基于不同黑土層厚度的大豆水氮耦合模式※

魏永霞，白　楊

(1.東北農業大學水利與建筑學院，哈爾濱 150030；2.黑龍江農墾勘測設計研究院，哈爾濱 150090)

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基于不同黑土層厚度的大豆水氮耦合模式※

魏永霞1，白楊2

(1.東北農業大學水利與建筑學院，哈爾濱 150030；2.黑龍江農墾勘測設計研究院，哈爾濱 150090)

摘要：采用黑土層厚度(H)、土壤水分(W)、氮(N)3種因素的飽和最優試驗D(311-A)設計方案，進行盆栽試驗，研究了不同黑土層厚度(H)條件下，不同數量的水(W)氮(N)耦合對大豆產量及水分利用效率的影響。結果表明，各因素對大豆產量及水分利用效率均有影響，其中水氮耦合作用影響較大，黑土層厚度影響次之；分別提出了基于大豆產量和水分利用效率以及綜合考慮產量和水分利用效率的水氮耦合的最佳模式，目的是為該地區不同土壤侵蝕程度條件下的大豆水肥管理提供科學依據。

關鍵詞：大豆；黑土層厚度；水氮耦合；產量；水分利用效率；最優模式

黑龍江省為我國重要的商品糧基地，大豆的播種面積和總產量居全國之首，約占全國的1/ 3左右。黑土是我國的主要耕作土壤，東北黑土區是我國六大水土流失區之一，嚴重的水土流失導致土壤結構惡化，黑土肥力降低，農田生產力下降[1]，黑土區每年流失掉0.5～1 cm厚度的表土[2]。土層厚度影響土壤的肥力并直接影響著植物的生長，土層厚度越大，土壤含水量和涵養養分越多，其保水保肥效果就越好[3]，土層厚度直接影響了土壤生產力和作物的產量。

水分和養分是作物生長不可或缺的主要因素，水分與養分的作用是相互影響、相互制約的[4]。水分是養分發揮的關鍵，合理的養分供應能有效的提高作物的水分利用效率，增加作物的產量[5]，從而獲得更佳的經濟和生態效益。

針對黑龍江省水土資源狀況，選取具有代表性的松嫩平原北部丘陵漫崗黑土區坡耕地地區——黑龍江省北安市紅星農場，進行盆栽試驗。本文主要研究在不同的黑土層厚度、水分、施氮量處理下的耦合作用對大豆產量、水分利用效率的影響，利用MATLAB、SAS、Excel等軟件進行分析并建立數學模型，分析確定該區不同黑土層厚度下的大豆水氮耦合的最佳模式，對研究區坡耕地不同土壤侵蝕程度條件下的大豆水肥管理提供科學依據。

1試驗材料與方法

1.1試驗區概況

試驗區位于小興安嶺西麓向松嫩平原過渡地帶的黑龍江省北安市紅星農場水土保持科技園內，海拔高程在272～310 m，為丘陵漫崗黑土區坡耕地，試驗區土壤以質地肥沃的黑草甸土為主，有機質含量為11%，速效氮含量為5.5～6.5 mg/100g土，速效磷含量為4.8～9.8 mg/100g土。

試驗區屬溫帶濕潤大陸性季風氣候，無霜期110～115 d，最大凍深3.0 m，多年平均氣溫0.4 ℃，多年平均降水量553 mm，其中7—9月降雨量401.7 mm，年平均蒸發量1 100～1 200 mm。全年大風天數達30d，平均風速3.7 m/s，最大風速28 m/s。

1.2試驗材料與試驗設計

試驗盆栽材料選用規格為口徑230 mm，高330 mm的塑料桶，在移動式防雨棚內進行，試驗品種選用該地區具有代表性的黑河52號大豆。通過測量塑料桶體積、當地原狀土含水量及土壤容重，計算不同黑土層厚度的土壤質量，將磷肥P：1.77g/盆，鉀肥K：1.68 g/盆全部作為底肥施入。將不同處理的肥料與土壤混均，將擾動土分層填入塑料桶內并注意控制土層厚度，每盆播種12粒，出苗后定苗4株。

本試驗設計采用黑土層厚度(H)、土壤水分(W)、氮(N)三因素D-最優飽和設計(311-A)方法，共設11個處理，三次重復。土壤含水量指標根據田間持水量來確定，全生育期大豆耗水量的控制采用稱重法。在每天下午17:00采用電子秤稱量桶的重量，逐日稱重補水至控水標準直到大豆成熟后稱重測產，產量取其三次測量的平均值。試驗設計及盆栽各處理的大豆產量見表1。

表1　試驗設計及各處理水平的大豆產量

2試驗結果與分析

2.1建立大豆產量回歸方程

試驗利用SAS 9.2軟件對根據三因素D-最優飽和試驗設計所得的大豆產量進行統計分析，建立不同黑土層厚度條件下的大豆水氮耦合效應與產量的數學回歸模型，分析不同黑土層厚度及不同數量水氮相互配合對大豆產量的影響：

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

1.822X12-2.397X22-3.075X32+

0.363X1X2-0.276X1X3+2.918X2X3

(1)

式中：Y為大豆的產量，g·盆-1；X1為黑土層厚度，mm；X2為田間持水量的百分數，%；X3為施氮量，g/盆。

經檢驗，所得大豆產量回歸方程在0.05水平下回歸關系顯著，可以作為分析和預測的根據。回歸模型中的各因素經過量綱形編碼代換，其標準化的偏回歸系數絕對值的大小可以用來判斷各因素對產量的影響程度。由方程(2)中一次項的回歸系數可以看出X1、X2、X3系數均為正值，X2明顯大于X3，且顯著大于X1，這說明黑土層厚度、土壤水分、施氮量都是正效應，對產量起到增產的效果，其中水氮耦合作用影響較大，黑土層厚度影響次之。

