東北地區玉米大豆水分利用效率研究

米　娜，張玉書，蔡　福，紀瑞鵬，劉　明，于秀捷

(1.中國氣象局沈陽大氣環境研究所， 遼寧 沈陽 110166； 2.撫順市氣象局， 遼寧 撫順 113006；

3.遼寧省氣象信息中心， 遼寧 沈陽 110166)

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東北地區玉米大豆水分利用效率研究

米娜1，張玉書1，蔡福1，紀瑞鵬1，劉明2，于秀捷3

(1.中國氣象局沈陽大氣環境研究所， 遼寧 沈陽 110166； 2.撫順市氣象局， 遼寧 撫順 113006；

3.遼寧省氣象信息中心， 遼寧 沈陽 110166)

摘要：利用大安和朝陽玉米研究站點、呼瑪和錦州大豆研究站點近20 a作物產量、發育期及土壤水分實測資料，同時結合分期播種試驗資料，研究了玉米大豆產量水分利用效率(WUEg)對降水、溫度的響應特征，分析了兩種作物產量水分利用效率與群落水平水分利用效率(WUEb)的關系。結果表明：大安和朝陽站點玉米WUEg分別為1.75±0.47 kg·m(-3)和1.98±0.72 kg·m(-3)，呼瑪和錦州站點大豆WUEg分別為0.63±0.35 kg·m(-3)和0.55±0.18 kg·m(-3)；玉米站點WUEg與播種—成熟期間的降水量和ET均呈顯著的二次曲線關系(P<0.05)，WUEg與溫度關系不明顯；大豆WUEg與播種至成熟期間的降水量呈現顯著的負相關關系；歷史資料分析結果表明，隨著生育期期間平均氣溫的增加，大豆WUEg升高；在大安和朝陽站點，取得高水分利用效率與獲得高產所消耗的水量(即ET)并不一致，表明對于存在干旱脅迫的半干旱和半濕潤區，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)是提高產量的有效途徑，植物消耗的水量(ET)往往是決定作物產量的重要因素。

關鍵詞：有效的利用水；產量水分利用效率；群落水平水分利用效率；響應特征；耗水量

東北地區(遼寧、吉林、黑龍江)是我國重要的糧食生產基地，糧食商品率高達55%以上，商品糧占全國總量的1/4左右，居全國之首[1]。 特別是在《全國新增1 000億斤糧食生產能力規劃(2009—2020年)》中已經明確了東北三省作為全國13個糧食生產核心區的地位。東北地區是我國春玉米和春播大豆的主產區，玉米播種面積約占全區糧食作物面積的60%，春播大豆區和黃淮海夏播大豆區是中國大豆種植面積最大、產量最高的兩個地區。東北地區農作物種植主要依靠雨養[2]。在全球氣候變暖的背景下，東北地區的氣候具有顯著的變暖趨勢，降水總量在具有減少趨勢的背景下，降水事件還有向極端化發展的傾向，降水時間分布變得更不均勻，這可能引起更多更強的旱澇災害，從而對東北地區的生態環境，尤其是農業生產帶來不利的影響[3]，氣候變化通過影響雨養農業區的土壤水分狀況，威脅糧食生產的穩定性[4]。因此，當前氣候變化情景下雨養農業所要面臨的主要問題是嚴酷的水資源限制。提高水分利用效率，發展高效用水農業對解決全球缺水問題十分必要[5-6]。

