen coupling；yield；use efficiency of water；optimal mode

文章编号：1007-7596(2016)04-0034-04

[收稿日期]2016-03-16

[基金项目]国家农业综合开发东北黑土区水土流失治理项目

中图分类号：S506

文献标识码：A

[作者简介]魏永霞(1961-)，女，黑龙江海伦人，教授，博士生导师，从事农业节水和水土保持理论与技术研究，本刊编委、现任副院长；白杨(1987-)，女，黑龙江齐齐哈尔人，工程师，硕士研究生。