運用土壤水分表征小麥受漬影響程度的指標構建

楊小琴,萬 肖,胡佩敏,熊勤學,陳啟行

(1. 長江大學農學院,湖北 荊州 434025;2. 荊州市氣象局,湖北 荊州 434020;3. 長陽土家族自治縣農業產業服務中心,湖北 宜昌 443500)

【研究意義】漬害是影響長江中下游地區小麥生長的主要農業氣象災害之一[1]。漬害形成的主要原因是土壤孔隙水分增加,氧氣減少,土壤通透性變差,作物根系呼吸作用受到抑制,根系活力下降,水肥吸收能力減弱,最終導致生物量降低[2]。長江中下游地區3—4月降水量一般在300～400 mm,占年降雨量的30%～40%。此時正值小麥營養生長和生殖生長時期,年漬害發生頻率較高[3]。因此,基于土壤含氧量構建漬害機理模型對防范小麥漬害,減緩小麥受漬程度,穩定漬害多發區小麥產量有重要意義。【前人研究進展】目前,國內外分析小麥受漬程度及影響的特征量有兩類,一類是基于土壤地下水位埋深指標構建,如累計超標準地下水深(SEW30)[4]、累計超標準地面水深(SFW)[5]、累計綜合澇漬水深(SFEW30)[6]、澇漬連續抑制天數(CSDI)[7-9]和等效淹漬歷時(SFD)[10]等,這類特征量因多側重于統計分析在澇漬脅迫條件下作物根系缺氧、呼吸受阻導致根系水分虧缺的原因,不能及時反映因過度灌溉引起的小麥受漬程度及影響,且遙感數據難以反演地下水位埋深程度,因此在大范圍小麥漬害評估中較少使用;另一類是基于氣象要素構建,如澇漬害日指數[11]、濕漬害日指數[12-13]等,這類特征量只考慮了氣象條件的影響,較少考慮對漬害形成過程中必不可少的其他孕災環境因子(如土壤、地形、水文要素),不能完全表征實際小麥受漬程度[14]。此外,漬害對作物影響的作物生長模擬模型中,多采用土壤含水量或地下水位埋深等指標作為漬害影響因子,模擬計算作物受漬程度[15],如DRAINMOD(A hydrological model for poorly drained soils)模型[16]、APSIM(Agricultural production systems simulator)模型[17]和SWAGMAN Destiny(Salt water and groundwater MANagement destiny)模型[18]等,APSIM和SWAGMAN Destiny模型是利用土壤含水量計算低氧脅迫對作物根系生長的影響,定量分析漬害對作物產量的影響[19]。Lizaso等[20]曾嘗試將低氧(或無氧)脅迫因子引入CERES(Crop environment resource synthesis)-Wheat模型,產量模擬效果良好。朱建強等[21-22]研究發現間歇性多次澇漬的綜合脅迫顯著影響作物產量,特別是高強度澇漬脅迫與多日連晴轉雨或多日連雨轉晴引起的劇烈天氣變化的疊加使作物減產更為嚴重,但多次漬害脅迫下作物的反應機理非簡單的災害疊加,需要進一步研究。【本研究切入點】漬害主要體現在土壤氧濃度的變化,土壤氧濃度值過低主要與土壤含水量過高或者地下水位埋深過淺有直接關系[23-24]。氧濃度值過低影響作物根系發生無氧脅迫或低氧脅迫,進而影響作物正常生長發育或產量形成,用低氧脅迫指數表征作物受漬程度的特征值,在一定程度上不僅能反映漬害發生程度,也能反映作物生長過程中多次受漬害影響程度及其對作物產量的影響[25]。因此構建基于土壤體積含水量的表征作物受漬程度的特征值,能準確定量體現整個生長季作物的受漬程度,為作物產量預報、減災防災提供科學依據。【擬解決的關鍵問題】以耐漬品種“揚麥11”和不耐漬品種“鄭麥7698”為供試品種[26],通過小麥(單次或2次)受漬的盆栽試驗,利用APSIM模型中土壤水分低氧脅迫對根系總影響的計算公式,提出小麥受漬日指數,結合土壤體積含水量構建小麥受漬指數特征量;分析小麥受漬指數特征量與小麥葉片葉綠素相對含量SPAD值(Soil and plant analysis development)、產量的關系,驗證受漬指數特征量對單次、2次受漬的模擬效果,為小麥產量預報和減災抗災提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