據研究，目前世界范圍玉米作物的平均水分生產效率為1.8 kg·m-3，而目前玉米的水分利用效率最高水平可達2.7 kg·m-3，存在著巨大的提升潛力[5]。綜合以往文獻來看，在東北地區開展提高農田作物水分利用效率的試驗研究報道較少，鄒文秀等[7]報道了施肥對東北黑土區大豆水分利用效率的影響，更多的研究集中在了提高華北平原農田作物水分利用效率適用技術的研究上，如張喜英[5]、梅旭榮等[8]提出了實現華北平原農田節水增產增效的對策；劉庚山等[9]研究表明，留殘茬和秸稈覆蓋能明顯提高夏玉米葉片水平上的水分利用效率，最終提高產量上的水分利用效率；邵立威等[10]對華北夏玉米產量及水分利用效率的研究表明，種植密度為60 000～67 500株·hm-2的玉米產量高于75 000株·hm-2的密度產量，且選擇高產品種是提高水分利用效率的一個重要途徑，產量高的品種其水分利用效率也較高，兩者存在正相關關系。然而也有研究指出，在干旱脅迫下，有效的利用水(effective use of water，EUW)才是提高產量的重要途徑[11]。本研究利用東北地區有代表性的玉米大豆農業氣象觀測站點的長期觀測資料，同時結合分期播種試驗資料，分析了玉米大豆水分利用效率對降水、溫度的響應，闡明兩種作物產量水分利用效率與群落水平水分利用效率的關系，探討了玉米高產與高水分利用效率下玉米耗水特性，旨在明確提高作物產量的有效途徑，從而為氣候變化背景下保障東北地區的糧食安全提供理論依據。

1材料與方法

1.1站點選取及數據來源

本研究在東北地區選取了具有較長時段作物產量、發育期、土壤墑情觀測記錄的農試站點，其站點詳情參見表1。數據取自農業氣象觀測記錄報表，研究站點的數據內容包括：1990—2009年玉米產量、播種、成熟日期、土壤水分資料及1994—2009年大豆產量、播種、成熟日期、土壤水分資料等。

表1　農試站點詳情介紹

大安農田試驗站位于吉林省西北部，地處松嫩平原腹地，1990—2009年在該區定點觀測玉米農田，該區玉米通常在4月下旬至5月上旬播種，9月下旬成熟，根據1990—2009年的發育期記錄，玉米的平均生育期為137 d。朝陽農田試驗站位于遼寧省西部，該區玉米每年5月上旬播種，9月中旬至下旬成熟，該區玉米的平均生育期為126 d。2009年該試驗區遭遇了較嚴重的干旱，7月21日至8月16日期間的降水量僅為0.2 mm，干旱使得大部分作物枯死，因此未能獲取2009年的產量數據。

呼瑪農田試驗站位于大興安嶺東麓，1994—2009年在該區定點觀測大豆農田，該區大豆通常在5月中旬播種，9月中下旬成熟，根據1994—2009年的發育期記錄，該區大豆的平均生育期為124 d。錦州農田試驗站位于朝陽站東南110 km處，該區大豆4月底至5月上旬播種，9月下旬成熟，平均發育期145 d。

1.2分期播種試驗設置

本研究2011和2012年在遼寧朝陽和錦州設置了玉米和大豆分期播種試驗，用以研究不同氣候條件下作物的水分利用效率狀況。玉米選用4個品種(丹玉39、丹玉99、良玉88、農華101)，在錦州和朝陽分別設置8個和7個播期(分別于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日播種，朝陽沒有4月10日的播期)；大豆選用2個品種(鐵豐29和遼豆15)，在錦州設置4個播期(分別于4月20日，4月30日，5月10日，5月20日播種)。

各農試站點從作物播種開始至成熟，每5 d測定一次土壤含水量，土壤含水量采用稱重法測定，測定深度為0～100 cm，每隔10 cm測定一次。玉米成熟后按照《農業氣象觀測規范》測定籽粒產量。

由于試驗期間對玉米和大豆進行了破壞性采樣，因此無法獲得試驗小區的實際產量，本研究中用理論產量代替實際產量用于分期播種水分利用效率的計算。

1.3ET的計算

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代表地下滲漏，R代表地表徑流，ΔW代表1m土層深度的土壤水分含量變化(mm)。由于試驗區域地勢平坦，因此忽略地表徑流。觀測記錄表明試驗區地下水位大于4m，因此，滲漏和重力提升水也可以忽略不計。此外，試驗區為雨養農業區，沒有灌溉，因此本研究中可采用ET=P+ΔW來計算ET值。

1.4水分利用效率定義

本文將產量水分利用效率(WUEg，kg·m-3)定義為玉米每消耗1 m3水所能生產的籽粒產量，采用籽粒產量與整個生育期ET的比值來計算。群落水平的水分利用效率(WUEb，kg·m-3)是作物群體光合產物與作物總蒸騰量的比值，也可以看作群體生物量與作物蒸發蒸騰量(即蒸散量)ET的比值。

