沈 晖，田军仓，马 波

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2. 宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；3. 旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021)

作物水分生产函数是以作物各生育阶段的相对耗水量为自变量，反映作物各生育阶段水分消耗与作物产量之间的函数关系，是水资源短缺的地区进行灌溉工程的规划、设计、用水管理和灌溉经济效益分析的基本依据[1-3]。国内外学者对作物不同时期耗水规律及水分对与产量的影响进行了大量的研究。国外Kirda.C[4]、Cabelguenne M.[5]等根据不同农作物的耗水规律及水分对产量的影响, 提出了优化灌溉措施的方案。国内对甜菜、冬小麦、玉米、水稻、大豆作物的耗水规律及水分生产函数模型均有一定的研究，王加蓬等研究了日光温室膜下滴灌条件下甜瓜耗水规律、产量以及水分生产函数[6]；孙宇光等认为在干旱区甜菜各个生育期耗水量从小到大依次是苗期、糖分积累期、叶丛生长期和块根增长期[7]；梁银丽等研究了黄土旱区冬小麦和春玉米的水分生产函数，为黄土灌区制定各个制度提供了重要的理论依据[8]。但国内对压砂地甜瓜水分生产函数的研究尚未见研究报道，本文以补灌条件下甜瓜为研究对象，分析其不同生育阶段的耗水规律，建立水分生产函数模型，以期为干旱地区甜瓜生产及制定灌溉制度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在宁夏中卫市香山镇红圈子村三合队进行。该试验点位于北纬36°15′，东经105°15′，海拔1 697.8 m。试验田为沙壤土，密度为1.43 g/cm3，田间持水率为25.5%(质量比)。土壤全盐量为0.54 g/kg，速效氮为32 mg/kg，速效磷为5.8 mg/kg，速效钾为185 mg/kg，全氮为0.63 g/kg，全磷为0.52 g/kg，全钾为20.9 g/kg，有机质为8.15 g/kg，pH值为8.57。全生育期降雨量为76.0 mm，日照时数为1 079.5 h,平均气温为20.0 ℃,平均风速为4.78 m/s(高度2 m)。

1.2 试验设计

试验采用防雨桶栽，塑料桶上口直径35 cm，下口直径32 cm，高32 cm；桶的下方铺有2cm的小石子，其上按原始土壤密度分层装过0.5 cm筛的细土，最上方铺砂12 cm；盆中埋有TDR管，用来定期测定土壤含水量。供试作物选择当地甜瓜主栽品种玉金香；供试肥料为生物有机肥(由宁夏大学与中卫市丰盛生物有机肥厂共同研制生产，含N 1.8%，P2O50.52%，K2O 2.4%，)、尿素(含N 46%)、磷酸二铵(含N 18%，含P2O546%)，其中生物有机肥作底肥一次施入，尿素和磷酸二铵作为追肥，分别在伸蔓期和开花坐果期施入[9]。

试验将甜瓜生育期分为苗期、伸蔓前期、伸蔓后期、开花坐果期、膨大初期、膨大中期和膨大后期7个阶段，共设16个处理(见表1)，每个处理3次重复，在田间随机排列[10]。5月1日施底肥、播前灌水，5月3日播种、覆膜，6月1日放苗，8月5日收获，除水分外，各处理基肥、施肥、耕作等田间管理管理措施相同。采用平衡施肥，灌水指标采取定时定量方法，采用机械补灌方法，灌水定额为45 m3/(hm2·次)。

1.3 测定项目

测定项目包括甜瓜生育期、叶片数、蔓长、茎粗、叶面积指数、干物质积累量、灌水量、土壤含水率、土壤养分及产量等。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤水分的影响

从图1、2可以看出，不同处理土壤水分随时间的变化呈波浪形的变化趋势。由于灌水次数的不同，各处理存在比较明显的差异，但土壤水分含量均控制在一定范围之内。在甜瓜各个生育阶段，对土壤水分消耗均不一样，灌水次数越少，土壤水分消耗越大。从甜瓜种植到6月4日，土壤含水率无明显变化，随着伸蔓前期水的灌溉，导致土壤含水率的差别增大。T1(灌6水)处理在各个时期都进行补水，所以在整个生育期土壤水分变化相对平稳，均保持在田间持水率的60%以上，其他处理与之相比，前期变化不大，后期因为灌水次数减少导致变化幅度增大。在膨大后期，T2(灌5水)、T3(灌4水)、T4(灌3水)、T5(灌2水)和T6(灌1水)土壤水分与T1(灌6水)相比分别下降了25.26%、52.06%、62.37%、66.49%和68.56%，由此说明，灌水次数少的处理由于灌水间隔时间较长，不能满足甜瓜的需水要求，而灌水次数多的处理因间隔时间短，土壤水分能够满足甜瓜正常的生长。

表1 试验设计方案Tab.1 Test scheme

图1 不同灌水次数对土壤水分的影响(灌前)Fig.1 Effect of irrigation frequency on soil moisture (before irrigation)

图2 不同灌水次数对土壤水分的影响(灌后)Fig.2 Effect of irrigation frequency on soil moisture (after irrigation)