小麥漬害盆栽試驗于2021年11月至2022年5月在長江大學農學院露天試驗基地(112°08′ E,30°21′ N)進行,試驗盆栽箱長0.60 m,寬0.45 m,高0.35 m,供試品種為耐漬品種“揚麥11”(Y)和不耐漬品種“鄭麥7698”(Z)。全部盆栽試驗于2021年11月3日統一播種,播種前每箱土壤均施用均勻混合復合肥[m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15]17.78 g/kg、鉀肥0.89 g/kg和尿素3.94 g/kg;測定播種前土壤基本理化性質為pH 8.15、全氮1.47 g/kg、全磷0.67 g/kg、全鉀10.25 g/kg、有機質16.78 g/kg、堿解氮58.44 mg/kg、有效磷30.62 mg/kg和速效鉀110.12 mg/kg。全部供試盆栽于2022年1月25日小麥分蘗期追施尿素4.17 g/kg。

試驗共設置4個漬水處理:0(CK)、5、12、20 d,每個處理重復3次,兩品種分別于拔節至孕穗時期(3月8日至4月28日,記為B)、開花至成熟時期(4月1日至5月21日,記為C)進行受漬處理,該時期為小麥需水臨界期[27]。試驗設置2種受漬處理方式:單次持續受漬和2次持續受漬。對照(CK)不進行受漬處理,田間管理和其它處理相同。四周用無受漬處理“揚麥11”(Y-0)或“鄭麥7698”品種(Z-0)的盆栽箱圍成保護行,總計試驗盆栽120箱。

于2022年3月8日開展為期5、12和20 d的單次受漬處理,2次受漬處理為單次持續受漬處理后間隔10 d,再進行與單次處理相同時長的受漬處理。試驗受漬方式為采用帶刻度容量的水桶進行人工澆灌,土壤含水量保持在最大田間持水量90%以上,每天對盆栽箱進行土壤含水量監測和排灌處理,以受漬處理高度距離土面5 cm作為漬害脅迫標準[28],并記錄每箱土壤每天灌溉量(L)。

1.2 測定項目

土壤水分:利用土壤水分測量儀(EM50)測量土壤體積含水量,1個水分測量儀連接1個水分傳感器(EC-5),測量儀探頭插入土壤埋深0.05 m,每日8:00—20:00進行觀測,設置觀測時間間隔為1 h,取24 h平均值作為當天土壤體積含水量。

小麥葉片SPAD值測定:分別在小麥拔節至孕穗期間分5次(3月2日、3月12日、4月3日、4月9日和4月19日)用SPAD-502儀測定小麥葉片SPAD值。每箱選取3片新的完全展開葉(旗葉、倒二葉和倒三葉)進行測定,每片葉隨機選定3個測點,將所有測定值取平均得到該處理的SPAD值。

產量測定:于成熟期(5月8日)將小麥全部收獲,記錄有效穗數和莖蘗數后,手工脫粒,脫粒后采用水選法將實粒、空秕粒及雜質分開,并用烘箱烘干,稱量風干實粒總重量。

氣象要素:利用實驗站HOBO自動氣象站自動記錄每天降雨量。

小麥產量增減率計算公式如下:

(1)

式中,yr為小麥產量增減率(kg/hm2),ys為小麥受漬樣本產量(kg/hm2),yn為小麥對照樣本產量(kg/hm2)。

1.3 APSIM小麥受漬特征量

用APSIM模型計算土壤水分低氧脅迫對小麥根系總影響的計算過程[29](圖1),通過每日土壤表層體積含水量(SW)計算土壤孔隙水含量(WFPSSW),進而計算低氧脅迫條件下小麥根系特征量(Aerf);結合前期持續受漬天數(Dtime),計算低氧對根系的總影響因子(Laf)。

圖1 APSIM模型土壤水分低氧脅迫對小麥根系總影響因子的計算流程圖Fig.1 Flow chart for calculating the total effect factor of soil moisture hypoxic stress on wheat root system based on APSIM

根據表層土壤體積含水量計算土壤孔隙水含量,計算公式如下:

(2)