1.5線性方程及一元二次方程的擬合

利用Origin軟件對玉米大豆產量水分利用效率對溫度、降水及ET的響應進行線性擬合(y=ax+b)及一元二次方程(y=ax2+bx+c)擬合。利用公式x=-b/2a，求出使得WUEg達到最大值時的降水及ET值。

2結果與分析

2.1玉米、大豆產量水分利用效率對降水、溫度的響應

大安和朝陽站點玉米產量水分利用效率對播種至成熟期間降水量的響應如圖1a、b所示。對于大安和朝陽站點來說，在較干旱的年份和較濕潤的年份里，玉米WUEg均表現出較低的值(圖1a，b)。當播種—成熟期間的降水分別為325 mm(大安)、391 mm(朝陽)時，產量水分利用效率達最高值(圖1a、b，表2)。大安和朝陽站點WUEg與播種至成熟期降水量的關系可以用一個二次曲線函數來擬合，且關系顯著(P<0.05)(大安1997年、朝陽2000和2002年的數據除外)(圖1a，b)。綜合2個站點(大安和朝陽)來看，玉米產量水分利用效率為0.8～2.9 kg·m-3，該值與我國華北平原夏玉米WUEg(1.6～2.3 kg·m-3)和西北地區春玉米WUEg(1.1～2.9 kg·m-3)的值基本相當[12-13]。不同于玉米水分利用效率與降水量的關系，大豆WUEg與播種至成熟期間的降水量呈現顯著的負相關關系(P<0.05)(圖1c、d)，即隨著播種至成熟期間降水量的增加，大豆WUEg表現為降低。與錦州大豆WUEg(0.4～0.8 kg·m-3，變異系數0.33)相比，呼瑪WUEg(0.1～1.3 kg·m-3，變異系數0.56)變異較大，可能與該地區熱量條件較差有關。

玉米和大豆站點產量水分利用效率對播種至成熟期平均氣溫的響應如圖2所示。玉米產量水分利用效率隨溫度的變化并沒有表現出明顯的規律，大安站點玉米生長期間的平均溫度為19℃～21℃，朝陽站點熱量條件好于大安，玉米生長期間的平均溫度為21℃～24℃。2個站點WUEg與發育期期間的平均溫度關系不明顯，說明生長季溫度能保證玉米的正常生長，對WUEg不起主導作用。錦州和呼瑪站點大豆水分利用效率隨著播種至成熟期平均氣溫的增加而增高，但該趨勢在兩個站點均未通過顯著性檢驗，還有待更多的試驗數據來驗證。

注：(a) 中實心方點代表1997年，(b) 中實心方點代表2002年，實心三角點代表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.

圖1　玉米〔大安(a)、朝陽(b)〕和大豆〔錦州(c)、呼瑪(d)〕產量水分利用效率對播種至成熟期降水量的響應

圖2玉米〔大安(a)、朝陽(b)〕和大豆〔錦州(c)、呼瑪(d)〕產量水平水分利用效率對播種至成熟期平均溫度的響應

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玉米產量及水分利用效率對ET的響應

20年來(1990—2009年)大安和朝陽站點玉米ET值分別為200～580 mm及250～580 mm。在大安和朝陽站點，玉米產量水分利用效率與ET呈現二次曲線關系，且關系顯著(P<0.05)，即隨著ET的增加WUEg升高，ET增加到一定值后，WUEg則隨著ET的增加而減小(圖3a，c)。對于大安和朝陽站點，使WUEg達到最大值的ET值分別為329 mm和404 mm(表2)。

大安和朝陽站點產量與ET的關系如圖3b，d所示，大安和朝陽站點玉米產量與ET呈現顯著的二次曲線關系(P<0.01)，該結果與董玉云等[14]對西部地區玉米的研究結果相一致，即玉米產量與玉米生育期總耗水量呈良好的拋物線關系。通過計算可知，使大安和朝陽站點產量達到最大值的ET分別為442 mm和469 mm(表2)。

在大安站點，使WUEg和產量達到最大值所對應的ET1和ET2分別為329 mm和442mm，將該值分別代入圖3b的擬合公式中，則求得的產量分別為6.67 t·hm-2和7.60 t·hm-2，ET2下獲得的產量比ET1增產14%，同樣在朝陽站點，ET1和ET2分別為404 mm和469 mm，代入圖3d的擬合公式中，得到的產量分別為9.17 t·hm-2和9.84 t·hm-2，ET2下獲得的產量比ET1增產7%。

注：(a)(b)中實心方點代表1997年，(c)中實心方點代表2002年，實心三角點代表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.