2.2 不同处理对水分生产效率的影响

作物需水量是指作物在任一土壤水分条件下的植株蒸腾量、棵间蒸发量以及构成植株体的水量之和，其大小会受到气候条件、土壤水分状况、作物种类及生长阶段、农业技术措施、灌溉排水措施等因素的影响[11]。不同生育阶段甜瓜需水量采用水量平衡方程计算。在本试验条件下，压砂地甜瓜为旱作物，且由于试验采用防雨盆栽，所以地下水补给量、降雨量及和由计划湿润层增加而增加的水量可不加以考虑，则简化后的水量平衡方程为：

ET=M-Wt+W0

(1)

式中：W0、Wt为时段初和任意时间t时的储水量，mm；M为时段t内的灌溉水量，mm；ET为时段t内的作物田间需水量，mm。

根据简化后的水量平衡方程，利用前后两次土壤水分的实际测定结果，计算不同水分处理的甜瓜实际需水量，计算结果见表2。

表2 甜瓜实际需水量、产量及水分利用效率Tab.2 Water requirement and water use efficiency for melon

由表2可知，随着灌水次数及灌水量的增大，甜瓜需水量和产量均呈上升趋势。T1处理全生育期不缺水，需水量和产量均为最大，但水分生产效率却相对较低。T3、T4、 T4、 T5和T15处理的水分生产效率相对较高，但产量却低于T1处理。由此说明，较高的水分供应虽然能获得较高的产量，但并不一定能实现水分高效利用。

2.3 甜瓜水分生产函数模型的建立

2.3.1回归模型

通过对压砂地甜瓜需水量与产量之间进行回归分析， 结果表明，产量Y与实际总需水量x的关系符合一元二次回归模型，模型相关性较高，R2为0.855 3，拟合方程为：

y=-1.379 5x2+240.83x+223.82

(2)

依据回归模型计算出当压砂地甜瓜全生育期需水量为87.28 mm时，产量达最大值10 789.31 kg/hm2。由产量与总需水量的相关图3可以看出，拟合曲线呈凸抛物线形，在桶栽试验条件下，当全生育期需水量由5.90 mm增加到87.28 mm时，产量随之增加，当需水量大于87.28 mm时，产量不但不增加，反而逐渐下降，呈报酬递减规律。由此说明，水量过少或过多都不能取得高产，水量过少会造成植株在某些生育阶段遭受严重水分胁迫而不能正常发育,从而导致产量降低，但灌水过量会造成开花期推迟、植株茎叶徒长以及病害的发生, 从而会影响产量，不能获得高产[12]。

图3 甜瓜产量与需水量的关系Fig.3 The relationship between yield and water requirement for melon

2.3.2Jensen模型

水分生产函数是水分与作物产量之间的数量关系，作物在不同生育阶段对水分的敏感程度具有一定的差异。根据各生育阶段甜瓜需水量和实测产量(表2)，采用目前普遍应用的Jensen连乘模型，对甜瓜不同生育阶段对产量的影响进行分析：

(3)

式中：Ya为各处理条件下的实际产量；Ym为充分灌溉处理下的产量；i为不同生育阶段编号；n为生育阶段总数；ETi为i阶段的实际需水量；ETmi为充分灌溉条件下i阶段的需水量；λi为第i生育阶段的水分敏感指数。

在本试验条件下，模型中的Ym和ETmi可采用本试验条件下的实际最高产量及其相对应的阶段需水量；求解水分敏感指数λi时，首先对Jensen模型两边取自然对数，则有：

(4)

(5)

然后通过对式(5)进行多元线性回归，求解各生育阶段水分敏感指数λi，并对回归方程进行显著性检验，结果(表3)表明，F=68.38>F0.01(6，15)=4.32，因素与产量的复相关系数R2为0.980，表明水分与产量间的回归关系达到极显著水平；各生育阶段水分敏感指数λ的大小顺序为开花坐果期>伸蔓前期>膨大前期>伸蔓后期>膨大中期>膨大后期；λ值越高，作物对水分的需求就越大,对缺水越敏感，开花

表3 甜瓜水分敏感指数及回归方程的显著性检验Tab.3 Moisture sensitive index and significant test of the regression equation for melon

坐果期、伸蔓前期和膨大前期的λ值都很高，说明这些阶段需要保证水分需要，若遭受水分胁迫，将不可避免的造成减产；膨大后期的λ值最低，表明此阶段耗水量较低，在此阶段控水，对产量的影响程度不大[13,14]。

根据Jensen模型计算的水分敏感指数，得出在本试验条件下的甜瓜水分生产函数为：

(6)

3 结 论

通过对压砂地甜瓜水分生产函数进行研究分析，得出如下结论。

(1)压砂地甜瓜产量与需水量之间呈凸抛物线趋势变化，水量过少或过多都会影响产量。在桶栽试验条件下，随着需水量的增加，产量随之增加；当需水量大于87.28 mm时，产量非但不增加，反而逐渐下降，呈报酬递减规律。

(2)建立了压砂地甜瓜水分生产函数模型，各生育阶段水分敏感指数按开花坐果期、伸蔓前期、膨大前期、伸蔓后期、膨大中期、膨大后期依次降低，其变化规律与甜瓜的需水规律相一致。在开花坐果期、伸蔓前期和膨大前期需要保证水分需要；在伸蔓后期和膨大中期，对缺水的敏感性较低，在水资源严重不足干旱地区可适当减少灌水量；膨大后期水分对产量影响程度很小，可考虑在此阶段不灌水，以取得最佳的生产效益。

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