式中,SW為土壤體積含水量(m3/m3);BD為干土容重(g/cm3),用環刀法實際觀測為1.4 g/cm3;SD為土壤密度(g/cm3),一般土壤的密度多在2.6～2.8 g/cm3范圍內,本文取2.7 g/cm3。

基于土壤孔隙水含量和土壤類型表達低氧對根系影響特征值(Aerf),計算公式如下:

(3)

式中,WFPScrit為臨界土壤孔隙水含量,參考Shaw和Meyer[25]分析漬害臨界土壤孔隙水含量標準取值(0.65)。Aerf特征量為0～1取值的無量綱參數,當其越接近1,表示土壤孔隙中水分越少,氧氣越多;反之,越接近0,表示土壤孔隙中氧氣越少。

當土壤孔隙水含量日均值(WFPSsw)>0.65,定義當日小麥受漬害影響;當土壤孔隙水含量日均值(WFPSsw)<0.65,則為小麥處于正常狀態,持續受漬天數為0 d;由于小麥根系對漬害反應存在滯后性,設定持續受漬天數≥3 d時,漬害對小麥根系產生影響,此時受漬天數為1 d;當持續受漬每超過1 d,受漬天數累計1 d,持續受漬≥60 d時漬害對小麥產生的影響不變[25]。

(4)

式中,Dtime,i為第i天的受漬天數,i-1、i-2分別表示第i天的前1天和第i天的前2天。

漬害對小麥根系日影響函數是綜合考慮了土壤水分低氧脅迫、小麥受漬天數及作物耐漬性等因素影響的特征量[23],計算公式如下:

Lafi=[(1-Aerfi)Dtime,i0.167]×Coefi

(5)

式中,Coefi為不同生育期小麥對漬害反應的權重系數,取值介于0～1。Laf為無量綱單位,介于0～1,越接近1,Laf表示漬害對小麥根系影響越大;Laf越接近0,表示小麥根系受到漬害的影響越小。

越冬期小麥受漬害影響程度隨著小麥生育進程不斷增大,Coefi值用Sigmoid函數表示呈“S”型曲線[25](圖2),計算公式如下:

圖2 小麥不同生育期對漬害的權重系數Fig.2 The weight coefficient of wheat waterlogging in the different growth period

(6)

式中,i為距小麥出苗(上年11月30日)后的天數,小麥播種期至11月30日期間,由于小麥處于苗期,認為漬害對小麥生長沒有影響,即Coefi值為0。

1.4 小麥受漬指數計算

基于以上APSIM模型對漬害的描述,Laf表征模擬小麥日漬害影響程度,考慮數值量級較小,故擴大1000倍,定義為小麥受漬日指數DWI(Daily waterlogging index),計算公式如下:

DWIi=1000×Lafi

(7)

式中,DWIi為第i天小麥受漬日指數,DWIi越大表示當日小麥受到漬害的危害程度越大。

將小麥整個生長季內每日小麥受漬日指數平均后得到整個生育期受漬指數WI(Waterloggging index),計算公式如下:

(8)

式中,WI為小麥整個生長季受漬害的影響程度;DWI為小麥從播種開始,到指定日期內漬害對小麥生長發育的影響程度;n取值范圍為小麥整個生育期,小麥處于苗期時,n為0。

從小麥播種到指定日期,小麥受漬日指數(DWI)累計之和為累計受漬指數(Accumulated waterlogging

index,AWI),計算公式如下:

(9)

式中,n取值范圍為小麥從播種開始到指定觀測期。

2 結果與分析

2.1 受漬時期、受漬時長對小麥產量增減率的影響

由圖3可知,“揚麥11”和“鄭麥7698”2個小麥品種在拔節至孕穗期(記為B)或開花至成熟期(記為C)進行單次或者2次持續受漬情況下小麥受漬時長與小麥產量增減率呈極顯著線性負相關(P<0.01),相關系數分別為-0.869(“揚麥11”、單次持續受漬)、-0.793(“揚麥11”、2次持續受漬)、-0.929(“鄭麥7698”、單次持續受漬)和-0.673(“鄭麥7698”、2次持續受漬),即小麥受漬越長小麥產量增減率越低。不同時期受漬對小麥產量增減率的影響有明顯差異,“揚麥11”“鄭麥7698”開花至成熟期小麥產量增減率明顯低于拔節至孕穗期小麥產量增減率,說明在開花至成熟期對小麥進行受漬處理對產量的影響大于拔節至孕穗期。受漬時長相同,單次持續受漬和2次持續受漬條件下,小麥受漬時長與小麥產量增減率的線性模擬曲線斜率差異明顯:單次持續受漬處理斜率大于2次受漬處理(“揚麥11”,單次持續受漬斜率(-0.0217)大于2次持續受漬斜率(-0.0074);“鄭麥7698”、單次持續受漬斜率(-0.076)大于2次持續受漬斜率(-0.012);當k<0時,k值越小,模擬曲線越陡峭,變化幅度越大,即小麥受漬害對其產量增減率的影響越大);盡管小麥受漬時長與小麥產量增減率呈極顯著線性負相關,但線性模擬曲線參數明顯與持續受漬時期、受漬次數、受漬品種有關。