圖3　大安(a,b)、朝陽(c,d)站點玉米產量水平水分利用效率和籽粒產量對ET的響應

注：*數據通過圖1、3中擬合方程y=ax2+bx+c中的-b/2a計算得到。

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

2.3玉米、大豆分期播種試驗與歷史資料的比對

分期播種試驗結果表明，在錦州和朝陽站點當播種至成熟期間的降水量為400 mm左右時，產量水分利用效率達最高(圖4)，且玉米產量水分利用效率與生育期內平均溫度關系不明顯(圖略)，該結果與朝陽玉米站點歷史數據的研究結果相一致。

圖4丹玉39(a)、丹玉99(b)、良玉88(c)、農華101(d)產量水分利用效率對播種至成熟期間降水量的響應

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

大豆分期播種試驗表明，隨著播種至成熟期間降水量的增加，產量水分利用效率降低(圖略)。產量水分利用效率對生育期內平均溫度的響應如圖5所示，大豆WUEg與生育期內平均溫度呈顯著的線性相關關系(P<0.05)，即隨著生育期內平均溫度的升高，WUEg表現為增加。以上結果與對大豆歷史數據的研究結果相一致。

圖5遼豆15(a)、鐵豐29(b)產量水平水分利用效率對播種至成熟期間均溫的響應

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產量水分利用效率與群落水分利用效率的關系

從圖6、7可以看出，玉米和大豆WUEb和WUEg呈現顯著的線性關系(P<0.01)，如果設置線性關系截距為零，則玉米WUEb約為WUEg的2倍，對于大豆而言，WUEb約為WUEg的2.4倍。玉米和大豆WUEb和WUEg之間的正相關關系表明，較高的群落水平水分利用效率對于獲得較高的產量水分利用效率有利，最終對經濟產量的獲得有利。目前，對玉米和大豆WUEb和WUEg之間關系的研究并不多見，Qiu等[15]對冬小麥WUEb和WUEg之間關系的研究結果與本研究對玉米和大豆的研究結果類似。

3討論

圖6　玉米產量水平水分利用效率與群落

圖7大豆產量水平水分利用效率與群落水平水分利用效率的關系

Fig.7Correlation between water use efficiency at

the level of soybean yield (WUEg) and WUE at

the level of soybean biomass (WUEb)

大安和朝陽站點WUEg對播種至成熟期間降水量的響應較為相似，較少和較多的降水量均導致較低的WUEg，該結果與調虧灌溉試驗研究所得出的結論較為一致，調虧灌溉理論認為，適度的水分虧缺往往會提高作物產量和水分利用效率，這是因為作物對適度水分虧缺產生了補償或超補償效應，這種補償效應經常表現在作物受旱后復水，若干生理功能超過一直充足供水的生理功能，如劉吉利等[16]研究表明，花生苗期結合蹲苗，進行適當干旱處理(控水5 d)后復水，葉片光合性能可迅速恢復到正常水平，不影響產量，而且可減少耗水量，有利于提高花生水分利用效率。另外在作物受旱期間，雖然生長受到一定抑制，但可能強化了能量代謝和一些生物合成，增加了光合產物向經濟產量的轉化，提高了經濟系數[5]。此外，一些灌溉控制試驗在一定程度上也可以反映出降水對WUE的影響，在不同的年份里，灌溉量與夏玉米WUE之間的關系可以用二次曲線方程來擬合，這表明使得夏玉米獲得最大WUE的最佳灌溉量要低于試驗中所設置的最大灌溉量[17]。綜合考慮產量和水分利用效率，生育期灌水量減少25%～30%并不降低玉米的產量，適度缺水反而有利于某些作物經濟產量的增加[18]。

