河套地區食用向日葵干旱等級指標研究

云文麗，賈成朕

(1．內蒙古自治區氣象干部培訓學院,內蒙古 呼和浩特 010051; 2．內蒙古自治區生態與農業氣象中心，內蒙古 呼和浩特 010051)

向日葵是內蒙古自治區的重要經濟作物之一，內蒙古向日葵種植面積占全國向日葵種植面積的70%～80%，是全國向日葵的主產區。向日葵因其耐鹽堿的特性，主要在內蒙古自治區河套地區種植。近年來，河套地區向日葵種植面積占到河套地區總播種面積的1/4以上，已成為當地特色作物的支柱產業[1-2]。近年來，面對黃河水資源日趨緊缺、內蒙古河套灌區引黃河水量指令性縮減的嚴峻形勢，為擺脫因缺水給灌區農業帶來的諸多不利影響，迫切需要準確評價作物干旱程度用于定量指導灌溉，提高灌溉用水管理水平，確保水資源科學、高效利用[3-7]。很多學者利用不同方法，針對發生干旱的作物得出一系列的干旱指標，可為確定干旱是否發生及其嚴重程度提供標準[8-12]。其中一類指標主要通過不同生育階段水分條件對作物生長發育及產量影響的試驗研究[13-15]，確定不同階段的適宜或受旱的土壤濕度指標[16-18]，這也是目前開展最廣泛的研究內容。土壤水分對向日葵生長發育影響的研究已有報道，包括土壤水分對向日葵株高、葉面積、干物質累積和光合生理指標的影響等[19-23]。這些研究從不同階段的土壤水分條件對向日葵生長發育的影響入手，但尚未確定系統性的干旱等級指標，不能服務于干旱災害的監測、影響評估和指導灌溉等業務需要。本文以河套地區向日葵為研究對象，通過分析已有的向日葵土壤水分田間控制試驗研究成果，利用土壤相對濕度與作物生長參數之間的相關關系，結合數理統計分析方法，建立向日葵不同生育階段干旱等級指標，為開展向日葵干旱災害的監測及指導節水灌溉服務提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據材料

所用數據資料主要包括2012—2014年在內蒙古巴彥淖爾市開展的向日葵土壤水分控制田間試驗結果，以及該站向日葵農業氣象常規觀測的歷史資料(2005—2019年)。向日葵土壤田間水分控制試驗水分控制指標設4類，即嚴重缺水、缺水、水分適宜和偏濕，分別占田間持水量(FC)的比例為： <40%，40%～55%，55%～70%，70%～90%，把自然降水不灌溉設為對照(CK)。水分控制試驗設置依據歷年土壤水分狀況對向日葵發育形態、產量等特征的影響，以及當地土壤參數對灌溉后土壤水分的下滲深度的影響，水分控制分3個時段：出苗～花序形成期、花序形成～開花期、開花～成熟期，其它時段水分按FC的55%～70%供給，各處理設2個重復，共計22個小區。試驗小區面積為4 m×6 m，小區之間設置隔離層，試驗場設有大型活動式防雨棚。井水灌溉，灌水量通過水表記錄。與本文相關的試驗測定項目包括：土壤水分、株高、葉面積、干物重和產量。其中，土壤水分測定深度0～100 cm，每隔10 cm為一層，每隔5 d測定一次；選擇5株作為株高和葉面積的觀測樣本，二對真葉期開始測定，每5 d測量一次，開花后停止株高觀測，開花后葉面積每7 d觀測一次，直至收獲。葉面積計算采用系數法，向日葵葉面積系數為0.64；在花序形成、開花期和成熟期，每個小區每次隨機取5株測定地上部分各器官干物質重量。農業氣象站點觀測資料主要包括向日葵發育期數據、土壤相對濕度觀測數據、土壤水分常數和產量數據等，相應氣象數據主要包括逐日最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、降水量、日照時數、平均風速和水汽壓。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤相對濕度(Rsm) 根據向日葵根系發育情況，苗期測定土層厚度取30 cm，其它生長發育時段取50 cm。土壤相對濕度計算公式為:

(1)

式中，Rsm為土壤相對濕度(%)；Swi為第i層土壤重量含水率(%)；FCi為第i層土壤田間持水量(%)。

1.2.2 作物生長參數

(1)相對高度(ΔH)：向日葵相對生長高度參數只可用于出苗～花序形成和花序形成～開花后一周的評價，相對高度(ΔH)按式(2)計算：

(2)

(2)相對階段生物量(ΔB)按式(3)計算：

(3)

(3)相對葉面積指數(ΔLAI)按式(4)計算：

(4)