**表示極顯著相關(P<0.01)。下同。**represents extremely significant correlation(P<0.01). The same as below.

2.2 小麥AWI指數與小麥葉片SPAD值的關系

由圖4可知, AWI與小麥葉片SPAD值關系呈極顯著線性負相關(P<0.01),相關系數分別為-0.896(“揚麥11”、單次持續受漬)、-0.903(“揚麥11”、2次持續受漬)、-0.882(“鄭麥7698”、單次持續受漬)和-0.810(“鄭麥7698”、2次持續受漬),即AWI越高,SPAD值越低,表示小麥受漬越重,小麥葉綠素含量及活性越低。

圖4 AWI與SPAD的關系Fig.4 The relationship between AWI and SPAD

2.3 受漬指數(WI)與小麥產量增減率的關系

所有處理下WI與小麥產量增減率關系如圖5所示,其曲線呈倒“V”型,小麥產量增減率在5.3、6.0時為最大,當WI≤5.3(“揚麥11”)、WI≤6.0(“鄭麥7698”)時為WI低值點,WI與小麥產量增減率呈正相關,即WI越大,其產量越高;當WI>5.3(“揚麥11”)、WI>6.0(“鄭麥7698”)時為WI高值點,WI與小麥產量增減率呈負相關,即WI越大,其產量增減率越低。

圖5 不同受漬處理下WI與小麥產量增減率的散點圖Fig.5 Scatter plot of WI and rate of increase or decrease in wheat yield under different waterlogging treatments

WI與小麥產量增減率擬合結果都達到置信區為0.01極顯著水平,其相關系數r分別為0.669(“揚麥11”,WI≤5.3)與-0.719(“揚麥11”,WI>5.3)、0.558(“鄭麥7698”,WI≤6.0)與-0.733(“鄭麥7698”,WI>6.0)。

當WI>5.3(“揚麥11”)、WI>6.0(“鄭麥7698”)時,WI與小麥產量增減率線性模擬結果見表1,同一小麥品種一次線性曲線中的截距與斜率相似,受漬時段和受漬次數對曲線的擬合影響無明顯差異,即無論小麥生育期受漬或幾次持續受漬,若WI相同,則對小麥產量增減率影響相似。

表1 不同受漬處理下WI與小麥產量增減率模擬情況

WI與小麥產量增減率的擬合曲線能體現小麥品種的耐漬性,“揚麥11”耐漬性強,在WI與產量增減率的擬合曲線表現為第二階段產量增減率與WI斜率低(46.62),“鄭麥7698”不耐漬,表現為第二階段產量增減率與WI斜率高(60.78),即在同等強度的漬害條件下,“鄭麥7698”產量下降速度明顯大于“揚麥11”。

3 討 論

長江中下游是我國小麥的主產區之一,該區域長期受季風氣候影響,水分脅迫對小麥生長發育影響較大。土壤水分過多導致小麥根系缺氧,造成小麥在關鍵生長期營養生長不良,產量降低[29]。本研究中小麥受漬時長與小麥產量增減率呈顯著線性負相關(P<0.01),表明隨著小麥受漬處理時間的增加,小麥產量增減率降低;小麥開花至成熟期受漬害對其產量的影響高于拔節至孕穗期,這與李慶祿等[30]在漬害對小麥生長的影響中的表述一致。研究發現小麥單次受漬處理間隔10 d再進行第2次漬水處理,小麥受漬時長相同條件下,單次持續受漬處理斜率大于2次持續受漬處理,原因可能與小麥自身對漬害有一定的抗性有關,小麥受漬程度到達小麥受漬臨界點(5 d)后,小麥根系進行自我調節出現自適期,在此期間,小麥抗漬能力得到提升和后期小麥修復功能起了明顯作用。因此,盡管小麥受漬時長與小麥產量增減率呈極顯著線性負相關,但其線性模擬曲線參數明顯與持續受漬時期、受漬次數、受漬品種有關,僅用受漬時長作為特征量表征小麥受漬程度的普適性不強。