本研究結果表明，大安和朝陽站點WUEg和產量達到最大值時所對應的ET并不一致(表2)，產量達到最大值時所對應的ET2高于WUEg最大值時的ET1，且大安站點ET2和ET1之間的差值(約110 mm)大于朝陽站點(約70 mm)，相似的研究結果也體現在Du等[13]對玉米作物的研究，Du等對西北地區玉米的調虧灌溉研究結果顯示，ET2和ET1的值約分別為500 mm和450 mm。上述結果表明，在大安和朝陽站點，取得高水分利用效率與獲得高產所消耗的水量(即ET)是不一致的，也就是說作物水分利用效率達到最高值時，作物產量并沒達到最高(圖3)，由此可見，提高水分利用效率并不能作為產量提高的有效途徑，那么什么才是提高產量的有效途徑呢？Blum[11]指出干旱脅迫下，有效的利用水(Effective use of water，EUW)而不是單純追求水分利用效率(WUE)才是提高產量的有效途徑。有效的利用水是指最大化地獲取土壤水分，同時使大部分可獲得的土壤水用于氣孔蒸騰，減少土壤蒸發造成的水分消耗[5]，擴大作物根系在空間所占體積，使根系接觸更多的土壤水分，提高土壤水分對作物的有效性[5]。對小麥的試驗研究表明，刪減根系處理后，小麥的水分利用效率提高了，但產量卻沒得到提高[19-20]。因此，有效的利用水與提高水分利用效率有本質上的不同，因為高的水分利用效率往往會違背有效的利用水原則[11]。Passioura[21]指出，作物消耗的水量、水分利用效率及收獲指數3個變量共同驅動著作物產量，而Blum[11]則認為真正決定產量的是消耗的水量以及收獲指數，水分利用效率僅僅是一個過程量。其中，收獲指數在很大程度上也受植物吸收的水及植物水分狀況的影響，因此在有干旱脅迫影響的狀況下，植物消耗的水量才是決定作物產量的重要(但不唯一)因素。本研究中，大安和朝陽站點產量達到最大值時所消耗的水量要大于WUEg最大值時消耗的水量，且這種差異在降水相對偏少的大安地區表現得比在朝陽地區更加明顯(表2)。大安和朝陽站點WUEg和產量與ET的關系從某種程度上支持了Blum1[11]的觀點，同時應用Blum1[11]的觀點也可以解釋發生在兩個站點的研究結果。

4結論

利用東北地區代表站點玉米大豆長期(20年)觀測資料，結合分期播種試驗資料，開展了東北地區玉米大豆水分利用效率研究。玉米WUEg和產量與玉米生育期總耗水量(ET)呈現顯著的二次曲線關系，WUEg和產量達到最大值時所對應的ET并不一致，表明對于存在干旱脅迫的半干旱和半濕潤區，有效的利用水(Effective use of water，EUW)而不是水分利用效率(WUE)是提高產量的有效途徑，植物消耗的水量(ET)往往是決定作物產量的重要因素。大豆WUEg與播種至成熟期間的降水量呈現顯著的負相關關系，隨著生育期期間平均氣溫的增加大豆WUEg升高，此關系有待進一步研究證實。玉米和大豆WUEb和WUEg之間的正相關關系表明，較高的群落水平水分利用效率對于獲得較高的產量水分利用效率有利，最終對經濟產量的獲得有利。

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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

中圖分類號：Q143

文獻標志碼：A

作者簡介：米娜，博士，副研究員，主要研究方向為陸地生態系統與全球變化，生態系統過程模型，農田生態系統水循環。 E-mail:mina7921@126.com。通信作者：張玉書，正研級高級工程師。 E-mail:yushuzhang@126.com。

基金項目：沈陽大氣環境研究所公益性科研院所基本科研業務費(2011IAE-CMA12)；公益性行業(氣象)科研專項(GYHY201106029-6)；遼寧省科學技術廳農業攻關及成果產業化項目(2014210003); 遼寧省農業領域青年科技創新人才培養計劃項目(2014060)

收稿日期：2015-01-17

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.01

文章編號：1000-7601(2016)02-0001-08