(4)波動產量(ΔYd)：水分控制試驗小區波動產量波動按式(5)計算：

(5)

2 結果與分析

2.1 基于土壤相對濕度的干旱等級指標的構建

依據向日葵生育期劃分結果，按照公式(1)計算向日葵水分控制試驗中各小區3個發育時段(出苗～花序形成、花序形成～開花后一周和開花后一周～成熟期)的土壤相對濕度，同時按照公式(2)～(5)計算相應發育時段的作物生長參數，包括作物相對高度、相對葉面積指數、相對階段干物質和產量，建立土壤相對濕度與作物生長參數在3個發育時段的回歸方程，確定之間的定量關系(表1)。用所建立的11個方程(向日葵開花后高度停止觀測)可以看出，各階段土壤相對濕度與作物生長參數之間具有較好的線性相關關系。其中，出苗～花序形成時段內，土壤相對濕度與4個作物生長參數之間的相關性都通過了0.01水平的顯著性檢驗，其中，與相對高度相關性最好，相關系數為0.6626，其次是相對階段生物量和相對葉面積指數，相關系數分別為0.6403和0.6278，與產量波動的相關性較低。可見，在生育前期向日葵處于營養生長快速期，表征營養生長的作物高度對土壤水分更為敏感。向日葵在花序形成～開花后一周期間，土壤相對濕度與產量波動間的相關性最高，相關系數為0.8546，其次階段干物質與相對高度和相對葉面積指數的相關性基本相同，分別為0.4636和0.4670，相關性只通過了0.05水平的顯著性檢驗，說明該階段的土壤水分狀況對向日葵的最終產量起到了決定性作用。同時，該時段植株進入生殖生長階段，營養生長緩慢，土壤水分對株高和葉面積的影響逐漸減弱。向日葵在開花后一周～成熟期期間，土壤相對濕度與作物生長參數的相關性總體較前兩個發育期低，開花后向日葵高度不再作為觀測項目，土壤相對濕度和階段生物量的相關性通過了0.01水平的顯著性檢驗，與其它兩個因子的相關性只通過了0.05水平的顯著性檢驗。向日葵在該時段進入籽粒成熟階段，葉子逐漸枯黃，在開花后一周葉面積指數急速下滑，土壤水分對葉面積指數的影響逐漸減弱，后期的土壤水分更多地影響到葉面積的衰減速率[23]。同時，該時段的向日葵需水量較關鍵期減少，產量形成基本已成定局，產量較相對階段生物量積累對土壤水分的依賴性逐漸降低。

表1 土壤相對濕度和向日葵各生長參數的相關性

將土壤相對濕度值代入表1的方程中，計算相應作物生長參數值(表2)，從表2的數據可以看出，一定的土壤相對濕度下各個作物生長參數在不同發育階段都表現出了一致性。出苗～花序形成期，4個作物參數在土壤相對濕度為60%時，計算結果都開始出現負值，表明此時土壤相對濕度為60%時植物生長開始受限；花序形成～開花后一周，4個作物參數基本在土壤相對濕度為65%時出現了負值，其中，相對高度在土壤相對濕度為70%時就開始出現了負值，這很可能與觀測誤差有關。向日葵開花后高度生長停止且花盤下垂，高度出現后縮現象；開花后一周～成熟期，土壤相對濕度為55%時，3個作物參數出現了明顯的負值。根據表2的計算結果，本文確定了向日葵不同發育時段發生干旱脅迫時土壤相對濕度的階段閾值(見表3)。由于不同發育階段的水分虧缺敏感指數、需水量、補償生長等影響，表3中不同生育期的指標并不完全一致。花序形成～開花后一周土壤相對濕度指標要高于其他發育期，這是由于該發育階段為向日葵的生殖生長期，水分敏感系數和需水量都較其他時段高的緣故。開花后一周～成熟期基于土壤相對濕度的干旱等級指標較其他發育階段最低，主要是由于向日葵生長逐漸趨緩，產量基本形成，水分敏感系數較小的緣故。基于表1中土壤濕度與各作物生長參數的相關性，得到不同土壤水分梯度在向日葵不同發育時段內，對作物參數的影響結果，具體劃分等級見表4。不同發育時段主要作物參數的變化閾值可作為作物受旱的輔助指標。