2.2基于產量的最佳水氮耦合模式

針對試驗區當地的黑土層厚度情況，取不同的黑土層厚度水平值X1，代入產量回歸方程(1)，得到關于產量的水分和施氮量兩因子耦合效應的回歸子模型，分別對水分和施氮量求導并令其為零，解方程組得到相應X2和X3的水平值，即為在此黑土層厚度下能夠獲得最大產量時的最佳的水氮投入量，見表2。

表2　不同黑土層厚度下產量最大時

由表2可知，試驗區大豆產量最高時，不同黑土層厚度條件下的水氮組合模式為：在黑土層厚度分別為0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的情況下，相應的土壤水分和施氮量分別為：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時大豆的產量達到最大值。

2.3建立大豆水分利用效率回歸方程

作物在生長過程中由于受到不同的環境等條件的影響，其維持水分平衡的能力是有限的，會表現出短時間的水分不平衡[6]。對不同生育期的大豆耗水量采用稱重法進行測定，并用產量與總耗水量的比值求得水分利用效率，如表3。

根據表3，分析所獲得的大豆水分利用效率的相關數據，根據不同黑土層厚度條件下的不同數量水氮相互配合對大豆水分利用效率的影響建立數學模型：

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為大豆的水分利用效率；X1為黑土層厚度，mm；X2為田間持水量的百分數，%；X3為施氮量，g/盆。

經檢驗，所求得的大豆水分利用效率回歸方程在0.05水平下回歸關系顯著，由方程(2)中一次項的回歸系數可以看出X2明顯大于X3，且顯著大于X1，說明對大豆水分利用效率的影響順序為水分效應X2>氮肥X3>黑土層厚度X1，其中水氮耦合作用影響較大，黑土層厚度影響次之。

表3　大豆產量、總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

針對試驗區當地不同的黑土層厚度情況，取不同的水平值X1，將其代入水分利用效率回歸方程(2)中，得到關于水分利用效率的回歸子模型，分別對水分和施氮量兩因子耦合效應方程求導并令其得零，解方程組得到相應的X2和X3的水平值，即為在此黑土層厚度下獲得最高水分利用效率時的最佳的水氮投入量，見表4。

由表4可知，在試驗區黑土層厚度不同時，大豆水分利用效率最高時的水氮最佳耦合模式為：在黑土層厚度分別為0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的情況下，相應的土壤水分和氮肥施用量分別為： 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時大豆的水分利用效率達到最大值。

2.5基于產量及水分利用效率綜合最優的水氮耦合模式

衡量大豆生產效率的兩個主要指標是產量和水分利用效率，根據對不同黑土層厚度條件下產量最大時的最佳水氮耦合模式與水分利用效率最高時的最佳水氮耦合模式進行比較分析，確定大豆水氮耦合的最佳模式，以便按照所得結果對各因素最佳投入量進行控制，指導當地更高效的進行大豆生產。

表4　不同黑土層厚度下水分利用

根據產量回歸方程(1)及水分利用效率回歸方程(2)，將不同黑土層厚度X1的編碼值代入產量及水分利用效率回歸方程，將所得方程聯立方程組，利用Matlab軟件對基于遺傳算法的多目標規劃原理進行迭代求解，得到多組符合方程條件的水分及施氮量的編碼值，并選取在產量及水分利用效率綜合最優時相應耗水量及施氮量較少的組合為其最佳水氮耦合模式，見表5。

表5　不同黑土層厚度下產量及

由表5可知，在試驗區不同黑土層厚度條件下，大豆的產量及水分利用效率均能達到最大值時的最佳水氮耦合模式為：在黑土層厚度分別為0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的情況下，相應的土壤水分和氮肥施用量分別為：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結論

1)通過建立并分析大豆產量及水分利用效率的回歸模型，表明黑土層厚度、土壤水分和施氮量三因素對大豆產量及水分利用效率均有影響，其中水氮耦合作用的影響較大，黑土層厚度的影響次之。

2)不同黑土層厚度條件下大豆產量最高時的水氮耦合模式為：在黑土層厚度分別為0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的情況下，相應的土壤水分和施氮量分別為：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)不同黑土層厚度條件下大豆水分利用效率最高時的水氮耦合模式為：在黑土層厚度分別為0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的情況下，相應的土壤水分和氮肥施用量分別為：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)綜合考慮大豆產量和水分利用效率，得出不同黑土層厚度條件下保證二者均較高時的水氮耦合模式為：在黑土層厚度分別為0mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm的情況下，相應的土壤水分和氮肥施用量分別為：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。

參考文獻：

[1]孟凱，張興義．松嫩平原黑土退化的機理及其生態復原[J]．土壤通報，1998，29(3)：100-102．

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[5]穆興民．水肥耦合效應與協同管理[M]．北京：中國林業出版社，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

文章編號：1007-7596(2016)04-0034-04

[收稿日期]2016-03-16

[基金項目]國家農業綜合開發東北黑土區水土流失治理項目

中圖分類號：S506

文獻標識碼：A

[作者簡介]魏永霞(1961-)，女，黑龍江海倫人，教授，博士生導師，從事農業節水和水土保持理論與技術研究，本刊編委、現任副院長；白楊(1987-)，女，黑龍江齊齊哈爾人，工程師，碩士研究生。