4個處理下AWI與小麥葉片SPAD值關系呈極顯著線性負相關(P<0.01),即AWI越高,SPAD值越低,表示小麥受漬越重,小麥葉綠素含量及活性越低,說明AWI能準確反映小麥受漬程度;同一品種不同受漬方式的AWI與小麥葉片SPAD值線性曲線高度重合,說明持續受漬次數、受漬時長的差異對線性曲線無顯著影響,即AWI不受受漬時期、受漬持續次數以及受漬時長的限制,無論何時受漬,或持續受漬次數以及受漬時長是否一致,只要AWI相同,對SPAD值的影響相同;“揚麥11”品種線性曲線斜率明顯大于“鄭麥7698”,說明品種差異對AWI與小麥葉片SPAD值線性曲線存在顯著影響,用AWI能反映品種耐漬性的差異。因此,相比用受漬時長作為特征量表征小麥受漬程度,用AWI作為特征量更準確。

WI與小麥產量增減率擬合結果與前人研究的漬害機理模型一致[25],漬害對作物的影響過程主要分為3個階段:第一階段(5 d以內)是根系有充分水分供應的機能提升期,小麥產量會提高;第二階段(5 d以后)是低氧脅迫引起的作物生長抑制期,小麥會因漬害減產;第三階段為通氣組織和不定根為標志的自適期,小麥減產程度會減弱。即當WI≤5.3(“揚麥11”)或6.0(“鄭麥7698”)時,WI與小麥產量增減率呈正相關,隨著WI變大,小麥產量增減率會增加,此時處于第一個階段,當WI>5.3(“揚麥11”)或6.0(“鄭麥7698”)時,受漬進入第二階段,即WI越高,小麥產量增減率越低。

基于氣象要素構建的表征小麥受漬程度特征值只適用于因過度降水引起的澇漬型漬害,沒有考慮其它致災因子,因此公式中的參數的普適性還需要進一步研究;基于地下水位埋深構建的、表征小麥受漬程度特征值不適用于因過度澆灌引起的農田漬害,而且地下水位埋深都是定點觀測,大范圍提取地下水位埋深數據困難。本研究中利用土壤體積含水量計算得到的WI,客觀體現土壤低氧或者無氧脅迫對小麥的影響,而且適用于所有類型的漬害,具有普適性。其次,目前遙感技術,特別微波主被動遙感的土壤水分監測技術已從地面理論試驗階段經算法研究、星載驗證階段,走向全球的土壤水分的業務化監測階段[31],為運用WI特征量實時監測漬害提供了理論基礎。WI盡管考慮了現有致災因子的影響,但因為本試驗為盆栽試驗,土壤體積含水量垂直變化不大,與大田水分特征有顯著差異,如果進一步將結果引入大田是將來改進的方向;盡管構建的WI可以反應SPAD值和小麥受漬程度,但其還需要進一步的田間多點驗證和區域驗證。

4 結 論

(1)受漬時期、受漬時長和小麥耐漬性對小麥產量增減率的影響呈極顯著線性負相關,但線性模擬曲線參數明顯與持續受漬次數、受漬日期、受漬品種有關。

(2)不同受漬處理下小麥葉片SPAD值與累計受漬指數(AWI)呈極顯著負線性相關,即小麥受漬害程度越重,小麥葉綠素含量及活性越低。

(3)WI能準確表達漬害機理模型,即與小麥產量增減率的關系可分為二部分,當WI≤5.3(“揚麥11”)、WI≤6.0(“鄭麥7698”)時WI與產量增減率呈正相關,WI越大,其產量增減率越高,反之,當WI>5.3(“揚麥11”)、WI>6.0(“鄭麥7698”)時WI與產量增減率呈負相關,WI越大,其產量增減率越低。WI可定量表達小麥受漬程度及對小麥產量增減率的影響。