表2 土壤相對濕度對應的向日葵各生長參數

表3 基于土壤相對濕度的向日葵干旱等級指標

表4 干旱脅迫的向日葵生長參數閾值

2.2 基于土壤相對濕度的干旱等級指標的驗證

利用內蒙古巴彥淖爾市2005—2019年農業氣象常規觀測站從向日葵播種到收獲每月逢8的土壤水分觀測數據，通過具體分析每次灌溉前的土壤相對濕度對應的干旱等級來判斷實際旱情，利用實際生產是否進行灌溉來驗證干旱評價結果的準確性(表5)。從表5中可以看出，實際生產中第一次灌溉基本在6月中旬到7月上旬進行，正值近花序形成期，該時段灌溉前土壤相對濕度有60%的年份濕度值大于65%，即按照本文建立的向日葵干旱等級指標應該為無旱，實際灌溉生產中一般也是推后5～10 d進行灌溉。可以看出，隨著植物需水逐漸增加土壤相對濕度快速降低，作物開始受干旱脅迫。第2次灌溉基本在7月中下旬進行，正值向日葵開花期，該時期作物需水達到高峰，實測發生輕旱的年份為60%，中旱為20%，重旱和特旱各1年，灌溉日期基本和干旱程度一致，只有2018年的土壤濕度觀測在83.28%，為無旱，灌溉可推后，實際當年灌溉在觀測后的第7天進行，可見歷年灌溉實際生產活動基本符合作物需水要求。2007年進行了3次灌溉，第3次灌溉日期處于向日葵開花后一周～成熟期，根據土壤相對濕度≥60%為無旱，而當年土壤相對濕度觀測值為71.87%，土壤濕度完全能夠滿足作物需水要求，且向日葵逐漸進入成熟階段，此時的作物需水逐漸降低，此時段可以不灌溉或實行節水優化灌溉。通過計算該農業氣象觀測站點2005—2019年向日葵歷史減產率發現，向日葵減產率波動在-11.9%～8.07%，減產率在±5%的年份占所有年份的80%，可見河套灌區向日葵產量基本穩定，因此利用土壤相對濕度判定作物是否發生干旱脅迫，是否需要進行灌溉，可實現作物穩產增產。

表5 干旱等級判別結果

3 結論與討論

通過作物生長參數和土壤相對濕度的相關性分析尋找土壤發生干旱后植物的反應，進一步確定土壤相對濕度干旱等級，建立的指標較為科學合理，同時研究結果符合作者前期研究得出向日葵不同發育時段對水分的需求和敏感性[24]。與Jensen水分生產函數模型計算的向日葵對水分虧缺的敏感順序相一致，敏感性從高到低為：開花期>花序形成期>成熟期>苗期[24-25]。前期研究表明，向日葵在花序形成～開花期的需水量和日耗水強度最高，是需水高峰期，這個階段需水量占總需水量的42.22%，平均日耗水達9.5 mm·d-1。可見，該生長發育時段的水分相對濕度指數最為敏感的結果是合理的。

干旱是內蒙古地區對農業影響最大的農業氣象災害，建立干旱對農業影響的評估指標和方法一直是農業研究的主題。由于對向日葵干旱評估指標研究的較少，有必要逐漸建立準確定量的評估指標[26-29]。由于受向日葵種植區域的局限和資料可獲取等因素限制，本文只建立了河套地區干旱災害等級評價指標，該指標在其他區域應用效果還有待進一步的驗證；在該指標用于實際評價中要求有土壤濕度觀測資料，這也限制了該指標的應用。同時，本文確定的向日葵不同生育階段干旱災害等級指標，僅適用于單一階段發生干旱時進行不同等級判別及影響評估，但在向日葵整個生育期還會有菌核病、銹病和草地螟等因素造成的向日葵減產[30]，因此建立適用于全生育期的綜合干旱影響評估指標也是今后向日葵干旱監測、評估研究的重點。

本文在向日葵土壤水分控制田間試驗研究成果的基礎上，由土壤相對濕度和作物生長參數之間的相關模型，得出了向日葵出苗～花序形成、花序形成～開花后一周、開花后一周～成熟3個生育階段輕旱、中旱、重旱、特旱的等級指標。根據土壤相對濕度計算得出，向日葵3個生育階段發生輕旱的臨界值分別為65%、70%和60%，發生中旱的臨界值分別為55%、60%和50%，發生重旱的臨界值分別為45%、50%和40%，發生特旱的臨界值分別為35%、40%和30%。利用向日葵農業氣象常規觀測站2005—2019年從播種到收獲每月3次(8日、18日、28日)的土壤水分觀測數據，分析每次灌溉前的土壤相對濕度對應干旱等級來判斷實際旱情，通過進行灌溉驗證干旱評價結果的準確性，分析結果表明干旱等級指標合理且能在河套地區對實際灌溉進行較好地指導。